製造半導體發光器件的方法
2023-10-07 02:21:34 4
製造半導體發光器件的方法
【專利摘要】本發明公開的是一種製造半導體發光器件的方法。製造半導體發光器件的方法包括：準備具有缺陷聚集區的生長基板；在生長基板上生長第一氮化物半導體層；在第一氮化物半導體層上生長第二氮化物半導體層；在第二氮化物半導體層上生長第三氮化物半導體層；在第三氮化物半導體層上生長活性層；以及在活性層上形成第二導電型半導體層。因此，生長在模板上的半導體層可具有優異的結晶度。
【專利說明】製造半導體發光器件的方法
[0001]本申請要求於2013年9月27日提交的第10_2013_0115497號韓國專利申請的優先權和權益，出於完全目的通過引用將所述申請包含於此，猶如在這裡充分地闡明一樣。
【技術領域】
[0002]此專利文件的公開內容涉及如下技術:用於生長氮化物半導體的方法、製造用於半導體製造的模板的方法以及使用該模板製造半導體發光器件的方法。更具體地，本發明涉及一種通過能夠提高氮化物半導體的表面質量的生長方法來製造用於半導體製造的模板和半導體發光器件的方法。
【背景技術】
[0003]作為發出通過電子和空穴的複合產生的光的無機半導體器件的發光器件被用在諸如顯示器、車輛燈具、普通照明裝置等的各種領域中。具體地，由於諸如氮化鎵半導體和氮化鎵鋁半導體的氮化物半導體可以是直接躍遷型並且可被製造成具有各種能帶間隙，因此可根據需要使用氮化物半導體來製造具有各同波長發射範圍的發光器件。利用氮化物半導體的優點來製造諸如發光器件和電子器件的半導體器件。
[0004]在現有技術中，由於在作為氮化物半導體的同質基板的製造中的技術上和經濟上的限制，因此主要使用諸如藍寶石基板的異質基板作為生長基板來生長氮化物半導體層。然而，考慮到由諸如藍寶石基板的異質基板和氮化物半導體材料之間的晶格常數和熱膨脹係數的差異導致的問題，在生長在異質基板上的氮化物半導體層的效率和可靠性方面存在限制。特別地，生長在異質基板上的氮化物半導體層的高晶體缺陷密度(例如，位錯密度)使得難以製造可在高電流密度下工作的半導體器件。
[0005]因此，已經開發了用於使用諸如氮化鎵基板或氮化鋁基板的同質基板作為生長基板來生長氮化物半導體層的技術。通過沿基板的生長面方向或另一平面方向切割塊狀(bulk)氮化物單晶來製造同質基板。塊狀氮化物單晶通常在藍寶石基板上通過氫化物氣相外延(HVPE)來生長並具有作為生長面的c面。
[0006]已知的是氮化物半導體在c面上最穩定地生長，因此廣泛地使用具有在c面上生長的氮化物半導體層的氮化物半導體器件。然而，具有c面作為生長面的氮化物半導體層由於其極性而引起自發極化，且在諸如藍寶石基板的異質基板上生長的氮化物半導體層由於由晶格失配產生的應變而引起壓電效應。自發極化和壓電效應引起能帶間隙的改變，由此降低了半導體器件的內量子效率，具體地改變發光器件的發射波長。
[0007]為了解決上述問題，正在研究製造非極性同質基板的方法。
[0008]通過沿代替c面的另一平面方向(例如，a面或m面)切割上述塊狀氮化物半導體單晶來製造非極性同質基板。然而，按照這種方式製造的同質基板太小以致不能用於商業用途。因此，在第2003-165799號日本專利公布中公開了通過拼貼多個小尺寸的非極性氮化物基板來製造大面積非極性氮化物基板的技術。
[0009]在專利文獻中公開的非極性氮化物基板具有形成在多個小尺寸非極性氮化物基板彼此結合的部分處的缺陷聚集區。例如，形成根據製造基板的方法的具有圓點圖案或條紋圖案的缺陷聚集區。生長在非極性氮化物基板上的氮化物半導體層具有從缺陷聚集區蔓延的缺陷，缺陷集中的區域由於其粗劣的結晶度而不起半導體器件的作用。另外，當在非極性氮化物基板上二維地生長半導體層時，在缺陷聚集區上方形成凹陷，由此降低半導體層的結晶度。因此，降低了製造產率，並且在製造的半導體器件的可靠性方面遇到問題。
【發明內容】
[0010]本發明的多個方面提供一種使用包含缺陷聚集區的氮化物生長基板來生長具有優異結晶度的氮化物半導體層的方法。
[0011]另外，本發明的多個方面提供一種將使用所述生長方法製造的用於半導體製造的模板以及具有優異結晶度的半導體發光器件。
[0012]本發明的附加特徵將在下面的描述中闡明，且部分地通過描述將是明顯的，或可通過發明的實踐來得知。
[0013]根據本發明的一個方面，一種製造半導體發光器件的方法包括:準備具有缺陷聚集區的生長基板；在生長基板上生長第一氮化物半導體層；在第一氮化物半導體層上生長第二氮化物半導體層；在第二氮化物半導體層上生長第三氮化物半導體層；在第三氮化物半導體層上生長活性層；以及在活性層上形成第二導電型半導體層，其中，第一氮化物半導體層和第二氮化物半導體層分別在第一溫度和第二溫度下生長，且第一溫度高於第二溫度。
[0014]第一氮化物半導體層和第二氮化物半導體層可分別在第一溫度和第二溫度下生長。
[0015]第一溫度可在1050°C至1200°C的範圍內，第二溫度可在700°C至850°C的範圍內。
[0016]所述方法還可包括在第三壓力和第三溫度下執行熱處理。
[0017]第三溫度可為1000°C或更高。
[0018]第一壓力、第二壓力和第三壓力可相同，且第一壓力可在50託至300託的範圍內。
[0019]第二壓力可高於第一壓力和第三壓力，且可在300託至500託的範圍內。
[0020]所述方法還可包括在熱處理第二氮化物半導體層之後在第二氮化物半導體層上生長第三氮化物半導體層，且第三氮化物半導體層可在第四壓力和第四溫度下生長。
[0021]第四壓力可與第一壓力相同，且第四溫度可與第一溫度相同。
[0022]第一氮化物半導體層可包括形成在缺陷聚集區上的凹陷。
[0023]第二氮化物半導體層可填充凹陷。
[0024]第二氮化物半導體層可在300託至500託的壓力下生長，第一氮化物半導體層可在比第二氮化物半導體層的生長壓力低的壓力下生長。
[0025]熱處理的第二氮化物半導體層可具有平坦的上表面。
[0026]在一些實施例中，生長基板可包括氮化物基板。
[0027]氮化物基板可具有非極性或半極性。
[0028]第三氮化物半導體層可包含第一導電型雜質以具有第一導電型性能。
[0029]生長第三氮化物半導體層的步驟可包括在生長第二氮化物半導體層之後增大處理室的生長溫度，其中，可在增大處理室的生長溫度的同時熱處理第二氮化物半導體層。
[0030]根據發明的實施例，可防止缺陷從生長基板的缺陷聚集區的蔓延，由此提供製造具有優異的表面質量的用於半導體製造的模板的方法。另外，可提供用於在模板上製造具有優異的表面質量和結晶度的半導體層的方法。此外，可提供通過在模板上生長半導體層來製造半導體發光器件的方法，且半導體發光器件可具有優異的電性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]包括附圖以提供對本發明的進一步理解，附圖併入到本說明書中，並構成本說明書的一部分，附圖對本發明的示例實施例進行舉例說明，並與描述一起用於解釋本發明的原理。
[0032]圖1至圖5是示出根據公開的技術的一個實施例的製造用於半導體製造的模板和半導體發光器件的方法的示例的剖視圖。
[0033]圖6是示出根據公開的技術的一個實施例的用於半導體層的生長的條件的曲線圖。
[0034]圖7是示出根據公開的技術的另一實施例的用於半導體層的生長的條件的曲線圖。
[0035]圖8中的(a)和(b)是用於在通過根據公開的技術的生長氮化物半導體的方法所生長的半導體層的表面與根據對比示例生長的半導體層的表面之間進行比較的圖像。
【具體實施方式】
[0036]以下，將參照包括在附圖中示出的那些示例的實施示例來詳細地描述公開的技術的實施例。通過示例的方式來提供下面的實施例，以向本發明所屬領域的技術人員傳達公開的技術。因此，本發明不限於在這裡公開的實施例，且可以以不同的形式來實施。在附圖中，為了方便和舉例說明的目的，可誇大元件的寬度、長度、厚度等。此外，當元件被稱為「在」另一元件「上方」或「在」另一元件「上」時，該元件可「直接在」另一元件「上方」或「直接在」另一元件「上」，或者可以存在中間元件。將理解的是，為了本公開的目的，「X、Y和Z的至少一個」可被解釋為只有X、只有Y、只有Z，或X、Y和Z的兩項或更多項的任何組合(例如，ΧΥΖ、ΧΥΥ、TL、ZZ)。貫穿附圖和說明書中的相應描述，同樣的附圖標記指示具有相同或相似功能的同樣的元件。
[0037]圖1至圖5是示出根據公開的技術的一個實施例的製造用於半導體製造的模板和半導體發光器件的方法的示例的剖視圖，圖6和圖7是示出根據公開的技術的實施例的用於半導體層的生長的條件的曲線圖。僅示出了參照圖6和圖7給出的用於半導體層的生長的條件，公開的技術不限於此。
[0038]參照圖1，準備生長基板110，並在生長基板110上形成第一氮化物半導體層120。這時，生長基板110可包括缺陷聚集區111。
[0039]生長基板110可為氮化物基板，氮化物基板可包括例如氮化鎵基板或氮化鋁基板。作為氮化物基板的生長基板110可包括不同的生長面，在這個實施例中，可具體地具有諸如m面(1-100)或a面(11-20)的非極性生長面或者諸如(20-21)面的半極性生長面作為其生長面。因此，生長在生長基板110上的氮化物半導體層可具有非極性或半極性，由此使由於自發極化而在內量子效率方面的劣化最小化。
[0040]可通過使用氫化物氣相外延(HVPE)在多個種子基板上生長氮化物單晶，然後將氮化物單晶切片來提供具有非極性或半極性生長面的生長基板110。因此，會從多個種子基板之間的界面產生缺陷聚集區111。根據製造作為氮化物基板的生長基板110的方法，缺陷聚集區111可具有條紋圖案或圓點圖案。然而，本發明不限於此。缺陷聚集區111可在生長基板110的上表面(即，生長面)上暴露。
[0041]第一氮化物半導體層120可包括諸如(Al、Ga、In)N的氮化物半導體，例如，可包括GaN。可使用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)或HVPE來生長第一氮化物半導體層120。可在第一溫度和第一壓力下生長第一氮化物半導體層120,且可在相對高的溫度下生長第一氮化物半導體層120。例如，可使用MOCVD在如圖6或圖7所示的條件下生長第一氮化物半導體層120。S卩，可通過在1050°C至1020°C的範圍內調節MOCVD處理室內的溫度且在50託至300託的範圍內調節MOCVD處理室內的壓力，然後向室提供H2氣體和N2氣體中的至少一種以及作為GaN源氣體的NH3和TMGa來生長第一氮化物半導體層120。這時，第一氮化物半導體層120可生長為具有2μπι至3μπι的厚度。
[0042]由於高缺陷密度，因此會難以在生長基板110的缺陷聚集區111上生長半導體層。另外，由於二維生長在上述條件下生長的第一氮化物半導體層120中佔主導，因此第一氮化物半導體層120可主要地生長在生長基板110的除了缺陷聚集區111以外的區域。因此，第一氮化物半導體層120可包括形成在缺陷聚集區111上的凹陷121，如圖1所示，例如，凹陷121可形成為具有V形。
[0043]然而，本發明不限於此，根據生長條件的改變，在第一氮化物半導體層120上可以不形成凹陷121。
[0044]參照圖2，在第一氮化物半導體層120上形成第二氮化物半導體層130a。可生長第二氮化物半導體層130a以覆蓋第一氮化物半導體層120，另外，可生長第二氮化物半導體層130a以填充凹陷121。
[0045]第二氮化物半導體層130a可包括諸如(Al、Ga、In)N的氮化物半導體，例如，可包括GaN。可使用MOCVD、MBE或HVPE來生長第二氮化物半導體層130a。可在第二溫度和第二壓力下生長第二氮化物半導體層130a，與第一氮化物半導體層120相比可以在較低的溫度下生長第二氮化物半導體層130a。換言之，第二溫度可低於第一溫度。第一壓力可與第二壓力相同或不同。例如，可使用MOCVD在如圖6或圖7所示的條件下生長第二氮化物半導體層130a。
[0046]S卩，根據參照圖6示出的本發明的一個實施例，可通過在700°C至850°C的範圍內調節MOCVD處理室內的溫度並在50託至300託的範圍內調節MOCVD處理室內的壓力，然後向室提供H2氣體和N2氣體中的至少一種以及作為GaN源氣體的NH3和TMGa來生長第二氮化物半導體層130a。這時，第二氮化物半導體層130a可生長為具有10nm至100nm的厚度。
[0047]由於第二氮化物半導體層130a在第二溫度下生長，即在相對低的溫度下生長，因此第二氮化物半導體層130a可優先從存在缺陷的區域生長。因此，第二氮化物半導體層130a可從缺陷聚集區111生長，另外，可在通過三維生長填充凹陷121的同時生長。由於可在填充凹陷121的同時生長第二氮化物半導體層130a，因此與第一氮化物半導體層120不同，第二氮化物半導體層130a在其表面上不會包括諸如凹陷121的構造。因此，第二氮化物半導體層130a可具有基本上水平的表面。然而，由於在相對較低的溫度下從缺陷區生長第二氮化物半導體層130a，所以第二氮化物半導體層130a可具有比第一氮化物半導體層120的表面粗糙度高的表面粗糙度。即，如圖2所示，第二氮化物半導體層130a可具有粗糙表面。
[0048]由於第二氮化物半導體層130a可從缺陷區生長，因此第二氮化物半導體層130a可在其生長期間抵消周圍的缺陷，由此降低缺陷密度。因此，第二氮化物半導體層130a可減少在隨後的工藝中形成在其上的其他半導體層的缺陷密度，由此獲得優異的結晶度。
[0049]儘管參照圖7示出的另一實施例與在圖6中示出的實施例大部分相同，但它們之間的不同之處在於，基於第二氮化物半導體層的生長，室保持在相對高的壓力下。即，在圖7中示出的實施例中，第二壓力可高於第一壓力。
[0050]在圖7中示出的實施例中，可在比第一氮化物半導體層120的生長壓力高的300託至500託的壓力下生長第二氮化物半導體層130a。第二氮化物半導體層130a在相對高的壓力下生長，由此使得能夠更有效地引起第二氮化物半導體層130a在缺陷上的生長。
[0051]參照圖3，第二氮化物半導體層130a經受熱處理。通過熱處理，第二氮化物半導體層130的表面粗糙度會降低。因此，第二氮化物半導體層130可具有平坦的上表面。
[0052]第二氮化物半導體層130a可在與生長第一氮化物半導體層120和第二氮化物半導體層130a的室相同的室內經受在第三壓力和第三溫度下的處理。這時，第三溫度可高於第二溫度。例如，如在圖6或圖7所示的曲線圖中，可通過將MOCVD處理室內的溫度調節至1000°C或更高且在50託至300託的範圍內調節MOCVD處理室的壓力，然後向室提供H2氣體和N2氣體中的至少一種以及作為GaN源氣體的NH3和TMGa來執行熱處理。
[0053]第二氮化物半導體層130a經受在1000°C或更高的溫度下的熱處理，由此獲得第二氮化物半導體層130的優異的表面質量。另外，通過熱處理，第二氮化物半導體層130可具有優異的結晶度。
[0054]在本發明的實施例中，儘管可通過在相對較低的溫度生長第二氮化物半導體層130a來減小缺陷密度，但由於低溫生長，第二氮化物半導體層130a的表面是粗糙的。然而，可通過用於第二氮化物半導體層130a的熱處理來提供具有優異的表面質量和結晶度的第二氮化物半導體層130，由此將優異的結晶度賦予在隨後的工藝中將生長在第二氮化物半導體層130上的半導體層。
[0055]參照圖4，可進一步在第二氮化物半導體層130上生長第三氮化物半導體層140a。因此，可提供如圖4所示的用於半導體製造的模板。
[0056]第三氮化物半導體層140與第一氮化物半導體層120大體相同。然而，第三氮化物半導體層140可用第一導電型雜質摻雜，以形成第一導電型層。例如，第三氮化物半導體層140可用Si雜質摻雜，以形成η型層。然而，本發明不限於此。
[0057]根據上述的實施例，根據本發明的用於半導體製造的模板不包含從可形成在其上的缺陷聚集區111蔓延的缺陷且具有優異的表面質量和結晶度。因此，將形成在模板上的半導體器件可具有優異的性能。
[0058]還可在模板上生長附加的半導體層，如圖5所示，可通過形成活性層150和第二導電型半導體層160來製造半導體發光器件。
[0059]然而，本發明不限於以上所述，其他實施方案也是可能的。在生長第二氮化物半導體層130a之後，可在增大處理室的溫度的同時對第二氮化物半導體層130a進行熱處理。在這種情況下，可省略附加的熱處理工藝。
[0060]參照圖5，在第三氮化物半導體層140上生長活性層150，在活性層150上生長第二導電型半導體層160。
[0061]活性層150可包括多量子阱結構，多量子阱結構包括氮化物半導體層，且可調節組成多量子阱結構的半導體層的元素及其組分，使得半導體層可發出具有期望的峰值波長的光。
[0062]第二導電型半導體層160可包括諸如(Al、Ga、In)N的氮化物半導體，且可以用第二導電型雜質摻雜，以形成第二導電型層。例如，第二導電型半導體層160可用諸如Mg的P型雜質摻雜。
[0063]可通過形成活性層150和第二導電型半導體層160來提供在圖5中示出的半導體發光器件。圖5中示出的半導體發光器件在必要時可用作為垂直結構、倒裝晶片結構或水平結構，將省略其具體的描述。
[0064]另外，可將本領域已知的任何技術特徵應用於半導體發光器件，且本發明包括包含這些技術特徵的半導體發光器件。例如，半導體發光器件還可包括電子阻擋層(未示出)、超晶格層(未示出)、電極(未示出)等。然而，將省略其詳細的描述。
[0065]在這個實施例中，可通過在根據本發明的用於半導體製造的模板上生長半導體層來製造半導體發光器件。因此，發光器件可具有低缺陷密度、優異的結晶度、比傳統發光器件的正向電壓低的正向電壓(Vf)以及由於反向電流特性而具有優異的漏電性能。
[0066]圖8中的(a)和(b)是用於將通過根據本發明的生長氮化物半導體的方法所生長的半導體層的表面與根據對比示例生長的半導體層的表面之間進行比較的圖像。圖8中的
(a)是示出生長在不包括第二氮化物半導體層130的用於半導體製造的模板上的半導體層的表面的圖像，圖8中的(b)是示出生長在包括第二氮化物半導體層130的用於半導體製造的模板上的半導體層的表面的圖像。
[0067]如圖8中的(a)和(b)所示，可看到的是，生長在包括第二氮化物半導體層130的用於半導體製造的模板上的半導體層具有顯著優異的表面質量。具體地，如圖8中的(b)所示，生長在根據本發明的模板上的半導體層不包括從缺陷聚集區111蔓延的缺陷區域。
[0068]僅描述了若干實施例、實施方案和示例，基於在此文件中所描述和所示出的內容可獲得其他實施例和實施方案以及各種改進和變化。
【權利要求】
1.一種製造半導體發光器件的方法，包括如下步驟: 準備具有缺陷聚集區的生長基板； 在生長基板上生長第一氮化物半導體層； 在第一氮化物半導體層上生長第二氮化物半導體層； 在第二氮化物半導體層上生長第三氮化物半導體層； 在第三氮化物半導體層上生長活性層；以及 在活性層上形成第二導電型半導體層， 其中，第一氮化物半導體層和第二氮化物半導體層分別在第一溫度和第二溫度下生長，且第一溫度高於第二溫度。
2.如權利要求1所述的方法，其中，第一氮化物半導體層和第二氮化物半導體層分別在第一壓力和第二壓力下生長。
3.如權利要求1所述的方法，其中，第一溫度在1050°C至1200°C的範圍內，第二溫度在700°C至850°C的範圍內。
4.如權利要求2所述的方法，所述方法還包括: 在第三壓力和第三溫度下執行熱處理。
5.如權利要求4所述的方法，其中，第三溫度為1000°C或更高。
6.如權利要求4所述的方法，其中，第一壓力、第二壓力和第三壓力相同，第一壓力在50託至300託的範圍內。
7.如權利要求4所述的方法，其中，第二壓力高於第一壓力和第三壓力，且在300託至500託的範圍內。
8.如權利要求4所述的方法，所述方法還包括: 在對第二氮化物半導體層進行熱處理之後在第二氮化物半導體層上生長第三氮化物半導體層， 其中，第三氮化物半導體層在第四壓力和第四溫度下生長。
9.如權利要求8所述的方法，其中，第四壓力與第一壓力相同，第四溫度與第一溫度相同。
10.如權利要求1所述的方法，其中，第一氮化物半導體層包括形成在缺陷聚集區上的凹陷。
11.如權利要求10所述的方法，其中，第二氮化物半導體層填充凹陷。
12.如權利要求11所述的方法，其中，第二氮化物半導體層在300託至500託的壓力下生長，並且與第二氮化物半導體層相比，第一氮化物半導體層在較低的壓力下生長。
13.如權利要求4所述的方法，其中，熱處理的第二氮化物半導體層具有平坦的上表面。
14.如權利要求1所述的方法，其中，生長基板包括氮化物基板。
15.如權利要求14所述的方法，其中，氮化物基板為非極性氮化物基板或半極性氮化物基板。
16.如權利要求1所述的方法，其中，第三氮化物半導體層包含第一導電型雜質以具有第一導電型性能。
17.如權利要求1所述的方法，其中，生長第三氮化物半導體層的步驟包括在生長第二氮化物半導體層的步驟之後增大處理室的生長溫度，其中，在增大處理室的生長溫度的同時熱處理第二氮化物半導體層。
【文檔編號】H01L33/22GK104518062SQ201410503734
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年9月26日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】崔承奎, 郭雨澈, 金材憲, 鄭廷桓, 張三碩 申請人:首爾偉傲世有限公司