專利名稱：一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氮化鎵半導(dǎo)體器件外延領(lǐng)域，尤其涉及圖形襯底上生長(zhǎng)具有微孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物層及其外延技術(shù)。
背景技術(shù)：
氮化物材料體系材料因其帶隙覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光范圍，用其制備的發(fā)光二極管等光電器件，被廣泛應(yīng)用于固態(tài)顯示、照明和信號(hào)燈等領(lǐng)域。因?yàn)榈锊牧暇哂袩o(wú)毒、亮度高、工作電壓低、易小型化等諸多優(yōu)點(diǎn)，使用氮化鎵基發(fā)光二極作為光源替代傳統(tǒng)光源已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。然而要實(shí)現(xiàn)更高發(fā)光效率的氮化物發(fā)光器件，需要解決的關(guān)鍵之一是如何提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率和取光效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是:結(jié)合圖形化襯底，提供一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物層及其制備方法，其可應(yīng)用于氮化鎵基發(fā)光二極管，提升取光效率。根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層的制備方法，包括步驟:1)提供一圖形襯底，其具有不同生長(zhǎng)速率的晶面；2)在所述圖形襯底上形成氮化物成核層；3)采用準(zhǔn)二維生長(zhǎng)條件，在所述成核層上形成第一氮化物層；4)采用三維生長(zhǎng)條件，在所述第一氮化物層上形成第二氮化物層，其與所述襯底之間具有空隙；5)采用二維生長(zhǎng)條件，在所述三維氮化鎵層上繼續(xù)生長(zhǎng)第三氮化物層，在所述空隙上方合攏成一無(wú)裂縫平面，從而在氮化物底層形成孔洞結(jié)構(gòu)；其中準(zhǔn)二維生長(zhǎng)條件是指橫、縱向生長(zhǎng)速率之比介于二維生長(zhǎng)和三維生長(zhǎng)條件之間。在上述方法中，采用介于三維和二維生長(zhǎng)之間的準(zhǔn)二維條件生長(zhǎng)的第一氮化物層，其不會(huì)形成高密度層錯(cuò)區(qū)域，相反地可以為后續(xù)三維生長(zhǎng)提供小島，結(jié)合圖形襯底能夠在后續(xù)生長(zhǎng)中實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)轉(zhuǎn)彎 和降低位錯(cuò)密度的目的。同時(shí)在后期器件制作過(guò)程中該第一氮化物層可防止不同腐蝕液對(duì)襯底或外延層的側(cè)蝕效應(yīng)。進(jìn)一步地，產(chǎn)生的孔洞尺寸在亞微米量級(jí)，形成于氮化物底層，并圍繞襯底的圖形周圍、呈不連續(xù)、不具備嚴(yán)格周期性的分布，防止孔洞尺寸過(guò)大對(duì)器件外觀和抗壓性穩(wěn)定性的影響，也避免了后續(xù)器件工藝制備的復(fù)雜性。在一些實(shí)施例中，所述襯底的圖形包括一系列凸起部，其為圓臺(tái)、棱臺(tái)、圓錐、棱錐或其組合。優(yōu)選的，所述凸起部頂部為平臺(tái)形狀，其頂部晶面與非凸起部區(qū)域的晶面夾角小于5°。所述圖形襯底的各區(qū)域生長(zhǎng)速率的關(guān)系為:非凸起部區(qū)域>凸起部頂部區(qū)域>凸起部側(cè)壁區(qū)域。在步驟2)中，所述第一氮化物層主要形成于所述非凸起部區(qū)域。進(jìn)一步地，所述凸起部的間隙優(yōu)選大于0.01 μ m,高度大于或等于0.5 μ m。在一些實(shí)施例中，所述襯底的圖形包括一系列凹陷部，其為倒梯形結(jié)構(gòu)，具有傾斜的側(cè)壁，其中側(cè)壁的晶片生長(zhǎng)速度低于底部的晶面。在步驟3)中，在所述凹陷部的底部依次準(zhǔn)二維生長(zhǎng)所述第一氮化物層，三維生長(zhǎng)所述第二氮化物層，二維生長(zhǎng)所述第三氮化物層。其中，所述凹陷部的間隙優(yōu)選大于0.0l μ m，深度大于或等于0.5，直徑介于0.5^8 μ m。上述方法中，通過(guò)控制所述第一氮化物層和第二氮化物層的厚度可調(diào)節(jié)所述孔洞結(jié)構(gòu)的尺寸，第一氮化物層厚度值越大，所述孔洞尺寸越小。優(yōu)選地，形成的第一、第二氮化物層的總厚度與所述襯底圖形的高度相當(dāng)，差值不超過(guò)0.5 μ m。在一些實(shí)施例中，步驟3)形成的第一氮化物層的厚度為0.Γ1.5 μ m ;步驟4)形成的第二氮化物層的厚度為小于2μπι;步驟5)形成的孔洞結(jié)構(gòu)圍繞襯底的圖形四周分布，其直徑為l(Tl000nm。上述方法中，所述準(zhǔn)二維生長(zhǎng)條件的生長(zhǎng)速率優(yōu)選不高于三維和二維生長(zhǎng)條件的生長(zhǎng)速率。在一些實(shí)施例中，所述三維生長(zhǎng)條件的生長(zhǎng)速率大于準(zhǔn)二維生長(zhǎng)條件的生長(zhǎng)速率。在一些實(shí)施例中，所述三維生長(zhǎng)條件的生長(zhǎng)溫度高于準(zhǔn)二維生長(zhǎng)條件1(T50°C。在一些實(shí)施例中，所述三維生長(zhǎng)條件的反應(yīng)室壓力比準(zhǔn)二維生長(zhǎng)條件高20(T300mbar。在一些實(shí)施例中，所述二維生長(zhǎng)條件生長(zhǎng)溫度高于三維生長(zhǎng)條件2(T10(TC。在一些實(shí)施例中，所述二維生長(zhǎng)條件的生長(zhǎng)速率介于三維生長(zhǎng)條件的一倍與兩倍之間。在一些實(shí)施例中，所述二維生長(zhǎng)模式的V/III比值低于三維生長(zhǎng)條件的2倍。根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層，包括:圖形襯底，其具有不同生長(zhǎng)速率的晶面；氮化物成核層，形成于圖形襯底之上；準(zhǔn)二維生長(zhǎng)的第一氮化物層，形成于所述成核層之上；三維生長(zhǎng)的第二氮化物層，形成于所述第一氮化物層上，與襯底之間具有空隙；二維生長(zhǎng)的第三氮化物層，形成于所述第二氮化物層之上并在空隙上方合攏成一無(wú)裂縫平面，從而在氮化物底層形成孔洞結(jié)構(gòu)；所述準(zhǔn)二維生長(zhǎng)是指橫、縱向生長(zhǎng)速率之比介于二維生長(zhǎng)和三維生長(zhǎng)條件之間。在一些實(shí)施例中，所述襯底的圖形包括一系列凸起部，其為圓臺(tái)、棱臺(tái)、圓錐、棱錐或其組合。優(yōu)選的，所述凸起部的間隙優(yōu)選大于0.01 μ m,高度大于或等于0.5 μ m。在一些實(shí)施例中，所述襯底的圖形包括一系列凹陷部，其為倒梯形結(jié)構(gòu)，具有傾斜的側(cè)壁。

在上述結(jié)構(gòu)中，通過(guò)控制所述第一氮化物層和第二氮化物層的厚度可調(diào)節(jié)所述孔洞結(jié)構(gòu)的尺寸，第一氮化物層厚度值越大，所述孔洞尺寸越小。優(yōu)選地，形成的第一、第二氮化物層的總厚度與所述襯底圖形的高度相當(dāng)，差值不超過(guò)0.5 μ m。在一些實(shí)施例中，第一氮化物層的厚度為0.Γ1.5 μ m ;第二氮化物層的厚度為小于2 μ m ;孔洞結(jié)構(gòu)圍繞襯底的圖形四周分布，其直徑為l(Tl000nm。根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)方面，一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層，包括:圖形襯底，其圖形為分布在表面上的一系列凸起部或凹陷部；氮化物成核層，形成于圖形襯底之上；氮化物疊層，形成于所述成核層之上；一系列相互隔離的孔洞結(jié)構(gòu)，形成于所述氮化物疊層與所述襯底之間，其尺寸為亞微米級(jí)，圍繞所述凸起部或凹陷部的四周分布，防止孔洞尺寸過(guò)大對(duì)器件外觀和抗壓性穩(wěn)定性的影響。在上述結(jié)構(gòu)中，亞微米尺寸孔洞位于氮化物層材料體內(nèi)，避免了對(duì)器件外觀、接觸電極制備的影響。所述孔洞的直徑為l(Tl000nm。在一些實(shí)施例中，所述凸起部或凹陷部為塊狀分布，其間隙大于0.01 μ m，尺寸為0.5 8 μ m。在一些實(shí)施例中，所述襯底的圖形為凸起部。較佳的，所述凸起部頂部為平臺(tái)形狀，其頂部晶面與非凸起部區(qū)域的晶面夾角小于5°。
在一些實(shí)施例中，所述襯底的圖形為凹陷部，其為倒梯形結(jié)構(gòu)，具有傾斜的側(cè)壁，其中側(cè)壁的晶片生長(zhǎng)速度低于底部的晶面。在一些實(shí)施例中，所述氮化物疊層包括:第一氮化物層，采用準(zhǔn)二維生長(zhǎng)條件形成于所述成核層之上；第二氮化物層，采用三維生長(zhǎng)條件形成于所述第一氮化物層之上，與襯底之間具有空隙；第三氮化物層，采用二維生長(zhǎng)條件形成于所述第二氮化物層之上并在空隙上方合攏成一無(wú)裂縫平面，從而在氮化物底層形成一系列相互隔離的孔洞結(jié)構(gòu)；其中，所述準(zhǔn)二維生長(zhǎng)條件是指橫、縱向生長(zhǎng)速率之比介于二維生長(zhǎng)和三維生長(zhǎng)條件之間。較佳的，所述第一氮化物層和第二氮化層的總厚度與所述襯底圖形的高度相當(dāng)，差值不超過(guò)
0.5 μ m0在一些實(shí)施例中，所述每個(gè)凸起部或凹陷部的四周分布有一個(gè)環(huán)狀孔洞。在一些實(shí)施例中，所述每個(gè)凸起部或凹陷部的四周分布有一系列離散的小孔洞。根據(jù)本發(fā)明的第四個(gè)方面，一種氮化物半導(dǎo)體光電器件，包括:圖形襯底；氮化物成核層，形成于圖形襯底之上；氮化物疊層，形成于所述成核層之上；一系列相互隔離的孔洞結(jié)構(gòu)，形成于所述氮化物疊層與所述襯底之間，其尺寸為亞微米級(jí)，圍繞所述凸起部或凹陷部的四周分布；形成于所述氮化物疊層之上的發(fā)光外延層，包括η型半導(dǎo)體層、發(fā)光層和P型半導(dǎo)體層。在上述結(jié)構(gòu)中，一方面，亞微米級(jí)尺寸的孔洞結(jié)構(gòu)位于氮化物層材料體內(nèi)，避免了對(duì)器件外觀、接觸電極制備的影響；另一方面，結(jié)合了圖形化襯底提升材料質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)，使制備的發(fā)光二極管具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率。需要說(shuō)明的是，在本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)及說(shuō)明書(shū)提及的關(guān)于襯底圖形的間隙，一般是指相鄰的兩個(gè)圖形(如兩個(gè)凸起部)邊緣最近的間距。本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說(shuō)明書(shū)中闡述，并且，部分地從說(shuō)明書(shū)中變得顯而易見(jiàn)，或者通過(guò)實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)在說(shuō)明書(shū)、權(quán)利要求書(shū)以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。


附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。此外，附圖數(shù)據(jù)是描述概要，不是按比例繪制。圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層的制作流程圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)氮化物底層結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是實(shí)施例1提供的圖形化襯底的掃描電子顯微鏡圖譜。圖4是實(shí)施例1中采用三維條件生長(zhǎng)完氮化鎵層后三維原子力顯微鏡圖譜。圖5是實(shí)施例1氮化物底層中孔洞結(jié)構(gòu)的截面掃描電子顯微鏡圖譜。圖6是采用實(shí)施例1所提供的具有孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層制備形成的發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是實(shí)施例1之氮化物底層結(jié)構(gòu)內(nèi)的孔洞結(jié)構(gòu)的分布示意圖。圖8是實(shí)施例2之氮化物底層結(jié)構(gòu)內(nèi)的孔洞結(jié)構(gòu)的分布示意圖。
圖中各附圖標(biāo)記的含義為:
001:圖形化襯底；002:襯底圖形；003:襯底的非凸起部區(qū)域；100:氮化物底層；101:成核層；102:第一氮化物層(準(zhǔn)二維層)；103:第二氮化物層(三維層)；104:第三氮化物層(二維層)；105:孔洞結(jié)構(gòu)；201:n型半導(dǎo)體層；203:發(fā)光層；204:p型半導(dǎo)體層；301:空隙。
具體實(shí)施例方式氮化物發(fā)光器件中有源區(qū)發(fā)出的光主要從P型或者η型區(qū)出射，但由于氮化鎵折射率約為2.45，與空氣之間的折射率差異較大，使光的萃取效率很低。目前采取的改善取光效率的方法主要有:圖形襯底、透明襯底、布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)、表面微結(jié)構(gòu)、倒裝芯片、芯片鍵合、激光剝離技術(shù)等。盡管通過(guò)制作表面微結(jié)構(gòu)、背面鍍膜反射鏡、鍵合工藝等制備方法能夠從一定程度上增加取光效率，但會(huì)帶來(lái)接觸電極制作困難、增加工藝制作復(fù)雜性等不利因素。采用圖形襯底是提升取光效率比較成功的方案之一，不僅可通過(guò)側(cè)向外延技術(shù)降低材料的位錯(cuò)密度，增加有源區(qū)的內(nèi)量子效率，并且能增加光線在氮化鎵和襯底之間的反射幾率，增加正面出光型半導(dǎo)體發(fā)光器件的外量子效率和光電轉(zhuǎn)換效率。下面各實(shí)施 例結(jié)合圖形化襯底，提供一種能提升氮化鎵發(fā)光二極管取光效率的微孔洞結(jié)構(gòu)氮化物底層及其制備方法。附圖1簡(jiǎn)單示意了一種具有埋入式微孔洞結(jié)構(gòu)氮化物底層的制備方法，主要包括步驟:
501:提供一具有不同生長(zhǎng)速率晶面的圖形化襯底；
502:在所述襯底上生長(zhǎng)氮化物成核層；
503:采用準(zhǔn)二維生長(zhǎng)條件外延生長(zhǎng)第一氮化物層；
504:采用三維生長(zhǎng)條件外延生長(zhǎng)第二氮化物層；
505:采用二維生長(zhǎng)條件外延生長(zhǎng)第三氮化物層。具體地，步驟SOl中，圖形化襯底可選用藍(lán)寶石襯底或其他適用于氮化物生長(zhǎng)的材料，如SiC等，形襯底圖形可為分布在襯底表面上的一系列離散的凸起部或凹陷部，各個(gè)凸起部(或凹陷部)的間隙優(yōu)選大于0.01 μ m,高度(或深度)大于或等于0.5 μ m。當(dāng)襯底圖形為凸起部時(shí)，其為圓臺(tái)、棱臺(tái)、圓錐、棱錐或其組合。優(yōu)選地，凸起部頂部為平臺(tái)形狀，其頂部晶面與非凸起部區(qū)域的晶面夾角小于5°，各區(qū)域生長(zhǎng)速率的關(guān)系為:非凸起部區(qū)域>凸起部頂部區(qū)域>凸起部側(cè)壁區(qū)域。當(dāng)所述襯底的圖形為凹陷部時(shí)，所述凹陷部為倒梯形結(jié)構(gòu)，具有傾斜的側(cè)壁，其中側(cè)壁的晶片生長(zhǎng)速度低于底部的晶面。在步驟S03 S05中，可選用氮化鎵、氮化鋁鎵或氮化鋁等氮化物材料。通過(guò)調(diào)整生長(zhǎng)溫度、反應(yīng)室壓力及V/III比值等參數(shù)，從而調(diào)整生長(zhǎng)模式。三種生長(zhǎng)模式的生長(zhǎng)溫度關(guān)系如下:準(zhǔn)二維生長(zhǎng)<三維生長(zhǎng)<二維生長(zhǎng)。三種生長(zhǎng)模式的反應(yīng)室壓力關(guān)系如下:準(zhǔn)二維生長(zhǎng)與二維生長(zhǎng)的反應(yīng)室壓力相當(dāng)，三維生長(zhǎng)反應(yīng)室壓力比準(zhǔn)二維生長(zhǎng)條件高200^300 mbar。三種生長(zhǎng)模式的生長(zhǎng)速率關(guān)系如下:準(zhǔn)二維生長(zhǎng)<三維生長(zhǎng)<二維生長(zhǎng)。為使本發(fā)明之一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物層的制備方法更易于理解其實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)及其所具的實(shí)用性，下面便結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明若干具體實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。但以下關(guān)于實(shí)施例的描述及說(shuō)明對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制。實(shí)施例1
一種具有埋入式微孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物層的制備方法，制備工藝主要包含以下步驟: (I)制備具有不同生長(zhǎng)速率的藍(lán)寶石襯底001。采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)(PECVD)在c面藍(lán)寶石襯底表面淀積SiO2保護(hù)層，并在3102層上涂敷光刻膠，利用光刻技術(shù)在光刻膠上得到需要的圖形；然后在光刻膠的保護(hù)下，利用干法離子刻蝕(ICP)在SiO2保護(hù)層上形成相應(yīng)的圖形；接著在SiO2圖形層的保護(hù)下，于400°C浸潰在體積比3:1的濃硫酸和濃磷酸混合液中加熱腐蝕而得到藍(lán)寶石表面的圖形；利用濕法刻蝕在平面藍(lán)寶石表面制備出圖形002 ;最后采用BOE去除SiO2保護(hù)層，并作表面處理，得到可以進(jìn)行氮化物層生長(zhǎng)的圖形藍(lán)寶石襯底001。圖3顯示了圖形化襯底的掃描電子顯微鏡圖譜。(2)生長(zhǎng)氮化鎵成核層101。將圖形化襯底001放入等金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)室，使圖形藍(lán)寶石襯底轉(zhuǎn)速為60rpm，以三甲基鋁(TMAl)、三甲基鎵(TMGa)和氨氣(NH3)分別為Al源、Ga源和N源，利用N2作為載氣。升溫至300 350°C并保持穩(wěn)定2分鐘，在氫氣環(huán)境下加熱到1170°C，并保持10分鐘以去除表面的雜質(zhì)。然后將襯底溫度降到51(T540°C左右，生長(zhǎng)厚度為25 nm的GaN成核層，采用的TMGa源流量為50 sccm,以N2為載氣，NH3流量為24 L/min,反應(yīng)室壓力為6OO mbar。(3)采用準(zhǔn)二維生長(zhǎng)條件外延生長(zhǎng)氮化鎵層，作為第一氮化物層102。在圖形化襯底001的非凸起部區(qū)域003上采用準(zhǔn)二維生長(zhǎng)條件生長(zhǎng)氮化鎵層。準(zhǔn)二維生長(zhǎng)條件參數(shù)為:反應(yīng)室壓力為200 mbar，襯底溫度96(Tl020°C，三甲基鎵(TMGa)和氨氣(NH3)分別為Ga源和N源，載氣為H2, V/III比為1500，生長(zhǎng)速率為1.2μπιΛ，厚度約為 0.5 μ m。準(zhǔn)二維條件生長(zhǎng)的氮化物層，介于三維和二維生長(zhǎng)之間，不會(huì)形成高密度層錯(cuò)區(qū)域，可為后續(xù)三維生長(zhǎng)提供小島，結(jié)合圖形襯底能夠在后續(xù)生長(zhǎng)中實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)轉(zhuǎn)彎和降低位錯(cuò)密度的目的。(4)采用三維生長(zhǎng)條件外延生長(zhǎng)氮化鎵層，作為第二氮化物層103。在第一氮化物層102上采用三維生長(zhǎng)條件外延生長(zhǎng)氮鎵層。三維生長(zhǎng)條件參數(shù)為:反應(yīng)室壓力為500 mbar，襯底溫度98(Tl040°C，三甲基鎵(TMGa)和氨氣(NH3)分別為Ga源和N源，載氣為H2, V/III比為1200，生長(zhǎng)速率為2.3 “111/11，厚度約為1.3 μ m。圖4顯示了采用三維條件生長(zhǎng)完氮化鎵層后三維原子力顯微鏡圖譜，從圖中可看，在凸起部周圍形成凹坑，其即為與襯底之間的空隙301。高密度位錯(cuò)環(huán)和孔洞區(qū)域產(chǎn)生于三維條件生長(zhǎng)的氮化物層，后期器件制備工藝過(guò)程中的腐蝕液對(duì)可能接觸到的這些區(qū)域具有強(qiáng)烈的選擇性腐蝕。在三維層之前插入準(zhǔn)二維條件生長(zhǎng)的氮化物層能夠?qū)⑷S層與襯底隔開(kāi)，有效防止后期器件工藝制備工程中不同腐蝕液對(duì)襯底和外延層的側(cè)蝕效應(yīng)。(5)采用二維生長(zhǎng)條件外延生長(zhǎng)u型氮化鎵層，作為第三氮化物層104。采用二維生長(zhǎng)條件，在所述三維氮化鎵層上繼續(xù)生長(zhǎng)第三氮化物層，在所述空隙上方合攏成一無(wú)裂縫平面，從而在氮化物底層形成孔洞結(jié)構(gòu)105。二維生長(zhǎng)條件參數(shù)為:反應(yīng)室壓力為200 mbar，襯底溫度104(Tl070°C，三甲基鎵(TMGa)和氨氣(NH3)分別為Ga源和N源，載氣為H2, V/III比為1300，生長(zhǎng)速率為3.0 μ m/h，生長(zhǎng)厚度為2 μ m，形成埋入式微孔洞結(jié)構(gòu)105。圖5顯示了氮化物底層中孔洞結(jié)構(gòu)的截面掃描電子顯微鏡圖譜?？锥唇Y(jié)構(gòu)尺寸小于Ιμπι，圍繞在各個(gè)襯底圖形周圍，孔洞之間相互分離。該特性的優(yōu)點(diǎn)在于，在后期芯片工藝制備中切割道可能正好通過(guò)襯底圖形，會(huì)出現(xiàn)腐蝕液對(duì)這些暴露孔洞的腐蝕，但也能有效防止對(duì)單顆芯粒內(nèi)部孔洞的腐蝕效應(yīng)。圖2顯示了采用前述方法獲得的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)氮化物底層100的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可看出，其結(jié)構(gòu)具體包括圖形化襯底001，成核層101，由第一氮化物層102，第二氮化物層103及第三氮化物層104構(gòu)成的氮化物疊層100。其中，襯底001的圖形002高度約為2.0 μ m，直徑為0.5^8 μ m,每個(gè)凸起部間的間隙一般可取0.01飛μ m，在本實(shí)施例中取0.3 μ m。第一、第二氮化物層的總高度與的圖形002高度相當(dāng)，差值一般不超過(guò)0.5um,在本實(shí)施例總高度約1.8 μ m。通過(guò)控制第一、第二氮化物層的厚度從而調(diào)整孔洞的大小，當(dāng)?shù)谝坏飳拥暮穸仍胶?，其孔洞越小，第一氮化物層的厚度可?.Γ .5μπι0氮化物疊層100疊層的材料可取氮化家、氮化鋁，氮化鋁鎵、氮化銦鎵等。第三氮化物層104可為非摻雜或?yàn)棣切蛽诫s。請(qǐng)參看附圖6，一種氮化物發(fā)光二極管芯片結(jié)構(gòu)，采用前述帶有微孔洞結(jié)構(gòu)105的氮化物底層100制備獲得，包括形成在氮化物底層100上的η型半導(dǎo)體層201、有源層202、P型半導(dǎo)體層203、電流擴(kuò)展層204、η電極205及ρ電極206。在本實(shí)施例中，結(jié)合圖形襯底，采用特殊的外延技術(shù)在圖形化襯底上形成具有孔洞結(jié)構(gòu)的底層，后續(xù)MOCVD或者M(jìn)BE外延生長(zhǎng)氮化鎵基發(fā)光二極管。以圖形化藍(lán)寶石襯底為例，產(chǎn)生的孔洞深埋于氮化物材料內(nèi)部，并形成于藍(lán)寶石圖形襯底圖形周圍。因孔洞內(nèi)氣體的折射率約為1，小于藍(lán)寶石的折射率(1.78)，導(dǎo)致孔洞周圍形成的氮化鎵與氣體界面比藍(lán)寶石襯底與氮化鎵界面折射率差更大，則射向孔洞部分的光將有更大的概率被反射回器件表面出射，從而提高取光效率。進(jìn)一步地，氮化物底層100繼承了圖形襯底具有的提升材料質(zhì)量這一優(yōu)點(diǎn)；產(chǎn)生的孔洞尺寸在亞微米量級(jí)，形成于材料體內(nèi)，防止孔洞尺寸太大對(duì)器件外觀和抗壓穩(wěn)定性的影響，并避免了后續(xù)器件工藝制備的復(fù)雜性。實(shí)施例2
本實(shí)施例區(qū)別于實(shí)施例1在于:襯底的圖形為分布在表面上的一系列凹陷部。具體的，凹陷部為倒梯形結(jié)構(gòu)，具有傾斜的側(cè)壁，其中側(cè)壁的晶片生長(zhǎng)速度低于底部的晶面。，在所述凹陷部的底部依次準(zhǔn)二維生長(zhǎng)所述第一氮化物層，三維生長(zhǎng)所述第二氮化物層，二維生長(zhǎng)所述第三氮化物層。其中，所述凹陷部的間隙優(yōu)選0.0Γ5 μ m,深度大于或等于0.5 μ m，直徑為0.5^8 μ m。實(shí)施例3
本實(shí)施例區(qū)別于實(shí)施例1在于:請(qǐng)參看附圖7和8，在實(shí)施例1中，每個(gè)凸起部002的四周分布有一系列不連續(xù)、不具備嚴(yán)格周期性的小孔洞105，而在本實(shí)施例中，每個(gè)凸起部002的四周分布有一個(gè)基本為環(huán)狀的孔洞105。當(dāng)實(shí)施例1中的小孔洞尺寸變大，直至相互連接，便形成環(huán)狀孔洞。與不連續(xù)孔洞相比，環(huán)狀孔洞能夠進(jìn)一步增加器件內(nèi)部光線的反射幾率，提升取光效率。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提 下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層的制備方法，包括步驟: 提供一圖形襯底，其具有不同生長(zhǎng)速率的晶面； 在所述圖形襯底上生長(zhǎng)氮化物成核層； 采用準(zhǔn)二維生長(zhǎng)條件，在所述氮化物成核層上形成第一氮化物層； 采用三維生長(zhǎng)條件，在所述第一氮化物層上形成第二氮化物層，其與所述襯底之間具有空隙； 采用二維生長(zhǎng)條件，在所述三維氮化鎵層上繼續(xù)生長(zhǎng)第三氮化物層，在所述空隙上方合攏成一無(wú)裂縫平面，從而在氮化物底層形成孔洞結(jié)構(gòu)； 其中準(zhǔn)二維生長(zhǎng)條件是指橫、縱向生長(zhǎng)速率之比介于二維生長(zhǎng)和三維生長(zhǎng)條件之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層的制備方法，其特征在于:所述第一氮化物層用于防止后期器件制作過(guò)程中不同腐蝕液對(duì)襯底或外延層的側(cè)蝕效應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層的制備方法，其特征在于:通過(guò)控制所述第一氮化物層和第二氮化物層的厚度調(diào)節(jié)所述孔洞結(jié)構(gòu)的尺寸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層的制備方法，其特征在于:所述襯底的圖形包括一系列凸起部，其頂部為平臺(tái)形狀，其頂部晶面與非凸起部區(qū)域的晶面夾角小于5°。
5.根據(jù)權(quán)利 要求4所述的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層的制備方法，其特征在于:所述襯底的凸起部的間隙大于0.0l μ m,其高度大于或等于0.5 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物層的制備方法，其特征在于:所述第一、第二氮化物層的總厚度與所述襯底圖形的高度相當(dāng)，差值不超過(guò)0.5 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層的制備方法，其特征在于:所述三維生長(zhǎng)條件的生長(zhǎng)溫度高于準(zhǔn)二維生長(zhǎng)條件1(T50°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層的制備方法，其特征在于:所述三維生長(zhǎng)條件下反應(yīng)室壓力比準(zhǔn)二維生長(zhǎng)條件高200 300 mbar。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層的制備方法，其特征在于:所述三維生長(zhǎng)條件的生長(zhǎng)速率大于準(zhǔn)二維生長(zhǎng)條件的生長(zhǎng)速率。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層的制備方法，其特征在于:所述二維生長(zhǎng)條件生長(zhǎng)溫度高于三維生長(zhǎng)條件2(noo°c。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層的制備方法，其特征在于:所述二維生長(zhǎng)條件的生長(zhǎng)速率大于三維生長(zhǎng)條件的生長(zhǎng)速率。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層的制備方法，其特征在于:所述二維生長(zhǎng)模式的V/III比值小于三維生長(zhǎng)條件的2倍。
13.一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層，包括: 圖形襯底，其具有不同生長(zhǎng)速率的晶面； 氮化物成核層，形成于所述圖形襯底之上； 準(zhǔn)二維生長(zhǎng)的第一氮化物層，形成于成核層之上； 三維生長(zhǎng)的第二氮化物層，形成于所述第一氮化物層上，與襯底之間具有空隙； 二維生長(zhǎng)的第三氮化物層，形成于所述第二氮化物層之上并在空隙上方合攏成一無(wú)裂縫平面，從而在氮化物底層形成孔洞結(jié)構(gòu)； 所述準(zhǔn)二維生長(zhǎng)是指橫、縱向生長(zhǎng)速率之比介于二維生長(zhǎng)和三維生長(zhǎng)條件之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層，其特征在于:所述第一氮化物層用于防止后期器件制作過(guò)程中不同腐蝕液對(duì)襯底或外延層的側(cè)蝕效應(yīng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層，其特征在于:其特征在于:所述襯底的圖形包括一系列凸起部或凹陷部，所述孔洞結(jié)構(gòu)圍繞所述凸起部或凹陷部的四周分布。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層，其特征在于:所述凸起部或凹陷部的高度大于或等于0.5 μ m，間隙大于0.0l μ m。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層，其特征在于:所述孔洞的直徑為l(Tl000nm。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層，其特征在于:所述第一氮化物層的厚度為0.Γ1.5 μ m,所述第二氮化鎵層的厚度小于或等于2 μ m。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層，其特征在于:所述第一、第二氮化物層的總厚度與所述襯底圖形的高度相當(dāng)，差值不超過(guò)0.5 μ m。
20.一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層，包括: 圖形襯底，其圖形為分布在表面上的一系列凸起部或凹陷部； 氮化物成核層，形成于所述圖形襯底之上； 氮化物疊層，形成于所述成核層之上； 一系列相互隔離的孔洞結(jié)構(gòu)，形成于所述氮化物疊層與所述襯底之間； 其特征在于:所述孔洞結(jié)構(gòu)的尺寸為亞微米級(jí)，圍繞所述凸起部或凹陷部的四周分布，防止孔洞尺寸過(guò)大對(duì)器件外觀和抗壓性穩(wěn)定性的影響。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層，其特征在于:所述凸起部或凹陷部為塊狀分布，其間隙為0.0Γ5 μ m,尺寸為0.5^8 μ m。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層，其特征在于:當(dāng)所述襯底的圖形為凸起部時(shí)，所述凸起部頂部為平臺(tái)形狀，其頂部晶面與非凸起部區(qū)域的晶面夾角小于5° ;當(dāng)所述襯底的圖形為凹陷部時(shí)，所述凹陷部為倒梯形結(jié)構(gòu)，具有傾斜的側(cè)壁，其中側(cè)壁的晶片生長(zhǎng)速度低于底部的晶面。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層，其特征在于:所述氮化物疊層包括: 第一氮化物層，采用準(zhǔn)二維生長(zhǎng)條件形成于所述成核層之上； 第二氮化物層，采用三維生長(zhǎng)條件形成于所述第一氮化物層之上，與襯底之間具有空隙； 第三氮化物層，采用二維生長(zhǎng)條件形成于所述第二氮化物層之上并在空隙上方合攏成一無(wú)裂縫平面，從而在氮化物底層形成一系列相互隔離的孔洞結(jié)構(gòu)； 其中，所述準(zhǔn)二維生長(zhǎng)條件是指橫、縱向生長(zhǎng)速率之比介于二維生長(zhǎng)和三維生長(zhǎng)條件之間。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層，其特征在于:所述第一氮化物層和第二氮化層的總厚度與所述襯底圖形的高度相當(dāng)，差值不超過(guò)0.5 μ m。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層，其特征在于:所述孔洞的直徑為l(Tl000nm。
26.根據(jù)權(quán)利要求21所述的一種具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層，其特征在于:所述每個(gè)凸起部或凹陷部的四周分布有一個(gè)環(huán)狀孔洞或一系列離散的小孔洞。
27.—種半導(dǎo)體 光電器件,其特征在于:其包含前述權(quán)利要求13至26中任一項(xiàng)所述的具有埋入式孔洞結(jié)構(gòu)氮化物底層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有埋入式微孔洞結(jié)構(gòu)的氮化物底層，用于外延生長(zhǎng)制備高外量子效率的氮化鎵基發(fā)光二極管，同時(shí)揭示一種形成埋入式微孔洞結(jié)構(gòu)底層的制備方法。具體步驟包括1)制備具有不同生長(zhǎng)速率晶面的圖形襯底；2)在所述襯底上采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)(MOCVD)或者分子束外延技術(shù)(MBE)生長(zhǎng)氮化物成核層；3)采用所述沉積技術(shù)在準(zhǔn)二維生長(zhǎng)條件下外延生長(zhǎng)氮化物層；4)采用三維外延生長(zhǎng)條件，外延生長(zhǎng)三維氮化物層；5)采用二維生長(zhǎng)條件外延生長(zhǎng)氮化鎵層。本發(fā)明避免了為形成孔洞結(jié)構(gòu)而需要采用的復(fù)雜芯片工藝，解決了采用芯片工藝對(duì)芯片可靠性的影響，有效減小孔洞結(jié)構(gòu)的尺寸，增加器件穩(wěn)定性和抗壓可靠性。
文檔編號(hào)H01L33/10GK103165771SQ20131010286
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月28日
發(fā)明者張東炎, 張潔, 杜偉華, 劉曉峰, 王篤祥 申請(qǐng)人:天津三安光電有限公司