氮化物半导体部件及其制造工艺制造技术

本发明专利技术涉及氮化物半导体部件及其制造工艺。一种用于在硅表面上制造氮化物半导体部件的层结构的工艺包括步骤：提供具有硅表面的衬底；其中所述提供衬底的步骤包括提供厚度至少为ＤＧａＮ×ｘ的硅衬底，其中，ＤＧａＮ表示要在所述衬底上淀积的氮化物半导体层的层厚度，或者如果将要淀积多于一个氮化物半导体层，其表示将要在所述衬底上淀积的氮化物半导体层的层厚度以及所存在的氮化物中间层的层厚度之和，并且其中，在采用掺杂硅衬底的情况下，ｘ是１１０，在采用未掺杂衬底的情况下，ｘ是２００。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。本专利技术还涉 及用于制造氮化物半导体部件的工艺。最后，本专利技术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。
技术介绍
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。对本专利技术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(homo印itaxy)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(Al2O3)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°C 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/ μ m的高张应力，并且 从小于1 μ m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°C )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AWaN 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SixNy中间层起着用于接下来的GaN生长的掩模作 用。根据DE 10151092 Al选择中间层的厚度，从而在其上形成相隔IOOnm到几μ m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。此夕卜，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，Νο· l，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。作为SiN掩模层厚度的函数，这一作用表现出了从一定厚度开始的饱和现象，因 而不能期望其能够实现完全的应力补偿。事实是，一方面所述SiN掩模层随着其厚度的增 大可干扰甚至阻碍AlN成核层与接下来(即，在SiN掩模层之后)生长的GaN层之间的结 构耦合。于是其后果是，可能不会再产生所希望的对AlN成核层的压力作用，从而使不希望 出现的高张应力仍然存在于最后的氮化物半导体层内。其次，厚的SiN层使聚合厚度提高 到了一定的值，凭借已知的方法无法将所述值控制子裂缝形成的临界层厚度之下。因此，即使插入SiN掩模层也不再会相应地消除氮化物半导体层结构内的张应 力。非均勻的张应力还具有其他缺点。除了上述高位错密度之外，还可能导致正在生 长的层结构和下部衬底的弯曲。这一问题还会影响薄层部件，例如薄层LED，所述部件中的 硅衬底在制造过程中去除。对拳曲的氮化物半导体层结构的处理已经引起诸多问题，并因 而提高了部件制造的复杂性和成本。通常然后被接合至载体的弯曲的氮化物半导体层结构 容易从所述载体上脱离，因而对应的部件使用寿命短。/Λ c. Mo 入的 ^； K Growth and characterization of InGaN blue LED structure on Si(lll)by MOCVDJournal of Crystal Growth，285U005)，312-317(以 下简称“Mo等”)，可以知道通过在AlN成核层上生长GaN缓冲层降低张应力，在此将所述文 献引入以供参考。在这种情况下，调整镓前体与氮前体的气流密度的非常低的比值，从而在 高温气相外延中生成GaN缓冲层。其促进了接下来的GaN层的岛生长。但是，其缺点在于， 在氮化物半导体层结构内仍然存在张应力。此外，这种已知的LED具有不利的高电阻。
技术实现思路
因此，本专利技术所基于的技术问题在于提供硅表面上的氮化物半导体部件的层结构 的制造工艺和氮化物半导体部件本身，其中，与该问题的已知解决方案相比，其进一步降低 了所完成的层结构中的张应力。本专利技术所基于的另一技术问题是提供硅表面上的氮化物半导体部件的制造工艺 层结构和所述氮化物半导体部件本身，与该问题的已知解决方案相比，其减少了氮化物半 导体层结构的弯曲。根据本专利技术的第一方面，通过一种硅表面上的氮化物半导体部件的层结构的制造 工艺解决了前述技术问题，所述制造工艺包括下述步骤-提供具有硅表面的衬底；-在所述衬底的硅表面上淀积含有铝的氮化物成核层；-可选的在所述氮化物成核层上淀积含有铝的氮化物缓冲层；-在所述氮化物成核层上或者在第一氮化物缓冲层(如果存在的话)上淀积掩模 层；-在所述掩模层上淀积含有镓的第一氮化物半导体层，其中，通过这样一种方式淀积所述掩模层，使得在所述第一氮化物半导体层的淀 积步骤中，首先生长独立的微晶，所述微晶在聚合层厚度之上聚合，并且在垂直于生长方向 的聚合后的氮化物半导体层的层平面内至少占据0. 16 μ m2的平均表面积。利用根据本专利技术的工艺，令人惊奇的发现，可以在第一氮化物半导体层的生长期 间在其中产生增加的压应力，通过适当的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在硅表面上制造氮化物半导体部件的层结构的工艺，包括步骤：－提供具有硅表面的衬底；－其中所述提供衬底的步骤包括提供厚度至少为Ｄ↓［ＧａＮ］×ｘ的硅衬底，其中，Ｄ↓［ＧａＮ］表示要在所述衬底上淀积的氮化物半导体层的层厚度，或者如果将要淀积多于一个氮化物半导体层，其表示将要在所述衬底上淀积的氮化物半导体层的层厚度以及所存在的氮化物中间层的层厚度之和，并且其中，在采用掺杂硅衬底的情况下，ｘ是１１０，在采用未掺杂衬底的情况下，ｘ是２００。

【技术特征摘要】
DE 2006-2-23 102006008929.4;US 2006-2-23 60/776,451.一种用于在硅表面上制造氮化物半导体部件的层结构的工艺，包括步骤 -提供具有硅表面的衬底；-其中所述提供衬底的步骤包括提供厚度至少为DeaNXx的硅衬底，其中，DeaN表示要 在所述衬底上淀积的氮化物半导体层的层厚度，或者如果将要淀积多于一个氮化物半导体 层，其表示将要在所述衬底上淀积的氮化物半导体层的层厚度以及所存在的氮化物中间层 的层厚度之和，并且其中，在采用掺杂硅衬底的情况下，χ是110，在采用未掺杂衬底的情况 下，χ是200。2.根据权利要求1所述的工艺，其中所述提供衬底的步骤包括提供硅衬底，其厚度还 大于或等于3.根据权利要求1或2所述的工艺，包括额外的步骤 -在所述衬底的硅表面上淀积含有铝的氮化物籽层；-可选的在所述氮化物籽层上淀积含有铝的第一氮化物缓冲层； -在所述氮化物籽层上或者在如果存在的第一氮化物缓冲层上淀积掩模层； -在所述掩模层上淀积压应力的含有镓的第一氮化物半导体层， 其中，通过这样一种方式淀积所述掩模层，使得在淀积所述第一氮化物半导体层的步 骤中，分离的微晶生长，所述微晶在一定的聚合层厚度之上聚合，并且在垂直于所述聚合的 氮化物半导体层的生长方向的层平面内占据至少0. 16 μ m2的平均面积。4.根据前述权利要求任一项所述的工艺，其中，以SOOnm与ieOOnm...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿明戴德加，阿洛伊斯克罗斯特，
申请(专利权)人：阿祖罗半导体股份公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]