专利名称：GaN衬底以及采用该衬底的器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及GaN衬底以及采用GaN衬底的外延衬底和半导体发光器件。
背景技术：
在晶态的GaN衬底的生长中，通常采用c_面。由于c_面是极性面，它产生压电场，这已成为采用GaN衬底的发光器件的发射效率降低的一个原因。特别在采用含铟的发射层的器件中，为了实现绿色区域中的发光，因此在该层和GaN之间放大的的晶格失配进一步降低器件发射效率。(参考A. E. Romanov等人的“Mrain-Induced Polarization in Wurtzite Ill-Nitride S emipolar Layers, " Journal of Applied Physics,vol. 100, article023522,2006 ；Mathew C. Schmidt ^AW Demonstration of Nonpolar m-Plane InGaN/GaN Laser Diodes, " Japanese Journal of Applied Physics, Vol.46, No. 9, 2007, pp. L190-L191 ； 1 Kuniyoshi Okamoto ^AW Continuous-ffave Operation of m-Plane InGaN Multiple Quantum Well Laser Diodes," Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 46，No. 9，2007，pp. L187-L189.)
发明内容
本发明人根据最新披露的技术中得到的研究成就，特别有效地提高应用于绿色区域的半导体发光器件的发射效率。为了解决上面的问题，本发明的目的是制造可用的GaN衬底以及利用该衬底的外延衬底和半导体发光器件，以使得设计能够提高发射效率的半导体发光器件。在本发明所涉及的GaN衬底中，生长面根据m_面或a_面离轴定向。在该GaN衬底中，该生长面是m-面或a-面，两者之任一都被偏离定向 (misorient).由于m_面和a_面是非极性面，利用GaN衬底制造半导体发光器件，避免压电场的影响，使之可以实现高发射效率。然后本发明人最新发现根据m-面或a-面提供离轴角，可以实现高质量晶体结构。这些优点的结果是利用GaN衬底制造半导体发光器件能够进一步提高发射效率。在一个方面中，离轴角可以在1.0度以内。该实施方式允许实现更高质量的晶体结构，能够进一步提高半导体发光器件的发射效率。在另一方面中，离轴角在0.03至0.5度的范围内。该实施方式使得能够实现更高的发射效率。在另一方面中，偏离定向轴可以在<0001〉方向上倾斜。在再一方面中，该生长面是相对于m-面离轴定向的平面，其中偏离定向轴可以在 <11-20>方向上倾斜。在另一方面中，该生长面是相对于a-面离轴定向的平面，其中该偏离定向轴可以在<1-100>方向上倾斜。本发明所涉及的外延衬底，在生长面上淀积外延层，该生长面是相对于m-面或 a_面离轴定向的GaN衬底面。在该外延衬底中，在GaN衬底上淀积InGaN层，其中生长面是m_面或a_面，两者之任一均被偏离定向。由于m-面和a-面是非极性面，利用该外延衬底制造半导体发光器件，避免压电场的影响，使之可以实现高发射效率。然后本发明人最新发现，相对于m-面或 a-面提供离轴角，可以实现高质量晶体结构。这些优点的结果是利用外延衬底制造半导体发光器件，能够进一步提高发射效率。本发明涉及的半导体发光器件，在生长面上形成包含hGaN的发射层，该生长面是相对于m-面或a-面离轴定向的GaN衬底面。在该半导体发光器件中，在GaN衬底上淀积发射层，其中该生长面是m-面或 a_面，两者之任一均被偏离定向。由于m-面和a_面是非极性面，利用该半导体发光器件， 避免压电场的影响，且因此实现高发射效率。然后本发明人最新发现，根据m-面或a-面提供离轴角，可以实现高质量晶体结构。这些优点的结果是半导体发光器件进一步提高发射效率。本发明制造可用的GaN衬底以及利用该衬底的外延衬底和半导体发光器件，能够设计提高发射效率的半导体发光器件。从结合附图的以下详细描述，所属领域的技术人员将容易明白本发明根据上述及其他目的、特点、方面和优点。
图1是表示实施本发明中所采用的汽相淀积反应器的结构轮廓图；图2是描绘使用图1的汽相淀积反应器制备的GaN锭块的视图；图3是说明GaN中的晶面取向的示意图；图4和5是表示本发明的实施例所涉及的GaN衬底的倾斜视图；图6是表示本发明的实施例所涉及的外延衬底的斜视图；图7是表示本发明的实施例所涉及的半导体发光器件的层状结构的视图；以及图8A-8C示出了本发明实施例所涉及的表面形态的显微照片。
具体实施例方式下面，参考附图，将详细说明实施本发明的最佳模式。应当理解，相同或等同的元件用相同的参考标记来标注，如果该描述是多余的，那么描述被省略。下面将说明用于制备本发明所涉及的制造半导体发光器件中利用的GaN衬底的过程。该GaN衬底通过图1所示的HVPE反应器制备。然后参考图1，表示大气压HVPE反应器10的视图。该反应器包括具有第一气体引入端口 11、第二气体引入端口 12、第三气体引入端口 13和排气端口 14的反应室15;以及用于加热反应室15的电阻加热器16。此外，在反应室15内部设置( 金属源舟17和支撑GaAs衬底18的旋转支柱19。然后，采用约50至150mnK2至6英寸)直径的GaAs (111) A衬底作为GaAs衬底18，通过电阻加热器16，GaAs衬底18的温度被增加到并保持约450°C至530°C，其中通过第二气体引入端口 12引入4X10_4atm至4X10_3atm压力的气态氯化氢(HCl)到( 金属源舟17。该工序通过( 金属和氯化氢的反应，产生氯化镓(GaCl)。接着，通过第一气体引入端口 11，引入0. Iatm至0. 3atm压力的氨气(NH3)，以使NH3和feiCl在GaAs衬底18附近反应，产生氮化镓(GaN)。应当理解，氢气(H2)被引入第一气体引入端口 11和第二气体引入端口 12，作为载体气体，同时氢气(H2)被单独引入第三气体引入端口 13。在类似这样的条件下生长GaN约 20至约40分钟间隔，在GaAs衬底顶上厚膜淀积5mm厚的GaN层，形成如图2所示的GaN锭块20。然后，相对于作为生长面的C-面，以刚才描述的方式获得的GaN锭块20被近似垂直地切片，以切割本实施例的半导体发光器件的制造中利用的GaN衬底30。在该工序中，进行切片，以便露出m-面(亦即，(1-100)面)，如图3表示，该m-面是垂直于C-面的平面， 使之可以获得m-面为生长面的GaN衬底。同样，进行切片，以便a_面(亦即，(11_20)面) 被露出，a-面是垂直于C-面的平面，使之可以获得a-面为生长面的GaN衬底。由于m_面和a-面是非极性的，在利用m-面或a-面为生长面的GaN衬底来制造半导体发光器件的实施方式中，可以避免压电场的影响，从而能够实现高发射效率。但是，在从GaN锭块20切割GaN衬底中，以此方式切割锭块，以便制造具有大于0 度的预定的偏离定向角的GaN衬底30(30A，30B)。在此，GaN衬底30A是生长面为相对于 m-面离轴定向(> 0度)的平面的衬底，GaN衬底30B是生长面为相对于面离轴定向 (> 0度)的平面的衬底。GaN衬底30A是，如图4所示，5mmX 20mm矩形的形状。然后，其生长面30a是相对于m-面离轴定向的平面。应当理解，偏离定向轴在彼此垂直的<0001〉方向或<11-20>方向上倾斜。GaN衬底30B是，如图5所示，5mmX20mm的矩形形状，如GaN衬底30A。然后，其生长面30a，是相对于a-面离轴定向的平面。应当理解，偏离定向轴在彼此垂直的<0001〉方向或<1-100>方向上倾斜。接下来，在用上述方式获得的GaN衬底30的生长面30a上淀积外延层32，形成如图6表示的外延衬底。外延层32由AKiaN构成，以及使用众所周知的薄膜淀积设备(例如， MOCVD反应器)淀积。此外，如图7所示，在外延衬底40上依次淀积n-GaN缓冲层42、InGaN/InGa n-MQff(多量子阱)发射层44、p-AWaN层以及ρ-GaN层48，然后制备η-电极50Α和ρ-电极50b，以完成本发明所涉及的半导体发光器件60 (LED)的制造。因为该半导体发光器件 60具有包含InGaN的发射层44，它发射比蓝色区域更长波长的绿色区域的光。进行广泛的研究，本发明人通过以下实施例证实，通过在这种半导体发光器件60 的制造中利用上述GaN衬底30可以有效地设计提高的发射效率。实施例下面，将根据其实施例进一步详细说明本发明，但是本发明不局限于这些实施例。实施例1首先，根据与上面所述的实施例模式相同的工序制备GaN衬底样品1至14，与上述GaN衬底30A-GaN衬底5mmX 20mm相同或等同，不同点在于，如下面的表I，相对于m_面的离轴角。特别地，在样品1-14当中，样品1-7的偏离定向轴是<11-20>方向，在样品8-14 中，偏离定向轴是<0001〉方向。应当注意，通过X射线衍射表征GaN衬底的晶面取向(离轴角)，离轴角测量精度是士0.01度。表 I
权利要求
1.一种具有平面的GaN衬底，其中所述平面以相对于m-面至少在<0001〉方向或<11-20>方向或者相对于a_面至少在<0001〉方向或<1-100>方向的离轴角定向，并且其中所述离轴角大于等于0. 03度小于等于1度。
2.如权利要求1所述的GaN衬底，其中所述离轴角大于等于0.3度小于等于1度。
3.一种具有层状结构的器件，所述层状结构包括在如权利要求1所述的GaN衬底上淀积的至少一个外延层，其中所述外延层具有在50 μ mX 50 μ m的测量区中采用原子力显微镜测量为9nm或更小的表面粗糙度(Ra)。
4.一种具有层状结构的器件，所述层状结构包括在如权利要求2所述的GaN衬底上淀积的至少一个外延层，其中所述外延层具有在50 μ mX 50 μ m的测量区中采用原子力显微镜测量为7nm或更小的表面粗糙度(Ra)。
全文摘要
GaN衬底以及采用该衬底的器件。GaN衬底(30)的生长面(30a)是相对于m-面或a-面离轴定向的平面。亦即，在GaN衬底(30)中，生长面(30a)是已被偏离定向的m-面或a-面。由于，m-面和a-面是非极性面，利用该GaN衬底(30)，制造半导体发光器件，避免压电场的影响，使之可以实现优越的发射效率。根据m-面或a-面来对生长面施加离轴角，在衬底上生长晶体中实现高质量形态。利用该GaN衬底制造半导体发光器件，能够进一步提高发射效率。
文档编号H01L33/32GK102339915SQ20111030430
公开日2012年2月1日 申请日期2008年5月19日 优先权日2007年5月17日
发明者秋田胜史 申请人:住友电气工业株式会社