專利名稱：P型半導體異質結構的光電化學刻蝕的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ρ型GaN層的粗化和一種用于刻蝕并且粗化P型GaN層的光電化學方法。
(注意該申請引用多個不同的公開，如在整個說明書中通過一個或多個括弧內 的標號(例如[X])所指示的。根據這些標號排序的這些不同的公開的列表可以在下面的 標題為“參考文獻”的章節(jié)中找到。這些公開中的每一個通過引用合并到此。)光電化學(PEC)濕法刻蝕已經被應用于各種半導體，包括GaAs、InP和GaN。特別 對于GaN，PEC刻蝕具有巨大意義，因為對于室溫濕法刻蝕，存在非常有限的替換方式。圖1圖示說明了根據本發(fā)明的PEC刻蝕設置，其包括光源(例如超越帶隙 (above-bandgap) IOOOffatt Xe燈100)和電化學阱，這里半導體(例如GaN發(fā)光二極管 (LED)樣品102的半導體)充當系統(tǒng)的陽極，并且具有直接在半導體上圖形化以充當陰極的 金屬104(通常為鉬)。光106在半導體中生成電子空穴對，電子通過陰極被提取而空穴參 與半導體表面的氧化反應，導致半導體表面在電解質108中溶解。因為表面能帶在半導體/ 電解質界面處彎曲，所以空穴典型地僅被限制在η型材料的表面，而電子被限制在ρ型材料 的表面。此外，光生電子在P型半導體表面的累積束縛該材料的刻蝕。因此，P型半導體的 PEC刻蝕難以實現?？梢酝ㄟ^例如GaN濾光器110過濾來自光源100的光106，金屬104可 以是不透明金屬(例如Ti和Pt)掩模，充當陰極，并且電解質溶液108可以以是例如5摩 爾(M)氫氧化鉀(KOH)溶液。LED 102的p_GaN是陰極以便PCE刻蝕，并且電解質108在容 器112中。雖然PEC刻蝕是用于η型并且非故意摻雜的半導體的成熟工藝，但是對于刻蝕P 型層，它很少成功。雖然過去具有P型半導體的PEC刻蝕的有限的報道，但是它們通常需要 提高的溫度、系統(tǒng)上充分的外部偏壓或復雜的實驗裝置。另外，刻蝕速率與η型材料相比通 常非常低。若干研究小組已經使用將充分的外部偏壓施加到P型樣品，從而實現P型半導體 的PEC刻蝕[1]、[2]?；蛘叻浅４蟮钠珘菏潜匦璧?，或者刻蝕速率非常低。這些組都使用 GaN。在Borton等人[1]的情況中，在刻蝕之前高溫KOH浸泡是必需的，然后刻蝕在小偏壓 ( 2V)下發(fā)生，得到l-5nm/分鐘量級的刻蝕速率和非常粗糙的形態(tài)。Yang等人[2]實現 較高刻蝕速率O μ m/分鐘)，但是必須施加IOV的外部偏壓。Hwang等人[3]使用斬波紫 外(UV)光源來實現ρ型GaN的無電極刻蝕。他們使用該技術能夠獲得2. Snm/分鐘的刻蝕 速率，但是代價是與用于η型GaN的相似刻蝕條件相比，粗糙度增加。若干研究小組已經報道了使用KOH/乙二醇混合物來以純化學方式刻蝕p-GaN。然 而，該刻蝕是非常結晶選擇性的，并且同樣需要使用非常高的溫度。在Na[5]中描述的刻蝕 需要165 °C的溫度。深UV輻照已經被用于ρ型GaAs的PEC刻蝕[6]。該技術基于如下事實，即深UV 在GaAs中的穿透深度非常短，并且因此非常高能量的空穴靠近表面生成，并且被注入到在 半導體和電解質之間的界面，并且可以在那里參與刻蝕反應。雙室(two-compartment)電化學單元已經被用來對體p-GaAs進行PEC刻蝕[7]。 在此情況下，在晶圓一側上使用堿溶液，并且在該晶圓另一側上使用酸溶液提供驅動力，以 便空穴向堿性側移動。光在酸性側入射，使得電子被限制在那里，而光生空穴由在兩側上表 面能帶彎曲的差驅動擴散到堿性側，并且在無電子的情況下參與堿性側上的刻蝕。盡管刻 蝕的基礎研究是可行的，但是該雙室?guī)缀涡螤畈蝗菀走m應GaN器件的實際刻蝕。
因此，本領域需要一種對ρ型半導體進行PEC刻蝕的改善的工藝。本發(fā)明滿足該需要。

發(fā)明內容
為了克服上面描述的現有技術中的限制，以及克服在閱讀和理解本說明書之后將 變得顯而易見的其他限制，本發(fā)明描述了通過使用異質結構來簡單且有效地刻蝕(例如濕 法刻蝕、PEC刻蝕)ρ型半導體。更具體地說，本發(fā)明公開了一種刻蝕器件結構中ρ型半導體層的方法，該方法包 括使用該器件結構的內部電場來刻蝕P型層。該內部電場可以用來將空穴驅動到被刻蝕的 P型層的表面。該方法還可以包括在器件結構的分離區(qū)域而不是被刻蝕的P型層的表面中生 成電子-空穴對，其中內部電場提供驅動力，使空穴向P型層的表面而不是體內移動。該生成 經由光源照明而發(fā)生，其波長被選擇為使得光僅在內部電場位于其中的器件區(qū)域中被吸收。如上面指出的，器件結構典型地是異質結構，并且內部電場是在該結構中摻雜的 結果。本發(fā)明允許基本沒有外部偏壓被施加于ρ型層以便刻蝕ρ型層。如果使用外部偏 壓，則與由施加于器件結構以便刻蝕P型層的外部偏壓產生的電場相比，內部電場典型地 更強，由此更快將空穴帶到P型半導體層的表面。內部電場使得能夠以與η型半導體層的 刻蝕速率可比擬的速率刻蝕P型半導體層。該刻蝕速率可以為每分鐘至少2. 8nm,使用低 于2伏的外部偏壓，并且該刻蝕可以產生與在基本相似條件下刻蝕的η型半導體層的表面 粗糙度一樣平滑的表面粗糙度。ρ型層的刻蝕可以在室溫下的電解質中，或例如在比ρ型層的純化學濕法刻蝕中 使用的溫度低的溫度下或在比使用外部偏壓的P型層的刻蝕中使用的溫度低的溫度下的 電解質中。本發(fā)明使得能夠刻蝕ρ型層以獲得不是晶面的表面，并且可以是ρ型層中的各向 異性或各向同性的溝道。該刻蝕可以具有帶隙選擇性、缺陷選擇性或兩者。本發(fā)明可以包括對器件結構進行摻雜或將應變引入到器件結構中，以生成內部電 場，其將空穴驅動到被刻蝕的器件結構的位置。本發(fā)明還公開了一種異質結構，該異質結構包括具有刻蝕表面的ρ型半導體，其 中與通過離子輔助等離子體刻蝕或干法刻蝕來刻蝕的P型半導體相比，通過PEC來刻蝕的 P型半導體的損傷較低。例如，PEC刻蝕可以不向ρ型半導體引入任何損傷。異質結構可以 包括不是P型半導體的晶面(crystallographic plane)的刻蝕表面、ρ型半導體中一個或 多個各向異性的溝道和/或與η型半導體的刻蝕表面可比擬的平滑度或粗糙度。


現在參考附圖，其中相同的標號表示相應部分圖1是PEC刻蝕示意圖，其圖示說明了 PEC刻蝕裝置；圖2 (a)是p-i-n異質結構的剖面示意圖，并且圖2(b)是在LED的ρ型層的表面 處的、以圖2(a)中的結構的層的位置為函數的示意性能帶圖，其示出了 LED/電解質系統(tǒng)中 的載流子路徑。
圖3是在PEC刻蝕之前異質結構的外延結構的剖面示意圖，該外延結構包括250 納米(nm)厚的ρ型GaN層(用Mg摻雜)、3周期hGaN/GaN多量子阱(MQW)、20nm厚AlGaN 層、200nm厚InGaN層以及m_平面GaN襯底，其中在刻蝕之后，失去頂部ρ-GaN層。圖4是圖3的結構在頂部P-GaN通過PEC方法刻蝕掉的情況下的掃描電鏡(SEM) 圖像，其中SEM展現平滑、均勻的刻蝕表面，并且尺度為2微米(μπι)。圖5是刻蝕樣品的PEC裝置的剖面示意圖。圖6(a)是η型材料和電解質之間的界面的能帶圖。圖6(b)是ρ型材料和電解質之間的界面的能帶圖。圖7(a)是ρ-η結樣品的剖面示意圖，圖7(b)是在執(zhí)行刻蝕工藝之后圖7 (a)的樣 品的頂部表面的光學顯微鏡圖像(長度尺度500 μ m)，圖7 (c)是ρ型GaN/InGaN/n型GaN 結樣品的剖面示意圖，以及圖7(d)是在刻蝕之后圖7(c)的樣品的頂部表面的光學顯微鏡 圖像(長度尺度500μπι)，其中與圖7(b)中的較亮區(qū)域(未刻蝕)相比，圖7(d)中的較暗 區(qū)域表示刻蝕。圖8是圖示說明了本發(fā)明的方法的流程圖。
具體實施例方式在優(yōu)選實施例的以下描述中參考了形成于此一部分的附圖，并且在附圖中出于說 明示出了本發(fā)明可以被實施于其中的特定實施例。應理解，在不偏離本發(fā)明的范圍的情況 下，可以使用其他實施例，并且可以改變結構。概述過去已經有ρ型半導體的PEC刻蝕的有限報道，并且它們通常需要提高的溫度、系 統(tǒng)上充分的外部偏壓或復雜的實驗裝置。另外，刻蝕速率與η型材料相比通常非常低。關鍵要求是(a)必須具有驅動力，以使空穴向ρ型層的表面而不是體內移動；以 及(b)電子-空穴對必須在該結構的分離區(qū)域而不是要刻蝕的表面中生成。例如，使用標準LED結構，光源可以被選擇為其僅在量子阱區(qū)域中被吸收，并且結 構的摻雜在空間上分離光生載流子，使得電子被拉入η型層內(這里它們可以逃逸通過陰 極)，而空穴被拉入P型保護層(cap layer)內。如果使用強堿性溶液例如KOH作為電解 質，則可以使光生空穴到達表面，從而參與刻蝕反應。以此方式，可以刻蝕異質結構的P型 表面而不需要干法刻蝕。通過PEC濕法刻蝕工藝刻蝕ρ型半導體材料的能力使得需要P型材料刻蝕的許多 器件制造工藝成為可能。與離子輔助的等離子體刻蝕技術相比，該工藝的濕法刻蝕本質提 供迅速、低損傷刻蝕的能力。另外，PEC刻蝕提供超過傳統(tǒng)刻蝕技術的許多優(yōu)點，例如形成 深入、各向異性的溝道的能力、帶隙選擇性和缺陷選擇性。技術描述不受特定科學原理或理論的束縛，本發(fā)明公開了通過使用異質結構能夠簡單且有 效地實現P型半導體的刻蝕(例如PEC刻蝕)。由于異質結構自然形成大多數器件結構的 基礎，因此可以簡單實現刻蝕。關鍵要求是(a)必須具有驅動力，以便空穴向P型層的表面 而不是體內移動；以及(b)電子-空穴對必須主要在該結構的分離區(qū)域而不是要刻蝕的表 面中生成。也可以使用寬帶(未過濾)光源，因為即使在P型層中同樣生成一些電子-空穴對，更多電子-空穴對在低帶隙層而不是P型層中生成(然而，在此情況下刻蝕速率較低)。例如，使用標準LED結構200，光源可以被選擇為其發(fā)射主要在量子阱區(qū)域204中 被吸收的光202，并且結構200的摻雜在空間上分離光生載流子，使得電子206被拉入208η 型層210內(這里它們可以逃逸通過陰極)，而空穴212被拉入204ρ型保護層216內(圖 2(a)和圖2(b))。如果使用強堿性溶液例如KOH作為電解質218，則可以使光生空穴212到 達表面220 (例如ρ型層216與電解質218的任何界面22 ，從而參與刻蝕反應。以此方式， 可以刻蝕異質結構200的ρ型表面220而不需要干法刻蝕。體216、210的帶隙Eg (體)224、 226大于量子阱230 (例如MQW)的帶隙& (MQff) 228，使得光子能量hv (這里h是普朗克常 數，并且ν是光202的頻率)的光202僅在量子阱區(qū)域204的量子阱230中被吸收。實現ρ型PEC刻蝕的最優(yōu)方式是使用p-i-n結構200，在其中本征區(qū)域204中具有 低帶隙層230。過濾110光，使得電子-空穴對在低帶隙層230中生成，并且它們被p-n結 200的內建場分離，其中該內建場與ρ型區(qū)域216和η型區(qū)域210之間的導帶Ε。和價帶Ev 的斜率232成比例。應使用高ρΗ電解質218 (例如Κ0Η)來使表面220 (或界面222)處的 能帶234平坦，并且應使用非常強烈的光202 (例如IOOOWXe燈100)來產生足夠數量的載 流子206、212，使得一些載流子212將克服ρ-GaN表面220處的能帶234的剩余能帶彎曲。 其它異質結構也是可以的，只要它們滿足上面提到的標準。在每種情況下需要評估能帶圖。 充足亮度的其它光源100也是可以的(例如激光)，并且其它電解質(例如酸)218也是可 以的。在PEC刻蝕中，光生空穴被用來驅動刻蝕工藝。在P-GaN的傳統(tǒng)的自頂向下照明 中，空穴被驅動離開表面，并且電子在該表面累積，得到不期望的還原反應和空穴復合。圖 2(a)和圖2(b)圖示說明了本發(fā)明照例光生載流子(電子206和空穴212)，但是引導電子 206遠離表面220，并且將空穴212引導到表面220或界面222。異質結構200的功率和帶 隙工程在亞表面處生成電子206和空穴212，并且使用內建電場232來分離電子206和空穴 212，使得空穴212在表面220處，并且電子206深入材料200中。本發(fā)明表明，低濃度HCl與KOH同樣起作用，并且較低強度的基于LED的燈與源自 IOOOff Xe燈的未過濾的照明一樣產生相同效果(圖3-4)。圖3是PEC刻蝕之前異質結構300的外延結構的示意圖，其包括ρ型層302 (例如 用Mg摻雜的250nm厚的ρ型GaN層)、本征層304 (例如3周期hGaN/GaN MQff)、20nm厚的 AlGaN層306、MGaN層308 (例如200nm厚的hGaN)以及m_平面GaN襯底310。層308和 層310都η型摻雜。陰極與層310接觸布置。圖4是圖3的結構在使用本發(fā)明刻蝕之后、頂部P-GaN 302通過PEC刻蝕刻蝕掉 的SEM圖像，其中SEM展現了本征層304的平滑、均勻的刻蝕表面400。同樣示出了 InGaN 層308和m-平面GaN襯底310。圖5圖示說明了用于η型樣品502的PEC刻蝕的裝置500的實施例，其包括光源 504 ；以及將樣品502沉浸在電解質溶液或電解質508中的容器506。該電解質(刻蝕劑)508 在沒有光源504的情況下具有低(例如零)刻蝕速率。在陽極510中的光生空穴h增強氧 化(刻蝕)，并且參與還原反應的電子e通過金屬接觸(例如陰極512)提取。任何半導體的PEC刻蝕的普通常識是η型材料可以迅速刻蝕，非故意摻雜(UID) 的材料刻蝕非常慢，并且P型材料完全不刻蝕。
圖6 (a)圖示說明了 η型材料600 (例如η型GaN)和電解質602的界面處的能帶 圖，其示出了 η型材料600的Ε。和Ev的能帶彎曲604的效應，其中具有至少等于帶隙能量 (Ec-Ev)的光子能量hv的入射光606生成608電子(e_) 610和空穴612，空穴612由能帶彎 曲604限制或驅動到半導體-電解質界面616，由此能夠增強使用光生空穴612來進行η型 材料600的氧化/刻蝕。圖6 (b)圖示說明了 ρ型材料618 (例如ρ型GaN)和電解質620的界面處的能帶 圖，其示出了 P型材料618的E。和Ev的能帶彎曲622的效應，其中具有至少等于帶隙能量 (Ec-Ev)的光子能量hv的入射光624生成626電子擬8和空穴630，空穴630由能帶彎曲 622推離632半導體-電解質界面634，并且ρ型材料618的表面636或界面634處的電子 628參與還原化學反應或與空穴630復合，這是不期望的。圖7(a)圖示說明了 ρ-η結樣品700，其中ρ型GaN(p-GaN)層704上具有氮化硅 (SiNx)掩模702，并且η型GaN(Ii-GaN)層708上具有Ti/Pt陰極706。樣品700在電解質 (例如5M KOH電解質)和光(例如源自IOOOff Xe燈)的條件下刻蝕，該光被過濾(例如使 用GaN濾光器)，以僅在^iGaN中激發(fā)載流子。圖7 (b)是圖7(a)中的樣品700在刻蝕之后 的頂部表面的光學顯微鏡圖像，其示出了 P_GaN704基本沒有刻蝕。圖7 (c)圖示說明了 p-GaN/InGaN量子阱/n-GaN樣品710，其中在ρ型GaN層714 上具有SiNx掩模712，并且在η型GaN層718上具有Ti/Pt陰極716。InGaN量子阱層720 在P型GaN層714和η型GaN層718之間。樣品710在電解質(例如5Μ KOH電解質)和 光(例如源自1000W Xe燈)的條件下刻蝕，該光被過濾(例如使用GaN濾光器)，以僅在 InGaN 720中激發(fā)載流子。圖7 (d)是圖7(c)中的樣品710在刻蝕之后的頂部表面的光學 顯微鏡圖像，其示出了 P-GaN 714被刻蝕(虛線橢圓724內的p_GaN 714的表面722)。與 圖7 (b)中虛線橢圓728內的(p-GaN 704的)較亮的彩色表面7 (其表示p_GaN704沒有 刻蝕)相比，圖7(d)中較暗的彩色表面722表示p-GaN 714的刻蝕。另外，使用過濾光，僅 InGaN樣品710被刻蝕，然而，使用未過濾光(在GaN 704、708、714和718中生成載流子)， InGaN樣品710以降低的速率刻蝕。圖1、圖2(a)、圖2(b)和圖7(c)圖示說明了用于異質結構200、710的ρ型層714 的PEC刻蝕的裝置的各種示例，其包括光源100 ；以及用于將異質結構200、710沉浸在電解 質溶液108中的容器112(或者在ρ型層216的表面220上提供電解質218的其他裝置，或 者允許表面220與電解質218 —起參與刻蝕反應的其他裝置)，其中異質結構200、710由 在ρ型層216,714和η型層210,718之間的本征層204,720組成，異質結構200,710例如 被摻雜以生成內部偏壓或內部場232，本征層204、720吸收從光源發(fā)出的光202，從而生成 電子206和空穴212，并且電子206由內部偏壓或內部場232驅動到η型層210、718內，以 便由設置在η型層718上的陰極716提取，并且空穴212由內部偏壓或內部場232驅動到 P型層216、714的表面220、722，從而與電解質溶液218 —起參與在ρ型層216、714的表面 220、722上的刻蝕反應。工藝步驟圖8是圖示說明用于刻蝕器件結構(例如如圖2(a)和2(b)以及圖7(a)到7(d)) 中的P型半導體層的方法的流程圖。該方法可以包括下面的步驟中的一個或多個
方框800表示提供或生成具有內部電場232的器件結構(例如在圖2(a)和2 (b) 中示出的器件結構200)，由此為空穴212提供驅動力，其中內部電場232或驅動力可以用 來將空穴212驅動到、帶到或席卷到由該刻蝕工藝要刻蝕的ρ型層216的表面(或位置)， 或將空穴212朝著由該刻蝕工藝要刻蝕的ρ型層216的表面(或位置)驅動、帶領或席卷。 典型地，P型層216是器件結構(例如異質結構200)的一部分。接著，異質結構200可以 在異質結構200內提供驅動力，其源自內部電場232或在內部產生的偏壓。異質結構可以 包括例如位于P型層216和η型層210、LED器件結構或晶體管結構之間的本征層204(例 如量子阱區(qū)域)。本征層204和量子阱230可以是例如LED的發(fā)光有源區(qū)域。該方法可以包括摻雜器件結構或將應變引入到該器件結構中，從而生成內部電 場，其將空穴驅動到要刻蝕的器件結構的位置。然而，典型地，內部電場不是由耗盡場產生 的。方框802表示在器件結構的分離區(qū)域而不是要刻蝕的ρ型層的表面(例如亞表 面，或在器件結構內并且遠離該表面)中生成/產生載流子(電子和空穴，或電子-空穴 對)。該產生可以是用源自光源的光來光生電子空穴對，并且選擇光的頻率，使得光僅在或 主要在該器件結構的分離區(qū)域(內部電場位于這里)中被吸收。在一個實施例中，該分離 區(qū)域是吸收從光源發(fā)射的光從而產生電子和空穴的本征層，并且該光源被選擇為發(fā)射僅在 本征區(qū)域(例如量子阱區(qū)域)中被吸收的光。例如，如果器件異質結構是包括η型層、P型 層和量子阱有源區(qū)域(其是位于異質結構的η型層和ρ型層之間的分離區(qū)域)的LED，則可 以通過從光源發(fā)射僅在LED的量子阱區(qū)域中被吸收的光來生成載流子，由此光生成電子和 空穴。方框804表示使用內部場或自然場來將空穴移動到要刻蝕的器件的表面。例如， 該結構的摻雜提供將方框802的光生電子和空穴在空間上分離的內部電場或偏壓，使得光 生電子被拉入到該器件結構的η型層內(這里它們可以通過陰極逃逸)，并且光生空穴被拉 入到P型保護層內(這里它們到達要刻蝕的器件結構的P型層表面)。通過異質結構/內 部場的合適設計，該內部場可以用來將載流子帶到促進刻蝕的任何地方(例如將空穴帶到 要刻蝕的位置，并且使電子遠離該位置)。方框806表示使用該器件結構的內部電場來刻蝕(例如濕法刻蝕)P型層，例如通 過允許到達表面的光生空穴與電解質一起參與刻蝕反應。典型地，電解質充分堿性以執(zhí)行刻蝕。可以在室溫下在電解質中刻蝕P型層。例 如，可以在比P型層的純化學濕法刻蝕(即沒有PEC刻蝕)中使用的溫度低的溫度下，或 在比使用外部偏壓的P型層的刻蝕中使用的溫度低的溫度下，在電解質中進行P型層的刻 蝕。例如，該刻蝕可以在 300Κ或25°C。典型地，GaN的濕法刻蝕發(fā)生在高得多的溫度， 160 "C。本發(fā)明允許基本沒有為了刻蝕ρ型層而施加到ρ型層/異質結構的外部偏壓。然 而，本發(fā)明也包括使用外部場。在此情況下，與為了刻蝕P型層而施加到該器件結構的外部 偏壓產生的電場相比，內部電場典型地更強，由此將空穴更快帶到P型半導體層的表面。內部電場使得能夠以至少與η型半導體材料層的刻蝕速率可比擬的刻蝕速率來 刻蝕P型半導體層。例如，該刻蝕速率可以為每分鐘至少2. 8nm,外部偏壓可以低于2V，并 且該刻蝕可以產生至少與η型半導體層在基本相似條件下刻蝕的表面粗糙度一樣平滑的ρ型層的表面粗糙度。本發(fā)明可以刻蝕具有各種(Al、h、Ga、B)N成分的ρ型III族氮化物材料。例如， P型層可以是GaN層，并且刻蝕的P型層的表面可以是GaN層的Ga-面。然而，本發(fā)明不限 于III族氮化物或任何特定的材料成分?？梢钥涛gP型層，以獲得不是晶面的表面，和/或 在P型層中刻蝕一個或多個各向異性的溝道。此外，可以以帶隙選擇性、缺陷選擇性或帶隙 選擇性和缺陷選擇性兩者刻蝕P型材料。可以在例如室溫下執(zhí)行方框800-806中的一個或多個步驟，然而，本發(fā)明不限于 特定的溫度。方框808表示該方法的最終結果，即所制造的器件結構，例如LED結構、激光器結 構或晶體管結構。例如，該器件可以包括圖7(a)_7(d)中所示的結構(例如具有不同(Al、 In、Ga、B)N成分的層的III族氮化物結構)，其包括具有刻蝕表面722的ρ型半導體714， 其中與由離子輔助等離子體刻蝕或干法刻蝕來刻蝕的P型半導體相比，由PEC刻蝕來刻蝕 的P型半導體714的損傷較低。PEC刻蝕不應該向材料中引入任何缺陷。然而，存在僅由生 長帶來的缺陷，所以本發(fā)明的方法用該方法完全不增加缺陷密度。如果期望，可以實現不是ρ型半導體714的晶面的ρ型半導體714的刻蝕表面722， 和/或在P型半導體714中實現一個或多個各向異性的溝道。也可以實現具有與η型半導體的刻蝕表面可比擬的平滑度或粗糙度的刻蝕表面 400。在自頂向下刻蝕ρ型表面而沒有任何種類的刻蝕停止層的情況下，該刻蝕應剛好與用 相似方法刻蝕η型GaN時一樣平滑。在使用刻蝕_停止層(即在p_GaN下面的未摻雜層或 η型層)來停止該刻蝕(如在圖4中)的情況下，得到的ρ型表面將剛好與原生的刻蝕停止 層一樣平滑(似乎從未在那里生長過P型)?？梢酝ㄟ^不同的量來刻蝕不同帶隙和具有不同缺陷水平的材料?？赡艿男薷暮妥兓c干法刻蝕相比，使用PEC刻蝕的主要優(yōu)點是消除離子損傷。與離子輔助的等離 子體刻蝕技術相比，該工藝的濕法刻蝕本質提供迅速、低損傷刻蝕的能力。另外，因為PEC 刻蝕的帶隙和缺陷選擇性本質，它可以用來構建不可能用任何其他技術構建的器件幾何尺 寸。通過PEC濕法刻蝕工藝刻蝕ρ型半導體材料的能力使需要P型材料刻蝕的許多器 件制造工藝成為可能。另外，PEC刻蝕提供超過傳統(tǒng)刻蝕技術的許多優(yōu)點，例如形成深入、 各向異性的溝道的能力、帶隙選擇性和缺陷選擇性。需要ρ型層的刻蝕并且符合上面陳述的標準的任何半導體器件都可以使用PEC刻 蝕。例如，大多數III-N光學器件需要某些形式的刻蝕，并且PEC刻蝕提供不向材料引入離 子損傷的優(yōu)點。其他電解質(包括酸)也是可以的。優(yōu)點和改善與干法刻蝕相比，使用PEC刻蝕的重要益處是去除離子損傷。該技術將改善對離 子損傷特別敏感的任何器件的性能，例如電子或光學器件。另外，PEC刻蝕允許的選擇性也 可以導致全新的器件或制造工藝的開發(fā)。其他益處是用于刻蝕的該方法比標準干法刻蝕工 具廉價得多。
與上面討論的ρ型半導體的PEC刻蝕的其他技術相比，本發(fā)明的技術提供若干優(yōu)點。
(1)它工作在室溫，并且不需要額外偏壓。(2)可以實現非常平滑的刻蝕表面，盡管本發(fā)明不限于特定的表面質量(也 可以實現粗糙表面，參見例如 Adele Tamboli, Evelyn L. Hu、Steven P. DenBaars 和 Shuj i Nakamura 于與此相同日期提交的、題為 “PH0T0ELECTR0CHEMICAL ROUGHING OF Ga-FACE，P-SIDE-UP GaN-BASED LIGHT EMITTING DIODES” 的美國實用新型申請 No. xx/ xxx，xxx(代理人案號 30794. 271-US-Ul (2008-535))，該申請依據 35U. S. C § 119(e)主 張 Adele Tamboli> Evelyn L. Hu> StevenP. DenBaars 禾口 Shuji Nakamura 于 2008 年 5 月 12 日提交的、題為 “PH0T0ELECTR0CHEMICAL ROUGHENING OF Ga-FACE, P-SIDE-UP GaN-BASED LIGHT EMITTING DIODES” 的美國臨時申請 No. 61/052，417 (代理人案號 30794. 271-US-P1 (2008-535))的權益，這些申請通過引用合并到此)。可以確定是否實現 平滑或粗糙表面的因素是所使用的材料。典型地，缺陷以及由于使用半極化GaN的C-平面 或某些取向而造成的結晶刻蝕導致粗糙表面，而無極性或低缺陷密度材料典型地產生平滑 表面?；谶x擇哪一種電解質、其濃度、照明強度以及是否在刻蝕期間攪拌溶液，存在一些 可調整性。對于粗糙表面，可以使用濃縮的KOH作為電解質，伴隨較低的照明強度并且不攪 拌。同樣，在到達任何刻蝕-停止層之前停止刻蝕將確保不使表面平滑。(3)異質結構的刻蝕是可能的且簡單的。(4)實驗設置簡單且不昂貴。(5)可以使用該技術刻蝕Ga-面GaN。一些現有技術經由金屬接觸施加外部偏壓，使得外部偏壓將表面能量拉低，直到 空穴低于要刻蝕的表面。然而，在該技術中，金屬接觸覆蓋器件表面的大部分，這是不期望 的。其他技術使用高能光源來使空穴去往要刻蝕的表面的小區(qū)域，但是該方法不高 效，并且同樣昂貴。另一技術周期性地發(fā)光(開啟和關閉)，從而生成載流子并且允許載流子有時間 弛豫。在本發(fā)明中，周期性地發(fā)光不是必需的。與本發(fā)明不同，現有技術中沒有一種考慮使用器件的內部結構來刻蝕ρ型材料。 另外，與本發(fā)明不同，現有技術中沒有一種考慮光生成電子和空穴的光的正確頻率以采用 促進P型層刻蝕的異質結構中的內部場的優(yōu)點。在全部參考[1-8]中(除了 [5])，使用的ρ型樣品僅是ρ型層(無η型層)或是 ρ-η同質結。這些樣品中沒有一個具有低帶隙層。因此，在低帶隙層中沒有過剩的空穴生 成。所以，雖然這些參考[1-8]可能具有內建場，但是載流子的生成在表面而不是在低帶隙 埋層中發(fā)生。在[5]中，他們使用純化學方法而不是PEC來刻蝕缺陷，所以他們的技術與本 發(fā)明不可以比較。關于本發(fā)明的進一步的信息可以在[9]中找到。參考文獻下面的參考文獻通過引用合并到此。[1]Borton et al,“Bias—assisted photoelectrochemical etching of p—GaNat300K”，Applied Physics Letters,Vol.77 (8)p.1227(2000) [2]Yang et al. ,"Photoenhanced electrochemical etching for ρ-GaN", Electronics Letter 36，No. 1，p.88Q000)。[3]Hwang et al. ,"Efficient wet etching of GaN and ρ-GaN assistedwith chopped UV source，，，Superlattices and Microstructures 35, p. 45 (2004)。[4] Stocker et al. , "Crystal lographic wet chemical etching of p-typeGaN，，，Journal of the electrochemical Society 147 (2), p. 763 (2000)。[5] Na et al. ,"Selective wet etching of p-GaN for efficient GaN-basedlight emitting diodes，，，IEEE Photonics Technology Letters 18, No. 14, p. 1512(2006)。[6]Podlesnik et al. ,"Deep ultraviolet induced wet etching of GaAs Applied Physics Letters 45(5)，p.563 (1984)。[7] J. Van de Ven 禾口 H. J. P. Nabben，‘‘ Photo—assi sted etching of p-typesemi conductorsJournal Electrochemical Society, Vol. 138, No. 11, p. 3401(1991)。[8]Fujii et al.，App 1. Phys. Lett. 84(2004)。[9]Adele C. Tamboli> Asako Hirai> Shuji Nakamura、StevenP. DenBaars 禾口 Evelyn L.Hu,"Photoelectrochemical etching ofp-type GaNheterostructures", Applied Physics Letters 94, ρ 151113(2009) [10] Adele C. Tambol i , Kelly C · Mc Gr ο d dy 禾口 E ν e 1 y η L. Hu, "Photoelectrochemical roughening of p-type GaN for light extractionfrom GaN/ InGaN light emit diodes”，physica status solidi，2008 年 10 月 27 日?？偨Y這里總結了本發(fā)明的優(yōu)選實施例的描述。本發(fā)明的一個或多個實施例的前述描述 是出于說明和描述的目的而給出的。其并非意在詳盡或將本發(fā)明限于所公開的精確形式。 根據上面的教導，許多修改和變化是可能的。其意在本發(fā)明的范圍并非由該詳細描述所限 制，而是由隨附的權利要求所限制。
權利要求
1.一種用于刻蝕器件結構中Ρ型半導體層的方法，包括使用所述器件結構的內部電場來刻蝕所述P型層。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述內部電場將空穴驅動到被刻蝕的所述P型層 的表面。
3.根據權利要求1所述的方法，還包括在所述器件結構的分離區(qū)域中而不是在被刻蝕 的所述P型層的表面產生電子-空穴對，其中所述內部電場提供驅動力，用于空穴向所述P 型層的所述表面而不是體內移動。
4.根據權利要求3所述的方法，還包括用來自光源的光來光生成所述電子空穴對，并 且選擇所述光的頻率，使得所述光僅在所述內部電場位于其中的所述器件結構的分離區(qū)域 中被吸收。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述器件結構是異質結構，并且所述內部電場在 所述異質結構里面內部產生。
6.根據權利要求1所述的方法，其中基本沒有外部偏壓施加到所述P型層以便刻蝕所 述P型層。
7.根據權利要求1所述的方法，其中與由被施加到所述器件結構以便刻蝕所述P型層 的外部偏壓產生的電場相比，所述內部電場更強，由此將空穴更快帶到所述P型層的表面。
8.根據權利要求1所述的方法，其中所述內部電場使得能夠以至少與η型層的刻蝕速 率可比擬的速率來刻蝕所述P型層。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述刻蝕速率為每分鐘至少2.8nm,外部偏壓低于 2V，并且所述刻蝕產生至少與在基本相似條件下刻蝕的η型層的表面粗糙度一樣平滑的所 述P型層的表面粗糙度。
10.根據權利要求1所述的方法，還包括在室溫下，在電解質中刻蝕所述ρ型層。
11.根據權利要求1所述的方法，還包括在比所述P型層的化學濕法刻蝕中使用的溫度 低的溫度下，或者在比使用外部偏壓的所述P型層的刻蝕中使用的溫度低的溫度下，在電 解質中刻蝕所述P型層。
12.根據權利要求1所述的方法，還包括刻蝕所述ρ型層，從而獲得不是晶面的表面。
13.根據權利要求1所述的方法，還包括在所述ρ型層中刻蝕一個或多個各向異性的溝道。
14.根據權利要求1所述的方法，還包括以帶隙選擇性、缺陷選擇性或帶隙選擇性和缺 陷選擇性兩者刻蝕所述P型層。
15.根據權利要求1所述的方法，其中所述刻蝕是濕法刻蝕。
16.根據權利要求1所述的方法，其中所述刻蝕是光電化學即PEC刻蝕。
17.根據權利要求1所述的方法，還包括對所述器件結構進行摻雜以生成所述內部電 場，所述內部電場將空穴驅動到被刻蝕的所述器件結構的位置。
18.根據權利要求1所述的方法，還包括將應變引入到所述器件結構以生成所述內部 電場，所述內部電場將空穴驅動到被刻蝕的所述器件結構的位置。
19.一種異質結構，包括(a)具有刻蝕表面的ρ型半導體，其中與通過離子輔助等離子體刻蝕或干法刻蝕來刻 蝕的P型半導體相比，通過光電化學刻蝕來刻蝕的所述P型半導體的損傷較低。
20.根據權利要求19所述的異質結構，其中所述刻蝕表面不是所述ρ型半導體的晶面。
21.根據權利要求19所述的異質結構，還包括所述ρ型半導體中的一個或多個各向異 性的溝道。
22.根據權利要求19所述的異質結構，其中所述刻蝕表面具有與η型半導體的刻蝕表 面可比擬的平滑度或粗糙度。
23.根據權利要求19所述的異質結構，其中所述PEC刻蝕不向所述ρ型半導體引入任 何損傷。
全文摘要
一種用于P型半導體層的簡單且有效的光電化學刻蝕(PEC)方法，該方法通過提供驅動力使空穴向要刻蝕的P型保護層的表面移動，其中該P型保護層在異質結構上，并且該異質結構提供源自該異質結構中內部產生的內部偏壓的驅動力；在該異質結構的分離區(qū)域中而不是要刻蝕的表面生成電子-空穴對；以及使用刻蝕劑溶液來刻蝕該P型層的表面。
文檔編號H01L21/302GK102089864SQ200980127286
公開日2011年6月8日 申請日期2009年5月12日 優(yōu)先權日2008年5月12日
發(fā)明者A·塔姆鮑利, E·L·胡, M·C·蘇米德特, S·P·德恩巴阿斯, S·納卡姆拉 申請人:加利福尼亞大學董事會