一种Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体外延片、包含该外延片的器件及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种Ⅲ‑Ⅴ族氮化物半导体外延片，包括：1)衬底(101)；2)外延缓冲层(102)；3)多个半导体介质凸起(107)；4)外延过渡层(108)；和5)外延有效层，所述外延有效层自下而上含有n型外延层(109)、发光层(110)、与p型外延层(111)。本发明专利技术还提供该外延片的制造方法、包含该外延片的器件及其制备方法。本发明专利技术可以有效提高外延片晶体质量例如位错密度，并且能改善半导体器件的各项性能指标、尤其是发光效率、漏电流以及抗静电击穿性等。本发明专利技术的制备方法工艺简单，有利于降低制造成本，适用于工业生产。

A III-V nitride semiconductor epitaxial wafer, device including the epitaxial wafer and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体外延片、包含该外延片的器件及其制备方法本申请是是2014年11月6日提交的专利技术名称为“一种Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体外延片、包含该外延片的器件及其制备方法”的第201480009733.X号专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及半导体照明领域，更具体是涉及一种Ⅲ-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III-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I-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。为了增加LED的发光效率一般会在PN结的N型层和P型层之间增加一个含量子阱的有源区的发光层，LED的具体结构大都是利用外延生长方法按照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一般生长在Si、SiC或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。在衬底上利用外延生长方法制成有n型层，发光层和p型层的材料称为LED外延片。在LED外延片上可通过制备n电极，p电极和隔离保护层等常规半导体工艺制成LED器件。在蓝宝石等异质衬底上外延生长GaN过渡层一般采用两步生长法。所谓的两步生长法就是：首先在500℃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(bufferlayer)，然后再把生长温度提高到大于1000℃，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。现在应用最广泛的所谓蓝宝石图形衬底(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，也可以通过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微观图形。比如在(0001)晶向的蓝宝石表面形成仍然由蓝宝石材料组成的具有一定周期性结构的锥形突起，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。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(0001)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(0001)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。LED外延片是LED器件的核心。外延片中各层晶体质量直接影响LED器件的发光率、漏电流、静电击穿电压等参数。因此，提供一种可以有效提高晶体质量、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、漏电流以及抗静电击穿性等的新型半导体外延片、器件与相关制造方法实属必要。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种Ⅲ-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Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体外延片，包括：1)衬底(101)；2)外延缓冲层(102)，所述外延缓冲层具有上表面及与所述衬底接触的下表面；3)多个半导体介质凸起(107)，所述多个半导体介质凸起在所述外延缓冲层的上表面间隔排列并与之接触，各凸起之间露出外延缓冲层；4)外延过渡层(108)，所述外延过渡层覆盖所述半导体介质凸起及其之间露出的外延缓冲层，所述外延过渡层与所述露出的外延缓冲层接触且与所述半导体介质凸起接触，所述外延过渡层完全覆盖半导体介质凸起并且完全填充半导体介质凸起之间的空间；5)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(109)、发光层(110)与p型外延层(111)。在第二方面，本专利技术提供一种Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体器件，包括所述的外延片以及分别与所述n型外延层、p型外延层电连通的n电极(113)和p电极(114)。在另一方面，本专利技术还提供一种Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体外延片的制造方法，包括以下步骤：1)提供一衬底(101)；2)于所述衬底上沉积外延缓冲层(102)；3)于所述外延缓冲层上沉积一层半导体介质(103)，并且图案化所述半导体介质层以形成间隔排列的多个半导体介质凸起(107)，所述凸起之间暴露出所述外延缓冲层；4)于所述外延缓冲层暴露部分上沉积外延过渡层(108)，直至所述外延过渡层的厚度高于所述半导体介质凸起的高度；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n型外延层(109)、发光层(110)、p型外延层(111)。最后，本专利技术还提供一种Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体器件的制造方法，所述方法包括在所述外延片上制备分别与所述n型外延层、p型外延层电连通的n电极和p电极。本专利技术可以有效提高外延片晶体质量、例如位错密度，并且能改善半导体器件的各项性能指标、尤其是发光效率、漏电流以及抗静电击穿性等。特别地，相对于常规PSS，本专利技术以图形化的半导体介质层取代蓝宝石图形层，提高了生长选择性和对光的散射效果。本专利技术的制备方法工艺简单，有利于降低制造成本，适用于工业生产。附图说明图1～图2显示为本专利技术的一种Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体外延片的制造方法中步骤1)和2)所呈现的结构示意图。图3～图7显示为本专利技术的一种Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体外延片的制造方法中步骤3)所呈现的结构示意图。图8显示为本专利技术的一种Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体外延片的制造方法中步骤4)所呈现的结构示意图。图9显示为本专利技术的一种Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体外延片的制造方法中步骤5)所呈现的结构示意图。图10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体外延片的制造方法，其特征在于所述方法包括：/n1)提供一衬底(101)；/n2)于所述衬底上沉积外延缓冲层(102)，所述外延缓冲层(102)选自Al

【技术特征摘要】
1.一种Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体外延片的制造方法，其特征在于所述方法包括：
1)提供一衬底(101)；
2)于所述衬底上沉积外延缓冲层(102)，所述外延缓冲层(102)选自AlxGa1-xN，0≤X≤0.5，所述外延缓冲层(102)的厚度为300埃；
3)于所述外延缓冲层(102)上沉积一层半导体介质(103)，并且图案化所述半导体介质层(103)以形成间隔排列的多个半导体介质凸起(107)，所述凸起(107)之间暴露出所述外延缓冲层(102)，所述半导体介质凸起(103)由选自SiO2、SiON和SiN的材料构成；
4)于所述外延缓冲层(102)暴露部分上沉积外延过渡层(108)，直至所述外延过渡层(108)的厚度高于所述半导体介质凸起(107)的高度，所述外延过渡层(108)覆盖所述半导体介质凸起(107)及其之间露出的外延缓冲层(102)，所述外延过渡层(108)与所述露出的外延缓冲层(102)接触且与所述半导体介质凸起(107)接触，所述外延过渡层(108)完全覆盖半导体介质凸起(107)并且完全填充半导体介质凸起(107)之间的空间；
5)于所述外延过渡层(108)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n型外延层(109)、发光层(110)、p型外延层(111)，并且
其特征在于图案化所述半导体介质层(103)以形成间隔排列的多个半导体介质凸起(107)包括以下步骤：
a)在所述半导体介质层(103)的表面形成光刻胶层，通过曝光工艺或纳米压印工艺将所述光刻胶层制作成间隔排列的多个光刻胶块；
b)采用感应耦合等离子体...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝茂盛，袁根如，奚明，马悦，
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