CN1460284A - 氮化物半导体器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

构造了一种氮化物半导体器件，使得器件的设计和制造具有高可靠性和灵活性。该氮化物半导体器件包括形成在蓝宝石衬底(10)上且每个均在其一侧表面上具有掩模(12)的籽晶部分(11)、以及通过横向生长法形成在蓝宝石衬底(10)和籽晶部分(11)上的GaN层(15)。因为GaN层(15)仅自籽晶部分(11)的暴露且未覆盖掩模(12)的侧面上生长，所以其横向生长非对称地进行，从而汇合部分(32)在GaN层(15)的厚度方向上形成在籽晶部分(11)和掩模(12)之间的界面附近。汇合部分(32)在平行于衬底表面的方向上在一个偏离相邻籽晶部分(11)之间的中心的位置上形成，这提供了一种结构，其中，相对于籽晶部分(11)的间距WP的横向生长区的宽度WL大于传统结构的。

Description

氮化物半导体器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种氮化物半导体器件及其制造方法，该器件包括衬底上的氮化物化合物半导体层。
背景技术
诸如GaN、AlGaN、GaInN、AlGaInN和AlBGaInN的III族氮化物系化合物半导体(以下称为氮化物系化合物半导体)的特性包括：其具有比诸如AlGaInAs和AlGaInP的III-V族化合物半导体更大的带隙能Eg；以及其为直接跃迁半导体(direct transition semiconductor)。
因为这些特性，氮化物系化合物半导体作为诸如半导体激光器件和发光二极管(LED)的半导体发光器件的材料已得以关注，前者发射从紫外线到绿光的短波长光，后者能发射从紫外线到红光的更大波长范围的光。
这些半导体发光器件广泛用作高密度光盘记录/复制的光学拾波器的光源、全彩显示器的光源、以及环境领域、医学领域等中的其它发光器件。
此外，这些氮化物系化合物半导体的特性例如包括：氮化物系化合物半导体在高电场区中具有高饱和速率；或者当在MIS(金属-绝缘体-半导体)结构的形成过程中，其用作半导体层的材料，且氮化铝(AlN)用作绝缘层时，半导体层和绝缘层可以通过晶体生长而连续生长。
因为这些特性，氮化物系化合物半导体作为高功率高频率电子器件已经得到了关注。
此外，氮化物系化合物半导体具有如下优点：(1)其具有比GaAs等更高的热导率，使得其与GaAs相比更适于用作高温下使用的高功率器件的材料；(2)其具有更高的化学稳定性和更高的硬度，因此其为高可靠性的器件材料；以及(3)其原料不包括AlGaAs中的砷(As)、AlZnCdSe中的镉(Cd)等，并且不需要诸如砷化氢(AsH3)等的气体源，因此它们是无环境污染、无毒、且对环境具有低影响的化合物半导体材料。
具有高可靠性的半导体器件利用氮化物系化合物半导体制造时出现的问题在于没有适宜的衬底材料。也即，在获得高质量氮化物系化合物半导体层的过程中，出现了氮化物系化合物半导体和衬底材料的如下问题。
(1)诸如GaN、AlGaN和GaInN的氮化物系化合物半导体为应变体系(strained system)，其具有彼此不同的晶格常数，所以当氮化物系化合物半导体制造的薄膜形成在衬底上时，或当氮化物系化合物半导体层得以叠合时，利用对成分和氮化物系化合物半导体层等的厚度的严格限制以获得没有诸如裂纹的晶体缺陷的良好质量的晶体膜。
(2)与作为典型氮化物系化合物半导体的GaN晶格匹配的高质量衬底还没有开发出来。例如，已经开发出了与GaAs和GaInP晶格匹配的高质量GaAs衬底和与GaInAs晶格匹配的高质量InP衬底，因此需要开发类似方式的高质量GaN衬底；然而，GaN衬底正在开发中。
(3)氮化物系化合物半导体的衬底材料需要能耐受约1000℃的高晶体生长温度，并能抵御作为氮化物原料的氨气(NH3)气氛的损伤和腐蚀。
在以上条件下，没有与氮化物系化合物半导体晶格匹配的合适衬底，当前尤其是对GaN是这样，于是蓝宝石(α-Al2O3)衬底通常用作这种衬底材料。
虽然蓝宝石衬底在向市场稳定供应高质量2英寸衬底或3英寸衬底的生产控制方面有优势，但是其有技术上的不足，即13％的对GaN的大晶格失配。
例如，即使缓冲层设置在蓝宝石衬底和GaN层之间以减小晶格失配来外延生长所需的GaN单晶层，但是缺陷密度达到例如108cm-2至109cm-2。因此，难以长时间维持半导体器件的运行可靠性。
此外，蓝宝石衬底具有以下问题：(1)蓝宝石衬底不具有解理，所以难以稳定地形成具有高镜面反射的激光小面(facet)；(2)蓝宝石为绝缘体，所以难以如同在GaAs半导体激光器件的情形中那样在衬底背面上设置电极，并且p侧电极和n侧电极两者必须设置在氮化物系化合物半导体层的叠层在衬底上的一侧上；以及(3)在蓝宝石衬底和GaN层之间存在热膨胀系数的大的差异，因此在形成器件的过程中具有许多限制，例如，当晶体生长膜较厚时，即使在室温时也发生衬底的大的翘曲，从而发生开裂。
为了克服以上问题以在蓝宝石衬底上生长高质量的氮化物系化合物半导体晶体，已经开发出了外延横向附生(ELO)技术。
参考图10A至15B，以下将说明通过外延横向附生形成的GaN层的传统结构的第一至第四示例。顺便地，第一至第四示例中的结构也可用于形成除GaN层以外的任何其它氮化物系化合物半导体层的情形。
外延横向附生利用了各向异性的晶体生长速率，即在外延生长GaN层时，在<11-20>方向上和作为<1-100>方向的横向上生长速率比<0001>方向上的更快，<11-20>方向在图10A至15B中是纸面上的左向或右向，该横向垂直于纸面，<0001>方向(垂直于c面的方向)是纸面上向上的方向。此外，在第一至第四示例中，外延横向附生可在<1-100>方向上进行，而不是在<11-20>方向上，该方向是图10A至15B中纸面上的横向。角括号中的标记“-”假设为附在标记“-”右侧的数字之上，如图10C所示，这将在以下说明；然而，为了方便起见，在此说明书中，该标记附在数字之前。
图10A和10B示出了第一实施例。在第一实施例的结构中，如图10A所示，在其上形成有籽晶层11A的蓝宝石衬底10上，由氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)等绝缘膜形成的多个掩模12，或者包括多个该绝缘膜的多层膜形成条形，然后如图10B所示，作为晶体层的GaN层15通过ELO横向生长在籽晶层11A上，以覆盖该掩模12。
此外，图10C表明，在图10A和10B中，纸面中向上的方向、纸面中的横向、以及垂直于纸面的方向分别相应于<0001>方向(垂直于c面的方向)、<11-20>方向和<1-100>方向。在图1至8E和图11A至17B中同样是这样。
图11A和11B示出了第二示例。在第二示例中，在籽晶层11A形成在整个蓝宝石衬底10上之后，例如，SiO2膜形成在籽晶层11A上以形成条形掩模12，然后如图11A所示，通过利用掩模12，籽晶层11A被选择性蚀刻直至露出蓝宝石衬底10，从而形成籽晶部分11。此时，蓝宝石衬底10的顶部利用掩模12选择性蚀刻以形成间隙31。
接着，如图11B所示，GaN层15通过外延横向附生从籽晶部分11的侧面生长。此时，间歇31形成在蓝宝石衬底10和横向生长层之间，使得生长平滑地形成。
图12A和12B示出了第二示例的改型。此时，具有较大膜厚的籽晶层11A形成在整个蓝宝石衬底10上，然后如图12A所示那样，绝缘层，例如SiO2膜形成在籽晶层11A上，并被构图以形成条形掩模12。通过利用掩模12，蚀刻籽晶层11A直到蓝宝石衬底10暴露出来，从而形成籽晶部分11。接着，在掩模12保持在籽晶部分11上时，如图12B所示，GaN层15通过外延横向附生从籽晶部分11的侧面生长。
图13A和13B示出了第三示例。如图13A所示，在第三示例中，形成了与图11A所示的第二示例的结构等同的、没有掩模12的结构。
然后，如图13B所示，GaN层15通过横向外延附生从籽晶部分11的侧面等生长。
图14A和14B示出了第三示例的改型。在此情形下，如图14A所示，形成了与图12A所示的第二示例的改型等同的、没有掩模12的结构。
然后，如图14B所示，GaN层15通过外延横向附生从籽晶部分11的侧面等生长。
此外，在第三示例及其改型中，在利用掩模12蚀刻籽晶层11A以形成籽晶部分11之后，去除掩模12，然后横向生长GaN层15。
图15A和15B示出了第四示例。在第四示例中，具有较大膜厚的籽晶层11A形成在整个蓝宝石衬底10上，然后如图15A所示，籽晶层11A的顶部得以选择性蚀刻以形成条形突出部13，从而形成籽晶部分11。此后，除了籽晶部分11的表面和其周围外，在籽晶层11A上形成掩模12。接着，如图15B所示，GaN层15通过外延横向附生从籽晶部分11的顶面及其周围生长。
在上述第一至第四示例及其改型中，如图10B、11B、12B、13B、14B和15B所示，GaN层15包括横向生长区21和高缺陷密度区22或仅有横向生长区21。例如，横向生长区21为优良的晶体生长区，而另一方面，在高缺陷密度区22，由于蓝宝石衬底10和GaN之间的晶格失配等，晶体缺陷从具有高晶体缺陷密度(108/cm2或以上)的籽晶部分11或籽晶层11A引入。
更具体地，横向生长区21是一个仅通过横向生长GaN形成的区域，因此，没有晶体缺陷(位错)或少量晶体缺陷得以从籽晶部分11或籽晶层11A引入该区。因此，该区域是高质量的GaN层，即低缺陷密度区。
另一方面，高缺陷密度区22是一高缺陷密度区，晶体缺陷从籽晶部分11或籽晶层11A引入该区域。此外，即使在横向生长区21中，横向生长区22彼此相遇的区域，即由虚线表示的汇合部分32附近的区域为高缺陷密度区。
晶体缺陷包括螺型位错、混合型位错和刃型位错，在高缺陷密度区22或汇合部分32附近区域中发生的缺陷主要是螺型位错和混合型位错，所以基本上在c轴方向(图中向上)延伸的位错较大。
此外，在第二示例及其改型中，如图11B和12B所示，GaN层15仅包括作为低缺陷密度区的横向生长区21，尽管形成了作为高缺陷密度区的汇合区32。此外，如线条所示，位错33通常在掩模12端部附近出现。
在第三示例及其改型中，如图13B和14B所示，包括作为低缺陷密度区的横向生长区21和作为籽晶部分11上的直接再生长层的高缺陷密度区22。
已经提出了一种通过如下步骤减小高缺陷密度区22的方法，该步骤为：进行第一横向生长，然后在一位置上进行第二横向生长，该位置自进行第一横向生长的位置偏移半个图形周期，该图形具有凸起和凹陷。然而，汇合部分中的缺陷等依然保留，因此不能在整个衬底上形成高质量的GaN层。
于是，即使在第一至第四示例和这些示例的结合中，难以获得整体上具有低缺陷密度的衬底。
据认为，当包括诸如半导体激光器件的器件部分的晶体生长膜的厚度几乎等于晶体部分或掩模的周期时，基本上在横向上生长的过程中的缺陷分布表现到包括器件部分的叠层的最上部表面上，因此在器件部分中出现晶体缺陷。
因此，为了形成具有无缺陷的优秀GaN层的氮化物半导体器件，需要在不包括高缺陷密度区的区域或汇合部分附近的高缺陷密度区(即横向生长区)上形成半导体器件。
作为氮化物半导体器件的一个示例，以下将参照图16说明GaN半导体激光器件的结构。GaN半导体激光器件在蓝宝石衬底10上依序包括GaN层15和一叠层，该叠层包括n-侧接触层41、n侧包层42、有源层43、p-侧包层44和p-侧接触层45，所有这些由氮化物系化合物半导体形成，且籽晶部分11在其间。
在叠层中，p-侧包层44的上部和p-侧接触层45形成为在一个方向上延伸成脊条形的激光器条纹部分50。因为激光条纹部分50是流经注入电流时发射光的主器件元件，所以将激光条纹部分50对齐，以位于横向生长部分21上，而远离高缺陷密度区22。
n-侧接触层41的上部、n侧包层42、有源层43和p-侧包层44的底部形成为台地部分，该部分在与激光条纹部分50延伸的方向相同的方向上延伸。
此外，SiN膜制成的保护膜49形成在整个表面上，且穿过设置在保护膜49中的孔，在p-侧接触层45上形成p-侧电极46和p侧接触电极46A，而在n侧接触层41上形成n-侧电极47和n侧接触电极47A。
为了设计和形成具有优异激光性能和高可靠性的半导体激光器件，重要的是在横向生长区21上形成激光条纹部分50，而不是在高缺陷密度区22和汇合部分32上。
参照作为示例的第三示例及其改型和图13B与14B，以下将说明横向生长区21的宽度WL和籽晶部分11的间距WP(籽晶部分11的宽度和相邻籽晶部分11之间的区域的宽度之和)之间的关系。
假设间距WP为15μm且籽晶部分11的宽度WO为3μm。则正好在籽晶部分11上的高缺陷密度区22具有低的质量，因为籽晶部分11中的晶体缺陷引入到高缺陷密度区22中，然而具有宽度WP-WO＝15-3＝12μm的其它区域，即横向生长区21为低缺陷密度区，即高质量区。
然而，实际上，如图13B或14B所示，GaN层15通过从籽晶部分11的两个侧面横向生长GaN晶体而形成，所以在汇合部分32，晶体并不完全匹配，从而导致缺陷的发生。因此，具有连续低缺陷密度的横向生长区的宽度WL为宽度WP-WO的一半，即WL＝6μm。
接着，参见图16，以下将说明GaN半导体激光器的激光条纹部分50的对齐。为了获得具有高可靠性的GaN半导体激光器件，如上所述，需要将激光条纹部分50的整个宽度布置在横向生长区21上。
例如，假设激光条纹部分50的宽度WT为2μm，且宽度WL为6μm，以及汇合部分32的宽度不计，为了将激光条纹部分50布置在WL＝6μm内，则对准精度需要为±2μm。
此外，当激光条纹部分50的周期设计为籽晶部分11的周期的整数倍时，可以在晶片的整个表面上形成周期性结构。
此外，在图10A至15B所示的结构中，激光器在纸面深度方向上的谐振腔长度为例如200μm至1000μm或以上，因此，与激光条纹部分50的宽度WT相比，其足够长，使得可以形成相同的截面形状。因此，在此方向上形成该结构不存在问题。
例如，当衬底材料和晶体膜均透明时，即使通过包埋的掩模12、间隙31等来确认参考位置以将激光条纹部分50对齐，实际上由于以下限制，通常难以将激光条纹部分50精确地对齐在不包括汇合部分32的横向生长区21正上方，而同时具有高可控性和以上的对齐精度±2μm。
该限制包括：(1)籽晶部分11正上方的高缺陷密度区22在厚度方向(图中的向上方向)上扩展；(2)汇合部分32的扩展宽度不为零，而是例如约0.5μm至1μm；(3)技术上难以扩大横向生长区21，且横向生长区21的宽度WL因为横向生长的晶体质量控制而具有上限；(4)籽晶部分11的宽度WO具有例如1μm至2μm的下限；(5)为了通过经过衬底的观察来对齐激光条纹部分50，该对准精度为约1μm至2μm。
因为这些限制，例如在第三示例(参见图13B)中，WP＝WO+2×WL，WP＞2×WL，即横向生长区21的宽度WL最大设计为籽晶部分11的间距WP的1/2或以下。
此外，间距WP值不能随意增加，如对晶体生长的以上限制(3)中所述。例如，间距WP的上限约为10μm，因此存在对宽度WL的上限的限制。
于是，尽管存在横向生长区21的宽度WL之和为2×WL的事实，但是汇合部分32因相邻的横向生长区21彼此相遇而具有差的晶体质量，所以本质上，仅为宽度2×WL的一半的区域可用以布置激光条纹部分50的整个宽度。
此外，例如在MOCVD(金属有机化学气相沉积)中，外延生长在保持平衡生长条件的同时进行，因此，即使例如原料气体的流动方向穿过籽晶部分11，汇合部分32形成在相邻籽晶部分11之间的中心附近的位置上。
在以上描述中，虽然参照作为示例的GaN说明了问题，但是在形成氮化物系化合物半导体层的叠层时，它们是普遍的问题。
因此，本发明的目的是提供一种具有更高可靠性并能增加器件设计中的灵活性和制造容限的氮化物半导体器件，及其制造方法。
发明内容
本发明的发明人将注意力集中在该事实上，即，在传统结构中，相邻籽晶部分之间的GaN层的横向生长自籽晶部分的两侧对称进行，且横向生长区在相邻籽晶部分之间的中心彼此相遇以形成汇合部分，因此本发明人获得了本发明概念，即GaN层的横向生长非对称地进行，以在偏离相邻籽晶部分之间的中心的位置形成汇合部分，从而增加横向生长区的宽度。该概念通过试验验证，并实现了本发明。
根据本发明的第一种氮化物半导体器件在衬底上包括：多个由氮化物系化合物半导体制成的且形成为条纹的籽晶部分；包括氮化物系化合物半导体制成的且自作为基底的籽晶部分生长的横向生长区、以及汇合部分的晶体层，其中，汇合部分在平行于衬底表面的方向上形成在偏离相邻籽晶部分之间的中心的位置上。
根据本发明的第二种氮化物半导体器件，在衬底上包括：由氮化物系化合物半导体制成的籽晶层；多个在籽晶层上形成为条纹形的掩模；以及包括由氮化物系化合物半导体形成的且利用掩模在其间的籽晶层上生长的横向生长区和汇合部分的晶体层，其中，汇合部分在平行于衬底表面的方向上形成在偏离掩模中心线的位置上，该掩模垂直于衬底表面。
根据本发明的氮化物半导体器件的第一种方法，包括步骤：在衬底上形成氮化物系化合物半导体制成的呈条纹形的多个籽晶部分；在籽晶部分的一个侧面上或在籽晶部分的一个侧面和顶面上形成一掩模；并且自作为基底的籽晶部分形成由氮化物系化合物半导体制成的晶体层。
根据本发明的氮化物半导体器件的第二种方法，包括步骤：在衬底上形成氮化物系化合物半导体制成的籽晶层；在籽晶层上形成呈条纹的多个掩模，该掩模具有叠合方向上厚度不同的一端和另一端的形状；以及利用掩模在其间的籽晶层上形成由氮化物系化合物半导体制成的晶体层。
在根据本发明的第一种氮化物半导体器件中，汇合部分在平行于衬底的表面的方向上形成在偏离相邻籽晶部分之间的中心的位置上，因此横向生长区的宽度相对于籽晶部分的间距(籽晶部分的宽度和相邻籽晶部分之间的区域的宽度之和)而增长，即(横向生长区的宽度)/(籽晶部分的间距)的值大。
在根据本发明的第二种氮化物半导体器件中，汇合部分在平行于衬底表面的方向上形成在偏离相邻籽晶部分之间的中心的位置上，因此横向生长区的宽度相对于掩模间距(掩模宽度和相邻掩模之间区域的宽度之和)增加，即，(横向生长区的宽度)/(掩模间距)的值大。
在根据本发明的制造氮化物半导体器件的第一种方法中，汇合部分在平行于衬底表面的方向上形成在晶体层中偏离相邻晶体部分之间的中心的位置上。
在根据本发明制造氮化物半导体器件的第二种方法中，汇合部分在平行于衬底表面的方向上形成在晶体层中偏离相邻掩模之间的中心的位置上。
本发明的其它和另外的目的、特征和优点将由以下说明变得更清晰。
附图说明
图1是一横截面视图，示出根据本发明第一实施例的氮化物半导体器件的主要元件的结构；
图2A和2B是示意性透视图，示出根据本发明第一实施例的GaN半导体激光器件中激光条纹部分和横向生长区之间的布置关系，以及传统GaN半导体激光器件中激光条纹部分和横向生长区之间的布置关系；
图3A至3D是横截面视图，示出根据本发明第一实施例的氮化物半导体器件的制造工序；
图4A和4B是横截面视图，示出根据本发明第二实施例的氮化物半导体器件的制造工序；
图5是横截面视图，示出根据本发明第三实施例的氮化物半导体器件的主要元件的结构；
图6A至6D是横截面视图，示出根据本发明第三实施例的氮化物半导体器件的制造工序；
图7A和7B是横截面视图，示出根据本发明第四实施例的氮化物半导体器件的主要元件的结构；
图8A至8E是横截面视图，示出根据本发明第四实施例的氮化物半导体器件的制造工序；
图9是示意性透视图，示出根据本发明第一至第四实施例的MOSFET中的源极区、栅极区、漏极区和横向生长区之间的布置关系；
图10A和10B是横截面视图，示出第一示例；
图10C是一示意图，示出分别对应<0001>方向(垂直于c面的方向)、<11-20>方向和<1-100>方向的纸面的向上方向、纸面的横向方向和纸面的垂直方向；
图11A和11B是第二示例的横截面视图；
图12A和12B是第二示例的改型的横截面视图；
图13A和13B是第三示例的横截面视图；
图14A和14B是第三示例的改型的横截面视图；
图15A和15B是第四示例的横截面视图；
图16是横截面视图，示出了传统GaN半导体激光器件的结构；以及
图17A和17B是横截面视图，示出了根据本发明改型的氮化物半导体器件的制造工序。
具体实施方式
本发明的优选实施例将在以下参照附图详细说明。在实施例的附图中，相似的元件用与第一至第四示例及其改型的附图标记相似的附图标记表示，并将不再解释。
第一实施例
图1示出了根据本发明第一实施例的氮化物半导体器件的主要元件的结构。
如图1所示，氮化物半导体器件主要包括多个籽晶部分11和GaN层15，每个该籽晶部分在蓝宝石衬底10上形成为条形并在一个侧面上具有掩模12，该GaN层15是通过外延横向附生生长在蓝宝石衬底10和籽晶部分11上的晶体层。
在该结构中，GaN层15仅从籽晶部分11的一个暴露的、未覆盖有掩模12的侧面生长，因此GaN层15的横向生长非对称地进行，从而汇合部分32在GaN层15的厚度方向(层叠方向)上形成在籽晶部分11和掩模12之间的边界附近。
在传统结构中，例如如图13B所示，汇合部分32存在于相邻籽晶部分11之间的中心部分，而在本实施例中，汇合部分32存在于籽晶部分11和掩模12之间的边界附近。
因此，具有最大宽度的横向生长区域21的宽度WL用以下关系表示，假设籽晶部分11的间距为WP，且晶体部分11的宽度为WO：
WP≤WO+WL且WL＞WO，因此WL＞0.5×WP。
因此，与传统结构相比，可以获得宽度WL的更大值。
当该氮化物半导体器件用于GaN半导体激光器件时，如可从图2A和2B之间的对比看出的那样，与传统结构相比，非常易于在横向生长区21上布置图16所示GaN半导体激光器件的激光条纹部分50。也即，对齐的容限增大。
此外，图2A示出了根据本实施例的GaN半导体激光器件中激光条纹部分50和横向生长区域21之间的布置关系，且图2B示出了传统GaN半导体激光器件中激光条纹部分50和横向生长区21之间的布置关系。图2A中横向生长区21的宽度远大于图2B中横向生长区21的宽度。
因此，当运用此实施例时，可以实现具有低晶体缺陷和高可靠性的GaN半导体激光器件。
制造方法
图3A至3D示出了以上氮化物半导体器件的制造工序。
首先，在例如蓝宝石衬底10上生长籽晶层11A，然后如图3A所示，选择性蚀刻籽晶层11A以形成多个条纹形籽晶部分11。接着，通过CVD(化学气相沉积)等，在整个蓝宝石衬底10上形成掩模12。此外，代替蓝宝石衬底10，籽晶层11A可以形成在GaN衬底上。
接着，如图3B所示，通过各向异性蚀刻，例如RIE(反应离子蚀刻)，在垂直于蓝宝石衬底10的表面的方向上蚀刻掩模12的顶面，以仅在籽晶部分11的侧面上保留掩模12。
然后，如图3C所示，在倾斜方向上进行各向异性蚀刻，以去除籽晶部分11的一个侧面上的掩模12，并保持籽晶部分11的另一侧面上的掩模12，如图3D所示。
接着如图1所示，当利用MOCVD通过外延横向附生生长GaN层15时，GaN层15仅从籽晶部分11的未覆盖掩模12的暴露侧面横向生长，于是GaN层15的横向生长非对称地进行，且汇合部分32在GaN层15的厚度方向上形成在籽晶部分11和掩模12之间的边界附近。
第二实施例
图4B示出根据本发明第二实施例的氮化物半导体器件的主要元件的结构。
如图4B所示，该氮化物半导体器件改进了第一示例中的传统氮化物半导体器件，且该氮化物半导体器件包括掩模12和GaN层15，该掩模12设置在籽晶层11A上，并具有其厚度大于其它部分的一端12a，该GaN层15是通过外延横向附生生长在籽晶层11A上的晶体层，以覆盖掩模12。
在该氮化物半导体器件中，因为掩模12厚度上的不同而发生GaN层15的横向生长起始的时间不同，于是横向生长相对于掩模12不对称地进行。结果，汇合部分32不象第一示例那样形成在掩模12的中心处，而是形成在端部12a附近的位置上。
从而，在本实施例中，如第一实施例的情形中那样，宽度WL(图4B中的LW1)的值可以更大，即LW1＞1/2×WM(WM表示掩模12的宽度)。因此，由于器件设计和制造容限增大，所以器件的设计和制造变得更容易，并提高产率。
另一方面，在相应于本实施例的图10B所示的第一示例中，宽度WL的值为WL＝LW2＝1/2×WM，所以即使间距WP和宽度WM与本实施例中的相同，根据本实施例的器件具有宽度更大的横向生长区21。
制造方法
图4A和4B示出以上氮化物半导体器件的制造工序。
首先，在掩模材料在整个籽晶层11A上形成后，通过光刻和蚀刻形成多个掩模12，然后每个掩模12的一端覆盖以掩模，且通过干法蚀刻露出的部分部分地去除。从而，如图4A所示，具有厚度更大的端部12a的掩模12形成在籽晶层11A上。
接着，如图4B所示，GaN层15利用MOCVD通过外延横向附生生长GaN层15。
在本实施例中，如图4A所示，通过横向生长GaN层15所形成的外延生长层15a自掩模12的具有较薄厚度的部分一侧(相对于端部12a的一侧)选择性生长至相邻掩模12的具有较大厚度的部分的一侧，所以如图4B所示那样，横向生长区域21变大。
第三实施例
图5示出根据本发明第三实施例的氮化物半导体器件的主要元件的结构。
该氮化物半导体器件包括多个籽晶部分11和GaN层15，每个该籽晶部分形成在蓝宝石衬底10上并在顶面和一侧面上具有掩模12，该GaN层是通过外延横向生长而生长在蓝宝石衬底10和籽晶部分11上的晶体层。
GaN层15的横向生长仅自籽晶部分11的未覆盖有掩模12的暴露表面进行，因此生长是非对称的，并且如图5所示，汇合部分32在GaN层15的厚度方向上形成在籽晶部分11和设置在籽晶部分11的侧面上的掩模12之间的边界附近。
在本实施例中，汇合部分32在平行于蓝宝石衬底10的表面的方向上形成在偏离相邻籽晶部分11之间的中心的位置上，所以本实施例具备了与第一和第二实施例相同的效果。
制造方法
图6A制6D示出了以上氮化物半导体器件的制造工序。
首先，如图6A所示，在蓝宝石衬底10上生长籽晶层11A，并依序形成掩模51和抗蚀剂膜52。
接着，如图6B所示，通过利用抗蚀剂膜52，蚀刻掩模51，此外蚀刻籽晶层11A，从而形成具有设置其上的掩模51的籽晶部分11。
然后，不去除掩模51，如第一实施例的情形那样，在整个衬底上形成掩模(未示出)。该掩模(未示出)和掩模51的厚度和材料、蚀刻条件、时间控制等的选择得以调整，且在垂直于蓝宝石衬底10的表面的方向上通过各向异性蚀刻法刻蚀掩模(未示出)的顶面，以仅在籽晶部分11的两个侧面上保留掩模。此外，通过倾斜方向上的各向异性蚀刻，去除籽晶部分11的一个侧面上的掩模，以保留籽晶部分11的另一侧面上的掩模。
从而，如图6C所示，可在籽晶部分11的顶面和一个侧面上形成掩模12。
接着，在GaN层15利用MOCVD通过外延横向生长而生长时，GaN层15仅从籽晶部分11的其上未覆盖有掩模12的暴露表面生长，所以GaN层15的横向生长非对称地进行，从而汇合部分32在GaN层15的厚度方向上形成在籽晶部分11和掩模12之间的边界附近。
在本实施例中，如图6D所示，籽晶部分11可通过在蓝宝石衬底10上形成具有较大厚度的籽晶层11A，然后选择性蚀刻籽晶层11A的顶部以形成条纹形的突出部分13而形成。
第四实施例
图7A是横截面视图，示出根据本发明第四实施例的氮化物半导体器件的主要元件的结构。
本实施例改善了第四示例中的传统氮化物半导体器件，且该氮化物半导体器件包括多个籽晶部分11、掩模12和GaN层15，每个籽晶部分11在蓝宝石衬底10上形成为条纹形，掩模12形成在蓝宝石衬底10的相应于籽晶部分11的两个侧面的部分上、籽晶部分11的与其一个侧面相连的部分顶面上、以及相邻籽晶部分11之间的区域上，GaN层15是横向生长在掩模12和籽晶部分11上的晶体层。
在本实施例中，如第一至第三实施例的情形那样，GaN层15的横向生长自籽晶部分11的未覆盖掩模12的暴露表面进行，所以GaN层15的横向生长是非对称的，且汇合部分32形成在偏离相邻籽晶部分11之间的中心的位置上。因此，如第一至第三实施例的情形那样，宽度WL的值变大，所以器件的设计和制造容限增大，从而设计和制造变得容易，且产率提高。
如图7B所示，包括籽晶层11A的氮化物半导体器件具备与以上第四实施例相同的效果，该籽晶层11A具有作为突出部分13的籽晶部分11。
制造方法
图8A制8E示出了以上氮化物半导体器件的制造工序。
首先，在蓝宝石衬底10上形成籽晶层11A，然后如图8A所示，选择性蚀刻该籽晶层11A以形成多个呈条纹的籽晶部分11。然后，掩模12通过CVD等形成在蓝宝石衬底10和籽晶部分11上。
接着，如图8B所示，涂敷抗蚀剂膜52以填充相邻籽晶部分11之间的区域。然后，如图8C所示，在抗蚀剂膜52上设置孔52A以暴露掩模12在籽晶部分11的顶面和一个侧面上的一部分。
接着，如图8D所示，利用四氟化碳(CF4)气体等通过RIE蚀刻并去除掩模12的暴露部分，以显露籽晶部分11。然后，如图8E所示，抗蚀剂膜52被除去。
接着，当GaN层15横向生长在籽晶部分11和掩模12上时，可获得图7A和7B所示的结构。
顺便地，本发明不仅可应用于半导体激光器件，还可应用于诸如发光二极管(LED)、光探测器(PD)的半导体光学器件、以及诸如场效应晶体管(FET)和双极晶体管的半导体电子器件，并且通过将本发明用于这些器件，所有这些器件具有高可靠性。
例如，在MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的情形中，如图9所示，可在具有最大宽度的横向生长区21上形成栅极区70、源极区71和漏极区72，尤其是栅极区70和沟道区73。此外，在双极晶体管的情形中，可以在具有最大宽度的横向生长区21上形成发射区、基极区和集电极区。此外，在光探测器的情形中，光接收单元可形成在横向生长区21上。再有，在发光二极管的情形中，发光单元可形成在横向生长区21上。
在上述的第一至第四实施例中，以下的技术思想是共同的。在每个氮化物半导体器件中，GaN层15的横向生长通过掩模12非对称地进行，因此，与传统结构相比，低缺陷密度区的横向生长区21的宽度WL可以增加。从而，氮化物半导体器件可更容易地形成在低缺陷密度区，所以器件的大小和对准的容限可以增加。
根据本发明，即使器件的部分操作部分而非整个操作部分包括在具有最大宽度的横向生长区21中，也可获得同样的效果。
此外，在第一至第四实施例中，应用了常规的晶片工艺或与传统的相同的晶体生长技术的结合，所以没有对实施本发明实施例的特殊的工艺限制。
在以上实施例中，GaN层15通过MOCVD生长。然而，如图17A所示，GaN层15可以自籽晶部分11的侧面利用设置在其顶面上的掩模通过使用分子束外延(MBE)通过将分子束以锐角(shallow angle)输入到蓝宝石衬底10的表面上而横向和非对称地生长。当GaN层15的生长通过MBE的使用而持续时，如图17B所示，可在偏离相邻籽晶部分11的中心的位置上形成汇合部分32。
然而，在横向方向的控制、生长层的质量等方面，MBE叫次于MOCVD。
如上所述，根据本发明的第一氮化物半导体器件，汇合部分在平行于衬底表面的方向上在偏离相邻籽晶部分之间的中心的位置上形成，所以横向生长区的宽度可以相对于籽晶部分的间距(籽晶部分的宽度和相邻籽晶部分之间的区域的宽度之和)更大。结果，器件的尺寸和对准容限可以增大，所以可以增加设计和制造的灵活性，且可提高器件性能的可靠性。
此外，根据本发明的第二氮化物半导体器件，汇合部分在平行于衬底表面的方向上在偏离相邻掩模之间的中心的位置上形成，所以横向生长区的宽度可以相对于掩模的间距(掩模的宽度和相邻掩模之间的区域的宽度之和)更大。结果，器件的尺寸和对准容限可以增大，所以可以增加设计和制造的灵活性，且可提高器件性能的可靠性。
此外，根据第一和第二氮化物半导体器件的制造方法，在多个籽晶部分在衬底上形成为条纹后，掩模形成在籽晶部分的一个侧面上或籽晶部分的一个侧面和顶面上，然后晶体层从作为基底的籽晶部分形成，或者在籽晶层形成在衬底上之后，具有在层叠方向上一端和另一端的高度不同的形状的多个掩模在籽晶层上形成条纹形，且晶体层利用掩模形成在其间的籽晶层上，所以具有更大宽度的横向生长区可以形成在该晶体层中。结果，器件的尺寸和对准容限可以增大，所以可以增加设计和制造的灵活性，且可提高器件性能的可靠性。
显然在以上技术的启示下，可以有对本发明的诸多改变和变化。因此，需要理解的是，在本发明所附权利要求的范围内，本发明可以以具体说明以外的其它方式实施。

Claims (20)

1.一种氮化物半导体器件，在衬底上包括：多个由氮化物系化合物半导体制成的且形成为条纹的籽晶部分；包括氮化物系化合物半导体制成的、且自作为基底的籽晶部分生长的横向生长区和汇合部分的晶体层，
其中，汇合部分在平行于衬底表面的方向上形成在偏离相邻籽晶部分之间的中心的位置上。
2.如权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中
在籽晶部分的一个侧面上，或在籽晶部分的一个侧面和顶面上设置有一掩模。
3.如权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中
假设籽晶部分的宽度与相邻籽晶部分之间的区域的宽度之和为WP，且具有最大宽度的横向生长区域的宽度为WL，则WP和WL满足关系WL∞0.5WP。
4.如权利要求3所述的氮化物半导体器件，还在晶体层上包括激光条纹部分，
其中，激光条纹部分设置成与具有最大宽度的横向生长区相应。
5.如权利要求3所述的氮化物半导体器件，还在晶体层上包括源极区、栅极区和漏极区，
其中，源极区、栅极区和漏极区设置得与具有最大宽度的横向生长区域相应。
6.一种氮化物半导体器件，在衬底上包括：由氮化物系化合物半导体制成的籽晶层；多个在籽晶层上形成为条纹的掩模；以及包括由氮化物系化合物半导体形成的且通过掩模在其间的籽晶层上生长的横向生长区和汇合部分的晶体层，
其中，汇合部分在平行于衬底表面的方向上形成在偏离掩模中心线的位置上，该掩模垂直于衬底表面。
7.如权利要求6所述的氮化物半导体器件，其中
掩模具有一形状，该形状具有在层叠方向上厚度不同的一端和另一端。
8.如权利要求6所述的氮化物半导体器件，其中
假设掩模的宽度与相邻掩模之间的区域的宽度之和为WP，且具有最大宽度的横向生长区域的宽度为WL，则WP和WL满足关系WL∞0.5WP。
9.如权利要求8所述的氮化物半导体器件，还在晶体层上包括激光条纹部分，
其中，激光条纹部分设置成与具有最大宽度的横向生长区相应。
10.如权利要求8所述的氮化物半导体器件，还在晶体层上包括源极区、栅极区和漏极区，
其中，源极区、栅极区和漏极区设置得与具有最大宽度的横向生长区域相应。
11.一种制造氮化物半导体器件的方法，包括步骤：
在衬底上形成氮化物系化合物半导体制成的呈条纹形的多个籽晶部分；
在籽晶部分的一个侧面上或在籽晶部分的一个侧面和顶面上形成一掩模；以及
自作为基底的籽晶部分形成由氮化物系化合物半导体制成的晶体层。
12.如权利要求11所述的制造氮化物半导体器件的方法，其中
假设籽晶部分的宽度和相邻籽晶部分之间的区域的宽度之和为WP，则在晶体层上形成具有0.5WP或以上的宽度的横向生长区。
13.如权利要求12所述的制造氮化物半导体器件的方法，还包括步骤：
在形成晶体层之后，形成激光条纹部分以相应于横向生长区。
14.如权利要求12所述的制造氮化物半导体器件的方法，还包括步骤：
在形成晶体层之后，形成源极区、栅极区和漏极区以与横向生长区相应。
15.如权利要求11所述的制造氮化物半导体器件的方法，其中
晶体层通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)形成。
16.一种制造氮化物半导体器件的方法，包括步骤：
在衬底上形成氮化物系化合物半导体制成的籽晶层；
在籽晶层上形成呈条纹的多个掩模，该掩模具有一形状，该形状具有叠合方向上厚度不同的一端和另一端；以及
在籽晶层上形成由氮化物系化合物半导体制成的晶体层，所述掩模在二者之间。
17.如权利要求16所述的制造氮化物半导体器件的方法，其中
假设掩模宽度和相邻掩模之间的区域的宽度之和为WP，则在晶体层上形成具有0.5WP或以上的宽度的横向生长区。
18.如权利要求17所述的制造氮化物半导体器件的方法，还包括步骤：
在形成晶体层之后，形成激光条纹部分以相应于横向生长区。
19.如权利要求17所述的制造氮化物半导体器件的方法，还包括步骤：
在形成晶体层之后，形成源极区、栅极区和漏极区以与横向生长区相应。
20.如权利要求16所述的制造氮化物半导体器件的方法，其中
晶体层通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)形成。
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