本公开涉及生长氮化物半导体层的方法和使用该方法形成的氮化物半导体衬底。
背景技术：
使用氮化物半导体的电子工业已被视为发展和促进绿色工业的合适领域。特别地，镓氮化物(gan)作为一种氮化物半导体广泛用于蓝色发光二极管的制造中，蓝色发光二极管是高功率电子器件的核心部件之一。高功率电子器件一般包括红、绿和/或蓝发光二极管(led)作为核心部件。与用锌硒化物(znse)制造的常规蓝色发光器件相比，由于gan的优良物理属性和化学属性，用gan制造的蓝led具有优异的亮度、寿命和内部量子效率。gan具有直接跃迁带隙结构(directtransitionbandgapstructure)，且通过使用合金诸如ingan或algan，带隙可在从约1.9到约6.2ev的范围调节。因此，gan可用于光器件。此外，gan具有高击穿电压且在高温下是稳定的，因此可用在各种领域，诸如高功率器件和高温电子器件。例如，gan可应用在使用全色显示的大型电子标志、交通灯、光学记录介质的光源、以及交通工具引擎的高功率晶体管中。使用gan衬底制造的led具有更少的缺陷、gan衬底和器件层中相同的折射率、以及是蓝宝石的四倍大的热导率。因此，gan是用于制造高功率led的重要元件。
技术实现要素：
本发明提供一种生长氮化物半导体层的方法，该方法可生长氮化物半导体层而不形成裂纹。裂纹由于界面上的应变而产生，界面上的应变由氮化物半导体层和衬底的晶格常数或热膨胀系数之间的差异导致。氮化物半导体衬底可通过该生长方法获得。
其它方面将部分阐述于下面的说明中，以及部分地将从该说明变得显然，或者可通过实践给出的实施方式而习得。
根据本发明一方面，生长氮化物半导体层的方法包括：准备衬底；在该衬底上形成氮化物半导体点(dot)；以及在该氮化物半导体点上生长氮化物半导体层。
该方法还可包括在该氮化物半导体层的生长期间形成应力释放层，在该应力释放层中氮化物半导体点彼此连接。
该氮化物半导体层可具有一厚度，该厚度等于或大于该应力释放层的厚度。
该应力释放层的厚度可为约1μm至100μm。
该氮化物半导体层可利用卤化物气相外延(hvpe)法形成。
该氮化物半导体点可在利用hvpe法在该衬底上生长该氮化物半导体层时原位形成。
该氮化物半导体点可沿一个方向布置。
所生长的氮化物半导体层的厚度可依赖于所述氮化物半导体点的尺寸。
该氮化物半导体点大多数可具有约0.4μm或更大的尺寸。
该氮化物半导体点大多数可具有约0.4μm至约0.8μm的尺寸。这里，所生长的氮化物半导体层的厚度可为约100μm至约1000μm。
该氮化物半导体点大多数可具有约0.4μm或更小的尺寸。这里，所生长的氮化物半导体层的厚度可为约10μm或更小。
该氮化物半导体层和该氮化物半导体点可包括镓氮化物(gan)。
该氮化物半导体点可具有六角晶体结构。
该衬底可以是蓝宝石衬底。
该氮化物半导体层可通过激光浮脱法(liftoffmethod)从该衬底分离从而用作氮化物半导体衬底。
该氮化物半导体衬底可以是gan衬底。
该氮化物半导体点可在该氮化物半导体层的表面上或附近。
根据本发明的另一方面，一种氮化物半导体衬底包括：氮化物半导体点；以及在该氮化物半导体点上生长的氮化物半导体层。
该氮化物半导体衬底还可包括在该氮化物半导体层的生长期间形成的应力释放层，在该应力释放层中该氮化物半导体点彼此连接。
该氮化物半导体层可具有一厚度，该厚度等于或大于该应力释放层的厚度。
该应力释放层的厚度可为约1μm至100μm。
该氮化物半导体点可沿一个方向布置在该氮化物半导体层的表面上或附近。
该氮化物半导体点大多数可具有约0.4μm至约0.8μm的尺寸。
所生长的氮化物半导体层的厚度可为约100μm至约1000μm。
该氮化物半导体点大多数可具有约0.4μm或更小的尺寸。
所生长的氮化物半导体层的厚度可为约10μm.
该半导体点可在该氮化物半导体层的表面上具有六角晶体结构。
附图说明
这些和/或其它方面将从下面结合附图对实施方式的描述变得显然且更易于理解，附图中：
图1是示意图，示出根据本发明的实施方式的生长氮化物半导体层的方法在蓝宝石衬底上生长gan的方法；
图2是与蓝宝石衬底分离的gan层的示意图；
图3是形成在蓝宝石衬底上的gan点的示意图；
图4a和4b是扫描电子显微(sem)图像，示出生长在蓝宝石衬底上的gan点；
图5是示出当使用gan点作为核在蓝宝石衬底上生长gan层时形成在gan点和gan层之间的应力缓冲层的图；以及
图6是示意性示出根据本实施方式的生长氮化物半导体层的方法从gan点生长的具有3英寸和4英寸直径的厚gan/蓝宝石层的图像。
本领域技术人员将意识到，图无意按任何特定比例绘制，图也无意示出本发明的每种实施方式。本发明不限于图中绘示的示范性实施方式或者图中示出的特定部件、形状、相对尺寸、装饰外观或比例。
具体实施方式
现在将参照附图更全面地描述各种示例实施方式，图中示出一些示例实施方式。然而，这里公开的具体的结构和功能细节仅是代表性的以用于描述示例实施方式。因此，本发明能以各种替换形式体现且不应解释为仅局限于这里阐述的示例实施方式。因此，应理解，无意将示例实施方式限制到所公开的特定形式，而是相反，示例实施方式将覆盖落入本发明的范围内的所有的变型、等价物和替代。
在图中，层的厚度和区域可为了清晰而被夸大，在对图的描述中相似的附图标记始终表示相似的元件。
尽管术语第一、第二等可在这里用来描述各种元件，但是这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件与另一元件区别开。例如，第一元件可被称为第二元件，类似地，第二元件可被称为第一元件，而不偏离示例实施方式的范围。这里使用时，术语“和/或”包括相关所列项的一种或更多的任何和全部组合。
将理解，如果元件被称为“连接”或“耦接”到另一元件，则它能直接连接或耦接到另一元件，或者可存在居间元件。相反，如果元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一元件，则没有居间元件存在。用于描述元件之间的关系的其它措辞应以类似方式理解(例如“在...之间”与“直接在...之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。
这里使用的术语仅用于描述特定实施方式，无意成为对示例实施方式的限制。这里使用时，单数形式“一”、“一个”和“该/所述”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外表明。还将理解，如果用在这里，则术语“包括”和/或“包含”指明所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或更多其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组的存在或添加。
空间相对术语(例如之下、下方、下、上方、上等)可为了描述容易而在这里用来描述一个元件或者特征与另一元件或特征之间的如图所示的关系。将理解，空间相对术语旨在涵盖除了图示取向之外器件在使用或操作中的不同取向。例如，如果图中的器件被倒置，则描述为在其他元件或特征下方或之下的元件将取向为在其他元件或特征上方。因此，例如，术语“之下”能涵盖“之上”和“之下”两种取向。器件可以另外地取向(旋转90度或者以其他取向观察或参考)，这里使用的空间相对描述语将被相应地理解。
这里参照横截面图描述示例实施方式，所述横截面图是理想化实施方式(以及中间结构)的示意图。这样，由于例如制造技术和/或容差，图示形状的变化是可以预期的。因此，示例实施方式不应解释为局限于这里示出的区域的特定形状，而是可包括例如制造导致的形状偏差。例如，示出为矩形的注入区可具有圆化或弯曲特征和/或在其边缘的梯度(例如注入浓度的梯度)，而不是从注入区到非注入区的突变。类似地，通过注入形成的掩埋区可在掩埋区和可通过其发生注入的表面之间的区域中导致一些注入。因此，图中所示的区域本质上是示意性的，它们的形状不是必须示出器件的区域的实际形状且不限制范围。
还将注意，在一些替代实施中，记录的功能/动作可不按照图中记录的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/动作，顺序示出的两幅图可实际上基本同时执行或者有时候可以以相反顺序执行。
除非另外定义，否则这里使用的全部术语(包括技术和科学术语)具有与示例实施方式所属领域的普通技术人员一般理解的含义相同的含义。还将理解，术语，诸如一般使用的字典中定义的那些，应理解为具有与它们在相关领域的背景中的含义一致的含义，且不在理想化或过于正式的意义上解释，除非这里清楚地如此定义。
为了更具体地描述示例实施方式，将参照附图详细地描述各方面。然而，本发明不限于这里描述的示例实施方式。
镓氮化物(gan)作为一种氮化物半导体具有约3.39ev的带隙能且是直接跃迁型宽带隙材料。因此，gan适于短波长发光器件。
gan单晶的液相生长一般需要约1500℃或更高的高温和约20000atm的氮气氛以在熔点获得高的氮蒸汽压。因此，难以使用液相生长方法批量制造gan单晶。此外，当前通过液相生长方法可获得的单晶gan尺寸为约100mm2，这可能不足够大以用于发光器件的制造中。
也采用异质衬底通过气相沉积法生长gan薄膜，诸如金属有机化学气相沉积(mocvd)法或者氢化物或卤化物气相外延(hvpe)法。蓝宝石通常用于gan薄膜制造中的异质衬底，因为蓝宝石在高温下是稳定的且它相对便宜。
然而，由于蓝宝石衬底与gan薄膜的约16％的晶格常数差异和约35％的热膨胀系数差异，所以难以在蓝宝石衬底上生长高质量gan膜。由于所述差异，在蓝宝石衬底与gan薄膜之间的界面上存在应变，这导致gan晶体中的晶格缺陷或界面中的裂纹，且导致在gan薄膜上制造的器件的寿命缩短。此外，蓝宝石衬底上制造的发光二极管(led)的发光效率由于蓝宝石衬底和gan薄膜的折射率之间的差异以及gan晶体中应力引发的缺陷而受到限制。为了解决上述问题，期望使用具有与gan薄膜类似或相同特性的衬底，诸如gan衬底，且期望通过同质外延工艺在氮化物半导体衬底(gan衬底)上制造器件。
根据本发明一实施方式中的生长氮化物半导体层的方法，通过消除衬底与通过hvpe法形成的氮化物半导体层之间的晶格常数和热膨胀系数的差异，氮化物半导体层可生长在衬底上而没有裂纹。
准备衬底以生长氮化物半导体层。氮化物半导体点形成在衬底上。氮化物半导体点可沿一个方向布置。氮化物半导体点可减少由于衬底与氮化物半导体层/膜的晶格常数和/或热膨胀系数之间的差异而产生的裂纹。氮化物半导体层可通过使用氮化物半导体点作为核而生长为单晶。
氮化物半导体层的垂直和水平生长速度可通过调节iii-v族半导体材料的比率和生长温度来得到控制。由于氮化物半导体点被形成且沿一个方向布置，所以氮化物半导体层可生长为单晶。氮化物半导体层可生长至一厚度，该厚度等于或大于应力释放厚度。在氮化物半导体层生长为单晶时，氮化物半导体点被彼此连接。生长期间，应力释放层可形成在氮化物半导体点和氮化物半导体层之间。应力释放层在与氮化物半导体层生长的温度相同的温度下与氮化物半导体层连续生长。在应力释放层中，氮化物半导体点和氮化物半导体层之间的界面上产生的电势相接且部分减少。作为示例，应力释放层可具有约1μm至约100μm的厚度，例如约40μm至约50μm。应力释放层的厚度可对应于应力释放厚度，在应力释放厚度氮化物半导体点彼此连接。
氮化物半导体层可通过使用工业中公知的技术之一从衬底分离，诸如激光浮脱(laserliftoff)法，于是获得独立的氮化物半导体衬底。独立的氮化物半导体衬底包括氮化物半导体层和氮化物半导体点，氮化物半导体点可存在于氮化物半导体层的表面附近。应力释放层可存在于氮化物半导体层和氮化物半导体点之间。在独立的氮化物半导体衬底中，氮化物半导体点可具有六角晶体结构且存在于氮化物半导体层的表面上或表面附近，所述表面最初与衬底(例如蓝宝石)接界且从该衬底分离。
根据本示范性实施方式的生长氮化物半导体层的方法，厚的gan通过使用hvpe法生长在蓝宝石衬底上从而制造gan衬底。
蓝宝石衬底可用作异质衬底以用于生长厚gan。因为蓝宝石具有与gan类似的六角晶体结构，且蓝宝石便宜并在高温下是稳定的。然而，如上所述，由于gan和蓝宝石的晶格常数和热膨胀系数之间的差异，蓝宝石可能在界面处产生应变。界面应变在晶体中产生晶格缺陷和裂纹。因此，当gan层形成在蓝宝石衬底上时，裂纹可能形成在gan层中。
根据本示范性实施方式，沿一个方向布置的gan点用来消除形成应力引起的裂纹的可能性。为了获得厚的gan层，gan沿垂直和水平方向从gan点生长。厚gan层的厚度可基于gan点的尺寸来确定。
图1是示意图，示出根据本示范性实施方式的生长氮化物半导体层的方法在蓝宝石衬底10上生长gan的方法。图2示意性示出独立的gan衬底，该独立的gan衬底通过在图1所示的结构中从蓝宝石衬底10分离厚gan层50而获得。
参照图1，准备蓝宝石衬底10以生长gan，gan是氮化物半导体中的一种。
如图3所示，gan点35形成在蓝宝石衬底10上。gan点35可减少应力引起的裂纹，该裂纹由于蓝宝石衬底10和厚gan层50的晶格常数或热膨胀系数之间的差异而产生。gan点35可表示为gan点层30，如图1所示。
作为形成gan点35的示范性工艺，蓝宝石衬底10安装在hvpe反应器中，然后在高温下从氯化氢(hcl)和镓(ga)金属获得gacl。gacl用nh3进一步处理以在蓝宝石衬底10上生长gan点35。更详细地，安装在hvpe反应器中的蓝宝石衬底10用hcl+nh3处理以从蓝宝石衬底的表面去除氧。然后，其上生长gan点35的铝氮化物(aln)种子可在gan生长之前形成在表面上。在该状态下，hcl和ga彼此反应以形成gacl，gacl与nh3反应。然后，gan可从aln种籽生长，于是gan点35形成在蓝宝石衬底上。gan点35可在高温例如约900℃下生长。
参照图3，生长的gan点35具有六角晶体结构且沿一个方向布置，例如沿c轴方向。图4a和4b是扫描电子显微镜(sem)图像，其示出形成在蓝宝石衬底10上的gan点35。sem图像示出gan点35良好地沿c轴方向布置。
gan层50可生长在gan点35上，gan点35用作核，沿垂直和水平方向的生长速度通过调节iii-v族半导体材料的比率或生长温度来得到控制。由于具有六角晶体结构的gan点35沿一个方向布置，所以gan层可生长为单晶。
gan层50生长至一厚度，该厚度等于或大于在gan层50的生长期间gan点35在其中彼此连接的应力释放厚度。应力释放层(参照图5中的40)可在gan层50的生长期间形成在gan点35和gan层50之间。图5示出当使用gan点35作为核在蓝宝石衬底上生长gan层50时形成在gan点35和gan层50之间的应力释放层40。
应力释放层40在与生长gan层50的温度相同的温度下连续生长。当gan层50生长在gan点35上时，在gan点35的界面上产生电势。gan从每个gan点/核30生长且在某时刻彼此连接，此时电势被部分去除且形成应力释放层40。应力释放层40可具有约1μm至约100μm的厚度，例如约40μm至约50μm，如上所述。应力释放层40的厚度可依赖于gan点35的尺寸而改变。
当利用大多数具有0.4μm或更大尺寸的gan点生长gan时，核在其中彼此接触的应力释放厚度(聚结(coalescence))为约40μm至约50μm。应力释放层40的厚度可对应于应力释放厚度。
因此，当gan层50的厚度为至少约60μm至约70μm或更大时，gan层50几乎具有镜面且没有应力引发的裂纹。
如上所述，当gan层50生长至应力释放厚度或更大时，可获得具有期望的厚度范围的晶体中没有裂纹或缺陷的gan层50。
在图2中，示出包括gan层50和gan点35的独立gan衬底，其可通过用激光浮脱方法从蓝宝石衬底10分离具有期望厚度的gan层50来获得。高效率的led可制造在从gan点35形成的没有应力引发的裂纹和缺陷的独立gan衬底上。独立gan层包括一表面，该表面初始与蓝宝石衬底10接界且通过分离工艺而变成开放表面(opensurface)。gan点35可存在于独立gan层的该表面上/附近且具有六角晶体结构。
在激光浮脱方法中，采用具有短于约360nm波长的激光束。gan层50可被激光束照射从而与蓝宝石衬底10分离。用于进行激光浮脱的激光光源可以是具有约1064nm波长的nd:yag激光器的三倍频(thirdharmonicgeneration)(约321nm)、具有约248nm波长的krf受激准分子激光器、或者具有约330nm波长的xecl受激准分子激光器。当具有约360nm或更短波长的激光束照射在蓝宝石衬底10和形成在衬底10上的gan层50上时，gan层50与蓝宝石衬底10之间的界面吸收激光束。界面上的gan变成ga+1/2n2，这导致gan层50与蓝宝石衬底10分离。
应力释放层未示出在图1和2中，因为应力释放层可于在gan点35上生长gan层50的工艺期间形成至期望的厚度。应力释放层的厚度可根据gan点35的尺寸而改变。因此，应力释放层可以不归类为单独的层。
在根据本示范性实施方式的生长氮化物半导体层的方法中，氮化物半导体可利用hvpe法生长。当gan通过hvpe法生长在蓝宝石衬底10上时，gan点35可原位生长。
如前所述，利用gan点35在蓝宝石衬底10上生长gan的方法可提供高质量的厚的gan层50而没有由于蓝宝石衬底和gan的晶格常数和热膨胀系数之间的差异而会产生的裂纹或缺陷。
图4a和4b是sem图像，示出为了生长gan而形成在蓝宝石衬底上的gan点。在图4a中，大多数gan点(约90％的gan点)具有约0.4μm或更小的尺寸。在图4b中，大多数gan点(约90％的gan点)具有约0.4μm至约0.8μm的尺寸。
如图4a所示的具有较小尺寸的gan点可以在较低的生长温度下形成，例如约980℃至约990℃。如图4b所示的具有较大尺寸的gan点可以在较高的生长温度下形成，例如约1040℃。当在不同条件下进行生长时，用于期望尺寸的gan点的温度可变化，因为gan点的尺寸依赖于各种因素。
当gan点具有约0.4μm或更小的尺寸时(如图4a所示)，则利用较精细尺寸的gan点作为核生长的gan层以约10μm(或更大)的厚度变成镜状表面。因此，采用较精细尺寸的gan点，可获得具有约10μm厚度的较薄gan层。
当gan点具有例如约0.4μm或更大(更具体地，约0.4μm至约0.8μm)的尺寸时，利用较粗尺寸的gan点作为核生长的gan层可生长至较大厚度，例如约100μm至约1000μm。该较厚的gan层可用作独立gan衬底以用于制造高效率led。
根据本实施方式的生长氮化物半导体层的方法，gan层可生长至约300μm或更大(更具体地，约300μm至约400μm)的厚度。
如上所述，当利用较粗尺寸的gan点(例如，约0.4μm至约0.8μm)生长gan层时，gan层可具有约300μm或更大的大厚度。该较厚的gan层可从蓝宝石衬底分离，可获得具有足够厚度的独立gan衬底且用于在它上面制造器件。
当需要时，gan层可以生长得较薄(例如约300μm或更小的厚度)，不产生应力引发的裂纹和/或缺陷。因此，根据本实施方式的生长氮化物半导体层的方法利用gan点可获得具有任意期望厚度的高质量gan层以及独立gan衬底。
当gan层利用较粗尺寸的gan点(例如约0.4μm或更大)作为核生长时，其中核彼此连接的应力释放厚度(聚结)为约40μm至约50μm。因此，当gan层利用较粗糙尺寸的gan点作为核生长时，gan层在较低厚度(例如约60μm至约70μm)变成镜状状态而没有形成裂纹。
如上所述，在gan点的给定尺寸下，当gan层的厚度等于或大于应力释放层(聚结)的厚度时，能获得没有裂纹或缺陷的高质量gan层。
图6是示出具有3英寸和4英寸直径的厚gan/蓝宝石结构的图像。gan/蓝宝石结构根据本实施方式的生长氮化物半导体层的方法利用gan点生长。
图6中清楚示出，根据本实施方式的生长氮化物半导体层的方法生长的氮化物半导体层(即gan层)没有裂纹。
上面已经参照示范性实施方式描述了利用根据本发明的实施方式的生长氮化物半导体层的方法在蓝宝石衬底上生长的gan层，但是这些仅应在说明的意义上理解，而不是用于限制。对每个实施方式中的特征和方面的描述通常应视为可用于其它实施方式中的其它类似特征或方面。虽然已经描述了示范性实施方式，但是显然的是，对其的修改和变型是可行的，全部修改和变型落入本发明的真实思想和范围内。于是，参照上面的描述将意识到，本发明的部件和步骤的最优关系，包括操作和制造方法的顺序、形式、内容、功能、方式，被认为对本领域技术人员而言是容易显见且明显的，图中示出的和说明书中描述的那些的全部等效关系旨在被本发明所涵盖。上面的描述和图说明可进行变型而不偏离本发明，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
因此，前面的内容仅视为本发明原理的说明。此外，由于本领域技术人员易于想到许多变型和改变，所以不期望将本发明限制到所示出和描述的精确构造和操作，因此，所有合适的变型和等价物旨在落入所要求保护的本发明的范围内。