生长氮化物单晶体的方法和制造氮化物半导体器件的方法
【专利说明】生长氮化物单晶体的方法和制造氮化物半导体器件的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2014年4月25日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请N0.10-2014-0049984的优先权，该韩国专利申请的公开全文以引用方式并入本申请中。
技术领域
[0003]本公开涉及一种生长氮化物单晶体的方法，并且更具体地说，涉及一种生长氮化物单晶体的方法和一种制造氮化物半导体器件的方法。
【背景技术】
[0004]诸如蓝宝石基底、SiC基底等的异质基底通常用作用于生长氮化物单晶体的基底。然而，这种异质基底昂贵或具有高硬度，使得处理困难。尤其是，蓝宝石基底具有低导电率。
[0005]为了克服这种限制，提出了利用硅基底来生长氮化物单晶体的方案。然而，当在硅基底上生长氮化物单晶体薄膜时，由于硅基底与薄膜之间的晶格失配而使位错密度增大，并且由于热膨胀系数之间的差异可能发生塑性变形开裂。结果，生长在硅基底上的薄膜会具有不均匀的厚度。另外，硅元素可扩散以与III族金属(例如，镓)氮化物形成共晶金属，从而导致回熔现象。
【发明内容】
[0006]本文描述的本发明构思提供了能够在保持晶体质量的同时减小变形或开裂发生的比率的生长氮化物单晶体的方法和利用该方法来制造氮化物半导体器件的方法。
[0007]根据本文提供的本发明构思的示例性实施方式，一种生长III族氮化物半导体的方法，包括以下步骤:将含硅的基底保持在950°C至1040°C的温度；以及通过将金属源气体与氢的体积分数在20%至40%范围内的氮源气体同时提供至具有所述基底的反应室的内部，同时将所述基底保持在所述温度，从而来生长III族氮化物半导体。
[0008]所述方法还包括以下步骤:在所述含硅的基底的表面上形成缓冲层；并且，可以执行所述将金属源气体和氮源气体同时提供并同时将所述基底保持在所述温度的步骤，以在所述缓冲层上形成III族氮化物晶体。
[0009]形成所述缓冲层的步骤可以包括以下步骤:在所述基底上形成AlN成核层；以及在所述AlN成核层上形成晶格缓冲层。
[0010]在所述缓冲层上形成III族氮化物晶体的步骤可以包括以下步骤:在所述晶格缓冲层上形成晶格常数大于所述晶格缓冲层的晶格常数的第一氮化物半导体层；在所述第一氮化物半导体层上形成中间层，该中间层包括晶格常数小于所述第一氮化物半导体层的晶格常数的氮化物晶体；以及在所述中间层上形成第二氮化物半导体层，该第二氮化物半导体层与所述第一氮化物半导体层具有相同的组成。在形成所述第一氮化物半导体层的步骤、形成所述中间层的步骤和形成所述第二氮化物半导体层的步骤中，可以将所述基底保持在9500C至10400C的温度，并且可以在氢的体积分数在20 %至40 %的范围内的情况下提供所述氮源气体。
[0011]所述方法还可以包括以下步骤:作为形成所述III族氮化物晶体的一部分，在所述缓冲层上形成应力补偿层；以及在所述应力补偿层上形成发光结构。在所述应力补偿层上形成发光结构的步骤可以包括以下步骤:在所述应力补偿层上形成第一导电类型氮化物半导体层；在所述第一导电类型氮化物半导体层上形成有源层；以及在所述有源层上形成第二导电类型氮化物半导体层。在形成所述应力补偿层的步骤和在所述应力补偿层上形成所述第一导电类型氮化物半导体层的步骤中，可以将所述基底保持在950°c至1040°C的温度，并且可以在氢的体积分数在20%至40%的范围内的情况下提供所述氮源气体。
[0012]所述方法还可以包括以下步骤:通过将所述第二导电类型氮化物半导体层结合至永久基底来将所述发光结构安装在所述永久基底上；以及去除所述含硅的基底、所述缓冲层和所述应力补偿层，以暴露出所述发光结构的所述第一导电类型氮化物半导体层。
[0013]所述方法还可以包括以下步骤:作为形成所述III族氮化物晶体的一部分，在所述缓冲层上形成应力补偿层；以及在所述应力补偿层上形成发光结构。在所述应力补偿层上形成发光结构的步骤可以包括以下步骤:在所述应力补偿层上形成第一导电类型氮化物半导体层；在所述第一导电类型氮化物半导体层上形成具有多个坑凹进的坑形成层；在所述坑形成层上形成超晶格层，以将所述坑凹进保持在所述超晶格层中；在所述超晶格层上形成有源层，以将所述坑凹进保持在所述有源层中；以及在所述有源层上形成第二导电类型氮化物半导体层，以填充所述有源层中的所述坑凹进。在形成所述应力补偿层的步骤和在所述应力补偿层上形成所述第一导电类型氮化物半导体层的步骤中，可以将所述基底保持在9500C至10400C的温度，并且可以在氢的体积分数在20 %至40 %的范围内的情况下提供所述氮源气体。
[0014]在所述有源层上形成所述第二导电类型氮化物半导体层的同时，可以将所述基底保持在1000°C或更高的温度。
[0015]所述氮源气体可以包括氢(H2)以及包括氨(NH3)和氮(N2)中的至少一种，并且所述金属源气体可以包括有机金属源气体和载体气体。
[0016]所述有机金属源气体可以包括三甲基铝(TMAl)、三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)和三甲基铟(TMIn)中的至少一种，并且所述载体气体可以包括氩、氮、氢、氦、氖、氙和它们的组合中的至少一种。
[0017]所述氮源气体的氢的体积分数可以在20%至35%的范围内，并且可以将所述基底保持在970°C至1035°C的温度。
[0018]根据本发明的另一方面，一种生长III族氮化物半导体的方法，包括以下步骤:将含硅的基底保持在950°C至1040°C的温度；以及通过将金属源气体和包括以20000SCCm至70000sccm的流率提供的氢的氮源气体同时提供至具有所述基底的反应室的内部，同时将所述基底保持在所述温度，从而生长III族氮化物半导体。
[0019]可以以20000SCCm至70000SCCm的流率提供氢以将氢在所述氮源气体中的体积分数保持在20 %至40 %的范围内。
[0020]所述方法还可以包括以下步骤:在所述含硅的基底的表面上形成缓冲层；在所述缓冲层上形成应力补偿层；以及在所述应力补偿层上形成第一导电类型氮化物半导体层。可以在将所述基底保持在950°C至1040°C的温度的同时以及在提供其中以20000sCCm至70000sCCm的流率提供氢的所述氮源气体的同时，形成所述应力补偿层和所述第一导电类型半导体层。
[0021]所述方法还可以包括以下步骤:在所述第一导电类型氮化物半导体层上形成有源层；以及在所述有源层上形成第二导电类型氮化物半导体层。所述第一导电类型氮化物半导体层、所述有源层和所述第二导电类型氮化物半导体层可以在所述应力补偿层上形成发光结构。
[0022]根据本发明的另一方面，提供一种在基底上形成氮化物晶体的方法。该方法包括以下步骤:在含硅的基底的表面上形成包括成核层和晶格缓冲层的缓冲层；以及在所述晶格缓冲层上形成氮化物晶体，形成所述氮化物晶体的步骤包括在所述晶格缓冲层上按次序形成第一氮化物半导体层、中间层和第二氮化物半导体层。形成所述氮化物晶体的步骤可以包括针对形成所述氮化物晶体的步骤的至少一部分提供包括以20000sccm至70000sccm的流率提供的氢的氮源气体。
[0023]所述第一氮化物半导体层的晶格常数可以大于其上形成有所述第一氮化物半导体层的所述晶格缓冲层的晶格常数，并且所述中间层的晶格常数可以小于所述第一氮化物半导体层的晶格常数。
[0024]形成所述氮化物晶体的步骤可以包括在提供包括流率为20000sccm至70000sccm的氢的所述氮源气体的同时，将所述基底保持在950°C至1040°C的温度。
[0025]所述方法还可以包括以下步骤:通过执行以下步骤在所述第二氮化物半导体层上形成发光结构:在所述第二氮化物半导体层上形成第一导电类型氮化物半导体层；在所述第一导电类型氮化物半导体层上形成有源层；以及在所述有源层上形成第二导电类型氮化物半导体层。在形成所述氮化物晶体的步骤和形成所述第一导电类型氮化物半导体层的步骤中，可以提供包括以20000sccm至70000sccm的流率提供的氢的所述氮源气体。
[0026]根据本公开的另一方面，一种在基底上形成氮化物晶体的方法，包括以下步骤:将含硅的基底保持在950°C至1040°C的温度；以及在将所述基底保持在所述温度的同时，在所述基底上形成具有平均尺寸为400 μπι或更小的回熔缺陷的氮化物晶体。
[0027]可以将所述氮化物晶体形成为具有不超过I %的回熔缺陷，该回熔缺陷的直径为400 μ m或更大。
[0028]可以通过将金属源气体和氮源气体同时提供至具有所述基底的反应室的内部，从而在所述基底上形成所述氮化物晶体，其中所述氮源气体的氢的体积分数在20%至40%的范围内。
[0029]所述氮源气体可以包括氢(H2)以及包括氨(NH3)和氮(N2)中的至少一种，并且所述金属源气体可以包括III族金属源气体和载体气体。
[0030]可以通过将金属源气体和氮源气体同时提供至具有所述基底的反应室的内部，从而在所述基底上形成所述氮化物晶体，其中所述氮源气体的流率为20000sCCm至70000sccmo
[0031]所述氮源气体可以包括氢(H2)以及包括氨(NH3)和氮(N2)中的至少一种，并且所述金属源气体可以包括载体气体以及三甲基铝(TMAl)、三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)和三甲基铟(TMIn)中的至少一种。
【附图说明】
[0032]从以下结合附图的详细描述中，将更加清楚地理解本公开的以上和其它方面、特征和其它优点，其中:
[0033]图1是示出根据本发明构思的示例性实施例的生长氮化物单晶体的方法的流程图；
[0034]图2是示意性地示出可用于本发明构思的示例性实施例中的薄膜沉积设备的示例的示图；
[0035]图3是示出图1所示的生长氮化物单晶体的方法的特定示例的流程图；
[0036]图4至图7是分别示出可在本发明构思的示例性实施例中采用的缓冲层和应力补偿层的结构的各种示例的剖视图；
[0037]图8A和图SB是通过对根据改进示例I和比较例I获得的氮化物单晶体的表面进行成像而获得的原子力显微镜(AFM)照片；
[0038]图9是示出回熔缺陷的尺寸随着氢在氮源气体中的体积分数而变化的曲线图；
[0039]图10是示出根据改进示例I和比较例I获得的氮化物单晶体中直径大于或等于400 μπι的回熔缺陷的百分率的曲线图；
[0040]图11是示出根据本发明构思的示例性实施例的制造氮化物半导体发光器件的方法的流程图；
[0041]图12是示出根据本发明构思的另一示例性实施例的制造氮化物半导体发光器件的方法的流程图；
[0042]图13是示出根据图12的制造方法获得的氮化物半导体发光器件的剖视图；
[0043]图14Α和图14Β是示出根据改进示例2和比较例2获得的多个处理周期的氮化物半导体发光器件当中η型GaN层与有源层之间的界面中的曲率分布的图形；
[0044]图15是示出根据改进示例2和比较例2获得的氮化物半导体发光器件的η型GaN层与有源层之间的界面中的曲率分布随生长时间变化的曲线图；以及
[0045]图16至图22是示出根据本发明构思的示例性实施例的制造氮化物半导体发光器件的方法的主要处理的剖视图。
【具体实施方式】
[0046]下文中，将参照附图详细描述本发明构思的示例性实施例。
[0047]然而，可按照许多不同形式来例示本公开，并且不应将本公开理解为限于本文阐述的特定实施例。更确切地，提供这些实施例以使得本公开将是彻底和完整的，并且将把本公开的范围完全传递给本领域技术人员。
[0048]在附图中，为了清楚起见可夸大元件的形状和尺寸，并且相同的附图标记将始终用于指代相同或相似的元件。
[0049]同时，本公开中使用的表达“一个示例”不是指相同的示例，而是用于强调各个示例之间的不同特点。然而，不排除以下描述中提供的示例与另一示例的特征关联或组合并且在随后结合实现。例如，除非在其它示例中另有说明，否则即使特定示例中描述的内容未在不同示例中描述，所述内容也可作为其它示例的描述的一部分而被组合。
[0050]图1是示出根据本发明构思的示例性实施例的制造氮化物晶体的工艺的流程图。
[0051]参照图1，根据当前示例性实施例的制造工艺可始于在硅基