CN109755363B - 一种宽光谱半导体有源器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽光谱半导体有源器件及其制造方法，该有源器件包括外延基底和形成于外延基底上的多层半导体结构；多层半导体结构包括依次形成于外延基底上的第一半导体层、有源层、第二半导体层，以及分别与第一半导体层和第二半导体层直接或间接电连接的第一电极和第二电极。该制造方法包括步骤：制作外延结构；暴露出全部或部分第一半导体层，在暴露的第一半导体层上制作第一电极，在第二半导体层表面制作第二电极。本发明实现了半导体有源器件的宽光谱和多光谱辐射。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种宽光谱半导体有源器件及其制造方法。
背景技术
半导体有源器件近些年得到了快速发展，其中以三五族化合物半导体材料体系的半导体光辐射器件最为突出，典型代表材料为AlN、GaN、InN及其组合而成的三元或四元化合物，理论禁带宽度范围从6.2eV至0.7eV，光辐射波长可覆盖深紫外至红外波段。目前，InGaN/GaN系列的蓝绿光LED，掀起了一场照明技术的革命。AlGaN材料为主体的紫光及紫外LED，在紫外光固化、紫外杀菌及医学等领域发挥巨大作用。蓝绿光及紫外LD在科技及工业上也展示出了巨大应用前景。
半导体光辐射多为窄光谱辐射，如主流的蓝光LED发光波长半高宽一般为十几纳米。但在实际应用需求中，常需要用到更宽的光谱范围或多个波长的宽光谱。例如在LED白光照明应用中，目前人们对LED白光的显色指数提出了更高要求，希望LED照明能完全还原日光照射时的物品的颜色，但目前LED照明采用蓝光LED激发YAG荧光粉的方式，在紫光和蓝绿光部分存在光谱缺失，对进一步提高LED的显色性严重制约，而宽光谱有源器件有望补全该部分光谱的缺陷，实现高品质照明光源。在植物照明应用中，部分植物对一定波长范围的蓝光都响应敏感，因此需要照射的蓝光具有一定的光谱宽度。在UV紫外光固化应用中，目前常常需要365nm附近光谱和395nm附近光谱同时照射UV胶，实现紫外光固化。
宽光谱有源器件可以实现单芯片的宽光谱或多光谱发光，在宽光谱需求的应用方面，主要有以下几点优势：
一是，降低不同波长芯片的集成，降低电路成本和产品失效风险。
二是，可以补全LED白光照明的蓝紫光和蓝绿光部分的缺失光谱，提高白LED的显色指数。
三是，可以根据植物特点，开发更适合植物生长的有源光辐射器件。
由于P型半导体中的空穴浓度偏低，电子和空穴发生辐射复合集中在靠近P型半导体的2～3个量子阱内，仅依靠这几个量子阱结构，目前工艺较难直接制作有效的宽光谱半导体有源器件。
发明内容
本发明为解决半导体有源器件在宽光谱应用方面存在的不足，尤其是解决白光LED在紫光及蓝绿光波段的光谱缺失导致显色指数偏低问题，解决植物照明用半导体有源器件光谱半高宽较窄，波长集中问题，以及UV光固化中需要两种芯片集成问题，提供了一种宽光谱半导体有源器件及其制造方法。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种宽光谱半导体有源器件，包括外延基底和形成于外延基底上的多层半导体结构；其中，
多层半导体结构包括依次形成于外延基底上的第一半导体层、有源层、电子阻挡层、第二半导体层，以及分别与第一半导体层和第二半导体层直接或间接电连接的第一电极和第二电极。
本发明进一步的改进在于，第一半导体层为N型半导体，第二半导体层为P型半导体。
本发明进一步的改进在于，有源层包含多量子阱结构或多层量子点结构，且多量子阱结构或多层量子点结构的周期数为10～30周期。
本发明进一步的改进在于，多量子阱结构或多层量子点结构由多个单波长量子阱层或量子点组成。
本发明进一步的改进在于，有源层包含多级调制结构层；调制结构位于多量子阱结构与第一半导体层之间，每一级的调制结构层包含缺陷层和修复层；缺陷层主动制造材料位错，并释放底层穿透位错，厚度小于50nm，修复层用于为修复缺陷层对材料的影响，重新调制位错分布及在有源层形成倒六角锥图形，厚度100nm～300nm。
本发明进一步的改进在于，多级调制结构层为1～3级；电子阻挡层与第一级调制结构层形成的倒六角锥图形在有源层存在交叉的区域，称之为第一波长调制区，第二级对应的第二波长调制区，第三级对应第三波长调制区；每一波长调制区可调控的量子阱周期数为1～8个，不同波长调制区能够重叠。
本发明进一步的改进在于，有源层不同波长量子阱具有生长次序，且小于50nm的波长范围，量子阱反复交叉重现。
上述一种宽光谱半导体有源器件的制造方法，包括以下步骤：
步骤S1，制作外延结构
外延基底为Si衬底、SiC衬底、ALN衬底、GaN衬底或Sapphire中的一种，采用MOCVD或MBE外延技术，在外延基底上外延生长所需外延结构，包括：第一半导体层，厚度为2um～10um，有源层，以及第二半导体层，厚度为50nm～200nm；
步骤S2，在第二半导体层上制作第二电极，第二电极包含反光镜和键合衬底，反光镜为对辐射波长反射材料制成，厚度为150nm～300nm，键合衬底为Si衬底或金属衬底，厚度为100um～300um；
步骤S3，暴露出全部或部分第一半导体层，作为制作第一电极的接触层；
步骤S4，在暴露的第一半导体层的电接触层位置上制作第一电极，采用热蒸发或电子束蒸发方法，制作第一电极，第一电极为Al/Au结构、其中Al的厚度为50nm～1um，Au的厚度为0.5um～1.5um。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种宽光谱半导体有源器件及其制造方法，通过位于有源层结构中的多级调制层结构，在有源层的多量子阱结构或多层量子点结构区域形成多级倒六角锥图形。图形的密度与多级调制结构层中的缺陷层工艺相关，通过缺陷层不同程度释放底层穿透位错或主动制造材料位错，修复层重新调制倒六角锥图形的的分布及尺寸大小，通过多级调制实现有源层中多量子阱结构中的多级倒六角锥图形分布。该到六角锥图形，密度范围1E6～5E9cm-2，可以有效促使电子阻挡层和第二半导体层插入有源层的多量子阱结构或多层量子点结构区域，形成在有源区的空穴横向深注入，解决P型半导体中空穴浓度不足，有源层只在靠近P型半导体临近的2～3个量子阱发光的问题，实现有源区内多层多量子阱或多层量子点结构同时发光。一方面提高了空穴的注入效率，另一方面为实现多波长及宽光谱辐射提供了基础。增加多量子阱结构或多层量子点结构的周期数至10～30周期，并根据实际有源层区域中的倒六角锥图形的尺寸和深度，在第一级调制结构层形成的倒六角锥图形与电子阻挡层在有源层存在交叉的区域起向靠近P型半导体方向，形成不同的波长调至区。在波长调至区内的量子阱的设定波长对最终电激发辐射波长有帮助，波长调至区之外的量子阱波长对电激发辐射波长影响较小。随着电激发驱动电流的变化，电子和空穴在有源层的最大复合区域会略向P型半导体方向移动，辐射波长随电流密度发生漂移。本发明在有源层不同波长量子阱生长排布需按一定次序，量子阱波长在小于50nm的范围内，不同波长量子阱反复交叉重现，然后逐渐转变，解决了辐射波长随电流密度发生漂移问题。基于此实现了半导体有源器件的宽光谱和多光谱辐射。宽光谱和多光谱辐射，发光光谱范围较传统的窄光谱明显增加，因此对芯片制程及出光要求会存在明显差异，例如，水平结构芯片中出光面ITO的厚度一般制作为发光波长四分之一的奇数倍，以便对发光波长实现增透出射效果。但对于宽光谱和多光谱辐射则需要同时考虑多个波长的出光效率问题。本发明采用垂直结构芯片工艺制作方法，在非出光面制作金属银等宽光谱反射镜和电接触结构，从芯片制造上直接满足了不同的宽光谱和多光谱辐射对出光结构的要求，更好地发挥宽光谱和多光谱辐射器件的性能。
综上所述，本发明能够降低多种芯片的集成，降低电路成本，降低失效风险。本发明可以补全LED白光照明的蓝紫光和蓝绿光部分的缺失光谱，提高白LED的显色指数。本发明对于UV光固化，单芯片代替两种芯片集成，可以提高UV光波长均匀性。最后，根据植物特点，本发明制作出更适合植物照明的有源光辐射器件。
附图说明
图1为本发明的宽光谱半导体有源器件示意图。
图2为本发明的宽光谱半导体有源器件外延结构示意图。
图3为本发明的宽光谱半导体有源器件有源层的俯视图。
图4为本发明的宽光谱半导体有源器件有源层局部示意图。
图5为本发明的宽光谱半导体有源器件制造流程图。
附图标记说明：
100-外延基底，200-第一半导体层，301-有源层(包含多级调制结构层)，302-多量子阱结构或多层量子点结构303-一级调制结构在多量子阱结构区域形成的形貌，304-二级调制结构在多量子阱结构区域形成的形貌，305-第一波长调制区，306-第二波长调制区，400-电子阻挡层，500-第二半导体层，600-第一电极，700-第二电极。
具体实施方式
下面通过具体实施例，详细描述本发明的技术方案。
如图1至图4所示，本发明提供的一种宽光谱半导体有源器件，包括外延基底100和形成于外延基底100上的多层半导体结构。其中，多层半导体结构包括依次形成于外延基底100上的第一半导体层200、有源层301、第二半导体层500，以及分别与第一半导体层200和第二半导体层500直接或间接电连接的第一电极600和第二电极700。
其中，第一半导体层200为N型半导体，第二半导体层500为P型半导体。
有源层301包含多量子阱结构或多层量子点结构302，且多量子阱结构或多层量子点结构302的周期数为10～30周期。且有，多量子阱结构或多层量子点结构302由多个单波长量子阱层或量子点组成。
有源层301包含多级调制结构层；调制结构位于多量子阱结构与第一半导体层200之间，每一级的调制结构层包含缺陷层和修复层；缺陷层主动制造材料位错，并释放底层穿透位错，厚度小于50nm，修复层用于为修复缺陷层对材料的影响，重新调制位错分布及在有源层形成倒六角锥图形，厚度100nm～300nm。
多级调制结构层为1～3级；电子阻挡层400与第一级调制结构层形成的倒六角锥图形在有源层存在交叉的区域称之为第一波长调制区305，第二级对应的第二波长调制区306，第三级对应第三波长调制区；每一波长调制区可调控的量子阱周期数为1～8个，不同波长调制区能够重叠。
为解决对流密度对波长稳定性的影响，有源层不同波长量子阱具有一定的生长次序。小于50nm的波长范围，量子阱反复交叉重现。
下面以Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料为例进行说明。
实施例一
如图5所示，本发明提供的宽光谱半导体有源器件的制造方法，具体如下：
步骤S1，制作本发明所需的外延结构。外延基底为Si衬底、SiC衬底、ALN衬底、GaN衬底或Sapphire中的一种，采用MOCVD技术或MBE技术等外延技术，在所述衬底上外延生长本发明所需外延结构。本实施例选择在蓝宝石衬底上MOCVD外延生长GaN材料。第一半导体层200厚度为3um～6um、有源层301，电子阻挡层400和第二半导体层500。
有源层包含两级调制结构301，位于多量子阱结构302与第一半导体层200之间，每一级的调制结构层包含缺陷层和修复层。缺陷层采用通入表面活性剂Si元素，降低外延生长温度和引入晶格失配材料方式主动制造材料位错，并释放底层穿透位错，厚度小于50nm。修复层作用为修复缺陷层对材料的影响，重新调制位错分布及在有源层形成倒六角锥图形303和304，厚度100nm～300nm。电子阻挡层400与第一级调制结构层形成的倒六角锥图形303在有源层存在交叉的区域对应第一波长调制区305，电子阻挡层400与第二级调制结构层形成的倒六角锥图形304在有源层存在交叉的区域对应第二波长调制区306。多量子阱周期数为15～30个，本实施例为20个周期，从第一半导体层向电子阻挡层方向，量子阱层302的每个量子阱波长如表1所示。实现辐射波长为420nm～500nm。
表1实施例一的有源层中的多量子阱外延生长波长如下表：
步骤S2，在第二半导体层500上制作第二电极700。第二电极700包含反光镜和键合衬底。本实施例采用金属Ag作为反光镜，厚度为150nm～300nm，键合衬底为铜钨金属衬底，厚度为100um～300um。
步骤S3，暴露出全部或部分第一半导体层，作为制作第一电极600的接触层。本实施例采用248nm波长的准分子激光剥离技术，去除蓝宝石衬底。
步骤S4，在暴露的第一半导体层200的电接触层位置上制作第一电极600。采用热蒸发方法，制作第一电极600。第一电极结构Al/Au、其中Al的厚度为50nm～1um，Au的厚度为0.5um～1.5um。
实施例二
如图5所示，本发明提供的宽光谱半导体有源器件的制造方法，具体如下：
步骤S1，制作本发明所需的外延结构。外延基底为Si衬底、SiC衬底、ALN衬底、GaN衬底或Sapphire中的一种，采用MOCVD技术或MBE技术等外延技术，在所述衬底上外延生长本发明所需外延结构。本实施例选择在蓝宝石衬底上MOCVD外延生长GaN材料。第一半导体层200厚度为3um～6um、有源层301，电子阻挡层400和第二半导体层500。
有源层包含两级调制结构301，位于多量子阱结构302与第一半导体层之间200，每一级的调制结构层包含缺陷层和修复层。缺陷层采用通入表面活性剂Si元素，降低外延生长温度和引入晶格失配材料方式主动制造材料位错，并释放底层穿透位错，厚度小于50nm。修复层作用为修复缺陷层对材料的影响，重新调制位错分布及在有源层形成倒六角锥图形303和304，厚度100nm～300nm。电子阻挡层400与第一级调制结构层形成的倒六角锥图形303在有源层存在交叉的区域对应第一波长调制区305，电子阻挡层400与第二级调制结构层形成的倒六角锥图形304在有源层存在交叉的区域对应第二波长调制区306。多量子阱周期数为15～30个，本实施例为16个周期，从第一半导体层向电子阻挡层方向，量子阱层302的每个量子阱波长如表1所示。实现365nm和395nm双波长辐射。
表2实施例二的有源层中的多量子阱外延生长波长如下表：
步骤S2，在第二半导体层500上制作第二电极700。第二电极700包含反光镜和键合衬底。本实施例采用金属作Al为反光镜，厚度为150nm～300nm，键合衬底为铜钨金属衬底，厚度为100um～300um。
步骤S3，暴露出全部或部分第一半导体层200，作为制作第一电极600的接触层。本实施例采用248nm波长的准分子激光剥离技术，去除蓝宝石衬底。
步骤S4，在暴露的第一半导体层200的电接触层位置上制作第一电极600。采用热蒸发方法，制作第一电极600。第一电极结构Al/Au、其中Al的厚度为50nm～1um，Au的厚度为0.5um～1.5um。
Claims (6)
1.一种宽光谱半导体有源器件，其特征在于，包括外延基底(100)和形成于外延基底(100)上的多层半导体结构；其中，
多层半导体结构包括依次形成于外延基底(100)上的第一半导体层(200)、有源层(301)、电子阻挡层(400)、第二半导体层(500)，以及分别与第一半导体层(200)和第二半导体层(500)直接或间接电连接的第一电极(600)和第二电极(700)；
有源层(301)包含多量子阱结构或多层量子点结构(302)，且多量子阱结构或多层量子点结构(302)的周期数为10～30周期；且有源层(301)包含多级调制结构层；调制结构位于多量子阱结构与第一半导体层(200)之间，每一级的调制结构层包含缺陷层和修复层；缺陷层主动制造材料位错，并释放底层穿透位错，厚度小于50nm，修复层用于为修复缺陷层对材料的影响，重新调制位错分布及在有源层形成倒六角锥图形，厚度100nm～300nm。
2.根据权利要求1所述的一种宽光谱半导体有源器件，其特征在于，第一半导体层(200)为N型半导体，第二半导体层(500)为P型半导体。
3.根据权利要求1所述的一种宽光谱半导体有源器件，其特征在于，多量子阱结构或多层量子点结构(302)由多个单波长量子阱层或量子点组成。
4.根据权利要求1所述的一种宽光谱半导体有源器件，其特征在于，多级调制结构层为1～3级；电子阻挡层(400)与第一级调制结构层形成的倒六角锥图形在有源层存在交叉的区域，称之为第一波长调制区(305)，第二级对应的第二波长调制区(306)，第三级对应第三波长调制区；每一波长调制区可调控的量子阱周期数为1～8个，不同波长调制区能够重叠。
5.根据权利要求1所述的一种宽光谱半导体有源器件，其特征在于，有源层(301)不同波长量子阱按一定生长次序，且在小于50nm的波长范围，量子阱反复交叉重现。
6.权利要求1至5中任一项所述的一种宽光谱半导体有源器件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，制作外延结构
外延基底(100)为Si衬底、SiC衬底、ALN衬底、GaN衬底或Sapphire中的一种，采用MOCVD或MBE外延技术，在外延基底(100)上外延生长所需外延结构，包括：第一半导体层(200)，厚度为2um～10um，有源层(301)，以及第二半导体层(500)，厚度为50nm～200nm；
步骤S2，在第二半导体层(500)上制作第二电极(700)，第二电极(700)包含反光镜和键合衬底，反光镜为对辐射波长反射材料制成，厚度为150nm～300nm，键合衬底为Si衬底或金属衬底，厚度为100um～300um；
步骤S3，暴露出全部或部分第一半导体层(200)，作为制作第一电极(600)的接触层；
步骤S4，在暴露的第一半导体层(200)的电接触层位置上制作第一电极(600)，采用热蒸发或电子束蒸发方法，制作第一电极(600)，第一电极(600)为Al/Au结构、其中Al的厚度为50nm～1um，Au的厚度为0.5um～1.5um。
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