Iii-v族氮化物半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)、包含該外延結(jié)構(gòu)的器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及本發(fā)明涉及半導(dǎo)體照明領(lǐng)域，更具體是涉及一種II1-V族氮化物半導(dǎo)體外延片、包含該外延片的器件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體照明作為新型高效固體光源，具有壽命長、節(jié)能、環(huán)保、安全等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域正在迅速擴(kuò)大。半導(dǎo)體照明的核心是發(fā)光二極管(LED)，從結(jié)構(gòu)上來講LED就是由II1-V族化合物，如GaAs (砷化鎵)、GaP (磷化鎵)、GaAsP (磷砷化鎵)、GaN(氮化鎵)等半導(dǎo)體形成的PN結(jié)。因此，它具有一般PN結(jié)的1-V特性，即正向?qū)?、反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對方區(qū)域的少數(shù)載流子(少子)一部分與多數(shù)載流子(多子)復(fù)合而發(fā)光。
[0003]LED器件一般由N型層、P型層和一個(gè)量子阱的有源區(qū)構(gòu)成，LED的發(fā)光波長取決于組成LED的量子阱的材料及量子阱的寬度，GaN基II1-V氮化物包括InGaN、AlGaN等是制備可見光LED的最佳材料。LED的具體結(jié)構(gòu)大都是利用外延的手段按照N型層、有源區(qū)、P型層的順序依次生長在襯底之上。由于沒有廉價(jià)的GaN同質(zhì)襯底，GaN基LED —般生長在S1、SiC及藍(lán)寶石等異質(zhì)襯底之上，其中藍(lán)寶石襯底是使用最廣泛的襯底。
[0004]在異質(zhì)襯底上生長高質(zhì)量的晶體材料非常困難，在藍(lán)寶石襯底上生長器件級的GaN晶體材料更是困難，直到90年代初，日本研宄人員利用金屬有機(jī)化合物氣相沉積(MOCVD)開發(fā)出了生長器件級GaN外延層的兩步生長法。所謂的兩步生長法就是:首先在500°C左右的生長溫度之下，在藍(lán)寶石襯底表面生長厚度在30納米左右的GaN或AlGaN的緩沖層(buffer layer)，然后再把生長溫度提高到大于1000 °C，才能生長出高質(zhì)量的GaN外延層。用這樣的方法制成的器件結(jié)構(gòu)中存在大量的位錯(cuò)，位錯(cuò)密度越高器件的發(fā)光效率越低。
[0005]現(xiàn)在LED器件制造廣泛采用藍(lán)寶石圖形襯底(PSS)技術(shù)，可以減少外延層中的位錯(cuò)密度，提高LED的內(nèi)量子效率，并且通過PSS圖形的漫散射，提高LED的出光效率。常規(guī)的PSS技術(shù)就是利用光刻工藝和腐蝕工藝在藍(lán)寶石表面形成各種各樣的微觀圖形。比如在(0001)晶向的藍(lán)寶石表面形成具有一定周期性結(jié)構(gòu)的仍然由藍(lán)寶石材料組成的錐形突起，錐形突起之間要保留一定面積的(0001)晶面。由于在錐形突起表面和錐形突起之間的(0001)晶面之間存在一定的選擇性生長機(jī)理，也就是，進(jìn)行外延生長時(shí)，在錐形突起之間的
(0001)晶面上成核的幾率要比在錐形突起表面上成核的幾率大，錐形突起上面的外延層一般由側(cè)向生長形成，所以在PSS襯底上進(jìn)行外延生長具有側(cè)向生長的效果，能降低外延層中的位錯(cuò)密度，提高使用PSS襯底的LED的內(nèi)量子效率。另一方面PSS襯底表面的微觀結(jié)構(gòu)對LED所發(fā)出的光有一定的漫散射效果，能破壞全反射作用，因此PSS襯底還可以提高LED的出光效率。在常規(guī)PSS襯底上生長LED外延結(jié)構(gòu)，也要用到上面介紹的兩步法。
[0006]但常規(guī)的PSS技術(shù)還有許多缺陷。首先，由于不管是用濕法還是用干法，藍(lán)寶石的加工難度都非常大，這不但會影響常規(guī)PSS的產(chǎn)品良率，還會增加制造成本；其次，由于藍(lán)寶石錐形突起表面和錐形突起之間的(OOOl)晶面之間的生長選擇性不是非常明顯，如果錐形突起之間的(0001)晶面的面積太小，在錐形突起的表面也會成核，而且在錐形突起表面形成的晶核的晶向和在錐形突起之間的(O O OI)晶面上形成的晶核的晶向不同，容易導(dǎo)致多晶的產(chǎn)生；再次，由于藍(lán)寶石襯底的折射率較高，為1.8左右，即使于其表面形成凸起結(jié)構(gòu)，對LED所發(fā)出的光的漫散射效果也不是最好，對出光效率的提升也有很大的限制。
[0007]側(cè)向外延生長技術(shù)(Epitaxial Lateral Overgrowth, ELO)是在厚度為微米量級的高品質(zhì)的GaN外延層上形成介質(zhì)掩膜，然后進(jìn)行二次外延生長得到位錯(cuò)密度比較低的GaN。所述高品質(zhì)的GaN外延層為單晶結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)成本高。而且在介質(zhì)圖形和藍(lán)寶石表面之間厚度大于I微米GaN會影響漫散射的效果，另外大于I微米GaN還會影響器件的一致性，和重復(fù)性。
[0008]目前，有文章報(bào)道了直接在藍(lán)寶石襯底表面形成半導(dǎo)體介質(zhì)層圖形，進(jìn)行外延生長，但是工藝窗口很小，沒有量產(chǎn)價(jià)值。
[0009]GaN基LED器件的發(fā)光效率還有很大的提升空間，提供一種可以有效提尚GaN基外延層及LED外延結(jié)構(gòu)晶體質(zhì)量(例如位錯(cuò)密度)，并且能改善LED各項(xiàng)性能指標(biāo)、尤其是LED發(fā)光效率的新型圖形襯底與相關(guān)器件的制造方法實(shí)屬必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的一個(gè)目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供了一種II1-V族氮化物半導(dǎo)體外延片、包含該外延片的器件及其制造方法。
[0011]在一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種II1-V族氮化物半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，其包括:
[0012]I)襯底；
[0013]2)外延緩沖層，其具有上表面及與所述襯底接觸的下表面；
[0014]3)外延過渡層，其中所述外延過渡層覆蓋外延緩沖層，并且該兩層界面處具有微觀空洞結(jié)構(gòu)，所述微觀空洞周期性或非周期性排列，以使兩層的界面處僅部分相連，相連的部分和空洞部分在界面處間隔出現(xiàn)；所述外延過渡層具有平整的上表面；
[0015]4)外延有效層，位于所述外延過渡層的上表面上，所述外延有效層自下而上含有η型外延層、發(fā)光層與P型外延層。
[0016]在第二方面，一種II1-V族氮化物半導(dǎo)體器件，包括上述的外延結(jié)構(gòu)以及分別與所述η型外延層、P型外延層電連通的η電極和P電極。
[0017]在另一方面，本發(fā)明提供II1-V族氮化物半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述方法包括:
[0018]I)提供一襯底；
[0019]2)于所述襯底上沉積外延緩沖層；
[0020]3)于所述外延緩沖層上沉積一層半導(dǎo)體介質(zhì)，并且圖案化所述半導(dǎo)體介質(zhì)層以使去除的部分和保留的部分間隔排列，形成周期性或非周期性圖案，同時(shí)去除的部分處要暴露出所述外延緩沖層的表面；
[0021]4)于所述外延緩沖層暴露部分上沉積外延過渡層，直至所述外延過渡層的厚度高于所述半導(dǎo)體介質(zhì)層的高度并完全覆蓋半導(dǎo)體介質(zhì)層，所述外延過渡層具有平整的上表面；
[0022]5)于所述外延過渡層的上表面上生長外延有效層，所述外延有效層自下而上含有η型外延層、發(fā)光層、P型外延層；
[0023]6)于所述外延層上進(jìn)行分割，且分割大小為所需芯片尺寸；
[0024]7)去除所述半導(dǎo)體介質(zhì)圖案層，在外延緩沖層和外延過渡層之間形成微觀空洞結(jié)構(gòu)。
[0025]最后，本發(fā)明還提供一種II1-V族氮化物半導(dǎo)體器件的制造方法，所述方法包括上述的外延結(jié)構(gòu)上制備分別與所述η型外延層、P型外延層電連通的η電極和P電極。
[0026]本發(fā)明中，由于在器件中的復(fù)合襯底使用半導(dǎo)體介質(zhì)層作為掩膜，選擇性生長的效果明顯，因此其可以提高外延層的質(zhì)量，減少位錯(cuò)密度，改善LED芯片的品質(zhì)，提高LED的內(nèi)量子效率。此外，在芯片制備中，又用溶液將半導(dǎo)體介質(zhì)層全部腐蝕掉，使其形成多個(gè)微觀空洞結(jié)構(gòu)。此微觀空洞結(jié)構(gòu)中，具有多個(gè)獨(dú)立支撐結(jié)構(gòu)和多個(gè)空洞的構(gòu)造，且空洞中的空氣折射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其余材料，從而能夠使得光在傳播中大大提高漫反射的效果，提高LED的出光效率。行業(yè)中也有人提出利用非常接近量子阱發(fā)光層的由周期性空洞結(jié)構(gòu)形成的光子晶體來提高LED出光效率的技術(shù)，但是要求光子晶體的周期必須接近光的坡長，而且還要求光子晶體和量子阱的距離必須小于光的耦合距離，這一切大大加大了加工難度，該技術(shù)還沒有達(dá)到量產(chǎn)水平。本發(fā)明先是利用復(fù)合襯底來提高外延層晶體質(zhì)量，之后又將半導(dǎo)體介質(zhì)層去除，創(chuàng)造出微觀空洞結(jié)構(gòu)，制備方法工藝簡單，微觀空洞結(jié)構(gòu)在制作工藝上更簡潔、可行、可控，亮度提升效果更具優(yōu)勢，且有利于降低制造成本，適用于工業(yè)生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0027]圖1-圖2顯示為本發(fā)明的一種包括微觀空洞結(jié)構(gòu)的II1-V族氮化物器件結(jié)構(gòu)及其制造方法步驟1、2)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖3顯示為本發(fā)明的一種包括微觀空洞結(jié)構(gòu)的II1-V族氮化物器件結(jié)構(gòu)及其制造方法步驟3)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖4-圖7顯示為本發(fā)明的一種包括微觀空洞結(jié)構(gòu)的II1-V族氮化物器件結(jié)構(gòu)及其制造方法步驟4)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖8顯示為本發(fā)明的一種包括微觀空洞結(jié)構(gòu)的II1-V族氮化物器件結(jié)構(gòu)及其制造方法步驟5)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖9顯示為本發(fā)明的一種包括微觀空洞結(jié)構(gòu)的II1-V族氮化物器件結(jié)構(gòu)及其制造方法步驟6)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖10顯示為本發(fā)明的一種包括微觀空洞結(jié)構(gòu)的II1-V族氮化物器件結(jié)構(gòu)及其制造方法步驟7)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖11顯示為本發(fā)明的一種包括微觀空洞結(jié)構(gòu)的II1-V族氮化物器件結(jié)構(gòu)及其與電極形成電通路所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
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