[发明专利]多孔氮化物半导体上的高品质非极性/半极性半导体器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体光学器件及其制造方法，更具体地讲，涉及一种高品质非极性/半极性半导体器件及其制造方法。在高品质非极性/半极性半导体器件中，在能够生长非极性/半极性氮化物半导体层的蓝宝石晶面上形成非极性/半极性氮化物半导体晶体，从而不会在氮化物半导体层中出现在极性氮化物半导体层中产生的压电效应。此外，在形成在蓝宝石基底上方的模板层上的多孔GaN层上再生长In_xAl_yGa_1-x-yN层(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)，以降低GaN层的缺陷密度并改善GaN层的内部量子效率和光提取效率。

背景技术

由于诸如GaN的第III-V主族氮化物半导体(也被简称为“氮化物半导体”)具有优异的物理和化学性质，所以近来已经将第III-V主族氮化物半导体看作诸如发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和太阳能电池的半导体光学器件的主要材料。通常第III-V主族氮化物半导体由具有实验式In_xAl_yGa_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)的半导体材料构成。这种氮化物半导体光学器件应用为诸如移动电话的键盘、电子显示板和照明装置之类的各种产品的光源。

具体地讲，随着使用LED或LD的数字产品的发展，对具有更高亮度和更高可靠性的氮化物半导体光学器件的需求增加。例如，由于移动电话的发展趋势为更纤薄，所以要求用作移动电话的背光的侧视型LED要更亮更薄。然而，如果在使用C面(例如，(0001)面)作为蓝宝石晶面的蓝宝石基底上生长诸如极性GaN的氮化物半导体，则由于形成极化场而导致的压电效应会降低内部量子效率。

因此，需要在蓝宝石基底上形成非极性/半极性氮化物半导体。然而，由于适于使用非极性/半极性GaN等形成模板层的蓝宝石与形成在蓝宝石上的非极性/半极性氮化物半导体模板层之间的晶格失配以及构成元件之间的热膨胀系数的差异，会导致诸如线缺陷和面缺陷的晶体缺陷。这样的晶体缺陷对光学器件的可靠性(例如，抗静电放电(ESD))产生不良影响，并且还导致光学器件内的电流泄漏。结果，光学器件的量子效率会降低，从而导致光学器件的性能劣化。

已经进行各种尝试来减少氮化物半导体层的晶体缺陷。各种尝试中的一种就是利用选择性外延生长。然而，这些尝试需要高成本和复杂的工艺，诸如SiO₂掩模沉积。另外，可通过在蓝宝石基底上形成低温缓冲层，然后在低温缓冲层上形成GaN来减少晶体缺陷。然而，这并不足以解决光学器件的晶体缺陷问题。因此，需要解决由于晶体缺陷而导致光学器件的亮度和可靠性劣化的问题。

发明内容

技术目的

本发明的一方面在于提出一种高品质的非极性/半极性半导体器件及其制造方法。在该高品质的非极性/半极性半导体器件中，在能够生长非极性/半极性氮化物半导体层的蓝宝石晶面上形成氮化物半导体晶体，从而消除在极性GaN氮化物半导体中产生的压电效应。另外，在形成在蓝宝石基底上方的模板层上的多孔GaN层上再生长In_xAl_yGa_1-x-yN层(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)，从而改善表面形貌、减少GaN层的缺陷并改善GaN层的晶体质量。因此，可以提高半导体器件的内部量子效率和光提取效率。

技术方案

根据本发明的实施例，一种制造在具有用于生长非极性或半极性氮化物半导体层的晶面的基底上形成模板层和半导体器件结构的半导体器件的方法包括：在基底上形成氮化物半导体层；执行多孔表面改性，使得氮化物半导体层具有多个孔；通过在表面改性的氮化物半导体层上再生长氮化物半导体层来形成模板层；以及在模板层上形成半导体器件结构。

在通过以上描述的方法制造的半导体器件中，在多孔表面改性之前的氮化物半导体层或再生长的氮化物半导体层可包括In_xAl_yGa_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)、未掺杂的GaN层、n型掺杂的GaN层或p型掺杂的GaN层。

基底可包括蓝宝石基底、SiC基底或Si基底。

基底的晶面可包括A面、M面或R面。

可利用湿蚀刻溶液来执行氮化物半导体层的多孔表面改性。可通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺来执行氮化物半导体层的多孔表面改性之前的氮化物半导体层的生长以及氮化物半导体层的多孔表面改性之后的氮化物半导体层的再生长。