CN104518062B - 制造半导体发光器件的方法 - Google Patents

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Abstract

公开的是一种制造半导体发光器件的方法。制造半导体发光器件的方法包括：准备具有缺陷聚集区的生长基板；在生长基板上生长第一氮化物半导体层；在第一氮化物半导体层上生长第二氮化物半导体层；在第二氮化物半导体层上生长第三氮化物半导体层；在第三氮化物半导体层上生长活性层；以及在活性层上形成第二导电型半导体层。因此，生长在模板上的半导体层可具有优异的结晶度。

Description

制造半导体发光器件的方法
本申请要求于2013年9月27日提交的第10-2013-0115497号韩国专利申请的优先权和权益，出于完全目的通过引用将所述申请包含于此，犹如在这里充分地阐明一样。
技术领域
此专利文件的公开内容涉及如下技术：用于生长氮化物半导体的方法、制造用于半导体制造的模板的方法以及使用该模板制造半导体发光器件的方法。更具体地，本发明涉及一种通过能够提高氮化物半导体的表面质量的生长方法来制造用于半导体制造的模板和半导体发光器件的方法。
背景技术
作为发出通过电子和空穴的复合产生的光的无机半导体器件的发光器件被用在诸如显示器、车辆灯具、普通照明装置等的各种领域中。具体地，由于诸如氮化镓半导体和氮化镓铝半导体的氮化物半导体可以是直接跃迁型并且可被制造成具有各种能带间隙，因此可根据需要使用氮化物半导体来制造具有各同波长发射范围的发光器件。利用氮化物半导体的优点来制造诸如发光器件和电子器件的半导体器件。
在现有技术中，由于在作为氮化物半导体的同质基板的制造中的技术上和经济上的限制，因此主要使用诸如蓝宝石基板的异质基板作为生长基板来生长氮化物半导体层。然而，考虑到由诸如蓝宝石基板的异质基板和氮化物半导体材料之间的晶格常数和热膨胀系数的差异导致的问题，在生长在异质基板上的氮化物半导体层的效率和可靠性方面存在限制。特别地，生长在异质基板上的氮化物半导体层的高晶体缺陷密度(例如，位错密度)使得难以制造可在高电流密度下工作的半导体器件。
因此，已经开发了用于使用诸如氮化镓基板或氮化铝基板的同质基板作为生长基板来生长氮化物半导体层的技术。通过沿基板的生长面方向或另一平面方向切割块状(bulk)氮化物单晶来制造同质基板。块状氮化物单晶通常在蓝宝石基板上通过氢化物气相外延(HVPE)来生长并具有作为生长面的c面。
已知的是氮化物半导体在c面上最稳定地生长，因此广泛地使用具有在c面上生长的氮化物半导体层的氮化物半导体器件。然而，具有c面作为生长面的氮化物半导体层由于其极性而引起自发极化，且在诸如蓝宝石基板的异质基板上生长的氮化物半导体层由于由晶格失配产生的应变而引起压电效应。自发极化和压电效应引起能带间隙的改变，由此降低了半导体器件的内量子效率，具体地改变发光器件的发射波长。
为了解决上述问题，正在研究制造非极性同质基板的方法。
通过沿代替c面的另一平面方向(例如，a面或m面)切割上述块状氮化物半导体单晶来制造非极性同质基板。然而，按照这种方式制造的同质基板太小以致不能用于商业用途。因此，在第2003-165799号日本专利公布中公开了通过拼贴多个小尺寸的非极性氮化物基板来制造大面积非极性氮化物基板的技术。
在专利文献中公开的非极性氮化物基板具有形成在多个小尺寸非极性氮化物基板彼此结合的部分处的缺陷聚集区。例如，形成根据制造基板的方法的具有圆点图案或条纹图案的缺陷聚集区。生长在非极性氮化物基板上的氮化物半导体层具有从缺陷聚集区蔓延的缺陷，缺陷集中的区域由于其粗劣的结晶度而不起半导体器件的作用。另外，当在非极性氮化物基板上二维地生长半导体层时，在缺陷聚集区上方形成凹陷，由此降低半导体层的结晶度。因此，降低了制造产率，并且在制造的半导体器件的可靠性方面遇到问题。
发明内容
本发明的多个方面提供一种使用包含缺陷聚集区的氮化物生长基板来生长具有优异结晶度的氮化物半导体层的方法。
另外，本发明的多个方面提供一种将使用所述生长方法制造的用于半导体制造的模板以及具有优异结晶度的半导体发光器件。
本发明的附加特征将在下面的描述中阐明，且部分地通过描述将是明显的，或可通过发明的实践来得知。
根据本发明的一个方面，一种制造半导体发光器件的方法包括：准备具有缺陷聚集区的生长基板；在生长基板上生长第一氮化物半导体层；在第一氮化物半导体层上生长第二氮化物半导体层；在第二氮化物半导体层上生长第三氮化物半导体层；在第三氮化物半导体层上生长活性层；以及在活性层上形成第二导电型半导体层，其中，第一氮化物半导体层和第二氮化物半导体层分别在第一温度和第二温度下生长，且第一温度高于第二温度。
第一氮化物半导体层和第二氮化物半导体层可分别在第一温度和第二温度下生长。
第一温度可在1050℃至1200℃的范围内，第二温度可在700℃至850℃的范围内。
所述方法还可包括在第三压力和第三温度下执行热处理。
第三温度可为1000℃或更高。
第一压力、第二压力和第三压力可相同，且第一压力可在50托至300托的范围内。
第二压力可高于第一压力和第三压力，且可在300托至500托的范围内。
所述方法还可包括在热处理第二氮化物半导体层之后在第二氮化物半导体层上生长第三氮化物半导体层，且第三氮化物半导体层可在第四压力和第四温度下生长。
第四压力可与第一压力相同，且第四温度可与第一温度相同。
第一氮化物半导体层可包括形成在缺陷聚集区上的凹陷。
第二氮化物半导体层可填充凹陷。
第二氮化物半导体层可在300托至500托的压力下生长，第一氮化物半导体层可在比第二氮化物半导体层的生长压力低的压力下生长。
热处理的第二氮化物半导体层可具有平坦的上表面。
在一些实施例中，生长基板可包括氮化物基板。
氮化物基板可具有非极性或半极性。
第三氮化物半导体层可包含第一导电型杂质以具有第一导电型性能。
生长第三氮化物半导体层的步骤可包括在生长第二氮化物半导体层之后增大处理室的生长温度，其中，可在增大处理室的生长温度的同时热处理第二氮化物半导体层。
根据发明的实施例，可防止缺陷从生长基板的缺陷聚集区的蔓延，由此提供制造具有优异的表面质量的用于半导体制造的模板的方法。另外，可提供用于在模板上制造具有优异的表面质量和结晶度的半导体层的方法。此外，可提供通过在模板上生长半导体层来制造半导体发光器件的方法，且半导体发光器件可具有优异的电性能。
附图说明
包括附图以提供对本发明的进一步理解，附图并入到本说明书中，并构成本说明书的一部分，附图对本发明的示例实施例进行举例说明，并与描述一起用于解释本发明的原理。
图1至图5是示出根据公开的技术的一个实施例的制造用于半导体制造的模板和半导体发光器件的方法的示例的剖视图。
图6是示出根据公开的技术的一个实施例的用于半导体层的生长的条件的曲线图。
图7是示出根据公开的技术的另一实施例的用于半导体层的生长的条件的曲线图。
图8中的(a)和(b)是用于在通过根据公开的技术的生长氮化物半导体的方法所生长的半导体层的表面与根据对比示例生长的半导体层的表面之间进行比较的图像。
具体实施方式
以下，将参照包括在附图中示出的那些示例的实施示例来详细地描述公开的技术的实施例。通过示例的方式来提供下面的实施例，以向本发明所属领域的技术人员传达公开的技术。因此，本发明不限于在这里公开的实施例，且可以以不同的形式来实施。在附图中，为了方便和举例说明的目的，可夸大元件的宽度、长度、厚度等。此外，当元件被称为“在”另一元件“上方”或“在”另一元件“上”时，该元件可“直接在”另一元件“上方”或“直接在”另一元件“上”，或者可以存在中间元件。将理解的是，为了本公开的目的，“X、Y和Z的至少一个”可被解释为只有X、只有Y、只有Z，或X、Y和Z的两项或更多项的任何组合(例如，XYZ、XYY、YZ、ZZ)。贯穿附图和说明书中的相应描述，同样的附图标记指示具有相同或相似功能的同样的元件。
图1至图5是示出根据公开的技术的一个实施例的制造用于半导体制造的模板和半导体发光器件的方法的示例的剖视图，图6和图7是示出根据公开的技术的实施例的用于半导体层的生长的条件的曲线图。仅示出了参照图6和图7给出的用于半导体层的生长的条件，公开的技术不限于此。
参照图1，准备生长基板110，并在生长基板110上形成第一氮化物半导体层120。这时，生长基板110可包括缺陷聚集区111。
生长基板110可为氮化物基板，氮化物基板可包括例如氮化镓基板或氮化铝基板。作为氮化物基板的生长基板110可包括不同的生长面，在这个实施例中，可具体地具有诸如m面(1-100)或a面(11-20)的非极性生长面或者诸如(20-21)面的半极性生长面作为其生长面。因此，生长在生长基板110上的氮化物半导体层可具有非极性或半极性，由此使由于自发极化而在内量子效率方面的劣化最小化。
可通过使用氢化物气相外延(HVPE)在多个种子基板上生长氮化物单晶，然后将氮化物单晶切片来提供具有非极性或半极性生长面的生长基板110。因此，会从多个种子基板之间的界面产生缺陷聚集区111。根据制造作为氮化物基板的生长基板110的方法，缺陷聚集区111可具有条纹图案或圆点图案。然而，本发明不限于此。缺陷聚集区111可在生长基板110的上表面(即，生长面)上暴露。
第一氮化物半导体层120可包括诸如(Al、Ga、In)N的氮化物半导体，例如，可包括GaN。可使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或HVPE来生长第一氮化物半导体层120。可在第一温度和第一压力下生长第一氮化物半导体层120，且可在相对高的温度下生长第一氮化物半导体层120。例如，可使用MOCVD在如图6或图7所示的条件下生长第一氮化物半导体层120。即，可通过在1050℃至1020℃的范围内调节MOCVD处理室内的温度且在50托至300托的范围内调节MOCVD处理室内的压力，然后向室提供H2气体和N2气体中的至少一种以及作为GaN源气体的NH3和TMGa来生长第一氮化物半导体层120。这时，第一氮化物半导体层120可生长为具有2μm至3μm的厚度。
由于高缺陷密度，因此会难以在生长基板110的缺陷聚集区111上生长半导体层。另外，由于二维生长在上述条件下生长的第一氮化物半导体层120中占主导，因此第一氮化物半导体层120可主要地生长在生长基板110的除了缺陷聚集区111以外的区域。因此，第一氮化物半导体层120可包括形成在缺陷聚集区111上的凹陷121，如图1所示，例如，凹陷121可形成为具有V形。
然而，本发明不限于此，根据生长条件的改变，在第一氮化物半导体层120上可以不形成凹陷121。
参照图2，在第一氮化物半导体层120上形成第二氮化物半导体层130a。可生长第二氮化物半导体层130a以覆盖第一氮化物半导体层120，另外，可生长第二氮化物半导体层130a以填充凹陷121。
第二氮化物半导体层130a可包括诸如(Al、Ga、In)N的氮化物半导体，例如，可包括GaN。可使用MOCVD、MBE或HVPE来生长第二氮化物半导体层130a。可在第二温度和第二压力下生长第二氮化物半导体层130a，与第一氮化物半导体层120相比可以在较低的温度下生长第二氮化物半导体层130a。换言之，第二温度可低于第一温度。第一压力可与第二压力相同或不同。例如，可使用MOCVD在如图6或图7所示的条件下生长第二氮化物半导体层130a。
即，根据参照图6示出的本发明的一个实施例，可通过在700℃至850℃的范围内调节MOCVD处理室内的温度并在50托至300托的范围内调节MOCVD处理室内的压力，然后向室提供H2气体和N2气体中的至少一种以及作为GaN源气体的NH3和TMGa来生长第二氮化物半导体层130a。这时，第二氮化物半导体层130a可生长为具有100nm至1000nm的厚度。
由于第二氮化物半导体层130a在第二温度下生长，即在相对低的温度下生长，因此第二氮化物半导体层130a可优先从存在缺陷的区域生长。因此，第二氮化物半导体层130a可从缺陷聚集区111生长，另外，可在通过三维生长填充凹陷121的同时生长。由于可在填充凹陷121的同时生长第二氮化物半导体层130a，因此与第一氮化物半导体层120不同，第二氮化物半导体层130a在其表面上不会包括诸如凹陷121的构造。因此，第二氮化物半导体层130a可具有基本上水平的表面。然而，由于在相对较低的温度下从缺陷区生长第二氮化物半导体层130a，所以第二氮化物半导体层130a可具有比第一氮化物半导体层120的表面粗糙度高的表面粗糙度。即，如图2所示，第二氮化物半导体层130a可具有粗糙表面。
由于第二氮化物半导体层130a可从缺陷区生长，因此第二氮化物半导体层130a可在其生长期间抵消周围的缺陷，由此降低缺陷密度。因此，第二氮化物半导体层130a可减少在随后的工艺中形成在其上的其他半导体层的缺陷密度，由此获得优异的结晶度。
尽管参照图7示出的另一实施例与在图6中示出的实施例大部分相同，但它们之间的不同之处在于，基于第二氮化物半导体层的生长，室保持在相对高的压力下。即，在图7中示出的实施例中，第二压力可高于第一压力。
在图7中示出的实施例中，可在比第一氮化物半导体层120的生长压力高的300托至500托的压力下生长第二氮化物半导体层130a。第二氮化物半导体层130a在相对高的压力下生长，由此使得能够更有效地引起第二氮化物半导体层130a在缺陷上的生长。
参照图3，第二氮化物半导体层130a经受热处理。通过热处理，第二氮化物半导体层130的表面粗糙度会降低。因此，第二氮化物半导体层130可具有平坦的上表面。
第二氮化物半导体层130a可在与生长第一氮化物半导体层120和第二氮化物半导体层130a的室相同的室内经受在第三压力和第三温度下的处理。这时，第三温度可高于第二温度。例如，如在图6或图7所示的曲线图中，可通过将MOCVD处理室内的温度调节至1000℃或更高且在50托至300托的范围内调节MOCVD处理室的压力，然后向室提供H2气体和N2气体中的至少一种以及作为GaN源气体的NH3和TMGa来执行热处理。
第二氮化物半导体层130a经受在1000℃或更高的温度下的热处理，由此获得第二氮化物半导体层130的优异的表面质量。另外，通过热处理，第二氮化物半导体层130可具有优异的结晶度。
在本发明的实施例中，尽管可通过在相对较低的温度生长第二氮化物半导体层130a来减小缺陷密度，但由于低温生长，第二氮化物半导体层130a的表面是粗糙的。然而，可通过用于第二氮化物半导体层130a的热处理来提供具有优异的表面质量和结晶度的第二氮化物半导体层130，由此将优异的结晶度赋予在随后的工艺中将生长在第二氮化物半导体层130上的半导体层。
参照图4，可进一步在第二氮化物半导体层130上生长第三氮化物半导体层140a。因此，可提供如图4所示的用于半导体制造的模板。
第三氮化物半导体层140与第一氮化物半导体层120大体相同。然而，第三氮化物半导体层140可用第一导电型杂质掺杂，以形成第一导电型层。例如，第三氮化物半导体层140可用Si杂质掺杂，以形成n型层。然而，本发明不限于此。
根据上述的实施例，根据本发明的用于半导体制造的模板不包含从可形成在其上的缺陷聚集区111蔓延的缺陷且具有优异的表面质量和结晶度。因此，将形成在模板上的半导体器件可具有优异的性能。
还可在模板上生长附加的半导体层，如图5所示，可通过形成活性层150和第二导电型半导体层160来制造半导体发光器件。
然而，本发明不限于以上所述，其他实施方案也是可能的。在生长第二氮化物半导体层130a之后，可在增大处理室的温度的同时对第二氮化物半导体层130a进行热处理。在这种情况下，可省略附加的热处理工艺。
参照图5，在第三氮化物半导体层140上生长活性层150，在活性层150上生长第二导电型半导体层160。
活性层150可包括多量子阱结构，多量子阱结构包括氮化物半导体层，且可调节组成多量子阱结构的半导体层的元素及其组分，使得半导体层可发出具有期望的峰值波长的光。
第二导电型半导体层160可包括诸如(Al、Ga、In)N的氮化物半导体，且可以用第二导电型杂质掺杂，以形成第二导电型层。例如，第二导电型半导体层160可用诸如Mg的p型杂质掺杂。
可通过形成活性层150和第二导电型半导体层160来提供在图5中示出的半导体发光器件。图5中示出的半导体发光器件在必要时可用作为垂直结构、倒装芯片结构或水平结构，将省略其具体的描述。
另外，可将本领域已知的任何技术特征应用于半导体发光器件，且本发明包括包含这些技术特征的半导体发光器件。例如，半导体发光器件还可包括电子阻挡层(未示出)、超晶格层(未示出)、电极(未示出)等。然而，将省略其详细的描述。
在这个实施例中，可通过在根据本发明的用于半导体制造的模板上生长半导体层来制造半导体发光器件。因此，发光器件可具有低缺陷密度、优异的结晶度、比传统发光器件的正向电压低的正向电压(Vf)以及由于反向电流特性而具有优异的漏电性能。
图8中的(a)和(b)是用于将通过根据本发明的生长氮化物半导体的方法所生长的半导体层的表面与根据对比示例生长的半导体层的表面之间进行比较的图像。图8中的(a)是示出生长在不包括第二氮化物半导体层130的用于半导体制造的模板上的半导体层的表面的图像，图8中的(b)是示出生长在包括第二氮化物半导体层130的用于半导体制造的模板上的半导体层的表面的图像。
如图8中的(a)和(b)所示，可看到的是，生长在包括第二氮化物半导体层130的用于半导体制造的模板上的半导体层具有显著优异的表面质量。具体地，如图8中的(b)所示，生长在根据本发明的模板上的半导体层不包括从缺陷聚集区111蔓延的缺陷区域。
仅描述了若干实施例、实施方案和示例，基于在此文件中所描述和所示出的内容可获得其他实施例和实施方案以及各种改进和变化。

Claims (17)

1.一种制造半导体发光器件的方法，包括如下步骤：
准备具有缺陷聚集区的生长基板；
在生长基板上生长第一氮化物半导体层；
在第一氮化物半导体层上生长第二氮化物半导体层；
对第二氮化物半导体层执行热处理；
在热处理后的第二氮化物半导体层上生长第三氮化物半导体层；
在第三氮化物半导体层上生长活性层；以及
在活性层上形成第二导电型半导体层，
其中，第一氮化物半导体层和第二氮化物半导体层分别在第一温度和第二温度下生长，且第一温度高于第二温度。
2.如权利要求1所述的方法，其中，第一氮化物半导体层和第二氮化物半导体层分别在第一压力和第二压力下生长。
3.如权利要求1所述的方法，其中，第一温度在1050℃至1200℃的范围内，第二温度在700℃至850℃的范围内。
4.如权利要求2所述的方法，其中，在第三压力和第三温度下执行热处理。
5.如权利要求4所述的方法，其中，第三温度为1000℃或更高。
6.如权利要求4所述的方法，其中，第一压力、第二压力和第三压力相同，第一压力在50托至300托的范围内。
7.如权利要求4所述的方法，其中，第二压力高于第一压力和第三压力，且在300托至500托的范围内。
8.如权利要求4所述的方法，其中，第三氮化物半导体层在第四压力和第四温度下生长。
9.如权利要求8所述的方法，其中，第四压力与第一压力相同，第四温度与第一温度相同。
10.如权利要求1所述的方法，其中，第一氮化物半导体层包括形成在缺陷聚集区上的凹陷。
11.如权利要求10所述的方法，其中，第二氮化物半导体层填充凹陷。
12.如权利要求11所述的方法，其中，第二氮化物半导体层在300托至500托的压力下生长，并且与第二氮化物半导体层相比，第一氮化物半导体层在较低的压力下生长。
13.如权利要求4所述的方法，其中，热处理的第二氮化物半导体层具有平坦的上表面。
14.如权利要求1所述的方法，其中，生长基板包括氮化物基板。
15.如权利要求14所述的方法，其中，氮化物基板为非极性氮化物基板或半极性氮化物基板。
16.如权利要求1所述的方法，其中，第三氮化物半导体层包含第一导电型杂质以具有第一导电型性能。
17.如权利要求1所述的方法，其中，生长第三氮化物半导体层的步骤包括在生长第二氮化物半导体层的步骤之后增大处理室的生长温度，
其中，在增大处理室的生长温度的同时对第二氮化物半导体层执行热处理。
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