專利名稱：基于氮化鎵的外延晶片和制造基于氮化鎵的半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于氮化鎵的外延晶片和制造基于氮化鎵的半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法。
技術(shù)背景
專利文獻(xiàn)1描述了一種基于氮化鎵的半導(dǎo)體器件，其具有 具備良好結(jié)晶品質(zhì)的基于氮化鎵的半導(dǎo)體層。在所述半導(dǎo)體發(fā)光器件 的氮化鎵支撐襯底的主面上設(shè)置所述基于氮化鎵的半導(dǎo)體層。在氮化 鎵支撐襯底的主面的法線與氮化鎵支撐襯底的C軸之間形成一個(gè)角(稱 為斜角)。隨著所述氮化鎵支撐襯底的斜角接近0°，在基于氮化鎵的半 導(dǎo)體層表面上更經(jīng)常地看到呈六棱錐形的突起。所述角優(yōu)選為小于2°。[專利文獻(xiàn)1]日本未審查專利申請(qǐng)2005-15卯47號(hào)公報(bào)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的問題
根據(jù)本發(fā)明人的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在氮化鎵襯底上形成具有包含銦 作為III族元素的基于氮化鎵的半導(dǎo)體阱層如InGaN阱層的有源層時(shí)， 發(fā)射自基于氮化鎵的半導(dǎo)體發(fā)光器件如發(fā)光二極管的光的峰值波長(zhǎng)具 有一種分布。當(dāng)在藍(lán)寶石襯底上制造包括具有相似的量子阱結(jié)構(gòu)的有 源層的發(fā)光二極管時(shí)，發(fā)射自這種發(fā)光二極管的光的峰值波長(zhǎng)的分布 寬度不大。總之，根據(jù)這種比較，發(fā)射自基于氮化鎵的半導(dǎo)體發(fā)光器 件的光的峰值波長(zhǎng)因?yàn)槭褂昧说壱r底而具有寬的分布。
本發(fā)明人為了發(fā)現(xiàn)這種分布的原因而進(jìn)行了多種實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明人還為了降低這種分布而進(jìn)行了研究。在這些情況下完成了本發(fā)明。本發(fā)明的目的是提供一種制 造基于氮化鎵的半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，所述半導(dǎo)體發(fā)光器件具有如 下結(jié)構(gòu)，其中發(fā)射自氮化鎵襯底上的有源層的光的波長(zhǎng)分布能夠被減
少，所述有源層包括阱層。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供基于氮化鎵的 外延晶片，利用所述外延晶片提供這種半導(dǎo)體器件。
解決所述問題的手段根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，基于氮化鎵的外延晶片包括(a) 具有主面的氮化鎵襯底；(b)在氮化鎵襯底主面上生長(zhǎng)的一個(gè)以上的基 于氮化鎵的半導(dǎo)體膜；和(c)具有量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，所述有源層生 長(zhǎng)在所述基于氮化鎵的半導(dǎo)體膜上。所述有源層包括阱層，所述阱層 由含銦作為III族元素的基于氮化鎵的半導(dǎo)體構(gòu)成。在氮化鎵襯底的主 面的法線與C軸之間的斜角具有在整個(gè)主面上的分布，而且所述斜角 在從主面的邊緣上的一個(gè)點(diǎn)向所述邊緣上的另一個(gè)點(diǎn)延伸的線段上單 調(diào)變化。在主面上的第一點(diǎn)處的斜角比在主面上的第二點(diǎn)處的斜角小， 在所述第一點(diǎn)上的阱層的厚度比在所述第二點(diǎn)上的阱層的厚度小。本發(fā)明的另一個(gè)方面是制造氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方 法。這種方法包括(a)在多個(gè)氮化鎵襯底的主面上同時(shí)生長(zhǎng)基于氮化 鎵的半導(dǎo)體膜的步驟，所述多個(gè)氮化鎵襯底布置在有機(jī)金屬氣相外延 反應(yīng)器的支撐臺(tái)上；以及(b)通過供應(yīng)原料氣體，利用所述有機(jī)金屬氣
相外延反應(yīng)器在各個(gè)基于氮化鎵的半導(dǎo)體膜上形成具有量子阱結(jié)構(gòu)的
有源層的步驟。所述有源層包括阱層，所述阱層由包含銦作為m族元
素的基于氮化鎵的半導(dǎo)體構(gòu)成。在各個(gè)氮化鎵襯底的主面的法線和所
述氮化鎵襯底的c軸之間的斜角具有在整個(gè)所述主面上的分布，并在
從所述主面的邊緣上的一個(gè)點(diǎn)向所述邊緣上的另一個(gè)點(diǎn)延伸的線段上 單調(diào)變化。在所述主面上的第一點(diǎn)處的斜角比在所述主面上的第二點(diǎn) 處的斜角小，在所述第一點(diǎn)上的所述阱層的厚度比在所述第二點(diǎn)上的
6所述阱層的厚度小。本發(fā)明人進(jìn)行的研究，在襯底主面中的斜角分布影響銦的 含量。當(dāng)生長(zhǎng)基于氮化鎵的半導(dǎo)體時(shí)，斜角的影響是不可避免的。然 而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，作為本發(fā)明人進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，當(dāng)使用斜角在所述 襯底主面上的分布受到控制的氮化鎵襯底時(shí)，原料氣體的流動(dòng)的影響 部分抵消斜角的影響。當(dāng)利用外延反應(yīng)器進(jìn)行晶體生長(zhǎng)以用于基于氮化鎵的外延
晶片時(shí)，原料氣體的流動(dòng)的影響能夠引起發(fā)射光波長(zhǎng)的分布。然而， 作為本發(fā)明人所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)和研究的結(jié)果，已經(jīng)證明，這不是引起分
布的主要原因。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)和研究中，本發(fā)明人把注意力集中在藍(lán)寶 石襯底和氮化鎵襯底之間的差別并獲得了如下發(fā)現(xiàn)。在晶片表面中， 在藍(lán)寶石襯底的主面的法線和所述主面的C軸之間形成的斜角分布在 -0.1° +0.1°的范圍內(nèi)，而在所述襯底中心部分處的斜角為0.15°。相比 之下，在氮化鎵襯底的主面的法線與所述主面的C軸之間形成的斜角 因氮化鎵襯底的制造方法而分布在整個(gè)主面上。通過使用受控斜角分布和受控生長(zhǎng)速率分布，利用斜角在 從主面邊緣上的一個(gè)點(diǎn)向所述邊緣上的另一個(gè)點(diǎn)延伸的線段上單調(diào)變 化的氮化鎵襯底，能夠提供一種在襯底主面上第一點(diǎn)處的斜角比在所 述襯底主面上的第二點(diǎn)處的斜角小且在所述第一點(diǎn)上的阱層厚度比所 述第二點(diǎn)上的阱層厚度小的結(jié)構(gòu)。利用這種基于氮化鎵的外延晶片，能夠提供具有發(fā)射自氮 化鎵襯底上的有源層的光的波長(zhǎng)分布能夠降低的結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件， 所述有源層包括阱層。在本發(fā)明的基于氮化鎵的外延晶片中，所述線段的取向與 晶體取向<1-100>和<11-20>中的一個(gè)相對(duì)應(yīng)。這些晶體取向適用于結(jié)合斜角分布和阱寬度分布。在本發(fā)明的基于氮化鎵的外延晶片的優(yōu)選實(shí)施方案中，氮 化鎵襯底包括取向平面和基本上呈圓弧形狀的邊緣，所述取向平面的 取向與晶體取向<1-100>和<11-20>中的一個(gè)相對(duì)應(yīng)。按照本發(fā)明的基于 氮化鎵的外延晶片的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，氮化鎵襯底包括基本上呈 圓形的邊緣，且所述氮化鎵襯底包括與晶體取向<1-100>和<11-20>中的 一個(gè)相對(duì)應(yīng)的標(biāo)記。在本發(fā)明的基于氮化鎵的外延晶片中，沿穿過氮化鎵襯底 主面中心的軸，斜角分布的最大值和最小值之差優(yōu)選為0.7°以下。優(yōu)選 將該范圍用于結(jié)合斜角分布和阱寬度分布。在本發(fā)明的制造方法的優(yōu)選實(shí)施方案中，在橫穿有機(jī)金屬 氣相外延反應(yīng)器的支撐臺(tái)主面的方向上供應(yīng)用于形成有源層的原料氣 體，如此供應(yīng)這種原料氣體，使得有源層的阱層生長(zhǎng)速度在原料氣體 流動(dòng)的方向上分布。能夠?qū)⑦@種原料氣體流動(dòng)應(yīng)用于如下氮化鎵襯底，其中斜 角在從襯底主面的邊緣上的一個(gè)點(diǎn)向所述邊緣的另一個(gè)點(diǎn)延伸的線段 上單調(diào)變化。本發(fā)明的制造方法還可以包括將氮化鎵襯底布置在支撐臺(tái) 上的步驟。各個(gè)氮化鎵襯底的線段以某一軸的方向取向。作為將多個(gè)氮化鎵襯底布置在有機(jī)金屬氣相外延反應(yīng)器的 支撐臺(tái)上以使得以上述方式取向的結(jié)果，通過利用源自原料氣體流動(dòng) 的影響能夠降低斜角分布的影響。在本發(fā)明制造方法的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，在與支撐臺(tái)
8主面相交的軸的方向上供應(yīng)用于形成有源層的原料氣體，如此供應(yīng)這 種原料氣體，使得有源層的阱層生長(zhǎng)速度在原料氣體從上游向下游流 動(dòng)的方向分布。能夠?qū)⑦@種原料氣體流動(dòng)應(yīng)用于如下氮化鎵襯底，其中斜 角在從襯底主面的邊緣上的一個(gè)點(diǎn)向所述邊緣的另一個(gè)點(diǎn)延伸的線段 上單調(diào)變化。本發(fā)明的制造方法還可以包括將氮化鎵襯底布置在有機(jī)金 屬氣相外延反應(yīng)器的支撐臺(tái)上的步驟。所述支撐臺(tái)包括用于所述氮化 鎵襯底的多個(gè)導(dǎo)向裝置，所述導(dǎo)向裝置設(shè)置于在支撐臺(tái)的主面上限定 的圓周上。各個(gè)氮化鎵的線段以與所述支撐臺(tái)的所述主面上的圓周的 切線相交的方向取向。所述相交角為例如直角。作為將多個(gè)氮化鎵襯底布置在有機(jī)金屬氣相外延反應(yīng)器的 支撐臺(tái)上以使得以上述方式取向的結(jié)果，通過利用源自原料氣體流動(dòng) 的影響能夠降低斜角分布的影響。在本發(fā)明的制造方法中，在旋轉(zhuǎn)支撐臺(tái)的同時(shí)生長(zhǎng)阱層。 作為旋轉(zhuǎn)所述支撐臺(tái)的結(jié)果，能夠提高晶體生長(zhǎng)的均勻性。旋轉(zhuǎn)所述 支撐臺(tái)還使得不對(duì)稱或不均勻的原料氣體流動(dòng)的影響平均化。參考附圖，通過下面對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述將 使本發(fā)明的上述目的、其它目的、特征和優(yōu)勢(shì)更加易于顯而易見。
發(fā)明優(yōu)點(diǎn)如上所述，根據(jù)本發(fā)明，提供了制造基于氮化鎵的半導(dǎo)體 發(fā)光器件的方法，所述發(fā)光器件具有能夠降低發(fā)射自氮化鎵襯底上的 有源層的光的波長(zhǎng)分布的結(jié)構(gòu)，所述有源層包括阱層。根據(jù)本發(fā)明， 還提供了基于氮化鎵的外延晶片，利用所述外延晶片提供了這種半導(dǎo)體器件。


圖1A顯示了在有機(jī)金屬氣相外延反應(yīng)器的支撐臺(tái)上的藍(lán)
寶石襯底的排列。
圖1B顯示了 InGaN有源層的銦的含量與生長(zhǎng)速度。
圖2顯示了外延襯底El中在OF和AOF之間延伸的線段上PL波
長(zhǎng)的分布。
圖3顯示了利用PL測(cè)繪系統(tǒng)測(cè)量的PL分布和PL分布的直方圖。 圖4顯示了外延襯底E2中穿過中心C在邊緣上的點(diǎn)A和點(diǎn)B之
間延伸的線段上PL波長(zhǎng)的分布。
圖5顯示了利用PL測(cè)繪系統(tǒng)測(cè)量的PL分布和PL分布的直方圖。 圖6顯示了外延襯底E3中穿過中心C在邊緣上的點(diǎn)A和點(diǎn)B之
間延伸的線段上的PL波長(zhǎng)的分布。
圖7顯示了利用PL測(cè)繪系統(tǒng)測(cè)量的PL分布和PL分布的直方圖。
圖8顯示了本發(fā)明實(shí)施方案的基于氮化鎵的外延晶片。
圖9顯示了包括本發(fā)明實(shí)施方案的制造氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的
方法的主要步驟的流程圖。
圖IO示意性顯示了具有優(yōu)選構(gòu)型的有機(jī)金屬氣相外延反應(yīng)器。 圖11顯示了在支撐臺(tái)上的GaN襯底的排列、半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)速
度分布和所述半導(dǎo)體層的有效生長(zhǎng)速度分布。
圖12示意性顯示了具有另一種優(yōu)選構(gòu)型的有機(jī)金屬氣相外延反應(yīng)器。
圖13顯示了在支撐臺(tái)上的GaN襯底的排列、半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)速 度分布和所述半導(dǎo)體層的有效生長(zhǎng)速度分布。
附圖標(biāo)記
El、 E2、 E3 外延晶片 E4 基于氮化鎵的外延晶片11有機(jī)金屬氣相外延反應(yīng)器
13支撐臺(tái)
15藍(lán)寶石襯底
41氮化鎵襯底
41a氮化鎵襯底的主面
43基于氮化鎵的半導(dǎo)體膜
45有源層
47量子阱結(jié)構(gòu)
47a阱層
47b阻擋層
49p型覆蓋層
51p型接觸層
21有機(jī)金屬氣相外延反應(yīng)器
23流動(dòng)通道
25支撐臺(tái)
25a支撐臺(tái)的主面
27a、27b、 27c GaN襯底
31有機(jī)金屬氣相外延反應(yīng)器
33流動(dòng)通道
35支撐臺(tái)
35a支撐臺(tái)的主面
37a、37b、 37c GaN襯底
具體實(shí)施例方式參考作為實(shí)例的附圖，考慮到下列詳細(xì)說明，能夠使得本 發(fā)明的發(fā)現(xiàn)易于理解。下文中，參考附圖對(duì)本發(fā)明的基于氮化鎵的外 延晶片和制造基于氮化鎵的半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法的實(shí)施方案進(jìn)行說 明。如果可能，使用相同的附圖標(biāo)記來表示相同的元件。第一實(shí)施方案圖1A和lB顯示了用于描述使用藍(lán)寶石襯底的InGaN有源層生長(zhǎng) 的圖。參考圖1A，顯示了布置在有機(jī)金屬氣相外延反應(yīng)器11的支撐 臺(tái)13上的藍(lán)寶石襯底15的排列。這樣排列所述藍(lán)寶石襯底15，使得 所述藍(lán)寶石襯底15的取向平面(下文中簡(jiǎn)稱為"OF")朝向支撐臺(tái)13 的邊緣。參考圖1B，顯示了穿過中心點(diǎn)C從藍(lán)寶石襯底15的"OF" 延伸的軸上的五個(gè)測(cè)量點(diǎn)處銦的含量和InGaN層的生長(zhǎng)速度。在圖IB 中，"AOF"表示所述軸與所述襯底邊緣的交點(diǎn)。圖1B顯示，銦的含 量在襯底的整個(gè)主面上基本上恒定，而它從襯底的中心點(diǎn)C向邊緣E 稍微升高。銦的含量的這種狀態(tài)是缺少斜角在藍(lán)寶石襯底主面上的分 布的結(jié)果。InGaN的生長(zhǎng)速度從AOF至OF單調(diào)增大。生長(zhǎng)速度的這 種狀態(tài)與外延反應(yīng)器中原料(從流動(dòng)通道的上游部分流向下游部分的原 料)的流動(dòng)有關(guān)。當(dāng)生長(zhǎng)速度高時(shí)，銦的摻入水平增大，因此銦的含量 升高。生長(zhǎng)速度增大導(dǎo)致阱層厚度增大。阱層厚度增大和銦的含 量增加兩者皆導(dǎo)致PL波長(zhǎng)向更長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)。如下所述，本發(fā)明人利用基于氮化鎵的半導(dǎo)體通過有機(jī)金 屬氣相外延制造了發(fā)光器件如發(fā)光二極管。所述有機(jī)金屬氣相外延所 使用的原料為三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMA1)、三甲基銦(TMIn)、 氨(NH3)、硅烷(SiH4)和環(huán)戊二烯基鎂(Cp2Mg)。在有機(jī)金屬氣相外延反 應(yīng)器11的支撐臺(tái)13上以下列方式排列襯底。
外延襯底 襯底類型
El 藍(lán)寶石襯底(0001)n-GaN樣板 E2 GaN(0001)襯底，斜角分布為
0.1° 0.6° E3 GaN(0001)襯底，斜角分布為
0.1° 0.6°
襯底取向 法線取向 法線取向
從法線取向旋轉(zhuǎn)卯c
12在藍(lán)寶石襯底中，很好地控制所述斜角使得藍(lán)寶石襯底表面中的 斜角相對(duì)于襯底中心處的斜角為約-0.1° +0.1°。因而，斜角(襯底的主
面的法線與C軸之間的角)未分布在整個(gè)主面上。在GaN(0001)襯底中， 盡管制造主面使得與(0001)面對(duì)準(zhǔn)，但斜角仍分布在所述襯底的整個(gè)主 面上。這樣的斜角分布源自GaN晶體的制造方法。對(duì)這些襯底進(jìn)行熱清潔。例如在105(TC下進(jìn)行這種清潔， 同時(shí)將反應(yīng)器的內(nèi)部壓力控制為101 kPa并向反應(yīng)器內(nèi)供應(yīng)NH3和H2。 所述清潔的時(shí)間為例如IO分鐘。隨后沉積AlGaN膜。具體地，通過向反應(yīng)器內(nèi)供應(yīng)TMGa、 TMA1、 NH3和SiH4在各個(gè)襯底上生長(zhǎng)n-AlGaN膜。所述膜的厚度為例 如50nm。成膜溫度為例如1050°C。所述AlGaN膜用來平坦化存在于 GaN襯底表面上的微觀粗糙度。隨后將反應(yīng)器內(nèi)的溫度變至IIOO'C并沉積GaN膜。具體 地，通過向反應(yīng)器內(nèi)供應(yīng)TMGa、 NH3和SiH4在各個(gè)襯底上生長(zhǎng)n-GaN 膜。所述膜的厚度為例如2000nm。膜的平均生長(zhǎng)速度為例如4 pm/小 時(shí)。所得到的GaN膜充當(dāng)例如覆蓋層或緩沖層。隨后形成量子阱結(jié)構(gòu)。為了形成所述量子阱結(jié)構(gòu)，通過向 反應(yīng)器內(nèi)供應(yīng)TMGa、 TMIn和NH3在各個(gè)襯底上形成InGaN膜。具體 地，交替生長(zhǎng)InGaN阻擋層和InGaN阱層。所述InGaN阻擋層為例如 15 nm且組成為Ino.(nGao.99N。所述InGaN阱層為例如3 nm且組成為 In0.14GaQ.86N。所述量子阱結(jié)構(gòu)為例如六個(gè)周期的結(jié)構(gòu)。隨后沉積AlGaN膜。具體地，通過向反應(yīng)器內(nèi)供應(yīng)TMGa、 TMA1、 NH3和Cp2Mg在各個(gè)襯底上生長(zhǎng)p-AlGaN膜。所述膜的厚度 為例如20 nm。成膜溫度為例如1000°C。這種摻雜Mg的AlGaN膜能 夠充當(dāng)覆蓋層或電子阻擋層。再沉積GaN膜。具體地，通過向反應(yīng)器
13內(nèi)供應(yīng)TMGa、 NH3和Cp2Mg在各個(gè)襯底上生長(zhǎng)p-GaN膜。所述膜的 厚度為例如50 nm。成膜溫度為例如IOOO"C。這種摻雜Mg的GaN膜
能夠充當(dāng)接觸層。對(duì)由此形成的外延襯底E1、 E2和E3的光致發(fā)光(PL)波長(zhǎng) 的分布進(jìn)行了測(cè)量。利用PL測(cè)繪系統(tǒng)進(jìn)行這種測(cè)量。圖2顯示了外延襯底El中穿過中心在點(diǎn)OF和點(diǎn)AOF之 間延伸的線段上PL波長(zhǎng)的分布。在藍(lán)寶石襯底主面中斜角基本上恒定 為例如0.15°。圖3顯示了利用PL測(cè)繪系統(tǒng)測(cè)量的PL分布和所述PL 分布的直方圖。所述直方圖顯示了在測(cè)量點(diǎn)處波長(zhǎng)和采樣數(shù)之間的關(guān) 系。PL波長(zhǎng)的平均值為448.87 nm，所述PL波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.84 nm。 盡管在所述藍(lán)寶石襯底的主面中沒有斜角分布，但是因阱層厚度相對(duì) 大的分布與銦的含量相對(duì)小的分布之間的重疊而引起在所述藍(lán)寶石襯 底主面中PL波長(zhǎng)的分布。圖4顯示了外延襯底E2中穿過中心C在邊緣上的點(diǎn)AP 和點(diǎn)BP之間延伸的線段上PL波長(zhǎng)的分布。斜角在GaN襯底主面中沿 所述線段單調(diào)變化。例如，斜角的最小值為0.2°，斜角的最大值為0.4°。 圖5顯示了利用PL測(cè)繪系統(tǒng)測(cè)量的PL分布和所述PL分布的直方圖。 所述直方圖顯示了在測(cè)量點(diǎn)處波長(zhǎng)與采樣數(shù)之間的關(guān)系。PL波長(zhǎng)的平 均值為469.17 nm，所述PL波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.55 nm。所述GaN襯 底的主面不可避免地具有斜角分布。這種斜角分布影響了量子阱結(jié)構(gòu) 中InGaN層的銦的含量。當(dāng)斜角大時(shí)，銦的含量變小。除了這種影響， 原料在流動(dòng)通道中從上游部分向下游部分的流動(dòng)也會(huì)影響量子阱結(jié)構(gòu) 中InGaN層的厚度。圖6顯示了外延襯底E3中穿過中心C在邊緣上的點(diǎn)AP 和點(diǎn)BP之間延伸的線段上PL波長(zhǎng)的分布。斜角在GaN襯底主面中沿 所述線段單調(diào)變化。例如，斜角的最小值為0.2°，斜角的最大值為0.4°。圖7顯示了利用PL測(cè)繪系統(tǒng)測(cè)量的PL分布和所述PL分布的直方圖。 所述直方圖顯示了在測(cè)量點(diǎn)處波長(zhǎng)與采樣數(shù)之間的關(guān)系。PL波長(zhǎng)的平 均值為466.91 nm且所述PL波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.76 nm。所述GaN襯 底的主面不可避免地具有斜角分布。這種斜角分布影響了量子阱結(jié)構(gòu) 中InGaN層的銦的含量。除了這種影響，原料在流動(dòng)通道中從上游部 分向下游部分的流動(dòng)也會(huì)影響量子阱結(jié)構(gòu)中InGaN層的厚度。在斜角 大的區(qū)域中，所述InGaN層的厚度大。外延襯底E2和E3的GaN襯底具有相同的斜角分布。然 而，外延襯底E3的PL波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差(2.76 nm)明顯比外延襯底E2 的PL波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差(4.55 nm)小。這是因?yàn)橥ㄟ^利用GaN襯底主面 中斜角的分布和因原料流動(dòng)而引起的生長(zhǎng)速度的分布，降低了 PL波長(zhǎng) 的分布。圖8顯示了本發(fā)明實(shí)施方案的基于氮化鎵的外延晶片。該 基于氮化鎵的外延晶片E4包括氮化鎵襯底41、 一個(gè)以上的基于氮化鎵 的半導(dǎo)體膜43以及有源層45。在氮化鎵襯底的主面41a上生長(zhǎng)基于氮 化鎵的半導(dǎo)體膜43。所述有源層45在基于氮化鎵的半導(dǎo)體膜上生長(zhǎng)并 具有量子阱結(jié)構(gòu)47。所述量子阱結(jié)構(gòu)47包括交替設(shè)置的阱層47a和阻 擋層47b。所述阱層47由包含銦作為III族元素的基于氮化鎵的半導(dǎo)體 構(gòu)成。所述阱層47a的厚度分布在整個(gè)主面41a上。GaN襯底的氮化 鎵的C軸與GaN襯底的主面的法線之間的斜角分布在整個(gè)襯底主面 41a上，而且如圖6中所示，所述斜角在從襯底主面41a的邊緣上的一 個(gè)點(diǎn)向所述邊緣上另一個(gè)點(diǎn)延伸的線段上單調(diào)變化。在襯底主面41a 上第一點(diǎn)PI處的斜角(ei)比在襯底主面41a上第二點(diǎn)P2處的斜角(02) 小(92>01)。在第一點(diǎn)P1上的阱層41a的厚度Dl比在第二點(diǎn)P2上阱 層47a的厚度D2小(D1 < D2)。所述基于氮化鎵的半導(dǎo)體膜43可以為 例如n型覆蓋層或緩沖層。如果需要，基于氮化鎵的外延晶片E4可包 括在有源層45上設(shè)置的一個(gè)以上的基于氮化鎵的半導(dǎo)體膜且所述基于 氮化鎵的半導(dǎo)體膜可包括例如p型覆蓋層49和p型接觸層51。
如上所述，當(dāng)利用外延反應(yīng)器進(jìn)行晶體生長(zhǎng)以形成基于氮 化鎵的外延晶片時(shí)，原料氣體的流動(dòng)導(dǎo)致發(fā)射光波長(zhǎng)的分布。當(dāng)把注 意力集中在藍(lán)寶石襯底和氮化鎵襯底之間的差別時(shí)，藍(lán)寶石襯底的主 面具有均勻晶面，而氮化鎵襯底具有在其整個(gè)上分布了斜角的主面。根據(jù)本發(fā)明人所進(jìn)行的研究，這樣的斜角的分布影響了基 于GaN的半導(dǎo)體的銦的含量。在基于氮化鎵的半導(dǎo)體的制造中，不可 避免地產(chǎn)生這種斜角的影響。然而，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，作為實(shí)驗(yàn)的 結(jié)果，當(dāng)使用在襯底主面上斜角的分布受到控制的氮化鎵襯底時(shí)，通 過改變?cè)蠚怏w的流動(dòng)的影響部分抵消所述斜角的影響。具體地，利用斜角在從襯底主面的邊緣上的一個(gè)點(diǎn)向所述 邊緣上的另一個(gè)點(diǎn)延伸的線段上單調(diào)變化的氮化鎵襯底，能夠提供主 面上的第一點(diǎn)處的斜角比主面上的第二點(diǎn)處的斜角小且所述第一點(diǎn)上 的阱層厚度比所述第二點(diǎn)上的阱層厚度小的結(jié)構(gòu)。利用這種基于氮化鎵的外延晶片，能夠提供具有發(fā)射自氮 化鎵襯底上的有源層的光的波長(zhǎng)分布能夠降低的結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件， 所述有源層包括阱層。所述線段的取向與基于氮化鎵的外延晶片中的晶體取向 <1-100>和<11-20>中的一個(gè)相對(duì)應(yīng)。這些晶體取向在將斜角分布和阱寬 度分布結(jié)合時(shí)是適合的。在基于氮化鎵的外延晶片的優(yōu)選實(shí)施方案中，氮化鎵襯底 包括取向平面和基本上呈圓弧形狀的邊緣，所述取向平面的取向與晶 體取向<1-100>和<11-20>中的一個(gè)相對(duì)應(yīng)。作為選擇，在基于氮化鎵的 外延晶片的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，氮化鎵襯底包括基本上呈圓形的 邊緣，且所述氮化鎵襯底包括與晶體取向<1-100>和<11-20>中的一個(gè)相
16對(duì)應(yīng)的標(biāo)記?；诘壍耐庋泳谘卮┻^氮化鎵襯底主面中心的 軸，斜角分布的最大值和最小值之差優(yōu)選為0.7°以下。該范圍適合于結(jié) 合斜角分布和阱寬度分布。第二實(shí)施方案
圖9顯示了包括本發(fā)明實(shí)施方案的制造氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的 方法的主要步驟的流程圖。參考流程圖100，在步驟S101中，準(zhǔn)備具 有上述斜角分布的GaN襯底。所述斜角分布在各個(gè)襯底的整個(gè)主面上 并在穿過主面中心點(diǎn)從主面的邊緣上的一個(gè)點(diǎn)向所述邊緣上的另一個(gè) 點(diǎn)延伸的線段上單調(diào)變化。在襯底主面中既不存在斜角的最小點(diǎn)也不 存在最大點(diǎn)。穿過具有相等斜角的點(diǎn)的等斜角線，從GaN襯底的邊緣 上的一個(gè)點(diǎn)延伸至另一個(gè)點(diǎn)，且所述等斜角線由曲線和/或線段構(gòu)成。 根據(jù)實(shí)施方案，所述等斜角線的曲率半徑優(yōu)選大于GaN襯底輪廓的曲 率半徑。在這種情況下，主面上的斜角分布相當(dāng)緩和地變化。圖10示意性顯示了具有優(yōu)選構(gòu)型的有機(jī)金屬氣相外延反 應(yīng)器。參考圖11，在步驟S103中，在有機(jī)金屬氣相外延反應(yīng)器的支撐 臺(tái)上以預(yù)定排列布置GaN襯底27a、 27b和27c。如圖11中所示，從 各個(gè)襯底主面的邊緣上的一個(gè)點(diǎn)向邊緣上的另一個(gè)點(diǎn)延伸的各個(gè)線段 朝向同一方向。所述GaN襯底27a、 27b和27c的取向由圖11中所示 實(shí)例中的取向平面的取向表示。在有機(jī)金屬氣相外延反應(yīng)器21中，原料氣體流過流動(dòng)通道 23。在支撐臺(tái)25的主面25a上布置多個(gè)GaN襯底27a 27c。將這些 GaN襯底27a 27c布置在主面25a的導(dǎo)向裝置中。在橫穿有機(jī)金屬氣 相外延反應(yīng)器21的支撐臺(tái)25的主面25a的方向(由箭頭A所示的方向) 上供應(yīng)原料氣體(例如，用于形成有源層的原料氣體)。如圖11中所示， 如此供應(yīng)這種原料氣體，使得半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)速度在原料流動(dòng)方向上分布。取向平面根據(jù)生長(zhǎng)速度分布取向。在旋轉(zhuǎn)支撐臺(tái)25的同時(shí)生長(zhǎng)半導(dǎo)體層。這樣的支撐臺(tái)25 旋轉(zhuǎn)提高了晶體生長(zhǎng)的均勻性。旋轉(zhuǎn)所述支撐臺(tái)25使得不對(duì)稱或不均 勻的原料氣體流動(dòng)的影響平均化。該旋轉(zhuǎn)將圖11中所示的生長(zhǎng)速度分 布變?yōu)閳D11中所示的有效生長(zhǎng)速度分布。能夠?qū)⑦@種原料氣體流動(dòng)應(yīng)用于氮化鎵襯底27a 27c，在 所述襯底中，斜角在從襯底主面的邊緣上的一個(gè)點(diǎn)向邊緣上的另一個(gè) 點(diǎn)延伸的線段上單調(diào)變化。所述氮化鎵襯底27a 27c的線段以預(yù)定軸 的方向取向。通過在有機(jī)金屬氣相外延反應(yīng)器21的支撐臺(tái)25上以這 種取向布置多個(gè)氮化鎵襯底27a 27c，通過利用原料氣體流動(dòng)的上述 影響能夠降低斜角分布的影響。在步驟S105中，在GaN襯底上生長(zhǎng)基于GaN的半導(dǎo)體膜。 在形成量子阱結(jié)構(gòu)之前，形成該基于GaN的半導(dǎo)體膜。通過沉積例如 n型半導(dǎo)體來形成基于GaN的半導(dǎo)體膜以用于緩沖層或覆蓋層。這種 半導(dǎo)體的實(shí)例包括GaN、 AlGaN或AlInGaN等。在步驟S107中，形成量子阱結(jié)構(gòu)。為了形成所述量子阱 結(jié)構(gòu)，在步驟S107a中生長(zhǎng)阱層并在步驟S107b中生長(zhǎng)阻擋層。如果 需要，在步驟S107c中重復(fù)生長(zhǎng)阱層和阻擋層。利用含銦作為III族元 素的基于氮化鎵的半導(dǎo)體能夠生長(zhǎng)阱層。這種基于氮化鎵的半導(dǎo)體的 實(shí)例包括InGaN和AlInGaN。利用含銦作為III族元素的基于氮化鎵的 半導(dǎo)體能夠生長(zhǎng)阻擋層。這種基于氮化鎵的半導(dǎo)體的實(shí)例包括InGaN 和AlInGaN。所述阱層的厚度因源自原料氣體流動(dòng)的影響而在主面上 分布。銦的含量因斜角分布的影響而分布。如上所述，斜角的這種分布影響了晶體生長(zhǎng)速度。當(dāng)制造 基于氮化鎵的半導(dǎo)體時(shí)，斜角的影響是不可避免的。然而，當(dāng)使用襯底主面上的斜角分布受到控制的氮化鎵襯底時(shí)，原料氣體的流動(dòng)的影 響部分抵消斜角的影響。當(dāng)利用外延反應(yīng)器21進(jìn)行晶體生長(zhǎng)以形成基于氮化鎵的 外延晶片時(shí)，發(fā)射光的波長(zhǎng)因原料氣體流動(dòng)的影響而分布。通過使用 斜角在從襯底主面的邊緣上的一個(gè)點(diǎn)向邊緣上的另一個(gè)點(diǎn)延伸的線段 上單調(diào)變化的氮化鎵襯底，并結(jié)合斜角在整個(gè)襯底主面上的分布與原 料氣體流動(dòng)的影響，能夠降低發(fā)射光的這種波長(zhǎng)分布。結(jié)果，能夠提 供襯底主面上的第一點(diǎn)處的斜角比襯底主面上的第二點(diǎn)處的斜角小且 所述第一點(diǎn)上的阱層厚度比所述第二點(diǎn)上的阱層厚度小的結(jié)構(gòu)。因而， 利用這樣的基于氮化鎵的外延晶片，能夠提供具有發(fā)射自氮化鎵襯底 上的有源層的光的波長(zhǎng)分布能夠降低的結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，所述有源 層包括阱層。在步驟S109中，在量子阱結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)基于GaN的半導(dǎo)體 膜。通過沉積例如p型半導(dǎo)體來形成基于GaN的半導(dǎo)體膜以用于覆蓋 層或接觸層。這種半導(dǎo)體的實(shí)例包括GaN、 AlGaN和AlInGaN。在步驟Slll中，在接觸層上形成第一電極例如陽極并在 GaN襯底背面上形成第二電極例如陰極。圖12示意性顯示了具有另一種優(yōu)選構(gòu)型的有機(jī)金屬氣相 外延反應(yīng)器。參考圖13，在步驟S103中，在有機(jī)金屬氣相外延反應(yīng)器 的支撐臺(tái)上以預(yù)定排列布置GaN襯底37a、 37b和37c。如圖13中所 示，從各個(gè)襯底主面的邊緣上的一個(gè)點(diǎn)向邊緣上的另一個(gè)點(diǎn)延伸的各 個(gè)線段以原料氣體流動(dòng)的方向取向。所述GaN襯底37a、 37b和37c的 取向由圖13中所示實(shí)例中的取向平面的取向表示。在有機(jī)金屬氣相外延反應(yīng)器31中，原料氣體流過流動(dòng)通道 33。在支撐臺(tái)35的主面35a上布置多個(gè)GaN襯底37a 37c。將這些GaN襯底37a 37c布置在主面35a的導(dǎo)向裝置中。沿與支撐臺(tái)35的 主面35a相交的B軸(沿由箭頭C所示的方向)供應(yīng)原料氣體(例如，用 于形成有源層的原料氣體)。如此供應(yīng)這種原料氣體，使得阱層生長(zhǎng)速 度在原料氣體從上游部分流向下游部分的方向上分布。如圖13中所示， 通過如此供應(yīng)這種原料氣體，使得半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)速度在原料流動(dòng)方 向上分布。取向平面根據(jù)生長(zhǎng)速度分布取向。在旋轉(zhuǎn)支撐臺(tái)35的同時(shí)生長(zhǎng)半導(dǎo)體層。這樣的支撐臺(tái)35 旋轉(zhuǎn)提高了晶體生長(zhǎng)的均勻性。旋轉(zhuǎn)所述支撐臺(tái)35使得不對(duì)稱或不均 勻的原料氣體流動(dòng)的影響平均化。該旋轉(zhuǎn)將圖13中所示的生長(zhǎng)速度分 布變?yōu)閳D13中所示的有效生長(zhǎng)速度分布。能夠?qū)⑦@種原料氣體流動(dòng)應(yīng)用于氮化鎵襯底37a 37c，在 所述襯底中，斜角在從襯底主面的邊緣上的一個(gè)點(diǎn)向邊緣上的另一個(gè) 點(diǎn)延伸的線段上單調(diào)變化。所述支撐臺(tái)35包括多個(gè)用于氮化鎵襯底的 導(dǎo)向裝置，所述導(dǎo)向裝置設(shè)置于支撐臺(tái)35的主面35a上限定的圓周D 上。所述氮化鎵襯底37a 37c的線段以與支撐臺(tái)35的主面35上的圓 周D的切線相交的線段方向取向。通過在有機(jī)金屬氣相外延反應(yīng)器的支撐臺(tái)上以上述取向布 置多個(gè)氮化鎵襯底37a 37c，通過利用源自原料氣體流動(dòng)的上述影響 能夠降低斜角分布的影響。通過在有機(jī)金屬氣相外延反應(yīng)器31的支撐 臺(tái)35上以上述取向布置多個(gè)氮化鎵襯底37a 37c，通過利用源自原料 氣體流動(dòng)的上述影響能夠降低斜角分布的影響。已經(jīng)參考附圖利用優(yōu)選實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明的原理進(jìn)行了說 明。然而，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，在不背離原理的條件下能夠?qū)?本發(fā)明的排列和細(xì)節(jié)方面進(jìn)行改變是顯而易見的。本發(fā)明不限于所述 實(shí)施方案中所公開的具體構(gòu)型。盡管在所述實(shí)施方案中對(duì)將三個(gè)襯底 布置在支撐臺(tái)上的實(shí)例進(jìn)行了說明，但是還能夠?qū)⒏嗟囊r底布置在支撐臺(tái)上。因此，本發(fā)明包括所附權(quán)利要求書的主旨和范圍內(nèi)的所有 修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種基于氮化鎵的外延晶片，所述外延晶片包括具有主面的氮化鎵襯底；在所述氮化鎵襯底的所述主面上生長(zhǎng)的一個(gè)以上的基于氮化鎵的半導(dǎo)體膜；和具有量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，所述有源層生長(zhǎng)在所述基于氮化鎵的半導(dǎo)體膜上；其中所述有源層包括阱層，所述阱層由包含銦作為III族元素的基于氮化鎵的半導(dǎo)體構(gòu)成，在所述主面的法線和所述氮化鎵襯底的C軸之間的斜角具有在整個(gè)所述主面上的分布，并在從所述主面的邊緣上的一個(gè)點(diǎn)向所述邊緣上的另一個(gè)點(diǎn)延伸的線段上單調(diào)變化，以及在所述主面上的第一點(diǎn)處的斜角比在所述主面上的第二點(diǎn)處的斜角小，在所述第一點(diǎn)上的阱層的厚度比在所述第二點(diǎn)上的阱層的厚度小。
2. 如權(quán)利要求l所述的基于氮化鎵的外延晶片，其中限定所述線 段，使得由晶軸<1-100>和<11-20>中的一個(gè)晶軸與所述線段限定的基準(zhǔn) 面與所述主面正交。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的基于氮化鎵的外延晶片，其中所述氮 化鎵襯底包括取向平面和邊緣，所述邊緣的形狀基本上呈由中心點(diǎn)限 定的圓弧，并且所述取向平面的取向與晶體取向<1-100>和<11-20>中的一個(gè)相對(duì)應(yīng)。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的基于氮化鎵的外延晶片，其中所述氮 化鎵襯底包括邊緣，所述邊緣的形狀基本上呈由中心點(diǎn)限定的圓形， 并且所述氮化鎵襯底包括與晶體取向<1-100>和<11-20>中的一個(gè)相對(duì) 應(yīng)的標(biāo)記。
5. 如權(quán)利要求l或2所述的基于氮化鎵的外延晶片，其中沿穿過 所述氮化鎵襯底的所述主面的中心點(diǎn)的軸，斜角分布的最大值和最小 值之差為0.7°以下。
6. —種制造氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法，所述方法包括 在多個(gè)氮化鎵襯底的主面上同時(shí)生長(zhǎng)基于氮化鎵的半導(dǎo)體膜的步驟，所述多個(gè)氮化鎵襯底布置在有機(jī)金屬氣相外延反應(yīng)器的支撐臺(tái)上； 以及通過供應(yīng)原料氣體，利用所述有機(jī)金屬氣相外延反應(yīng)器在所述各 個(gè)基于氮化鎵的半導(dǎo)體膜上形成具有量子阱結(jié)構(gòu)的有源層的步驟，其中所述有源層包括阱層，所述阱層由包含銦作為III族元素的基 于氮化鎵的半導(dǎo)體構(gòu)成，在各個(gè)氮化鎵襯底的主面的法線和所述氮化鎵襯底的C軸之間的 斜角具有在整個(gè)所述主面上的分布，并在從所述主面的邊緣上的一個(gè)點(diǎn)向所述邊緣上的另一個(gè)點(diǎn)延伸的線段上單調(diào)變化，以及在所述主面上的第一點(diǎn)處的斜角比在所述主面上的第二點(diǎn)處的斜 角小，在所述第一點(diǎn)上的阱層的厚度比在所述第二點(diǎn)上的阱層的厚度
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中在橫穿所述支撐臺(tái)主面的方向 上供應(yīng)用于形成所述有源層的所述原料氣體，以及如此供應(yīng)所述原料氣體，使得所述有源層的所述阱層的生長(zhǎng)速度 沿所述原料氣體流動(dòng)的方向分布。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，還包括將所述氮化鎵襯底布置在所 述支撐臺(tái)上的步驟，其中各個(gè)氮化鎵襯底的線段以某一軸的方向取向。
9. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中在橫穿所述支撐臺(tái)主面的軸的方向上供應(yīng)用于形成所述有源層的所述原料氣體，以及如此供應(yīng)所述原料氣體，使得所述有源層的所述阱層的生長(zhǎng)速度沿所述原料氣體從上游向下游流動(dòng)的方向分布。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，還包括將所述氮化鎵襯底布置在所述支撐臺(tái)上的步驟，其中所述支撐臺(tái)包括多個(gè)用于所述氮化鎵襯底的導(dǎo)向裝置，所述導(dǎo)向裝置設(shè)置于在所述支撐臺(tái)的主面上限定的圓周上，以及各個(gè)氮化鎵的線段以與所述支撐臺(tái)的所述主面上的圓周的切線相交的方向取向。
11. 如權(quán)利要求6 10中任一項(xiàng)所述的方法，其中在旋轉(zhuǎn)所述支撐臺(tái)的同時(shí)生長(zhǎng)所述阱層。
全文摘要
原料氣體流過有機(jī)金屬氣相生長(zhǎng)爐(21)的流動(dòng)通道(23)。在從一端至另一端橫穿支撐臺(tái)(25)主面(25a)的方向上供應(yīng)所述原料氣體。將GaN襯底(27a～27c)布置在所述支撐臺(tái)主面(25a)上。斜角在從所述氮化鎵襯底(27a～27c)的主面的邊緣上的一個(gè)點(diǎn)向所述邊緣上的另一個(gè)點(diǎn)的線段上單調(diào)變化。所述各個(gè)GaN襯底(27a～27c)的取向由所述取向平面的方向表示。通過根據(jù)所述取向?qū)⑺龆鄠€(gè)氮化鎵襯底(27a～27c)布置在所述有機(jī)金屬氣相生長(zhǎng)爐(21)的支撐臺(tái)(25)上，通過利用歸因于所述原料氣體流動(dòng)的影響能夠降低所述斜角分布的影響。
文檔編號(hào)H01L33/06GK101647091SQ200880010360
公開日2010年2月10日 申請(qǐng)日期2008年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月28日
發(fā)明者上野昌紀(jì), 中村孝夫, 善積祐介 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社