制造第iii族氮化物半导体的方法和第iii族氮化物半导体的制作方法

制造第iii族氮化物半导体的方法和第iii族氮化物半导体的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于在凹凸衬底上生长第III族氮化物半导体晶体的方法以及第III族氮化物半导体。其中第一条纹的柱的第一处理侧表面形成为使得生长的第III族氮化物半导体的低指数面之中的最平行于第一处理侧表面的平面为m面(10-10)，并且通过将第一处理侧表面的法向矢量正交投影到主表面而得到的第一横向矢量与通过将m面的法向矢量正交投影到主表面而得到的m轴投影矢量之间的第一角度为从0.5°至6°。第二条纹的柱的第二处理侧表面形成为使得最平行于生长的第III族氮化物半导体的低指数面之中的第二处理侧表面的平面为a面（11-20)，并且第二横向矢量与a面的a轴投影矢量之间的第二角度为从0°至10°。
【专利说明】制造第Μ I族氮化物半导体的方法和第I I I族氮化物半导 体

【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于在凹凸衬底上生长第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】
[0002] 当在蓝宝石衬底上通过第III族氮化物半导体的晶体生长来制造第III族氮化 物半导体发光器件时，已经开发了一种用于在蓝宝石衬底的第III族氮化物半导体生长 表面上形成凹陷和凸起以提高光提取性能的技术（例如，日本公开特许公报（特开）第 2004-200523 号和第 2005-101566 号）。
[0003] 日本公开特许公报（特开）第2003-526907号公开了在蓝宝石衬底上以条纹的形 式形成凹陷和凸起，GaN在柱的顶表面上纵向生长，并且进一步横向生长，由此得到具有低 穿透位错密度的GaN半导体。
[0004] 然而，当通过这些方法在凹凸蓝宝石衬底上生长第III族氮化物半导体时，在沟 槽或柱的侧表面附近形成空隙，导致第III族氮化物半导体的结晶度和平整度劣化的问 题。
[0005] 因此，日本公开特许公报（特开）第2003-318441号公开了沟槽或柱的平面视角 的侧面与蓝宝石衬底的a平面相交。当沟槽或柱以这样的方式形成时，GaN在蓝宝石衬底 的柱的顶表面和沟槽的底表面上生长，并且GaN难于在沟槽或柱的侧表面上生长。随着生 长的进行，晶体融合在一起，由此得到了其中未形成空隙的具有优良的结晶度和高平整度 的GaN。另一方面，当沟槽或柱的平面视角的侧面平行于蓝宝石衬底的a平面时，生长在沟 槽或柱上的GaN的横向生长缓慢。因此，沟槽或柱的侧表面附近难以填充有GaN，并且GaN 的表面平整度劣化。
[0006] 日本公开特许公报（特开）第2011-77265号公开了在具有a面主表面或c面主 表面的衬底上的柱的所有侧表面为抑制第III族氮化物半导体的晶体生长的表面。还公开 了当柱为六棱柱体时，平面视角的六边形的每侧与m轴之间的角度为15°。
[0007] 当柱或沟槽形成为单向条纹图案时，沿着该条纹方向传播的光不能被散射，导致 外量子效率的提商不充分。日本公开特许公报（特开）第2012-114204号公开了第一条纹 结构沿第一轴方向形成，并且沿与第一轴方向相交的第二轴方向蚀刻第一条纹结构使得第 二条纹结构交迭在第一条纹结构上，由此提供了四个水平高度之差。因而，平行于第一条纹 结构传播的光被第二条纹结构散射，引起外量子效率的提高。
[0008] 然而，与日本公开特许公报（特开）第2012-114204号中一样，当第III族氮化物 半导体在具有以网格图案布置的柱或沟槽的表面上生长时，第III族氮化物半导体以复杂 的生长模式生长，原因是晶体取向在第一条纹结构的侧表面与第二条纹结构的侧表面之间 是不同的。因此，存在穿透位错局部分布的问题，导致内量子效率和产率的降低。


【发明内容】

[0009] 根据前文所述，本发明的目的为获得一种用于制造即使在凹凸衬底上也具有良好 晶体质量和均匀穿透位错密度的第ΠΙ族氮化物半导体的方法以及在具有如衬底的凹凸 结构一样的凹凸结构的同时具有良好晶体质量的半导体，在所述凹凸结构中通过沿第一轴 方向形成第一条纹结构并且沿与第一轴方向相交的第二方向蚀刻第一条纹结构来将第二 条纹结构交迭在第一条纹结构上。
[0010] 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包括柱和沟槽的凹凸结构，以及在柱的顶表面和沟槽的 底表面上沿第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
[0011] 形成凹凸结构包括在衬底的主表面上形成第一条纹结构和第二条纹结构，第一条 纹结构包括布置成从上方观察时为条纹图案并且平行于第一方向排列的多个第一凹槽，第 二条纹结构包括布置成从上方观察时为条纹图案并且平行于与第一方向相交的第二方向 排列的多个第二凹槽，使得在第一凹槽中通过第二凹槽的深度提供了水平高度之差并且在 第二凹槽中通过第一凹槽的深度提供了水平高度之差；
[0012] 作为第一条纹结构的柱或沟槽的侧表面的第一处理侧表面形成为满足以下条 件：
[0013] 生长的第III族氮化物半导体的低指数面之中的最平行于第一处理侧表面的面 为m面（10-10);并且
[0014] 当将通过将第一侧表面的法向矢量正交投影到衬底的主表面而得到的投影矢量 定义为第一横向矢量时，由第一横向矢量和通过将生长的第III族氮化物半导体的m面的 法向矢量正交投影到主表面而得到的m轴投影矢量所形成的第一角度为从0.5°至6° ;以 及
[0015] 作为第二条纹结构的柱或沟槽的侧表面的第二处理侧表面形成为满足以下条 件：
[0016] 生长的第III族氮化物半导体的低指数面之中的最平行于第二处理侧表面的面 为a面（11-20);并且
[0017] 当将通过将第二侧表面的法向矢量正交投影到主表面而得到的投影矢量定义为 第二横向矢量时，由第二横向矢量与通过将生长的第III族氮化物半导体的a面的法向矢 量正交投影到主表面而得到的a轴投影矢量所形成的第二角度为从0°至10°。
[0018] 将以上第一角度和第二角度定义为由两个矢量形成的角度中的较小的角度（在 90°或更小的范围内）。第一条纹结构和第二条纹结构可以以任意顺序形成。可以在形成 包括柱和第一凹槽的第一条纹结构之后，在第一条纹结构上形成包括柱和第二凹槽的第二 条纹结构。相反，可以在形成包括柱和第二凹槽的第二条纹结构之后，在第二条纹结构上形 成包括柱和第一凹槽的第一条纹结构。在两种顺序中，在第一凹槽中通过第二凹槽的深度 提供水平高度之差并且在第二凹槽中通过第一凹槽的深度提供水平高度之差。水平高度之 差是指在形成第一条纹结构和第二条纹结构时保留的部分与通过蚀刻去除的部分之间的 深度。衬底可以由具有晶体结构的材料形成，只要第ΠΙ族氮化物半导体沿第III族氮化 物半导体的c轴方向在柱的顶表面和沟槽的底表面上生长即可。例如，可以使用由蓝宝石、 SiC、Si和ZnO、第III族氮化物半导体（例如GaN)中的至少之一形成的衬底、A1N衬底或其 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（例如GaN)的外延层的模板 衬底。当使用模板衬底时，凹凸结构可以仅在外延层上形成或者从外延层延伸到衬底。通 过对衬底进行蚀刻形成第一条纹结构和第二条纹结构，两种结构均周期性布置并且具有柱 和沟槽。通过以沿如下方向的条纹图案对第一条纹结构或第二条纹结构进行蚀刻来形成第 二条纹结构或第一条纹结构，沿该方向突出物在主表面上彼此相交以形成第二凹槽或第一 凹槽。因此，凹凸结构具有三个或四个水平高度之差。因而，当第一条纹结构的第一凹槽与 第二条纹结构的第二凹槽具有相同的深度时，提供三个水平高度之差。当它们具有不同深 度时，提供四个水平高度之差。
[0019] 柱或沟槽的第一处理侧表面和第二处理侧表面（在下文中，当无需区分第一处理 侧表面和第二处理侧表面时，其简单地称作处理侧表面）可以垂直于衬底的主表面，但是 可以存在通过蚀刻引起的倾斜或有意引入的倾斜。此外，每个处理侧表面均可以包括通过 沿纵向方向布置多个平面而形成的弯曲平面，上述多个平面中的各个平面具有不同的法向 矢量。侧表面可以包括纵向横截面为圆弧形状、椭圆形状、抛物线形状或其他曲线形状的弯 曲表面。可以认作一个平面的处理侧表面不一定是沿着平行于衬底的主表面的方向的直 线。一个平面型处理侧表面可以是曲线或折线。
[0020] 在本发明中，考虑到柱的处理侧表面不垂直于主表面的情况，将通过使第一处理 侧表面和第二处理侧表面的法向矢量正交投影到主表面而得到的投影矢量分别定义为第 一横向矢量和第二横向矢量。即，处理侧表面的与垂直于主表面的表面的倾斜角不包括在 本发明所公开的角度中。沿垂直于主表面的方向生长在柱的顶表面和沟槽的底表面上的第 III族氮化物半导体的C轴基本垂直于主表面，但是可以略微倾斜。与作为平台的m面倾 斜的m面（10-10)或面（10-lx) (X为整数）和与作为台阶的a面倾斜的a面（11-20)或面 (ll-2y) (y为整数）沿着第一方向形成在平行于生长的第III族氮化物半导体的第一处理 侧表面的侧表面上。当第二处理的侧表面不平行于生长的第III族氮化物半导体的a面时 (第二角度不为〇° )，a面平台和m面台阶形成在平行于生长的第III族氮化物半导体的 第二处理的侧表面的侧表面上。第III族氮化物半导体的m面（10-10)与a面（11-20)之 间的角度为90°或30° (150° )。第III族氮化物半导体的生长沿m轴方向慢并且沿a 轴方向快。当一个平面型处理的侧表面不是单个平面时，将一个处理的侧表面上的法向矢 量定义为法向矢量的平均值。就是说，将法向矢量曲面积分（surface integral)的平均值 定义为一个侧表面的法向矢量。
[0021] 本发明的第一特征为将处理的侧表面的取向确定为使得通过将第一处理的侧表 面的法向矢量正交投影到主表面而得到的第一横向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到主表面而得到的m轴投影矢量之间的角度落入0. 5° 至6°的范围内。此外，本发明的第二特征为将处理的侧表面的取向确定为使得通过将第二 处理的侧表面的法向矢量正交投影到主表面而得到的第二横向矢量与通过将生长的第III 族氮化物半导体的a面的法向矢量正交投影到主表面而得到的a轴投影矢量之间的角度落 入0°至10°的范围内。
[0022] 当沿垂直于衬底的主表面的c轴方向在柱的顶表面和沟槽的底表面上生长的第 ΠΙ族氮化物半导体的侧表面为m面时，第III族氮化物半导体小面生长（facet grow)以 具有三角形横截面。通过小面生长穿透位错被横向弯曲，并且穿透位错密度在生长的半导 体层的上表面上减小。然而，除非第III族氮化物半导体也沿平行于主表面的方向生长，否 则小面之间的空间不能被第III族氮化物半导体填充。
[0023] 在本发明中，生长的第III族氮化物半导体的垂直于第一处理侧表面的第一横向 矢量（也垂直于主表面）的平面绕垂直于衬底的轴从第III族氮化物半导体的m面在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（垂 直于主表面）为绕c轴从m面在0.5°至6°的范围内旋转的平面，S卩，以0.5°至6°的角 度与m面相交的平面。在此，该范围在顺时针和逆时针的两个方向上均满足。因此，通过将 生长的第III族氮化物半导体的a面的法向矢量（a面垂直于m面且平行于c面）正交投 影到主表面而得到的a轴投影矢量具有沿第一横向矢量的方向的分量。因此，第III族氮 化物半导体沿平行于主表面并且垂直于第一处理侧表面的方向生长。因而，除沿 c轴方向 的纵向生长之外还实现了平行于主表面的横向生长，由此在没有改变纵向生长条件的情况 下填充了由于形成凹凸结构而引起的水平高度之差。
[0024] 对于第二处理的侧表面，第二横向矢量与通过将生长的第III族氮化物半导体的 a面的法向矢量正交投影到主表面而得到的a轴投影矢量之间的第二角度为从0°至10°。 如果c轴完全垂直于主表面，则第III族氮化物半导体的垂直于第二横向矢量（垂直于主 表面）的侧表面为绕c轴从a面在0°至10°的范围内旋转的平面，S卩，以0°至10°的角 度与a面相交的平面。在此，该范围在顺时针和逆时针的方向上均满足。因此，通过将生长 的第III族氮化物半导体的a面（a面垂直于m面且平行于c面）的法向矢量正交投影到主 表面而得到的a轴投影矢量具有沿第二横向矢量的方向的较大分量。因此，第III族氮化 物半导体沿平行于主表面且垂直于第二处理的侧表面的方向生长。因而，除沿c轴方向的 纵向生长之外实现了平行于主表面的横向生长，由此在没有改变纵向生长条件的情况下填 充了由于形成第一条纹结构和第二条纹结构彼此相交的凹凸结构而引起的水平高度之差。
[0025] 在0.5°至6°范围内的第一角度θ 1和在〇°至1〇°范围内的第二角度Θ 2在 顺时针和逆时针的两个方向上均满足。因而，所述角度定义为绝对值。因此，在包括旋转 方向标志的情况下，-10°至10°的第二角度范围可以对应于-6°至-0.5°的第一角度 范围。-10°至10°的第二角度范围可以对应于0.5°至6°的第一角度范围。因而，对于 彼此相交的m面和a面，第一横向矢量与第二横向矢量之间的角度（较小角）落入74°至 90°的范围内。m面与a面之间的角度可以为30° (150° )。在这种情况下，第一横向矢 量与第二横向矢量之间的角度（较小角）落入14°至46°的范围内。
[0026] 通过这样的生长方法，抑制了穿透位错在沟槽与柱之间的边界附近高密度地分 布，并且穿透位错密度可以在生长的半导体层的最上表面上是均匀的。本发明基于以上想 法。
[0027] 在以上发明中，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 主表面为六方晶体的c面，并且第一处理侧表面的第一横向矢量与通过将六方晶体的a面 (11-20)的法向矢量正交投影到主表面而得到的a轴投影矢量之间的角度可以为从0. 5° 至6°。此外，第二处理侧表面的第二横向矢量与通过将六方晶体的m面（10-10)的法向矢 量正交投影到主表面而得到的m轴投影矢量之间的角度可以为从0°至10°。
[0028] 在这种情况下，衬底中的六方晶体的a面和m面分别平行于生长的第III族氮化 物半导体的m面和a面。因此，第一处理侧表面的第一横向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到主表面而得到的m轴投影矢量之间的角度可以 为从0.5°至6°。第二处理侧表面的第二横向矢量与通过将生长的第III族氮化物半导 体的a面的法向矢量正交投影到主表面而得到的a轴投影矢量之间的角度可以为从0°至 10。。
[0029] 就是说，第III族氮化物半导体的垂直于第一处理侧表面的第一横向矢量的平面 为绕c轴从第III族氮化物半导体的m面旋转0.5°至6°范围内的平面。第III族氮化 物半导体的垂直于第二处理侧表面的第二横向矢量的平面为绕c轴从第III族氮化物半导 体的a面旋转0°至10°范围内的平面。在此，该范围在顺时针和逆时针的方向上均满足。 对于具有与第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衬底建立衬底 的晶体取向与生长的第III族氮化物半导体的晶体取向的这样的关系。这样的六方晶体结 构衬底的代表性实例为蓝宝石衬底。SiC衬底和ZnO衬底具有六方晶体结构。然而，衬底的 晶体取向与生长的第ΠΙ族氮化物半导体的晶体取向一致，这与当在第III族氮化物半导 体衬底上生长第III族氮化物半导体时相同。
[0030] 衬底的主表面可以为六方晶体的a面。所述第一横向矢量与通过将所述衬底的六 方晶体的c面（0001)的法向矢量正交投影到所述主表面而得到的c轴投影矢量之间的第 一角度为从0.5°至6°。所述第二横向矢量与通过将所述衬底的六方晶体的m面（10-10) 的法向矢量正交投影到所述主表面而得到的m轴投影矢量之间的第二角度为从0°至 10。。
[0031] 在这种情况下，衬底的六方晶体的m面平行于第III族氮化物半导体的a面，衬底 的六方晶体的c面平行于第III族氮化物半导体的m面。因此，第一处理侧表面的第一横 向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到主表面而得到 的m轴投影矢量之间的角度可以为从0.5°至6°。第二处理侧表面的第二横向矢量与通 过将生长的第III族氮化物半导体的a面的法向矢量正交投影到主表面而得到的a轴投影 矢量之间的角度可以为从0°至10°。
[0032] 就是说，第III族氮化物半导体的垂直于第一处理侧表面的第一横向矢量的平面 可以为绕半导体的c轴从第III族氮化物半导体的m面旋转0.5°至6°范围内的平面。第 III族氮化物半导体的垂直于第二横向矢量的平面可以为绕半导体的c轴从第III族氮化 物半导体的a面旋转0°至10°范围内的平面。在此，m面和a面的旋转方向分别包括正 向和逆向（顺时针和逆时针）的两者。对于具有与第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衬底建立衬底的晶体取向与生长的第III族氮化物半导体的晶体 取向的这样的关系。这样的六方晶体衬底的代表性实例为蓝宝石衬底。SiC衬底和ZnO衬 底也满足该关系。
[0033] 可以使用如下衬底，其中至少衬底主表面待形成凹凸的一部分包含第III族氮化 物半导体或碳化硅（SiC)。即，在第III族氮化物半导体衬底或碳化硅衬底的表面上形成 有凹凸结构的情况和在模板衬底的第III族到氮化物半导体层上形成有凹凸结构的情况 如下。当衬底的主表面为第III族氮化物半导体或碳化硅（SiC)的c面时，第III族氮化 硅半导体沿c轴方向在柱的顶表面和沟槽的底表面上生长。衬底的第III族氮化物半导体 或碳化硅（SiC)的m面和a面分别与生长的第III族氮化物半导体的m面和a面平行（一 致）。因此，第一处理侧表面的第一横向矢量与通过将衬底的第III族氮化物半导体或碳化 硅的m面的法向矢量正交投影到主表面而得到的m轴投影矢量之间的角度可以为从0. 5° 至6°。第二处理侧表面的第二横向矢量与通过将衬底的第III族氮化物半导体或碳化硅 的a面的法向矢量正交投影到主表面而得到的a轴投影矢量之间的角度可以为从0°至 10。。
[0034] 当使用由六方晶体Si形成的衬底时，衬底的主表面可以为硅（Si)的（111)面。 在这种情况下，硅（Si)的（111)面平行于第III族氮化物半导体的C面（0001)。第一横 向矢量与通过将衬底的硅（Si) (-1-12)面的法向矢量正交投影到主表面而得到的硅（Si) [-1-12]轴投影矢量之间的第一角度为从0.5°至6°。第二横向矢量与通过将衬底的硅 (Si) (1-10)面的法向矢量正交投影到主表面而得到的硅（Si) [1-10]轴投影矢量之间的第 一角度为从〇°至10°。在这种情况下，Si的（-1-12)面平行于生长的第III族氮化硅半 导体的m面（10-10)。Si的（1-10)面平行于生长的第III族氮化物半导体的a面（11-20)。 因此，利用在第III族氮化物半导体的沿m轴方向与沿a轴方向之间的晶体生长速率上的 差，可以得到具有低穿透位错密度的平坦晶体。
[0035] 在以上发明中，第一角度除了落入除0.5°至6°的范围，还落入Γ至5°的范 围，更优选地落入Γ至2. 5°的范围。第二角度落入0°至10°的范围。第二角度为0° 是最优选的，原因是当第二角度为0°时横向生长速率最大。当第二角度Θ 2大于10°时， 艮P，第二条纹结构的方向从生长的第III族氮化物半导体的m轴旋转10°或更大，横向生 长速率减小，这不是优选的。此外，在以上发明中，优选地在凹凸衬底上形成有缓冲层，并 且此后，生长第III族氮化物半导体。缓冲层优选地通过溅射方法形成。缓冲层可以通过 MBE(分子束外延）或PLD(脉冲激光沉积或激光烧蚀）形成。根据以上发明的第III族氮 化物半导体可以应用于发光器件。穿透位错均匀地分布在生长的半导体层的顶表面，由此 实现了发光器件的均匀特性，并且提高了产品的产率。如在本文中所使用的，"第III族氮 化物半导体"包括：由式Al xGayInzN(x+y+z = 1，0 < x，y，z < 1)表示的半导体；在该半导 体中Al、Ga或In中的一部分被其他的第13(3B)族元素（S卩，B或T1)取代或者N的一部 分被其他第15(5B)族元素（即，P、As、Sb或Bi)取代的半导体。第III族氮化物半导体的 具体实例包括至少包含Ga的那些半导体（例如GaN、InGaN、AlGaN和AlGalnN)。通常，Si 用作η型杂质，并且Mg用作p型杂质。
[0036] 根据第一方面，当第III族氮化物半导体沿c方向在形成有柱的衬底的柱的顶表 面和沟槽的底表面上纵向生长时，生长的第III族氮化物半导体的a面的法向矢量具有垂 直于第一处理侧表面且平行于主表面的分量。因为晶体生长沿a轴方向比沿m轴方向更快， 所以第III族氮化物半导体还沿着平行于衬底的主表面的方向生长。生长的第III族氮化 物半导体的a面的法向矢量具有沿垂直于第二处理侧表面的方向较大的分量。在第III族 氮化物半导体的初始生长阶段，包括倾斜的m面的三角面的生长更快。因此，以沿平行于第 一条纹结构的第一方向的条纹图案形成第III族氮化物半导体的小面。因此，第III族氮 化物半导体横向生长并且在纵向生长的条件下沿垂直于主表面的方向小面生长，由此填充 面之间的空间。因为第二条纹结构的第二处理侧表面平行于或接近于第III族氮化物半导 体的a面，所以第III族氮化物半导体的生长沿垂直于第二处理侧表面的方向更快。因而， 因为穿透位错通过小面生长横向弯曲，所以穿透位错密度可以在生长的半导体的上表面上 减小，并且因为除纵向生长之外沿a轴方向实现了横向生长，所以小面生长所导致的水平 高度之差可以得到有效填充。因此，即使当在衬底上形成有具有以从上方观察时为网格图 案布置的第一条纹结构和第二条纹结构的凹凸结构以提高外量子效率时，穿透位错也没有 在柱或沟槽之间的边界附近、特别地在第一条纹结构和第二条纹结构之间的交叉处高密度 地分布，由此得到了半导体的平坦表面以及其上的均匀穿透位错密度。

【专利附图】

【附图说明】
[0037] 由于在结合附图进行考虑的情况下，参考优选的实施方案的以下详细描述，本发 明的各种其他目的、特征以及许多附带优点将变得更好理解，所以可容易地认识到本发明 的各种其他目的、特征以及许多附带优点，在附图中：
[0038] 图1为不出实施方案1中用于通过在具有c面主表面的蓝宝石衬底的主表面上形 成其条纹方向依次且连续改变的柱和沟槽来生长GaN的方法中的处理侧表面与条纹方向 之间的关系的图解图；
[0039] 图2为示出实施方案2中用于通过在具有a面主表面的蓝宝石衬底上形成其条纹 方向依次且连续改变的柱和沟槽来生长GaN的方法中的处理侧表面与条纹方向之间的关 系的图解图；
[0040] 图3A为示出实施方案1中的条纹方向与样品之间的关系的图解图；
[0041] 图3B为示出实施方案2中的条纹方向与样品之间的关系的图解图；
[0042] 图4示出通过根据实施方案1和实施方案2的制造方法的GaN生长的初始阶段时 的横截面的SEM图像；
[0043] 图5示出当通过根据实施方案1和实施方案2的制造方法形成GaN的厚膜时的横 截面的SEM图像；
[0044] 图6为示出通过根据实施方案1的制造方法的生长机理的图解图；
[0045] 图7A和图7B分别示出通过根据实施方案1的制造方法生长的GaN的表面的SEM 图像和不意图；
[0046] 图8为示出通过根据实施方案1的制造方法生长的GaN的暗点密度与柱的条纹方 向之间的关系的图；
[0047] 图9A示出通过根据实施方案1的制造方法生长的GaN的表面的CL图像；
[0048] 图9B示出通过根据实施方案1的制造方法生长的GaN的表面的CL图像和AFM图 像；
[0049] 图9C示出通过根据实施方案1的制造方法生长的GaN的表面的SEM图像；
[0050] 图10A和图10B为示出通过将处理侧表面的法向矢量正交投影到衬底的主表面而 得到的横向矢量与通过将蓝宝石a面的法向矢量正交投影到衬底的主表面而得到的投影 矢量之间的关系的图解图；
[0051] 图11为示出根据实施方案1的发光器件的结构的横截面图；
[0052] 图12A为示出根据实施方案1的第III族氮化物半导体发光器件的蓝宝石衬底上 的凹凸结构的透视图；
[0053] 图12B为示出根据实施方案1的第III族氮化物半导体发光器件的蓝宝石衬底上 的凹凸结构的平面图；
[0054] 图13A和图13B为示出在蓝宝石衬底上形成凹凸结构的工艺的示意图；
[0055] 图14A和图14B为示出用于制造根据实施方案1的第III族氮化物半导体发光器 件的工艺的示意图；
[0056] 图15示出通过根据实施方案1的制造方法生长的GaN的表面的SEM图像；
[0057] 图16示出根据对比例的制造方法生长的GaN的表面的SEM图像；
[0058] 图17示出根据实施方案1的制造方法生长的GaN的表面的CL图像；
[0059] 图18示出根据对比例的制造方法生长的GaN的表面的CL图像；
[0060] 图19示出根据对比例的制造方法生长的GaN的表面的SEM图像；
[0061] 图20为示出根据实施方案2的第一条纹结构与第二条纹结构之间的晶体取向的 关系的图解图；
[0062] 图21为示出根据实施方案3的第一条纹结构与第二条纹结构之间的晶体取向的 关系的图解图；
[0063] 图22为示出根据实施方案4的第一条纹结构与第二条纹结构之间的晶体取向的 关系的图解图；
[0064] 图23为示出根据实施方案5的第一条纹结构与第二条纹结构之间的晶体取向的 关系的图解图。

【具体实施方式】
[0065] 接下来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。
[0066] 实施方案1
[0067] 首先，将描述条纹结构的晶体取向与生长的GaN的晶体质量之间的关系。
[0068] GaN晶体生长在具有500 μ m的厚度和c面主表面的蓝宝石衬底上，在c面主表面 上以不同晶体取向形成有处理侧表面。如图1所示，在蓝宝石衬底的主表面上以条纹图案 径向地形成有柱2和沟槽3。柱2和沟槽3通过借助干法蚀刻形成沟槽3来形成。相邻的 柱2的间隔角度为0. 0Γ。各个沟槽3具有0. 7 μ m的深度。各个沟槽3具有2. 0 μ m的宽 度，并且各个柱2具有2. 0 μ m的宽度。在将处理衬底放置在M0CVD生长设备中并且用氢气 清洗之后，形成A1N低温缓冲层。此后，在纵向生长的条件下生长GaN。
[0069] 在图1中，当柱2的条纹沿与定义为0°的蓝宝石衬底基线成15°的方向形成时， 柱2的侧表面4为蓝宝石的a面，并且条纹方向为蓝宝石的m轴。柱2的侧表面4未精确 地垂直于衬底的主表面，并且因而侧表面4不完全是a面。然而，通过将侧表面4的法向矢 量正交投影到衬底的主表面而定义的横向矢量为蓝宝石a面的法向矢量。本发明的特征为 该横向矢量的取向。侧表面4倾斜于垂直衬底的主表面的表面无关紧要。因此，为了方便 说明，在下文中认为侧表面4垂直于衬底的主表面。
[0070] 此时，生长的GaN的侧表面，S卩，垂直于蓝宝石衬底上的柱2的侧表面4的横向矢 量的表面，为GaN的m面。此外，当柱2的条纹沿45°的方向形成时，柱2的侧表面4为蓝 宝石的m面，并且条纹方向为蓝宝石的a轴。此时，生长的GaN的侧表面，S卩，垂直于蓝宝石 衬底上的柱2的横向矢量的表面为GaN的a面。当柱2的条纹沿30°的方向形成时，柱2 的侧表面4为蓝宝石的a面与m面之间的中间表面，并且条纹方向为蓝宝石的m轴与a轴 之间的中间方向。垂直于柱2的横向矢量的表面为GaN的m面与a面之间的中间表面。
[0071] 如图3A所示，在No. 1的情况下，柱条纹方向为沿与蓝宝石衬底的基线成45°的方 向；在No. 2的情况下，柱条纹方向为沿与蓝宝石衬底的基线成30°的方向；在No. 3的情况 下，柱条纹方向为沿与蓝宝石衬底的基线成15°的方向。图4示出对于No. l、No. 2和No. 3 的情况在GaN生长的初始阶段当GaN生长到

【权利要求】
1. 一种用于制造第III族氮化物半导体的方法，包括：在衬底的主表面上形成包括柱 和沟槽的凹凸结构，以及在所述柱的顶表面和所述沟槽的底表面上沿所述第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 形成所述凹凸结构包括在所述衬底的所述主表面上形成第一条纹结构和第二条纹结 构，所述第一条纹结构包括布置成从上方观察时为条纹图案并且平行于第一方向排列的多 个第一凹槽，所述第二条纹结构包括布置成从上方观察时为条纹图案并且平行于与所述第 一方向相交的第二方向排列的多个第二凹槽，使得在所述第一凹槽中通过所述第二凹槽的 深度提供了水平高度之差并且在所述第二凹槽中通过所述第一凹槽的深度提供了水平高 度之差； 作为所述第一条纹结构的所述柱或所述沟槽的侧表面的第一处理侧表面形成为满足 以下条件： 所生长的第III族氮化物半导体的低指数面之中的最平行于所述第一处理侧表面的 面为m面（10-10);并且 当将通过将所述第一处理侧表面的法向矢量正交投影到所述衬底的所述主表面而得 到的投影矢量定义为第一横向矢量时，所述第一横向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到所述主表面而得到的m轴投影矢量之间的第一 角度为从0.5°至6° ;以及 作为所述第二条纹结构的所述柱或所述沟槽的侧表面的第二处理侧表面形成为满足 以下条件： 所生长的第III族氮化物半导体的低指数面之中的最平行于所述第二处理侧表面的 面为a面（11-20);并且 当将通过将所述第二处理侧表面的法向矢量正交投影到所述主表面而得到的投影矢 量定义为第二横向矢量时，由所述第二横向矢量和通过将所生长的第III族氮化物半导体 的所述a面的法向矢量正交投影到所述主表面而得到的a轴投影矢量所形成的第二角度为 从0°至10°。
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 所述衬底具有六方晶体结构，所述衬底的主表面为六方晶体的c面（0001); 所述第一横向矢量与通过将所述衬底的六方晶体的a面（11-20)的法向矢量正交投影 到所述主表面而得到的a轴投影矢量之间的第一角度为从0.5°至6° ;并且 所述第二横向矢量与通过将所述衬底的六方晶体的m面（10-10)的法向矢量正交投影 到所述主表面而得到的m轴投影矢量之间的第二角度为从0°至10°。
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 所述衬底具有六方晶体结构，所述衬底的主表面为六方晶体的a面（11-20); 所述第一横向矢量与通过将所述衬底的六方晶体的c面（0001)的法向矢量正交投影 到所述主表面而得到的c轴投影矢量之间的第一角度为从0.5°至6° ;并且 所述第二横向矢量与通过将所述衬底的六方晶体的m面（10-10)的法向矢量正交投影 到所述主表面而得到的m轴投影矢量之间的第二角度为从0°至10°。
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 所述衬底的所述主表面的至少其上形成有所述凹凸结构的部分包含第III族氮化物 半导体； 所述衬底的所述主表面为所述衬底的所述第III族氮化物半导体的C面（0001); 所述第一横向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（10-10)的 法向矢量正交投影到所述主表面而得到的m轴投影矢量之间的第一角度为从0.5°至6° ; 并且 所述第二横向矢量与通过将所述衬底的所述第III族氮化物半导体的a面（11-20)的 法向矢量正交投影到所述主表面而得到的a轴投影矢量之间的第二角度为从0°至10°。
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，其中所述衬底为蓝 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，其中所述衬底为蓝 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 所述衬底的所述主表面的至少其上形成有所述凹凸结构的部分包含碳化硅（SiC); 所述衬底的所述主表面为所述碳化硅（SiC)的c面（0001); 所述第一横向矢量与通过将所述衬底的所述碳化硅（SiC)的m面（10-10)的法向矢量 正交投影到所述主表面而得到的m轴投影矢量之间的第一角度为从0.5°至6° ;并且 所述第二横向矢量与通过将所述衬底的所述碳化硅（SiC)的a面（11-20)的法向矢量 正交投影到所述主表面而得到的a轴投影矢量之间的第二角度为从0°至10°。
8. 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 所述衬底的所述主表面上的至少其上形成有所述凹凸结构的部分包含硅（Si); 所述衬底的所述主表面为所述衬底的硅（Si)的面（111); 所述第一横向矢量与通过将所述衬底的硅（Si)的（-1-12)面的法向矢量正交投影到 所述主表面而得到的Si [-1-12]轴投影矢量之间的第一角度为从0.5°至6° ;并且 所述第二横向矢量与通过将所述衬底的硅（Si)的（1-10)面的法向矢量正交投影到所 述主表面而得到的Si [1-10]轴投影矢量之间的第二角度为从0°至10°。
9. 根据权利要求1至8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 所述第一角度为从Γ至2.5°。
10. 根据权利要求1至8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 所述第一凹槽与所述第二凹槽具有不同的深度。
11. 一种第III族氮化物半导体，所述第III族氮化物半导体具有带有凹凸结构的衬 底，所述凹凸结构包括形成在所述衬底的主表面上的柱和沟槽，并且所述第III族氮化物 半导体沿所述第ΠΙ族氮化物半导体的c轴方向生长在所述柱的所述顶表面和所述沟槽的 所述底表面上，其中 所述凹凸结构包括形成在所述衬底的所述主表面上的第一条纹结构和第二条纹结构， 所述第一条纹结构包括布置成从上方观察时为条纹图案并且平行于第一方向排列的多个 第一凹槽，所述第二条纹结构包括布置成从上方观察时为条纹图案并且平行于与所述第一 方向相交的第二方向排列的多个第二凹槽，使得在所述第一凹槽中通过所述第二凹槽的深 度提供水平高度之差，并且在所述第二凹槽中，通过所述第一凹槽的深度提供水平高度之 差； 作为所述第一条纹结构的所述柱或所述沟槽的侧表面的第一处理侧表面具有满足以 下条件的晶体取向： 所生长的第III族氮化物半导体的低指数面之中的最平行于所述第一处理侧表面的 面为m面（10-10);并且 当将通过将所述第一处理侧表面的法向矢量正交投影到所述衬底的所述主表面而得 到的投影矢量定义为第一横向矢量时，由所述第一横向矢量和通过将所生长的第III族氮 化物半导体的所述m面的法向矢量正交投影到所述主表面而得到的m轴投影矢量所形成的 第一角度为从0.5°至6° ;以及 作为所述第二条纹结构的所述柱或所述沟槽的侧表面的第二处理侧表面具有满足以 下条件的晶体取向： 所生长的第III族氮化物半导体的低指数面之中的最平行于所述第二处理侧表面的 面为a面（11-20);并且 当将通过将所述第二处理侧表面的法向矢量正交投影到所述主表面而得到的投影矢 量定义为第二横向矢量时，由所述第二横向矢量和通过将所生长的第III族氮化物半导体 的所述a面的法向矢量正交投影到所述主表面而得到的a轴投影矢量所形成的第二角度为 从0°至10°。
12. 根据权利要求11所述的第III族氮化物半导体，其中 所述衬底具有六方晶体结构，所述衬底的主表面为六方晶体的c面（0001); 所述第一横向矢量与通过将所述衬底的六方晶体的a面（11-20)的法向矢量正交投影 到所述主表面而得到的a轴投影矢量之间的第一角度为从0.5°至6° ;并且 所述第二横向矢量与通过将所述衬底的六方晶体的m面（10-10)的法向矢量正交投影 到所述主表面而得到的m轴投影矢量之间的第二角度为从0°至10°。
13. 根据权利要求11所述的第III族氮化物半导体，其中 所述衬底具有六方晶体结构，所述衬底的主表面为六方晶体的a面（11-20); 所述第一横向矢量与通过将所述衬底的六方晶体的c面（0001)的法向矢量正交投影 到所述主表面而得到的c轴投影矢量之间的第一角度为从0.5°至6° ;并且 所述第二横向矢量与通过将所述衬底的六方晶体的m面（10-10)的法向矢量正交投影 到所述主表面而得到的m轴投影矢量之间的第二角度为从0°至10°。
14. 根据权利要求11所述的第III族氮化物半导体，其中 所述衬底的所述主表面的至少其上形成有所述凹凸结构的部分包含第III族氮化物 半导体； 所述衬底的所述主表面为所述衬底的所述第III族氮化物半导体的C面（0001); 所述第一横向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（10-10)的 法向矢量正交投影到所述主表面而得到的m轴投影矢量之间的第一角度为从0.5°至6° ; 并且 所述第二横向矢量与通过将所述衬底的所述第III族氮化物半导体的a面（11-20)的 法向矢量正交投影到所述主表面而得到的a轴投影矢量之间的第二角度为从0°至10°。
15. 根据权利要求12所述的第III族氮化物半导体，其中所述衬底为蓝宝石衬底。
16. 根据权利要求13所述的第III族氮化物半导体，其中所述衬底为蓝宝石衬底。
17. 根据权利要求11所述的第III族氮化物半导体，其中 所述衬底的所述主表面的至少其上形成有所述凹凸结构的部分包含碳化硅（SiC); 所述衬底的所述主表面为所述衬底的碳化硅（SiC)的C面（0001); 所述第一横向矢量与通过将所述衬底的碳化硅（SiC)的m面（10-10)的法向矢量正交 投影到所述主表面而得到的m轴投影矢量之间的第一角度为从0.5°至6° ;并且 所述第二横向矢量与通过将所述衬底的碳化硅（SiC)的a面（11-20)的法向矢量正交 投影到所述主表面而得到的a轴投影矢量之间的第二角度为从0°至10°。
18. 根据权利要求11所述的第III族氮化物半导体，其中 所述衬底的所述主表面的至少形成有所述凹凸结构的部分包含硅（Si); 所述衬底的所述主表面为所述衬底的硅（Si)的面（111); 所述第一横向矢量与通过将所述衬底的硅（Si)的（-1-12)面的法向矢量正交投影到 所述主表面而得到的Si [-1-12]轴投影矢量之间的第一角度为从0.5°至6° ;并且 所述第二横向矢量与通过将所述衬底的硅（Si)的（1-10)面的法向矢量正交投影到所 述主表面而得到的Si [1-10]轴投影矢量之间的第二角度为从0°至10°。
19. 根据权利要求11至18中任一项所述的第III族氮化物半导体，其中所述第一角度 为从Γ至2.5°。
20. 根据权利要求11至18中任一项所述的第III族氮化物半导体，其中所述第一凹槽 与所述第二凹槽具有不同的深度。
21. -种具有根据权利要求11至18中任一项所述的第III族氮化物半导体的发光器 件。
【文档编号】H01L33/00GK104218131SQ201410238906
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2013年5月31日
【发明者】奥野浩司, 小盐高英, 柴田直树, 天野浩 申请人:丰田合成株式会社