[发明专利]III‑V族氮化物生长用复合衬底、器件结构及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种III-V族氮化物生长用复合衬底、器件结构及制备方法。

背景技术

半导体照明作为新型高效固体光源，具有寿命长、节能、环保、安全等优点，其应用领域正在迅速扩大。半导体照明的核心是发光二极管(LED)，从结构上来讲LED就是由III-V族化合物，如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)、GaN(氮化镓)等半导体形成的PN结。因此，它具有一般PN结的I-V特性，即正向导通、反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光。

为了增加LED的发光效率一般会在PN结的N型层和P型层之间增加一个量子阱的有源区，LED的发光波长取决于组成LED PN结和量子阱的材料及量子阱的宽度，GaN基III-V氮化物包括InGaN、AlGaN等是制备可见光LED的最佳材料。LED的具体结构大都是利用外延的手段按照N型层、有源区、P型层的顺序依次生长在衬底之上。由于没有廉价的GaN同质衬底，GaN基LED一般生长在Si、SiC及蓝宝石衬底之上，其中蓝宝石衬底是使用最广泛的衬底。

在异质衬底上生长高质量的晶体材料非常困难，在蓝宝石衬底上生长器件级的GaN晶体材料更是困难，直到90年代初，日本人利用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)开发出了生长器件级GaN外延层的两步生长法。所谓的两步生长法就是：首先在500℃左右的生长温度之下，在蓝宝石衬底表面生长厚度在30纳米左右的GaN或AlGaN的缓冲层(buffer layer)，然后再把生长温度提高到大于1000℃，才能生长出高质量的GaN外延层。用这样的方法制成的器件结构中存在大量的位错，位错密度越高器件的发光效率越低。

现在应用最广泛的所谓蓝宝石图形衬底(PSS)技术，可以减少外延层中的位错密度，提高LED的内量子效率，也可以通过PSS图形的漫散射，提高LED的出光效率。常规的PSS技术就是利用光刻工艺和腐蚀工艺在蓝宝石表面形成各种各样的微观图形。比如在(0001)晶向的蓝宝石表面形成具有一定周期性结构的仍然由蓝宝石材料组成的锥形突起，锥形突起之间要保留一定面积的(0001)晶面。由于在锥形突起表面和锥形突起之间的(0001)晶面之间存在一定的选择性生长机理，也就是，进行外延生长时，在锥形突起之间的(0001)晶面上成核的几率要比在锥形突起表面上成核的几率大，锥形突起上面的外延层一般由侧向生长形成，所以在PSS衬底上进行外延生长具有侧向生长的效果，能降低外延层中的位错密度，提高使用PSS衬底的LED的内量子效率。另一方面PSS衬底表面的微观结构对LED所发出的光有一定的漫散射效果，能破坏全反射作用，因此PSS衬底还可以提高LED的出光效率。在常规PSS衬底上生长LED外延结构，也要用到上面介绍的两步法。

常规的PSS技术还有许多缺陷。首先，由于不管是用湿法还是用干法，蓝宝石的加工难度都非常大，这不但会影响常规PSS的产品良率，还会增加制造成本；其次，由于蓝宝石锥形突起表面和锥形突起之间的(0001)晶面之间的生长选择性不是非常明显，如果锥形突起之间的(0001)晶面的面积太小，在锥形突起的表面也会成核，而且在锥形突起表面形成的晶核的晶向和在锥形突起之间的(0001)晶面上形成的晶核的晶向不同，容易导致多晶的产生；再次，由于蓝宝石衬底的折射率较高，为1.8左右，即使于其表面形成凸起结构，对LED所发出的光的漫散射效果也不是最好，对出光效率的提升也有很大的限制。

侧向外延生长技术(Epitaxial Lateral Overgrowth，ELO)是在厚度为微米量级的高品质的GaN外延层上形成介质掩膜，然后进行二次外延生长得到位错密度比较低的GaN。所述高品质的GaN外延层为单晶结构，生产成本高。而且在介质图形和蓝宝石表面之间厚度大于1微米GaN会影响漫散射的效果，另外大于1微米GaN还会影响器件的一致性，和重复性。

有文章报道了直接在蓝宝石衬底表面形成半导体介质层图形，进行外延生长，但是工艺窗口很小，没有量产价值。

现在也存在在常规PSS上溅射(Sputter)一层有一定晶向的氮化铝(AlN)的技术，与该技术也有明显差别，性价比也比该技术差。