[发明专利]氮化物半导体部件及其制造工艺

说明书

本申请是2007年2月22日提交的第200780014633.6号专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于在硅表面上制造氮化物半导体部件的层结构的工艺。本发明还涉及用于制造氮化物半导体部件的工艺。最后，本发明涉及氮化物半导体部件，尤其是基于氮化物半导体的薄膜发光二极管(LED)、以及氮化物半导体产品。

背景技术

氮化物半导体是含有元素周期表的一种或多种第三主族元素以及一种或多种第五主族的元素的半导体化合物。这样的半导体包括(例如)半导体GaN、InGaN、InGaAsN、AlGaN等。对本发明的背景下的氮化物半导体的其他通用表示为III族氮化物和III-V族氮化物。在本申请中，这些表示可以互换使用，它们具有相同的含义。

氮化物半导体尤其被应用于在光谱的可见区和紫外区发光的发光结构内。除此之外，电子氮化物半导体部件也是已知的，例如，高电子迁移率(HEM)晶体管，其尤其适用于诸如无线电发射技术的高频应用。氮化物半导体部件还以所谓的“功率器件”的形式应用于高功率电子设备中。

由于可得的氮化物半导体衬底的尺寸非常小，而且质量差，因而目前在氮化物半导体部件的层结构的廉价均相外延(homoepitaxy)方面几乎不存在商业兴趣。因此，诸如蓝色或绿色LED的可得氮化物半导体部件含有淀积于蓝宝石(Al₂0₃)衬底或碳化硅(SiC)衬底上的层结构。这些衬底材料具有各种缺点。一方面，其价格高。另一方面，通常可以得到的由这些材料构成的衬底相对较小，因而对于指定衬底表面而言由于成品率相对较低，从而额外增加了每部件的制造成本。此外，这些材料具有相当高的硬度，即就Moh标度而言超过9，因而只能采用昂贵的金刚石锯和研磨材料进行机械处理。

因此，越来越多地采用硅衬底进行大面积生长，因为我们知道能够以低廉的价格获得具有大直径的硅衬底。

在通常采用的商用气相外延中，氮化物半导体的层结构的典型生长温度为1000℃以上。因而，在生长阶段之后的所淀积的氮化物半导体层结构的冷却过程中，硅和氮化物半导体材料的不同热膨胀系数将导致氮化物半导体层的大约0.7GPa/μm的高张应力，并且从小于1μm的层厚度开始形成裂纹。

为了避免在硅上生长GaN层时形成裂纹，采用了通常在低温下(低于1000℃)生长的中间层，即所谓的低温AlN或AlGaN中间层。这些层的作用是基于由于AlN或AlGaN中间层上具有压应力的GaN层的生长而实现张应力的局部补偿。在层淀积之后的冷却过程中，GaN层的这一压应力抵消了因不同的热膨胀系数而产生的张应力，因而得到减小的张应力。

这一技术的缺点在于，在生长于中间层上的GaN层中存在高位错密度。因此，在DE 10151092A1中，提出了向正在生长的GaN层中额外插入氮化硅中间层，以降低位错密度，在此将其引入以供参考。未必完全闭合的Si_xN_y中间层起着用于接下来的GaN生长的掩模作用。根据DE 10151092 A1选择中间层的厚度，从而在其上形成相隔100nm到几μm的仅少数生长岛，在进一步的生长期间，随着生长表面距SiN中间层的距离逐渐增大，从所谓的聚合厚度(coalescence thickness)开始生长到了一起，从而形成了闭合层表面。当然，GaN在硅上的外延中仅SiN中间层产生了明显的岛生长，并由此产生了显著的聚合厚度，其随着增大的SiN厚度而生长。通过适当的措施加速这些生长岛的聚合，能够在所述生长岛聚合之前避免达到前述临界裂纹厚度。

此外，从A.Dadgar等人的文献“Reduction of Stress at the Initial Stages of GaN Growth on Si(111)”，Applied Physics Letters，Vol.82，2003，No.1，pp.28-30(下文简称为“Dadgar等”)，进一步知道在淀积了掺硅AlN成核层和最多具有1.5个单层的标称厚度(nominal thickness)的SiN掩模层之后形成GaN层，在此将所述文献引入以供参考。与不具有这样的SiN掩模层的生长相比，能够降低GaN层的生长中产生的张应力。