[发明专利]半导体器件及其制造方法

说明书

技术领域

本公开涉及通过利用非极性面(non-polar face)形成以改善光取出效率的半导体器件及制造该半导体器件的方法。

背景技术

以异质结半导体薄层结构生长的半导体材料可用于通过调整半导体的晶格常数或带隙来形成光或电器件并因此在工业领域中有用。作为其示例，氮化物半导体是热和化学稳定的并具有直接跃迁型宽带隙。因此，氮化物半导体材料广泛用于形成电子器件诸如异质结双极晶体管(HBT)、高电子迁移率晶体管(HEMT)、金属半导体场效应晶体管(MESFET)等及形成发光器件诸如产生短波长波段的光的激光二极管(LD)、发光二极管(LED)等。特别地，产生具有短波长的蓝光或绿光的基于氮化物半导体材料的LED是允许实现各种自然色的高输出光学器件，且因而在相关技术领域受到极大瞩目。

目前，在c面(c-face)蓝宝石衬底上沿极性(0001)c面朝方向形成氮化物薄层是通常使用的技术。然而，由于内部电场，在沿极性(0001)c面朝方向的氮化物薄层中产生量子限制斯塔克效应(QCSE)。因此，当形成氮化物薄层时，内部量子效率上存在限制。为了解决该问题，提出了生长非极性氮化物光学元件以最大化量子效率。

公知利用异质衬底诸如蓝宝石衬底或SiC衬底的非极性GaN外延层具有约10¹⁰/cm²的线位错(TD)密度及非常高的10⁵/cm²的基面堆垛层错(BSF，basal stacking faults)密度。缺陷密度是当GaN沿极性c面方向生长时的外延层的缺陷密度的几十到几百倍。这些缺陷作为非发射部分并导致量子效率下降。

为了减少缺陷密度，已经进行了使用厚蓝宝石衬底或使用外延横向过生长(ELO)或中间层插入的研究。然而，由于工艺复杂性导致的成本和时间的增加，难以将所述研究应用到工业制造。因此，需要开发一种通过使用简化的工艺形成高质量非极性GaN外延层的方法。

发明内容

提供了半导体器件及其制造方法，当外延生长与衬底具有不同晶格常数或热膨胀系数的异质非极性氮化物半导体材料时，由异质非极性氮化物半导体材料形成的薄层的表面维持平坦，所述薄层的缺陷密度降低，且同时防止衬底和薄层由于应力而弯曲并且提高了光取出效率。

额外的方面将部分地在下面的描述中阐明，并且部分地将从描述中变得显然，或者可通过实践给出的实施例而习得。

根据本发明的一方面，一种半导体器件包括：第一非平坦、非极性氮化物半导体层，具有三维(3D)表面形式并由非极性氮化物半导体形成；第一结构层，形成在所述第一非平坦、非极性氮化物半导体层的表面的至少一部分上并包括多个固体颗粒；及第一非极性氮化物半导体层，形成在所述第一非平坦、非极性氮化物半导体层和所述第一结构层上。

多个凹陷部分可形成在所述第一非平坦、非极性氮化物半导体层的所述表面上，并且第一结构层的多个固体颗粒可设置在多个凹陷部分中。

半导体器件还可包括：第二非平坦、非极性氮化物半导体层，形成在第一非极性氮化物半导体层上，具有3D表面形式并由非极性氮化物半导体形成；第二结构层，形成在第二非平坦、非极性氮化物半导体层的表面的至少一部分上并包括多个固体颗粒；及第二非极性氮化物半导体层，形成在第二非平坦、非极性氮化物半导体层和第二结构层上。

多个凹陷部分可形成在第二非平坦、非极性氮化物半导体层的所述表面上，并且第二结构层的多个固体颗粒可设置在多个凹陷部分中。

形成在第一非平坦、非极性氮化物半导体层的表面上的多个凹陷部分和形成在第二非平坦、非极性氮化物半导体层的表面上的多个凹陷部分相对于彼此可不对准。

第一结构层的多个固体颗粒和第二结构层的多个固体颗粒可具有不同尺寸或形状。

每个固体颗粒可包括选自硅石(SiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、二氧化钛(TiO₂)、氧化锆(ZrO₂)、氧化钇(Y₂O₃)-ZrO₂、铜氧化物(CuO、Cu₂O)、和氧化钽(Ta₂O₅)构成的组中的至少一种。

第一结构层的每个固体颗粒可具有球形或多面体形状。每个固体颗粒的折射率可不同于第一非极性氮化物半导体层的折射率。