專利名稱：基于氮化鎵生長(zhǎng)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料和半導(dǎo)體器件的制造方法，更具體地講，涉及通過(guò)有機(jī)金屬氣相外延(又稱0MVPE)來(lái)制造第三族元素氮化物的非極性外延異質(zhì)結(jié)構(gòu)(又稱A3N結(jié)構(gòu))，A3N結(jié)構(gòu)通常用于諸如激光器、發(fā)光二極管(LED)尤其是白色LED的器件。
背景技術(shù)：
A3N半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)是用來(lái)設(shè)計(jì)和制造處于光譜的可見(jiàn)部分和紫外部分的輻射的高效發(fā)光二極管和激光器(包括白色LED)的基本材料。在參考文獻(xiàn)[I]中，首次提出了用材料(stocks)磷光體來(lái)覆蓋這些結(jié)構(gòu)，從而將GaN-MIS結(jié)構(gòu)的深藍(lán)和/或紫外輻射轉(zhuǎn)換成處于光譜的可見(jiàn)部分的波長(zhǎng)較長(zhǎng)的輻射。在參考文獻(xiàn)[2]中，已經(jīng)提出了基于被釔-鋁-石榴石磷光體覆蓋的深藍(lán)p-nAlGalnN異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)射器來(lái)設(shè)計(jì)白色發(fā)光二極管。發(fā)射器的初級(jí)深藍(lán)輻射的部分被轉(zhuǎn)換成磷光體的黃色輻射。結(jié)果，來(lái)自發(fā)射器的藍(lán)色輻射和通過(guò)磷光體中的藍(lán)色輻射產(chǎn)出的互補(bǔ)的黃色熒光的混合通過(guò)LED生成具有一定色坐標(biāo)的白光。白色發(fā)光二極管的本質(zhì)上互不相同的三種基本設(shè)計(jì)如下:
—基于深藍(lán)色熒光體的發(fā)射器的發(fā)光二極管，其中，該發(fā)射器由將深藍(lán)輻射的一部分轉(zhuǎn)換成黃色輻射的材料磷光體的層覆蓋；一基于紫外輻射的發(fā)射器的發(fā)光二極管，其中，該發(fā)射器由將紫外輻射轉(zhuǎn)換成熒光體的紅色波段熒光、綠色波段熒光和深藍(lán)色波段熒光(RGB系統(tǒng))的材料磷光體的層覆蓋；一包含三個(gè)單獨(dú)的發(fā)射器的全彩色發(fā)光二極管，其中，全彩色發(fā)光二極管包含在光譜的紅色部分、綠色部分和深藍(lán)色部分(RGB系統(tǒng))進(jìn)行輻射的三種單獨(dú)的發(fā)射器。不管有何區(qū)別，所有列出的類型的白色發(fā)光二極管的參數(shù)的改進(jìn)都要求完善外延A3N-異質(zhì)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的方法和增加磷光體的輻射的量子輸出。為了批量生產(chǎn)發(fā)光二極管，制造A3N-異質(zhì)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)選的方法是有機(jī)金屬氣相外延(OMVPE)法。藍(lán)寶石(A1203)、碳化硅(6H_SiC)、氮化鎵(GaN)和氮化鋁(AlN)用作A3N外延結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的基底。使用最多的是較為便宜的藍(lán)寶石基底。碳化硅基底往往比藍(lán)寶石基底昂貴，因此并不是經(jīng)常使用。理想的基底可以是由GaN或AlN制成的基底，但是尚未實(shí)現(xiàn)它們的
批量生產(chǎn)。普通的用于發(fā)光二極管的A3N-異質(zhì)結(jié)構(gòu)包含下列功能部分: 監(jiān)寶石或碳化娃的單晶基底，該基底的表面是限定A3N外延層的晶型的c晶面
(0001)，例如，限定A3N外延層的纖鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)和晶格的方位角取向的c晶面；
寬帶隙發(fā)射器，通常為η型和ρ型AlxGahN層，提供電子和空穴的有效注入，并將電子和空穴限制在異質(zhì)結(jié)構(gòu)的有源區(qū)內(nèi)； 有源區(qū)，通常包含諸如通常沒(méi)有被特別摻雜的InxGahN合金的材料的一組窄帶隙層；.η型和ρ型導(dǎo)電的接觸外延GaN層，在器件的截面部分提供均勻分布的電流密度和低比電阻的歐姆接觸。在各種器件中使用的A3N—外延異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，具體地講，在發(fā)光二極管和激光器中，缺陷(位錯(cuò)、堆積缺陷等)的密度還有機(jī)械應(yīng)力的水平應(yīng)當(dāng)盡可能得低。例如，GaAs激光器異質(zhì)結(jié)構(gòu)的位錯(cuò)密度值通常不超過(guò)IO2 - 103cnT2。在A3N異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，基本存在兩種缺陷源，其一是關(guān)于基底和A3N外延層的晶格參數(shù)的差異，其二是關(guān)于異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的層(例如，GaN層和AlxGahN層之間或者GaN層和InxGahN層之間)的晶格參數(shù)的不匹配。對(duì)于GaN基底或AlN基底的情形，第一缺陷源的分布減少，而與第二缺陷源的分布相當(dāng)。A3N單晶外延層具 有纖鋅礦型晶體結(jié)構(gòu):生長(zhǎng)在沿著(0001)面取向的單晶Al2O3基底(氧的子晶格參數(shù)a=0.275nm)上或者在6H_SiC基底(a=0.308nm)上的AlN (晶格參數(shù)a=0.311nm)、GaN (a=0.316nm)和InN (a=0.354nm),所述A3N單晶外延層總是包含高密度的缺陷(基本上為位錯(cuò))。 因?yàn)榛缀屯庋訉拥木Ц駞?shù)有著本質(zhì)的區(qū)別，所以在“基底一外延層”的界面內(nèi)形成位錯(cuò)。外延層的晶格參數(shù)大于基底的晶格參數(shù)(差值達(dá)16%)，位錯(cuò)將通過(guò)異質(zhì)結(jié)構(gòu)層進(jìn)行傳播。在用于已生長(zhǎng)在藍(lán)寶石基底上的藍(lán)色發(fā)光二極管和綠色發(fā)光二極管的普通的AlGaInN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，位錯(cuò)密度的值可以是IO8 — 101(lCm_2。對(duì)于生長(zhǎng)在SiC基底上的相似的異質(zhì)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，位錯(cuò)密度的值可以是107 — 109cnT2。因此，第一源缺陷的分布被限定為值IO7 — 109cm_2，第二缺陷源(異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的位錯(cuò)形成)的分布等于IO6 — 107cm_2。具體地講，GaN層和AlN層的晶格參數(shù)的不同(差為3.5%)和它們的熱膨脹系數(shù)值的不同造成高密度位錯(cuò)的形成甚至使AlGaN層產(chǎn)生裂紋。對(duì)于解決這些問(wèn)題的部分方案，可以使用如下方法。在第一種方法中，在生長(zhǎng)AlGaN層之前，例如，生長(zhǎng)η型發(fā)射器層(薄的InaiGaa9N層)(厚度為大約0.1微米)以防止使后面的AlxGahN (χ=0.15-0.20)層產(chǎn)生裂紋。在第二種方法中，生長(zhǎng)應(yīng)變多量子超晶格AlGaN/GaN層來(lái)代替χ值恒定的體(bulk)AlxGai_xN η型發(fā)射器層。超晶格中每層的厚度為大約 0.25nm。用于A3N異質(zhì)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的有機(jī)金屬氣相外延的非常特殊的特征是必須在工藝過(guò)程期間使基底溫度突變。所以，在生長(zhǎng)緩沖層(通常是非常薄的非晶GaN或AlN層)時(shí)，藍(lán)寶石基底或碳化硅基底的溫度從1050°C — 1100°C迅速下降到550°C ;在完成非晶GaN或AlN層生長(zhǎng)之后，基底溫度迅速升高到單晶GaN層的生長(zhǎng)溫度(1050°C)。如果對(duì)具有緩沖GaN或AlN層的基底進(jìn)行加熱的過(guò)程緩慢，那么將導(dǎo)致薄的(大約20nm)GaN層的結(jié)晶，并且隨后進(jìn)行的厚的GaN層的生長(zhǎng)導(dǎo)致具有大量缺陷和生長(zhǎng)圖形的不平坦膜的形成。此外，在于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的有源區(qū)內(nèi)生長(zhǎng)InxGapxN層(在x>0.1處)時(shí)，必須生長(zhǎng)過(guò)程中改變基底溫度。這些層在高于850°C — 870°C的溫度下趨于熱分解。在這種情況下，在較低(800°C— 850°C)的溫度下完成InxGahN層的生長(zhǎng)。在使基底溫度升高到1000°C— 1050°C的過(guò)程中，應(yīng)該在異質(zhì)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的工藝中進(jìn)行不對(duì)基底提供(submission)有機(jī)金屬Ga、Al和In前驅(qū)物的操作。為了防止InxGa1J層的熱分解，有時(shí)用薄( 20nm)的保護(hù)Ala2Gaa8N層覆蓋InxGahN層。該保護(hù)Ala2Gaa8N層具有足夠的穩(wěn)定性而在達(dá)到大約1050°C的溫度下才分解。具有沉積的外延層的基底的溫度的急劇變化(除了在GaN或AlN緩沖GaN層生長(zhǎng)期間之外)會(huì)造成另外地形成缺陷和裂紋生長(zhǎng)層，例如AlGaN層。因此，期望有這樣的A3N異質(zhì)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的方法，具體地講，期望有這樣的用于超亮發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)的方法，即，能夠使生長(zhǎng)溫度平滑變化并防止在InxGahN層生長(zhǎng)的生長(zhǎng)過(guò)程的中斷。這些生長(zhǎng)方法還降低了在A3N異質(zhì)結(jié)構(gòu)層的界面內(nèi)產(chǎn)生的位錯(cuò)的密度?？梢酝ㄟ^(guò)使用包括橫向外延過(guò)生長(zhǎng)(LEO技術(shù))在內(nèi)的特殊技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)滲透到在藍(lán)寶石或碳化硅基底上生長(zhǎng)的(0001)異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)的減少。首先，在該技術(shù)中，薄的緩沖GaN層通常在低溫下生長(zhǎng)。然后，將SiO2膜或Si3N4膜沉積在結(jié)構(gòu)表面上。在這層膜內(nèi)，將相互平行的窄長(zhǎng)窗口蝕刻到緩沖層，然后，在接下來(lái)的外延工藝期間，厚的GaN層已在高溫下生長(zhǎng)在SiO2或Si3N4膜表面上。在同一工藝中，A3N異質(zhì)結(jié)構(gòu)也長(zhǎng) 成。容易看出，LEO技術(shù)比常用技術(shù)較為復(fù)雜且更耗勞力。理論上且局部地，實(shí)驗(yàn)研究預(yù)測(cè)了在許多器件中(尤其是在發(fā)光二極管和激光器中)使用非極性a面(又稱a-A3N)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。與常用的沿著極性c向
生長(zhǎng)的極性異質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，在a -A3N非極性異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，不存在沿著生長(zhǎng)方向的強(qiáng)的靜電場(chǎng)。正因如此，消除了注入的電子和空穴在非極性a-A3N異質(zhì)結(jié)構(gòu)的有源區(qū)中的空間分離，因此，在此基礎(chǔ)上制得的發(fā)光二極管和激光器中輻射的內(nèi)部量子效率的增大是可以預(yù)期的。許多出版物致力于a-A3N非極性異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。在專利申請(qǐng)[3]中，描述了a-GaN (1120)膜在面(1102)藍(lán)寶石基底上的生長(zhǎng)。在公開(kāi)[4]中，Sh.Nakamura提出了在a-GaN基底上生長(zhǎng)的改進(jìn)的a-A3N非極性異質(zhì)結(jié)構(gòu)。最后，在專利申請(qǐng)[3]中，提到了 a-A3N非極性異質(zhì)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)在碳化硅基底、硅基底、氧化鋅基底、鋁酸鋰基底、鈮酸鋰基底和鍺基底上的幾率。因此，提供低位錯(cuò)和結(jié)構(gòu)缺陷密度的a -A3N非極性異質(zhì)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)是解決提高發(fā)光二極管和激光器的內(nèi)部量子效率及延長(zhǎng)發(fā)光二極管和激光器的壽命的問(wèn)題的技術(shù)發(fā)展的相當(dāng)實(shí)際的方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主題是一種基于AlGaInN系統(tǒng)中的化合物和合金生長(zhǎng)非極性a-A3N外延均質(zhì)結(jié)構(gòu)和/或異質(zhì)結(jié)構(gòu)的新方法，該非極性a -A3N外延均質(zhì)結(jié)構(gòu)和/或異質(zhì)結(jié)構(gòu)在硅酸鎵鑭(a -La3Ga5SiO14)基底上而不是在由其它公知材料制成的基底上的層中具有低位錯(cuò)密度和結(jié)構(gòu)缺陷密度，從而在設(shè)計(jì)和制造發(fā)光二極管和激光器方面使用這些A3N結(jié)構(gòu)。A3N材料和硅酸鎵鑭的特征示出在表I中。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，為了減小“第一外延AlxGahN層一基底”的界面處和發(fā)光異質(zhì)結(jié)構(gòu)的其它功能層中的位錯(cuò)密度，在生長(zhǎng)方法中使用了一種a-硅酸鎵鑭基底。基底和第一外延AlxGahN層的晶格參數(shù)c的不匹配性只是在從x=l處的-2.3%到x=0處的+
1.7%的界限內(nèi)，“基底和第一外延AlxGahN層”的c軸方向上的熱膨脹系數(shù)的不匹配性只是在從X=I處的+ 49%到X=O處的-11%的界限內(nèi)。因此，具有這樣的特定的X值，即在該X值處，不存在基底和第一外延AlxGahN層的晶格參數(shù)c的不匹配性及基底和第一外延AlxGahN層的沿著c軸方向的熱膨脹系數(shù)的不匹配性(表I)。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，為了制造“具有內(nèi)在磷光體的白色異質(zhì)結(jié)構(gòu)”，通過(guò)特殊雜質(zhì)來(lái)?yè)诫s硅酸鎵鑭基底，以將A3N異質(zhì)結(jié)構(gòu)的初級(jí)深藍(lán)輻射(Xmx=455nm)的部分轉(zhuǎn)換成基底的黃色輻射，因而基底結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于式子La3_x_yCexPryGa5Si014。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種硅酸鎵鑭基底的拓?fù)浜驮摪l(fā)射器芯片的一種設(shè)計(jì)，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的所有深藍(lán)輻射被引向基底，以提高輻射功率，并實(shí)現(xiàn)白色輻射的色溫的均勻的空間分布。表I
權(quán)利要求
1.一種基于III族氮化物元素的化合物和合金生長(zhǎng)用于發(fā)光二極管的外延異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括: 在硅酸鎵鑭基底上利用氣相沉積生長(zhǎng)由式子AlxGahN表示的一層或多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)層的步驟，其中，O彡X彡1， 其中，硅酸鎵鑭基底用Ce和Pr進(jìn)行摻雜。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，硅酸鎵鑭基底是a-硅酸鎵鑭基底。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，a-硅酸鎵鑭基底的厚度不超過(guò)80微米。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述一層或多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)層是非極性的。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括在異質(zhì)結(jié)構(gòu)層上生長(zhǎng)由Ce和Pr摻雜的另外的磷光體硅酸鎵鑭層的步驟。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，另外的磷光體硅酸鎵鑭層的厚度不超過(guò)3微米。
7.一種發(fā)光二極管，所述發(fā)光二極管包括: 由Ce和Pr摻雜的硅酸鎵鑭基底；以及一層或多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)層，設(shè)置在硅酸鎵鑭基底上。
8.如權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管，其中，硅酸鎵鑭基底是a-硅酸鎵鑭基底。
9.如權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管，所述發(fā)光二極管還包括設(shè)置在異質(zhì)結(jié)構(gòu)層上的由Ce和Pr摻雜的另外的磷光 體硅酸鎵鑭層。
10.如權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管，其中，異質(zhì)結(jié)構(gòu)層包括n-AlxGai_xN層、P-AlyGa1J層及設(shè)直在I1-AlxGa1-JiN層和P-AlyGa1-JfN層之間的活性層，其中，0 < X < I 0 ^ y ^ I。
11.如權(quán)利要求10所述的發(fā)光二極管，所述發(fā)光二極管還包括設(shè)置在硅酸鎵鑭基底和I1-AlxGa1^N層之間的GaN緩沖層。
全文摘要
本發(fā)明是基于氮化鎵生長(zhǎng)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法。提供了一種基于III族氮化物元素的化合物和合金生長(zhǎng)用于發(fā)光二極管的外延異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括在硅酸鎵鑭基底上利用氣相沉積生長(zhǎng)由式子AlxGa1-xN表示的一層或多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)層的步驟，其中，0≤x≤1，其中，硅酸鎵鑭基底用Ce和Pr進(jìn)行摻雜。
文檔編號(hào)H01L33/32GK103215648SQ20131011986
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2007年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月6日
發(fā)明者弗拉季米爾·西蒙諾維奇·阿布拉莫夫, 諾姆·佩托維奇·索西沁, 瓦列里·佩托維奇·蘇切科夫, 尼古拉·瓦倫蒂諾維奇·施切巴科夫, 弗拉季米爾·瓦拉迪米諾維奇·艾倫科夫, 塞爾蓋·亞歷克桑德諾維奇·薩克哈若夫, 弗拉季米爾·亞歷克桑德諾維奇·戈比列夫 申請(qǐng)人:弗拉季米爾·西蒙諾維奇·阿布拉莫夫, 首爾半導(dǎo)體株式會(huì)社