CN105765742A - 包括阳极氧化铝层的异质结构 - Google Patents

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Abstract

描述了一种包括阳极氧化铝层的半导体结构。所述阳极氧化铝层可位于半导体层和另一个材料层之间。所述阳极氧化铝层可包括延伸到所述半导体层的相邻表面的多个孔。所述材料层可渗入至少一些所述多个孔并与所述半导体层直接接触。在说明性的实施方案中，所述材料层为传导材料，并且所述阳极氧化铝位于p型接触部处。

Description

包括阳极氧化铝层的异质结构
相关申请的引用
本申请要求于2013年10月2日提交的名称为“SEMICONDUCTORHETEROSTRUCTUREDEVICEWITHANODICALUMINUMOXIDELAYER”的共同未决的美国临时申请号61/885578的权益，并且在此通过引用将其并入本文。
技术领域
本公开内容整体上涉及半导体异质结构，并且更特别地涉及包括一个或多个阳极氧化铝层的半导体异质结构。
背景技术
阳极氧化铝(AAO)先前已被研究并应用于众多产品中。近年来，对纳米级材料及其优异性能的兴趣迅速增加。AAO是最流行的具有各种应用的纳米材料之一，这些应用包括：分子分离、催化、能量产生和储存、电子学和光子学、传感器和生物传感器、药物递送以及模板合成。氧化铝的材料制备基于具有纳米孔的自排序过程的廉价电化学阳极氧化。AAO制备不需要任何光刻法或模板法，并且工艺导致良好有序且尺寸受控制的纳米孔。在制备过程中，纳米孔的密度和尺寸在一定程度上可被控制。最近对AAO的研究的特征在于大量的创新，特别是涉及控制和设计复杂的结构特征，例如调制、支链和多层的孔构造。
利用AAO技术来改进光电器件例如发光二极管的效率的兴趣在增加。特别地，基于第III族氮化物(AlGaN)的发光二极管(LED)作为固态照明的部件已吸引了相当大的关注。然而，对于在紫外线范围内发射的发光二极管，必须改进这样的装置的光提取效率以及总体效率，从而使其为紫外线发光灯(例如基于汞的发射器)的可行替代物。AAO技术已被用于光电器件中，例如，作为在用于外延生长的制备中使衬底或半导体层图案化的掩模。例如，在一种方法中，在生长于蓝宝石衬底上的氮化铝(AlN)缓冲层上方形成AAO掩模。首先通过在AlN层上方沉积几微米厚的铝层(其依次使用反应溅射进行沉积)形成AAO掩模。随后，施加两步阳极氧化从而获得纳米多孔的氧化铝层。使用纳米多孔的AAO模板作为掩模，用氩(Ar)等离子体蚀刻衬底直到所有AAO模板被蚀刻掉从而形成纳米多孔的AlN层。纳米多孔的AlN层用于生长用于制造发光二极管(LED)的氮化镓(GaN)基半导体异质结构。
在另一方法中，AAO用作在基于第III族氮化物的LED表面中蚀刻纳米孔的掩模，从而提高LED的提取效率。类似的图案化技术已被应用到GaN基LED芯片的大表面区域上实现纳米图案化，以提高光提取效率。在这种情况下，将孔间距从100nm调制成400nm以实现优化的性能。在二十毫安(mA)下工作时，与在相同的晶片上制造的常规LED相比，从p侧表面纳米图案化的LED获得了42％的光输出功率增强。这种方法提供了用于在GaN基LED上制造纳米结构的潜在技术，其具有面积大、过程快速且成本低的优点。
又一种方法提出了使用AAO膜作为将纳米多孔图案转移到蓝宝石衬底的干蚀刻掩模。随后，在蓝宝石衬底上生长半导体异质结构以形成发光二极管。图案化衬底上的外延生长允许半导体层中穿透位错的减少。另外，由所述图案化工序形成的空气间隙和随后的生长能有效地朝LED的顶部向下反射光子，从而提高LED的总体提取效率。
已经开发了AAO的其他用途。在一种方法中，AAO在LED的制造过程中用作在后续半导体层的沉积/外延生长之前蚀刻n型半导体层的遮蔽掩模。虽然这是有利的方法，但由于其需要由AAO阳极氧化和蚀刻分开的至少两个金属有机化学气相沉积(MOCVD)步骤，因此其不是最科技的或最成本有效的工序。将MOCVD拆分成两个独立的步骤是效率低的，而且蚀刻是技术效率低的步骤。此外，蚀刻可在底层中提供大量的缺陷，这可导致破坏效果。在另一种方法中，执行AAO阳极氧化和蚀刻以将衬底图案化。虽然这种工序在技术上是更易行的，但通过蚀刻将衬底图案化仍然是相对复杂的步骤。
发明内容
鉴于上述内容，发明人提出了从先前方法的技术角度来看更为实用的图案化工艺。在一个实施方案中，通过在其中纳入阳极氧化铝层来将p型接触部图案化。可将阳极氧化铝层纳入异质结构的边界上和/或异质结构内的各种位置中以提供图案化。所述图案化可被配置成基于相应的界面的一个或多个所需的属性，例如传导率、反射率、透明度、应力消除和/或类似的属性。
本发明的多个方面提供包括阳极氧化铝层的半导体结构。所述阳极氧化铝层可位于半导体层和另一材料层之间。所述阳极氧化铝层可包括延伸到所述半导体层的相邻表面的多个孔。所述材料层可渗入至少一些所述多个孔并与所述半导体层直接接触。在说明性的实施方案中，所述材料层是传导材料，并且阳极氧化铝位于p型接触部处。
本发明的第一方面提供了半导体结构，包含：第一半导体层；紧邻所述第一半导体层的阳极氧化铝层，其中所述阳极氧化铝层包括延伸到所述第一半导体层的相邻表面的多个孔；和紧邻所述阳极氧化铝层的材料层，其中所述材料层渗入至少一些所述多个孔并与所述第一半导体层直接接触。
本发明的第二方面提供了光电器件，包含：有源区；位于所述有源区的第一侧上的p型层；直接位于所述p型层上的阳极氧化铝层，其中所述阳极氧化铝层包括多个孔；以及位于所述阳极氧化铝层上的p型接触部，其中所述p型接触部由传导材料形成，并且所述传导材料渗入至少一些所述多个孔并与所述p型层直接接触。
本发明的第三方面提供了制造半导体结构的方法，所述方法包含：形成第一半导体层；形成紧邻所述第一半导体层的阳极氧化铝层，其中所述阳极氧化铝层包括延伸到所述第一半导体层的相邻表面的多个孔；以及形成紧邻所述阳极氧化铝层的材料层，其中所述材料层渗入至少一些所述多个孔并与所述第一半导体层直接接触。
本发明的说明性方面旨在解决本文所描述的一个或多个问题和/或未讨论的一个或多个其它问题。
附图简要说明
结合描述本发明各个方面的附图，从以下对本发明各个方面的详细描述中，将更容易地理解本公开内容的这些和其他特征。
图1示出了根据一个实施方案的说明性光电器件的示意性结构。
图2A和2B示出了根据一个实施方案的使用AAO层掩模的p型接触部设计的进一步的细节。
图3示出了根据一个实施方案的AAO层上方生长的缓冲层的说明性的示意性结构。
图4示出了根据一个实施方案的其中AAO层位于缓冲层两侧上的说明性的示意性结构。
图5A-5C示出了根据实施方案的AAO层的说明性的孔分布和形态。
图6A-6C示出了根据实施方案的利用多个铝沉积和阳极氧化步骤而形成的说明性结构。
图7示出了根据一个实施方案的由四对交替的半导体层和AAO层形成的说明性结构。
图8示出了根据一个实施方案的包括半导体层和金属层以及多个AAO层的说明性结构。
图9A-9C示出了根据实施方案的说明性光电器件。
图10A、10B分别示出根据一个实施方案的AAO层的概览和缩放图像。
图11A、11B分别示出根据一个实施方案的另一AAO层的概览和缩放图像。
图12A、12B分别示出根据一个实施方案的又一AAO层的概览和缩放图像。
图13示出了根据一个实施方案的制造电路的说明性流程图。
应当注意的是，附图可能不是按比例的。附图仅旨在描绘本发明的典型方面，因此不应该被认为是限制本发明的范围。在附图中，附图之间的相同编号表示相同的要素。
具体实施方式
如上所述，本发明的多个方面提供了包括阳极氧化铝层的半导体结构。所述阳极氧化铝层可位于半导体层和另一材料层之间。所述阳极氧化铝层可包括延伸到所述半导体层的相邻表面的多个孔。所述材料层可渗入至少一些所述多个孔并与所述半导体层直接接触。在说明性的实施方案中，所述材料层为传导材料并且阳极氧化铝位于p型接触部处。
如本文所使用的，除非另有说明，术语“一组”是指一个或多个(即至少一个)，用语“任何解决方案”是指任何现在已知的或以后开发的解决方案。还如本文所使用的，当层允许至少百分之十的具有目标波长的辐射(以垂直于所述层的界面的入射来进行辐射)从中穿过时，所述层为透明层。此外，如本文所使用的，当层反射至少百分之十的具有目标波长的辐射(以垂直于所述层的界面的入射来进行辐射)时，所述层为反射层。在一个实施方案中，辐射的目标波长对应于在器件工作期间光电器件的有源区发射的或检测的辐射的波长(例如，峰值波长+/-5纳米)。对于给定的层，所述波长可在考虑的材料中被测量，并且可取决于所述材料的折射率。此外，如本文所使用的，当接触在超出电流/电压的相关范围外呈现出近似线性电流-电压行为从而能够在电流/电压的相关范围内通过接触区域使用接近电流-电压关系的线性关系，至所需的精确度(例如，+/-百分之一)时，所述接触被认为是“欧姆”式的。
本发明的多个方面提供了能够被纳入光电器件例如常规的或超级发光二极管、发光激光器、激光二极管、光传感器、光探测器、光电二极管、雪崩二极管和/或类似物中的异质结构。转向附图，图1示出了根据一个实施方案的说明性的光电器件10的示意性结构。在更特别的实施方案中，光电器件10被配置成作为发射器件例如发光二极管(LED)或激光二极管(LD)进行工作。在任一情况下，在光电器件10的工作期间，施加与带隙相当的偏置导致从光电器件10的有源区18中发射电磁辐射。光电器件10发射(或检测)的电磁辐射可具有任何波长范围内的峰值波长，包含可见光、紫外线辐射、深紫外线辐射、红外线，和/或类似物。在一个实施方案中，器件10被配置成发射(或检测)具有在紫外线波长范围内的主波长的辐射。在更具体的实施方案中，主波长处于在约210和约350纳米之间的波长范围内。
光电器件10包含异质结构11，所述异质结构11包含衬底12、与衬底12相邻的缓冲层14、与缓冲层14相邻的n型层16(例如包层、电子供给层、接触层和/或类似的层)，以及具有与n型层16相邻的n型侧的有源区18。此外，光电器件10的异质结构11包括与有源区18的p型侧相邻的第一p型层20(例如电子阻挡层、包层、空穴供给层和/或类似的层)，以及与第一p型层20相邻的第二p型层22(例如包层、空穴供给层、接触层和/或类似的层)。
在一个更特别的说明性实施方案中，光电器件10是基于第III-V族材料的器件，其中各个层中的一些层或所有层由选自第III-V族材料系的元素形成。在另一个更特别的说明性实施方案中，光电器件10的各个层由基于第III族氮化物的材料形成。第III族氮化物材料包含一种或多种第III族元素(例如硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)和铟(In))和氮(N)，使得BWAlXGaYInZN，其中0≤W，X，Y，Z≤1，且W+X+Y+Z＝1。说明性的第III族氮化物材料包括具有任意摩尔比例的第III族元素的二元、三元和四元合金，例如AlN、GaN、InN、BN、AlGaN、AlInN、AlBN、AlGaInN、AlGaBN、AlInBN和AlGaInBN。
基于第III族氮化物的光电器件10的说明性实施方案包括由InyAlxGa1-x-yN、GazInyAlxB1-x-y-zN、AlxGa1-xN半导体合金或类似物构成的有源区18(例如一系列交替的量子阱和势垒)。同样地，n型层16、第一p型层20和第二p型层22可由InyAlxGal-x-yN合金、GazInyAlxB1-x-y-zN合金或类似物构成。在不同的层16，18，20和22之间，由x、y和z所给定的摩尔比例可不同。衬底12可为蓝宝石、碳化硅(SiC)、硅(Si)、GaN、AlGaN、AlON、LiGaO2，或其他合适的材料，缓冲层14可由AlN、AlGaN/AlN超晶格和/或类似物构成。
光电器件10可进一步包括p型接触部24，其可与第二p型层22形成欧姆接触，并且p型电极26可附接至p型接触部24。类似地，光电器件10可包括n型接触部28，其可与n型层16形成欧姆接触，并且n型电极30可附接至n型接触部28。p型接触部24和n型接触部28可分别与相应的层22、16形成欧姆接触。
在一个实施方案中，p型接触部24和n型接触部28各自包含几个传导和反射性金属层，而n型电极30和p型电极26包含高度传导的金属。在一个实施方案中，第二p型层22和/或p型电极26对由有源区18所产生的电磁辐射可为透明的。例如，第二p型层22和/或p型电极26可包含短周期超晶格的晶格结构，例如至少部分透明的掺杂镁(Mg)的AlGaN/AlGaN短周期超晶格结构(SPSL)。此外，p型电极26和/或n型电极30可反射由有源区18所产生的电磁辐射。在另一实施方案中，n型层16和/或n型电极30可由短周期超晶格形成，例如AlGaNSPSL，其对于由有源区18所产生的电磁辐射是透明的。
如参照光电器件10进一步示出的，器件10可通过倒装芯片配置中的接触部26、30被安装到基座36上。在这种情况下，衬底12位于光电器件10的顶部上。据此，p型电极26和n型电极30均可分别通过接触垫32，34附接到基座36。基座36可由氮化铝(AlN)、碳化硅(SiC)和/或类似物形成。
光电器件10被示出为包括各种阳极氧化铝(AAO)层40A-40F。虽然示出了6个AAO层40A-40F，但应当理解，光电器件10的实施方案可包括任何数量的一个或多个AAO层40A-40F。据此，光电器件可包括一个或多个AAO层40A-40F的任何组合。类似地，在光电器件中可不包括一个或多个AAO层40A-40F的任何组合。在一个实施方案中，光电器件仅包括位于异质结构11的各个界面处的一个或多个AAO层，例如AAO层40A-40C。类似地，光电器件的一个实施方案包括位于异质结构11内的一个或多个AAO层，例如AAO层40D-40F。
光电器件10中各个层的任何层可包含基本均匀的组成或梯度组成。例如，层可包含与另一层的异质界面处的梯度组成。在一个实施方案中，第一p型层20包含具有梯度组成的p型电子阻挡层。可包括一种(或多种)梯度组成以例如减小应力、改进载流子注入和/或类似物。类似地，层可包含包括多个周期的超晶格，其可被配置成用于减小应力和/或类似物。在这种情况下，每个周期的宽度和/或组成可从周期到周期而周期性地或非周期性地变化。
应当理解，本文所述的光电器件10的层构造只是说明性的。据此，用于光电器件的异质结构可包括替代的层构造、一个或多个附加层和/或类似物。因此，虽然示出了各层彼此紧邻(例如彼此接触)，但应当理解，在用于光电器件的异质结构中可存在一个或多个中间层。例如，用于光电器件的说明性异质结构可包括介于有源区18与第二p型层22和n型层16中的一个或两个之间的未掺杂层。
此外，用于光电器件的异质结构可包括分布式布拉格反射体(DistributiveBraggRefleetor，DBR)结构，所述分布式布拉格反射体结构可被配置成用于反射特定的一种(或多种)波长的光，例如由有源区18发射的那些，由此提高器件/异质结构的输出功率。例如，所述DBR结构可位于第二p型层22和有源区18之间。DBR结构和/或第一p型层20可具有基于由所述器件产生的光的所需波长而选择的任何组成。在一个实施方案中，DBR结构具有Mg、Mn、Be或Mg+Si掺杂的p型组成。第一p型层20可由p型AlGaN、AlInGaN和/或类似物形成。应当理解，用于光电器件的异质结构可包括DBR结构和第一p型层20(其可位于DBR结构和第二p型层22之间)，或者可包括DBR结构或第一p型层20中的仅一个。在一个实施方案中，第一p型层20可包括在器件/异质结构中代替电子阻挡层。在另一实施方案中，第一p型层20可包括在第二p型层22和位于与有源区18相邻的电子阻挡层之间。
尽管如此，可利用任何解决方案制造器件10。例如，可利用任何解决方案使异质结构11的各个层在相邻的层上外延生长(例如沉积)。可利用任何解决方案制造每个AAO层40A-40F，例如通过沉积基本上由铝构成的薄层以及对该铝层执行阳极氧化处理(例如通过使该铝层氧化)。当异质结构11包括在异质结构11内的一个或多个AAO层例如AAO层40D-40F时，可利用沉积工艺(例如金属有机化学气相沉积(MOCVD))和阳极氧化工序的组合来制造异质结构11。
此外，形成AAO层40A-40F可包括在阳极氧化处理过程中在AAO层40A-40F中形成多个孔。在一个实施方案中，至少一些孔延伸穿过AAO层40A-40F。在一个更特别的实施方案中，基本上所有的孔延伸穿过AAO层40A-40F。孔的属性，包含孔的特性尺寸(例如平均直径)、孔的最大深度、孔的密度和/或类似的属性可根据所采用的阳极氧化工序而变化。例如，可通过将铝膜放置到电解质(例如草酸、磷酸、硫酸、丙二酸和/或类似物)中来形成AAO层40A-40F，其中可根据目标孔尺寸选择酸的浓度。随后，AAO层40A-40F的形成可包括在几个小时的时间段内施加约35伏特至约45伏特范围内的电压电势。
阳极氧化工序之后可为蚀刻阳极氧化的氧化铝。例如，这样的蚀刻可包含化学蚀刻，其包括：在温度处于65-80℃的范围内时在铬酸和磷酸中蚀刻。磷酸可在6wt％至7wt％的范围内，铬酸可在2wt％至3wt％的范围内。
此外，可通过重复与第一阳极氧化基本上类似或相同的工艺来进行第二阳极氧化。在这种情况下，可形成具有一端堵塞的半导体底层的六边形排列的纳米多孔结构。可基于目标膜厚度选择第二阳极氧化的工艺时间，例如根据所需的膜厚度(例如AAO孔的所需深度)可为从一小时至四十八小时。
在阳极氧化之前，可对沉积在底层上方的铝进行电解抛光或对铝衬底进行电解抛光。所述电解抛光可涉及将铝置于高氯酸和乙醇的混合物中，其中各化学品的比率在以体积计1∶3至1∶5的范围内，乙醇的纯度在99％-99.9％的范围内，高氯酸的纯度在69-72％的范围内。随后，根据目标表面粗糙度，可在低于10摄氏度的温度下施加约十伏到约二十伏范围内的电压电势3至10分钟。
在一个实施方案中，可将p型接触部24沉积到包括孔的AAO层40A上，使得p型接触部24的至少一部分渗透穿过所述AAO层40A中存在的孔。可将p型接触部24退火以与第二p型层22形成欧姆接触。类似地，可将n型接触层28沉积到包括孔的AAO层40B上，使得n型接触部28的至少一部分渗透穿过AAO层40B中存在的孔。可将n型接触部28退火以与n型层16形成欧姆接触。将结合p型接触部描述异质结构11和金属接触部24、28之间的界面的另外的细节。然而，应当理解，类似的接触部设计可用于n型接触部。
图2A和2B示出了根据一个实施方案的使用AAO层掩模(例如图1的AAO层40A)的p型接触部设计的进一步的细节。如已知的，可利用外延生长工艺例如MOCVD来形成包括在衬底12上的一系列半导体层的异质结构。通常，在形成一个(或多个)n型层16后，形成有源区18以及形成一个(或多个)p型层22。应当理解，虽然为清楚起见，仅示出了单一n型层16和p型层22，但是异质结构可包含各种n型层和p型层、缓冲层、DBR结构等的任何组合。在一个实施方案中，使用不间断的MOCVD生长工艺形成异质结构的各个半导体层，由此不会导致与停止和启动MOCVD生长工艺相关的额外费用。此外，不间断的MOCVD生长工艺可提高半导体异质结构的再现性。
形成p型层22之后，可使用任何解决方案制造包括多个孔的AAO层40A。例如，可将铝层直接沉积到p型层22上，接着进行阳极氧化工艺。阳极氧化工艺被配置成在基于所述阳极氧化工艺的各种参数的预定密度下产生具有穿过AAO层40A分布的预定特性尺寸(例如平均直径)的孔42，所述各种参数例如是阳极氧化施加的电压、电解质、阳极氧化时间和/或类似的参数。可以执行阳极氧化工艺持续预定的时间段，该预定的时间段足以允许至少一部分孔渗透整个AAO层40A，这可导致有序的孔阵列。此外，AAO层40A可用作掩模以蚀刻孔进入半导体底层，例如p型层22，这可导致延伸穿过AAO层40A并突出到半导体底层中的孔。
在一个实施方案中，基于p型接触部24的电流扩展长度44选择孔42的特性尺寸和密度。例如，可选择所述特性尺寸和密度使得多个孔42存在于电流扩展长度44之内。在一个实施方案中，将孔42之间的特性距离选择为比p型接触部24的大致电流扩展长度44小。据此，电流扩展长度44，1，可近似为： l = 2 a ( r b ) / a tan ( 2 r b a )
其中b为p型接触部24的厚度，a为孔42的半径，r＝ρ⊥/ρII，其中ρII为沿p型接触部24的横向方向的电阻率，ρ⊥为p型接触部24的法线方向的电阻率。
接下来，可将p型接触部24沉积在AAO层40A上方。p型接触部24可由与接触部24位于其上的半导体层(例如p型层22)形成良好欧姆接触的任何类型的材料形成。对于p型欧姆接触，一般使用具有高逸出功(例如高于五电子伏特)的材料，例如镍(Ni)和钯(Pd)。在一个实施方案中，p型接触部24包括由两个或更多个子层24A、24B形成的欧姆层，其在沉积过程中可具有突变的界面。在一个实施方案中，将p型接触部24的子层24A、24B部分合金化。一种或多种金属例如可以是：钴(Co)、镍(Ni)、钯(Pd)、铁(Fe)和铂(Pt)。此外，一种或多种金属可以是：Pd、铑(Rh)、钌(Ru)、锇(Os)、铱(Ir)、钍(Th)和硼(B)，其可与以下中的一个或多个结合：钙(Ca)、镁(Mg)、铍(Be)、锰(Mn)或锡(Sn)，最大浓度高达约1021cm-3。可替代地，一个或多个子层24A、24B可包含非金属。例如，在一个实施方案中，子层24A由透明传导氧化物例如掺杂锡的氧化镓(Ga2O3)、掺杂锡的氧化铟(ITO)和/或类似物制成。
此外，p型接触部24可包括多个层，出于不同目的而包括多个层中的每个层。于2012年12月12日提交的名称为“UltravioletReflectiveContact”的美国专利申请号13/711675中示出并描述了说明性的多层接触部。例如，如图2B所示，p型接触部24可包含层叠的堆叠体，层叠的堆叠体包括：欧姆层24C，例如薄镍层；欧姆保护性/欧姆增强层24D，例如铑；反射层24E，例如铝；和反射保护层24F。保护层24D、24F可包含任何类型的材料并具有最小的厚度，以防止在制造过程中后续层扩散到下面的层中。反射层24E可由反射具有目标波长的光的任何材料形成，所述目标波长例如对应于由有源区18所产生的光的波长。
尽管如此，在沉积时，p型接触部24的欧姆层可渗入至少一些AAO孔42并接触p型层22。虽然图2A示出了所有AAO孔42被p型接触部24渗入，但是应当理解，并不是所有的AAO孔42需要被填充。据此，图2B示出了几个AAO孔42保持开放的实施方案。在一个实施方案中，由p型接触部24的材料所填充的孔的相对数量足以使得p型接触部24和p型层22之间所得的总接触电阻不大于器件总电阻的百分之几(例如不到10％)。
由于p型层22和开放的AAO孔42A中存在的气体之间的界面48处的总体内反射，开放的孔42A的存在可导致从AAO层40A的增强的辐射反射。在一个实施方案中，可将开放的孔和填充的孔的分布配置成与目标分布对应。例如，p型接触部24的欧姆层24C可以岛的形式沉积在AAO层40A的各个位置处，这可导致大多数孔被填充的填充AAO孔42的区域，以及大多数孔开放的AAO孔42A的区域。
沉积p型接触部24之后，可将结构退火。可将退火配置成导致p型接触部24渗入p型层22并形成改进的欧姆接触。欧姆接触的形成可包括在450-800摄氏度的温度下，在含有氮、氩、氧和/或类似物的周围环境中退火。退火可包括快速热退火(例如将所述结构加热到600摄氏度，并随后以约每秒八摄氏度的速率冷却所述结构)。如图2B中的放大部分所示，p型接触部24可在p型层22中终止于尖端46，其可在尖端区域导致高电场幅值，进一步促进传导率。虽然p型接触部24主要被描述为欧姆接触，但是应当理解，p型接触部24可形成半欧姆接触，例如，不具有线性行为的接触，但也可以是具有肖特基势垒的肖特基接触，所述带肖特基势垒足够小，使得p型接触部24和p型层22之间所得的总接触电阻不大于器件总电阻的百分之几(例如不到10％)。
在一个实施方案中，可通过利用任何解决方案蚀刻p型层22的表面来进一步促进欧姆接触的形成。例如可在施加AAO层40A之前对p型层22进行蚀刻。在一个实施方案中，通过在沉积p型接触部24之前部分地蚀刻所述AAO层40A和P型层22的暴露表面来蚀刻p型层22的表面。可执行这样的蚀刻以诱发在p型层22的由AAO孔42暴露出的区域中形成槽，和/或改变p型底层22。蚀刻后，p型接触部24可通过至少一些AAO孔42沉积到剩余的AAO层40A上方，并进入在p型层22的表面上形成的槽中，以形成具有较好的传导率特性的欧姆接触。
回到图1，可在衬底12的与外延生长表面相对的表面上形成AAO层40C。所述AAO层40C可被配置成用于改进光电器件10的顶部表面的传输性质，例如，这可导致从发射器件的改进的光提取。例如，AAO层40C可包括孔，所述孔被配置为提供纳米粗糙度区域、具有受控的平均折射率的区域和/或类似的区域。可通过将AAO的折射率和气体的折射率(例如，可以假定一个用于气体的折射率)取平均来计算平均折射率。可通过(nAAOxA1+ngasxA2)计算AAO层每个高度的平均折射率，其中nAAO是AAO的折射率，ngas是气体的折射率，A1是包含AAO的横向区域的分数(在所述层的给定高度下取得)，A2是包含气体的横向区域的分数(在所述层的给定高度下取得的孔所占据的横向区域的分数)。如果AAO孔的尺寸(并且因此由孔所占据的区域A2的分数)在整个层厚中变化，平均折射率跨层厚度可以是可变的数量。例如，可通过在阳极氧化工艺过程中改变所施加的电压实现孔尺寸的这样的变化。
在一个实施方案中，在异质结构11的半导体层的外延生长过程中，可一次或多次停止生长工艺(例如MOCVD)以在异质结构11中纳入AAO层，例如一个或多个AAO层40D-40F。形成AAO层40D-40F后，可以重新启动所述生长工艺以形成另外的半导体层。虽然本文示出并描述了AAO层40D-40F的三个说明性位置，但应该理解，这些位置仅是其中可纳入AAO层的异质结构11中的各个位置的说明。
尽管如此，可在生长第二p型层22之前将AAO层40D纳入异质结构11中。例如，异质结构11中的半导体层的外延生长可持续至第一p型层20(例如电子阻挡层)的生长完成。随后，可施加包括孔的AAO层40D。在这种情况下，第二p型层22的生长可在AAO层40D的孔42(图2A)内发生，随后在AAO层40D的顶表面之上横向过度生长。第二p型层22可由具有低铝含量或无铝含量的材料例如氮化镓形成。这样的材料易于横向过度生长，并可导致第二p型层22具有一部分如在没有AAO层40D的情况下会导致的点缺陷和穿透位错缺陷。因此，这种方法可有助于提高光电器件10的可靠性和稳定性。
可在开始异质结构11的半导体层的外延生长之前，在衬底12的表面上形成AAO层40E。据此，图3示出了根据一个实施方案的生长在AAO层40E上方的缓冲层14的说明性的示意性结构。在说明性实施方案中，衬底12是蓝宝石，其具有与AAO层40E相同的化学组成。尽管如此，如所示的，AAO层40E可提供在其上生长缓冲层14的图案化表面，其可以在缓冲层14的形成中提供应力消除。此外，如本文所描述的，AAO层40E可被配置为提供波导。随后，可随着n型层16在缓冲层14上的生长继续外延生长工艺。
类似地，可在生长n型层16之前，在缓冲层14上形成AAO层，例如用于提供应力消除和/或波导。据此，图4示出了根据一个实施方案的AAO层40E、40F位于缓冲层14的两侧上的说明性的示意性结构。虽然示出了两个AAO层40E、40F，但应当理解，实施方案可仅包括AAO层40F。尽管如此，在这种情况下，缓冲层14的外延生长后，可将AAO层40F沉积在其上。随后，可重新启动外延生长，生长n型层16并随后生长有源区18。应当理解，虽然AAO层40E、40F中的开口被示出为具有基本相同的尺寸并基本上对准，但也可不是这样，并且AAO层40E、40F可包括具有任何类型的布置和位置的开口。
可基于AAO层的目标标准来选择AAO层的孔的布置尺寸和形态。例如，就图1所示的AAO层40A、40B而言，目标标准可分别包括相应的接触部24、28的所需的传导率、所需的反射率、所需的透明度和/或类似物。例如，根据AAO层所需的折射率，所述孔可具有大或小的直径，以及低或高的密度。
图5A-5C示出了根据实施方案的说明性的孔分布和形态。图5A示出了AAO层40的顶视图，其中孔42B、42C可填充有不同的材料。例如，孔42B可填充有第一材料50，而其余的孔42C可填充有与第一材料50不同的第二材料。如所示的，第一材料50可形成域结构或较大的岛，所述域结构或较大的岛被由第二材料所形成的一个(或多个)域分隔。在说明性实施方案中，例如对于图1所示的AAO层40A、40B，第一材料50包含金属性材料，而第二材料为不同的金属性介质、不同的透明传导氧化物介质、电介质、气体、两种或更多种这些材料的组合，和/或类似物。
在一个实施方案中，孔42B、42C填充有两种不同的传导性介质。例如，第一材料50可具有第一组性质(例如传导率，反射率，透明度和/或类似物)，而另一种材料具有第二组性质。在一个更特别的实施方案中，一组性质可以是高度透明/反射的，而另一组性质则有助于形成欧姆接触。在又一个更特别的实施方案中，第一材料50可包含具有相对差的传导性质的高度反射的金属性接触部，例如铝，而另一材料包括镍、钯或类似物，并形成较好的欧姆接触同时为较少反射性的。在一个实施方案中，配置第一和第二材料和孔使得横向区域的至少百分之十是透明的。
虽然整体上示出了AAO层的孔具有基本上矩形的横截面，但应理解，这仅是孔的可能横截面的说明。据此，在图5B中，示出了AAO层40包括具有不规则横截面的孔42D，而在图5C中，示出了AAO层40包括形成树状结构的孔42E。例如可通过改变在阳极氧化工艺过程中所使用的电压来形成孔42D、42E的不同的横截面。例如，阳极氧化电势可逐步降低。据此，初始阳极氧化电势可为40V，随后在约500秒时为30V，并且随后在约1000秒时为25V，随后在约1500秒时为18V。应当理解，上述时间表仅是代表性的，并且这种时间表的改变可导致树分支的改变。
在一个实施方案中，可将一个或多个AAO层纳入可位于器件10(图1)中的复合结构中。可实现具有交错排列的孔、受控的平均折射率和/或类似物的各种复杂结构。据此，图6A-6C分别示出了根据实施方案的利用铝沉积和阳极氧化的多个步骤形成的说明性结构52A-52C。在图6A和6B中，结构52A、52B可由彼此堆叠的多个AAO子层54(图6A中示出的六个，图6B中示出的三个)形成。在这种情况下，每个AAO子层54可通过在开始形成下一个AAO子层54之前沉积铝并阳极氧化所述子层54而形成。在结构52A中，子层54(由空白区域指示)的孔具有交错的排列，而结构52B中的子层54的孔形成光子晶体。
图6C示出了包括三个区域56A-56C的说明性结构52C。区域56A、56C具有相对大的孔密度，并由多个AAO子层形成，而中间区域56B由单一AAO子层形成，其相对于区域56A、56C具有小的孔密度。区域56A、56C的折射率可比中间区域56B的折射率小，由此形成波导结构。可将这样的波导结构52C纳入半导体结构中(例如在第二p型层22上方(图1))，例如以引导(waveguide)发射的光到边缘发射激光器的结构的边缘。
在又一实施方案中，可由交替的AAO层和半导体层形成复杂结构。例如，图7示出根据一个实施方案的由四对交替的半导体层62A-62D和AAO层64A-64D形成的说明性结构60。这样的结构例如可在半导体层内同时用于波的引导和应变的释放。所述结构可纳入半导体异质结构的缓冲层中，或者甚至可用作缓冲层和n型包层之间的过渡层。可替代地，这样的结构可纳入p型接触结构中。
类似地，复杂结构的形成也可包含金属沉积。例如，图8示出根据一个实施方案的包括半导体和金属层以及多个AAO层的说明性结构66。特别地，结构66的形成可包括：生长第一半导体层68A；形成第一AAO层70A；沉积金属层72(其渗入AAO层70A的孔)；形成第二AAO层70B；以及生长第二半导体层68B(其渗入AAO层70B的孔)。虽然这只是说明性实施方案，但它表明了本文所述的AAO层可用于连接半导体结构和金属性层的灵活性。这样的结构可用于器件的复杂接触层的形成。
结合图6A-8所描述的结构可纳入光电器件的各种位置中的任何位置中。据此，图9A-9C示出了根据实施方案的说明性光电器件10A-10C。在图9A中，示出了光电器件10A包括位于与p型接触部24相邻的AAO结构74A、位于与n型接触部28相邻的AAO结构74B以及位于衬底12的底表面上的AAO结构74C。光电器件10A可具有倒装芯片设计，在该情况下辐射主要从结构74C发射。在这种情况下，结构74A、74B可被配置为具有反射性质，而结构74C可被配置用于改进从器件10A例如通过波导、光子晶体和/或类似物的辐射发射。
在图9B中，示出了具有立式设计的光电器件10B(例如立式发光二极管)。在这种情况下，辐射可主要从第二p型层22发射。因此，p型接触部24可被配置成仅掩盖第二p型层22的小部分。光电器件10B被示出为包括位于与n型接触部28相邻的AAO结构74D。AAO结构74D可被配置为具有反射性质。在一个实施方案中，相对于p型接触部而言，如本文所述的，AAO结构74D包含具有来自于位于至少一部分孔内的n型接触部28的金属的AAO层。
在图9C中，光电器件10C包括分别位于与p型接触部24和n型接触部28相邻的AAO结构74E、74F。在一个实施方案中，AAO结构74E、74F包含能够传输由有源区18所发射的至少一部分辐射的透明结构。在又一个实施方案中，AAO结构74E、74F中的一个或两个包含波导结构，从而将由有源区18所发射的辐射引导至器件10C的边缘(例如用于边缘发射激光器)。
光电器件可包括被配置成通过可调谐的局部表面等离子体(Localized-Surface-Plasmon，LSP)提供额外的发射增强的一个或多个AAO膜。例如，可调谐的LSP可在辐射与通过沉积金属性层穿过AAO膜的孔形成的金属性接触岛相互作用时产生，由此形成金属性岛。可将这样的金属性岛调谐到由半导体异质结构吸收或发射的辐射的共振条件。能够激发LSP的说明性金属接触部可由铂、铝或类似物形成。例如，通过选择孔的尺寸和选择传导金属实现调谐，从而匹配用于产生LSP的共振条件。
图10A-12B示出了根据实施方案的具有不同形态的说明性AAO层的概览和缩放图像。特别地，图10A、10B分别示出了具有尺寸相对小的孔(暗区)和孔之间相对大的间隔的AAO层的概览和缩放图像。与此相比，图11A、11B分别示出了与图10A、10B中所示的AAO层的那些孔尺寸相当的孔(暗区)，但具有小得多的间距的另一个AAO层的概览和缩放图像。图12A、12B分别示出了具有比图10A-11B中所示的AAO层的那些孔的尺寸大得多的孔(暗区)并具有与图11A、11B中所示的AAO层的孔的分隔相当的分隔的AAO层的概览和缩放图像。如本文所使用的，孔之间的相对大的间距对应于相邻的孔中心之间的、为孔的特性尺寸的至少两倍的特性距离。可基于AAO层和相应的结构的目标属性(例如透明度、反射率、传导率和/或类似物)来选择不同的孔形态。例如，含有相对大的紧密间隔的孔的形态可用于可用作波导包层的低折射率层。用金属填充这些形态时，这些形态还可导致形成良好的传导欧姆接触。对于含有彼此相隔相对远的较小尺寸的孔的形态，可利用它们的高透明度特性。
在一个实施方案中，本文所述的AAO层中的孔的密度和/或尺寸可横向变化。在这种情况下，AAO层可产生例如穿过AAO层横向变化的有效折射率。这样的可变化的折射率例如可形成能够进行透镜辐射(lensingradiation)的介质。例如，可通过在阳极氧化工序过程中改变电解质溶液中酸的浓度来实现横向可变化性。
虽然本文主要结合用于光电器件的异质结构和制造这样的异质结构和/或器件的方法示出并描述了本发明的说明性方面，但应当理解，本发明的多个方面还提供了各种可替代的实施方案。
在一个实施方案中，本发明提供了用于设计和/或制造电路的方法，所述电路包含如本文所描述的进行设计和制造的一个或多个器件。据此，图13示出了根据一个实施方案的用于制造电路126的说明性流程图。起初，用户可利用器件设计系统110生成用于如本文所述的半导体器件的器件设计112。器件设计112可包含程序代码，器件制造系统114可使用所述程序代码从而根据由器件设计112所定义的特征生成一组物理器件116。类似地，可将器件设计112提供给电路设计系统120(例如，作为在电路中使用的可用部件)，用户可使用电路设计系统120产生电路设计122(例如，通过将一个或多个输入和输出连接到电路中所包括的各个器件)。电路设计122可包含程序代码，所述程序代码包括如本文所述的进行设计的器件。在任何情况下，可将电路设计122和/或一个或多个物理器件116提供给电路制造系统124，电路制造系统124可根据电路设计122生成物理电路126。物理电路126可包括如本文所述设计的一个或多个器件116。
在另一个实施方案中，本发明提供了用于设计如本文所述的半导体器件116的器件设计系统110，和/或用于制造如本文所述的半导体器件116的器件制造系统114。在这种情况下，系统110、114可包含被编程以实现设计和/或制造如本文所述的半导体器件116的方法的通用计算设备。类似地，本发明的一个实施方案提供了用于设计电路126的电路设计系统120和/或用于制造所述电路126的电路制造系统124，所述电路126包括至少一个如本文所述设计和/或制造的器件116。在这种情况下，系统120、124可包含被编程以实现设计和/或制造包括至少一个如本文所述的半导体器件116的电路126的方法的通用计算设备。
在又一实施方案中，本发明提供了固定在至少一种计算机可读介质中的计算机程序，该计算机程序在被执行时能够使计算机系统实现设计和/或制造如本文所述的半导体器件的方法。例如，如本文所述，所述计算机程序可以能够使器件设计系统110生成器件设计112。据此，计算机可读介质包括程序代码，所述程序代码在被计算机系统执行时实现本文所描述的一些或全部方法。应当理解，术语“计算机可读介质”包含一个或多个任何类型的、现在已知的或以后开发的有形表达介质，从中计算设备可感知、复制或以其他方式通信所存储的程序代码的副本。
在另一个实施方案中，本发明提供了用于提供程序代码副本的方法，所述程序副本被计算机系统执行时实现本文所描述的一些或全部方法。在这种情况下，计算机系统可对程序代码的副本进行处理，为处于不同的第二位置的接收方产生并传输一组数据信号，所述数据信号具有一个或多个其特性组和/或以在数据信号组中对程序代码的副本进行编码的方式变化。类似地，本发明的实施方案提供了获取程序代码副本的方法，所述程序代码副本实现本文所述的一些或全部方法，其包含计算机系统，所述计算机系统接收本文所描述的数据信号组，并将所述数据信号组转换成固定在至少一个计算机可读介质中的计算机程序的副本。在任一情况下，可使用任何类型的通信链路来传送/接收所述数据信号组。
在又一实施方案中，本发明提供了生成用于设计本文所述的半导体器件的器件设计系统110和/或用于制造本文所述的半导体器件的器件制造系统114的方法。在这种情况下，可获得(例如创建、维护、使得可用等)计算机系统，并且可获得(例如创建、购买、使用、修改等)用于执行本文所描述的工艺的一个或多个部件，并将所述部件部署给计算机系统。据此，所述部署可包含以下中的一个或多个：(1)在计算设备上安装程序代码；(2)将一个或多个计算和/或I/O设备添加到计算机系统；(3)组合和/或修改计算机系统以使其能够执行本文所描述的方法；和/或类似物。
出于说明和描述的目的，呈现了本发明的各个方面的上述描述。其并非旨在是排他性的或将本发明限制为所公开的精确形式，并且显然地，许多修改和变体是可能的。这样的对本技术领域人员来说可为明显的修改和变体包括在由所附权利要求限定的本发明的范围之内。

Claims (20)

1.半导体结构，包含：
第一半导体层；
紧邻所述第一半导体层的阳极氧化铝层，其中所述阳极氧化铝层包括延伸到所述第一半导体层的相邻表面的多个孔；和
紧邻所述阳极氧化铝层的材料层，其中所述材料层渗入至少一些所述多个孔并与所述第一半导体层直接接触。
2.如权利要求1所述的结构，其中所述第一半导体层包含接触层，并且其中所述材料层包括与所述第一半导体层形成欧姆接触的传导材料。
3.如权利要求2所述的结构，其中所述传导材料是透明传导氧化物。
4.如权利要求2所述的结构，其中所述多个孔之间的特性距离小于电流扩展长度。
5.如权利要求2所述的结构，进一步包含紧邻所述传导材料的反射材料层。
6.如权利要求2所述的结构，其中所述第一半导体层是p型接触层。
7.如权利要求1所述的结构，其中所述第一半导体层的所述相邻表面包含与所述多个孔对应的多个槽。
8.如权利要求1所述的结构，进一步包含紧邻所述第一半导体层的相对侧的第二阳极氧化铝层。
9.如权利要求8所述的结构，其中所述第一半导体层是p型接触层。
10.如权利要求8所述的结构，其中所述第一半导体层为势垒层，并且其中所述材料层是n型半导体层。
11.如权利要求1所述的结构，进一步包含：
透明衬底；和
第二阳极氧化铝层，其包括位于所述透明衬底的外表面上的多个孔。
12.如权利要求11所述的结构，其中所述透明衬底为蓝宝石。
13.光电器件，包含：
有源区；
位于所述有源区的第一侧上的p型层；
直接位于所述p型层上的阳极氧化铝层，其中所述阳极氧化铝层包括多个孔；和
位于所述阳极氧化铝层上的p型接触部，其中所述p型接触部由传导材料形成，并且所述传导材料渗入至少一些所述多个孔并与所述p型层直接接触。
14.如权利要求13所述的光电器件，进一步包含：
位于所述有源区和所述p型层之间的电子阻挡层；和
直接位于所述电子阻挡层上的第二阳极氧化铝层，其中所述第二阳极氧化铝层包括多个第二孔，并且其中所述p型层渗入至少一些所述多个第二孔。
15.如权利要求13所述的光电器件，进一步包含：
位于所述有源区的与所述第一侧相对的第二侧上的n型层；
直接位于所述n型层的暴露部分上的第二阳极氧化铝层，其中所述第二阳极氧化铝层包括多个第二孔；和
位于所述阳极氧化铝层上的n型接触部，其中所述n型接触部由传导材料形成，并且所述传导材料渗入至少一些所述多个孔并与所述n型层直接接触。
16.如权利要求13所述的光电器件，进一步包含：
位于所述有源区的与所述第一侧相对的第二侧上的透明衬底；和
包括多个第二孔的第二阳极氧化铝层，其中所述第二阳极氧化铝层位于所述透明衬底的外表面上。
17.如权利要求13所述的光电器件，进一步包含：
位于所述有源区的与所述第一侧相对的第二侧上的缓冲层；和
包括多个第二孔的第二阳极氧化铝层，其中所述第二阳极氧化铝层位于紧邻所述缓冲层。
18.如权利要求17所述的光电器件，其中所述第二阳极氧化铝层位于所述缓冲层和衬底之间。
19.制造半导体结构的方法，所述方法包含：
形成第一半导体层；
形成紧邻所述第一半导体层的阳极氧化铝层，其中所述阳极氧化铝层包括延伸到所述第一半导体层的相邻表面的多个孔；以及
形成紧邻所述阳极氧化铝层的材料层，其中所述材料层渗入至少一些所述多个孔并与所述第一半导体层直接接触。
20.如权利要求19所述的方法，进一步包含：基于以下中的至少一个选择所述多个孔的形态：所需的传导率、所需的反射率或所需的透明度。
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