半导体结构和制造方法技术

一种半导体结构包括：第一III族氮化物材料层，其具有第一晶格尺寸；第二III族氮化物材料的无孔层，其具有不同于第一晶格尺寸的第二晶格尺寸；以及III族氮化物材料的多孔区域，其布置在第一III族氮化物材料层与第二III族氮化物材料的无孔层之间。还提供了光电子半导体器件、LED和制造半导体结构的方法。LED和制造半导体结构的方法。LED和制造半导体结构的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】半导体结构和制造方法


[0001]本专利技术涉及半导体结构和用于半导体结构的制造方法，具体地，本专利技术涉及包括LED激光器件的光电子器件以及制造光电子器件的改进方法。

技术介绍

[0002]半导体器件制造中的特定问题是由不同半导体材料的不同晶格尺寸引起的。期望产生多层结构，在该多层结构中，不同半导体层在彼此的顶部生长，并且在层之间具有高质量的边界。然而，在具有不同晶格尺寸的不同半导体组成的层之间的边界处将出现问题。
[0003]III
‑
V族半导体材料对于半导体器件设计特别受关注，特别是III族氮化物半导体材料。
[0004]“III
‑
V”族半导体包括III族元素(例如Ga、Al和In)与V族元素(例如N、P、As和Sb)的二元、三元和四元合金，并且对于包括光电子学的许多应用受到了很大关注。
[0005]特别受关注的是被称为“III族氮化物”材料的半导体材料类别，其包括氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)和氮化铝(AlN)及其三元和四元合金。(Al,In)GaN是包括AlGaN、InGaN和GaN以及中间组合物的术语。III族氮化物材料不仅在固态照明和电力电子学方面取得了商业上的成功，而且对于量子光源和光
‑
物质相互作用也表现出特别的优势。
[0006]对于光电子半导体器件，将InN和AlN合金化到GaN半导体材料中是受关注的，因为改变半导体的Al和/或In含量改变了材料的电子带隙，并因此改变了半导体发光的波长。然而，改变材料的Al和/或In含量也影响半导体的面内晶格常数，如图1例示。例如，InN的面内晶格常数比GaN的面内晶格常数大约11％，其中中间组合物的晶格尺寸根据铟含量而变化。
[0007]这在器件设计中产生了一个问题，其中，期望在具有不同晶格尺寸的衬底层的顶部上沉积有源半导体层。其原因是层边界处的晶格失配将应变引入晶格，这导致在材料中形成充当非辐射复合中心的缺陷。这显著地损害了器件性能。
[0008]例如，在GaN基平台上生长长波长LED所面临的一个具大挑战是需要使用高铟(In)含量以将有源区中的带隙降低到用于长波长发射的适当水平。所需的InGaN有源区具有比下面的GaN更大的晶格尺寸，并且所产生的应变导致在材料中形成充当非辐射复合中心的缺陷，从而使器件性能劣化。
[0009]因此，由于InN与GaN之间的大晶格失配，难以获得高质量的InGaN(具有＞20at.％的高铟含量)。失配应变还通过成分拉动效应导致铟成分减少。
[0010]由于这些问题，先前生产包含晶格失配的半导体器件的尝试没有达到预期。特别地，先前在GaN平台上生产长波长LED和短波长UV LED的尝试尚未成功。

技术实现思路

[0011]本申请涉及制造半导体器件、特别是光电子器件的改进方法以及使用该方法制造的半导体器件。
[0012]本专利技术在独立权利要求中限定，现在将参考该独立权利要求。本专利技术的优选或有
利特征在所附从属权利要求中限定。
[0013]本申请中描述的半导体器件或LED优选由III
‑
V族半导体材料形成，特别优选由III族氮化物半导体材料形成。
[0014]“III
‑
V”族半导体包括III族元素(例如Ga、Al和In)与V族元素(例如N、P、As和Sb)的二元、三元和四元合金，并且对于包括光电子学、电力电子学和RF电子学的许多应用受到了很大关注。
[0015]特别受关注的是被称为“III族氮化物”材料的半导体材料类别，其包括氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)和氮化铝(AlN)及其三元和四元合金(Al,In)GaN。在本专利技术中可以使用不同的晶体取向，例如极性c面、非极性和半极性取向。有两个主要的非极性取向：a面(11
‑
20)和m面(1
‑
100)。对于半极性，有(11
‑
22)、{2021}，该{2021}是晶面族。III族氮化物材料不仅在固态照明和电力电子学方面取得了商业上的成功，而且对于量子光源和光
‑
物质相互作用也表现出特别的优势。
[0016]虽然各种III族氮化物材料在商业上是受关注的，但是氮化镓(GaN)被广泛地认为是最重要的新型半导体材料之一，并且对于许多应用受到特别的关注。
[0017]已知将孔引入到体GaN中可深刻地影响其材料特性(光学、机械、电气和热等)。因此，通过改变GaN的孔隙度来调整GaN的光学特性的可能性使得多孔GaN对于光电子应用受到很大的关注。
[0018]本专利技术将参考GaN和InGaN、AlGaN、AlN和AlInGaN来描述，但可有利地应用于具有晶格失配的替代III族氮化物材料组合。
[0019]在以下描述中，用于过生长的衬底或“模板”是半导体结构，在其上将生长另外的半导体层，以便产生半导体器件。本专利技术中用于过生长的示例性模板可以是GaN半导体结构，包括多个掺杂和未掺杂GaN层。
[0020]半导体结构的层可以通过国际专利申请PCT/GB2017/052895(公开为WO2019/063957)和PCT/GB2019/050213(公开为WO2019/145728)中阐述的电化学蚀刻来多孔化。
[0021]专利技术人已经发现，使用本专利技术可以提供通常包含有问题的晶格失配的半导体结构和器件。
[0022]半导体结构
[0023]根据本专利技术的第一方面，提供了一种半导体结构，包括：
[0024]第一III族氮化物材料层，其具有第一晶格尺寸；
[0025]第二III族氮化物材料的无孔层，其具有不同于第一晶格尺寸的第二晶格尺寸；以及
[0026]III族氮化物材料的多孔区域，其布置在第一III族氮化物材料层与第二III族氮化物材料的无孔层之间。本专利技术人已经认识到，III族氮化物材料的电化学多孔化有利地导致III族氮化物晶格中的应变减小。这意味着使III族氮化物材料的多孔区域多孔化的过程蚀刻掉结构缺陷，例如在第一III族氮化物材料层的顶部上生长该层期间形成的穿透位错(threading dislocation)。
[0027]优选地，多孔区域具有在第一晶格尺寸与第二晶格尺寸之间的晶格尺寸。
[0028]第一晶格尺寸和第二晶格尺寸可以被称为第一晶格参数和第二晶格参数或者第一晶格常数和第二晶格常数。优选地，晶格尺寸是晶格中单胞一侧的物理尺寸。优选地，第
一晶格尺寸和第二晶格尺寸(或晶格参数或晶格常数)指代各个相应材料晶格的a晶格参数或者替代地指代各个相应材料晶格的b晶格参数。
[0029]在多孔化期间从多孔区域的半导体材料去除位错大大降低了多孔区域中的应变，这种应变特别是在多孔区域的晶格尺寸与下面的第一III族氮化物材料层的第一晶格尺寸不匹配时发生。因此，在半导体结构的外延生长期间，当第二III族氮化物材料的无孔层沉积到多孔区域上时，多孔材料更顺应匹配上覆无孔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种半导体结构，包括：第一III族氮化物材料层，其具有第一晶格尺寸；第二III族氮化物材料的无孔层，其具有不同于所述第一晶格尺寸的第二晶格尺寸；和III族氮化物材料的多孔区域，其布置在所述第一III族氮化物材料层与所述第二III族氮化物材料的所述无孔层之间。2.根据权利要求1所述的半导体结构，其中，所述第一III族氮化物材料为(Al,In)GaN，优选地为未掺杂的GaN。3.根据权利要求1或2所述的半导体结构，其中，所述第二III族氮化物材料为In
x
Ga1‑
x
N，优选地为n掺杂的In
x
Ga1‑
x
N，其中，x>0。4.根据权利要求3所述的半导体结构，其中，所述第二III族氮化物材料为In
x
Ga1‑
x
N，并且0.1<x<0.8或0.1<x<0.6，特别优选地0.10<x<0.35。5.根据权利要求3或4所述的半导体结构，其中，所述多孔区域由第三III族氮化物材料形成，所述第三III族氮化物材料为In
y
Ga1‑
y
N，其中，0＜y≤x。6.根据权利要求1或2所述的半导体结构，其中，所述第二III族氮化物材料为Al
z
Ga1‑
z
N，优选地为n掺杂的Al
z
Ga1‑
z
N，其中，z>0。7.根据权利要求6所述的半导体结构，其中，所述第二III族氮化物材料为Al
z
Ga1‑
z
N，并且0.10<z<0.9，优选地其中，0.6<z<0.8。8.根据权利要求6或7所述的半导体结构，其中，所述多孔结构由作为Al
w
Ga1‑
w
N的第三III族氮化物材料形成，其中，0＜w＜1，优选地其中，0＜w≤z。9.根据前述权利要求中任一项所述的半导体结构，其中，所述多孔结构由与所述无孔层相同的III族氮化物材料形成。10.根据前述权利要求中任一项所述的半导体结构，其中，所述第二III族氮化物材料的所述无孔层与所述多孔结构共享外延边界。11.根据前述权利要求中任一项所述的半导体结构，包括：布置在所述多孔区域与所述第二III族氮化物材料的所述无孔层之间的III族氮化物材料的一个或多个中间层，优选地其中，所述中间层是(Al,In)GaN。12.根据前述权利要求中任一项所述的半导体结构，其中，所述多孔区域是多孔层或包括多个多孔层的叠层。13.根据前述权利要求中任一项所述的半导体结构，包括：具有不同于所述第一晶格尺寸和所述第二晶格尺寸的第三晶格尺寸的第三III族氮化物材料的额外层，其中，所述第二III族氮化物材料的所述无孔层布置在所述额外层与所述多孔区域之间。14.根据前述权利要求中任一项所述的半导体结构，其中，所述第二III族氮化物材料的所述无孔层的表面是所述结构的外表面，并且其中，所述半导体结构适于将另外的半导体材料过生长到所述无孔层的所述表面上。15.一种光电子半导体器件，包括：根据前述权利要求中任一项所述的半导体结构；和有源发光区域。16.一种发光二极管(LED)，包括：根据权利要求1至14中任一项所述的半导体结构；和
LED有源发光区域，其形成在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆罕默德，
申请(专利权)人：波拉科技有限公司，
类型：发明
国别省市：