氮化物基半導體器件及其製造方法
2023-06-01 23:26:06 2
專利名稱：氮化物基半導體器件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及包含氮化物基化合物半導體(InxAlyGa1-x-yN0≤x，0≤y，x+y＜1)層的半導體器件及其製造方法的改進。
背景技術：
日本專利公開第06-196757號公開了可以用於藍光發光二極體或藍光雷射二極體的氮化物基半導體器件。根據日本專利公開第06-196757號的公開內容，在510℃的溫度下在藍寶石襯底上生長厚約20nm的GaN緩衝層。在1030℃的襯底溫度下，在GaN緩衝層上生長厚2μm的GaN層。此外，在800℃的襯底溫度下，在GaN上生長InGaN發光層。
日本專利公開第2000-277804號公開了這樣的技術，即，在形成於藍寶石襯底上的氮化物基半導體疊層結構上層疊導電襯底，且隨後通過拋光(lapping)等除去該藍寶石襯底。
諸如日本專利公開第06-196757所公開的，由現有技術製造的氮化物基半導體發光器件中存在一些問題。
最重要的問題在於，形成於藍寶石襯底上的多個氮化物半導體層內，螺位錯密度顯著增加。螺位錯密度增大的原因如下。由於緩衝層在相對低的溫度下形成於藍寶石襯底上，且隨後通過將溫度上升500℃以上而生長GaN層，在該溫度上升的過程中緩衝層表面上的原子再度蒸發，導致形成大量缺陷。因此，在隨後生長的GaN層內產生大量的螺位錯。這導致結果的發光器件的特性較差。
現有技術中的另一個問題為，由於藍寶石襯底是絕緣體，因此無法在藍寶石襯底背面上形成電極。這導致發光器件的更大的晶片尺寸及更高的成本。此外，藍寶石襯底非常硬，難以將襯底劃分成晶片。這導致發光器件的成品率降低。
為了解決這些問題，日本專利公開第2000-277804公開了下述方法。導電襯底層疊在形成於藍寶石襯底上的氮化物基半導體疊層結構上，隨後通過拋光除去藍寶石襯底。之後，形成上電極與下電極，使得晶片尺寸可以減小。這種情況下，該導電襯底使用容易劃分的矽襯底等，從而便於晶片劃分。然而，實際上，極難通過拋光除去藍寶石襯底，這導致發光器件的成品率降低。
其中的原因在於，由於氮化物基半導體與藍寶石之間的熱膨脹係數差異，具有生長在藍寶石襯底上的氮化物基半導體疊層結構的晶片發生翹曲。翹曲導致晶片中心與邊緣之間的水平偏差可達約幾十微米，儘管該翹曲取決於氮化物基半導體疊層結構的厚度等。由於氮化物基半導體疊層結構的厚度為幾微米，只有當晶片的翹曲被抑制到約亞微米時，才可能實現均勻拋光以除去襯底。否則將會導致，氮化物基半導體層在一部分位置被暴露，同時藍寶石襯底在一部分位置殘留。儘管日本專利公開第2000-277804號公開了除了拋光以外還使用蝕刻與以解決該問題，但目前難以獲得可蝕刻藍寶石的蝕刻劑且蝕刻速率非常慢。因此這種途徑對於實際製造是不現實的。此外，幹法蝕刻不能選擇性地蝕刻藍寶石，且使用傳統方法難以製造具有上電極與下電極的發光器件。
此外，在由傳統方法製造的具有上電極與下電極的發光器件中，形成於通過除去藍寶石襯底而暴露的表面上的電極具有高的接觸電阻，導致驅動電壓增大以及由此導致功耗增加。
此外，根據日本專利公開第06-196757號的傳統方法，藍寶石襯底是透明的，因此發光器件的發光層內產生的光的很大部分穿過襯底，且光還從藍寶石襯底的側面出射，由此導致發光器件的軸向發光強度降低。氮化物基半導體發光器件經常用做顯示器的背光，對於這種應用，最重要的不是從晶片發射的光的總數量，而是從晶片前表面發射的光的數量。因此，理想地要增加發光器件的軸向發光強度。
發明內容
鑑於上述現有技術中的問題，本發明旨在改善氮化物基半導體器件的各種特性並改善器件的成品率。
根據本發明的一個方面，製造氮化物基半導體器件的方法包括步驟在襯底上形成釋放層(releasing layer)，該釋放層有利於稍後的襯底分離，以及在該釋放層上形成至少一個氮化物基半導體層。此外，根據本發明的另一個方面，氮化物基半導體器件的製造方法包括步驟在襯底上形成至少一個導電膜；以及，在該導電層上形成至少一個氮化物基導電層。
該導電膜可包含金屬、類金屬、合金或半導體中的任意一種。具體地，該導電膜可包含Mo、W、Ta、Nd、Al、Ti、Hf、Si、Ge、GaAs及GaP中的任意一種。對於導電膜預期具有至少50％的反射率的情形，該導電膜可包括含Ag或Al的金屬或合金。該導電膜還可以是導電的金屬氧化物，這種情況下該導電膜可包含氧化銦。此外，該導電膜可具有多層結構。可以通過蒸鍍方法、濺射或等離子體CVD方法形成該導電膜。
在形成至少一個氮化物基半導體層的步驟中，可以連續地沉積氮化物基半導體底層、第一導電類型的氮化物基半導體層、發光層以及第二導電類型的氮化物基半導體層。優選地，在至少900℃的溫度下沉積氮化物基半導體底層。優選地，在不高於該氮化物基半導體底層沉積溫度的溫度下沉積第一導電類型的氮化物基半導體層。導電膜中包含的金屬層可反應而形成氮化膜，該氮化膜可加工成電流阻擋層的形狀。該氮化物基半導體底層可由InxAlyGa1-x-yN(0≤x，0≤y，x+y＜1)形成。
該導電膜可包含Mo層，且在形成至少一個氮化物基半導體層的步驟之後，該Mo層可被溶解在含氨水的溶液中，由此可以除去襯底。導電膜可包含氧化銦層，且在形成至少一個氮化物基半導體層的步驟之後，該氧化銦層被溶解在含氯化鐵的溶液中，由此可以除去襯底。
根據本發明，該氮化物基半導體器件包含按下述順序形成於襯底上的導電膜、氮化物基半導體底層、第一導電類型的氮化物基半導體層、發光層以及第二導電類型的氮化物基半導體層。
該導電膜可包含金屬、類金屬、合金及半導體中的任意一種。更具體地，該導電膜可包含Mo、W、Ta、Nd、Al、Ti、Hf、Si、Ge、GaAs及GaP中的任意一種。優選地，該導電膜的反射率至少為50％。該導電膜可具有多層結構。該導電膜可包含氮化膜，該氮化膜具有足夠高的電阻率，使其可用於電流阻擋層。該氮化物基半導體底層可包含InxAlyGa1-x-yN(0≤x，0≤y，x+y＜1)。
在上述本發明中，由於在襯底與氮化物基半導體層之間提供了釋放層，襯底的釋放變得更容易，於是可以提高氮化物基半導體器件的製造效率。可以使用導電膜形成該釋放層。
形成導電膜所獲得的第一個效果為通過在襯底上預先形成由金屬、導電氧化物等形成的導電膜，且隨後在高溫下在該導電膜上形成氮化物基半導體緩衝層，由此可獲得具有低位錯密度和良好結晶質量的氮化物基半導體層。
第二個效果為，對於製作包含上電極與下電極的氮化物基半導體器件的情形，使用溼法蝕刻溶解該導電膜，由此可以容易地分離藍寶石襯底與外延氮化物基半導體疊層結構。因此，與採用襯底拋光的傳統方法相比，成品率可以得到提高，且由於採用該工藝可以短時間除去襯底，器件的生產率也可以得到提高。
第三個效果為，對於通過蝕刻導電膜而分離藍寶石襯底以暴露氮化物基半導體層的表面的情形，形成於暴露表面上的電極的接觸電阻低於不使用導電膜的情形，於是可以減小所得的氮化物基半導體器件的驅動電壓。儘管該現象的機制目前還不清楚，但可以從下述方面考慮。對於在傳統方法中，氮化物基半導體層直接形成於藍寶石襯底上且隨後通過拋光分離襯底的情形，氮化物基半導體層被暴露表面上的原子狀態可能不同於使用導電膜分離襯底的情形。假設由於導電膜的保護效果等，不期望的界面能級可能減少，這些界面能級可能在形成接觸電極時導致形成歐姆缺陷。
在不除去導電膜的情況下，可獲得第四個效果。當發光器件包含透明襯底時，來自發光層的光也傳播進入襯底，相當大數量的光從透明襯底的側表面出射。對於在襯底上形成具有恰當反射率的導電膜且隨後在該導電膜上形成氮化物基半導體疊層結構的情形，光被導電膜反射，並不傳播進入襯底，這使得可以提高軸向發光強度。
此外，當襯底不透明時，不透明襯底在大多數情況下具有低的反射率，因此從發光層向襯底側發射的光大量被襯底吸收。對於在不透明襯底上形成具有恰當反射率的導電膜並在該導電膜上形成氮化物基半導體疊層結構的情形，從發光層發射的光被導電膜反射而不被襯底吸收，這使得可以提高從發光器件提取光的效率。
對於襯底為半導體襯底的情形，可以製作包含上電極與下電極的氮化物基半導體器件而不除去導電膜。另一方面，當不提供導電膜時，由於界面能級的影響而在半導體襯底與氮化物基半導體層之間的界面處形成勢壘，使得氮化物基半導體器件的驅動電壓更高。然而，通過在形成導電膜之後形成氮化物基半導體疊層結構，可以降低氮化物基半導體器件的驅動電壓。
通過結合附圖對本發明的下述詳細描述，本發明的前述及其他目標、特徵、方面及優點將變得更加顯而易見。
圖1為說明根據本發明實施方案的部分氮化物基半導體器件的製造工藝的示意性剖面視圖。
圖2為說明用於層疊的矽襯底的製作工藝的示意性剖面視圖，其中該矽襯底作為一部分而接合到圖1所示部分。
圖3為說明通過將圖1部分與圖2部分組合的氮化物基半導體器件製作工藝的示意性剖面視圖。
圖4為圖3之後通過進一步工藝步驟完成的氮化物基半導體器件的示意性剖面視圖。
圖5為根據本發明另一個實施方案的氮化物基半導體器件的示意性剖面視圖。
圖6為根據本發明另一個實施方案的氮化物基半導體器件的示意性剖面視圖。
具體實施例方式
實施方案1圖1的示意性剖面視圖示出了根據本發明實施方案1的氮化物基半導體器件。在本發明的圖示中，相同的參考符號表示相同或相應的部分。
在製作圖1所示器件時，首先通過蒸鍍在藍寶石襯底1上形成厚5nm的Mo層2。Mo層2隨後用做釋放層，以允許容易地除去藍寶石襯底1。通過蒸鍍在Mo層2上形成厚3nm的Al層(後來轉變成AlN層3)。在藍寶石襯底上具有包含Mo層與Al層的晶片被引入MOCVD(金屬有機物化學氣相沉積)設備。
MOCVD爐腔控制成保持13.3kPa的內部壓力，其中晶片被引入該爐腔。在13.3kPa的壓力下，藍寶石襯底1從室溫被加熱到1000℃，並在1000℃保持1分鐘。此時，使得氫氣以15l/min流動。接著，開始使得NH3以100ccm流動，且幾乎同時，開始供給TMG(三甲基鎵)與TMA(三甲基鋁)。TMG的流速為51.3μmol/min，TMA的流速為25.5μmol/min，氫氣作為載氣，總流速設置為30 l/min。由此在60分鐘內生長了厚約0.7μm的AlGaN緩衝層(底層)。此時，通過蒸鍍形成的厚3nm的Al層被部分或完全氮化形成AlN層3。優選地，在至少900℃的襯底溫度下沉積半導體底層4。儘管在實施方案1中示出了AlGaN底層4作為示例，但通常可以使用InxAlyGa1-x-yN(0≤x，0≤y，x+y＜1)底層。
隨後，停止向爐腔供給TMG與TMA，NH3在100ccm流動，並使得氫氣流動以獲得30 l/min的總流速。這種狀態下，爐腔內的壓力從13.3kPa改變為93.3kPa。壓力在93.3kPa穩定之後，NH3的流速改變為3.5 l/min，TMG流速設為160μmol/min，且以70ccm供給SiH4，從而生長厚4μm的n型GaN層5。從減小螺位錯的角度考慮，優選地在不高於形成半導體底層4的襯底溫度下形成該導電類型層5。
接著，襯底溫度降低到800℃，並生長量子阱發光層6，該量子阱發光層6包含至少一個InGaN阱層與至少一個GaN阻擋層。之後，襯底溫度增加到980℃，並連續生長p型AlGaN層7與p型GaN層8。在生長這些層之後，停止III族元素的原材料供給，同時，爐腔內的氣體切換到含2％NH3的N2，且降低襯底溫度。
從MOCVD爐腔取出冷卻後的晶片。在p型GaN層8上，通過濺射形成作為接觸電極的100nm厚的AgNd層9，在該AgNd層9上形成用於阻擋金屬層的50nm厚的NiTi層10，並進一步在該NiTi層10上形成用於層疊金屬層的1μm厚的Au層11。接著，藍寶石襯底在其背面被研磨和拋光，直到晶片厚度變為100μm。圖1的示意性剖面圖示出了通過上述工藝步驟製作的氮化物基半導體器件的狀態。
圖2的示意性剖面視圖示出了用於層疊接合到圖1所示氮化物基半導體器件的矽襯底。在製作圖2所示用於層疊的矽襯底時，在矽襯底21的下側上連續形成Ti層22與Al層23，同時在矽襯底21的上側上連續形成Ti層24、Au層25與AuSn層26。
如圖3的示意性剖面圖所示，圖1的氮化物基半導體器件和圖2的用於層疊的矽襯底被相互接合。特別地，圖1所示氮化物基半導體器件的Au層11設置為面向並接觸圖2所示用於層疊的矽襯底的AuSn層25，因此Au層11與AuSn層25通過熱壓接合而相互接合。接著，通過在藍寶石襯底1的自由表面上進行雷射劃線，由此形成溝槽1a或裂紋1b，這些溝槽或裂紋的間隔對應於晶片尺寸。溝槽1a可到達Mo層2。當裂紋1b到達Mo層2時，溝槽1a無需到達Mo層2。
之後，圖3的氮化物基半導體器件被置於氨水中，使得氨水滲透穿過裂紋1a而溶解Mo層2，因此藍寶石襯底1被分離。通過使用上述氨水，可以選擇性地僅蝕刻Mo層2而不溶解除了Mo層2之外的電極層或用於層疊的金屬層，可以容易地分離藍寶石襯底1。除去藍寶石襯底之後被暴露的層為AlN層3，其中最初通過蒸鍍沉積形成Al層且隨後氮化該Al層而形成AlN層3。
如圖4的示意性剖面視圖所示，通過掩蔽而留下部分AlN層3，其餘部分被幹法蝕刻以部分暴露n型GaN層5。之後，形成作為透明電極的ITO(氧化銦錫)層31，以覆蓋AlN層3a的殘餘部分以及n型GaN層5的暴露部分。在ITO層31上，Au焊盤電極32形成於與AlN層3a殘餘部分對應的區域上。通過這種布置，AlN層3a(高電阻層)可起著電流阻擋層的功能。因此，不是只在焊盤電極32的下方引入電流，可以減小由於焊盤電極32的屏蔽所致的光發射損耗。最後，通過在矽襯底21的下側上使用雷射劃線進行晶片劃分，提供發光器件晶片。也就是說，圖4示意性示出了按照這個方式製作的發光器件晶片的剖面圖。
以這種方式製作的氮化物基半導體發光器件總光通量時的光輸出為30mW，其正向電壓為3V。相反，根據傳統方法的不提供Mo層2而製造的氮化物基半導體器件晶片的光輸出為7mW，其正向電壓為3.4V。也就是說，本發明可以實現氮化物基半導體器件晶片顯著的光輸出增大及正向電壓降低。此外，根據實施方案1的發光器件晶片不僅具有高的總光通量，而且軸向發光強度約為根據傳統方法製作的發光器件晶片的10倍。因此可以改善用於背光的側向發光晶片LED的特性。
實施方案2圖5的示意性剖面圖示出了根據本發明實施方案2製作的氮化物基半導體器件。在實施方案2中，形成厚80nm的ITO層(未示出)作為釋放層，以替代實施方案1的Mo層2與AlN層3，並且省略實施方案1的AlGaN緩衝層4。
使用氯化鐵溶液溶解ITO釋放層，從而分離藍寶石襯底(未示出)。由於使用氯化鐵溶液，可以選擇性地僅蝕刻ITO釋放層，而不溶解除了該ITO釋放層之外的電極層或用於層疊的金屬層，可以容易地分離藍寶石襯底。當在通過這種方式被暴露的n型GaN層5上形成ITO層31a時，可以獲得良好的接觸傳導。按照這個方式製作的實施方案2的氮化物基半導體發光器件晶片的光學輸出為30mW，其正向電壓為2.9V。
實施方案3圖6的示意性剖面圖示出了根據本發明實施方案3製作的氮化物基半導體器件。在實施方案3中，在藍寶石襯底1上首先形成厚50nm、能夠起著反光層功能的Ag層2a，隨後在該Ag層2a上形成厚30nm的Al層，該Al層稍候被轉變為AlN層3。在藍寶石襯底上沉積了金屬層的該晶片被引入MOCVD設備內。此外在實施方案3中，按照與實施方案1相似的方式生長多個氮化物基半導體層4至8，之後從MOCVD設備中取出該晶片。
接著，形成ITO層31b作為p電極。通過蝕刻除去ITO層31b的指定部分，並在被除去的部分，幹法蝕刻多個氮化物基半導體層6至8，使得n型GaN層5被部分暴露。隨後在n型GaN層5的暴露表面上形成用於n電極的ITO層31c。之後，接著，藍寶石襯底在其背面被研磨和拋光，直到晶片厚度變為100μm，並通過雷射劃線將該晶片劃分成晶片。
按照這個方式製作的實施方案3的氮化物基半導體發光器件晶片的光學輸出為20mW，其正向電壓為3.3V。在實施方案3中，從發光層6發射到襯底1側的光被Ag層2a反射，並從晶片的前表面提取該光。也就是說，在實施方案3中，可以降低透射到藍寶石襯底1側且從晶片側表面出射的光，因此與根據傳統方法製作的晶片相比，該晶片的軸向發光強度可以增加約5倍。因此，可以改善用於背光的側向發光晶片LED的特性。
類似於實施方案3，當在襯底上形成含包含反光導電膜的氮化物基半導體器件時，優選地導電膜的反射率為至少50％。由於導電膜具有這樣的反射率，優選地，特別可以使用Alg層或Al層。
儘管在上文的實施方案1至3中已經描述了在藍寶石襯底上形成Mo層與Al層、ITO層、或Ag層與Al層的示例，形成於襯底上的釋放層或導電膜不限於這些示例，還可以使用適用於指定目的的任意金屬、類金屬、合金或半導體。具體地，形成於襯底上的釋放層或導電膜可包含W、Ta、Nd、Al、Ti、Hf、Si、Ge、GaAs及GaP中的任意一種，還可包含諸如氧化錫或氧化鋅的其他導電氧化物以替代ITO。無需說，形成於襯底上的釋放層或導電膜可具有多層結構。通過恰當地使用蒸鍍、濺射、等離子體CVD等，可以容易地在襯底上形成釋放層或導電膜。
如前所述，使用本發明，可以改善氮化物基半導體器件的各種特性及其產率。
儘管已經詳細描述和說明了本發明，但可以清楚地理解，這些描述和說明僅僅是說明性和示範性的，而非限制性的，本發明的精神與範圍僅由權利要求的條款界定。
權利要求
1.一種氮化物基半導體器件的製造方法，包括的步驟為在襯底上形成釋放層，該釋放層有利於襯底分離；以及在所述釋放層上形成至少一個氮化物基半導體層。
2.一種氮化物基半導體器件的製造方法，包括的步驟為在襯底上形成至少一個導電膜；以及，在所述導電層上形成至少一個氮化物基導電層。
3.根據權利要求2的氮化物基半導體器件的形成方法，其中所述導電膜包含金屬、類金屬、合金或半導體中的任意一種。
4.根據權利要求3的氮化物基半導體器件的形成方法，其中所述導電膜包含Mo、W、Ta、Nd、Al、Ti、Hf、Si、Ge、GaAs及GaP中的任意一種。
5.根據權利要求2的氮化物基半導體器件的形成方法，其中所述導電膜的反射率至少為50％。
6.根據權利要求5的氮化物基半導體器件的形成方法，其中所述導電膜由包括含Ag或Al的金屬或合金形成。
7.根據權利要求2的氮化物基半導體器件的形成方法，其中所述導電膜由導電金屬氧化物製成。
8.根據權利要求7的氮化物基半導體器件的形成方法，其中所述導電金屬氧化物包含氧化銦。
9.根據權利要求2的氮化物基半導體器件的形成方法，其中所述導電金屬氧化物形成具有多層結構。
10.根據權利要求2的氮化物基半導體器件的形成方法，其中通過蒸鍍方法、濺射或等離子體CVD方法形成所述導電膜。
11.根據權利要求2的氮化物基半導體器件的形成方法，其中在形成至少一個氮化物基半導體層的所述步驟中，連續地沉積氮化物基半導體底層、第一導電類型的氮化物基半導體層、發光層以及第二導電類型的氮化物基半導體層。
12.根據權利要求11的氮化物基半導體器件的形成方法，其中在至少900℃的溫度下沉積所述氮化物基半導體底層。
13.根據權利要求11的氮化物基半導體器件的形成方法，其中在不高於所述氮化物基半導體底層沉積溫度的溫度下沉積第一導電類型的所述氮化物基半導體層。
14.根據權利要求11的氮化物基半導體器件的形成方法，其中所述導電膜中包含的金屬層反應形成氮化膜，且該氮化膜被加工成電流阻擋層的形狀。
15.根據權利要求11的氮化物基半導體器件的形成方法，其中所述氮化物基半導體底層由InxAlyGa1-x-yN形成，其中0≤x，0≤y，且x+y＜1。
16.根據權利要求2的氮化物基半導體器件的形成方法，其中所述導電膜包含Mo層，且在形成至少一個氮化物基半導體層的所述步驟之後，所述Mo層被溶解在含氨水的溶液中，由此除去所述襯底。
17.根據權利要求2的氮化物基半導體器件的形成方法，其中所述導電膜包含氧化銦層，且在形成至少一個氮化物基半導體層的所述步驟之後，所述氧化銦層被溶解在含氯化鐵的溶液中，由此除去所述襯底。
18.一種氮化物基半導體器件，包含按下述順序形成於襯底上的導電膜、氮化物基半導體底層、第一導電類型的氮化物基半導體層、發光層以及第二導電類型的氮化物基半導體層。
19.根據權利要求18的氮化物基半導體器件，其中所述導電膜包含金屬、類金屬、合金及半導體中的任意一種。
20.根據權利要求19的氮化物基半導體器件，其中所述導電膜包含Mo、W、Ta、Nd、Al、Ti、Hf、Si、Ge、GaAs及GaP中的任意一種。
21.根據權利要求1 8的氮化物基半導體器件，其中所述氮化物基半導體底層包含InxAlyGa1-x-yN，其中0≤x，0≤y，且x+y＜1。
22.根據權利要求1 8的氮化物基半導體器件，其中所述導電膜的反射率至少為50％。
23.根據權利要求18的氮化物基半導體器件，其中所述導電膜具有多層結構。
24.根據權利要求18的氮化物基半導體器件，其中所述導電膜包含氮化膜，該氮化膜具有足夠高的電阻率以起著電流阻擋層的功能。
全文摘要
本發明公開了一種氮化物基半導體器件及其製造方法，所述方法包括的步驟為在襯底(1)上形成釋放層(2)，該釋放層有利於襯底分離；以及，在釋放層上形成至少一個氮化物基半導體層(3－8)。可在襯底上形成至少一個導電膜作為該釋放層或替代該釋放層。
文檔編號H01L21/20GK1964090SQ200610136638
公開日2007年5月16日 申請日期2006年10月27日 優先權日2005年11月8日
發明者筆田麻佑子 申請人:夏普株式會社