具有低缺陷的半导体衬底及其制造方法技术

一种半导体衬底，包括：　　　　第一半导体层，其由Ⅲ－Ⅴ族半导体材料形成并且在其上形成非晶区域和晶质区域；以及　　　　第二半导体层，其形成在所述第一半导体层上并且从所述晶质区域晶体生长。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体衬底以及制造其的方法，且更特别地，涉及具有低缺陷密度以及优异的表面形态(morphology)特性的低缺陷半导体衬底以及制造其的方法。
技术介绍
GaN是一种具有3.39eV的直接跃迁型(direct transition type)带隙的宽带 隙半导体并且从1970早期就被研究以用在各种光电子器件中，包括蓝光发 射器件以及保护性薄膜。因为GaN具有关于诸如InN或AIN的III-V基氮化 物半导体的连续高溶度，诸如lnxGa (,-x, N或GaxAl (,_x, N的三价氮化物固溶 体能够形成。并且，因为带隙根据三元氮化物的成分变为成分的主函数 (primary function),通过调整III-V基氮化物半导体的成分，能够制造包括从 红波长区域到紫外线波长区域的所有可见光的光发射器件或光接收器件。因为这样的GaN薄膜可在很多领域中使用，GaN薄膜的生长及使用其 的器件的研究和开发的重要性很早以前就被意识到并且已经开始进行。近 来，为了生长好的GaN薄膜，已经积极进行异质外延的研究，其中诸如蓝 宝石(oc-Al203 )的不同种类的衬底相对于GaN具有大的晶格失配和大的热 膨胀系数失配，并且GaN外延层使用诸如AIN或GaN的緩沖层生长以减轻 晶格参数和热膨胀系数的失配。然而，当GaN在不同种类的衬底上被生长时，GaN或AlN緩沖层应该 在低温500。C-60(TC使用以减小晶格参数以及关于衬底的失配。结果，外延 生长工艺复杂并且制造光发射器件所需的诸如InN或GaN的各种化合物的生 长不容易被进行。具体地，由于晶格参数以及热膨胀系数的不同，生长在蓝 宝石衬底上的GaN薄膜包括很多晶格缺陷，即，-109/112的位错密度，所制 造的光发射器件的性能会退化。然而，为了增加其使用寿命以及为了提高其 可靠性，诸如光发射二极管(LED)或激光二极管(LD)的GaN基光电子 器件的缺陷密度应该低。在具有低缺陷密度的传统衬底的情形中，GaN使用 氢化物汽相外延(HVPE )生长来厚地生长并且然后被分离而用作GaN衬底。 在这种方法中，GaN衬底仍然不具有充分低的缺陷密度并且不容易生长足够 大的具有GaN用作衬底的尺寸的GaN。这样，作为制造低缺陷GaN薄膜的 方法，通过进行横向生长(lateral growth)来用于减少缺陷密度的方法很受关 注。作为其一个例子，有外延橫向过生长(epitaxial lateral overgrowth: ELOG ) 以及悬空外延(pendeo epitaxy)。对于使用ELOG以及悬空外延的GaN生长， 可参考第6,051,849号或第6,265,289B1号美国专利。然而，像ELOG，当诸如SiOz或SiNx的掩模被使用时，由于生长的GaN 薄膜以及掩模之间的表面应变的差异，晶体倾斜导致在GaN薄膜的会合边 界中会产生缺陷。在这个过程中，凹槽可形成在GaN薄膜的表面上，因此， 表面形态特性可变坏。由于插入诸如Si02或SiNx的不同种类的材料，在GaN 薄膜中可不均匀地分布应变(strain)。另外，由于Si02的热导率比GaN的低， 在掩模区域上实现的器件的热可靠性会降低。因此，为了解决这些问题，需 要开发用于制造具有低缺陷密度以及优异表面形态特性的低缺陷半导体衬 底的新技术。
技术实现思路
本专利技术提供了具有低缺陷密度以及优异表面形态特性的低缺陷半导体 衬底以及制造其的方法。根据本专利技术的一个方面，提供了半导体衬底，该半导体衬底包括第一 半导体层，其由III-V族半导体材料形成并且在其上形成有非晶区域和晶质 区域(crystalloid region);以及第二半导体层，其形成在该第一半导体层上并 且从该晶质区域晶体生长。根据本专利技术的另一方面，提供了制造半导体衬底的一种方法，该方法包括准备生长衬底，适合用于生长III-V族半导体层的晶格匹配；使用III-V族半导体材料在生长衬底上晶体生长第一半导体层；在第一半导体层的表面上形成非晶区域以及晶质区域；以及在第一半导体层上使用非晶区域作为掩模以及使用晶质区域作为晶种(seed)形成具有比第一半导体层的缺陷密度更低的缺陷密度的第二半导体层。在第一半导体层的表面上形成非晶区域以及晶质区域包括在第一半导体层上形成用于部分暴露第一半导体层的顶表面的柱状图案、点状图案或带状图案的掩模层；根据掩模层的图案通过施加离子轰击到第 一半导体层的暴露顶表面而形成由离子轰击引起的非晶区域；以及去除掩模层暴露未轰击 (non-bombardment)导致的晶质区3或。通过施加离子轰击可从第一半导体层的暴露的顶表面蚀刻0.1-4^m的深 度，并且非晶区域可形成在蚀刻表面上。根据本专利技术，具有大约104-107/(^2的低缺陷密度以及具有优异表面形态 特性的低缺陷半导体村底能够通过筒单且容易的工艺制造。附图说明通过参照附图详细描述其示例性实施例，本专利技术的上述和其它方面将变 得更明显，附图中图1是根据本专利技术的实施例的半导体衬底的示意横截面图；图3A到3F示出了根据本专利技术的另一实施例制造半导体衬底的方法； 图4是根据本专利技术的实施例的光发射器件的示意横截面图；以及 图5A到5C示出了根据本专利技术的实施例制造光发射器件的方法。具体实施方式下面将参照附图更全面地描述本专利技术，附图中示出了本专利技术的示例性实 施例。在图中，为清晰起见层和区域的厚度扩大了。图1是根据本专利技术的实施例的半导体衬底的示意横截面图。参照图1, 半导体衬底10包括第一半导体层12以及第二半导体层20,其相继形成在生 长衬底10上。第一半导体层12由II-VI族半导体材料或III-V族半导体材料形成。由 离子轰击损害而形成的非晶区域12b以及未轰击形成的晶质区域12a形成在 第一半导体层12上。这时，非晶区域12b以及晶质区域12a重复且交替地 形成在第一半导体层12上。并且，第二半导体层20包括从晶质区域12a垂 直地晶体生长的垂直生长区域20a以及从垂直生长区域20a横向地晶体生长 的横向生长区域20b。因为生长衬底10由选自蓝宝石、6H-SiC、 MgAl203、 Si ( 111 )以及ZnO 组成的组中的一种材料形成， 一般的，形成在不同种类的生长衬底10上的第一半导体层12形成有l-5pm的厚度并且包括108-101()/^112的缺陷密度。然 而，在图1的半导体村底的结构中，在第一半导体层12上外延生长的第二 半导体层20可包括1(f-10々cm的缺陷密度。详细地，使用非晶区域12b作 为用以抑制晶体生长的掩模以及使用晶质区域12a作为用于晶体生长的晶种 通过金属有机化学气相淀积(MOCVD )垂直/橫向地晶体生长晶质区域12a, 因此在第一半导体层12上形成具有较第一半导体层12更低的缺陷密度的第 二半导体层20。这里，垂直生长区域20a包括108-101()/(:1112的缺陷密度并且 横向生长区域20b包括104-107/cm2的缺陷密度。在这种情形中，第二半导体层20可由与形成第一半导体层12时使用的 材料具有相同的晶格参数和热膨胀系数的材料或者与形成第一半导体层12 时使用的材料一样具有充分小的晶格参数以及热膨胀系数的材料形成，使得 外延生长能够容易本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体衬底，包括：第一半导体层，其由Ⅲ－Ⅴ族半导体材料形成并且在其上形成非晶区域和晶质区域；以及第二半导体层，其形成在所述第一半导体层上并且从所述晶质区域晶体生长。

【技术特征摘要】
1.一种半导体衬底，包括第一半导体层，其由III-V族半导体材料形成并且在其上形成非晶区域和晶质区域；以及第二半导体层，其形成在所述第一半导体层上并且从所述晶质区域晶体生长。2. 如权利要求1的半导体衬底，其中所述非晶区域通过离子轰击损害 而形成。3. 如权利要求1的半导体衬底，其中所述第二半导体层包括 垂直生长区域，其从所述晶质区域垂直地晶体生长；以及 橫向生长区域，其从所述垂直生长区域橫向地晶体生长。4. 如权利要求i的半导体衬底，其中所述m-v族半导体材料包括选自GaN、 GaAs以及InP组成的组中的至少一种材料。5. 如权利要求1的半导体衬底，其中所述第一半导体层的厚度为l-5pm。6. 如权利要求1的半导体衬底，其中所述非晶区域的宽度为2-30nm。7. 如权利要求1的半导体衬底，其中所述非晶区域的厚度为l-5000A。8. 如权利要求1的半导体衬底，其中所述晶质区域的宽度为l-20^m。9. 如权利要求1的半导体衬底，其中所述非晶区域和所述晶质区域形 成为带状图案。10. 如权利要求9的半导体衬底，其中所述带状图案在<1-100>方向形成。11. 如权利要求1的半导体衬底，其中所述横向生长在<11-20>方向进行。12. 如权利要求1的半导体衬底，其中所述第一衬底层包括108-10IQ/cm2 的缺陷密度。13. 如权利要求3的半导体衬底，其中所述第二衬底层包括104-107/cm2 的缺陷密度。14. 如权利要求13的半导体衬底，其中所述垂直生长区域包括 108-10'%1112的缺陷密度。15. 如权利要求13的半导体衬底，其中所述橫向生长区域包括 104-107/(^12的缺陷密度。16. 如权利要求4的半导体衬底，其中所述第一衬底层和所述第二衬底 层由氮化物半导体形成。17. —种制造半导体衬底的方法，该方法包括 准备生长衬底，其适合于用于生长III-V族半导体层的晶格匹配； 使用III-V族半导体材料在所述生长衬底上晶体生长第一半导体层； 在所述第一半导体层的表面上形成非晶区域以及晶质区域；以及 使用所述非晶区域作为掩模以及使用所述晶质区域作为晶种，在所述第一半导体层上形成具有比所述第一半导体层的缺陷密度更低的缺陷密度的 第二半导体层。18. 如权利要求17的方法，其中所述非晶区域通过在所述第一半导体 层的所述表面上部分施加离子轰击而形成。19. 如权利要求17的方法，其中所述第二半导体层通过金属有机化学 汽相淀积(MOCVD)形成。20. 如权利要求17的方法，其中所述在所述第一衬底层的所述表面上 形成所述非晶区域以及所述晶质区域包括在所述第一半导体层上形成用于部分暴露所述第一半导体层的顶表面 的柱状图案、点状图案或带状图案的掩模层；根据所述掩模层的图案通过施加离子轰击到所述第一半导体层的所述 暴露顶表面形成离子轰击引起的非晶区域；以及去除所述掩模层来暴露未轰击导致的晶质区域。21. 如权利要求20的方法，其中所述掩模层由光致抗蚀剂或金属形成。22. 如权利要求20的方法，其中所述带状图案在<1-...

【专利技术属性】
技术研发人员：白好善，成演准，河镜虎，孙重坤，李成男，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：KR