用于生长Ⅲ族氮化物半导体层的方法

专利名称：用于生长Ⅲ族氮化物半导体层的方法
技术领域：
本发明主要涉及一种用于生长III族氮化物半导体层的方法，更具体而言，涉及一种采用大面积的薄蓝宝石衬底制造III族氮化物半导体发光器件的方法。所述III族氮化物半导体发光器件是指诸如包含由Al(X)fei(y)In(l-X-y) N(0彡χ彡1，0彡y彡1，0彡x+y彡1)构成的III族氮化物半导体层的发光二极管等发光器件，所述III族氮化物半导体发光器件还可包含由其他族的元素构成的材料(如SiC、 SiN, SiCN和CN)，或由这些材料制成的半导体层。
背景技术：
本部分提供了本发明相关的背景信息，其不一定是现有技术。图1是示出了常规III族氮化物半导体发光器件的一个实例的视图。所述III族氮化物半导体发光器件包括衬底100、在衬底100上生长的缓冲层200、在缓冲层200上生长的η型III族氮化物半导体层300、在η型III族氮化物半导体层300上生长的有源层400、在有源层400上生长的ρ型III族氮化物半导体层500、在ρ型III族氮化物半导体层500上形成的ρ侧电极600、在ρ侧电极600上形成的ρ侧焊盘700、在通过台面刻蚀 P型III族氮化物半导体层500和有源层400而露出的η型III族氮化物半导体层300上形成的η侧电极800，以及保护膜900。就衬底100而言，GaN类衬底可用作同质衬底，而蓝宝石衬底、SiC衬底或Si衬底可用作异质衬底。不过，可以使用在其上能够生长有III族氮化物半导体层的任何类型的衬底。在使用SiC衬底的情况下，可在SiC衬底一侧上形成η侧电极800。在衬底100上生长的III族氮化物半导体层一般通过金属有机化学气相沉积 (MOCVD)来生长。缓冲层200用来克服异质衬底100和III族氮化物半导体之间的晶格常数和热膨胀系数的差异。美国专利第5，122，845号描述了一种在380°C 800°C的温度下在蓝宝石衬底上生长厚度为100 A 500 A的AlN缓冲层的技术。另外，美国专利第5，290, 393号描述了一种在200°C 900°C的温度下在蓝宝石衬底上生长厚度为10 A 5000 A的Al (x)Ga(l-x) Ν(0^χ< 1)缓冲层的技术。此外，美国专利公报第2006/1M4M号描述了一种在600°C 990°C的温度下生长SiC缓冲层(晶种层)并在其上生长^i(X) Ga (1-x) N(0<x彡1)的技术。优选的是，在η型III族氮化物半导体层300生长之前生长未掺杂的GaN层。所述GaN 层可视为缓冲层200的一部分或η型III族氮化物半导体层300的一部分。在η型III族氮化物半导体层300中，至少η侧电极800区域(η型接触层)掺杂有掺杂剂。优选的是，所述η型接触层由GaN制成并掺杂有Si。美国专利第5，733，796号描述了一种通过调节Si和其他源材料的混合比而以目标掺杂浓度掺杂η型接触层的技术。有源层400通过电子和空穴的复合产生光量子(光)。通常，有源层400包含h (χ) Ga(l-x)N(0 < χ彡1)并具有单量子阱或多量子阱。P型III族氮化物半导体层500掺杂有诸如Mg等合适的掺杂剂，并通过激活过程而具有P型导电性。美国专利第5，247, 533号描述了一种通过电子束辐照激活ρ型III族氮化物半导体层的技术。此外，美国专利第5，306，662号描述了一种通过至少400°C的退火来激活P型III族氮化物半导体层的技术。美国专利公报第2006/157714号描述了一种通过将氨和胼类源材料一起用作氮前体来生长P型III族氮化物半导体层，从而在无需激活过程的情况下提供具有P型导电性的P型III族氮化物半导体层的技术。提供P侧电极600来促进电流供应给整个ρ型III族氮化物半导体层500。美国专利第5，563，422号描述了一种与透光性电极相关的技术，所述透光性电极由Ni和Au制成，并形成在P型III族氮化物半导体层500的几乎整个表面上，与ρ型III族氮化物半导体层500欧姆接触。另外，美国专利第6，515，306号描述了一种在ρ型III族氮化物半导体层上形成η型超晶格层并随后在其上形成由ITO制成的透光性电极的技术。同时，ρ侧电极600可足够厚至不透光而使光向衬底反射。该技术称为倒装芯片技术。美国专利第6，194，743号描述了一种与电极结构体相关的技术，所述电极结构体包括厚度至少为20nm的Ag层、覆盖所述Ag层的扩散阻挡层和含有Au和Al并覆盖所述扩散阻挡层的结合层。提供ρ侧焊盘700和η侧电极800来用于电流供应和外部引线接合。美国专利第 5，563，422号描述了一种用Ti和Al形成η侧电极的技术。保护膜900由SW2制成，其也可以被省略。同时，η型III族氮化物半导体层300或ρ型III族氮化物半导体层500可由单层或多层构成。近来，提出了一种通过采用激光或湿法刻蚀除去III族氮化物半导体层上的衬底100而制造立式发光器件的技术。图2是示出了常规MOCVD装置的一个实例的视图。在反应器1中，衬底100放置在基座2的凹坑3中。反应器1的温度由设置在基座2下的加热器4控制，并且通过经由供应管5提供生长用原料(反应气体)来生长III族氮化物半导体层。美国专利第5，334，277 号提出了此类MOCVD装置的实例。对于常规III族氮化物半导体发光器件而言，主要采用作为异质衬底的蓝宝石 (Al2O3)衬底。蓝宝石衬底与III族氮化物半导体层在晶格常数和热膨胀系数上存在差异。 而且，在蓝宝石衬底上生长III族氮化物半导体层时，因为晶格常数和热膨胀系数的差异而可能会出现晶体缺陷和弯曲。一种用于消除这些晶体缺陷和弯曲的常规方法是引入如上所述的缓冲层200。近年来，衬底的面积变得更大(例如，从2英寸变为4英寸)以得到更好的生产率。 因此，诸如其上生长有III族氮化物半导体层的衬底(在下文中为“晶片”)的弯曲和难以控制整个弯曲晶片的发射波长等问题越来越显著。为了解决这些问题，已经提出的方案包括通过采用厚蓝宝石衬底(例如，至少800μπι)或采用内凹的基座凹坑来向弯曲衬底均勻供热来抑制衬底的弯曲。然而，采用厚蓝宝石衬底对后续工序施加了很多限制，而采用内凹坑(concave pocket)不能构成消除衬底弯曲的根本解决方案。

发明内容
[技术问题]本发明要解决的问题将在下文实施本发明的具体实施方式
部分加以描述。
[技术方案]本部分提供了本发明的总体概要，而不是其全部范围和全部特征的全面公开。根据本发明的一个方面，用于在衬底上生长III族氮化物半导体层的方法包括 在至少一个方向上抑制衬底内凹弯曲的抑制步骤；和当衬底处于所述抑制步骤的同时生长 III族氮化物半导体层以与衬底结合的生长步骤。[有益效果]使用本发明用于生长III族氮化物半导体层的方法，可采用大面积的薄衬底。另外，使用本发明用于生长III族氮化物半导体层的另一方法，可采用大面积的薄衬底，同时防止破损。此外，使用本发明用于生长III族氮化物半导体层的又一方法，可采用大面积的薄衬底，所述薄衬底具有窄范围的发射波长分布。


图1是示出了常规III族氮化物半导体发光器件的一个实例的视图；图2是示出了常规MOCVD装置的一个实例的视图；图3是示出了根据本发明用于描述生长方法的失效例(failure)的一个实例的照片；图4是示出了在III族氮化物半导体层生长期间晶片弯曲度的变化的一个实例的曲线图；图5是示出了在η型氮化物半导体层生长完成后晶片的厚度分布图；图6是示出了具有图5所示轮廓的晶片的发射波长分布的一个实例图；图7是示出了本发明用于生长III族氮化物半导体层的MOCVD装置的一个实例的视图；图8是示出了实际加热器的一个实例的照片；图9是示出了本发明的η型氮化物半导体层生长完成后晶片的厚度分布图；和图10是示出了具有图9所示轮廓的晶片的发射波长分布的一个实例图。
具体实施例方式现在参照附图详细地描述本发明。图3是示出了根据本发明用于描述生长方法的失效例的一个实例的照片，其显示了在约600 μ m厚的4英寸蓝宝石衬底上生长III族氮化物半导体层后反应器的内部。衬底或晶片100原样地位于基座2的凹坑3中，而衬底或晶片IOOa受到破损。晶片IOOa的破损由晶片在生长期间因蓝宝石衬底和III族氮化物半导体之间的晶格常数和热膨胀系数的差异而发生的弯曲引起。图4是示出了在III族氮化物半导体层生长期间晶片弯曲率的变化的一个实例的曲线图。在III族氮化物半导体层生长之前，蓝宝石衬底100在加热(例如，在IlO(TC)时发生严重内凹弯曲。可意识到，这种内凹弯曲由蓝宝石衬底100的直接加热底面与蓝宝石衬底100的供气顶面之间的温度差引起。该预处理之后，降低温度(例如，到550°C)以生长缓冲层200，这会减小晶片的弯曲。再次升高温度以进行由GaN和GaN制成的未掺杂η型氮化物半导体层300的生长。 在此过程中，晶片弯曲增大，并且晶片的内凹弯曲量随η型氮化物半导体层300的生长而增大。可意识到，晶片的内凹弯曲由晶片的顶面和底面之间的温差以及蓝宝石衬底100和III 族氮化物半导体层300之间的晶格常数和热膨胀系数的差异引起。接下来，降低温度(例如，到810°C)以进行由hGaN制成的有源层400的生长，这会减小晶片的弯曲。再次升高温度(例如，到900°C )以进行由GaN制成的ρ型氮化物半导体层500的生长。在此过程中，在P型氮化物半导体层500的生长期间，晶片弯曲继续增大。在III族氮化物半导体层的生长完成后，降低温度。结果，晶片弯曲减小，并且晶片最终变得凸起。图5是示出了 η型氮化物半导体层的生长完成后晶片的厚度分布图。晶片整体上具有对称内凹形状。这是III族氮化物半导体层在C面蓝宝石衬底上生长时出现的一种常见的物理现象。另一方面，如果III族氮化物半导体层在A面蓝宝石衬底上生长，晶片将不对称弯曲。在低温下生长有源层400时会使弯曲晶片的轮廓保持平坦。在由基座下设置的加热器加热晶片时，这将造成晶片中心和晶片边缘之间的温度不均勻(因为晶片边缘变得远离基座)，并且最终导致最终生成的发光器件的发射波长不均勻。图6是示出了具有图5所示轮廓的晶片的发射波长分布的一个实例图。该晶片具有宽范围的发射波长分布，即420nm 457nm，因此，难以将该晶片用作批量产品(通常，发射波长分布应小于20nm)。为了解决该问题，发明人研究了用于在生长期间抑制晶片弯曲和在有源层生长期间缩小有源层的发射波长分布的方法。如上所述，尽管采用至少800 μ m的较厚衬底能够抑制衬底的弯曲，但是难以从晶片上分离出(singulating)发光器件。此外，在采用具有内凹坑的基座的情况下，能够使晶片得到均勻加热，但其挠性仍然较差。在这种情况下，发明人研究了在采用较薄衬底的同时解决这些问题的方法，并通过在生长期间有力地抑制晶片的弯曲而解决该问题。图7是示出了本发明用于生长III族氮化物半导体层的MOCVD装置的一个实例的视图。通过提供反应气体来实现在放置于基座2上的衬底或晶片100上生长III族氮化物半导体层。通过设置在基座2下并向衬底或晶片100供热的加热器如、仙和如来控制温度。加热器如、413和如可以不同的温度加热。此类MOCVD装置的实例可包括由Aixtron制造的Thomas Swan Crius和CCS平台。图8是示出了实际加热器构造的一个实例的照片。如图4所示，观察到衬底或晶片100的弯曲度与MOCVD装置的温度成正比增加。基于此，发明人通过将加热器4b的温度降低到低于加热器如和如的温度，由此抑制衬底或晶片100中心的热膨胀，从而消除衬底或晶片100的弯曲(在衬底或晶片100的中心相对平坦时，整个衬底或晶片100的弯曲度会减小)。图9是示出了本发明η型氮化物半导体层的生长完成后晶片的厚度分布图。与图 5所示的晶片相比，观察到基座径向上的晶片弯曲基本上得以消除(平坦区域位于MOCVD装置中基座中心的相对侧上)。此外，可意识到下述方法通过将晶片中心的温度降低到低于晶片边缘的温度来消除基座的圆周方向上的晶片弯曲。然而，目前不存在本发明人诉求范围内的MOCVD装置，该MOCVD装置能够改变基座圆周方向的温度。因此，如果能够实现此类 MOCVD装置，则能够有力地(甚至)在基座的圆周方向上消除晶片弯曲。尽管存在此类限制，但是采用薄蓝宝石衬底(例如，650μπι)并不会引起如图3所示的衬底或晶片的破损。影响LED特性和影响通过MOCVD生长此类LED结构时的晶片弯曲的要素可粗略地分为以下两个=GaN层和有源层。在生长GaN层时MOCVD供电单元向加热器4a、加热器4b 和加热器4c的供电率分别是80 %、51 %和78. 5 %。接下来，在生长有源层时该供电单元向加热器乜、加热器4b和加热器如的供电率分别是77%、46%和78%。图10是示出了具有图9所示轮廓的晶片的发射波长分布的一个实例图。同样，在生长有源层时，使向加热器4b提供的电功率保持为相对地低于向加热器如和如提供的电功率，并由此降低晶片的弯曲。进一步地，当加热器4a、4b和如连接在一起时，其适合于向晶片边缘提供相对较大量的热，从而解决在向与基座接触的晶片中心提供较大量的热的同时向晶片边缘提供较小量的热的问题(因此，提供电功率的方式可以使得加热器如和4c 的温度高于加热器4b的温度)。结果，可获得具有窄范围发射波长分布，即431nm 444nm 的晶片。在这种情况下，可在下述条件下生成III族氮化物半导体发光器件。将厚度为650 μ m的4英寸圆形蓝宝石衬底设置在MOCVD反应器内部的基座上，并且使温度升高到1100°c以除去衬底表面上的杂质。接下来，如美国专利公报第2006/M4454号中公开的那样在其上生长SiC/InGaN 缓冲层。生成缓冲层之后，在1050°C的生长温度下通过采用NH3和TMGa作为原料气体来生成厚度约3. 5 μ m的未掺杂GaN。在保持生长温度为1050°C的同时形成厚度约2. 5μπι的η型GaN层。GaN层的生长速度约为6A/s，并且将DTBSi用作η型GaN层的Si源。为了生长有源层，将厚度约80 A的LxGiVxN阻挡层和厚度约20 A的InyGi^yN (χ > y)阱层的层叠重复进行7个周期。生长速度设定在700°C 900°C。下面将描述本发明的多种实施方式(1) 一种采用薄衬底的用于生长III族氮化物半导体层的方法。尽管厚是一个相对概念，但是可认为厚度约800 μ m以上的衬底是较厚的。不过，本发明用于生长III族氮化物半导体层的方法当然可以用于厚度为800 μ m以上的蓝宝石衬底。另外，有利的是本发明的生长方法能够采用因破损和发射波长不均勻而不能在现有技术中利用的薄衬底。尽管厚度没有特定的下限，但是应该注意如果厚度过小则衬底可能会破损。考虑到这种情况(破损、加工便利、成本等)，优选的是厚度为500 μ m 800 μ m的衬底。特别地，优选采用厚度约600μπι的蓝宝石衬底。尽管对衬底的尺寸(或直径)没有特别限制，但是本发明的生长方法特别关注采用大面积衬底(超过2英寸)进行生长时出现的问题。目前，2英寸蓝宝石衬底的厚度一般不超过430 μ m。因此，本发明的生长方法可以与现有技术区分开。然而，无需多言，本发明的生长方法适用于2英寸蓝宝石衬底。要注意的是，衬底的薄厚可相对于衬底的尺寸(或直径)而言。例如，可认为厚度为430μπι的2英寸蓝宝石衬底较厚，而认为厚度为430 μ m的4英寸蓝宝石衬底过薄而不能使用。因此，就3英寸、5英寸和6英寸衬底而言，薄厚是相对概念。应该注意，本发明的生长方法可进行改变以与衬底的薄厚相适应。 尽管通常采用圆形衬底，但是本发明的生长方法还适用于矩形和六边形衬底。(2) 一种用于生长III族氮化物半导体层的方法，所述方法可抑制衬底或晶片中心的热膨胀。本发明的生长方法提供了一种用于生长III族氮化物半导体层的方法，该方法考虑到衬底或晶片在低温很少弯曲的事实而使衬底或晶片中心的温度降低到低于衬底或晶片边缘的温度，并减小衬底或晶片中心的曲率半径，从而减小整个衬底或晶片的弯曲。 随着弯曲的减小，可以避免在生长期间衬底的破损，而且可以向衬底或晶片要与基座分离的边缘提供足够的热，因而缩小了发射波长的分布。就C面蓝宝石衬底而言，弯曲通常对称地发生。在本发明的生长方法中，可在至少一个方向(例如，基座的径向或与衬底的平坦区域垂直的方向)上抑制衬底或晶片的弯曲，并由此消除衬底或晶片的弯曲。进一步地，本发明的生长方法表明，即使在一个方向上消除了衬底或晶片的弯曲，也可以制造出具有窄范围发射波长分布的发光器件。尽管不能在根本上(primarily)限定出加热器4b和加热器 4a或加热器如之间的温差，但是至少10°C的温差将给4英寸蓝宝石衬底带来令人满意的效果。本文采用的术语“效果”指避免衬底或晶片在生长η型III族氮化物半导体层时的破损，也指在生长有源层时获得产品规格中要求的发射波长范围(例如，20nm)。(3) 一种用于生长III族氮化物半导体层的方法，所述方法采用具有窄范围发射波长分布的大面积衬底。使用本发明的生长方法，可通过相对地降低衬底或晶片中心的加热温度来减小衬底或晶片的弯曲，同时升高因弯曲而变得远离基座的衬底或晶片边缘的加热温度而制造具有窄范围发射波长分布的发光器件。
权利要求
1.一种用于在衬底上生长III族氮化物半导体层的方法，所述方法包括 在至少一个方向上抑制所述衬底的内凹弯曲的抑制步骤；和在所述衬底处于所述抑制步骤的同时生长III族氮化物半导体层以与衬底结合的生长步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述抑制步骤通过抑制所述衬底的中心的弯曲来进行。
3.如权利要求2所述的方法，其中，通过相对地降低所述衬底中心的加热温度来抑制所述衬底中心的弯曲。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述III族氮化物半导体层包含有源层，所述有源层通过电子和空穴的复合来发射光，而且所述生长步骤通过将所述衬底的边缘的加热温度升高到高于所述衬底中心的加热温度来控制发射波长的分布。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述抑制步骤通过设置在基座下的多个加热器来进行，所述基座上放置有所述衬底。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述多个加热器沿所述基座的径向顺次排列。
7.如权利要求1 6中任一项所述的方法，其中，所述衬底是蓝宝石衬底。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述衬底是大于2英寸的大面积C面蓝宝石衬底。
9.如权利要求7所述的方法，其中，所述蓝宝石衬底的厚度为500μ m以上。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述衬底是厚度为800μ m以下的薄蓝宝石衬底。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述蓝宝石衬底的厚度为约600μπι。
12.如权利要求9所述的方法，其中，所述衬底是4英寸蓝宝石衬底。
13.如权利要求4所述的方法，其中，所述发射波长的分布小于20nm。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述衬底是大于2英寸的大面积C面蓝宝石衬底。
15.如权利要求3所述的方法，其中，通过使所述衬底中心的加热温度相对地降低10°C 以上来抑制所述衬底中心的弯曲。
16.如权利要求4所述的方法，其中，所述生长步骤通过将所述衬底边缘的加热温度升高到比所述衬底中心的加热温度高10°C以上来控制所述发射波长的分布。
全文摘要
本发明涉及一种用于在衬底上生长III族氮化物半导体层的方法，所述方法包括在至少一个方向上抑制衬底下内凹弯曲的抑制步骤；和在衬底处于抑制步骤的同时生长III族氮化物半导体层，使得该III族氮化物半导体层可与该衬底结合的生长步骤。
文档编号H01L21/20GK102265382SQ200980148843
公开日2011年11月30日 申请日期2009年12月23日 优先权日2008年12月24日
发明者丁钟弼, 朴仲绪, 李镐相, 郑泰勋 申请人:艾比维利股份有限公司