CN107690711A - 用于制造氮化物半导体器件的方法和氮化物半导体器件 - Google Patents
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Abstract
提出一种用于制造氮化物半导体器件(100)的方法，所述方法包括如下步骤：‑提供具有生长表面(10)的生长衬底(1)，所述生长表面通过平坦面(11)形成，所述平坦面具有在所述平坦面(11)上的多个三维成形的表面结构(12)，‑在生长表面(10)上生长基于氮化物的半导体层序列(30)，其中该生长选择性地在生长衬底的生长面(13)上开始，并且其中生长面(13)小于生长表面(10)的45％。此外，描述一种可借助该方法制造的氮化物半导体器件(100)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造氮化物半导体器件、尤其光电子氮化物半导体器件的方法。
本申请要求德国专利申请102015109761.3的优先权，其公开内容通过参考并入本文。
背景技术
为了制造氮化物半导体器件，即例如LED，将器件的功能层通常以外延的方式沉积在适当的生长衬底上。为了生长氮化物化合物半导体层尤其适合的是蓝宝石衬底。在将氮化物化合物半导体异质外延地生长在蓝宝石上时，由于所存在的晶格失配会在半导体材料中构成缺陷。该缺陷尤其出现在氮化物半导体材料在与生长衬底的边界面处的生长区中。这能够导致降低器件的效率。特别地，在发射辐射的氮化物半导体器件运行时，生长区域中的提高的缺陷密度能够导致在生长衬底和半导体层序列之间的边界面处吸收辐射。
发明内容
要实现的目的在于：提出一种用于制造氮化物半导体器件的改进的方法，借助所述方法实现在与生长衬底的边界面处的缺陷密度降低。此外，应提出一种氮化物半导体器件，所述氮化物半导体器件的特征在于在与生长衬底的边界面处的小的缺陷密度，以便例如减少在该边界面处的吸收。
所述目的通过根据独立权利要求所述的一种用于制造氮化物半导体器件的方法和一种氮化物半导体器件来实现。所述方法的有利的设计方案和改进形式是从属权利要求的主题。
在该方法中，根据至少一个设计方案，提供具有生长表面的生长衬底，所述生长表面通过平坦面形成，所述平坦面具有在平坦面上的多个三维成形的表面结构。生长衬底具有生长表面，在所述生长表面上在随后的方法步骤中施加半导体层。生长表面通过平坦面形成，在所述平坦面上构成多个三维成形的表面结构。换言之，生长表面具有通过平坦面形成的二维构成的区域和通过表面结构形成的三维构成的区域，所述表面结构从通过平坦面形成的平面中伸出。由于生长表面的平坦面上的三维的表面结构，衬底也能够称作为预结构化的衬底。
例如，表面结构能够通过隆起部形成，所述隆起部延伸远离平坦面。隆起部能够尤其优选地是楔形的进而在生长表面的俯视图中具有环绕的横截面，或是棱锥形的，进而在生长表面的俯视图中具有多边形的横截面，例如三角形横截面、四边形横截面、六边形横截面或其他多边形的横截面。
根据另一实施方式，在另一方法步骤中，在生长表面上生长半导体层序列。半导体层序列尤其能够借助于外延方法、如MOVPE(金属有机气相外延，“metal-organic vapor-phase epitaxy”)生长。
半导体层序列尤其能够是基于氮化物的半导体层序列。术语“基于氮化物”尤其包括如下半导体层和半导体层序列：所述半导体层和半导体层序列具有由III-V族化合物半导体材料体系InxAlyGa1-x-yN构成的材料，其中0≤x≤1、0≤y≤1并且x+y≤1，例如即为GaN、AlN、AlGaN、InGaN或AlInGaN。在此，半导体层序列能够具有掺杂材料，以及附加的组成部分。然而，为了简单性仅说明半导体层序列的晶格的主要组成部分，即Al、Ga、In以及N，即使这些主要组成部分能够部分地由少量的其他物质替代和/或补充时也如此。
在该方法中，半导体层序列的生长有利地选择性地在生长衬底的生长面上开始，其中生长面仅是生长衬底的生长表面的一部分。在这种情况下，生长面有利地小于生长表面的45％、优选小于生长表面的25％和尤其优选小于生长表面的5％。
该方法尤其利用如下知识：在半导体层序列的氮化物半导体材料生长的区域中出现提高的缺陷密度。在生长衬底和半导体层序列之间的边界面中的和必要时也在后续的层中的缺陷密度在该方法中通过如下方式减小：将生长面最小化，使得其显著地小于生长衬底的整个面。以该方式，在发射辐射的器件的情况下，有利地减少在生长衬底和基于氮化物的半导体层序列之间的边界面处的吸收。这尤其对于如下氮化物半导体器件是有利的，其中生长衬底不在制造期间被移除进而保留在制成的器件中。
根据至少一个设计方案，生长面是平坦面或是平坦面的一部分。在将氮化物半导体材料生长到生长衬底上时，生长选择性地在平坦面的区域中开始，其中所述生长衬底具有平坦面和多个在平坦面上形成的三维成形的表面结构。氮化物半导体材料基本上不在三维成形的表面结构上生长，更确切地说，三维成形的表面结构在生长氮化物半导体材料之后的阶段中才沿横向方向过度生长。因此，生长面能够通过如下方式最小化：降低至少部分地构成生长面的平坦面与设有三维成形的表面结构的面的比例。优选地，平坦面小于生长表面的45％、优选小于25％并且尤其优选小于5％。
在另一有利的设计方案中，生长面小于平坦面。生长面例如能够小于平坦面的90％、优选小于60％并且尤其优选小于30％。这尤其能够通过如下方式实现：为了减小生长面，将由如下材料构成的层施加到平坦面的一部分上，在所述材料上基本上不能够生长氮化物半导体材料。在该情况下，不在三维结构之间的整个平坦面上生长氮化物半导体材料，而是仅在平坦面的未被该层覆盖的区域中生长。
基本上无法在其上生长氮化物半导体材料的材料优选是氧化物化合物或氮化物化合物。优选地，材料是氧化硅、氮化硅或氮化钛。
根据至少一个设计方案，生长面通过平坦面的多个不彼此连接的部分区域形成。平坦面的不彼此连接的部分区域尤其能够邻接于三维结构。部分区域例如能够是环绕的、尤其圆形的面，在所述面中露出生长衬底在三维结构之间的平坦表面。部分区域也能够具有其他的几何形状，例如多边形的、尤其正方形或六边形的形状。
替选地或附加地也可行的是：平坦面的不彼此连接的部分区域是在由如下材料构成的层中的开口，在所述材料上基本上不能够生长氮化物半导体材料。在该情况下，部分区域也能够例如是环绕的、尤其圆形的、或多边形的、尤其正方形或六边形的面。
根据至少一个另外的设计方案，将成核层施加到平坦面的部分区域上，所述成核层促进氮化物半导体材料的生长。成核层的材料例如能够是氮化铝、尤其含氧的氮化铝(AlN:O)。氧在成核层中能够作为掺杂物存在或甚至以一定百分比范围存在。借助于成核层能够提高生长的选择性。特别地，通过含氧的AlN能够影响关于如下方面的选择性：在生长表面的何种表面区域上生长施加到成核层上的半导体层。
生长衬底在该方法中优选具有蓝宝石或由其构成。蓝宝石有利地对于由光电子器件发射的辐射是透明的，使得辐射的至少一部分能够通过生长衬底耦合输出。如果期望发射至氮化物半导体层序列的与生长衬底相对置的辐射出射面，那么生长衬底的与半导体层序列相对置的后侧能够设有镜层。替选地，半导体芯片例如能够设置在进行反射的引线框上，使得能够弃用镜层。
基于氮化物的半导体层序列优选包含n掺杂的半导体区域、p掺杂的半导体区域和设置在n掺杂的半导体区域和p掺杂的半导体区域之间的有源层，其中所述半导体层序列施加到生长衬底上。有源层优选是适合于发射电磁辐射的层。特别地，氮化物半导体器件能够是发光二极管。
氮化物半导体器件的一个实施方式有利地包括具有生长表面的生长衬底，所述生长表面通过平坦面形成，所述平坦面具有在平坦面上的多个三维成形的表面结构。在生长表面上设置有基于氮化物的半导体层序列。在此，基于氮化物的半导体层序列具有在生长面上设置在与生长衬底的边界面处的第一区域，在所述第一区域中所述缺陷密度大于在第二区域中，所述第二区域沿横向方向包围所述第一区域，并且其中生长面小于生长表面的45％、优选小于生长表面的25％和尤其优选小于生长表面的5％。
根据一个优选的设计方案，氮化物半导体器件是发射辐射的光电子器件，其中生长衬底是透明的衬底。透明的衬底尤其能够是蓝宝石衬底。
从用于制造氮化物半导体器件的方法的之前的描述中得出氮化物半导体器件的其他有利的设计方案，并且反之亦然。
附图说明
下面，结合图1至5详细阐述本发明。
附图示出：
图1示出氮化物半导体器件的示意图，
图2A示出生长衬底的横截面的示意图，
图2B和2C以俯视图示出生长衬底的示意性视图，
图3A至3C根据中间步骤示出方法的一个实施例的示意图，
图4A至4C根据中间步骤示出方法的一个实施例的示意图，
图5A至5C以俯视图示出生长衬底的示意性视图。
相同的或起相同作用的组成部分在附图中分别设有相同的附图标记。所示出的组成部分以及组成部分彼此间的大小比例不能够视为是合乎比例的。
具体实施方式
在图1中示出氮化物半导体器件100的一个实施例。在该实施例中，氮化物半导体器件100是发射辐射的光电子器件、尤其发光二极管。
氮化物半导体器件100具有生长衬底1，将半导体层序列30施加到所述生长衬底上。半导体层序列30尤其能够外延地、例如借助于MOVPE施加到生长衬底1上。
半导体层序列30例如包括施加到生长衬底1上的缓冲层2以及n掺杂的半导体区域3、p掺杂的半导体区域5和设置在n掺杂的半导体区域3和p掺杂的半导体区域5之间的发射辐射的有源层4。缓冲层2、n掺杂的半导体区域3、有源层4和p掺杂的半导体区域5能够分别包括一个或多个单层。
半导体层序列30优选是基于氮化物的半导体层序列。半导体层序列30的半导体层2、3、4、5尤其能够具有InxAlyGa1-x-yN，其中0≤x≤1、0≤y≤1并且x+y≤1，例如即为GaN、AlN、AlGaN、InGaN或AlInGaN。在此，半导体层序列能够具有掺杂材料以及附加的组成部分。
此外，半导体层序列30能够设有用于引导电流的电接触部6、7。例如，氮化物半导体器件100能够具有p接触部6和n接触部7。
氮化物半导体器件100的生长衬底1具有生长表面10，将半导体层序列30生长到所述生长表面上。生长表面10具有二维构成的平坦面11，在所述平坦面上设置有多个三维成形的表面结构12。
为了解释说明，在图2A中示出生长衬底1的可行的设计方案的横截面，在图2B和2C中示出其俯视图。如在图2A的横截面中示出，表面结构12从通过平坦面11形成的平面中伸出。三维成形的表面结构12构成为隆起部，所述隆起部向上延伸远离平坦面11。
如在图2B中示出，表面结构12的横截面能够是环绕的并且尤其是圆形的。表面结构12例如能够构成为截锥形的隆起部。替选于此，表面结构12如在图2C中示出的那样也能够具有角形的、例如六边形的横截面，使得表面结构12也能够构成为平坦面11上的棱锥形的隆起部。平坦面11在构成为隆起部的表面结构12之间延伸。
生长衬底1尤其能够具有氧化铝或由其构成。特别地，生长衬底1能够是蓝宝石衬底。平坦面11尤其优选通过氧化铝的结晶学的c-面或(-c)-面形成，氧化铝尤其适合于生长基于氮化物的半导体材料。与此相应地，表面结构12的表面根据其相对于平坦面11的定向通过多个其他的晶体面形成。
再次参考图1，半导体层序列30具有生长区域20。生长区域20仅覆盖生长表面10的一部分。这基于：氮化物半导体材料在外延生长开始时选择性地在生长表面10的生长面13上生长。尤其发现：氮化物半导体材料在结构化的生长衬底1上生长选择性地在平坦面11上开始，其中所述生长衬底通过平坦面11和设置在其上的表面结构12形成。在图1的实施例中，生长面13因此通过平坦面11形成。
已证实的是：在生长区域20中出现比在基于氮化物的其余的半导体层序列30中更高的缺陷密度。缺陷密度在表面结构12横向过度生长时减小。在基于氮化物的半导体层序列30的功能层3、4、5的区域中因此能够实现相对小的缺陷密度。因此，通过生长区域20中的更高的缺陷密度基本上不损害氮化物半导体器件100的功能层3、4、5的质量。
此外，在此描述的方法和氮化物半导体器件利用如下知识：在生长区域20中的更高的缺陷密度能够至少通过如下方式损害氮化物半导体器件的效率：由有源层4发射的光束9在生长区域20中由于更高的缺陷密度而增强地被吸收。
例如，在图1中示出光束9，所述光束自有源层4起朝向生长衬底1的方向发射。光束9例如横越生长区域20和优选透明的生长衬底1，能够将镜层8施加到所述生长衬底的后侧上。在镜层8处反射之后，光束9例如能够重新横越生长衬底1和生长区域20中的一个。在所示出的实例中，由镜层8反射的光束9以大于全反射的临界角的入射角射到氮化物半导体器件的与镜层8相对置的辐射出射面31上。光束9因此不直接地发射，而是通过内部全反射重新朝向生长衬底1的方向偏转。在生长衬底1的区域中，光束9随后例如射到表面结构12中的一个上，所述光束在所述表面结构处被反射或衍射，使得所述光束以小于全反射的临界角的入射角射到辐射耦合输出面31上。在该情况下，光束从氮化物半导体器件100耦合输出。
在生长区域20中由于更高的缺陷密度而提高的吸收降低氮化物半导体器件的效率。基于该知识，生长面13在该方法中和在氮化物半导体器件中有利地被最小化，使得生长面13小于生长表面10的45％、优选小于其25％并且尤其优选小于其5％。有利地，从中得出生长区域20的更小的体积。因为吸收与体积相关联，所以生长区域20的减小引起吸收的减少，进而在发射辐射的氮化物半导体器件100中引起亮度提高。
此外，生长区域20中的吸收的减小具有的优点是：降低发射的辐射的色坐标的吸收引起的变化。在吸收的情况下，能够改变色坐标，因为被吸收的光的能量不仅以热量的形式非放射地或能够以辐射的形式通过发光的缺陷来输出，由此能够改变发射光谱。
生长面13的减小例如能够通过如下方式实现：平坦面11占生长表面10的总面积的份额被最小化到小于90％、优选小于60％和尤其优选小于30％。这在图1中示意示出的实施例中能够通过如下方式进行：三维的表面结构12的大小和/或密度设定为，使得平坦面11在表面结构12之间的中间空间中相应地变小。
为了实现表面结构12占生长表面10的总面积的高的份额能够有利的是：表面结构12至少部分地在其大小和/或形状方面彼此不同。例如，三维的表面结构12实现三维的表面结构12对生长表面10的高的占据密度，其中所述表面结构在其横向扩展中彼此不同。在该情况下，例如更小的表面结构12能够至少部分地填充在较大的表面结构12之间的中间空间。
为了减小生长区域20的大小，还能够将外延生长中的工艺条件设定为，使得提高在平坦面11和三维结构12之间的生长的选择性。这例如能够在生长时借助于MOVPE通过设定氢化物(H2，NH3)的以及有机金属化合物(例如TMGa、TEGa、TMAl)的比例来进行。特别地，为了改进选择性，能够提高H2供给，或者降低NH3、TMGa、TEGa或TMAL的供给。此外，选择性能够通过提高生长温度来改进。
在图3A至3C中示出该方法的一个实施例中的中间步骤。在该实施例中，生长衬底1如在之前的实施例中那样具有平坦面11和设置在其上的三维表面结构12，所述表面结构例如能够是截锥形的或棱锥形的。如图3A中示出，将层14施加到平坦面11的部分区域上，所述层由如下材料形成，氮化物化合物半导体材料在所述材料上仅差地或者甚至不能够生长。层14例如能够具有氮化硅、氧化硅或氮化钛。
通过施加层14，有利地缩小生长面13。生长面13有利地通过层14中的开口形成，在所述开口中露出生长衬底1的平坦面11的一部分。以该方式实现：生长面13小于平坦面11。
如在图3B中示出，氮化物半导体层序列在生长区域20中开始生长，所述生长区域设置在生长面13上。与此相反，在三维表面结构12上和在层14上基本上不生长氮化物半导体材料。
在图3C的中间步骤中，生长整个缓冲层2。层14和表面结构12在缓冲层2生长时自生长区域20起基本上横向地过度生长，由此减小缺陷密度。因此，提高的缺陷密度有利地仅存在于相对小的生长区域20中。在例如也能够包括多个子层的缓冲层2生长之后，在另一步骤中例如能够生长光电子器件的功能半导体层序列。
在图4A至4C中示出在所述方法的另一实施例中的中间步骤。如在图3A的实施例中，生长衬底1具有平坦面11和设置在其上的三维的表面结构12。如在图4A中示出，将成核层15施加到平坦面11的一部分上。成核层15优选包含含氧的氮化铝(AlN：O)。由于成核层15促进氮化物半导体材料的生长，生长面基本上通过成核层15的表面构成。如在之前的实施例中那样，生长面13因此小于平坦面11.。
如在图4B中示出那样，基本上在成核层15的表面上进行生长，在所述表面上构成生长区域20。在缓冲层2完全地生长之后，如在图4C中示出那样，由半导体材料过度生长生长表面的另外的区域、尤其三维的表面结构12。
在图5A、5B和5C中分别示出生长衬底1的各实例的俯视图，所述俯视图示意性地且不符合比例地示出用于设置平坦面11和三维的表面结构的不同的可行性。
在图5A的实例中，生长衬底1的平坦面11是连贯的面，所述连贯的面存在多个三维表面结构12，所述三维表面结构例如是截锥形的。
与此相反，生长衬底1在图5B的实例中具有多个非连贯的平坦面11，所述平坦面由三维的表面结构12的连贯的区域包围。平坦面11例如能够是圆形的或具有其他的横截面。由于平坦面11在该实施例中是非连贯的，与图5A的实施例相比，能够将平坦面11占生长衬底1的整个面的份额保持得相对小。
根据图5C的实例的生长衬底1具有多个非连贯的生长面13，所述生长面例如通过层14中的开口形成，在所述层上基本上不能够生长氮化物半导体材料。此外，生长衬底1具有三维的表面结构12，所述表面结构例如从层14中伸出。三维的表面结构12能够在制成的器件中有利地将朝向生长衬底1的方向发射的辐射朝向辐射出射面的方向反射或散射。
本发明不局限于根据所述实施例进行的描述。更确切地说，本发明包括各个新的特征以及特征的各个组合，这尤其包含权利要求中的特征的各个组合，即使所述特征或所述组合本身没有在权利要求或实施例中明确地说明时也是如此。
附图标记列表
1 生长衬底
2 缓冲层
3 n型半导体区域
4 有源层
5 p型半导体区域
6 p接触部
7 n接触部
8 镜层
9 光束
10 生长表面
11 平坦面
12 表面结构
13 生长面
14 层
15 成核层
20 生长区域
30 半导体层序列
31 辐射耦合输出面
100 氮化物半导体器件
Claims (17)
1.一种用于制造氮化物半导体器件(100)的方法，所述方法包括如下步骤：
-提供具有生长表面(10)的生长衬底(1)，所述生长表面通过平坦面(11)形成，所述平坦面具有在所述平坦面(11)上的多个三维成形的表面结构(12)，
-在所述生长表面(10)上生长基于氮化物的半导体层序列(30)，其中该生长选择性地在所述生长衬底(10)的生长面(13)上开始，并且其中所述生长面(13)小于所述生长表面(10)的40％。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述生长面(13)小于所述生长表面(10)的25％。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述生长面(13)小于所述生长表面(10)的5％。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述生长面(13)是所述平坦面(11)或是所述平坦面(11)的一部分。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述生长面(13)小于所述平坦面(11)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中为了减小所述生长面(13)，将由如下材料构成的层(14)施加到所述平坦面(11)的一部分上，在所述材料上不能够或仅能够差地生长氮化物半导体材料。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述材料具有氧化硅、氮化硅或氮化钛。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述生长面(13)通过所述平坦面(11)的多个不彼此连接的区域形成。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述平坦面(11)的所述不彼此连接的区域邻接于所述三维结构(12)。
10.根据引用权利要求6或7的权利要求8所述的方法，其中所述平坦面(11)的所述不彼此连接的区域是由如下材料构成的所述层(14)中的开口，在所述材料上不能够或仅能够差地生长氮化物半导体材料。
11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中将成核层(15)至少施加到所述平坦面(11)的一部分上，所述成核层促进氮化物半导体材料的生长。
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述成核层(15)具有含氧的氮化铝。
13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述生长衬底(1)具有蓝宝石。
14.一种氮化物半导体器件(100)，其包括：
-具有生长表面(10)的生长衬底，所述生长表面通过平坦面(11)形成，所述平坦面具有在所述平坦面(11)上的多个三维成形的表面结构(12)，和
-基于氮化物的半导体层序列(30)，所述半导体层序列设置在所述生长表面(10)上，其中
-所述基于氮化物的半导体层序列(30)具有生长区域(20)，所述生长区域在与所述生长衬底(1)的边界面上设置在所述生长面(13)上，
-所述生长区域(20)具有比其余的所述半导体层序列(30)更大的缺陷密度，并且
-所述生长面(13)小于生长表面(10)的45％。
15.根据权利要求14所述的氮化物半导体器件(100)，其中
-所述氮化物半导体器件(100)是发射辐射的光电子器件，和
-所述生长衬底(1)是透明的。
16.根据权利要求15所述的氮化物半导体器件，其中所述生长衬底(1)是蓝宝石衬底。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的氮化物半导体器件，其中镜层(8)设置在所述生长衬底(1)的背离所述半导体层序列(30)的后侧上。
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