氮化物半導體生長工藝的製作方法

2023-05-11 07:32:26 1

專利名稱：氮化物半導體生長工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及氮化物半導體的生長工藝，更確切地說涉及在氮化物半導體襯底上生長氮化物半導體的工藝。
背景技術：
本申請對2001年8月13日提出的日本專利申請No.JP 2001-245134提出優先權要求，這一申請公開在法律允許的範圍內被此處列為參考。
在諸如發光二極體和雷射二極體之類的發光器件或諸如光傳感器之類的光接收器件中使用的氮化物半導體，藉助於在諸如藍寶石或碳化矽之類的氮化物之外的不同材料的襯底上進行生長而被製造。
在某些這種常規製造工藝中，低溫非晶氮化鎵緩衝層被製作在藍寶石或碳化矽襯底上，然後在緩衝層上生長結晶氮化物半導體。而且，為了防止位錯缺陷，低溫緩衝層上的氮化物被腐蝕成條形，以便重新生長成另外的氮化物半導體。這些工藝利用了位錯不明顯地從下方氮化物半導體橫向傳播的事實，亦即重新生長的橫向氮化物半導體相對而言無位錯的事實。
然而，即使在上述製造工藝下，與氮化物半導體生長相關的位錯問題並沒有得到滿意的解決。
在這種情況下，幸虧諸如氫化物氣相外延和金屬有機化學氣相澱積之類的生長工藝的進步而能夠製造比較厚的氮化物半導體結晶襯底。若氮化物半導體被生長在這些結晶的襯底上，則可減少位錯和其它缺陷，並可改善解理和導熱性，從而可望製造結晶性更好的氮化物半導體。
然而，在結晶氮化物半導體襯底上生長特性最佳的氮化物半導體的條件尚未建立。

發明內容
為了滿足上述和其它的需求，本發明提供了一種氮化物半導體生長工藝，它能夠在結晶的氮化物半導體襯底上生長具有適合於包括但不局限於發光器件和光接收器件的電子應用的滿意結晶條件的氮化物半導體。
根據本發明的第一優選實施方案，在結晶的氮化物半導體襯底上生長氮化物半導體的工藝如下進行，即藉助於對襯底進行加熱，並在襯底溫度超過1200℃之前開始將源氣體饋送到襯底表面上，從而開始在襯底上生長氮化物半導體。
根據本發明的這一優選實施方案，即使當氮化物半導體的生長溫度被設定為1200℃或更高時，氮化物半導體在襯底上的生長可至少當襯底溫度已經達到1200℃時開始。這使得氮化物半導體在襯底表面上的生長能夠在氮化物半導體材料從此表面的解吸附所造成的此表面上的粗糙性發展之前開始，從而在具有滿意表麵條件的襯底上實現氮化物半導體生長。
在本發明的另一個優選實施方案中，在結晶氮化物半導體襯底上的生長氮化物半導體的工藝如下進行，即藉助於將襯底加熱到不超過1200℃的溫度，以對襯底表面進行熱清洗，然後開始在此襯底上生長氮化物半導體。
根據本發明的這一優選實施方案，襯底在不高於1200℃的溫度下被熱清洗，同時防止氮化物半導體材料從其表面解吸附。於是，熱清洗從襯底表面清除了氧化物，同時防止了氮化物半導體材料從表面解吸附，使襯底保持在滿意的表麵條件，從而使氮化物半導體生長能夠在優化的襯底表面上開始。


參照附圖，從本發明示例性優選實施方案的下列描述中，本發明的上述和其它的目的、特點和優點將變得更為明顯，在這些附圖中圖1是示意圖，示出了根據本發明優選實施方案的生長氮化物半導體的工藝所用的MOCVD裝置的例子；圖2曲線示出了襯底溫度程序的例子，用來解釋根據本發明第一優選實施方案生長氮化物半導體的工藝；圖3曲線示出了襯底溫度程序的另一個例子，用來解釋根據本發明第一優選實施方案的工藝；圖4曲線示出了襯底溫度程序的再一個例子，用來解釋根據本發明第一優選實施方案的工藝；圖5曲線示出了本發明第一優選實施方案中，在生長溫度Tg為1100℃下的TMG供應開始溫度對表面粗糙度；圖6示出了為了收集圖5曲線所示數據而在氮化物半導體生長過程中所用的襯底溫度程序；圖7曲線示出了本發明第一優選實施方案中，在生長溫度Tg為1210℃下的TMG供應開始溫度對表面粗糙度；圖8示出了為了收集圖7曲線所示數據而在氮化物半導體生長過程中所用的襯底溫度程序；圖9曲線示出了本發明第一優選實施方案中，在生長溫度Tg為1100℃下的TMG供應開始溫度對發射強度；圖10曲線示出了襯底溫度程序，用來解釋根據本發明第二優選實施方案生長氮化物半導體的工藝；圖11曲線示出了本發明第二優選實施方案中，保持時間為3分鐘時的保持溫度Th對表面粗糙度；圖12示出了為了收集圖11曲線所示數據而在氮化物半導體生長過程中所用的襯底溫度程序；圖13曲線示出了本發明第二優選實施方案中，在保持溫度為1100℃下的保持時間對表面粗糙度；而圖14示出了為了收集圖13曲線所示數據而在氮化物半導體生長過程中所用的襯底溫度程序。
具體實施例方式
參照附圖來詳細地描述根據本發明優選實施方案的生長氮化物半導體工藝。本發明的下列各個實施方案指的是作為氮化物半導體的氮化鎵(GaN)的生長工藝。
圖1是示意圖，示出了根據本發明一個優選實施方案的用於生長氮化物半導體的MOCVD(金屬有機CVD)系統的例子。此MOCVD裝置包括反應管1，用來安置位於襯底託2上的襯底W，以便對襯底W進行處理，從而在其上生長氮化物半導體。在反應管1中，氣氛和位於襯底託2上的襯底W的溫度能夠被控制。主供料管3和排氣管4連接於其上的反應管，通過主供料管3被供料，並通過排氣管4排氣。排氣管4還被連接到有害物質分離器單元101。
連接到主供料管3和排氣管4二者的是用來供應氨氣作為氮(N)源的氨氣供應裝置5、氫氣供應裝置6、用來供應三甲基鎵(TMG)作為鎵(Ga)源的第一供料管道7以及用來供應四乙基矽烷作為矽(Si)源的第二供料管道8。應該指出的是，矽被用作待要引入氮化鎵中的n-型雜質。
氨氣供應裝置5通過閥門V5a和V5b被連接到主供料管3和排氣管4，並具有安置在這些閥門V5a和V5b上遊的質量流量控制器F5。
此外，氫氣供應裝置6配備有分別通過質量流量控制器F6a和F6b連接到主供料管3和排氣管4的氫氣純化器6a。
第一供應管道7通過閥門V7a和V7b，被連接到主供料管3和排氣管4。第一供應管道7還被連接到含有液體源(在下面要公開的本發明優選實施方案中是TMG)的鼓泡器11。來自氫氣純化器6a的支路管道，通過質量流量控制器F7，與鼓泡器11連接，其末端浸入TMG中。
同樣，第二供應管道8通過閥門V8a和V8b，被連接到主供料管3和排氣管4。第二供應管道8還被連接到存儲有另一種液體源(在下面要公開的本發明優選實施方案中是四乙基矽烷)的鼓泡器12。來自氫氣純化器6a的另一支路管道，通過質量流量控制器F8，與鼓泡器12連接，其末端浸入四乙基矽烷中。
在具有上述構造的MOCVD裝置中，通過閥門5a和5b的適當轉換，氨氣從氨氣供應裝置5沿著主供料管3，被饋送到反應管1中，其流速由質量流量控制器F5控制。
高純氫氣還從氫氣純化器6a通過主供料管3，被饋送到反應管1，其流速被質量流量控制器F6a控制。氫氣還被饋送到排氣管4，其流速被質量流量控制器F6b控制。
來自氫氣純化器6a的高純氫氣，還作為載氣分別被饋送到鼓泡器11和12中的液體(TMG和四乙基矽烷)。由於氫氣通過各個鼓泡器中的液體鼓泡，就產生與這些液體蒸汽壓成比例的源氣體，產生的源氣體被氫氣載氣傳送到主供料管3，通過第一和第二供應管道7和8進一步被傳送到反應管1。藉助於通過沿氫氣純化器6a的支路管道排列的有關質量流量控制器F7或F8調節氫氣的流速，產生的各個源氣體的量被控制。鼓泡器11產生的被收集到第一供應管道7中的源氣體，通過適當地轉換閥門7a和7b，被饋送到主供料管3和排氣管4二者。同樣，鼓泡器12產生的被收集到第二供應管道8中的源氣體，通過適當地轉換閥門8a和8b，被饋送到主供料管3和排氣管4二者。
待要加工的襯底W，被夾持在反應管1中規定溫度下的襯底託2上，並被饋以用來加工的上述調節了流速的源氣體。
為了將硼(B)組合到作為氮化物半導體的氮化鎵中，三乙基硼被用作液體源來產生硼源氣體。為了將鋁(Al)引入到氮化物半導體中，三甲基鋁被用作鋁源氣體的液體源。為了將銦(In)引入到氮化物半導體中，三甲基銦被用作液體源來產生銦源氣體。這些液體材料相似於作為鎵源氣體的TMG，被包含在鼓泡器中，並與載氣(在下面要描述的本發明優選實施方案中是氫氣)一起被饋送到反應管1中。待要使用的液體材料不局限於上面上述材料，而是包括能夠供應根據所需氮化物半導體的組分所選擇的III族源氣體的其它材料。雖然四乙基矽烷被用作下面要描述的本發明優選實施方案中的矽(Si)源氣體，但也可以使用諸如單矽烷和雙矽烷之類的其它氣體。
(本發明的第一優選實施方案)圖2曲線示出了根據本發明第一優選實施方案的襯底溫度程序與供應源氣體的時刻的函數關係。下面參照此曲線和圖1來描述根據本發明第一優選實施方案生長氮化物半導體的工藝。
首先，在MOCVD裝置中，在襯底W被固定到襯底託2上之後，關閉反應管1。襯底W是氮化物半導體襯底，由結晶氮化鎵製成或藉助於在諸如藍寶石之類的不同類型襯底上形成結晶的氮化鎵層而製成。
接著，對反應管1進行加熱，以便開始加熱襯底W，並開始將氨氣(NH3)饋送到反應管1中。氨氣流可以在襯底W被加熱到一定溫度之前(亦即，當反應管1停留在室溫下時)或之後開始。
在氨氣被連續地饋送到其中的反應管1中，矽襯底W被進一步加熱到生長溫度Tg並保持在生長溫度Tg(在此溫度下，晶體生長能夠穩定進行一定時間長度)，致使氮化物半導體形成在襯底W表面上。例如，為了在結晶的氮化鎵襯底W表面上生長氮化鎵，生長溫度Tg被設定為900-1300℃，或優選設定為1000-1200℃。在此例子中，生長溫度Tg被設定為1100℃，且襯底W以規定的速率被加熱到此溫度。
要特別指出的是，在氨氣流已經開始之後和襯底W的溫度達到1200℃之前，TMG(鎵源)流開始，所需的源氣體(氮氣和III族源氣體)從而被饋送到反應管1，以便在由開始將有關源氣體饋送到襯底上時的襯底溫度，即材料供應開始溫度所決定的條件(單晶、多晶、或非晶)下，在襯底表面上開始氮化物半導體生長。此處，III族材料的引入到襯底W，開始了氮化物半導體在襯底W上的生長，因此，III族材料供應開始溫度Ts意味著生長開始溫度Ts。生長開始溫度(III族材料供應開始溫度)Ts可以與生長溫度Tg相同，雖然溫度Ts和Tg二者通常不被設定為相同的數值。
由於在此例子中襯底W被加熱到高達1100℃，故TMG流應該與氨氣流同時開始或在氨氣流之後開始。但若在涉及到一系列步驟的生長工藝過程中襯底W的溫度被控制在1200℃或更低，則最好在襯底W已經被加熱到其規定的生長溫度Tg之後的20分鐘內開始TMG流。
同樣優選的是在襯底W已經被加熱到300℃之後開始TMG流。更優選的是當襯底W被加熱到400℃之後處於規定的溫度(亦即III族材料供應開始溫度因而也是生長開始溫度)Ts時開始TMG流。
進入反應管1的四乙基矽烷(用作雜質的Si源)流與TMG流同時開始。
各個源氣體流以例如下列流速進行氨氣為10slm(每分鐘標準升或標準條件下每分鐘升)，TMG為50μmol/min，而四乙基矽烷為1.5×10-3μmol/min。
如上所述，當III族材料(TMG)流開始進入反應管1時，III族材料的氮化物(亦即氮化物半導體)在由相應的III族材料供應開始溫度(生長開始溫度)Ts所決定的條件(單晶、多晶、或非晶)下開始生長。
將襯底W保持在規定的生長溫度Tg(此例子中為1100℃)下，繼續源氣體流，致使在襯底W表面上進行氮化物半導體生長。當氮化物半導體已經生長到預定厚度時，停止源氣體流，並使襯底W冷卻，以便終止生長過程。在冷卻過程中，可以連續供應作為氮化物源的氨氣。
圖3曲線示出了根據本發明第一優選實施方案的襯底W的溫度程序的另一個例子。在此例子中，生長溫度Tg被設定為1250℃。對於超過1200℃的生長溫度Tg，當襯底W達到生長溫度Tg之前處於1200℃或更低的溫度範圍時，TMG流應該開始。
根據本發明第一優選實施方案的用來將襯底W加熱到其生長溫度Tg的溫度程序不一定要是圖2和圖3所示的線性，而是可以是圖4所示的臺階形，其中在加熱過程中，襯底W被暫時保持在某一溫度下一定時間。還有另一種溫度程序也可以是有用的，其中襯底W首先在生長溫度Tg以上被加熱，然後被降溫到生長溫度Tg。即使在這種情況下，氮化物半導體生長也應該在襯底溫度已經達到了300℃或最好是400℃以後以及襯底溫度超過1200℃之前開始。而且，若在一系列生長工藝步驟過程中襯底的溫度被控制在1200℃或更低，則最好在襯底W已經被加熱到其生長溫度Tg之後的20分鐘內使TMG流進入反應管。
如上所述，根據生長氮化物半導體的工藝，襯底W在其溫度超過1200℃之前被饋以作為氮源氣體的氨氣和其它源氣體。亦即，在襯底溫度超過1200℃之前開始在襯底W表面上生長氮化物半導體。這使氮化物半導體能夠在襯底表面被加熱到氮化物半導體材料從表面解吸附的程度之前開始生長。
在襯底W被保持在1200℃或以下的生長工藝中，氮源氣體之外的源氣體流應該在襯底W被加熱到其生長溫度Tg之後的20分鐘內開始進入反應管中，從而在襯底表面由於長時間地暴露於高溫氣氛而從表面解吸附氮化物半導體源之前，能夠在襯底W表面上開始氮化物半導體的生長過程。
因此，氮化物半導體能夠生長在其表面和結晶條件被完好保持的襯底W上，這進一步使得能夠在具有滿意的表面和結晶條件的襯底W上形成氮化物半導體。
結果就有可能在結晶的氮化物半導體襯底上生長具有所希望的表面和結晶條件並適用於包括發光器件和光接收器件的應用的氮化物半導體。
圖5示出了III族材料供應開始溫度對在其生長溫度Tg＝1100℃下製作在襯底W上的氮化物半導體的表面粗糙度(表面臺階)的關係。為了收集圖5所示的數據，圖6所示的溫度程序被施加於襯底W，以便在其上生長氮化物半導體。從在加熱到其生長溫度(Tg＝1100℃)的過程中在溫度900℃和1050℃下被饋以TMG(III族源氣體)的這些襯底W，得到Ts＝900℃和Ts＝1050℃下的數據，同時從在1150℃和1210℃下被饋以TMG然後被冷卻到其生長溫度(Tg＝1100℃)的其它襯底W，得到Ts＝1150℃和Ts＝1210℃下的數據。
另一方面，圖7示出了III族材料供應開始溫度對當生長溫度Tg被設定為1210℃時製作在襯底W上的氮化物半導體的表面粗糙度(表面臺階)的關係。為了收集圖7所示的數據，圖8所示的溫度程序被施加於襯底W，以便在其上生長氮化物半導體。在加熱到其生長溫度(Tg＝1210℃)的過程中，當襯底W處於其III族材料供應開始溫度Ts＝900℃、1050℃、1150℃和1210℃下時，開始TMG流。
利用表面臺階測量儀器，在對生長在襯底W上的厚度為2微米的各個氮化物半導體(氮化鎵)中的峰谷距離進行測量之後，表面粗糙度在圖5和7中被評估表面臺階Δd(微米)。
從圖5和7中的數據證實，當以III材料供應開始溫度Ts在1200℃或更低的範圍，或特別是在1150℃或更低的範圍，襯底被饋以TMG(III族材料)時，具有較小的表面臺階Δd從而具有滿意的表麵條件的氮化物半導體被形成在襯底W上。
圖9示出了TMG供應開始溫度Ts對生長在襯底W上的氮化物半導體(氮化鎵)的發射強度的關係。當生長溫度Tg被設定為1100℃時，各個氮化物半導體的發射強度被測量為III族材料供應開始溫度Ts的函數。為了收集圖9所示的數據，與圖6相同的溫度程序和III族材料供應開始溫度Ts被施加於用來生長氮化鎵的襯底W。厚度為2微米的各包含每立方釐米2×1018原子的矽作為其雜質的氮化物半導體，被形成在襯底W上，並藉助於用He-Cd雷射器(其波長為325nm)激發氮化物半導體而對這些氮化物半導體進行室溫光螢光強度測量。在圖9中，相對積分光螢光強度被示為相對於TMG供應開始溫度＝900℃時的強度為1.0的發射。
同樣，如在圖9中曲線可見，在1200℃的TMG供應開始溫度下，積分光螢光強度較高，或在超過1200℃的溫度下較低。亦即，當在於1200℃或更低溫度下被饋以TMG的襯底W上生長時，氮化物半導體表現較少的非輻射複合，因而也是滿意的結晶性。相反，在超過1200℃的TMG供應開始溫度範圍內，積分光螢光強度約為TMG供應開始溫度為900℃時得到的大約70％。確切地說，當生長溫度Tg被設定為1100℃時，在1150℃或更低的TMG供應開始溫度下，觀察到了滿足要求的光螢光。
此處，在藉助於在襯底溫度超過1200℃之前開通TMG流而形成的那些氮化物半導體上，利用原子力顯微鏡觀察到原子臺階的固相生長，清楚地顯示出原子級的表面平坦度。此外，從透射電子顯微鏡觀察中，在各個襯底W與其上生長的氮化物半導體之間的界面處發現幾乎沒有新出現的缺陷。這表明得到的氮化物半導體具有滿意的結晶條件。相反，藉助於在襯底溫度超過1200℃之後開始供應TMG而生長的氮化物半導體具有通過原子力顯微鏡看來模糊的原子臺階，在其與下方襯底W的界面處出現有新的缺陷。
而且，在本發明的上述優選實施方案中，在襯底溫度達到300℃之後開始TMG流，意味著TMG能夠在作為氮源的氨氣分解之後被供應，這使得能夠形成具有滿意的Ga-N鍵的氮化物半導體。若在襯底溫度達到400℃之後開始TMG流，則能夠更可靠地獲得這一優點。
(本發明的第二優選實施方案)圖10曲線示出了根據本發明第二優選實施方案的襯底溫度程序與源氣體供應時刻的函數關係。現在參照此曲線和圖1來描述另一種氮化物半導體生長工藝。
首先，襯底W被固定在MOCVD裝置的反應管1內部的襯底託2上。襯底W是氮化物半導體襯底，由結晶氮化鎵製成或藉助於在諸如藍寶石之類的不同類型襯底上形成結晶的氮化鎵層而製成。
接著，與對襯底W開始加熱的同時，開始將氨氣饋送到反應管1中。氨氣流可以在反應管1處於室溫下或在襯底W被加熱到一定溫度之後開始饋送到反應管中。
此外，在氨氣被連續地流入到其中的反應管1中，為了進行熱清洗，襯底溫度被升高到不超過1200℃的保持溫度Th，優選為800-1200℃，更優選為960-1200℃，保持規定的時間長度。被定義為在保持溫度Th下對襯底W進行熱清洗的時間的這一規定的時間長度即保持時間，被選擇為保持溫度Th的函數，以便優化熱清洗。當保持溫度Th在800-1200℃範圍內時，保持時間應該不超過20分鐘。
在保持時間過去時，襯底溫度被調節到生長溫度Tg(在此溫度下，晶體生長能夠穩定進行一定時間長度)，並開始作為III族材料(鎵源)的TMG流。例如，為了在結晶的氮化鎵襯底W表面上生長氮化鎵，生長溫度Tg被設定為900-1300℃。生長溫度Tg可以等於或不同於保持溫度Th。於是，生長溫度Tg可以不一定像圖10情況那樣低於保持溫度Th，而是可以包括保持溫度Th等於或高於生長溫度Th的情況。在保持溫度Th等於生長溫度Tg的情況下，保持時間應該是襯底被加熱到保持溫度Th和保持在保持溫度Th下之後與TMG流被開始之前之間的時間。亦即，在氮化物半導體開始在其上生長之前，使襯底等待一個保持時間。
與作為鎵源的TMG流饋送到反應管1的同時，作為Si源雜質的四乙基矽烷(矽源)開始流入反應管1。
開始將TMG和四乙基矽烷饋送到反應管1中之後，氮化物半導體開始在襯底W上生長。所需的源氣體(氮和III族源氣體)被饋送到反應管1，以便在由開始將有關源氣體饋送到襯底上時的襯底溫度，即材料供應開始溫度所決定的條件(單晶、多晶、或非晶)下，在襯底W表面上開始氮化物半導體生長。換言之，III族材料的引入到襯底W，開始了氮化物半導體在襯底W上的生長，因此，III族材料供應開始溫度Ts相當於生長開始溫度Ts。雖然這些溫度通常被設定為不同，但生長開始溫度(III族材料供應開始溫度)Ts可以與生長溫度Tg完全相同。
各個源氣體的流速被設定為例如如下氨氣為10slm(每分鐘標準升)，TMG為50μmol/min，而四乙基矽烷為1.5×10-3μmol/min。
在以這種方式開始氮化物半導體生長之後，結晶氮化物半導體襯底W的溫度被調節到900-1300℃之間的生長溫度Tg，並繼續流動源氣體。當氮化物半導體已經生長到規定厚度時，停止各個源氣體流並降低襯底溫度，從而終止一系列生長工藝步驟。在冷卻過程中，可以繼續供應作為氮源的氨氣。
根據上述生長工藝，結晶的氮化物半導體襯底W在不超過1200℃的溫度下被熱清洗，同時防止了氮化物半導體材料從其表面解吸附。於是，熱清洗從襯底表面清除了氧化物，同時防止了氮化物半導體材料從其表面解吸附，使襯底表面保持在滿意的條件下，從而能夠在優化的襯底表面上開始生長氮化物半導體。
而且，藉助於在800-1200℃最好是960-1200℃的保持溫度Th下執行熱清洗，能夠改善熱清洗效率。而且，藉助於將襯底W保持在上述保持溫度範圍內一個不超過20分鐘的保持時間，能夠防止氮化物半導體材料由於過長的熱清洗而從襯底表面層解吸附。
而且，藉助於將TMG和四乙基矽烷的源氣體供應開始溫度或生長溫度Tg設定到不超過1200℃的範圍內，能夠防止氮化物半導體材料從襯底W的表面層解吸附。
圖11示出了保持溫度Th與製作在襯底W上的氮化物半導體表面粗糙度(表面臺階)的關係。為了收集圖11所示的數據，圖12所示的溫度程序被施加到襯底W，以便在其上生長氮化物半導體。在被加熱到各自的保持溫度Th並保持在保持溫度Th下3分鐘之後，襯底W的溫度被調節到生長溫度Tg＝1000℃，以便開通TMG和四乙基矽烷氣體流，在其上生長氮化物半導體(氮化鎵)。至於得到的2微米厚度的氮化物半導體，利用表面臺階測量儀器，其表面臺階Δd(微米)被測量為峰谷距離。
從圖11的曲線證實，當保持時間被固定為3分鐘時，具有小的表面臺階Δd因而具有滿意的表麵條件的氮化物半導體，被形成在保持於不超過1200℃的保持溫度Th下的襯底W上。特別是在其保持溫度Th在960-1200℃範圍內的那些襯底W上，氮化物半導體的表面臺階Δd為0.10微米或更小，表現出最佳的表麵條件。
這表明，當熱清洗3分鐘時，保持在不超過1200℃的保持溫度下的襯底產生了具有滿意表麵條件的氮化物半導體，防止了襯底表面由於高溫清洗而變粗糙，並從這種襯底表面清除了氧化物。
而且，當保持時間被設定為3分鐘時，在保持在不超過1200℃的保持溫度Th下的襯底W上形成的那些氮化物半導體，通過原子力顯微鏡表現出原子臺階的完整生長，清楚地顯示出其原子級的表面平坦度。此外，從透射電子顯微鏡觀察中，在各個襯底W與其上生長的氮化物半導體之間的界面處發現幾乎沒有新出現的缺陷。這表明得到的氮化物半導體具有滿意的結晶條件。相反，生長在於保持溫度1250℃下被熱清洗過的襯底W上的氮化物半導體具有通過原子力顯微鏡看來模糊的原子臺階，在其與下方襯底W的界面處出現有新的缺陷。
圖13示出了保持時間與製作在襯底W上的氮化物半導體表面粗糙度(表面臺階)的關係。為了收集圖13所示的數據，圖14所示的溫度程序被施加到襯底W，以便在其上生長氮化物半導體。在被加熱到保持溫度Th(＝1100℃)然後各保持在此溫度Th下一個保持時間之後，襯底的溫度被調節到(亦即繼續保持在)生長溫度Tg＝1100℃，以便開通TMG和四乙基矽烷氣體流，在其上生長氮化物半導體。至於得到的2微米厚度的氮化物半導體，利用表面臺階測量儀器，其表面臺階Δd(微米)被測量為峰谷距離。
從圖13的曲線證實，具有小的表面臺階Δd因而具有滿意的表麵條件的氮化物半導體，被形成在保持於1100℃下之後熱清洗不超過20分鐘的保持時間的襯底W上。
這表明，以保持溫度Th固定在1100℃並開始供應TMG，熱清洗不超過20分鐘的襯底表面上生長了具有滿意表麵條件的氮化物半導體，防止了襯底表面由於高溫清洗(熱清洗)而變粗糙，並從這種襯底表面清除了氧化物。
而且，在達到上述固定的保持溫度之後被保持不超過20分鐘的保持時間的襯底W上形成的那些氮化物半導體，通過原子力顯微鏡表現出原子臺階的完整生長，清楚地顯示出其原子級的表面平坦度。此外，從透射電子顯微鏡觀察中，在各個襯底W與其上生長的氮化物半導體之間的界面處發現幾乎沒有新出現的缺陷。這表明得到的氮化物半導體具有滿意的結晶條件。相反，生長在被熱清洗25分鐘的保持時間的襯底W上的氮化物半導體具有通過原子力顯微鏡看來模糊的原子臺階，在其與下方襯底W的界面處出現有新的缺陷。
結果，在根據本發明第二優選實施方案的生長氮化物半導體的工藝中，能夠在其表面平坦的用熱清洗方法清除了氧化物的結晶襯底W上生長具有滿意表面結晶性的氮化物半導體，而不在其與下方襯底W的界面處引入新出現的缺陷。這種氮化物半導體因而適用於發光和光接收器件應用。
要指出的是，本發明的上述優選實施方案指的是在結晶的氮化鎵製成的襯底上生長氮化鎵製成的氮化物半導體。本發明的應用不局限於本發明的這些優選實施方案，其中生長的氮化物半導體與其下方的襯底的組成是相同的。例如，襯底及其上生長的氮化物半導體可以是任何組成，只要它們由具有包含III族金屬和氮化物的結晶層的氮化物半導體製成即可，其組成由通式BuAlxGayInzN(0≤u≤1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，u+x+y+z＝1)表示，且它們能夠提供相似的優點。
一些具體的例子是AlxGa1-xN(0≤x≤1)、InGaN和AlGaInN半導體，包含包括As和P的V族元素的其它氮化物半導體在某些情況下也可以被接受。
參照在結晶的氮化物半導體襯底上直接生長氮化物半導體，已經描述了本發明的上述各個優選實施方案，但本發明同樣可應用於也能夠提供相似優點的其它的在例如製作在氮化物半導體襯底上的氮化矽(SiO2)的圖形上選擇性地生長氮化物半導體的工藝。
用上述工藝製造的氮化物半導體使得能夠在其上製作半導體器件的主要部分，這些半導體器件基本上包括採用氮化物半導體的任何器件。一些具體的例子包括但不局限於半導體雷射器、諸如發光二極體之類的半導體發光器件、以及諸如FET和異質結雙極電晶體之類的高電子遷移率器件。
雖然以上在其優選形式中以某種程度的特殊性已經描述了本發明，但其它的改變、變化、組合、以及亞組合，在其中都是可能的。因此要理解的是，任何修正都可以實施而不偏離本發明的構思與範圍。
權利要求
1.一種在結晶的氮化物半導體襯底上生長氮化物半導體的工藝，它包含下列步驟在對所述襯底進行加熱的情況下，在所述襯底的溫度超過1200℃之前，當開始將源氣體饋送到所述襯底的表面上時，開始在所述襯底上生長所述氮化物半導體。
2.根據權利要求1的工藝，其中所述襯底上的所述氮化物半導體的所述生長，在所述襯底的溫度已經達到300℃之後開始。
3.根據權利要求2的工藝，其中所述氮化物半導體包含AlxGa1-xN(0≤x≤1)。
4.根據權利要求1的工藝，還包含下列步驟在加熱所述襯底的情況下，開始將所述源氣體中的氮源氣體饋送到所述襯底的所述表面上；以及在開始氮源氣體的所述供應之後並在所述襯底的溫度超過1200℃之前，當開始饋送所述源氣體中的不同於所述氮源氣體的另一種氣體時，開始所述氮化物半導體在所述襯底上的所述生長。
5.根據權利要求4的工藝，其中所述源氣體中的所述其它源氣體包含III族源氣體。
6.根據權利要求5的工藝，其中所述氮化物半導體包含AlxGa1-xN(0≤x≤1)。
7.根據權利要求1的工藝，其中所述襯底包含氮化鎵。
8.一種在結晶的氮化物半導體襯底上生長氮化物半導體的工藝，它包含下列步驟在藉助於將所述襯底加熱到不超過1200℃的溫度而對所述襯底的表面進行熱清洗時，開始在所述襯底上生長所述氮化物半導體。
9.根據權利要求8的工藝，其中所述熱清洗在所述襯底被保持在不超過1200℃的規定溫度範圍的情況下執行。
10.根據權利要求9的工藝，其中所述氮化物半導體包含AlxGa1-xN(0≤x≤1)。
11.根據權利要求8的工藝，其中所述熱清洗在氮源氣體被饋送到所述襯底的所述表面上的情況下執行。
12.根據權利要求11的工藝，還包含下列步驟在所述氮源氣體被饋送到所述襯底的所述表面上的情況下，所述襯底的溫度超過1200℃之前，當開始饋送不同於所述氮源氣體的另一種源氣體時，開始所述氮化物半導體在所述襯底上的所述生長。
13.根據權利要求12的工藝，其中所述其它源氣體包含III族源氣體。
14.根據權利要求13的工藝，其中所述氮化物半導體包含AlxGa1-xN(0≤x≤1)。
15.根據權利要求8的工藝，其中所述襯底包含氮化鎵。
全文摘要
公開了一種在結晶的氮化物半導體襯底上生長氮化物半導體的工藝，此工藝如下進行，即藉助於對襯底進行加熱，並在襯底溫度超過1200℃之前開始將源氣體饋送到襯底表面上，從而開始在襯底上生長氮化物半導體。在襯底溫度已經達到300℃之後，並在已經開始氮源氣體的供應之後和襯底溫度超過1200℃之前，開始氮化物半導體的生長。
文檔編號C30B29/40GK1402306SQ0212859
公開日2003年3月12日 申請日期2002年8月13日 優先權日2001年8月13日
發明者簗嶋克典, 中島博 申請人:索尼公司