CN107195732B - 一种半导体的极性控制结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体的极性控制结构，从下至上包括衬底，缓冲层，第一导电型的第三半导体层，有源层以及第二导电型的第四半导体层；于所述第一导电型的第三半导体层内部插入一极性控制层，以调控最终半导体的表面或界面极性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料生长及器件领域，特别是一种半导体的极性控制结构及制作方法。
背景技术
现今，21世纪半导体行业取得了快速的方法，半导体发光二极管（LED），特别是氮化物发光二极管因其较高的发光效率，在普通照明领域已取得广泛的应用。氮化物半导体具有两种极性面，一种为氮极性的非金属极性面，一种为Ga-或Al-等金属极性面，该极性面由衬底或缓冲层的表面极性所决定。为了获得更好的金属接触和表面平整度，一般希望最终半导体的表面为金属极性。为了获得恒定金属极性的半导体表面，我们采用了一种半导体的极性控制结构和方法，通过在半导体层的界面接入一层极性控制层，以阻挡衬底或缓冲层的极性延伸和传递，使生长完的半导体表面的极性保持恒定的金属极性面。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种半导体的极性控制结构及制作方法，通过在缓冲层和第一导电型的第三半导体层间插入一层极性控制层，以阻断衬底或缓冲层的极性传递，使生长完的半导体表面具有恒定的金属极性。不论衬底或缓冲层的表面为金属极性或非金属极性，最终外延完的半导体表面为恒定的金属极性面。
根据本发明的第一方面，一种半导体的极性控制结构，从下至上包括衬底，缓冲层，第一导电型的第三半导体层，有源层以及第二导电型的第四半导体层；于所述第一导电型的第三半导体层内部插入一极性控制层，以调控最终半导体的表面或界面极性。
进一步地，所述极性控制层至少为一层，进行多层堆叠极性控制层重复单元，以隔断衬底或缓冲层的极性传导与延伸，使生长完半导体的表面具有恒定的金属极性。
进一步地，所述极性控制层的厚度超过极性传导临界厚度，以阻断衬底或缓冲层的极性向上传导或延伸。
进一步地，所述极性控制层包括金属催化剂以及半导体纳米柱。
进一步地，所述极性控制层包括：于第一半导体纳米柱的底部、顶端分别形成第一金属催化剂、第二金属催化剂，以及于第二半导体纳米柱的底部、顶端分别形成第三金属催化剂、第四金属催化剂。
进一步地，所述第一半导体、第二半导体、第三半导体、第四半导体的材料为III-V族化合物半导体或II-VI族化合物半导体或Si基或SiC或Ge等半导体材料。
进一步地，所述第一金属催化剂、第三金属催化剂处于过饱和状态，表面积分别大于第一半导体纳米柱、第二半导体纳米柱的上表面积，使催化生长完第一半导体纳米柱、第二半导体纳米柱后的底部分别形成第一金属催化剂、第三金属催化剂，第一半导体纳米柱、第二半导体纳米柱的顶端分别形成第二金属催化剂、第四金属催化剂。
进一步地，所述金属催化剂材料为Ag、Al、Au、Zn等金属催化剂。
根据本发明的第二方面，一种半导体的极性结构的制作方法，包含以下步骤：
步骤（1）：在衬底上沉积缓冲层，然后，在缓冲层的表面上沉积第一金属催化剂，其厚度至少大于50个原子层，超过极性传导临界厚度，以阻断缓冲层和衬底的极性传递；第一金属催化剂催化生长第一半导体纳米柱，第一金属催化剂处于过饱和状态，表面积大于第一半导体纳米柱的上表面积，第一金属催化剂保留在第一半导体纳米柱的底部，于第一半导体纳米柱的顶端第二金属纳米催化剂；由于第一金属催化剂保留在第一半导体纳米柱的底部起到极性阻断作用，使生长后的第一半导体纳米柱的极性不受衬底或缓冲层的极性影响，其起始极性为非金属极性或金属极性，终止极性始终为金属极性；然后，在第一半导体纳米柱的第二金属催化剂上方形成掩膜层；
步骤（2）：去除在第一半导体纳米柱间隙位置的掩膜层，沉积第三金属催化剂，其厚度至少大于50个原子层，超过极性传导临界厚度，阻断缓冲层和衬底的极性传递与延伸；
步骤（3）：在第三金属催化剂催化作用下生长第二半导体纳米柱，第三金属催化剂处于过饱和状态，表面积大于第二半导体纳米柱的上表面积，第三金属催化剂保留在第二半导体纳米柱的底部，于第二半导体纳米柱的顶端形成第四金属催化剂；由于第三金属催化剂保留在第二半导体纳米柱的底部起到极性阻断作用，使生长后的第二半导体纳米柱的极性不受衬底或缓冲层的极性影响，其起始极性为非金属极性或金属极性，终止极性始终为金属极性；
步骤（4）：去除掩膜层，形成第一金属催化剂/第一半导体纳米柱/第二金属催化剂和第二金属催化剂/第二半导体纳米柱/第四金属催化剂交替组合的多列柱状表面的极性控制层；
步骤（5）：去除分别位于第一半导体纳米柱、第二半导体纳米柱顶端的第二金属催化剂、第四金属催化剂，形成平整的金属极性的半导体表面，然后，在该金属极性表面上外延生长第一导电型的第三半导体层，有源层，电子阻挡层和第二导电型的第四半导体层，最终的半导体层表面均为金属极性。
进一步地，所述缓冲层与第一导电型的第三半导体层的界面为金属极性或非金属极性，所述第一导电型的第三半导体层与有源层的界面恒定为金属极性。
进一步地，所述金属催化剂材料为Ag或Al或Au或Zn金属催化剂。
进一步地，所述掩膜层材料为SiO2、SiNx等氧化物或氮化物。
附图说明
图1为传统的缓冲层为Ga-极性（金属极性面）生长完的半导体表面具有Ga-极性（金属极性）的示意图。
图2为传统的缓冲层为N-极性（非金属极性面）生长完的半导体表面具有N-极性（非金属极性）的示意图。
图3为本发明的一种半导体的极性控制结构及制作方法：缓冲层为N-极性（非金属极性）面，生长完的半导体表面保持恒定的Ga-极性（金属极性）示意图。
图4为本发明的一种半导体的极性控制结构及制作方法：缓冲层为Ga-极性（金属极性）面，生长完的半导体表面保持恒定的Ga-极性（金属极性）示意图。
图5为本发明的半导体的极性控制结构及制作极性控制层的步骤1示意图。
图6为本发明的半导体的极性控制结构及制作极性控制层的步骤2示意图。
图7为本发明的半导体的极性控制结构及制作极性控制层的步骤3示意图。
图8为本发明的半导体的极性控制结构及制作极性控制层的步骤4示意图。
图9、10为本发明的半导体的极性控制结构及制作极性控制层的步骤5示意图。
图11、12为本发明的半导体的极性控制结构及制作多层堆叠的极性控制层的示意图。
图示说明：100：衬底；101：缓冲层；102：第一导电型的第三半导体层；102a：缓冲层与第一导电型的第三半导体层的界面；102b：第一导电型的第三半导体层与有源层的界面；103：有源层；104：电子阻挡层；105：第二导电型的第四半导体层；106：极性控制层；106a：第一金属催化剂；106b：第一半导体纳米柱；106c：第二金属催化剂；106d：掩膜层；106e：第三金属催化剂；106f：第二半导体纳米柱；106g：第四金属催化剂。
具体实施方式
氮化物半导体具有两种极性面，一种为氮极性的非金属极性面，一种为Ga-或Al-等金属极性面，该极性面由衬底或缓冲层的表面极性所决定。传统的氮化物半导体，当缓冲层的表面为Ga-金属极性时，外延生长后的半导体表面为Ga-金属极性，如图1所示；而当缓冲层表面为N-非金属极性时，外延生长后的半导体表面为N-非金属极性，如图2所示。为了获得更好的金属接触和表面平整度，一般希望最终半导体的表面为金属极性。为了获得恒定金属极性的半导体表面，本发明提供一种半导体的极性控制结构和方法，通过在半导体层的界面接入一极性控制层，以阻挡衬底或缓冲层的极性延伸和传递，使生长完的半导体表面的极性保持恒定的金属极性面。如图3所示，在第一导电型的第三半导体层的内部插入一极性控制层106，形成N-非金属极性/金属催化剂/N-非金属极性的界面，阻断N-非金属极性缓冲层的极性传递，使得生长完的表面具有恒定的Ga-金属极性面；如图4所示，在第一导电型的第三半导体层的内部插入一极性控制层106，形成Ga-金属极性/金属催化剂/Ga-金属极性的界面，使得生长完的表面具有恒定的Ga-金属极性面。通过插入极性控制层，阻断缓冲层或衬底的极性传递，从而使得半导体的表面具有恒定的金属极性。
实施例1
本实施例提供的一种半导体的极性控制结构的制作方法，以GaN材料的Ga-极性（金属极性）和N-极性（非金属极性）的控制为例，所述缓冲层101和第一导电型的第三半导体102的界面102a为非金属极性（N-极性），如图2所示，采用传统的外延方法生长完的第一导电型的第三半导体的界面102b为非金属极性（N-极性）。采用本实施例的极性控制层106，如图3所示，通过极性控制层使非极性（N-极性）界面102a上生长的界面102b转换为金属极性（Ga-极性），包含以下步骤：
步骤（1）：如图5所示，在衬底100上沉积缓冲层101，接着沉积下半部分第一导电型的第三半导体102，所述的GaN材料的缓冲层101和第一导电型的第三半导体102的界面102a为非金属极性（-N极性）表面。在界面102a上沉积第一金属催化剂106a，催化剂为Ag，厚度超过极性传导临界厚度，阻断缓冲层和衬底的极性传递，一般至少大于50个原子层；第一金属催化剂106a催化生长第一导电型的第一半导体纳米柱（GaN纳米柱）106b，起始极性为非金属极性（N-极性），终止极为金属极性（Ga-极性）；第一金属催化剂106a处于过饱和状态，表面积大于第一半导体纳米柱的上表面积，第一金属催化剂保留在第一导电型的第一半导体纳米柱（GaN纳米柱顶端）底部，于第一导电型的第一半导体纳米柱的顶端形成第二金属催化剂106c，催化剂可以选用Ag、Al、Au、Zn等，本实施例优选Ag；然后，在第一半导体纳米柱的第二金属催化剂106c上方镀掩膜层106d。
步骤（2）：如图6所示，去除在第一导电型的第一半导体纳米柱（GaN纳米柱）间隙位置的掩膜层106d，沉积第三金属催化剂106e，催化剂为Ag，厚度超过极性传导临界厚度，阻断缓冲层和衬底的极性传递，一般至少大于50个原子层。
步骤（3）：如图7所示，在第三金属催化剂106e催化作用下生长第一导电型的第二半导体纳米柱（GaN纳米柱）106f，起始极性为非金属极性（N-极性），终止极性为金属极性（Ga-极性）；第三金属催化剂处于过饱和状态，表面积大于第一导电型的第二半导体纳米柱的上表面积，第三金属催化剂保留在第二半导体纳米柱（GaN纳米柱）的底部，于第二半导体纳米柱的顶端形成第四金属催化剂106g。
步骤（4）：如图8所示，去除掩膜层106d，形成第一金属催化剂/第一半导体纳米柱/第二金属催化剂和第二金属催化剂/第二半导体纳米柱/第四金属催化剂交替组合的多列柱状表面的极性控制层。
步骤（5）：如图9所示，去除分别位于第一半导体纳米柱、第二半导体纳米柱（GaN纳米柱）顶端的第二金属催化剂106c、第四金属催化剂106g，形成平整的金属极性（Ga-极性）的半导体表面（GaN表面），然后，在该金属极性表面（Ga-极性）上外延生长上半部分第一导电型的第三半导体层102、有源层103，使第一导电型的第三半导体层和有源层的界面102b为非金属极性（N-极性），如图10所示，接着依次生长电子阻挡层104和第二导电型的第四半导体层105，最终的外延层表面均为金属极性（Ga-极性），如图3所示。
如图11所示，根据极性控制要求，可按需重复步骤（1）~（4），多层堆叠极性控制层重复单元，形成致密极性控制层，以更好地阻断衬底或缓冲层的极性上传，使第一导电型的第三半导体和有源层的界面102b为金属极性（Ga-极性），如图12所示，保证生长完的半导体表面呈现完全的金属极性，如图3所示。
实施例2
本实施例提供的一种半导体的极性控制结构的制作方法，以GaN材料的Ga-极性（金属极性）和N-极性（非金属极性）的控制为例，所述缓冲层101和第一导电型的第三半导体层102的界面102a为金属极性（Ga-极性），采用传统方式外延生长的表面为金属极性（Ga-极性），如图1所示；采用极性控制层进行极性阻断，生长完的外延层的表面仍然保持为金属极性（Ga-极性），如图4所示，其外延生长的步骤与实施例1相同。通过极性控制层对缓冲层或衬底的极性进行阻断，阻止极性向上传输，第一导电型的第三半导体层和有源层的界面102b的极性由极性控制层控制为金属极性（Ga-极性），生长完的表面为金属极性（Ga-极性）。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非用于限定本发明，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种修饰和变动，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应视权利要求书范围限定。
Claims (9)
1.一种半导体的极性控制结构，从下至上包括衬底，缓冲层，第一导电型的第三氮化物半导体层，有源层以及第二导电型的第四氮化物半导体层；于所述第一导电型的第三氮化物半导体层内部插入一极性控制层，所述极性控制层包括：于第一氮化物半导体纳米柱的底部、顶端分别形成第一金属催化剂、第二金属催化剂，以及于第二氮化物半导体纳米柱的底部、顶端分别形成第三金属催化剂、第四金属催化剂，以调控最终氮化物半导体的表面或界面极性。
2.根据权利要求1所述的一种半导体的极性控制结构，其特征在于：所述极性控制层至少为一层，进行多层堆叠极性控制层重复单元，以隔断衬底或缓冲层的极性传导与延伸，实现最终氮化物半导体的表面或界面具有恒定的金属极性。
3.根据权利要求1所述的一种半导体的极性控制结构，其特征在于：所述极性控制层的厚度超过极性传导临界厚度，以阻断衬底或缓冲层的极性向上传导或延伸。
4.根据权利要求1所述的一种半导体的极性控制结构，其特征在于：所述缓冲层与第一导电型的第三氮化物半导体层的界面为金属极性或非金属极性，所述第一导电型的第三氮化物半导体层与有源层的界面恒定为金属极性，通过极性控制层的极性阻断作用，非金属极性的界面转变为金属极性界面，金属极性的界面依然保持金属极性界面，实现最终氮化物半导体的表面或界面具有恒定的金属极性界面。
5.根据权利要求1所述的一种半导体的极性控制结构，其特征在于：所述极性控制层包括金属催化剂以及氮化物半导体纳米柱。
6.根据权利要求1所述的一种半导体的极性控制结构，其特征在于：所述第一金属催化剂、第三金属催化剂处于过饱和状态，表面积分别大于所述第一氮化物半导体纳米柱、第二氮化物半导体纳米柱的上表面积，使催化生长完第一氮化物半导体纳米柱、第二氮化物半导体纳米柱后的底部分别保留第一金属催化剂、第三金属催化剂，第一氮化物半导体纳米柱、第二氮化物半导体纳米柱的顶端分别保留第二金属催化剂、第四金属催化剂。
7.根据权利要求3所述的一种半导体的极性控制结构，其特征在于：所述极性传导临界厚度不超过50个原子层的厚度。
8.一种半导体的极性结构的制作方法，包含以下步骤：
步骤（1）：在衬底上沉积缓冲层，然后，在缓冲层的表面沉积第一金属催化剂；第一金属催化剂催化生长第一导电型的第一氮化物半导体纳米柱，第一金属催化剂处于过饱和状态，表面积大于第一氮化物半导体纳米柱的上表面积，催化剂保留在第一氮化物半导体纳米柱的底部和顶端分别形成第一金属催化剂和第二金属纳米催化剂；由于第一金属催化剂保留在第一氮化物半导体纳米柱的底部起到极性阻断作用，使生长后的第一氮化物半导体纳米柱的极性不受衬底或缓冲层的极性影响，其起始极性为非金属极性或金属极性，终止极性始终为金属极性；然后，在第一氮化物半导体纳米柱的第二金属催化剂上方形成掩膜层；
步骤（2）：去除在第一氮化物半导体纳米柱间隙位置的掩膜层，沉积第三金属催化剂；
步骤（3）：在第三金属催化剂催化作用下，生长第一导电型的第二氮化物半导体纳米柱，第三金属催化剂处于过饱和状态，表面积大于第二氮化物半导体纳米柱的上表面积，第三金属催化剂分别保留在第二氮化物半导体纳米柱的底部和顶端形成第三金属催化剂和第四金属催化剂；由于第三金属催化剂保留在第二氮化物半导体纳米柱的底部起到极性阻断作用，使生长后的第二氮化物半导体纳米柱的极性不受衬底或缓冲层的极性影响，其起始极性为非金属极性或金属极性，终止极性始终为金属极性；
步骤（4）：去除掩膜层，形成第一金属催化剂/第一氮化物半导体纳米柱/第二金属催化剂和第三金属催化剂/第二氮化物半导体纳米柱/第四金属催化剂交替组合的极性控制层；
步骤（5）：去除分别位于第一氮化物半导体纳米柱、第二氮化物半导体纳米柱顶端的第二金属催化剂、第四金属催化剂，形成平整的金属极性的氮化物半导体表面，然后，在该金属极性表面上外延生长第一导电型的第三氮化物半导体层，有源层以及第二导电型的第四氮化物半导体层，最终的氮化物半导体层表面均为金属极性。
9.根据权利要求8所述的一种半导体的极性结构的制作方法，其特征在于：根据极性控制要求，按需重复步骤（1）~（4），多层堆叠极性控制层重复单元，形成致密极性控制层，以保证生长完的氮化物半导体表面或界面呈现所需的金属极性。
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