专利名称：一种半导体衬底的生长方法
一种半导体衬底的生长方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体衬底的生长方法。背景技术：
节能减排是目前我国发展中面临的一个非常重要的问题。采用高效的光 源，例如半导体光源等，代替传统的白炽灯作为照明光源，可以节约大量的电 能。
生长用于制作LED等半导体光源的半导体衬底，是半导体照明领域的基 础工作。常见的用于半导体照明的半导体衬底包括GaAs、 GaN以及ZnO等。 研究发现，在半导体衬底的生长过程中掺入稀土元素或者其他类似的元素，能 够在衬底的能带中引入跃迁能级，使衬底能够在吸收能量的情况下辐射出不同 波长的光波，从而为形成白光光源提供了一种可能性。例如在GaN或者AlN 等m族氮化物衬底中加入稀土元素，尤其是镧系元素，即可以达到上述目的。
由于上述衬底的作用是在特定能量的激发下，根据所掺杂元素的不同激发 出不同波长的光波，因此提高衬底的厚度和掺杂的均匀性必将有利于发挥此种 衬底的作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种半导体衬底的生长方法，能够实 现衬底中稀土元素的均匀掺杂，从而保证从半导体层中激发出来的光波是均匀 分布的，获得较好的视觉效果，可以满足白光LED的应用。
为了解决上述问题，本发明提供了一种半导体衬底的生长方法，包括如下 步骤提供支撑衬底；提供第一反应气体，所述第一反应气体中含有III族元 素与卤族元素；提供第二反应气体，所述第二反应气体中含有稀土元素与卣族 元素；提供第三反应气体，所述第三反应气体中含有V族元素；将第一、第二和第三反应气体相互混合；加热支撑衬底并将混合后的气体通过加热的支撑衬
底表面，从而在支撑衬底表面形成由m族和v族元素构成的半导体层，所述 半导体层掺杂有稀土元素，且所述半导体层的厚度不小于20微米。
作为可选的技术方案，所述稀土元素选自于Er、 Eu、 Pr、 Tm、 Ce、 Nd、 Sm、 Gd、 Pm、 Gd、 Tb、 Dy、 Ho、 Yb和Lu中的一种或者多种。
作为可选的技术方案，所述III族元素选自于Ga、 Al和In中的一种或多 种，所述V族元素选自于N、 P和As中的一种或多种，所述卤族元素选自于 氯和溴中的一种或两种。
作为可选的技术方案，所述半导体层的厚度不小于80微米，在此厚度情 况下，所述半导体衬底的生长方法进一步包括去除支撑衬底的步骤。
作为可选的技术方案，所述混合后的气体中，v族元素与m族元素的分
子数目比例范围是1至1000。
作为可选的技术方案，所述支撑衬底的材料选自于蓝宝石、Si和铝酸锂的 一种。
作为可选的技术方案，所述加热支撑衬底的步骤中，加热的温度范围是500 至1200°C
本发明的优点在于，三种气体在生长之前进行了预先混合，能够使m族 原子和稀土元素的原子相互充分扩散，避免直接通入支撑衬底表面时由于不同 气体的气流状态不同，而造成稀土元素的原子在半导体层中的不均匀分布。由 于半导体层在被激发的条件下辐射出的光波的强度与稀土元素的浓度是成正 比的，因此稀土元素在半导体层中均匀分布的优点在于可以保证从半导体层中 激发出来的光波是均匀分布的，因此可以获得较好的视觉效果。并且采用含有 卤族元素的ni族反应气体能够提高in族元素在反应气体中的浓度，从而加速 半导体层的沉积速度，因此生长速度快，容易在较短的时间内获得具有一定厚 度的衬底材料，厚的衬底更加适合于用作光学激发层。
附图1所示是本发明所述具体实施方式
的实施步骤示意图；附图2至附图4为本发明所述具体实施方式
的工艺示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的一种半导体衬底的生长方法的具体实施方 式做详细说明。
附图l所示是本发明所述具体实施方式
的实施步骤示意图，包括如下步骤: 步骤S100，提供支撑衬底；步骤S101，提供第一反应气体，所述第一反应气 体中含有m族元素与卤族元素；步骤S102，提供第二反应气体，所述第二反 应气体中含有稀土元素与卤族元素；步骤S103，提供第三反应气体，所述第 三反应气体中含有V族元素；步骤SllO，将第一、第二和第三反应气体相互
混合；步骤S120，加热支撑衬底并将混合后的气体通过加热的支撑衬底表面； 步骤S130，去除支撑衬底。
本具体实施方式
中，所述ni族元素为Ga,所述V族元素为N，所述卤族 元素为氯。GaN材料是目前常见的用于半导体照明的衬底材料。在其他的具体 实施方式中，也可以是生长GaAs、 InP等材料，在这些具体实施方式
中应当选 用其他对应的元素作为III族和V族元素。本具体实施方式
中采用含有卤族元 素的III族反应气体进行外延生长，其优点在于该工艺的生长速度快，容易在 较短的时间内获得具有一定厚度的衬底材料，厚的衬底更加适合于用作光学激 发层。
附图2至附图4为本具体实施方式
的工艺示意图。 附图2所示，参考步骤S100，提供支撑衬底100。
本具体实施方式
生长的是GaN衬底，因此所述支撑^f底100为蓝宝石。 如果是生长其他半导体材料如GaAs或者InP等，也可以根据实际情况选择其 他的支撑衬底100，例如生长InP就可以选用GaAs作为支撑衬底100的材料。 当然，也可以选择单晶硅衬底作为支撑衬底100，其优点在于成本低廉且在生 长完毕后容易去除。
参考步骤S101至103，提供第一、第二和第三反应气体，所述第一反应 气体中含有m族元素与卤族元素，所述第二反应气体中含有稀土元素与卤族元素，所述第三反应气体中含有v族元素。
如前文提到的，本具体实施方式
中，第一反应气体中含有Ga和Cl，第二 反应气体中含有稀土元素和Cl，第三反应气体中含有N。具体的说，第一反应 气体为HC1与GaCl的混合气体，第二反应气体是稀土元素氯化物和HC1的混 合气体，而第三反应气体是NH3。所述稀土元素选自于Er、 Eu、 Pr、 Tm、 Ce、 Nd、 Sm、 Gd、 Pm、 Gd、 Tb、 Dy、 Ho、 Yb和Lu中的一种或者多种，并优选 为Er、 Eu和Tm之中的一种或多种。
所述混合后的气体中，V族元素与III族元素的分子数目比例范围是1至 1000。
采用含有卤族元素气体作为反应气体的优点在于能够加速III族元素与V 族元素在支撑衬底100表面的反应速度，因此生长速度快，容易在较短的时间
内获得具有一定厚度的衬底材料，厚的衬底更加适合于用作光学激发层。
参考步骤S110，将第一、第二和第三反应气体相互混合。 本具体实施方式
中在气体通入支撑衬底100表面之前首先进行混合，在实
际操作中，该混合步骤可以通过在生长设备中设置一混合腔体而实现。
附图3所示，参考步骤S120，加热支撑衬底100并将混合后的气体通过 加热的支撑衬底100表面。本步骤能够在支撑衬底100表面形成由III族和V 族元素反应而成的掺杂有稀土元素半导体层110。
加热的温度范围是500至1200°C。
由于半导体层110的用途是在吸收入射光波能量的情况下辐射出另一波长 的光波，从而为形成白光光源提供了一种可能性，因此需要半导体层110具有 一定的厚度，入射光波能在半导体层110中的光程足够长，才可以充分激发该 半导体层中的稀土元素，以获得足够的转化效率。本具体实施方式
中，所述半 导体层110的厚度不小于20微米，尤其优选不小于80微米，原因在于当半导 体层110的厚度大于或等于80微米的情况下，可以在后续步骤中除去支撑衬 底100而实现自支撑，而小于80微米的半导体层很难实现自支撑，需要进一 步采用键合或者其他工艺手段对其提供支撑才可以满足进一步应用的需要。
进一步地，当半导体层110的厚度大于300微米时，还可以起到降低半导体层110位错密度的技术效果，其原因在于增加半导体层的厚度能够使位错发 生合并等相互作用而抵消，从而起到了降低位错密度的技术效果。
加热有利于促进III族元素、V族元素以及稀土元素在支撑衬底100表面 反应形成半导体层110。
并且，由于三种气体进行了预先混合，能够使Ga原子和稀土元素的原子 相互充分扩散，避免直接通入支撑衬底100表面时由于不同气体的气流状态不 同，而造成稀土元素的原子在由GaN材料构成的半导体层中的不均匀分布。 由于半导体层在被激发的条件下辐射出的光波的强度与稀土元素的浓度是成
正比的，因此稀土元素在半导体层中均匀分布的优点在于可以保证从半导体层 中激发出来的光波是均匀分布的，因此可以获得较好的视觉效果。 附图4所示，参考步骤S130，去除支撑衬底IOO。
该步骤为可选步骤。在半导体层110的厚度大于80微米的情况下衬底能 够实现自支撑，因此可以除去支撑衬底100。本具体实施方式
中，支撑衬底100 的材料为蓝宝石，因此可以采用激光剥离的方法将支撑衬底除去，而获得厚度 大于80微米的自支撑的半导体层110。
在其他的具体实施方式
中，如果支撑衬底100的材料为单晶硅或者其他异 质衬底，也可以采用合适的选择性腐蚀溶液，采用湿法腐蚀工艺将其除去。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种半导体衬底的生长方法，其特征在于，包括如下步骤提供支撑衬底；提供第一反应气体，所述第一反应气体中含有III族元素与卤族元素；提供第二反应气体，所述第二反应气体中含有稀土元素与卤族元素；提供第三反应气体，所述第三反应气体中含有V族元素；将第一、第二和第三反应气体相互混合；加热支撑衬底并将混合后的气体通过加热的支撑衬底表面，从而在支撑衬底表面形成由III族和V族元素构成的半导体层，所述半导体层掺杂有稀土元素，且所述半导体层的厚度不小于20微米。
2. 根据权利要求1所述的半导体衬底的生长方法，其特征在于，所述稀土元 素选自于Er、 Eu、 Pr、 Tm、 Ce、 Nd、 Sm、 Gd、 Pm、 Gd、 Tb、 Dy、 Ho、 Yb和Lu中的一种或者多种。
3. 根据权利要求1所述的半导体衬底的生长方法，其特征在于，所述III族元 素选自于Ga、 Al和In中的一种或多种，所述V族元素选自于N、 P禾口 As 中的一种或多种，所述卤族元素选自于氯和溴中的一种或两种。
4. 根据权利要求1至3任意一项所述的半导体衬底的生长方法，其特征在于， 所述半导体层的厚度不小于80微米。
5. 根据权利要求4所述的半导体衬底的生长方法，其特征在于，所述半导体 衬底的生长方法进一步包括去除支撑衬底的步骤。
6. 根据权利要求1至3任意一项所述的半导体衬底的生长方法，其特征在于， 所述混合后的气体中，V族元素与III族元素的分子数目比例范围是1至 1000o
7. 根据权利要求1至3任意一项所述的半导体衬底的生长方法，其特征在于， 所述支撑衬底的材料选自于蓝宝石、Si和铝酸锂中的一种。
8. 根据权利要求1至3任意一项所述的半导体衬底的生长方法，其特征在于， 所述加热支撑衬底的步骤中，加热的温度范围是500至1200°C。
全文摘要
一种半导体衬底的生长方法，包括如下步骤提供支撑衬底；提供第一反应气体，所述第一反应气体中含有III族元素与卤族元素；提供第二反应气体，所述第二反应气体中含有稀土元素与卤族元素；提供第三反应气体，所述第三反应气体中含有V族元素；将第一、第二和第三反应气体相互混合；加热支撑衬底并将混合后的气体通过加热的支撑衬底表面，从而形半导体层，其厚度不小于20微米。本发明的优点在于，三种气体在生长之前进行了预先混合，能够使III族原子和稀土元素的原子相互充分扩散，使得稀土元素的原子在半导体层中均匀分布。并且采用含有卤族元素的III族反应气体能够提高III族元素在反应气体中的浓度，从而加速半导体层的沉积速度，因此生长速度快。
文档编号H01L21/205GK101620992SQ20091005573
公开日2010年1月6日 申请日期2009年7月31日 优先权日2009年7月31日
发明者任国强, 张育民, 科 徐, 王建峰 申请人:苏州纳维科技有限公司