CN103367113B - 第iii族氮化物半导体的制造方法和第iii族氮化物半导体 - Google Patents

第iii族氮化物半导体的制造方法和第iii族氮化物半导体 Download PDF

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Abstract

本发明涉及第III族氮化物半导体的制造方法和第III族氮化物半导体。所述用于制造第III族氮化物半导体的方法包括：在衬底的主表面上形成凸台；以及沿着第III族氮化物半导体的c轴方向生长第III族氮化物半导体，其中在生长的第III族氮化物半导体的低指数面中与凸台或凹部的侧表面最平行的面是m面(1-100)，以及在将通过使加工的侧表面的法向矢量正交投影至主表面所获得的投影矢量定义为侧面矢量时，在侧面矢量与通过将生长的第III族氮化物半导体的m面的法向矢量正交投影至主表面所获得的投影矢量之间的角为0.5°以上且6°以下。

Description

第III族氮化物半导体的制造方法和第III族氮化物半导体
技术领域
本发明涉及用于在形成有凸台(mesa)的衬底上生长第III族氮化物半导体晶体的方法以及第III族氮化物半导体。
背景技术
当通过在蓝宝石衬底上晶体生长第III族氮化物半导体来制造第III族氮化物半导体发光器件时，已经开发有一种在蓝宝石衬底的第III族氮化物半导体生长表面上形成凸台以提高光提取性能的技术(例如，日本公开特许公报(特开)No.2004-200523和No.2005-101566)。
日本公开特许公报(特开)No.2003-526907公开了在蓝宝石衬底上形成凸台条带图案，在凸台的顶表面上垂直生长GaN而且该GaN还横向生长，从而获得具有低穿透位错密度的GaN半导体。
然而，当通过这些方法在形成有凸台的蓝宝石衬底上生长第III族氮化物半导体时，在凹部或凸台的侧表面上形成空隙，从而导致使第III族氮化物半导体的结晶度和平坦度劣化的问题。
因此，日本公开特许公报(特开)No.2003-318441公开了凹部或凸台的侧面与蓝宝石衬底的a面在面视图中相交。当以这样的方式形成凹部或凸台时，在蓝宝石衬底的凸台的顶表面和凹部的底表面上生长GaN，但GaN难以在凹部或凸台的侧表面上生长。随着该生长过程，晶体被结合在一起，由此获得具有优异的结晶度和高的平坦度的GaN而未在其中形成空隙。另一方面，当凹部或凸台的在面视图中的侧面与蓝宝石衬底的a面平行时，在凹部或凸台上生长的GaN的横向生长慢。因此，难以用GaN掩埋在凹部或凸台的侧表面附近的空间，并且会劣化GaN的表面平坦度。
日本公开特许公报(特开)No.2011-77265公开了以下内容：在具有a面主表面或c面主表面的衬底上的凸台的所有侧表面均是抑制第III族氮化物半导体的晶体生长的表面。还公开了当凸台是六棱柱时，面视图中的六边形的每一条边与m轴之间的角度是15°。
当从凸台的顶表面和凹部的底表面起沿着与主表面垂直的方向生长第III族氮化物半导体时，存在穿透位错密度在所生长的半导体的最上面的表面上降低的优点，原因是通过小面生长穿透位错被横向弯曲。然而，存在穿透位错密度在所生长的半导体层的上表面上不均匀的缺点，原因是横向弯曲的穿透位错集中在凹部与凸台之间的边界附近。
当在形成有凸台的衬底上的凸台的顶表面和凹部的底表面上垂直生长第III族氮化物半导体时，需要通过横向生长第III族氮化物半导体来掩埋阶梯。也就是说，在沿着与衬底的主表面垂直的方向较快地生长的生长条件下生长第III族氮化物半导体之后，必须在沿着横向方向较快地生长的生长条件下生长第III族氮化物半导体。因此，存在使制造方法复杂化的问题。
发明内容
鉴于上述内容，本发明的一个目的是建立一种用于制造具有好的结晶度的第III族氮化物半导体的方法，其中第III族氮化物半导体的阶梯在不改变生长条件的情况下被掩埋。本方法也使得穿透位错密度在所生长的半导体层的顶表面上一致且均匀。
在本发明的第一方面中，提供了一种用于制造第III族氮化物半导体的方法，该方法包括：在衬底的主表面上形成凸台；以及在凸台的顶表面和凹部的底表面上沿着第III族氮化物半导体的c轴方向生长第III族氮化物半导体，其中
凸台和凹部的侧表面形成为满足以下条件：
在生长的第III族氮化物半导体的低指数面中与侧表面最平行的面是m面(1-100)；以及
在将通过使侧表面的法向矢量正交投影至主表面所获得的投影矢量定义为侧面矢量时，由侧面矢量和通过将生长的第III族氮化物半导体的m面的法向矢量正交投影至主表面所获得的投影矢量形成的角为0.5°以上且6°以下。
上面的角被定义为由两个相交矢量形成的角中较小的角。衬底可以是具有任何晶体结构的材料，只要第III族氮化物半导体沿着第III族氮化物半导体的c轴生长在凸台的顶表面和凹部的底表面上即可。例如，可以使用如下衬底：由蓝宝石、SiC、Si以及ZnO中的至少一种形成的衬底；第III族氮化物半导体衬底，如GaN、AlN衬底；或者其中在由任意材料制成的衬底上形成有第III族氮化物半导体如GaN的外延层的模板衬底。当使用模板衬底时，凸台可以仅形成在在外延层上，或者凸台可以形成为使得从外延层延伸至衬底。凸台或凹部的经加工的侧表面可以垂直于衬底的主表面，但是可能存在由蚀刻引起的倾斜或有意倾斜。此外，每个经加工的侧表面可以包括通过在垂直方向上布置多个面而形成的曲面，该多个面中的每个面具有不同的法向矢量。侧表面可以包括其垂直截面是弧形、椭圆形、抛物线形或其他弯曲形状的弯曲表面。可以被看作面的侧表面不一定是沿着与衬底的主表面平行的方向的直线。一个面状侧表面可以是曲线或折线。
在本发明中，考虑到凸台的侧表面不与主表面垂直的情况，将通过使侧表面的法向矢量正交投影至主表面所获得的投影矢量定义为侧面矢量。也就是说，侧表面与垂直于主表面的表面的倾角不包括在本发明所公开的角中。沿着与主表面垂直的方向生长在凸台的顶表面和凹部的底表面上的第III族氮化物半导体的c轴基本上垂直于主表面，但是可以稍微倾斜。在生长的第III族氮化物半导体的侧表面上形成有m面阶地(terrace)和a面阶梯(step)。第III族氮化物半导体的m面(1-100)垂直于a面(11-20)。第III族氮化物半导体的生长沿着m轴方向慢，而沿着a轴方向快。当一个面的经加工的侧表面不是单一面时，将一个经加工的侧表面上的法向矢量定义为法向矢量的平均值。也就是说，将法向矢量表面积分的平均值定义为一个侧表面的法向矢量。
本发明的特征在于：经加工的侧表面的取向被确定为使得侧面矢量与投影矢量之间的角落在0.5°至6°的范围内，该侧面矢量通过将侧表面的法向矢量正交投影至主表面获得，该投影矢量通过将生长的第III族氮化物半导体的m面的法向矢量正交投影至主表面获得。当沿着与衬底的主表面垂直的c轴方向生长在凸台的顶表面和凹部的底表面上的第III族氮化物半导体的侧表面是m面时，使第III族氮化物半导体小面生长以具有三角形截面。穿透位错通过小面成长而被横向弯曲，并且穿透位错密度在所生长的半导体层的上表面上降低。然而，除非第III族氮化物半导体也沿着与主表面平行的方向生长，否则小面之间的空间不能被第III族氮化物半导体掩埋。
在本发明中，在生长的第III族氮化物半导体中的、与经加工的侧表面的侧面矢量垂直(也与主表面垂直)的表面被从第III族氮化物半导体的m面起围绕与衬底垂直的轴在0.5°至6°的范围内旋转。如果c轴完全垂直于主表面，则第III族氮化物半导体的侧表面(与主表面垂直)是通过使m面围绕c轴在0.5°至6°的范围内旋转形成的面。这里，该范围满足于顺时针方向和逆时针方向两者。因此，通过将生长的第III族氮化物半导体的a面(该a面与m面垂直且与c轴平行)的法向矢量正交投影至主表面所获得的投影矢量具有沿着侧面矢量的方向的分量。结果，第III族氮化物半导体沿着与主表面平行且与经加工的侧表面垂直的方向生长。因此，除沿着c轴方向的垂直生长之外，实现了与主表面平行的横向生长，因而掩埋了由凸台的形成所引起的阶梯而未改变垂直生长的条件。利用这样的生长方法，抑制了高密度的穿透位错集中在凹部与凸台之间的边界附近，并且在生长的半导体层的最上表面上的穿透位错密度可以是均匀且一致的。本发明基于上面的构思。
在上面的发明中，当使用具有六方晶体结构的衬底时，给出以下实施方案。衬底的主表面是六方晶体的c面，并且在经加工的侧表面的侧面矢量与通过将六方晶体的a面(11-20)的法向矢量正交投影至主表面所获得的投影矢量之间的角可以为0.5°以上且6°以下。在此情况下，在衬底中的六方晶体的a面与生长的第III族氮化物半导体的m面平行。因此，在经加工的侧表面的侧面矢量与通过将生长的第III族氮化物半导体的m面的法向矢量正交投影至主表面所获得的投影矢量之间的角可以为0.5°以上且6°以下。也就是说，第III族氮化物半导体的与经加工的侧表面的侧面矢量垂直的面是通过使第III族氮化物半导体的m面围绕c轴在0.5°至6°的范围内旋转而形成的面。这里，该范围满足于顺时针方向和逆时针方向两者。针对具有与第III族氮化物半导体的晶格常数不同的晶格常数的六方晶体结构衬底，建立了衬底的晶体取向与生长的第III族氮化物半导体的晶体取向之间的这种关系。这样的六方晶体衬底的一个代表性实例是蓝宝石衬底。SiC衬底和ZnO衬底也满足该关系。
衬底的主表面可以是六方晶体的a面。在侧面矢量与通过将衬底的六方晶体的c面(0001)的法向矢量正交投影至主表面所获得的投影矢量之间的角可以为0.5°以上且6°以下。在此情况下，由于衬底的六方晶体的m面与第III族氮化物半导体的a面平行，所以衬底的六方晶体的c面与第III族氮化物半导体的m面平行。因此，在经加工的侧表面的侧面矢量与通过将生长的第III族氮化物半导体的m面的法向矢量正交投影至主表面所获得的投影矢量之间的角可以为0.5°以上且6°以下。也就是说，第III族氮化物半导体的与侧面矢量垂直的面可以通过使第III族氮化物半导体的m面围绕c轴在0.5°至6°范围内旋转形成。这里，该范围满足于顺时针方向和逆时针方向两者。针对具有与第III族氮化物半导体的晶格常数不同的晶格常数的六方晶体结构的衬底，建立了在衬底的晶体取向与生长的第III族氮化物半导体的晶体取向之间的这种关系。这样的六方晶体衬底的一个代表性实例是蓝宝石衬底。SiC衬底和ZnO衬底也满足该关系。
可以使用如下衬底：其中该衬底的主表面的至少待形成有凸台的部分包括第III族氮化物半导体。也就是说，其中第III族氮化物半导体衬底的表面形成有凸台的情况或者其中在衬底上形成有第III族氮化物半导体层的模板衬底中的第III族氮化物半导体层形成有凸台的情况如下所述。当衬底的主表面是第III族氮化物半导体的c面时，第III族氮化物半导体沿着c轴方向生长在凸台的顶表面和凹部的底表面上。衬底的第III族氮化物半导体的m面与生长的第III族氮化物半导体的m面平行(与之重合)。因此，在侧表面的侧面矢量与通过将衬底的第III族氮化物半导体的m面的法向矢量正交投影至主表面所获得的投影矢量之间的角可以为0.5°以上且6°以下。
在上述发明中，凸台和凹部优选地具有周期性结构，在该周期性结构中沿着主表面上的第一方向延伸的条带沿着与第一方向垂直的第二方向重复。当使用具有六方晶体结构的衬底并且该衬底的主表面是c面时，每个凹部和凸台可以具有以下形状：正三棱柱、斜方柱、正六棱柱、或者具有其中相邻的侧表面以60°相交的关系的正三棱锥。多个凸台或凹部可以按规则的间隔以蜂窝状图案进行布置。也就是说，不限于多个经加工的侧表面互相平行的平行条带图案。换言之，只要每个面经加工的侧表面的取向满足上面的条件，则凸台或凹部在与主表面平行的面上具有任意形状。虽然凸台和凹部不一定具有周期性，但是通过引入周期性可以实现一致的结晶度。
在侧面矢量与以下投影矢量中之一之间的角度优选地为为1°以上且5°以下。更优选地，该角度为为1°以上且2.5°以下。投影矢量通过以下方式获得：通过将生长的第III族氮化物半导体的m面的法向矢量正交投影至主表面；通过将衬底的a面的法向矢量正交投影至主表面(当使用具有c面主表面的六方晶体结构的衬底如蓝宝石衬底时)；将衬底的c面的法向矢量正交投影至主表面(当使用具有a面主表面的六方晶体结构的衬底时)；以及将第III族氮化物半导体的m面的法向矢量正交投影至主表面(当使用其中待形成有凸台的至少一部分是第III族氮化物半导体的衬底时)。
此外，在以上发明中，优选地在形成有凸台的衬底上形成缓冲层，此后，生长第III族氮化物半导体。缓冲层优选地通过溅射法形成。缓冲层可以通过分子束外延(MBE)或者脉冲激光沉积(PLD)或激光熔样(laserabrasion)形成。
本发明的第二方面提供一种具有衬底的第III族氮化物半导体，该衬底具有形成有凸台的主表面，并且该第III族氮化物半导体沿着第III族氮化物半导体的c轴方向生长在凸台的顶表面和凹部的底表面上，其中
凸台和凹部的侧表面形成为满足以下条件：
在生长的第III族氮化物半导体的低指数面中与侧表面最平行的面是m面(1-100)；以及
将通过使侧表面的法向矢量正交投影至主表面所获得的投影矢量定义为侧面矢量，由侧面矢量与通过将生长的第III族氮化物半导体的m面的法向矢量正交投影至主表面所获得的投影矢量形成的角为0.5°以上且6°以下。
本发明涉及在形成有凸台的衬底上生长的第III族氮化物半导体，并且具有经加工的侧表面(即，凸台或凹部的侧表面)的晶体取向的特征和在形成有凸台的衬底上生长的第III族氮化物半导体的晶体取向的特征。衬底的主表面是六方晶体(例如，蓝宝石)的c面，并且在侧面矢量与通过将衬底的六方晶体的a面(11-20)的法向矢量正交投影至主表面所获得的投影矢量之间的角可以为0.5°以上且6°以下。在此情况下，因为衬底的六方晶体的a面与生长的第III族氮化物半导体的m面平行，所以在侧面矢量与通过将生长的第III族氮化物半导体的m面的法向矢量正交投影至主表面所获得的投影矢量之间的角可以为0.5°以上且6°以下。
此外，衬底的主表面是六方晶体(例如，蓝宝石)的a面，并且在侧面矢量与通过将衬底的六方晶体的c面(0001)的法向矢量正交投影至主表面所获得的投影矢量之间的角可以为0.5°以上且6°以下。在此情况下，因为衬底的六方晶体的c面与生长的第III族氮化物半导体的m面平行，所以在侧面矢量与通过将生长的第III族氮化物半导体的m面的法向矢量正交投影至主表面所获得的投影矢量之间的角可以为0.5°以上且6°以下。
在使用其中衬底的主表面的至少形成有凸台的部分包括第III族氮化物半导体的衬底，并且衬底的主表面是该衬底的第III族氮化物半导体的c面(0001)时，在侧面矢量与通过将衬底的第III族氮化物半导体的m面(1-100)的法向矢量正交投影至主表面所获得的投影矢量之间的角可以为0.5°以上且6°以下。
如在本发明的第一方面中一样，凸台可以被形成为多个平行的条带，或者形成为正三棱柱、斜方柱、正六棱柱、正三棱锥、斜方锥或正六棱锥的岛状形状。这种形状的岛状物可以按规则的间隔以蜂窝状图案进行布置。角度优选地为1°以上且5°以下，更优选地为1°以上且2.5°以下。
本发明的第三方面提供一种具有根据本发明的第二方面的第III族氮化物半导体的发光器件。在所生长的半导体层上均匀且一致地形成穿透位错，因此使发光器件的特性一致。这也提高了生产的成品率。
如本文中使用的，“第III族氮化物半导体”包括由式AlxGayInzN(x+y+z＝1，0≤x，y，z≤1)表示的半导体；在这样的半导体中，Al、Ga或In的一部分被另一第13族元素(第3B族元素)(即，B或Tl)取代，或者N的一部分由另一第15族元素(第5B族元素)(即，P、As、Sb或Bi)取代。第III族氮化物半导体的具体实例包括至少含有Ga的那些半导体，例如GaN、InGaN、AlGaN以及AlGaInN。通常，将Si用作n型杂质，并且将Mg用作p型杂质。
根据第一方面，当第III族氮化物半导体在形成有凸台的衬底上的凸台的顶表面和凹部的底表面上沿着c轴方向垂直生长时，生长的第III族氮化物半导体的a面的法向矢量具有与经加工的侧表面垂直且与主表面平行的分量。因为沿着a轴方向的晶体生长比沿着m轴方向的晶体生长快，所以第III族氮化物半导体也沿着与衬底的主表面平行的方向生长。结果，第III族氮化物半导体不仅横向生长，而且在垂直生长的条件下沿着与主表面垂直的方向进行小面生长，从而掩埋小面之间的空间。因此，穿透位错密度可以在所生长的半导体的上表面上降低，原因是通过小面生长的穿透位错横向弯曲。高密度的穿透位错没有集中在凹部或凸台之间的边界附近，并且可以在半导体的表面上实现均匀且一致的穿透位错。
附图说明
结合附图进行考虑同时参照以下优选实施方案的详细描述，随着本发明变得更好理解，将容易理解本发明的各种其他目的、特征以及许多附随优点，在附图中：
图1是示出在实施方案1中的用于通过在具有c面主表面的蓝宝石衬底的主表面上形成凸台和凹部来生长GaN的方法中，经加工的侧表面与条带方向之间的关系的图示，其中凸台的条带方向依次且连续地变化；
图2是示出实施方案2中的用于通过在具有a面主表面的蓝宝石衬底上形成凸台和凹部来生长GaN的方法的图示，其中凸台的条带方向依次且连续地变化；
图3A是示出实施方案1中条带方向与试样之间的关系的图示；
图3B是示出实施方案2中条带方向与试样之间的关系的图示；
图4示出了在通过根据实施方案1和实施方案2的制造方法的GaN生长的初始阶段处截面的扫描电子显微镜(SEM)图像；
图5示出了当通过根据实施方案1和实施方案2的制造方法形成GaN的厚膜时的截面的SEM图像；
图6是示出根据实施方案1的制造方法的生长原理的图示；
图7A是通过根据实施方案1的制造方法所生长的GaN的表面的SEM图像；
图7B是示出根据实施方案1所生长的GaN的侧表面的晶体表面的图示；
图8是示出在通过根据实施方案1的制造方法所生长的GaN的阴极发光(CL)的暗点密度与凸台的条带方向角之间的关系的图；
图9是通过根据实施方案1的制造方法所生长的GaN的表面的阴极发光图像；
图10A至图10B是示出侧面矢量与投影矢量之间的关系的图示，该侧面矢量通过将经加工的侧表面的法向矢量正交投影至衬底的主表面获得，该投影矢量通过将蓝宝石a面的法向矢量正交投影至衬底的主表面获得；
图11是示出实施方案3中的在具有c面主表面的蓝宝石衬底的主表面上形成的凸台的侧表面与晶体取向之间的关系的图示；
图12是示出实施方案3中的凸台的布置的蓝宝石衬底的主表面的俯视图；
图13是示出实施方案4中的在具有a面主表面的蓝宝石衬底上的凸台的侧表面与晶体取向之间的关系的图示；
图14是示出根据实施方案5的发光器件的结构的截面图；
图15是示出实施方案6中的在具有c面主表面的第III族氮化物半导体衬底的主表面上形成的凸台的侧表面与晶体取向之间的关系的图示；以及
图16是示出实施方案6中的在具有c面主表面的第III族氮化物半导体衬底上的凸台的侧表面与晶体取向之间的关系的图示。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的具体实施方案。然而，本发明不限于实施方案。
实施方案1
在具有500μm的厚度和c面主表面的蓝宝石衬底上生长GaN晶体，在c面主表面上以不同的晶体取向形成有经加工的侧表面。在图1中，1表示蓝宝石的晶体结构，并且10表示生长的GaN的晶体结构。如图1所示，在蓝宝石衬底的主表面上以条带图案径向地形成有凸台2和凹部3。通过利用干法蚀刻形成凹部3来形成凸台2和凹部3。相邻的凸台2的间隔角度是0.01°。凹部3中的每个凹部具有0.7μm的深度。凹部3中的每个凹部具有2.0μm的宽度，并且凸台2中的每个凸台具有2.0μm的宽度。在将经加工的衬底放置在有机化学气相沉积(MOCVD)生长设备中并且使用氢气清洁之后，形成AlN低温缓冲层。此后，在用于垂直生长的条件下生长GaN。
在图1中，当凸台2的条带被形成为沿着与定义为0°的蓝宝石衬底基线成15°的方向时，凸台2的侧表面4是蓝宝石的a面，并且条带方向是蓝宝石的m轴。凸台2的侧表面4没有精确地与衬底的主表面垂直，因此侧表面4不完全为a面。然而，通过将侧表面4的法向矢量正交投影至衬底的主表面所定义的侧面矢量是蓝宝石a面的法向矢量。本发明的特征在于该侧面矢量的取向。侧表面4相对于与衬底的主表面垂直的表面倾斜并不是重要的。因此，为了便于说明，在下文中认为侧表面与衬底的主表面垂直。
此时，生长的GaN的侧表面，即与蓝宝石衬底上的凸台2的侧表面4的侧面矢量垂直的表面是GaN的m面。此外，当凸台2的条带沿着45°的方向形成时，凸台2的侧表面4是蓝宝石的m面，并且条带方向是蓝宝石的a轴。此时，生长的GaN的侧表面，即与蓝宝石衬底上的凸台2的侧面矢量垂直的表面是GaN的a面。当凸台2的条带沿着30°的方向形成时，凸台2的侧表面4是蓝宝石的a面与m面之间的中间表面，并且条带方向是蓝宝石的m轴与a轴之间的中间方向。与凸台2的侧面矢量垂直的表面是GaN的m面与a面之间的中间表面。
如图3A所示，在No.1的情况下，凸台条带方向沿着与蓝宝石衬底的基线成45°的方向，在No.2的情况下，凸台条带方向沿着与蓝宝石衬底的基线成30°的方向，在No.3的情况下，凸台条带方向沿着与蓝宝石衬底成15°的方向。图4示出针对No.1、No.2和No.3的情况在GaN生长的初始阶段，当GaN生长至的厚度时，与条带方向垂直的截面的SEM图像。此外，图5示出了当GaN生长至5μm的厚度时，与条带方向垂直的截面的SEM图像。在图4的No.1和No.2的情况下，在凸台的侧表面上观察几乎观察不到GaN生长。在No.3的情况下，也就是说，当条带方向是蓝宝石的m轴、凸台的侧表面是a面并且与侧面矢量垂直的表面是GaN的m面时，在凸台的侧表面上观察到GaN生长。同样明显的是，生长的GaN在凸台的顶表面与凹部的底表面上呈小面生长。根据图5清楚的是，在No.1的情况下，也就是说，当条带方向是衬底的a轴、凸台的侧表面是m面并且与侧面矢量垂直的表面是GaN的a面时，GaN不是小面生长而是在衬底的主表面上垂直生长为具有一致厚度。因此，沿着垂直方向的穿透位错密度高。反之，在No.3的情况下，GaN呈小面生长，使得与条带方向垂直的截面是三角形形状。小面之间的空间未被GaN掩埋。在No.2的情况下，未观察到GaN小面生长。沿着垂直方向延伸的穿透位错的密度高。
随后，在蓝宝石衬底的c面主表面上生长GaN，在该蓝宝石衬底的c面主表面上形成有沿着通过从图1中示出的15°方向起以0.2°的增量使条带方向旋转所获得的15.0°、15.2°、15.4°、15.6°的方向的四个凸台条带。在图7A中示出在这些情况下生长至1μm的厚度的GaN表面的SEM图像。如图10A和图10B所示，将在侧面矢量t与投影矢量k之间的角定义为θ，该侧面矢量t通过将凸台2的侧表面4的法向矢量n正交投影至衬底20的主表面21获得，该投影矢量k通过将蓝宝石的a面(11-20)的法向矢量正交投影至主表面21获得。随着主表面上的方向角θ从蓝宝石的a轴起以0.2°的增量围绕c轴旋转，也就是说，凸台2的条带方向从蓝宝石的m轴起以0.2°的增量围绕c轴旋转，所以在生长的GaN的侧表面上出现S面(10-11)的面阶地和阶梯。S面(10-11)的面阶地是沿着c轴方向的倾斜的m面，阶梯是沿着c轴方向的倾斜的a面。其示意图在图7B中示出。
使凸台2的条带方向旋转相当于使与凸台的侧面矢量t垂直的表面从蓝宝石的a面起以0.2°的增量围绕c轴旋转。
下面将参照图6描述GaN横向生长的原理。图6示出凸台条带方向与生长的GaN的晶体取向之间的关系。在15.0°的方向上，也就是说，当凸台条带方向是蓝宝石的m轴(与凸台的侧面矢量垂直的表面是蓝宝石的a面)时，凸台的侧表面与GaN的m面平行，并且GaN的a轴矢量不具有与凸台的侧表面垂直的分量。随着凸台条带方向从15.0°的方向起以0.2°的增量围绕c轴旋转，凸台的侧表面将变得与GaN的m面较不平行。因此，GaN的a轴矢量具有与凸台的侧表面垂直的分量，并且GaN的a轴矢量的垂直分量逐渐增大。沿着a轴方向的GaN生长比沿着m轴方向的GaN生长快。因此，随着上述角θ增加，沿着侧面矢量方向的横向生长也更快。然而，如果角θ过度增加，则GaN不呈小面生长。
图8示出当在图10A和图10B中示出的侧面矢量t与投影矢量k之间的角变化时，角θ与生长至5μm的厚度的GaN的阴极发光图像的暗点密度之间的关系，该侧面矢量t通过将凸台2的侧表面4的法向矢量n正交投影至衬底20的主表面21获得，投影矢量k通过将蓝宝石的a面(11-20)的法向矢量正交投影至主表面21获得。当蓝宝石的a面精确地垂直于主表面21时，a面的法向矢量与法向矢量在主表面上的投影矢量k完全重合。此外，当如图1所示凸台条带方向沿着与蓝宝石衬底的基线成15°的方向时，角θ为0°。当角θ为0°时，条带方向是蓝宝石的m轴，并且角θ也是凸台2的条带方向与m轴之间的角。图9示出阴极发光图像。高的暗点密度意味着穿透位错密度高。
如图8所示，当角θ为0°时，也就是说，凸台2的侧表面4是蓝宝石的a面(侧面矢量是a轴)，GaN呈小面生长，从而导致非常粗糙的表面。当角θ落在6°至15°的范围内时，GaN表面是平滑的，但是穿透位错密度高。当角θ是15°时，凸台的侧表面是在蓝宝石的m面与a面之间的中间表面(侧面矢量沿着m轴与a轴之间的中间方向)。当角θ是6°时，穿透位错密度是4×108/cm2。当角θ减小为6°以下时，穿透位错密度为小于或等于4×108/cm2。当角θ是0.5°时，穿透位错密度减小至4.5×107/cm2。因此，当可以生长GaN以掩埋小面中的空间并且穿透位错密度落在低的范围内时，角θ优选地为0.5°以上且6°以下。当角θ超过6°时，GaN的小面生长变得困难。
此外，穿透位错密度在角θ是5°时为3.5×108/cm2，在角θ是3°时为1.7×108/cm2，在角θ是2.5°时为6.5×107/cm2，在角θ是1.5°时为7.5×107/cm2，在角θ是1°时为6×107/cm2。根据图9清楚的是，当角θ是1.5°、3°和7°时，表面是平滑的。但是，随着角θ增大，穿透位错密度也增加。因此，为了获得具有低穿透位错密度的GaN，角θ优选地为0.5°以上且6°以下。更优选地，角θ为1°以上且5°以下。进一步优选地，角θ为1°以上且2.5°以下。
由其他通式AlGaInN表示的四元、三元以及二元第III族氮化物半导体具有与GaN的晶体结构一样的晶体结构。因此，取决于衬底上的凸台侧表面的晶体取向，本发明中的θ的范围也可以适用于普通的第III族氮化物半导体。
实施方案2
下面将描述使用具有a面主表面的蓝宝石衬底来生长GaN晶体的情况。在本实施方案中，为了便于说明，同样认为经加工的侧表面与衬底的主表面垂直。如图2所示，在蓝宝石的主表面上以0.01°的间隔角度形成凸台2和凹部3。在图2中，当凸台2的条带方向沿着与蓝宝石衬底的基线成0°的方向时，凸台2的侧表面4是蓝宝石的m面(侧面矢量是m轴)。当凸台2的条带方向沿着与蓝宝石衬底的基线成90°的方向时，凸台2的侧表面4是蓝宝石的c面(侧面矢量是c轴)。条带方向沿着在0°与90°之间为30°的中间方向时，凸台2的侧表面4是接近于蓝宝石的r面(-1012)(侧面矢量是r轴)的面，但是在其他方向上的与凸台2的侧表面4的侧面矢量垂直的面是通过使m面围绕a轴旋转所获得的面。
图4示出当在图3B中示出的凸台条带方向是No.4(凸台的侧表面是c面)至No.10(凸台的侧表面是m面)时，在GaN生长的初始阶段与条带方向垂直的截面的SEM图像。图5示出当GaN生长至5μm的厚度时与条带方向垂直的截面的SEM图像。
在No.4的情况下，也就是说，当凸台2的侧表面4是蓝宝石的c面时(侧面矢量是c轴)，GaN在侧表面4上横向生长并且GaN在凸台2的顶表面和凹部3的底表面上呈小面生长，使得与条带方向垂直的截面是三角形形状。当凸台2的条带方向是30°时，也就是说，当凸台2的侧表面4是接近于r面(-1012)(侧面矢量是r轴)的面时，GaN在凸台2的顶表面呈小面生长，但是GaN在凹部3的底表面上均匀且垂直地生长。在其他方向的情况下，在凸台2的侧表面4上不存在显著的GaN横向生长，并且没有观察到GaN小面生长。
根据图5清楚的是，当条带方向是No.4时，也就是说，凸台2的侧表面4是蓝宝石的的c面(侧面矢量是c轴)，GaN呈小面生长，使得与条带方向垂直的截面是三角形形状，并且小面之间的空间没有被GaN掩埋。此外，在No.5至No.10的情况中，未观察到GaN小面生长，并且沿着垂直方向延伸的穿透位错密度高。然而，GaN表面是平坦的。
根据以上内容，当凸台2和凹部3形成在具有a面主表面的蓝宝石衬底上时，在凸台2的侧表面4是蓝宝石的c面(侧面矢量是c轴)的情况下，生长的GaN的与凸台2的侧表面4的侧面矢量垂直的面是GaN的m面。因此，GaN在凸台的顶表面和凹部的底表面上呈小面生长，并且小面之间的空间没有被GaN掩埋。这与凸台的侧表面是蓝宝石的a面、在蓝宝石衬底的c面主表面上生长GaN的情况相同。因此，如在实施方案1中一样，当在侧面矢量与投影矢量之间的角落在0.5°至6°的范围内时，可以降低穿透位错密度并且所生长的GaN的表面可以是平滑的，其中该侧面矢量通过将经加工的侧表面的法向矢量正交投影至衬底的主表面获得，该投影矢量通过将蓝宝石c面(0001)的法向矢量正交投影至衬底的主表面获得。在0.5°至6°的范围内这样变化角θ相当于：当凸台的侧表面完全垂直于衬底的主表面时，通过在0.5°至6°的范围内使c面围绕a轴旋转所获得的面被认为是凸台的侧表面。在使用具有a面主表面的蓝宝石衬底的情况下，与实施方案1中一样，也可以将本发明应用在一般的第III族氮化物半导体中。
实施方案3
本实施方案描述形成有岛状凸台的情况。如图11所示，通过在具有c面主表面的蓝宝石衬底的表面上进行干法蚀刻形成凹凸形状，在该凹凸形状中以蜂窝状图案布置有作为多个正六棱柱的凸台31。使用具有500μm的厚度的蓝宝石衬底，并且蚀刻深度(换言之，凸台31的高度)为0.7μm。图12是从上方观察的凹凸形状的俯视图。凸台31的顶表面(图12中的正六角形)是未被蚀刻而留下的蓝宝石衬底的表面(主表面)，并且在凸台31之间通过蚀刻露出的区域是与蓝宝石衬底的表面平行的平坦表面。该平坦表面形成凹部32的底表面。凸台31的顶表面和凹部32的底表面两者均为蓝宝石的c面。凸台31中的任何一个凸台的两个相对的侧表面31a之间的间距L1是3μm，并且相邻的凸台31之间的间距L2是2μm。作为正六棱柱的每个凸台31的侧表面31a是与蓝宝石的c面垂直的面，凸台31的侧表面31a通过使蓝宝石的a面(侧面矢量是a轴)在0.5°至6°的范围内围绕c轴31b旋转获得。在图11中，从纸的背面至纸的正面的垂直方向是+c轴方向。
随后，在磁控溅射系统中，使用高纯度的铝和氮作为原材料、在500℃的衬底温度下执行溅射，从而在蓝宝石衬底的形成有凹凸形状的一侧上的c面上形成具有10nm至30nm厚度的AlN缓冲层。
接下来，在蓝宝石衬底的其上形成有凹凸形状的表面上，通过MOCVD在凸台31的顶表面和凹部32的底表面上经由缓冲层将具有c面主表面的GaN层生长至5μm的厚度。用于MOCVD的原材料气体如下：作为Ga源的三甲基镓(TMG)；作为氮源的氨；以及作为载气的氢或氮。
在这种情况下，生长的GaN的m面与蓝宝石的a面平行。因为在蓝宝石衬底的经加工的侧表面的侧面矢量与a轴之间的角θ为0.5°以上且6°以下，所以生长的GaN的与凸台31的侧表面31a平行的面(与侧面矢量垂直的面)是通过使生长的GaN的m面在0.5°至6°的范围内围绕c轴旋转所获得的面。结果，GaN的a面的法向矢量具有沿着凸台31的侧面矢量方向的分量。因此，除小面生长之外，GaN沿着与主表面平行的方向生长，从而生长为覆盖小面之间的空间。因此，可以获得在其表面上具有低穿透位错密度的平坦且平滑的GaN。
实施方案4
如图13所示，本实施方案描述以平行的条带图案形成有多个凸台的情况。在具有a面主表面的蓝宝石衬底的表面上，通过干法蚀刻形成其中周期性且重复性地布置有多个条带凸台41的凹凸形状。使用具有500μm厚度的蓝宝石衬底，并且蚀刻深度(换言之，凸台41的高度)是0.7μm。图13是从上方观察的凹凸形状的俯视图。凸台41的顶表面是未被蚀刻而留下的蓝宝石衬底的表面，并且通过蚀刻而在凸台41之间露出的区域是与蓝宝石衬底的表面平行的平坦表面。该平坦表面形成凹部42的底表面。凸台41的顶表面和凹部42的底表面两者均为蓝宝石的a面。凸台41中的任何一个凸台的两个相对的侧表面41a之间的间距L3(每个凸台41的宽度)是3μm，并且每个凹部42的宽度L4是2μm。每个条带凸台41的侧表面41a是与蓝宝石的a面垂直的面，凸台41的侧表面41a可以通过使蓝宝石的c面(侧面矢量是c轴)在0.5°至6°的范围内围绕a轴41b旋转获得。
随后，与实施方案3中一样，在磁控溅射系统中，使用高纯度的铝和氮作为原材料、在500℃的衬底温度下执行溅射，从而在蓝宝石衬底的其上形成有凹凸形状的a面上形成具有10nm至30nm厚度的AlN缓冲层。
接下来，在蓝宝石衬底的其上形成有凹凸形状的表面上，与实施方案3中一样，通过MOCVD在凸台41的顶表面和凹部42的底表面上经由缓冲层将具有c面主表面的GaN层生长至5μm的厚度。
在此情况下，生长GaN的m面与蓝宝石的c面平行。因为在经加工的侧表面的侧面矢量与c轴之间的角θ为0.5°以上且6°以下，所以与凸台41的侧表面41a平行的面(与侧面矢量垂直的面)是通过使生长的GaN的m面在0.5°至6°的范围内围绕c轴旋转获得的面。结果，GaN的a面的法向矢量具有沿着凸台41的侧面矢量的方向的分量。因此，除小面生长之外，GaN沿着与主表面平行的方向生长，从而生长为覆盖小面之间的空间。因此，可以获得在其表面上具有低穿透位错密度的平坦且平滑的GaN。
实施方案5
实施方案5是通过在实施方案3和实施方案4中形成的GaN上依次沉积半导体层而形成的第III族氮化物半导体的发光器件的实例。在如实施方案3和实施方案4中的形成有凸台的蓝宝石衬底100上，通过MOCVD、经由缓冲层101依次沉积n型层102、发光层103和p型层104，这些层中的每一层均由第III族氮化物半导体形成。随后，通过干法蚀刻移除发光层103和p型层104的一部分，从而露出n型层102。在露出的n型层102上形成n型电极105，并且在p型层104的整个顶表面上形成氧化铟锡(ITO)透明电极106，并且在透明电极106上形成p型电极107，从而制造出发光器件。
在用于制造发光器件的此方法中，通过与实施方案3和实施方案4中GaN层的制造方法相同的制造方法形成n型层102、发光层103和p型层104。因此，通过降低n型层102、发光层103和p型层104的穿透位错密度，可以提高结晶度和平坦度，从而提高内部量子效率。此外，由于在蓝宝石衬底100上形成凹凸形状，所以也可以提高光提取性能。因此，可以提高发光器件的光输出。
实施方案6
本实施方案是使用第III族氮化物半导体衬底代替实施方案3和实施方案4中的蓝宝石衬底的实例。在此情况下，如图15和图16所示，衬底的主表面是c面。凸台51和凸台61形成为使得在经加工的侧表面51a和61a的侧面矢量t与通过将m面的法向矢量正交投影至衬底的主表面所获得的投影矢量k之间的角θ为0.5°以上且6°以下。如图15所示，凸台51可以是实施方案3的六边形。如图16所示，凸台61可以是实施方案4的条带。在此情况下，第III族氮化物半导体在凸台51、61的顶表面和凹部52、62的底表面上沿着c轴方向生长。衬底的m面与生长的第III族氮化物半导体的m面平行。在此情况下，生长的第III族氮化物半导体的a面的法向矢量具有沿着侧面矢量t的方向的分量，并且因此第III族氮化物半导体不仅横向生长而且垂直生长。因此，在垂直生长的条件下，第III族氮化物半导体可以在小面生长的同时覆盖小面之间的空间。也可以通过使用其中在蓝宝石衬底上外延生长GaN或其他第III族氮化物半导体层的模板衬底并且在第III族氮化物半导体层上形成凸台来实施本发明。此外，可以通过使用其中在AlN衬底上外延生长GaN或其他第III族氮化物半导体层的模板衬底来实施本发明。
在实施方案3中，凹凸形状具有其中以蜂窝状图案布置有六棱柱形状的凸台的结构。然而，对于具有c面主表面的蓝宝石衬底而言，凹凸形状可以具有任何结构，例如在该结构中以点图案、条带图案或者晶格型图案周期性布置有凹部或凸台(如正六边形、正三角形和正方形)。特别优选的是其中以规则的间隔周期性布置有多个凹部或凸台的结构。凹部或凸台特别优选地具有正六棱柱或正六边形截棱锥的形状。这是因为在将本发明应用于制造发光器件时可以进一步提高光提取性能。
在实施方式1至实施方式6中，缓冲层由AlN形成，但是其不限于此，并且缓冲层可以由AlxGayN(x+y＝1，0≤x，y≤1)形成。缓冲层可以是单一层或可以包括多个层。在实施方案3至实施方案5中，通过溅射法形成缓冲层，但是缓冲层可以通过MOCVD形成。
本发明可以应用于用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法。

Claims (24)

1.一种用于制造第III族氮化物半导体的方法，所述方法包括：在衬底的主表面上形成凸台和凹部；以及在所述凸台的顶表面和所述凹部的底表面上沿着第III族氮化物半导体的c轴方向生长所述第III族氮化物半导体，其中
所述凸台和所述凹部的侧表面形成为满足以下条件：
在所生长的第III族氮化物半导体的低指数面中与所述侧表面最平行的面是m面(1-100)；以及
在将通过使所述侧表面的法向矢量正交投影至所述主表面所获得的投影矢量定义为侧面矢量时，由所述侧面矢量与通过将所生长的第III族氮化物半导体的所述m面的法向矢量正交投影至所述主表面所获得的投影矢量形成的角为0.5°以上且6°以下。
2.根据权利要求1所述的用于制造第III族氮化物半导体的方法，其中所述衬底包括六方晶体结构，所述衬底的所述主表面是六方晶体的c面(0001)，并且在所述侧面矢量与通过将所述衬底的所述六方晶体结构的a面(11-20)的法向矢量正交投影至所述主表面所获得的投影矢量之间形成的角为0.5°以上且6°以下。
3.根据权利要求1所述的用于制造第III族氮化物半导体的方法，其中所述衬底包括六方晶体结构，所述衬底的主表面是六方晶体的a面(11-20)，并且在所述侧面矢量与通过将所述衬底的所述六方晶体结构的c面(0001)的法向矢量正交投影至所述主表面所获得的投影矢量之间形成的角为0.5°以上且6°以下。
4.根据权利要求1所述的用于制造第III族氮化物半导体的方法，其中在所述衬底的所述主表面上的至少形成有所述凸台和所述凹部的部分包括第III族氮化物半导体，所述衬底的主表面是所述第III族氮化物半导体的c面(0001)，并且在所述侧面矢量与通过将所述衬底的所述第III族氮化物半导体的m面(1-100)的法向矢量正交投影至所述主表面所获得的投影矢量之间形成的角为0.5°以上且6°以下。
5.根据权利要求2所述的用于制造第III族氮化物半导体的方法，其中所述衬底是蓝宝石衬底。
6.根据权利要求3所述的用于制造第III族氮化物半导体的方法，其中所述衬底是蓝宝石衬底。
7.根据权利要求1所述的用于制造第III族氮化物半导体的方法，其中所述凸台或所述凹部在所述主表面上形成为周期性结构，在所述周期性结构中沿着第一方向延伸的条带沿着与所述第一方向垂直的第二方向重复。
8.根据权利要求2所述的用于制造第III族氮化物半导体的方法，其中所述凸台或所述凹部在所述主表面上形成为周期性结构，在所述周期性结构中沿着第一方向延伸的条带沿着与所述第一方向垂直的第二方向重复。
9.根据权利要求3所述的用于制造第III族氮化物半导体的方法，其中所述凸台或所述凹部在所述主表面上形成为周期性结构，在所述周期性结构中沿着第一方向延伸的条带沿着与所述第一方向垂直的第二方向重复。
10.根据权利要求1所述的用于制造第III族氮化物半导体的方法，其中所述凸台或所述凹部具有选自正三棱柱、斜方柱、正六棱柱、正三棱锥、斜方锥和正六棱锥中的形状，并且多个凸台或凹部按规则的间隔以蜂窝状图案进行布置。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的用于制造第III族氮化物半导体的方法，其中所述角为1°以上且5°以下。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的用于制造第III族氮化物半导体的方法，其中所述角为1°以上且2.5°以下。
13.根据权利要求1至10中任一项所述的用于制造第III族氮化物半导体的方法，其中在其上具有所述凸台和所述凹部的所述衬底上形成缓冲层，并且此后，生长所述第III族氮化物半导体。
14.根据权利要求13所述的用于制造第III族氮化物半导体的方法，其中通过溅射法形成所述缓冲层。
15.一种第III族氮化物半导体，所述第III族氮化物半导体具有衬底，在所述衬底的主表面上形成有凸台和凹部，所述第III族氮化物半导体沿着所述第III族氮化物半导体的c轴方向生长在所述凸台的顶表面和所述凹部的底表面上，其中
所述凸台和所述凹部的侧表面形成为满足以下条件：
在所生长的第III族氮化物半导体的低指数面中与所述侧表面最平行的面是m面(1-100)；以及
在将通过使所述侧表面的法向矢量正交投影至所述主表面所获得的投影矢量定义为侧面矢量时，由所述侧面矢量与通过将所生长的第III族氮化物半导体的m面的法向矢量正交投影至所述主表面所获得的投影矢量形成的角为0.5°以上且6°以下。
16.根据权利要求15所述的第III族氮化物半导体，其中所述衬底包括六方晶体结构，所述衬底的所述主表面是六方晶体的c面(0001)，并且在所述侧面矢量与通过将所述衬底的所述六方晶体结构的a面(11-20)的法向矢量正交投影至所述主表面所获得的投影矢量之间形成的角为0.5°以上且6°以下。
17.根据权利要求15所述的第III族氮化物半导体，其中所述衬底包括六方晶体结构，所述衬底的所述主表面是六方晶体的a面(11-20)，并且在所述侧面矢量与通过将所述衬底的所述六方晶体结构的c面(0001)的法向矢量正交投影至所述主表面所获得的投影矢量之间形成的角为0.5°以上且6°以下。
18.根据权利要求15所述的第III族氮化物半导体，其中在所述衬底的所述主表面上的至少形成有所述凸台和凹部的部分包括第III族氮化物半导体，所述衬底的所述主表面是所述衬底的第III族氮化物半导体的c面(0001)，并且在所述侧面矢量与通过将所述衬底的所述第III族氮化物半导体的m面(1-100)的法向矢量正交投影至所述主表面所获得的投影矢量之间形成的角为0.5°以上且6°以下。
19.根据权利要求15所述的第III族氮化物半导体，其中所述衬底是蓝宝石衬底。
20.根据权利要求15所述的第III族氮化物半导体，其中所述凸台或所述凹部在所述主表面上形成为周期性结构，在所述周期性结构中沿着第一方向延伸的条带沿着与所述第一方向垂直的第二方向重复。
21.根据权利要求15所述的第III族氮化物半导体，其中所述凸台或所述凹部具有选自正三棱柱、斜方柱、正六棱柱、正三棱锥、斜方锥和正六棱锥中的形状，并且多个凸台或凹部按规则的间隔以蜂窝状图案进行布置。
22.根据权利要求15至21中任一项所述的第III族氮化物半导体，其中所述角为1°以上且5°以下。
23.根据权利要求15至21中任一项所述的第III族氮化物半导体，其中所述角为1°以上且2.5°以下。
24.一种具有根据权利要求15至21中任一项所述的第III族氮化物半导体的发光器件。
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