制造堆叠的氮化物半导体结构的方法以及制造氮化物半导体发光装置的方法

摘要

依据一个实施方案，一种执着堆叠的氮化物半导体结构的方法包括在基材的第二表面上形成第一保护薄膜，在基材的第一表面上形成第一氮化物半导体层，在第一氮化物半导体层上形成第二保护薄膜，去除第一保护薄膜，露出基材的第二表面，在基材的第二表面上形成第二氮化物半导体层，和去除第二保护薄膜，露出第二氮化物半导体层的表面。

说明书

相关申请的交叉参考

本申请基于2011年9月14日提交的在先的日本专利申请No.2011-200511，并要求其优先权，其全部内容在此并入作为参考。 

技术领域

在此描述的示例性实施方案通常涉及制造堆叠的氮化物半导体结构的方法以及制造氮化物半导体发光装置的方法。 

背景技术

不同类型的基材，如蓝宝石基材、硅基材或类似物被用作生长氮化物半导体的基材。 

氮化物半导体的热膨胀系数与不同类型的各个基材的热膨胀系数不同。因此，在堆叠的氮化物半导体结构中产生翘曲，所述氮化物半导体结构具有在不同类型的基材上的氮化物半导体。 

通常，以下提及的堆叠的氮化物半导体结构已经是公知的。在堆叠的氮化物半导体结构中，在基材的表面和背面上分别提供具有活性层的氮化物半导体层和另一个氮化物半导体层。 

按照如下所述制造堆叠的氮化物半导体结构，以减少翘曲。首先，在基材的背面上形成氮化物半导体层。其次，在基材的表面上形成具有活性层的氮化物半导体层。 

在基材的背面上提供氮化物半导体层的加工步骤中，加工气体渗透进基材表面的一侧。另外，沉积物质被附着在基材表面的外围部分。当沉积物质保留时，在具有活性层的氮化物半导体层中产生晶体缺陷，从而降低了装置性能和装置产量。 

因此，在基材上形成具有活性层的氮化物半导体层之前，有必要去除基 材上的沉积物质而不损害基材表面。 

然而，氮化物半导体具有强的耐化学性。结果，产生下列问题，沉积物质不能充分去除，会留下残留。 

尤其是，当不同类型的基材具有硅时，会有下列问题，甚至保持基材表面平坦都是困难的，因为硅与镓强烈反应。 

有人认为对硅基材表面进行再次抛光。然而，堆叠的氮化物半导体结构在所述步骤中会翘曲。因此，甚至保持基材表面平坦度对于结构都是困难的。 

而且，翘曲与直径的平方成正比。当在加工中使用的基材直径越大时，产生的问题越严重。 

发明内容

依据一个实施方案，制造堆叠的氮化物半导体结构的方法包括在具有第一热膨胀系数的基材的第二表面上形成第一保护薄膜，第二表面构造为与基材的第一表面相对，在基材的第一表面上形成第一氮化物半导体层，第一氮化物半导体层具有与第一热膨胀系数不同的第二热膨胀系数，在第一氮化物半导体层上形成第二保护薄膜，去除第一保护薄膜，露出基材的第二表面，在基材的第二表面上形成第二氮化物半导体层，第二氮化物半导体层具有与第二热膨胀系数大致相同的第三热膨胀系数，和去除第二保护薄膜，露出第二氮化物半导体层的表面。 

附图说明

图1是显示依据第一实施方案的堆叠的氮化物半导体结构的截面图； 

图2A-2C是显示依据第一实施方案按顺序制造堆叠的氮化物半导体结构的方法的截面图； 

图3A-3C是显示依据第一实施方案按顺序制造堆叠的氮化物半导体结构的方法的截面图； 

图4A-4B是显示依据第一实施方案按顺序制造堆叠的氮化物半导体结构的方法的截面图； 

图5A-5C是显示依据对比实施例按顺序制造堆叠的氮化物半导体结构 的方法的截面图； 

图6A-6B是显示依据对比实施例按顺序制造堆叠的氮化物半导体结构的方法的截面图； 

图7是显示具有依据第一实施方案的堆叠的氮化物半导体结构的氮化物半导体发光装置的截面图； 

图8是显示具有依据第一实施方案的堆叠的氮化物半导体结构的氮化物半导体发光装置的截面图； 

图9是显示具有依据第一实施方案的堆叠的氮化物半导体结构的氮化物半导体发光装置的截面图； 

图10A-10C是显示依据第二实施方案按顺序制造堆叠的氮化物半导体结构的主流程的截面图。 

具体实施方式

以下将参考附图描述实施方案。 

(第一实施方案) 

使用图1至图4A-4B解释依据第一实施方案的制造堆叠的氮化物半导体结构的方法。图1是显示依据第一实施方案的堆叠的氮化物半导体结构的截面图。图2-4是显示依据第一实施方案按顺序制造堆叠的氮化物半导体结构的方法的截面图。 

依据第一实施方案的堆叠的氮化物半导体结构被用于氮化物半导体发光装置的生产。在不同类型的基材的两面上形成氮化物半导体层，以平衡由在两面上形成的氮化物半导体层的热膨胀系数之间的差别造成的压力。因此，可以降低基材的翘曲。 

如图1所示，在第一实施方案的堆叠的氮化物半导体结构10中，基材11具有第一表面11a和与第一表面11a相对的第二表面11b。另外，堆叠的氮化物半导体结构10具有第一热膨胀系数α1。 

在基材11的第一表面11a上提供第一氮化物半导体层12。第一氮化物半导体层12具有第二热膨胀系数α2，其与第一膨胀系数α1不同。在基材11的第一表面11b上提供第二氮化物半导体层13。第二氮化物半导体层13 具有第三热膨胀系数α3，其约等于第二热膨胀系数α2。 

例如，基材11的直径约为150mm，厚度t1约为500μm。基材11的第一热膨胀系数α1约为2.4×10^-6/K。 

第一氮化物半导体层12由氮化镓(GaN)层构成，其厚度t2例如约为5μm。第一氮化物半导体层12的第二热膨胀系数α2约为3.17×10^-6/K。 

第二氮化物半导体层13是堆叠结构，其依次由GaN层21、n型GaN包覆层22、MQW层23、p型GaN包覆层24和p型GaN接触层25构成。 

由于第二氮化物半导体层13是公知的，因此以下将简单描述说明。GaN层21是基础单晶层，用以生长从n型GaN包覆层22到p型GaN接触层25。GaN层21的厚度例如为3μm，这是相当厚的。n型GaN包覆层22的厚度例如约为2μm。 

MQW层23是七个GaN势垒层(barrier layer)与七个InGaN量子阱层的交替堆叠，作为多重量子阱结构，MQW层23的顶层由InGaN量子阱层构成。每个GaN势垒层的厚度约为5nm，每个InGaN量子阱层的厚度约为2.5nm。 

形成的p型GaN包覆层24的厚度例如为约100nm，形成的p型GaN接触层25的厚度例如为约10nm。 

InGaN量子阱层(In_xGa_1-x层，0＜x＜1)的铟组成比例x设为约0.1，以所述方式，例如，从第二氮化物半导体层13发出的光的峰值波长设为450nm。 

第二氮化物半导体层13的厚度t3约为5.16μm，其几乎完全被GaN层21和n-型GaN层22占据。 

以下将描述用于制备堆叠的氮化物半导体结构10的方法。首先，在依据第一实施方案的用于制备堆叠的氮化物半导体结构10的方法中，在基材11的第一表面11a上形成第二氮化物半导体层12。接着，在第二表面11b上形成第二氮化物半导体层13。加工步骤建立为易于去除沉积物质，其附着在与在其上形成氮化物半导体层的其他表面相对的一个表面上。 

以所述方式，在第二氮化物半导体层13中，由于在第二表面11b的侧面形成沉积物质而产生晶体缺陷是可以避免的。另外，可以防止由于在第一表面上沉积物质而导致的基材11的平整度退化。因此，可以防止装置特性的退化以及在装置生产上的装置产量的下降。 

如在图2A中所示，使用平面取向(111)为±2°的硅基材作为基材11。例如通过CVD，在基材11的第二表面11b上形成氧化硅薄膜作为第一保护薄膜31。 

提供第一保护薄膜31以防止沉积物质直接附着在第二表面11b上，并易于从基材11上去除沉积物质。优选使用致密薄膜，并优选第一保护薄膜31的厚度为100-300nm。 

如图2B所示，基材11被倒置。在基材11的第一表面11a上，通过MOCVD(金属有机化学气相沉积)提供厚度约为5μm第一氮化物半导体层12。 

在加工步骤中，加工气体渗透进基材11的第二表面11b的一侧。另外，沉积物质32和颗粒33被附着在第一保护薄膜31的外围部分。沉积物质32和颗粒33主要由多晶型GaN构成。 

由于基材11的第二表面11b被第一保护薄膜31覆盖，因而沉积物质32和颗粒33不能附着在基材11的第二表面11b上。由于基材11保持在生长温度下，因而，基材11不会翘曲。 

图2C显示室温下的基材11。由于Si和GaN间的热膨胀系数的差别，在室温下，基材11中产生翘曲H1，因而第一氮化物半导体层12的侧面变形成凹面。 

由于在硅基材上提供GaN层的方法是公知的，因此以下将简单描述对其的解释。在用有机材料或酸性材料清洗硅基材的预处理后，将硅基材安装在MOCVD设备的反应器中。 

而后，例如，将硅基材在氢气氛中加热至1100℃。这样，对硅基材的表面进行气相蚀刻，以将在表面上形成的天然氧化硅去除。 

例如通过提供NH₃气和三甲基铝(TMA)气体作为加工气体，以及N₂气和H₂气的混合气作为载体气体，在硅基材上形成氮化铝(AlN)缓冲层。 

而后，例如将硅基材的温度降至1050℃。例如通过提供NH₃气和三甲基铝(TMA)气体作为加工气体，以及N₂气和H₂气的混合气作为载体气体，在AlN缓冲层上形成GaN层。 

进一步，继续提供NH₃气和载体气体，而停止提供TMG气，同时降低硅基材的温度。另外，继续提供NH₃气，直到硅基材的温度降低至500℃。 

如图3A所示，通过CVD，在第一氮化物半导体层12上形成氧化硅薄膜作为第二保护薄膜34。 

提供第二保护薄膜34以防止沉积物质直接沉积在第一氮化物半导体层12上。适当地设置第二保护薄膜34的厚度为大致与第一保护薄膜31的厚度相同。 

如图3B所示，在用第三保护薄膜35覆盖第二保护薄膜34的表面和侧表面后，去除第一保护薄膜31。这样，露出基材11的第二表面11b。 

例如通过使用具有氟化氢的化学溶液进行第一保护薄膜31的去除过程。诸如石蜡的蜡适合作为第三保护薄膜35。 

在去除过程中，不用化学溶液对沉积物质32和颗粒33进行蚀刻。另一方面，在沉积物质32和颗粒33下的第一保护薄膜31被侧面蚀刻，以使沉积物质32和颗粒33从基材浮到化学溶液上。 

结果，可以去除沉积物质32和颗粒33而不会破坏基材11的第二表面11b。 

如图3C所示，在通过有机化学溶液去除第三保护薄膜后，在硅基材的第二表面11b上形成第二氮化物半导体层13。 

在加工步骤中，加工气体渗透进基材11的第一表面11A的一侧，另外，沉积物质36和颗粒37附着在第二保护薄膜34的外围部分。沉积物质36和颗粒37主要由多晶型GaN构成。 

由于用第二保护薄膜34覆盖了基材11上的第一氮化物半导体层，因此沉积物质36和颗粒37不会附着在第一氮化物半导体层上。由于基材11保持在生长温度，从而，基材11不会翘曲。 

图4A显示室温下基材11的状态。通过在硅基材的第一表面和第二表面上分别形成第一氮化物半导体层和第二氮化物半导体层，降低了由硅和GaN间的热膨胀系数差导致的压力，从而降低了室温下硅基材的翘曲。 

由于制作第二氮化物半导体层13的方法是公知的，因此以下将简单描述对其的解释。通过与图2B所示相同的方法形成厚度为3μm的GaN层。 

通过例如将SiH₄气作为n型杂质的来源气添加至加工气体中，形成厚度为2μm的n型GaN包覆层22。接着，继续提供NH₃气，同时停止提供SiH₄气和TMG气，将基材11的温度降低至低于1100℃，例如800℃，并保持在800℃。 

例如，通过使用N₂气作为载体气体以及NH₃气作为加工气体，在n型GaN包覆层上形成厚度为5nm的GaN势垒层。另外，通过在载体气体和加工气体中添加三甲基铟(TMI)气，形成厚度为2.5μm和铟组成比率为0.1的InGaN量子阱层。 

通过间歇地提供三甲基铟气体以得到MQW层23，重复七次形成GaN势垒层和形成InGaN量子阱层。 

接着，持续提供TMG气体和SiH₄气体，同时停止提供TMI气体，以形成无掺杂的GaN保护层，厚度为5nm。 

进一步，继续提供SiH₄气体，同时停止提供TMG气体，加热基材11的温度超过800℃，例如为1030℃，并保持在1030℃。 

例如，通过提供NH₃气和TMG气作为加工气体，二环戊二烯基镁(Cp2Mg)气作为掺杂气体，以及N₂气和H₂气的混合气作为载体气体，在MQW层23上形成镁浓度为1×10²⁰cm^-3以及厚度接近100nm的p-型GaN包覆层24。 

而后，增加Cp2Mg气，以在p-型GaN包覆层24上形成p-型GaN接触层25，其镁浓度为1×10²¹cm^-3，厚度为接近10nm。 

继续提供NH₃气和载体气体，同时停止提供NH₃气和Cp2Mg气，并使硅基材11的温度自然下降。继续提供NH₃气，直到硅基材11的温度下降至500℃。 

这样，在基材11的第二表面11b上形成了第二氮化物半导体层13，p-型GaN接触层25构成了第二氮化物半导体层13的表面。 

如图4B所示，去除第二保护薄膜34，露出第一氮化物半导体层12。通过使用含有氟化氢的化学溶液，按照与去除第一保护薄膜相同的方法去除第二保护薄膜34。 

在去除过程中，不用化学溶液蚀刻沉积物质36和颗粒37。另一方面，在沉积物质36和颗粒37下的第二保护薄膜34被侧面蚀刻，以使沉积物质36和颗粒37从基材浮到化学溶液上。 

结果，可以将沉积物质36和颗粒37与第二保护薄膜34同时去除，而不会破坏硅基材的第一表面11a。 

这样，堆叠的氮化物半导体结构10如图1所示，其中基材11的第一表 面11a上形成第一氮化物半导体层12，在基材11的第二表面11b上形成第二氮化物半导体层13。 

由硅基材的第一表面侧面与第二表面侧面间的热膨胀系数间的差别导致的压力被平衡，在室温下，可以降低硅基材的翘曲。 

(对比实施例) 

以下，将参考附图描述依据对比实施例的堆叠的氮化物半导体结构的制造方法。图5A-5C和图6A-6C是显示依据对比实施例的堆叠的氮化物半导体结构的制造方法的截面图。 

形成第一保护薄膜31和第二保护薄膜34的加工步骤未包括在依据对比实施例的堆叠的氮化物半导体结构的制造方法中。 

如图5所示，与图2所示的方法相同，在基材11的第一表面11a上形成第一氮化物半导体层12。 

在加工步骤中，加工气体渗透进基材11的第二表面11b的一侧。另外，沉积物质32和颗粒33被附着在基材11的第二表面11b的外围部分。由于基材11保持在生长温度下，因此，基材11在所述阶段不会翘曲。 

另一方面，Si会与加工气体中的Ga强烈反应。因而，在沉积物质32中包括Si与Ga间的反应产物，而不是多晶型的GaN。 

图5B显示了室温下的基材11。室温下，由于Si与GaN间的热膨胀系数的差别，在基材11中产生了翘曲H2，因而第一氮化物半导体层12的侧面变形而凹陷。翘曲H2几乎与图2C中显示的翘曲H1近乎相等。 

如图5C中所示，例如，用含有氟化氢和硝酸的化学溶液蚀刻基材11的第二表面11b。 

在去除过程中，不用化学溶液对沉积物质32和颗粒33进行蚀刻。另一方面，在沉积物质32和颗粒33下的硅被侧面蚀刻，以使沉积物质32和颗粒33从基材浮到化学溶液上。 

另一方面，在沉积物质32中包括Si与Ga的反应产物。因此，沉积物质32不能被充分去除，因而产生残余物41。当继续蚀刻基材11时，残余物41下的基材11开槽，在基材11中形成凹陷和凸出。因而，保持基材11的平整度是困难的。 

结果，很难将沉积物质32和颗粒33去除，而不会破坏硅基材的第一表面11b。 

为了确保平整性，可以通过化学机械抛光(CMP)对基材11的第二表面11b再次抛光。然而，在所述步骤中，基材11具有翘曲，因而，基材11在抛光中可能会损坏。 

而且，翘曲与直径的平方成正比。当在过程中使用的基材直径越大时，产生的问题越严重。 

如在图6A中所示，基材11被倒置。通过与图3C所示相同的方法，在基材11的第二表面11b上提供第二氮化物半导体层13。 

在沉积过程中，在第二氮化物半导体层13中产生晶体缺陷，这是由基材11的第二表面11b上的残余物41所导致的。由于第二氮化物半导体层13变得更厚，因此在第二氮化物半导体层13的表面上产生白色浑浊，恶化了表面形态。 

当在第二氮化物半导体层13中提供氮化物半导体发光装置时，装置性能和装置产量退化。 

在加工步骤中，加工气体渗透进基材11的第一表面11a的一侧。进而，沉积物质36和颗粒37附着在第一氮化物半导体层12的外围部分。沉积物质36和颗粒37主要由多晶型GaN构成。 

沉积物质36由GaN构成，其与基材12上的第一表面11a的沉积物质32相同，未被充分去除，从而使基材11的平整度退化。 

为了确保平整度，可以通过CMP对氮化物半导体层12进行抛光。如在后所提及的，基材11的翘曲被降低，可以抛光氮化物半导体层12。然而，增加了加工步骤，这是个问题。 

图6B显示室温下基材11的状态。通过在硅基材的第一表面和第二表面上分别形成第一氮化物半导体层和第二氮化物半导体层，降低了由硅和GaN间的热膨胀系数差导致的压力，从而降低了室温下硅基材的翘曲。 

如上所提及的，很难将通过加工气体向背面的渗透产生的沉积基材32充分去除。因此，不能得到如图1所示的堆叠的氮化物半导体结构10。 

以下，将描述堆叠的氮化物半导体结构中的氮化物半导体发光装置的制造方法。图7是显示依据第一实施方案的堆叠的氮化物半导体结构中构成 的氮化物半导体发光装置的截面图。 

如图7所示，在氮化物半导体发光装置50中，从p-型GaN接触层25至n-型GaN包覆层22，移除第二氮化物半导体层12的一侧的一部分。例如，使用氯气作为蚀刻气体，通过各向异性反应性离子蚀刻(RIE)，进行所示部分的移除。 

在p-型GaN接触层25的一部分上提供第一电极。在n-型GaN包覆层22的一部分上提供第二电极。 

在p-型GaN接触层25上，通过溅射形成A1薄膜。通过平版印刷对A1薄膜印花，以提供第一电极51。在n-型GaN包覆层22上，通过溅射形成Ti/Pt/Au堆叠薄膜。通过平版印刷对Ti/Pt/Au堆叠薄膜印花，以提供第二电极52。 

由于氮化物半导体发光装置50的高度等于t1、t2和t3的总和，因此期望初步调节基材11的厚度t1以适合目标值。另外，基材11可以与第一氮化物半导体层12一起抛光，以使其变薄。由于形成第一电极和第二电极之后的抛光过程是最终过程，因此抛光过程不受翘曲影响。 

如上所提及的，依据第一实施方案的用于制造堆叠的氮化物半导体结构10的方法包括形成第一保护薄膜31和第二保护薄膜34。 

结果，在形成第一氮化物半导体层12中，附着在第一保护薄膜31上的沉积物质32可以在去除第一保护薄膜31的同时去除。 

另外，在形成第二氮化物半导体层13中，附着在第二保护薄膜34上的沉积物质36可以在去除第二保护薄膜34的同时去除。 

因此，当在基材的两面上都形成氮化物半导体层时，可以得到容易去除沉积物质的制造堆叠的氮化物半导体结构的方法。 

描述了基材是硅的情况，然而，其他不同基材也是可用的。可以使用热膨胀系数约为5.3×10^-6/K的蓝宝石(Al₂O₃)、热膨胀系数约为4.68×10^-6/K的碳化硅(SiC)、热膨胀系数约为3.9×10^-6/K的氧化锌(ZnO)等。 

描述了第一保护薄膜31和第二保护薄膜34由氧化硅构成的情况。然而，并不限于上述情况，可以使用相同类型的薄膜。可以选择氮化硅作为第一保护薄膜31和第二保护薄膜34的材料。 

作为氮化物半导体发光装置，描述了第一电极51和第二电极52配置在 第二氮化物半导体层13的侧面的情况。然而，第二电极配置在第一氮化物半导体层12的侧面的情况也是可用的。图8显示氮化物半导体发光装置60，其中第二电极配置在第一氮化物半导体层的侧面。 

如图8所示，在氮化物半导体发光装置60的第一氮化物半导体层12的一部分上提供第一电极61。在全部第一氮化物半导体层12上提供第二电极62。 

另外，如图9所示，在抛光第一氮化物半导体层12和基材11后，可以在基材11的外露表面上形成第二电极72。在所示过程中，由于基材11的表面是平整的，第二电极72全部形成在表面上。因此，电极形状是简单的，翘曲对装置影响较小。另外，在一部分p-型GaN接触层25上形成第一电极71。 

作为在第一氮化物半导体层12侧面提供的第二电极62的优势，氮化物半导体发光装置60的尺寸可以比氮化物半导体发光装置50的尺寸小。 

通过掺杂Si作为第二氮化物半导体层和GaN层21中的n-型杂质而尽可能降低第二氮化物半导体层13的电阻和GaN层21的电阻是必要的。基材11包含具尽可能低的电阻的n-型Si是期望的。 

(第二实施方案) 

通过使用图10A-10C描述依据第二实施方案的制造堆叠的氮化物半导体结构的方法。 

通过下列实施方案的描述，全部附图中显示的相同部分用第一实施方案中的相同附图标记标注。第二实施方案与第一实施方案的不同之处在于第一保护薄膜和第二保护薄膜包含不同的材料。 

如图10A所示，氮化硅薄膜作为第二保护薄膜71形成在第一半导体层12上。例如，通过等离子体CVD形成氮化硅薄膜。期望形成薄的氧化硅薄膜作为基膜，以改善氮化硅薄膜的附着力。 

如图10B所示，例如用具有氟化氢的化学溶液去除作为第一保护薄膜31的氧化硅薄膜。在去除过程中，由于未对作为第二保护薄膜71的氮化硅薄膜进行蚀刻，如图3B中所示的第三保护薄膜35是不必要的。 

如图10C所示，例如由包括磷酸和硝酸的混合化学溶液在180℃的温度 下去除作为第二保护薄膜71的氮化硅薄膜。 

如上所述，第二实施方案的优势如下。由于第二保护薄膜71由氮化硅构成，当去除第一保护薄膜31时，没必要覆盖第二保护薄膜71。 

描述了第二保护薄膜由氮化硅构成的情况，然而，不限于上述情况。可以使用非晶态硅薄膜、氧化铝薄膜或类似物。非晶态硅薄膜表示多晶薄膜、无定形硅薄膜或两种薄膜混合的薄膜。 

化学溶液去除第一保护薄膜可以具有对第二保护薄膜的选择性，化学溶液去除第二保护薄膜可以具有对GaN的选择性。 

另外，第一保护薄膜和第二保护薄膜可以彼此交换，以使第二保护薄膜可以由氧化硅构成。 

尽管描述了特定实施方案，但是所述实施方案仅以实例的方式呈现，不用于限制本发明的范围。实际上，在此描述的新颖实施方案可以包含各种其他形式；而且，可以对在此所述的实施方案的形式上进行各种省略、取代和改变而不背离本发明的精神。所附权利要求和其等价物用于覆盖所述形式或落入本发明的范围和精神的改变。