第iii族氮化物半导体发光器件及其制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种其中在设置有不平整形状的蓝宝石衬底上生长有平坦半导体层的第III族氮化物半导体发光器件及其制造方法。当蓝宝石衬底的主表面上的平坦表面面积S与蓝宝石衬底的总面积K的面积比R为0.1以上至小于0.5时，在其主表面上具有不平整形状的蓝宝石衬底上形成半导体层时，供应包含第III族元素的原料气体和包含第V族元素的原料气体的至少两种气体使得满足公式1000≤Y/(2×R)≤1200。在公式中，Y为包含第V族元素的原料气体与包含第III族元素的原料气体的分压比。
【专利说明】第M I族氮化物半导体发光器件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及第III族氮化物半导体发光器件及其制造方法。更具体地，本发明涉及其中在具有不平整形状的蓝宝石衬底上形成有平坦半导体层的第III族氮化物半导体发光器件及其制造方法。
【背景技术】
[0002]在第III族氮化物半导体发光器件中，光可以反射到半导体层与大气层之间的界面处的半导体层一侧。GaN的折射率为2.3 (蓝光LED)，而空气的折射率为1，存在大的差距。为了提高光提取效率，可以将在主表面上具有不平整形状的蓝宝石衬底用于第III族氮化物半导体发光器件。在这样的半导体发光器件中，光通过不平整形状散射，并且光提取效率高。
[0003]日本公开特许公报(特开)第2011-129718号公开了衬底设置有凸起的第III族氮化物半导体发光器件。在衬底与η型半导体层之间的界面或P电极与大气层之间的界面处全反射并且横向传播的光通过凸起散射，从而提高了光提取效率。
[0004]本发明人发现当半导体层通过气相外延例如金属有机化学气相沉积(MOCVD)形成时，可能引起以下问题。
[0005]当蓝宝石衬底不具有不平整形状时，如图1所示，原料气体几乎均匀地喷到蓝宝石衬底的整个表面。相反，当蓝宝石衬底具有不平整形状时，如图2所示，原料气体进入不平整形状的凹部中。因此，在每个凹部的区域Rl中，原料气体的浓度比蓝宝石衬底不具有不平整形状时更高。
[0006]当原料气体的浓度高时，半导体层容易倾斜地生长在不平整形状的倾斜表面上的缓冲层上。特别地当倾向于蓝宝石的a面{l，l，-2，x}出现在倾斜表面上时，半导体层容易生长在该倾斜表面上。这是因为GaN容易生长在{1，1，-2,0}面上。半导体在衬底的倾斜表面上的生长程度有时高于在衬底的主表面上的生长程度。特别地当蓝宝石衬底上的底面积较小时，半导体在倾斜表面上的生长程度非常高。生长在倾斜表面上的半导体层的晶体取向不同于生长在底表面上的半导体层的晶体取向。当具有不同生长模式的这些半导体层融合(merge )时，融合之后的生长层的表面难以处于平坦状态。此外，融合之后的生长层的结晶度劣化。
[0007]当不平整形状高密度地形成时(就是说，相邻台面的顶部的间距宽度小)，光提取效率提高。然而，间距宽度越小，基底层的表面越难以处于平坦状态。
【发明内容】
[0008]已实现本发明用于解决本发明人自己发现的上述问题。因此，本发明的目的是提供一种其中在设置有不平整形状的衬底上生长平坦半导体层的第III族氮化物半导体发光器件及其制造方法。
[0009]在本发明的第一方面中，提供了一种用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，包括:
[0010]制备在主表面上具有不平整形状的蓝宝石衬底的蓝宝石衬底制备步骤；
[0011]在蓝宝石衬底的不平整形状上形成低温缓冲层的缓冲层形成步骤；以及
[0012]在低温缓冲层上生长由第III族氮化物半导体形成的半导体层的半导体层形成步骤。半导体层形成步骤包括通过供应至少两种类型的气体:包含第III族元素的原料气体和包含第V族元素的原料气体，以满足下列公式从而在低温缓冲层上形成第一半导体层:
[0013]1000 ≤ Y/(2 XR) ( 1200
[0014]R=S/K
[0015]0.1 ^ R<0.5
[0016]Y:包含第V族元素的原料气体与包含第III族元素的原料气体的分压比
[0017]R:蓝宝石衬底的平坦表面与蓝宝石衬底的总面积的面积比
[0018]S:蓝宝石衬底的主表面一侧上的平坦表面的面积
[0019]K:蓝宝石衬底的总面积。
[0020]在用于制造第III 族氮化物半导体发光器件的方法中，抑制供应到蓝宝石衬底的不平整形状的包含第V族元素的原料气体的供应量。因而，可以抑制在形成在蓝宝石衬底的倾斜表面上的低温缓冲层上的半导体层的生长。因此，可以在具有不平整形状的蓝宝石衬底上形成平坦半导体层。
[0021]本发明的第二方面涉及用于第III族氮化物半导体发光器件的制造方法的具体实施方案，其中，在形成第一半导体层时，形成至少部分地填充蓝宝石衬底的不平整形状的高度的层作为第一半导体层。
[0022]本发明的第三方面涉及用于第III族半导体发光器件的制造方法的具体实施方案，其中，第一半导体层部分地覆盖蓝宝石衬底的不平整形状的高度，并且未覆盖不平整形状的高度的剩余部分。
[0023]本发明的第四方面涉及用于第III族氮化物半导体发光器件的制造方法的具体实施方案，其中第一半导体层覆盖蓝宝石衬底的不平整形状的整个高度。
[0024]本发明的第五方面涉及用于第III族氮化物半导体发光器件的制造方法的具体实施方案，其中半导体层形成步骤包括:在第一半导体层上形成η型半导体层，在η型半导体层上形成发光层；以及在发光层上形成P型半导体层。
[0025]本发明的第六方面涉及用于第III族氮化物半导体发光器件的制造方法的具体实施方案，其中，在形成第一半导体层时，第一半导体层的生长温度比η型半导体层的生长温度低20°C至80°C的范围内。
[0026]本发明的第七方面涉及用于第III族氮化物半导体发光器件的制造方法的具体实施方案，其中在形成η型半导体层时，η型半导体层的生长温度为1000°C至1200°C。
[0027]本发明的第八方面涉及用于第III族氮化物半导体发光器件的制造方法的具体实施方案，其中蓝宝石衬底的不平整形状具有0.5 μ m至3.0 μ m的高度。
[0028]本发明的第九方面涉及用于第III族氮化物半导体发光器件的制造方法的具体实施方案，其中蓝宝石的不平整形状的底表面与不平整形状的倾斜最大的表面之间的角度为 40。至 60。。
[0029]本发明的第十方面涉及用于第III族氮化物半导体发光器件的制造方法的具体实施方案,其中在第一半导体层的形成中，第一半导体层的生长速率为200 Λ/分钟至
2000 A / 分钟。
[0030]本发明的第十一方面涉及用于第III族氮化物半导体发光器件的制造方法的具体实施方案，其中蓝宝石衬底的不平整形状具有多个台面，台面以蜂窝结构布置在不平整形状的整个表面之上。
[0031]本发明的第十二方面涉及用于第III族氮化物半导体发光器件的制造方法的具体实施方案，其中台面具有选自截顶圆锥形、截顶六棱椎形、圆椎形以及六棱椎形中的至少一种形状。
[0032]本发明的第十三方面涉及用于第III族氮化物半导体发光器件的制造方法的具体实施方案，其中连接相邻台面的线为沿a轴方向。
[0033]本发明的第十四方面涉及用于第III族氮化物半导体发光器件的制造方法的具体实施方案，其中蓝宝石衬底具有c面主表面。
[0034]本发明的第十五方面涉及用于第III族氮化物半导体发光器件的制造方法的具体实施方案，其中使用氨作为包含第III族元素的原料气体并且使用至少三甲基镓作为包含第V族元素的原料气体。
[0035]在本发明的第十六方面中，提供了一种第III族氮化物半导体发光器件，包括:设置有具有至少一个倾斜表面的不平整形状的蓝宝石衬底；在蓝宝石衬底上沿着不平整形状形成的低温缓冲层；形成在低温缓冲层上并且至少部分地填充不平整形状的高度的第一半导体层；形成在第一半导体层上的η型半导体层；形成在η型半导体层上的发光层；以及形成在发光层上的P型半导体层，其中蓝宝石衬底的主表面一侧上的平坦表面面积S与蓝宝石衬底的总面积K的面积比R为10%以上至小于50%。第一半导体层具有生长在不平整形状的倾斜表面上的倾斜表面生长层。倾斜表面生长层具有0.05 μ m至0.5 μ m的厚度。
[0036]第III族氮化物半导体发光器件包括具有较好的不平整形状的蓝宝石衬底以及第一半导体层。光通过不平整形状的台面和凹部良好地散射，并且光提取效率高。半导体层的生长速率在蓝宝石衬底的不平整形状的倾斜表面上是缓慢的。因此，半导体层在蓝宝石衬底的主表面上的生长不受半导体层在蓝宝石衬底的不平整形状的倾斜表面上的生长抑制。半导体层在第一半导体层之上的生长模式是稳定的。因而，在第一半导体层之上的半导体层具有良好的晶体质量。
[0037]本发明的第十七方面涉及第III族氮化物半导体发光器件的具体实施方案，其中，形成与η型半导体层接触的η电极，并且η型半导体层包括与η电极接触的η型接触层。
[0038]本发明的第十八方面涉及第III族氮化物半导体发光器件的具体实施方案，其中，形成与η型半导体层接触的η电极，并且第一半导体层包括与η电极接触的η型接触层。
[0039]本发明能够提供一种第III族氮化物半导体发光器件及其制造方法，在第III族氮化物半导体发光器件中在具有不平整形状的蓝宝石衬底上生长有平坦的半导体层。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]由于在结合附图考虑时参照优选实施方案的以下详细描述，本发明的各种其他目的、特征以及许多附带优点变得更好理解，所以将容易领会本发明的各种其他目的、特征以及许多附带优点，其中:
[0041]图1为示出将原料气体喷在不具有不平整形状的平坦蓝宝石衬底上的情况的简图；
[0042]图2为示出将原料气体喷在具有不平整形状的蓝宝石衬底上的情况的简图；
[0043]图3示出根据实施方案的半导体发光器件的示意性结构；
[0044]图4示出根据实施方案的半导体发光器件的蓝宝石衬底；
[0045]图5为根据实施方案的半导体发光器件的基底层周围的示意性横截面图；
[0046]图6为示出用于制造根据实施方案的发光器件的过程的简图(部分I)；
[0047]图7为示出用于制造根据实施方案的发光器件的过程的简图(部分2)；
[0048]图8为示出用于制造根据实施方案的发光器件的过程的简图(部分3)；
[0049]图9为示出用于制造根据实施方案的发光器件的过程的简图(部分4)；
[0050]图10为示出用于制造根据实施方案的发光器件的过程的简图(部分5)；
[0051]图11为示出根据实施例的在蓝宝石衬底上的半导体层的生长的显微照片；
[0052]图12为示出根据对比例的在蓝宝石衬底上的半导体层的生长的显微照片；
[0053]图13示出根据变形例的半导体发光器件的示意性结构(部分I)；
[0054]图14示出根据变形例的半导体发光器件的示意性结构(部分2)。
【具体实施方式】
[0055]接下来将通过选取制造半导体发光器件的情况作为实施例参照附图描述本发明的具体实施方案。然而，本发明不限于实施方案。
[0056]不必说，形成下述发光器件的层和电极的结构仅为示例，并且层和电极的结构可以与下述实施方案中例示的那些不同。在附图中示意性示出的各层的厚度不对应于其实际值。
[0057]1.半导体发光器件
[0058]图3示出根据本实施方案的发光器件100的示意性结构。发光器件100为面朝上型半导体发光器件。发光器件100包括由第III族氮化物半导体形成的多个半导体层。如图3所示，发光器件100包括蓝宝石衬底110、低温缓冲层120、基底层130、η型半导体层140、发光层150、P型半导体层160、透明电极170、η焊盘电极NI以及P焊盘电极Ρ1。
[0059]蓝宝石衬底110为用于通过MOCVD在其主表面上形成半导体层的生长衬底。在蓝宝石衬底110的主表面上形成不平整形状111。不平整形状111将稍后描述。
[0060]低温缓冲层120形成在蓝宝石衬底110的不平整形状111上。低温缓冲层120沿着不平整形状111形成在不平整形状中。应用低温缓冲层120以在蓝宝石衬底110中高密度地形成结晶核。低温缓冲层120由例如AlN或GaN的材料制成。低温缓冲层120具有
?ο A至woo A的厚度。
[0061]基底层130形成在低温缓冲层120上。基底层130为部分地填充蓝宝石衬底110的不平整形状111的高度的第一半导体层。因此，基底层130覆盖不平整形状111的倾斜表面的一部分和底表面。基底层130未覆盖不平整形状111的倾斜表面的剩余部分以及不平整形状111的顶部。实际上，在基底层130与蓝宝石衬底110之间存在低温缓冲层120。基底层130的η型半导体层140 —侧上的与蓝宝石衬底110相对的表面131a的至少一部分是平坦的。基底层130为GaN层。
[0062]η型半导体层140形成在基底层130上。η型半导体层140包括依次形成在基底层130上的η型接触层、η型ESD层和η型超晶格层。η型半导体层140的蓝宝石衬底110侧上的表面具有一定程度的不平整形状。就是说，η型半导体层140在一定程度上填充基底层130的表面上的不平整形状。相反，η型半导体层140的与蓝宝石衬底110侧相对的表面，即，在发光层150侧上的表面是平坦的。η型接触层与η电极NI接触。这些仅为示例，并且可以应用其他沉积结构。
[0063]发光层150形成在η型半导体层上。发光层150通过电子和空穴的复合来发射光。发光层150形成在η型半导体层140上。发光层包括阱层和势垒层。
[0064]P型半导体层160形成在发光层150上。ρ型半导体层160包括依次沉积在发光层150上的ρ型盖层和ρ型接触层。这些仅为示例，并且可以使用其他沉积结构。
[0065]透明电极170形成在ρ型半导体层160上。透明电极170与ρ型半导体层160的P型接触层欧姆接触。透明电极170由ITO制成。可以使用除ITO之外的透明导电氧化物例如 ICO、IZO、Zn。、Ti02、NbTi02 和 TaTi02。
[0066]P电极Pl为形成在透明电极170上的ρ焊盘电极。P电极Pl通过在透明电极170上依次形成V膜和Al膜来形成。可替代地，ρ电极Pl可以通过依次形成Ti膜和Al膜或者Ti膜和Au膜来形成。
[0067]η电极NI为形成在η型半导体层140的η型接触层上的η焊盘电极。η电极NI与η型接触层欧姆接触。η电极NI通过在η型接触层上依次形成V膜和Al膜来形成。可替代地，η电极NI可以通过依次形成Ti膜和Al膜或者Ti膜和Au膜来形成。
[0068]2.蓝宝石衬底上的不平整形状
[0069]图4示出蓝宝石衬底110的放大的横截面图。如图4所示，蓝宝石衬底110的主表面具有不平整形状111。蓝宝石衬底I1具有底表面Illa和台面112。每个台面112具有包括顶表面112a和倾斜表面112b的截顶圆锥形状。台面112以蜂窝结构布置在蓝宝石衬底110的不平整形状111的整个表面之上。
[0070]台面112的高度h(即底表面Illa与顶表面112a之间的距离)为0.5 μ m至3.0 μ m。倾斜表面112b与底表面Illa之间的角度Θ为40°至60°。相邻台面112的中心间的距离(即，间距宽度Wl)为1.(^111至3.(^111。台面112在底表面Illa的水平面处的宽度W2为2μπι至4μπι。相邻台面112在底表面Illa的水平面处的间隔W3为为0.1ym至I μ m。
[0071]形成在蓝宝石衬底110上的低温缓冲层120覆盖底表面11 la、顶表面112a以及倾斜表面112b。基底层130在形成在底表面111a、顶表面112a以及倾斜表面112b上的低温缓冲层120上生长。因而，在形成在底表面Illa和顶表面112a上的低温缓冲层120上形成平坦半导体层。相反，在形成在倾斜表面112b上的低温缓冲层120上倾斜地生长有半导体层。因而，生长在倾斜表面112b上的半导体层是不平坦的。
[0072]因此，优选的是，抑制在倾斜表面112b上的半导体层的生长并且促进在底表面Illa和顶表面112a上的半导体层的生长。
[0073]3.原料气体的分压
[0074]本实施方案特征在于根据蓝宝石衬底110的平坦部分的面积比对所供应的原料气体的分压进行调整。可以例如通过使用质量流量控制器来调整原料气体的供应量。气体分压可以通过气体的供应量容易地计算。在描述本实施方案中的原料气体的分压之前，描述用于不具有不平整形状的常规衬底的原料气体的分压。
[0075]3-1.不具有不平整形状的衬底(常规的)
[0076]首先，描述使用不具有不平整形状的衬底的情况。在该情况中，以满足下列公式的分压比Y将原料气体供应到MOCVD炉。
[0077]1000 ≤ Y ≤ 1200......(I)
[0078]Y=PR1/PR2
[0079]Y:包含第V族元素的原料气体与包含第III族元素的原料气体的分压比
[0080]PRl:氨气(包含第V族元素的原料气体)的分压
[0081]PR2:三甲基镓(包含第III族元素的原料气体)的分压
[0082]分压比通过在将气体供应到MOCVD炉的供应阀处的气体供应量的测量值来计算。
[0083]在半导体层形成在不具有不平整形状的衬底上时可以使用公式(I)的条件。公式(I)也可以用于具有不平整形状并且具有大的蓝宝石衬底的底表面和顶表面的总和与蓝宝石衬底的总面积的面积比(R>0.5)的衬底。
[0084]3-2.具有不平整形状的衬底(本实施方案)
[0085]在本实施方案中，以满足下列公式的分压比Y将原料气体供应到MOCVD炉。
[0086]1000 ≤ Y/(2 XR) ( 1200......(2)
[0087]Y=PR1/PR2
[0088]0.1 ( R〈0.5
[0089]R=S/K
[0090]Y:包含第V族元素的原料气体与包含第III族元素的原料气体的分压比
[0091]R:蓝宝石衬底的平坦表面与总面积的面积比
[0092]S:蓝宝石衬底的主表面一侧上的平坦表面的面积
[0093]K:蓝宝石衬底的总面积
[0094]PRl:氨气(包含第V族元素的原料气体)的分压
[0095]PR2:三甲基镓(包含第III族元素的原料气体)的分压
[0096]在此,面积K为蓝宝石衬底110的总表面面积,就是说,面积K与不具有不平整形状的蓝宝石衬底110的主表面面积相同。面积S为蓝宝石衬底110的平坦表面的面积。在此，平坦表面包括蓝宝石衬底110的主表面以及与主表面具有10°或更小的角度的表面。就是说，面积S为主表面、与主表面平行的表面和与主表面轻微倾斜的表面的总面积。因而,如图4所示，蓝宝石衬底110的平坦表面面积S为底表面Illa的面积和顶表面112a的面积的总和。面积比R为蓝宝石衬底110的底表面Illa和顶表面112a的总面积与蓝宝石衬底110的总面积K的面积比。
[0097]当在公式(2)中R为0.5时，公式(2)与公式(I) 一致。例如，当R为0.25时，公式(2)如下:
[0098]500 ≤ Y ≤ 600
[0099]氨气与三甲基镓的分压比Y为通常条件中的公式(I)的氨气与三甲基镓的分压比Y的约一半，就是说，氨气的供应量相对小。
[0100]4.基底层
[0101]4-1.基底层的平坦度
[0102]在本实施方案中，当在低温缓冲层120上形成基底层130时包含第V族元素的原料气体与包含第III族元素的原料气体的分压比Y根据蓝宝石衬底110的平坦表面(底表面Illa和顶表面112a)与蓝宝石衬底110的总面积的面积比下降。因而,如稍后所述,基底层130可以主要形成在蓝宝石衬底110的底表面Illa上。
[0103]4-2.横截面形状
[0104]图5为根据实施方案的半导体发光器件100的蓝宝石衬底110和基底层130周围的示意性横截面图。这样的横截面可以例如通过透射电子显微镜(TEM)以及在某些情况下通过扫描电子显微镜(SEM)来观察。
[0105]如图5所示，基底层130包括平坦表面生长层131和132和倾斜表面生长层133。平坦表面生长层131为生长在低温缓冲层120的平坦表面121上的半导体层。平坦表面生长层132为生长在低温缓冲层120的顶表面122上的半导体层。倾斜表面生长层133为生长在低温缓冲层120的倾斜表面123上的半导体层。生长在平坦表面121上的平坦表面生长层131与生长在顶表面122上的平坦表面生长层132具有相同的晶体取向。因此，当在这些半导体层上形成η型半导体层时，半导体层容易融合为平坦层。当不存在顶表面122时，不必说，在顶表面上没有生长半导体层。
[0106]如图5所示，平坦表面生长层131的生长占优势，并且倾斜表面生长层133的厚度被抑制。在本实施方案中，倾斜表面生长层133的厚度tl十分薄。在此，倾斜表面生长层133的厚度tl为倾斜表面生长层133的最厚部分的厚度。如图5所示，厚度tl沿垂直于倾斜表面112b的方向测量。倾斜表面生长层133的厚度tl为0.05 μ m至0.5 μ m。
[0107]4-3.在倾斜表面上的半导体层的生长
[0108]在本实施方案中，平坦表面生长层131的生长占优势，并且倾斜表面生长层133的厚度被抑制。这是因为原料气体供应满足上述公式(2)的条件。
[0109]当使用公式(I)代替公式(2)时，如图2所示，达到包含N原子(第V族元素)的氨大量供应的过饱和状态。氨的这样的过供应促进了低温缓冲层120的倾斜表面123上的AlN和蓝宝石的氮化。因而，在倾斜表面123上形成用于使半导体层容易生长的生长核。当氨的分压高时，就是说，当包含第V族元素的原料气体与包含第III族元素的原料气体的分压比Y高时，促进了原料的迁移。因此，在倾斜表面123上容易生长半导体。因此，认为通过抑制氨的供应量可以抑制在倾斜表面123上的半导体层的生长。
[0110]5.用于制造半导体发光器件的方法
[0111]将描述用于制造根据本实施方案的发光器件100的方法。上述各半导体层经由通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)的外延晶体生长形成。用于制造发光器件100的方法包括以下步骤:形成η型半导体层；在η型半导体层上形成发光层；和在发光层上形成ρ型半导体层。
[0112]5-1.蓝宝石衬底制备步骤
[0113]首先，处理蓝宝石衬底的c面以形成不平整形状111。具体地，形成光刻胶作为掩模。然后，执行干法刻蚀以制备在其主表面上具有不平整形状111的蓝宝石衬底110。可以购买其上已经形成有不平整形状111的蓝宝石衬底110。
[0114]5-2.低温缓冲层形成步骤
[0115]随后，将蓝宝石衬底110放入MOCVD炉内部。此后，通过MOCVD形成半导体层。在用H2清洗之后，低温缓冲层120形成在蓝宝石衬底110的不平整形状111上。因而，如图6所示，低温缓冲层120形成在蓝宝石衬底110的底表面11 la、顶表面112a和倾斜表面112b上。低温缓冲层120足够薄以不填充蓝宝石衬底110的不平整形状111。
[0116]在MOCVD中使用的载气为氢气(H2)、氮气(N2)、或者氢气和氮气的气体混合物(H2+N2)。氨气(NH3)用作氮源。三甲基镓(Ga(CH3)3:在下文中称为“TMG”)用作Ga源。三甲基铟(In(CH3)3:在下文中称为“TMI”)用作In源。三甲基铝(Al (CH3)3:在下文中称为“TMA”)用作Al源。硅烷(SiH4)用作η型掺杂剂气体。环戊二烯基镁(Mg(C5H5)2)用作ρ型掺杂剂气体。
[0117]5-3.基底层形成步骤(第一半导体层形成步骤)
[0118]随后，如图7所示，在低温缓冲层120上形成基底层130。气体供应为使得包含第V族元素的原料气体与包含第III族元素的原料气体的分压比Y满足上述公式(2)。基底层形成步骤中的生长温度比在η型半导体层形成步骤中的生长温度低20°C至80°C范围内的任何温度。基底层的生长速率为200 A/分钟至2000 A/分钟。因而，蓝宝石衬底110
的不平整形状111被部分地填充，由此形成具有表面131a的基底层130。
[0119]5-4.η型半导体层形成步骤
[0120]接下来，在平坦基底层130上形成η型半导体层140，并且然后形成η型接触层。在该步骤中的衬底温度为1000°C至1200°C。Si浓度为I X 11Vcm3或更高。如上所述，η型半导体层140的生长温度高于基底层130的生长温度。在该步骤中横向生长速率较高。因此，由基底层130部分地填充的不平整形状的剩余部分容易由η型半导体层140填充。这样，基底层130中部分剩余的不平整形状被填满。因此，η型半导体层140的顶表面是平坦的。可以在η型接触层上形成η型ESD层或η侧超晶格层。即使在该步骤之后的半导体层形成步骤中，也使用公式(2)。
[0121]5-5.发光层形成步骤
[0122]然后，在η型半导体层140上形成发光层150。衬底温度调整到700°C至950°C。
[0123]5-6.ρ型半导体层形成步骤
[0124]然后，在发光层150上形成ρ型半导体层160。例如，在发光层150上形成ρ侧超晶格层，并且在P侧超晶格层上形成P型接触层。在形成P型接触层时将衬底温度调整到900°C至1050°C。因而，如图8所示将上述半导体层沉积在蓝宝石衬底110上。如图9所示，形成凹槽141以形成η电极NI。
[0125]5-7.透明电极形成步骤
[0126]如图10所示，在P型半导体层160的ρ型接触层上形成透明电极170。
[0127]5-8.电极形成步骤
[0128]然后，在透明电极170上形成ρ电极Ρ1。通过激光辐射或蚀刻从P型接触层部分地移除半导体层沉积结构，以由此露出η型接触层。在η型接触层的露出区域上形成η电极NI。可以以任意次序执行ρ电极Pl的形成和η电极NI的形成。当电极材料相同时，ρ电极Pl的形成和η电极NI的形成可以同时执行。
[0129]5-9.其他步骤
[0130]除上述步骤之外，可以执行用于覆盖器件的绝缘膜形成、热处理和其他步骤。通过执行这些步骤，完成图3中所示的发光器件100的制造。
[0131 ] 从基底层形成步骤到ρ型半导体层形成步骤的过程为在低温缓冲层120上形成由第III族氮化物半导体制成的半导体层的半导体层形成步骤。
[0132]6.实验
[0133]6-1.实验条件
[0134]在实验中，使用以下蓝宝石衬底:
[0135]间距宽度(Wl)4.0 μ m
[0136]顶表面(I12a)宽度 0.0 μ m
[0137]深度(h)2.1ym
[0138]角度(Θ)48°
[0139]台面的宽度(W2)3.9μπι
[0140]间隔(W3)0.1ym
[0141]台面的布置 蜂窝结构
[0142]台面形状截顶圆锥
[0143]蓝宝石衬底的平坦表面与总面积的面积比(R)为14%。
[0144]低温缓冲层的材料为AlN0厚度为100 Α.分压Y在实施例中为400并且在对比例中为1200。
[0145]6-2.实施例
[0146]图11为示出根据本实施方案的实施例的显微照片。
[0147]在图11中，抑制了在台面或凹部的侧表面(B卩，形成在倾斜表面112b上的低温缓冲层120)上的半导体层的生长。促进了在形成在底表面Illa上的低温缓冲层120上的半导体层的生长。换言之，在平坦表面上的半导体层生长占优势，并且抑制了在台面或凹部的侧表面上的半导体层的生长。
[0148]如上所述，例如在通过透射电子显微镜(TEM)所拍摄的横截面照片中可以观察到生长在底表面Illa上的半导体层与生长在倾斜表面112b上的半导体层之间的界面。
[0149]因而，在形成在倾斜表面112b上的低温缓冲层120上未太多地生长半导体层。这意味着通过降低包含第V族元素的原料气体的供应量可以抑制在倾斜表面112b上半导体层的生长。
[0150]6-3.对比例
[0151]图12为示出对比例的显微照片。在图12中，半导体层在台面112的倾斜表面112b(即，形成在倾斜表面112b上的低温缓冲层120)上生长良好。因为在台面112的侧表面上的半导体层的生长占优势，所以生长在台面112的侧表面上的半导体层(即，基底层130之上的层)(即，在与蓝宝石衬底110相对的一侧上的半导体层)难于具有平坦表面。没有实现平坦基底层130，并且难以在基底层上形成在结晶度上优异的半导体层。
[0152]7.修改
[0153]7-1.基底层
[0154]7-1-1.基底层的材料
[0155]基底层130可以由η型GaN代替GaN来形成。可替代地，其可以由AlGaN或InGaN代替GaN形成。其可以由AlxInYGa(1_x_Y)N (O ( X，0 ( Y，X+Y〈l)形成。然而，在该情况下，Al组成比为0.2或更小，并且In组成比为0.2或更小。
[0156]7-1-2.用于基底层的原料气体
[0157]三甲基铟或三甲基铝供应为原料气体。在公式(I)或(2)中的包含第III族元素的原料气体的分压为这些TMI气体、TMA气体和TMG气体的总分压。
[0158]7-2.在半导体层形成步骤中的原料气体的分压
[0159]公式(I)的条件可以用作在η型半导体层140、发光层150和ρ型半导体层160的形成步骤中的原料气体的分压。在形成基底层130之后，在倾斜表面上几乎没有生长半导体层。
[0160]7-3.倒装芯片型
[0161]本实施方案应用于面朝上型半导体发光器件。不必说，其可以应用于其他类型的半导体发光器件，例如，如图13所示的在衬底上具有光提取表面的倒装芯片型半导体发光器件200。因此，光提取表面201在蓝宝石衬底210上。其它结构与图3中相同。
[0162]7-4.台面形状
[0163]在本实施方案中，台面112具有截顶圆锥形状。其可以具有圆椎形状、六棱锥形状或截顶六棱锥形状。不必说，其可以具有其他锥体形状或其他截顶锥体形状。即使在该情况下，倾斜最大的表面与底表面之间的角度为40°至60°。
[0164]7-5.台面的布置
[0165]连接台面112的顶部的线优选地为沿基底层130的a轴方向。台面合适地生长在底表面Illa上。
[0166]7-6.填充层
[0167]如图14所示，在半导体发光器件300中，形成在低温缓冲层120上的基底层可以填充不平整形状111的整个高度。在该情况下，填充层330形成在低温缓冲层120上。填充层330可以为η型GaN层。在该情况下，填充层330为第一 η型半导体层，并且η型半导体层340为第二 η型半导体层。这样，基底层130和填充层330为至少部分地填充导蓝宝石衬底110的不平整形状111的高度的第一半导体层。填充层330为对抑制在倾斜表面123上的半导体层的生长发挥作用的层。其他结构与图3中相同。
[0168]7-7.衬底中平坦表面的面积比
[0169]在公式(2)中，面积比R为10%以上至小于50%。如图2所示，面积比R越小，供应气体越容易在区Rl中积累。因此，面积比R越小，本实施方案的效果越好。通过改变所供应的气体的分压比而产生的效果较大，就是说，当面积比R满足下列公式时，得到更好的效果O
[0170]0.1 ^ R ^ 0.3
[0171]R:蓝宝石衬底的平坦表面与总面积的面积比
[0172]这为面积比为10%至30%的情况。
[0173]7-8.凹部的形成
[0174]在本实施方案中，使用其中台面112以蜂窝结构布置在不平整形状111中的蓝宝石衬底110。然而，可以使用具有以蜂窝结构布置在不平整形状中的凹部的蓝宝石衬底。
[0175]7-9.蓝宝石衬底
[0176]在本实施方案中，不平整形状形成在具有c面主表面的蓝宝石衬底上。然而，可以使用除具有c面主表面的蓝宝石衬底之外的蓝宝石衬底，例如，具有a面主表面的蓝宝石衬
。
[0177]8.本实施方案的总结
[0178]如在上文中所述，在本实施方案的发光器件100中，对供应到蓝宝石衬底110的不平整形状111的氨和三甲基镓的分压进行调整。就是说，当蓝宝石衬底110的底表面或与底表面平行的表面的面积十分小时降低向不平整形状111的氨的供应量。这抑制了在蓝宝石衬底110的倾斜表面上的半导体层的生长，填充了蓝宝石衬底110的不平整形状111，由此形成平坦的基底层。因而，实现了具有优异晶体质量以及高光提取效率的发光器件100。
[0179]因为上述实施方案仅为示例，所以应理解，在未脱离本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以进行各种变化和修改。沉积的体的沉积结构不一定限于所示出的那些。可以确定沉积结构等。层形成方法不限于金属有机化学气相沉积(M0CVD)。可以使用任何其他方法，例如，氢化物气相外延，只要半导体晶体生长通过使用载气执行即可。
【权利要求】
1.一种用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，所述方法包括: 制备在主表面上具有不平整的形状的蓝宝石衬底； 在所述蓝宝石衬底的所述不平整的形状上形成低温缓冲层；和 在所述低温缓冲层上生长包含第III族氮化物半导体的半导体层， 其中生长所述半导体层包括通过供应至少两种类型的气体:包含第III族元素的原料气体和包含第V族元素的原料气体，以满足下列公式从而在所述低温缓冲层上形成第一半导体层:
1000 ≤ Y/(2 XR) ( 1200
R=S/K
0.1 ( R〈0.5 Y:所述包含第V族元素的原料气体与所述包含第III族元素的原料气体的分压比 R:所述蓝宝石衬底的平坦表面与所述蓝宝石衬底的总面积的面积比 S:所述蓝宝石衬底的主表面一侧上的所述平坦表面的面积 K:所述蓝宝石衬底的总面积。
2.根据权利要求1所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中，在形成所述第一半导体层时，形成至少部分地填充所述蓝宝石衬底的所述不平整的形状的高度的填充层作为所述第一半导体层。
3.根据权利要求2所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中，所述第一半导体层部分地覆盖所述蓝宝石衬底的所述不平整的形状的高度，并且未覆盖所述不平整的形状的高度中的剩余部分。
4.根据权利要求2所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述第一半导体层覆盖所述蓝宝石衬底的所述不平整的形状的整个高度。
5.根据权利要求1所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述生长所述半导体层包括: 在所述第一半导体层上形成η型半导体层； 在所述η型半导体层上形成发光层；以及 在所述发光层上形成P型半导体层。
6.根据权利要求5所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述第一半导体层的生长温度比除所述第一半导体层之外的所述η型半导体层的生长温度低20°C至80°C范围内的任意温度。
7.根据权利要求6所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中除所述第一半导体层之外的所述η型半导体层的生长温度为1000°C至1200°C。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述蓝宝石衬底的所述不平整的形状具有0.5 μ m至3.0 μ m的高度。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述蓝宝石衬底的所述不平整的形状的底表面与所述不平整的形状的倾斜最大的表面之间的角度为40°至60°。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中，在所述第一半导体层的形成中，所述第一半导体层的生长速率为200 A /分钟至2000 A /分钟。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中，所述蓝宝石衬底的所述不平整的形状具有多个台面，所述台面以蜂窝结构布置在所述不平整的形状的整个表面之上。
12.根据权利要求11所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述台面具有选自截顶圆锥形、截顶六棱椎形、圆椎形以及六棱椎形中的至少一种形状。
13.根据权利要求11所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中连接相邻台面的线为沿a轴方向。
14.根据权利要求1至7中任一项所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中所述蓝宝 石衬底具有c面主表面。
15.根据权利要求1至7中任一项所述的用于制造第III族氮化物半导体发光器件的方法，其中使用氨作为所述包含第III族元素的原料气体并且使用至少三甲基镓作为所述包含第V族元素的原料气体。
16.—种第III族氮化物半导体发光器件，包括: 在主表面上设置有不平整的形状的蓝宝石衬底，所述不平整的表面具有至少一个倾斜表面； 在所述蓝宝石衬底上沿着所述不平整的形状形成的低温缓冲层； 形成在所述低温缓冲层上并且至少部分地填充所述不平整的形状的高度的第一半导体层； 形成在所述第一半导体层上的η型半导体层； 形成在所述η型半导体层上的发光层；以及 形成在所述发光层上的P型半导体层， 其中所述主表面一侧上的平坦表面面积S与所述蓝宝石衬底的总面积K的面积比R为10%以上至小于50%。 所述第一半导体层具有生长在所述不平整的形状的所述倾斜表面上的倾斜表面生长层；并且 所述倾斜表面生长层具有0.05 μ m至0.5 μ m的厚度。
17.根据权利要求16所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中，形成与所述η型半导体层接触的η电极，并且所述η型半导体层包括与所述η电极接触的η型接触层。
18.根据权利要求16所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中，形成与所述η型半导体层接触的η电极，并且所述第一半导体层包括与所述η电极接触的η型接触层。
【文档编号】H01L33/00GK104051590SQ201410085710
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月10日 优先权日:2013年3月12日
【发明者】奥野浩司, 佐村洋平 申请人:丰田合成株式会社