[发明专利]氮化镓半导体衬底和蓝色发光器件

说明书

本申请是国际申请日为2004年8月6日、中国国家申请号为 2004800317980、申请人为“住友电气工业株式会社”、且发明名称为 “氮化镓半导体衬底及其制造方法”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及氮化镓(GaN)半导体衬底，以及涉及刻蚀外延衬底- 其上外延地生长了GaN、InGaN和AlGaN膜的GaN衬底的方法，以及涉 及由这种方法刻蚀的GaN衬底。

背景技术

在蓝色发光器件技术中，典型地通过在蓝宝石衬底上外延地生长 包括n-型和p-型GaN和InGaN层的薄膜以形成p-n结，向下刻蚀该薄膜至 n-型GaN层，在n-型GaN上设置n-电极和在p区上设置p-电极以得到用划 片机切割为单个芯片的单元发光二极管以制造LED芯片，将管座 (stems)粘附到芯片，用导线将p-电极和n-电极连接到引线，以及用 帽盖覆盖该组件，来制造蓝色LED器件。该工艺具有已证实的性能记录 并被广泛地采用。

利用蓝宝石衬底，很好的确立制造方法；以低成本和没有供应的 不稳定性，衬底具有已证实的性能纪录。然而，由于蓝宝石没有解理， 它不能被自然劈开分为芯片，而是代替地，必须用划片机机械地切割。 因为蓝宝石是坚硬的、坚固材料，来自该切割操作的产量是不利的。 因为蓝宝石是绝缘体，必须在衬底的底部设置电极-在GaN膜的顶上必 须设置n-电极，以及需要两次引线键合。而且，N-电极需要的额外表面 积是一个问题，在于它对缩小尺寸有限制。

面对这样的背景，GaN单晶体有希望作为用于InGaN基蓝色发光器 件的衬底。已知加热GaN不会使它液化，因此GaN晶体不能由液相生长， 而是使用在制造GaN膜中采用的汽相方法。可利用的方法包括HVPE、 MOCVD和MOC，这些方法是其中在起始衬底提供汽相前体，以形成 GaN或其他氮化物基薄膜的技术。

汽相技术已被采用和改进，以形成厚的、小位错GaN层，其中通 过除去起始衬底，制造独立的GaN膜。由于起始衬底使用蓝宝石，因此 带来除去蓝宝石的困难，本申请人利用(111)GaAs衬底。GaAs起始 衬底可以用王水刻蚀掉。

当可以以此方式获得GaN单晶体时，用于使该晶体成为具有镜面 抛光的晶片的抛光、刻蚀和相关技术不被研制。因此，现阶段是其中 在晶体上按照原样生长薄膜，没有抛光或刻蚀。依据GaN晶片，可以通 过汽相生长在异质衬底上形成的仅仅是c-面晶体，其中在表面中出现c- 面((0001)面)。

至于所涉及的c面，有两种，(0001)面和(001)面。这些是其 中Ga被露出的表面，和其中N被露出的表面。这两种表面的生化性能是 完全不同的。Ga表面在化学上是惰性的，几乎不经历任何化学影响， 以及在物理上是极其坚固的，难以使用研磨剂抛光。N表面在物理上是 脆弱的，且可以被抛光，以及存在可以用化学剂刻蚀的晶面。

GaN的刻蚀是不能被简单地处理的具有挑战性的问题。已设计了 各种技术：将电极粘附到晶体并刻蚀晶体，同时使电流穿过它，以及 刻蚀该晶体，同时用紫外线轰击它。尽管如此，认为其上有可能被刻 蚀的表面通常是N表面，而刻蚀和抛光Ga表面是困难的。

然而，为了制造具有镜面抛光的晶片，抛光是必不可少的。尽管 抛光工序本身是困难的，在其中以某种方式管理GaN晶片抛光的情况 下，由于该抛光，在晶片上将出现加工变换层。这是抛光研磨剂和压 盘成分侵入晶片表面和外来物进入该表面的晶片部分，损害晶体结构。

一旦嵌在里面，必须尽一切办法除去该加工变换 (process-transformed)层，因此必须执行刻蚀。但是，至今为止，没 有GaN刻蚀技术。一般，GaN不能用化学活性物质刻蚀。加工变换层是 相当厚的；因此，不能通过湿法刻蚀除去加工变换层。