[发明专利]包含氮化物半导体层的结构和包含氮化物半导体层的复合基板及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种包含氮化物半导体层的结构，包含氮化物半导体层的复合基板，以及这些结构、复合基板的制作方法。具体地讲，本发明涉及一种基于外延横向过生长的氮化物半导体层的制作方法。

背景技术

氮化物半导体，例如，用通式Al_xGa_yIn_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)表示的氮化镓化合物半导体具有相对大的带隙，并且是一种直接跃迁(transition)型半导体材料。

因此，氮化物半导体作为用于形成半导体发光器件的材料而受到关注，半导体发光器件例如为能够发射与从紫外光到绿光对应的短波长光的半导体激光器，以及能够覆盖从紫外光到红光、另外加上白光的宽发射波长范围的发光二极管(LED)。

为了获得高质量的半导体发光器件，需要高质量的氮化物半导体膜或基板。

具体地讲，为了获得高质量的氮化物半导体膜，优选进行外延生长，所述外延生长使用同质的高质量的氮化物半导体基板或者晶格常数差异和热膨胀系数差异相对小的异质基板。

另外，在应用氮化物半导体时，必须根据情况在氮化物半导体膜或氮化物半导体结构形成之后移除基体基板。

然而，迄今为止存在难以制作高质量的氮化物半导体膜或高质量的氮化物半导体基板的问题。引起这个问题的主要原因如下所述。

(1)氮化物半导体基板的制作工艺涉及高成本步骤。例如，在制作GaN基板时，要求高温和高压，并且难以制作缺陷密度低、口径大的基板。因此，GaN基板的价格高，满足大量生产的GaN基板的稳定供应不可获得。

(2)适合于高质量的氮化物半导体膜的外延生长的异质基板是稀少的。要求在约1000℃的高温和包含V族材料的强腐蚀性氨气氛下进行氮化物半导体膜的晶体生长。能够经受这样的苛刻条件的异质单晶基板是有限的。

(3)根据器件，由于氮化物半导体本身的晶体属性，需要复杂结构。例如，为了实现光学元件，需要将成分彼此不同的氮化物半导体层叠成多个层。

由于上述原因，从综合评价考虑，经常将蓝宝石基板用作氮化物半导体的基体基板。

另一方面，氮化物半导体，例如GaN、AlGaN和GaInN是晶格常数彼此不同的完全应变材料，因此，破裂和应力应变趋向于在这些氮化物半导体之间以及在这些氮化物半导体和基板之间发生。

因此，当使用异质基板(例如蓝宝石基板)时，由于氮化物半导体膜和异质基板之间的晶格常数差异，发生由于在氮化物半导体膜中传播的位错而引起的问题。

这样的位错穿透氮化物半导体膜到达氮化物半导体膜的最上层，变成贯通位错(threading dislocation)，并且根据情况使氮化物半导体膜的性质劣化。

另外，还存在由于氮化物半导体膜和异质基板之间的热膨胀系数的差异而导致应力应变在氮化物半导体膜和异质基板中发生的问题。应力应变不仅使氮化物半导体膜和异质基板变形，而且还构成使氮化物半导体膜劣化的因素。

为了降低这样的贯通位错密度，在Appl.Phys.Lett.1998年4月20日第72卷第16期第2014-2016页中公开了一种通过积极地利用横向生长来进行GaN的外延生长的方法。

在这种情况下，在横向生长方法(也称为ELOG生长(外延横向过生长)方法)中，首先，在异质基板上交替形成有利于氮化物半导体生长的区域和干扰氮化物半导体生长的区域。

并且，在有利于生长的区域上选择性地生长氮化物半导体，并朝着干扰生长的区域横向生长氮化物半导体。

在干扰生长的区域上，不从基板生长氮化物半导体，并且干扰生长的区域被从有利于生长的区域上的氮化物半导体横向延伸的氮化物半导体覆盖。

因此，在基板和氮化物半导体之间的界面中发生的位错几乎不表现在表面上。

从而，在通过横向生长方法形成的氮化物半导体层中形成贯通位错密度的分布。

具体地讲，贯通位错密度在异质基板上的有利于生长的区域上保持高，而在异质基板上的干扰生长的区域上贯通位错密度降低。

根据这种技术，可获得整体平坦的氮化物半导体膜，并且在该氮化物半导体膜的一些区域中，表面附近的贯通位错密度相对地低。

这种技术提供有这样的特征，即，通过利用在基体基板上形成的掩模图案来实现氮化物半导体膜的选择性ELOG生长。