本发明专利技术涉及一种III-V族氮化物半导体外延结构，其包括：(1)衬底；(2)外延缓冲层，其具有上表面及与所述衬底接触的下表面；(3)外延过渡层，其中所述外延过渡层覆盖外延缓冲层，并且该两层界面处具有微观空洞结构，所述微观空洞周期性或非周期性排列，以使两层的界面处仅部分相连，相连的部分和空洞部分在界面处间隔出现，所述外延过渡层具有平整的上表面；(4)外延有效层，位于所述外延过渡层的上表面上，所述外延有效层自下而上含有n型外延层、发光层与p型外延层。本发明专利技术还提供该外延结构的制造方法、包含该外延结构的器件及其制造方法。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及本专利技术涉及半导体照明领域，更具体是涉及一种II1-V族氮化物半导体外延片、包含该外延片的器件及其制造方法。
技术介绍
半导体照明作为新型高效固体光源，具有寿命长、节能、环保、安全等优点，其应用领域正在迅速扩大。半导体照明的核心是发光二极管(LED)，从结构上来讲LED就是由II1-V族化合物，如GaAs (砷化镓)、GaP (磷化镓)、GaAsP (磷砷化镓)、GaN(氮化镓)等半导体形成的PN结。因此，它具有一般PN结的1-V特性，即正向导通、反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光。LED器件一般由N型层、P型层和一个量子阱的有源区构成，LED的发光波长取决于组成LED的量子阱的材料及量子阱的宽度，GaN基II1-V氮化物包括InGaN、AlGaN等是制备可见光LED的最佳材料。LED的具体结构大都是利用外延的手段按照N型层、有源区、P型层的顺序依次生长在衬底之上。由于没有廉价的GaN同质衬底，GaN基LED —般生长在S1、SiC及蓝宝石等异质衬底之上，其中蓝宝石衬底是使用最广泛的衬底。在异质衬底上生长高质量的晶体材料非常困难，在蓝宝石衬底上生长器件级的GaN晶体材料更是困难，直到90年代初，日本研宄人员利用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)开发出了生长器件级GaN外延层的两步生长法。所谓的两步生长法就是:首先在500°C左右的生长温度之下，在蓝宝石衬底表面生长厚度在30纳米左右的GaN或AlGaN的缓冲层(buffer layer)，然后再把生长温度提高到大于1000 °C，才能生长出高质量的GaN外延层。用这样的方法制成的器件结构中存在大量的位错，位错密度越高器件的发光效率越低。现在LED器件制造广泛采用蓝宝石图形衬底(PSS)技术，可以减少外延层中的位错密度，提高LED的内量子效率，并且通过PSS图形的漫散射，提高LED的出光效率。常规的PSS技术就是利用光刻工艺和腐蚀工艺在蓝宝石表面形成各种各样的微观图形。比如在(0001)晶向的蓝宝石表面形成具有一定周期性结构的仍然由蓝宝石材料组成的锥形突起，锥形突起之间要保留一定面积的(0001)晶面。由于在锥形突起表面和锥形突起之间的(0001)晶面之间存在一定的选择性生长机理，也就是，进行外延生长时，在锥形突起之间的(0001)晶面上成核的几率要比在锥形突起表面上成核的几率大，锥形突起上面的外延层一般由侧向生长形成，所以在PSS衬底上进行外延生长具有侧向生长的效果，能降低外延层中的位错密度，提高使用PSS衬底的LED的内量子效率。另一方面PSS衬底表面的微观结构对LED所发出的光有一定的漫散射效果，能破坏全反射作用，因此PSS衬底还可以提高LED的出光效率。在常规PSS衬底上生长LED外延结构，也要用到上面介绍的两步法。但常规的PSS技术还有许多缺陷。首先，由于不管是用湿法还是用干法，蓝宝石的加工难度都非常大，这不但会影响常规PSS的产品良率，还会增加制造成本；其次，由于蓝宝石锥形突起表面和锥形突起之间的(OOOl)晶面之间的生长选择性不是非常明显，如果锥形突起之间的(0001)晶面的面积太小，在锥形突起的表面也会成核，而且在锥形突起表面形成的晶核的晶向和在锥形突起之间的(O O OI)晶面上形成的晶核的晶向不同，容易导致多晶的产生；再次，由于蓝宝石衬底的折射率较高，为1.8左右，即使于其表面形成凸起结构，对LED所发出的光的漫散射效果也不是最好，对出光效率的提升也有很大的限制。侧向外延生长技术(Epitaxial Lateral Overgrowth, ELO)是在厚度为微米量级的高品质的GaN外延层上形成介质掩膜，然后进行二次外延生长得到位错密度比较低的GaN。所述高品质的GaN外延层为单晶结构，生产成本高。而且在介质图形和蓝宝石表面之间厚度大于I微米GaN会影响漫散射的效果，另外大于I微米GaN还会影响器件的一致性，和重复性。目前，有文章报道了直接在蓝宝石衬底表面形成半导体介质层图形，进行外延生长，但是工艺窗口很小，没有量产价值。GaN基LED器件的发光效率还有很大的提升空间，提供一种可以有效提尚GaN基外延层及LED外延结构晶体质量(例如位错密度)，并且能改善LED各项性能指标、尤其是LED发光效率的新型图形衬底与相关器件的制造方法实属必要。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是为了解决现有技术的问题，提供了一种II1-V族氮化物半导体外延片、包含该外延片的器件及其制造方法。在一个方面，本专利技术提供一种II1-V族氮化物半导体外延结构，其包括:I)衬底；2)外延缓冲层，其具有上表面及与所述衬底接触的下表面；3)外延过渡层，其中所述外延过渡层覆盖外延缓冲层，并且该两层界面处具有微观空洞结构，所述微观空洞周期性或非周期性排列，以使两层的界面处仅部分相连，相连的部分和空洞部分在界面处间隔出现；所述外延过渡层具有平整的上表面；4)外延有效层，位于所述外延过渡层的上表面上，所述外延有效层自下而上含有η型外延层、发光层与P型外延层。在第二方面，一种II1-V族氮化物半导体器件，包括上述的外延结构以及分别与所述η型外延层、P型外延层电连通的η电极和P电极。在另一方面，本专利技术提供II1-V族氮化物半导体外延结构的制造方法，其特征在于所述方法包括:I)提供一衬底；2)于所述衬底上沉积外延缓冲层；3)于所述外延缓冲层上沉积一层半导体介质，并且图案化所述半导体介质层以使去除的部分和保留的部分间隔排列，形成周期性或非周期性图案，同时去除的部分处要暴露出所述外延缓冲层的表面；4)于所述外延缓冲层暴露部分上沉积外延过渡层，直至所述外延过渡层的厚度高于所述半导体介质层的高度并完全覆盖半导体介质层，所述外延过渡层具有平整的上表面；5)于所述外延过渡层的上表面上生长外延有效层，所述外延有效层自下而上含有η型外延层、发光层、P型外延层；6)于所述外延层上进行分割，且分割大小为所需芯片尺寸；7)去除所述半导体介质图案层，在外延缓冲层和外延过渡层之间形成微观空洞结构。最后，本专利技术还提供一种II1-V族氮化物半导体器件的制造方法，所述方法包括上述的外延结构上制备分别与所述η型外延层、P型外延层电连通的η电极和P电极。本专利技术中，由于在器件中的复合衬底使用半导体介质层作为掩膜，选择性生长的效果明显，因此其可以提高外延层的质量，减少位错密度，改善LED芯片的品质，提高LED的内量子效率。此外，在芯片制备中，又用溶液将半导体介质层全部腐蚀掉，使其形成多个微观空洞结构。此微观空洞结构中，具有多个独立支撑结构和多个空洞的构造，且空洞中的空气折射率远远低于其余材料，从而能够使得光在传播中大大提高漫反射的效果，提高LED的出光效率。行业中也有人提出利用非常接近量子阱发光层的由周期性空洞结构形成的光子晶体来提高LED出光效率的技术，但是要求光子晶体的周期必须接近光的坡长，而且还要求光子晶体和量子阱的距离必须小于光的耦合距离，这一切大大加大了加工难度，该技术还没有达到量产水平。本专利技术先是利用复合衬底来提高外延层晶体质量，之后又将半导本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种III‑V族氮化物半导体外延结构，其包括：(1)衬底；(2)外延缓冲层，其具有上表面及与所述衬底接触的下表面；(3)外延过渡层，其中所述外延过渡层覆盖外延缓冲层，并且该两层界面处具有微观空洞结构，所述微观空洞周期性或非周期性排列，以使两层的界面处仅部分相连，相连的部分和空洞部分在界面处间隔出现；所述外延过渡层具有平整的上表面；(4)外延有效层，位于所述外延过渡层的上表面上，所述外延有效层自下而上含有n型外延层、发光层与p型外延层。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郝茂盛，袁根如，
申请(专利权)人：上海芯元基半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31
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