氮化物半导体元件及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种氮化物半导体元件及其制作方法，采用物理蚀刻形成图形化蓝宝石衬底，然后在蓝宝石衬底的表面上采用物理所机沉积的方式形成AlxGa(1‑x)N层，在生长物理气相沉积AlxGa(1‑x)N层过程中采用等离子体进行多次刻蚀处理，有效的抑制了图形侧壁处外延材料的晶体缺陷。

Nitride semiconductor element and manufacturing method thereof

The invention discloses a nitride semiconductor device and its manufacturing method, using physical etching to form patterned sapphire substrate, then the physical machine are deposited on the surface of the sapphire substrate on the formation of AlxGa (1 x) N layer growth in physical vapor deposition AlxGa (1 x) N layer in the process of plasma multiple etching treatment can effectively restrain the crystal defect pattern side wall epitaxial material.

【技术实现步骤摘要】
氮化物半导体元件及其制作方法
本专利技术涉及一种改善蓝宝石图形侧壁缺陷的氮化镓基半导体元件及其制作方法。
技术介绍
氮化镓基LED由于其高效的发光效率，目前已经广泛的应用在背光、照明、景观等各个光源领域。从技术角度看，进一步提高LED芯片的发光效率仍然是当前行业发展的重点。发光效率主要有两个效率决定：第一个是电子空穴在有源区的辐射复合效率，即通常说的内量子效率；第二个是光的提取效率。现有成熟的蓝光LED材料的主流技术是制作在蓝宝石衬底上，氮化镓材料和蓝宝石衬底的巨大的晶格差异导致外延材料中有大量位错缺陷，形成非辐射复合中心，这会降低LED的内量子效率；氮化镓材料折射率较大，LED有源区发出的光在器件内部形成全发射，光的提取效率降低。图案化蓝宝石衬底可以有效改善上述两个难点，一方面可以有效控制生长时的成核岛密度，提升氮化镓晶体质量；另一方面，图形界面可以有效散射有源区发出的光，抑制器件内部的全反射效应。通常采用干蚀刻或湿蚀刻的方式形成图形化蓝宝石衬底，其中干蚀刻是由物理轰击形成图形，制作过程中图形侧壁会受到损伤（如图1所示），后续外延材料在侧壁形成缺陷中心（如图2和3所示），其一方面会增加材料中的缺陷密度，降低内量子效率；另一方面，侧壁处缺陷晶体存在吸收中心，会吸收器件发出的光，降低光的提取效率。采用物理气相沉积(物理气相沉积)生长的AlN作为缓冲层，通过控制AlN层的工艺，可以进一步提升材料质量，改善发光效率。从已经报道的文献看，如中国专利文献CN104246980A提到的方法，采用物理气相沉积的AlN作为缓冲层，可以大幅改善晶体质量。但由于图形化图形侧壁处的晶体质量仍有待提升。
技术实现思路
本专利技术提供了一种改善蓝宝石图形侧壁缺陷的氮化物半导体元件及其制作方法，采用物理蚀刻形成图形化蓝宝石衬底，然后在蓝宝石衬底的表面上采用物理所机沉积的方式形成AlxGa(1-x)N层，在生长物理气相沉积AlxGa(1-x)N层过程中采用等离子体进行多次刻蚀处理，有效的抑制了图形侧壁处外延材料的晶体缺陷。根据本专利技术的第一方面，氮化物半导体元件，包括：蓝宝石图形衬底，采用物理刻蚀方法制作所得，其具有一系列的凹陷或凸起的图形，该图形具有侧壁；AlxGa(1-x)N层，采用物理气相沉积法形成于图形衬底表面上；氮化镓基半导体叠层，采用MOCVD法形成于该AlxGa(1-x)N层上；其中所述AlxGa(1-x)N层位于所述蓝宝石图形衬底之侧壁的晶体缺陷的尺寸小于20nm。优选地，所述AlxGa(1-x)N层在形成过程中一次或多次采用等离子体蚀刻以消除图形侧壁的晶体缺陷。优选地，所述AlxGa(1-x)N层位于所述图形衬底之单个图形之侧壁的晶体缺陷尺寸大于10nm的个数小于10。优选地，所述AlxGa(1-x)N层的厚度为3~100nm。优选地，所述氮化镓基半导体叠层至少包含n型半导体层、发光层和p型半导体层。根据本专利技术的第二个方面，氮化物半导体元件，包括：蓝宝石图形衬底，采用物理刻蚀方法制作所得，其具有一系列的凹陷或凸起的图形，该图形具有侧壁；AlxGa(1-x)N层，采用物理气相沉积法形成于图形衬底表面上；氮化镓基半导体叠层，采用MOCVD法形成于该AlxGa(1-x)N层上；其中所述AlxGa(1-x)N层位于所述图形衬底之单个图形之侧壁的晶体缺陷尺寸大于10nm的个数小于10。优选地，所述AlxGa(1-x)N层的厚度为3~100nm。优选地，所述氮化镓基半导体叠层至少包含n型半导体层、发光层和p型半导体层。优选地，所述AlxGa(1-x)N层位于所述蓝宝石图形衬底之侧壁的晶体缺陷的尺寸小于20nm。根据本专利技术的第三个方面，氮化物半导体元件的制作方法，包括步骤：（1）提供一蓝宝石衬底，采用物理刻蚀方法在所述衬底的上表面形成一系列的凹陷或凸起的图形，该图形具有侧壁；（2）采用物理气相沉积法在前述图形化的衬底上表面形成AlxGa(1-x)N层；（3）采用采用MOCVD法在所述AlxGa(1-x)N层上沉积氮化镓基半导体叠层；其中所述步骤（2）中，在形成AlxGa(1-x)N层前、或者过程中采用等离子体蚀刻所述衬底的表面以改善所述图形侧壁的缺陷，从而减低所述AlxGa(1-x)N层位于所述蓝宝石图形衬底之侧壁的晶体缺陷。优选地，所述步骤（2）中，将所述步骤（1）形成的蓝宝石衬底放置于物理气相沉积设备中，先通入氮气或者氩气或者两者同时通入，打开设备中的RF(射频)电源，在衬底表面处形成等离子体，等离子体中的氮离子或者氩离子在电场作用下撞击衬底表面，消除所述图形侧壁处的缺陷部分。优选地，所述步骤（2）中将所述步骤（1）形成的蓝宝石衬底放置于物理气相沉积设备中，接着进行下面处理：(a)：打开直流脉冲电源，开始生长AlxGa(1-x)N薄膜，第一层膜厚生长1nm~5nm；(b)：关闭直流电源，打开射频电源，通入氮气或者氩气或者两者同时通入，等离子体中的氮离子或者氩离子在电场作用下撞击衬底表面，消除图形侧壁处生长的质量较差的AlxGa(1-x)N材料；(c)：重复以上步骤5-25次，获得3~100nm的AlxGa(1-x)N层。优选地，所述步骤（2）中形成的AlxGa(1-x)N层位于所述蓝宝石图形衬底之侧壁的晶体缺陷的尺寸小于20nm。优选地，所述步骤（2）中形成的AlxGa(1-x)N层位于所述图形衬底之单个图形之侧壁的晶体缺陷尺寸大于10nm的个数小于10。优选地，所述步骤（3）中形成的氮化镓基半导体叠层包含n型半导体层、发光层和p型半导体层。前述制作方法可有效去除图形衬底侧壁处的晶体缺陷，能够把图形侧壁处的缺陷个数从大于15个降低到10个以下；缺陷尺寸从20~100nm的大小降低到20nm以下。前述制作方法应用于发光二极管时，低的缺陷密度可以显著提高了蓝光LED中量子阱的发光效率，同时得益于彻底消除侧壁处的缺陷晶体，极大降低了缺陷处的光吸收现象，提高了LED芯片的出光效率通过使用本结构，LED芯片亮度可提升2%或更高。本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。图1为蓝宝石图形衬底示意图，其侧壁处有刻蚀导致的缺陷。图2为图示1所示衬底外延生长氮化物外延结构示意图，侧壁处外延生长时形成GaN缺陷区域。图3为图示1所示衬底外延生长氮化物外延结构的TEM图片，侧壁处有晶体缺陷。图4为根据本专利技术实施的一种氮化物半导体元件制作方法的流程图。图5~8为根据本专利技术实施的一种氮化物半导体元件制作过程示意图。图9为根据本专利技术实施的一种氮化物半导体外延结构的TEM图片，侧壁处没有晶体缺陷。图中标号表示如下：100:蓝宝石衬底；110：蓝宝石衬底的图形；120：蓝宝石衬底图形的侧壁；130：蓝宝石衬底侧壁的缺陷；200：AlN层；210：AlN层上的缺陷；300：GaN基外延叠层；310、320：GaN基外延叠层上的缺陷。具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
氮化物半导体元件，包括：蓝宝石图形衬底，采用物理刻蚀方法制作所得，其具有一系列的凹陷或凸起的图形，该图形具有侧壁；AlxGa(1‑x)N层，采用物理气相沉积法形成于图形衬底表面上；氮化镓基半导体叠层，采用MOCVD法形成于该AlxGa(1‑x)N层上；其特征在于：所述AlxGa(1‑x)N层位于所述蓝宝石图形衬底之侧壁的晶体缺陷的尺寸小于20nm。

【技术特征摘要】
1.氮化物半导体元件，包括：蓝宝石图形衬底，采用物理刻蚀方法制作所得，其具有一系列的凹陷或凸起的图形，该图形具有侧壁；AlxGa(1-x)N层，采用物理气相沉积法形成于图形衬底表面上；氮化镓基半导体叠层，采用MOCVD法形成于该AlxGa(1-x)N层上；其特征在于：所述AlxGa(1-x)N层位于所述蓝宝石图形衬底之侧壁的晶体缺陷的尺寸小于20nm。2.氮化物半导体元件，包括：蓝宝石图形衬底，采用物理刻蚀方法制作所得，其具有一系列的凹陷或凸起的图形，该图形具有侧壁；AlxGa(1-x)N层，采用物理气相沉积法形成于图形衬底表面上；氮化镓基半导体叠层，采用MOCVD法形成于该AlxGa(1-x)N层上；其特征在于：所述AlxGa(1-x)N层位于所述图形衬底之单个图形之侧壁的晶体缺陷尺寸大于10nm的个数小于10。3.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体元件，其特征在于：所述AlxGa(1-x)N层的厚度为3~100nm。4.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体元件，其特征在于：所述氮化镓基半导体叠层至少包含n型半导体层、发光层和p型半导体层。5.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体元件，其特征在于：所述AlxGa(1-x)N层在形成过程中一次或多次采用等离子体蚀刻以消除图形侧壁的晶体缺陷。6.根据权利要求1所述的氮化物半导体元件，其特征在于：所述AlxGa(1-x)N层位于所述图形衬底之单个图形之侧壁的晶体缺陷尺寸大于10nm的个数小于10。7.根据权利要求2所述的氮化物半导体元件，其特征在于：所述AlxGa(1-x)N层位于所述蓝宝石图形衬底之侧壁的晶体缺陷的尺寸小于20nm。8.氮化物半导体元件的制作方法，包括步骤：（1）提供一蓝宝石衬底，采用物理刻蚀方法在所述衬底的上表面形成一系列的凹陷或凸起的图形，该图形具有侧壁；（2）采用物理气相沉积法在前述图形化的衬底上表面形成AlxGa(1-x)N层；（3）采用MOCVD法在所述AlxGa(1-x...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱学亮，刘建明，卓昌正，陈秉扬，徐宸科，张中英，
申请(专利权)人：厦门三安光电有限公司，
类型：发明
国别省市：福建,35