[发明专利]半导体器件及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件以及制造半导体器件的方法。特别是，本发明涉及以高质量晶体结构生产半导体器件。例如，该器件可用于形成发光二极管和固态激光器。

背景技术

当前，有三种主要方法来制造固态照明设备所需的白色发光二极管（LED）：（1）三个LED芯片的封装，其每一个发射不同的波长（分别为红、绿和蓝）；（2）蓝光（460nm）LED和由来自该LED的蓝光泵出的黄色磷光粉的结合；（3）发射UV光的单一芯片，其在LED封装中由三种磷光粉（红、绿和蓝）吸收，并且重新发射为广谱白光。对于第一和第二方法，主要成分是蓝/绿LED，其二者基于InGaN材料系统。对于第三方法，需要具有高性能的紫外线（UV）发射器。

已经建立了用于InGaN基和AlGaN基器件的先进的生长技术，但是通常基于c-面蓝宝石基板。该极性方位因压电效应导致很强的内置电场，并且器件受到电子和空穴波函数之间重叠的减少以及很长的辐射再结合时间，因此量子效率很低。这是所谓的量子限制斯塔克效应（QCSE）。特别是，当发射器朝着绿光谱区域移动时，要求更高的InN组分，并且内部电场通常变得极高。这对于实现具有高性能的InGaN基发射器（特别是绿光发射器）呈现出主要障碍。对于AlGaN基UV发射器存在相同的问题，但是对于AlGaN比InGaN甚至更坏。

同质外延生长对于III族氮化物基光电器件是理想的。然而，由于提供能力的原因，诸如蓝宝石、SiC、硅等异质基板上的生长仍保持用于III族氮化物生长的主要方法。这样的″大晶格错配异质外延″导致高密度的断层。这将引起III族氮化物光电子的光学性能的显著下降，例如InGaN基近UV/蓝/绿光发射器和AlGaN/GaN基UV发射器。AlGaN/GaN基UV发射器比InGaN基发射器中的断层问题变得更加明显，因为AlGaN/GaN基UV发射器的光学性能比InGaN基发射器对断层更加敏感。

上述的两个问题（QCSE和断层）是进一步改善III族氮化物基光电子光学性能的两个基本障碍。

最有希望抵消QCSE负面影响的一个方法是沿着无极或半极方位生长，这已经在理论和实践上得到证实。无极或半极III族氮化物发射器的另一个主要优点是它们可发射偏振光。液晶显示器（LCD）需要偏振照明，并且当前的LCD需要超偏振元素来实现偏振照明。偏振器件的低透射效率导致降低效率，并且发射偏振光的器件是有利的。

最新的在无极或半极平面上生长III族氮化物已经对绿光发射器产生重大突破。然而，也已经暴露出主要的挑战，这些具有高性能的无极或半极III族氮化物发射器只能生长在极其昂贵的GaN基板上，即采用同质外延生长法。不幸地，无极或半极GaN基板非常小且极其昂贵。另外，高度的不均匀性也使它们不适合批量生产。

因此，希望在具有任何尺寸（例如至12英寸）的蓝宝石基板上获得具有高晶体模板(template)的无极或半极GaN，用于进一步生长InGaN基或AlGaN基器件结构。迄今为止，一直采用传统的外延横向生长过度（ELOG）来改善无极或半极GaN在蓝宝石上的结晶质量。ELOG技术基于选择性区域生长。通常，首先通过金属有机气相外延（MOVPE）或分子束外延（MBE）或氢化物气相外延（HVPE）在蓝宝石上生长标准的GaN层，然后该表面非原位涂覆电介质掩模，例如SiO₂或Si₃N₄。然后，采用标准的光刻将掩模图案化成微米级条（不是纳米级）。掩盖的样品然后用作模板，以进一步通过MOVPE或MBE或HVPE生长。再生长在掩模窗口区域中的暴露的GaN上开始，因为GaN不生长在电介质掩模的顶部上。当生长表面达到掩模的高度之上时，GaN再生长在条形掩模之上横向延伸，并且可最终接合以形成光滑的表面。由蓝宝石和GaN之间的大晶格错配引起的从掩模条下开始的晶体结构中的断层被有效阻止。由于标准光刻的限制，掩模条宽度和侧翼宽度不能进一步减小到纳米级。因此，通常，直至过生长层达到大于10-20μm厚时才能获得平坦的表面。另外，难以将这样的方法应用在AlGaN的过生长，因为AlGaN横向生长率通常远小于GaN横向生长率，导致接合非常慢。

因此，传统的ELOG方法非常复杂，并且因此导致非常高的额外成本。

发明内容