CN105552188B - 半导体结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体结构，包括：衬底，该衬底的上表面包括平面部分和具有倾斜表面的突起部分；缓冲层，位于衬底上表面的平面部分上；n‑GaN层，位于缓冲层和衬底上表面的突起部分上，所述n‑GaN层的上表面包括平整表面和V形坑。本发明还公开了一种半导体结构的制造方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体结构及其制造方法。
背景技术
现有蓝、绿光发光二极管(LED)大都在c面蓝宝石图形衬底(Patterned SapphireSubstrate，PSS)上进行生长，蓝宝石图形衬底一般为密排圆锥形状。如图1所示，一般地，首先在PSS上生长n-GaN层，然后在n-GaN层上生长InGaN超晶格结构，以在外延表面形成若干V形坑，然后生长InGaN量子阱。在n-GaN平整表面生长得到的量子阱为c面量子阱，而在V形坑的侧壁得到的是半极性量子阱。一般地，由于V形坑的面积占比不大，发光以c面量子阱为主。而后再生长p-AlGaN电子阻挡层和p-GaN欧姆接触层，填满V形坑并获得平整的外延表面。
另一方面，传统的c面InGaN量子阱存在很强的极化电场，导致严重的量子限制斯塔克效应(QCSE)，造成电子和空穴的波函数空间分离，复合效率下降。而在半极性面衬底上生长的LED可以缓解或规避极化电场的影响。对于发光波长较长的黄绿光、黄光和红光GaN基LED，半极性面量子阱有源区可以获得更高的效率。目前生长半极性面LED的方法主要有以下两种：一种是在半极性的蓝宝石或GaN同质衬底上进行生长；还有一种是在n-GaN外延表面制作掩膜材料，通过选区生长获得含有半极性面的棱锥，然后再生长InGaN量子阱和p型区，如图2所示。
上述技术方案存在以下缺陷：
1、对于一般的蓝、绿光LED，通过InGaN超晶格形成V形坑的方法必须依赖下面的穿透位错，而位错是生长过程中自发产生的，其分布存在随机性。且位错的密度有限，产生的V形坑也有限。
2、对于半极性面LED，如果是在蓝宝石衬底上生长，得到的材料层错很多，晶体质量不好；如果是在半极性的GaN同质衬底上生长，这种半极性的衬底目前只能提供很小的面积，不适合工业化生产；如果是采用掩膜选取生长，工艺复杂、制作周期长、成品率低。
发明内容
本发明提供了一种半导体结构，包括：衬底，该衬底的上表面包括平面部分和具有倾斜表面的突起部分；缓冲层，位于衬底上表面的平面部分上；n-GaN层，位于缓冲层和衬底上表面的突起部分上，所述n-GaN层的上表面包括平整表面和V形坑。
本发明还提供了一种制造半导体结构的方法，包括：提供衬底，该衬底的上表面包括平面部分和具有倾斜表面的突起部分；在衬底上表面的平面部分上形成缓冲层；在800-1000℃的温度下，在位于缓冲层和衬底上表面的突起部分上生长n-GaN层，所述n-GaN层的上表面包括平整表面和V形坑。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1是根据现有技术的蓝宝石图形衬底上生长的GaN基LED的结构示意图。
图2是根据另一现有技术的蓝宝石图形衬底上生长的GaN基LED的结构示意图。
图3a～3d是根据本发明实施例在蓝宝石图形衬底上生长GaN基LED的过程示意图。
具体实施方式
根据结合附图对本发明示例性实施例的以下详细描述，本发明的其它方面、优势和突出特征对于本领域技术人员将变得显而易见。
在本发明中，术语“包括”和“含有”及其派生词意为包括而非限制；术语“或”是包含性的，意为和/或。
在本说明书中，下述用于描述本发明原理的各种实施例只是说明，不应该以任何方式解释为限制发明的范围。参照附图的下述描述用于帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本发明的示例性实施例。下述描述包括多种具体细节来帮助理解，但这些细节应认为仅仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员应认识到，在不背离本发明的范围和精神的情况下，可以对本文中描述的实施例进行多种改变和修改。
本发明提供了一种在衬底上生长GaN基LED的方法，可以在衬底形成图形化的n-GaN外延表面，包括c平面和V形坑，V形坑侧壁为半极性面，通过温度和生长时间可以调节c平面和V形坑的面积占比大小。然后，在此图形化的n-GaN外延表面上可以外延出不同面积占比的c面InGaN量子阱和半极性面InGaN量子阱，最后再通过p型电子阻挡层和p-GaN的外延获得平整的表面。该衬底的上表面包括平面部分和具有倾斜表面的突起部分。
该衬底的上表面包括平面部分和具有倾斜表面的突起部分。根据本发明的实施例，该衬底可以是c平面密排圆锥形蓝宝石图形衬底。或者，该衬底的突起部分可以是具有三角形截面的棱柱，且棱柱的一个侧面与衬底的平面部分共面。该衬底的突起部分可以为微米量级，该量级也是现有技术常用的量级。但是，本发明的实施例也可以应用于突起部分为十纳米量级或百纳米量级的衬底，实现更小图形尺寸的LED器件。
图3a～3d是根据本发明实施例在蓝宝石图形衬底上生长GaN基LED的过程示意图。
如图3a所示，提供c平面密排圆锥形蓝宝石图形衬底100，该衬底的上表面包括平面部分和圆锥面部分。使用1000-1200℃氢气高温清洗衬底表面。然后，500-550℃生长低温缓冲材料(例如不掺杂GaN)10-50nm并在800-1000℃退火重结晶，在衬底的上表面的平面部分形成低温缓冲层200。
然后，如图3b所示，800-1000℃生长n-GaN层300，即可在对应蓝宝石衬底圆锥的顶端处形成V形坑。随着生长时间越来越长，V形坑越来越大。在800-1000℃生长n-GaN层300一段时间之后，将生长温度提高至1000-1100℃继续生长n-GaN层300，可使V形坑逐渐变小，直至所需大小。因此，通过控制n-GaN层300在800-1000℃的生长时间和在1000-1100℃的生长时间，可以得到具有所需厚度和V形坑大小的n-GaN层300。
接下来，如图3c所示，在n-GaN层300上生长InGaN量子阱层400，即可获得面积占比不同的c面量子阱和半极性面量子阱。在n-GaN层300的平整表面生长得到的量子阱为c面量子阱，而在V形坑的侧壁得到的是半极性面量子阱。
最后，如图3d所示，在InGaN量子阱层400上生长p-AlGaN电子阻挡层和p-GaN欧姆接触层500，并进行平面化，得到GaN基LED外延片。
通过这一方法可以获得以下不同类型的LED结构，包括：
(1)c面InGaN量子阱面积占比远大于半极性面InGaN量子阱，此时发光主要来自c面InGaN量子阱，而V型坑中的半极性面量子阱发光可忽略。V型坑中的半极性面量子阱起增强空穴注入的作用。
对于这种结构，现有技术方法必须在InGaN超晶格结构上形成V型坑，而本发明则不需要InGaN超晶格结构。
(2)c面InGaN量子阱面积占比远小于半极性面InGaN量子阱，此时发光主要来自于半极性面InGaN量子阱，c面InGaN量子阱发光可忽略。此方法可用于制作半极性面LED，其量子阱面积更大，量子限制斯塔克效应(QCSE)更小，对于抑制Droop效应和提高效率很有帮助，尤其是波长较长的可见光LED，如黄绿光、黄光和红光LED。
对于这种结构，现有技术需要使用半极性面衬底，或在形成V形坑时使用掩膜，而本发明采用普通c面衬底，并且不需要使用掩膜。
(3)c面InGaN量子阱和半极性面InGaN量子阱面积占比相当，此时c面量子阱和半极性面量子阱均可发光，其中前者发光波长长、后者发光波长短。通过量子阱厚度和组分的控制，可使c面量子阱发黄光、半极性面量子阱发蓝光，最终直接发出白光，白光的色温可通过量子阱的发光面积、发光波长调控。
一般地，由于QCSE，c面量子阱的发光波长会比同组分半极性面量子阱的发光波长长，在V型坑侧壁生长的半极性面量子阱厚度也会薄于c面量子阱。因此，c面量子阱的发光波长会比半极性面量子阱长，当选择20-40％In组分，3-5nm的量子阱厚度(c平面)时，可使c面量子阱发580nm左右的黄光，半极性面量子阱(1-3nm)发450nm左右的蓝光。这样就组合形成了白光。白光的色温取决于蓝光和黄光的比例，黄光多一点则色温低(暖白光)，蓝光多一点则色温高(冷白光)，可以通过微调量子阱的面积(V型坑的大小)来微调蓝光和黄光的比例，从而调控色温。
对于这种结构，现有技术在形成V形坑时需要使用掩膜，而本发明则不需要使用掩膜。
本发明的实施例可以具有以下一个或多个优点：
1、对于普通蓝绿光LED，现有LED技术中使用的V型坑半极性面主要由位错引起，位置密度不可控。本发明技术可以获得位置密度可控的V型坑。
2、对于黄绿、黄、红等长波长可见光LED，本发明技术利用现有成熟的商品化c面蓝宝石衬底，无需掩膜，外延得到的LED除了内部量子阱有源区是半极性面，其他部分和传统c面LED无异，因而和现有工艺兼容。
3、此发明技术可以替代现有荧光粉转换LED，实现单芯片发白光，简化工艺，减小荧光粉转换的能量损失。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种半导体结构，包括：
衬底，该衬底的上表面包括平面部分和具有倾斜表面的突起部分；
缓冲层，位于衬底上表面的平面部分上；
n-GaN层，位于缓冲层和衬底上表面的突起部分上，所述n-GaN层的上表面包括平整表面和V形坑；
InGaN量子阱层，位于n-GaN层上，所述InGaN量子阱层包括c面量子阱和半极性面量子阱，
其中：
c面量子阱形成于在n-GaN层的平整表面上；
半极性面量子阱形成于n-GaN层的V形坑的侧壁上；以及
c面量子阱的面积占比远小于半极性面量子阱的面积占比，发光主要来自于半极性面InGaN量子阱，c面InGaN量子阱发光可忽略。
2.根据权利要求1所述的半导体结构，其中：
所述衬底是以下中的任一种：
c平面密排圆锥形蓝宝石图形衬底；
衬底的突起部分是具有三角形截面的棱柱，且棱柱的一个侧面与衬底的平面部分共面；
衬底的突起部分为微米量级；
衬底的突起部分为十纳米量级；或者
衬底的突起部分为百纳米量级；并且/或者
所述缓冲层是不掺杂GaN缓冲层。
3.根据权利要求1所述的半导体结构，其中：
所述n-GaN层和所述衬底之间没有掩膜。
4.根据权利要求1所述的半导体结构，还包括：
p-AlGaN层和p-GaN层，位于InGaN量子阱层上。
5.一种制造半导体结构的方法，包括：
提供衬底，该衬底的上表面包括平面部分和具有倾斜表面的突起部分；
在衬底上表面的平面部分上形成缓冲层；
在800-1000℃的温度下，在位于缓冲层和衬底上表面的突起部分上生长n-GaN层，所述n-GaN层的上表面包括平整表面和V形坑；
在n-GaN层上生长InGaN量子阱层，所述InGaN量子阱层包括c面量子阱和半极性面量子阱；
通过调节V形坑大小实现c面量子阱的面积占比远小于半极性面量子阱的面积占比，发光主要来自于半极性面InGaN量子阱，c面InGaN量子阱发光可忽略，
其中：
c面量子阱形成于在n-GaN层的平整表面上；以及
半极性面量子阱形成于n-GaN层的V形坑的侧壁上。
6.根据权利要求5所述的方法，其中：
所述衬底是以下中的任一种：
c平面密排圆锥形蓝宝石图形衬底；
衬底的突起部分是具有三角形截面的棱柱，且棱柱的一个侧面与衬底的平面部分共面；
衬底的突起部分为微米量级；
衬底的突起部分为十纳米量级；或者
衬底的突起部分为百纳米量级；并且/或者
所述缓冲层是不掺杂GaN缓冲层。
7.根据权利要求5或6所述的方法，还包括：
在800-1000℃的温度下生长n-GaN层一段时间之后，将生长温度提高至1000-1100℃继续生长n-GaN层。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：
通过控制n-GaN层在800-1000℃的生长时间和在1000-1100℃的生长时间，得到具有所需厚度和V形坑大小的n-GaN层。
9.根据权利要求5所述的方法，还包括：
在InGaN量子阱层上生长p-AlGaN层和p-GaN层。
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