CN102945903A - 半导体器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有改善的表面形貌特性的半导体器件及其制造方法。所述半导体器件包括：r面蓝宝石衬底；AlxGa_(1-x)N（0≤x<1）缓冲层，在900-1100℃的温度下在包含氮气（N₂）的气体环境下，在r面蓝宝石衬底上外延生长至

的范围的厚度；以及第一a面GaN层，形成于缓冲层上。

Description

半导体器件及其制造方法

本申请针对是申请日为2006年11月17日、申请号为200610149412.7、发明名称为“半导体器件及其制造方法”专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种GaN半导体器件，且更具体而言，涉及一种具有改善的表面形貌特性的半导体器件及其制造方法。

背景技术

例如氮化物半导体激光二极管的常规GaN基器件实现在c面GaN衬底上。然而，GaN晶体的c面已知为极面。因此，在氮化物半导体激光二极管中，通过由c面的极化所形成的内电场的影响，可以减小电子与空穴复合的几率，这降低了氮化物半导体激光二极管的发光效率。

为了解决该问题，已经开发了一种在不具有极性的a面GaN衬底上实现半导体器件的技术。

图1是常规的a面GaN衬底的剖面图，且图2和3分别是剖面扫描电子显微镜（SEM）照片和表面SEM照片，显示了图1所示的a面GaN衬底。

通过在r面蓝宝石衬底2上外延生长a面GaN层6，可以获得a面GaN衬底。然而，r面蓝宝石衬底2和a面GaN层6之间的晶格失配为相当大的约16.2%，由此在堆叠在r面蓝宝石衬底2上的a面GaN层6的表面上产生了由应力导致的V形缺陷。因此，当在其上产生了V形缺陷的a面GaN层6的表面上实现器件时，降低了器件特性。

发明内容

本发明提供了一种具有改善的表面形貌特性的半导体器件及其制造方法。

根据本发明的方面，提供有一种半导体器件，其包括：r面蓝宝石衬底；Al_xGa_(1-x)N（0≤x<1）缓冲层，在900-1100℃的温度下在包含氮气（N₂）的气体环境下，在r面蓝宝石衬底上外延生长至

的范围的厚度；以及第一a面GaN层，形成于缓冲层上。

包含氮气（N₂）的气体环境可以为N₂和氢气（H₂）的混合气体环境，且混合气体中的N₂的比例可以为1-99.99%。

在第一a面GaN层上可以进一步生长第二a面GaN层。这里，第一a面GaN层可以由包括n型掺杂剂的n型半导体形成，且第二a面GaN层可以由包括p型掺杂剂的p型半导体形成。

根据本发明的另一方面，提供有一种制造半导体器件的方法，其包括：在900-1100℃的温度下在包含氮气（N₂）的气体环境下，在r面蓝宝石衬底上外延生长Al_xGa_(1-x)N（0≤x<1）缓冲层至的范围的厚度，以形成缓冲层；和在缓冲层上形成第一a面GaN层。

所述方法还可以包括在第一a面GaN层上形成第二a面GaN层。这里，第一a面GaN层可以由包括n型掺杂剂的n型半导体形成，且第二a面GaN层可以由包括p型掺杂剂的p型半导体形成。而第一a面GaN层和第二a面GaN层可以在900-1200℃的温度下形成，而且可以在1-200托的压力下形成缓冲层。

根据本发明，可以获得具有改善的表面形貌特性的半导体器件。

附图说明

参考附图，通过详细描述其示范性实施例，本发明的以上和其他特征和优点将变得更加显见，在附图中：

图1是常规的a面GaN衬底的剖面图；

图2是图1所示的a面GaN衬底的剖面扫描电子显微镜（SEM）照片；

图3是图1所示的a面GaN衬底的表面SEM照片；

图4是根据本发明的实施例的半导体器件的剖面图；

图5是图4所示的半导体器件的剖面SEM照片；

图6是图4所示的半导体器件的表面SEM照片；

图7是根据本发明的另一实施例的半导体器件的剖面图；

图8A到8C是示出根据本发明的实施例的半导体器件的制造方法的流程图；

图9是图8A到8C所示的半导体器件的制造方法中第一a面GaN层的缓冲层的厚度相对于结晶度的曲线图；和

图10A到图10D是示出根据本发明的另一实施例的半导体器件的制造方法的流程图。

具体实施方式

现将参考其中显示本发明的实施例的附图在其后更加全面地描述本发明。在附图中，为了清晰夸大了层和区域的厚度。

图4是根据本发明的实施例的半导体器件的剖面图，图5和图6分别是图4所示的半导体器件的剖面SEM照片和表面SEM照片。

参考图4到图6，根据本发明的实施例的半导体器件包括依次堆叠在r面蓝宝石衬底12上的Al_xGa_(1-x)N（0≤x<1）缓冲层14和第一a面GaN层16。图4中所示的半导体器件可以被用作半导体衬底，用于制造GaN基器件。

在包含氮气（N₂）的气体环境下且在900-1100℃的温度下，缓冲层14可以被外延生长至

的范围的厚度。这里，包含氮气（N₂）的气体环境是N₂气体环境或N₂和氢气（H₂）的混合气体环境。当缓冲层14在混合气体环境中形成时，混合气体的N₂的比例可以为1-99.99%。在该情形，缓冲层14可以在1-200托（torr）的压力下形成，优选地在100torr的压力下形成。

缓冲层14用于弥补r面蓝宝石衬底12和第一a面GaN层16之间的晶格失配。于是，可以改善外延生长在缓冲层14上的a面GaN层16的表面形貌特性。具体而言，堆叠在缓冲层14上的第一a面GaN层16不包括V形缺陷，且可以具有镜面状表面形貌。具体而言，因为GaN晶体的a面已知为非极面，所以当在半导体器件上实现例如氮化物半导体激光二极管的GaN基器件时（见图7），可以改善氮化物半导体激光二极管的发光效率和光功率。

图7是根据本发明的另一实施例的半导体器件的剖面图。如图7所示，半导体器件可以被实现为氮化物半导体激光器件。

参考图7，半导体器件，即氮化物半导体激光二极管，包括依次堆叠在r面蓝宝石衬底12上的Al_xGa_(1-x)N（0≤x<1）缓冲层14、第一a面GaN层20、有源层22、第二a面GaN层24。而且，在第一a面GaN层20和第二a面GaN层24的台阶部分上利用比如Ag或Au的导电材料，形成了n电极30和p电极40。

在包含氮气（N₂）的气体环境下且在900-1100℃的温度下，缓冲层14可以被外延生长至

的范围的厚度。这里，包含氮气（N₂）的气体环境是N₂小气体环境或N₂和氢气（H₂）的混合气体环境。当缓冲层14在混合气体环境中形成时，混合气体的N₂的比例可以为1-99.99%。在该情形，缓冲层可以在1-200torr的压力下形成，优选地在100torr的压力下形成。在这样的工艺中形成的缓冲层14用于弥补r面蓝宝石衬底12和第一a面GaN层20之间的晶格失配。于是，可以改善外延生长在缓冲层14上的第一a面GaN层20的表面形貌特性。具体而言，堆叠在缓冲层14上的第一a面GaN层20不包括V形缺陷，且可以具有镜面状的表面形貌。

在图7所示的半导体器件中，第一a面GaN层20可以由包括n型掺杂剂的n型半导体形成，且第二a面GaN层24可以由包括p型掺杂剂的p型半导体形成。具体而言，第一a面GaN层20是n-GaN基III-V族氮化物基化合物半导体层，且具体而言可以为n-GaN层。然而，第一a面GaN层20不限于此，且可以为其中可以进行激光振荡（激光作用）的另一种III-V族化合物半导体层。另外，第二a面GaN层24是p-GaN基III-V族氮化物基化合物半导体层，且具体而言可以为p-GaN层。然而，第二a面GaN层24不限于此，且可以为其中可以进行激光振荡（激光作用）的另一种III-V族化合物半导体层。

其中可以进行激光作用的材料层可以被用作有源层22。其中具有小阈值电流和稳定横模特性的激光可以被振荡的材料层可以被用作有源层22。GaN基III-V族氮化物基化合物半导体层In_xAl_yGa_1-x-yN（0≤x≤1、0≤y≤1和x+y<1）可以被用作有源层22，其中包含了预定的比例的Al。有源层22可以具有多量子阱结构和单量子阱激光之一，且有源层22的结构不限制本发明的技术范围。

如上所述，图7所示的半导体器件具有优异的表面形貌特性，且具有非极面形成的上面。于是，可以改善堆叠在第一a面GaN层20上的薄膜的表面特性，即有源层22和第二a面GaN层24的表面特性。如此，可以改善氮化物半导体激光二极管的内量子效率和光学提取效率，由此改善了发光效率和光功率。

图8A到8C是示出根据本发明的实施例的半导体器件的制造方法的流程图。可以利用化学气相沉积（CVD）形成每层。CVD包括原子层沉积（ALD）、金属有机CVD（MOCVD）和其他已知的气相沉积。

参考图8A到8C，制备了r面蓝宝石衬底12，然后在900-1100℃的温度下在包含氮气（N₂）的气体环境下，在r面蓝宝石衬底12上外延生长Al_xGa_(1-x)N（0≤x<1）至

的范围的厚度，由此形成缓冲层14。这里，包含氮气（N₂）的气体环境是N₂气体环境或N₂和氢气（H₂）的混合气体环境。当缓冲层14在混合气体环境中形成时，混合气体中的N₂的比例可以为1-99.99%。在该情形，缓冲层可以在1-200torr的压力下形成，优选地在100torr的压力下形成。

在生长缓冲层14之后，在缓冲层14上形成第一a面GaN层16。第一a面GaN层16可以在900-1200℃的温度下形成。第一a面GaN层16可以由包括n型掺杂剂的n型半导体形成。

缓冲层14可以夹置与r面蓝宝石衬底12和第一a面GaN层16之间，且用于弥补r面蓝宝石衬底12和第一a面GaN层16之间的晶格失配。如此，可以改善堆叠在缓冲层14上的第一a面GaN层16的表面形貌特性，不包括V形缺陷且可以具有镜面状表面形貌。具体而言，因为GaN晶体的a面已知为非极面，所以当在半导体器件上实现例如氮化物半导体激光二极管的GaN基器件时（见图10），可以改善氮化物半导体激光二极管的发光效率和光功率。具体而言，在根据本发明的制造工艺中，当外延生长缓冲层14时，控制缓冲层14的厚度，从而控制堆叠在其上的第一a面GaN层16的结晶度。这将参考图9来描述。

图9是图8A到8C所示的半导体器件的制造方法中第一a面GaN层的缓冲层的厚度相对于结晶度的曲线图。参考图9，第一a面GaN层16的结晶度取决于缓冲层14的厚度。具体而言，随着缓冲层14的厚度增加，改善了第一a面GaN层16的结晶度。

图10A到图10D是示出根据本发明的另一实施例的半导体器件的制造方法的流程图。氮化物半导体激光二极管被实现为半导体器件，如图10A到10D所示。这里，图10A到10D所示的半导体器件的制造方法可以包括与图8A到8C所示的半导体器件的制造方法相同的工艺。于是，对于重复和相同的工艺，请参考图8A到8C和其描述。

参考图10A和10B，制备了r面蓝宝石衬底12，然后在900-1100℃的温度下在包含氮气（N₂）的气体环境下，在r面蓝宝石衬底12上外延生长Al_xGa_(1-x)N（0≤x<1）至

的范围的厚度，由此形成缓冲层14。之后，在缓冲层14上依次形成第一a面GaN层20、有源层22和第二a面GaN层24。

具体而言，在根据本发明的制造工艺中，当外延生长缓冲层14时，控制缓冲层14的厚度，从而控制了堆叠在其上的第一a面GaN层20的结晶度，如前所述。

第一a面GaN层20可以由包括n型掺杂剂的n型半导体形成，且第二a面GaN层24可以由包括p型掺杂剂的p型半导体形成。第一a面GaN层20和第二a面GaN层24每个均可以在900-1200℃的温度下形成。

具体而言，第一a面GaN层20是n-GaN基III-V族氮化物基化合物半导体层，且具体而言可以为n-GaN层。然而，第一a面GaN层20不限于此，且可以为其中可以进行激光振荡（激光作用）的另一种III-V族化合物半导体层。另外，第二a面GaN层24是p-GaN基III-V族氮化物基化合物半导体层，且具体而言可以为p-GaN层。然而，第二a面GaN层24不限于此，且可以为其中可以进行激光振荡（激光作用）的另一种III-V族化合物半导体层。

其中可以进行激光作用的材料层可以被用作有源层22。其中具有小阈值电流和稳定的横模特性的激光可以被振荡的材料层可以被用作有源层22。GaN基III-V族氮化物基化合物半导体层In_xAl_yGa_1-x-yN（0≤x≤1、0≤y≤1和x+y<1）可以被用作有源层22，其中包含了预定的比例的Al。有源层22可以具有多量子阱结构和单量子阱激光之一，且有源层22的结构不限制本发明的技术范围。

参考图10C和10D，在最上层的第二a面GaN层24上选择了预定的区域，且将其蚀刻/去除到第一a面GaN层20的预定深度，由此在第一a面GaN层20上形成台阶部分。之后，在第一a面GaN层20和第二a面GaN层24的台阶部分上利用比如Ag或Au的导电材料，形成了n电极30和p电极40。

在图7所示的半导体器件中，由于第一a面GaN层20具有优异的表面形貌特性，且具有非极面形成的上面，因此可以改善堆叠在第一a面GaN层20上的薄膜的表面特性，即有源层22和第二a面GaN层24的表面特性。如此，可以改善氮化物半导体激光二极管的内量子效率和光学提取效率，由此改善了发光效率和光功率。

根据本发明，可以获得具有改善的表面形貌特性的氮化物基半导体器件。根据本发明的半导体器件不包括V形缺陷且具有镜面状表面形貌。具体而言，因为GaN晶体的a面已知为非极面，所以当根据本发明的实施例在半导体器件中的缓冲层14上形成的第一a面GaN层20上实现例如氮化物半导体激光二极管的GaN基器件时，可以改善氮化物半导体激光二极管的发光效率和光功率。

虽然参考其示范性实施例具体显示和描述了本发明，然而本领域的一般技术人员可以理解在不脱离由权利要求所界定的本发明的精神和范围的情况下，可以作出形式和细节上的不同变化。

Claims (25)

1.一种半导体器件，包括：

r面蓝宝石衬底；

Al_xGa(_1-x)N缓冲层，其中0≤x<1，在900-1100℃的温度下在包含N₂的气体环境下，在所述r面蓝宝石衬底上外延生长至

的范围的厚度；以及

第一a面GaN层，形成于所述缓冲层上，

其中所述第一a面GaN层具有镜面状表面形貌。

2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述包含N₂的气体环境为N₂和H₂的混合气体环境。

3.根据权利要求2所述的半导体器件，其中所述混合气体中的N₂的比例为1-99.99%。

4.根据权利要求1所述的半导体器件，其中在所述第一a面GaN层上进一步生长第二a面GaN层。

5.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述第一a面GaN层包括n型掺杂剂。

6.根据权利要求5所述的半导体器件，其中所述第一a面GaN层由n型半导体形成。

7.根据权利要求4所述的半导体器件，其中所述第二a面GaN层包括p型掺杂剂。

8.根据权利要求7所述的半导体器件，其中所述第二a面GaN层由p型半导体形成。

9.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述第一a面GaN层在900-1200℃的温度下形成。

10.根据权利要求4所述的半导体器件，其中所述第二a面GaN层在900-1200℃的温度下形成。

11.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述缓冲层在1-200托的压力下形成。

12.一种半导体器件，包括：

r面蓝宝石衬底；

Al_xGa_(1-x)N缓冲层，其中0≤x<1，在900-1100℃的温度下在包含氮气的气体环境下，在所述r面蓝宝石衬底上外延生长至

的范围的厚度；以及

第一a面GaN层，形成于所述缓冲层上且包括n型掺杂剂；

有源层，形成于所述第一a面GaN层上；和

第二a面GaN层，形成于所述有源层上且包括p型掺杂剂。

13.一种制造半导体器件的方法，包括：

在900-1100℃的温度下在包含氮气的气体环境下，在r面蓝宝石衬底上外延生长Al_xGa_(1-x)N缓冲层至

的范围的厚度，以形成缓冲层，其中0≤x<1，；和

在所述缓冲层上形成第一a面GaN层，

其中所述第一a面GaN层具有镜面状表面形貌。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述包含N₂的气体环境为N₂和H₂的混合气体环境。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述混合气体中的N₂的比例为1-99.99%。

16.根据权利要求13所述的方法，还包括在所述第一a面GaN层上生长第二a面GaN层。

17.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一a面GaN层形成以包括n型掺杂剂。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一a面GaN层由n型半导体形成。

19.根据权利要求16所述的方法，其中所述第二a面GaN层形成以包括p型掺杂剂。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述第二a面GaN层由p型半导体形成。

21.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一a面GaN层在900-1200℃的温度下形成。

22.根据权利要求16所述的方法，其中所述第二a面GaN层在900-1200℃的温度下形成。

23.根据权利要求13所述的方法，其中所述缓冲层在1-200托的压力下形成。

24.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一a面GaN层的结晶度通过控制所述缓冲层的厚度来控制。

25.一种制造半导体器件的方法，包括：

在900-1100℃的温度下在包含氮气的气体环境下，在r面蓝宝石衬底上外延生长Al_xGa_(1-x)N缓冲层至的范围的厚度，以形成缓冲层，其中0≤x<1；和

在所述缓冲层上形成包括n型掺杂剂的第一a面GaN层；

在所述第一a面GaN层上形成有源层；和

在所述有源层上形成包括p型掺杂剂的第二a面GaN层。

Images