半导体结构及其形成方法技术

本发明专利技术提供一种半导体结构及其形成方法，该半导体结构包括：衬底；和形成在所述衬底顶面的多个锯齿结构，所述锯齿结构具有第一长边和第一短边，所述两个相邻的锯齿结构的第一长边与第一短边相邻，且所述第一长边限定有所述锯齿结构的第一表面，所述短边限定有所述锯齿结构的第二表面，其中，所述第一表面为生长化合物半导体材料的生长面，所述第二表面覆盖有掩膜材料以阻挡所述化合物半导体材料在所述第二表面的生长。在该半导体结构上制备非极性或半极性的LED器件，可以极大地提高LED有源区发光层的量子效率，从而极大地提高发光效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体设计及制造
，特别涉及一种。
技术介绍
现有的蓝光和白光LED产品主要采用的是GaN晶体材料，最常用的工艺是在 (0001)面的蓝宝石晶体或(111)面的Si衬底上外延出(0001)晶面的GaN晶体材料来制备LED外延片的有源区发光层。而由于GaN晶体的(0001)面(垂直于c轴方向)是极性的，根据常用的LED器件结构，极性材料会极大地降低发光层的量子效率，从而极大地降低发光效率，采用非极性面的GaN LED器件可以极大地提高量子效率，但是由于晶格的失配等因素，在蓝宝石或Si衬底上外延出的具有非极性的a面或m面的GaN晶体薄膜的位错密度相对于传统的(0001)面的GaN材料高了几个量级，很难应用在大规模生产中。另外，在半导体器件的制备工艺中通常需要在衬底上制备某种特定晶面以形成特殊的立体结构，而传统的微加工工艺采取在晶片衬底上涂布平面的光刻胶，通过光学曝光把平面的图形转移到光刻胶掩膜上，然后再进行刻蚀得到所需要的孔、槽等结构，但这些基于平面图形的工艺无法制备出特殊的立体结构，即使是利用湿法腐蚀的各向异性特性也仅能得到某些极其特殊的晶面，如Si(Ill)面，而无法在任意衬底上制备出任意的晶面，如 Si (337)、(5512)、(113)、(211)、(100)面等。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。特别是提供一种衬底上具有非极性面或半极性面的，以解决采用极性材料制备LED外延片的有源区发光层而导致发光效率降低的问题，并且提供一种在衬底上形成任意晶面以制备出特殊立体结构的方法。为达到上述目的，本专利技术一方面提供一种半导体结构，包括衬底；和形成在所述衬底顶面的多个锯齿结构，所述锯齿结构具有第一长边和第一短边，所述两个相邻的锯齿结构的第一长边与第一短边相邻，且所述第一长边限定有所述锯齿结构的第一表面，所述短边限定有所述锯齿结构的第二表面，其中，所述第一表面为生长化合物半导体材料的生长面，所述第二表面覆盖有掩膜材料以阻挡所述化合物半导体材料在所述第二表面的生长。在本专利技术的一个实施例中，所述锯齿结构为多孔结构，且所述多孔结构的表面为经过氢退火形成的平面。在本专利技术的一个实施例中，所述多个锯齿结构通过纳米压印形成。在本专利技术的一个实施例中，所述衬底为硅衬底，且所述衬底表面的晶面为{110}、 {111}、{001}、{211}、{311}、{337}、{5512}晶面族中的一个晶面，所述第一表面的晶面为 {111}、{110}晶面族中的一个晶面。以使根据该实施例的半导体结构适用于制备LED外延片的有源区发光层。在本专利技术的一个实施例中，所述衬底为蓝宝石衬底，且所述衬底表面的晶面为 {1102},{1123}, {1010}, {11 1 }晶面族中的一个晶面，所述第一表面的晶面为(0001)晶面，或者，所述衬底表面的晶面为丨10〖0丨、丨11如丨晶面族中的一个晶面，所述第一表面的晶面为丨1 02丨、丨11 3卜{1010}, {11五丨晶面族中的一个晶面。以使根据该实施例的半导体结构适用于制备LED外延片的有源区发光层。本专利技术另一方面提供一种半导体结构的形成方法，包括以下步骤提供模具，其中，所述模具具有与多个锯齿结构相匹配的图形，其中，所述锯齿结构具有第一长边和第一短边，所述两个相邻的锯齿结构的第一长边与第一短边相邻，且所述第一长边限定有所述锯齿结构的第一表面，所述第一短边限定有所述锯齿结构的第二表面；提供衬底，在所述衬底之上形成感光或热感应材料层；将所述感光或热感应材料层与所述模具压合以使所述感光或热感应材料层填充至所述模具的图形之中；进行照射或加热以对所述感光或热感应材料层进行定型以在所述衬底顶部形成具有图形的掩膜层；对所述具有图形的掩膜层和所述衬底进行刻蚀以形成多个锯齿结构；在所述第二表面上覆盖掩膜材料；以及将所述第一表面作为生长面，在所述第一表面上生长化合物半导体材料。本专利技术再一方面提供上述半导体结构的另一种形成方法，包括以下步骤提供模具，其中，所述模具具有与多个锯齿结构相匹配的图形，其中，所述锯齿结构具有第一长边和第一短边，所述两个相邻的锯齿结构的第一长边与第一短边相邻，且所述第一长边限定有所述锯齿结构的第一表面，所述第一短边限定有所述锯齿结构的第二表面；提供衬底，在所述衬底上形成热塑性材料层；对所述热塑性材料层加热并达到其玻璃化温度之上，将所述模具压合在所述热塑性材料层之上，以使所述热塑性材料层填充至所述模具的图形中； 降温以使所述热塑性材料层固化定型，移去所述模具，以在所述衬底顶部形成具有图形的掩膜层；对所述具有图形的掩膜层和所述衬底进行刻蚀以在所述衬底上形成所述锯齿结构。对于以上两种形成方法，在本专利技术的一些实施例中，所述化合物半导体材料包括氮化物系半导体材料，如GaN，以使根据该实施例的半导体结构适用于制备GaN系LED器件的有源区发光层。对于以上两种形成方法，在本专利技术的一些实施例中，其中，在所述第一表面上生长的化合物半导体材料垂直于所述第一表面的高度不高于所述第一短边的长度，以在每个所述第一表面形成相互独立的化合物半导体材料；或者在所述第一表面上生长的化合物半导体材料垂直于所述第一表面的高度高于所述第一短边的长度以使相邻的所述锯齿结构在第一表面上生长的化合物半导体材料能够相互连接以形成整体的化合物半导体材料层。对于以上两种形成方法，在本专利技术的一些实施例中，在形成所述多个锯齿结构之后，还包括对所述多个锯齿结构进行阳极氧化以形成多孔结构；在氢中对所述多孔结构进行退火以在所述多孔结构的表面形成平面。对于以上两种形成方法，在本专利技术的一些实施例中，所述衬底为硅衬底，且所述衬底表面的晶面为{110}、{111}、{001}、{211}、{311}、{337}、{5512}晶面族中的一个晶面， 所述第一表面的晶面为{111}、{110}晶面族中的一个晶面。以使根据该实施例的半导体结构适用于制备LED外延片的有源区发光层。对于以上两种形成方法，在本专利技术的一些实施例中，所述衬底为蓝宝石衬底，且所述衬底表面的晶面为{1 02}、{1123}, {1010}, {11 1}晶面族中的一个晶面，所述第一表面的晶面为(0001)晶面，或者，所述衬底表面的晶面为丨10 0丨、丨11如丨晶面族中的一个晶面，所述第一表面的晶面为{1 02}、{1123}, {1010}, {11 1}晶面族中的一个晶面。以使根据该实施例的半导体结构适用于制备LED外延片的有源区发光层。本专利技术提供一种半导体结构，通过在衬底上引入与原衬底晶面成一定角度的多个小的外延生长表面，这样的生长表面上易于外延出高质量的晶体薄膜，降低外延层的位错密度，然后通过掩膜方式在需要的小生长表面形成化合物半导体晶面，该化合物半导体晶面即为与原衬底晶面一致的非极性面或半极性面。在该半导体结构上制备非极性或半极性的LED器件，可以极大地提高LED外延片的有源区发光层的量子效率，从而极大地提高其发光效率。此外，本专利技术还提供形成该半导体结构的方法，通过纳米压印将特殊形状的结构图形转移到衬底的掩膜上，然后再进行保形刻蚀，从而得到多个小生长表面，利用本专利技术实施例提供的方法几乎可以在任意衬底上得到任意需要的晶面。本专利技术的附加方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半导体结构，其特征在于，包括衬底；和形成在所述衬底顶面的多个锯齿结构，所述锯齿结构具有第一长边和第一短边，所述两个相邻的锯齿结构的第一长边与第一短边相邻，且所述第一长边限定有所述锯齿结构的第一表面，所述短边限定有所述锯齿结构的第二表面，其中，所述第一表面为生长化合物半导体材料的生长面，所述第二表面覆盖有掩膜材料以阻挡所述化合物半导体材料在所述第二表面的生长。2.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述锯齿结构为多孔结构，且所述多孔结构的表面为在含氢气氛中退火形成的平面。3.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述多个锯齿结构通过纳米压印形成。4.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述衬底为硅衬底，且所述衬底表面的晶面为{110}、{111}、{001}、{211}、{311}、{337}、{5512}晶面族中的一个晶面，所述第一表面的晶面为{111}、{110}晶面族中的一个晶面。5.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底，且所述衬底表面的晶面为{1 02}、{1123}, {1010}, {11 1}晶面族中的一个晶面，所述第一表面的晶面为(0001)晶面，或者所述衬底表面的晶面为Uoio丨、丨11^0丨晶面族中的一个晶面，所述第一表面的晶面为 {1102}, {1123}, {1010}, {11 1 }晶面族中的一个晶面。6.一种半导体结构的形成方法，其特征在于，包括以下步骤提供模具，其中，所述模具具有与多个锯齿结构相匹配的图形，其中，所述锯齿结构具有第一长边和第一短边，所述两个相邻的锯齿结构的第一长边与第一短边相邻，且所述第一长边限定有所述锯齿结构的第一表面，所述第一短边限定有所述锯齿结构的第二表面；提供衬底，在所述衬底之上形成感光或热感应材料层；将所述感光或热感应材料层与所述模具压合以使所述感光或热感应材料层填充至所述模具的图形之中；进行照射或加热以对所述感光或热感应材料层进行定型以在所述衬底顶部形成具有图形的掩膜层；对所述具有图形的掩膜层和所述衬底进行刻蚀以形成多个锯齿结构；在所述第二表面上覆盖掩膜材料；以及将所述第一表面作为生长面，在所述第一表面上生长化合物半导体材料。7.如权利要求6所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述化合物半导体材料包括氮化物系半导体材料。8.如权利要求6所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，在所述第一表面上生长的化合物半导体材料垂直于所述第一表面的高度不高于所述第一短边的长度，以在每个所述第一表面形成相互独立的化合物半导体材料；或者在所述第一表面上生长的化合物半导体材料垂直于所述第一表面的高度高于所述第一短边的长度以使相邻的所述锯齿结构在第一表面上生长的化合物半导体材料能够相互连接以形成整体的化合物半导体材料层。9.如权利要求6所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，在形成所述多个锯齿结构之后，还包括对所述多个锯齿结构进行阳极氧化以形成多孔结构；在氢中对所述多孔结构进行退火以在所述多孔结构的表面形成平面。10.如权利要求6所述的半导体结构的形成方...

【专利技术属性】
技术研发人员：李园，郭磊，
申请(专利权)人：李园，郭磊，
类型：发明
国别省市：