CN1147010C - 自钝化非平面结三族氮化物半导体器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种自钝化非平面结三族氮化物半导体器件，包括蓝宝石衬底并外延生长有三族氮化物缓冲层和n型三族氮化物负电极接触底层并淀积有电介质层；在淀积的电介质层上开有器件发光区窗口；在窗口区上再次外延生长有负电极接触顶层、防裂层、n型限制层、量子阱有源层、p型限制层、p型正电极接触层；在p型正电极接触层上制作透明正电极和正电极焊盘；在电介质层上第二次开负电极窗口，并在此窗口上制作负电极。
Description
技术领域
本发明涉及包括发光二极管(LED)或激光二极管器件(LD)的半导体光发射器件的三族氮化物半导体器件，特别涉及自钝化非平面结三族氮化物半导体器件及其制造方法。
背景技术
周期表三族氮化物半导体的直接带隙能量根据其组成可以在1.95到6.2eV之间变化，因此它们作为如发光二极管(LED)器件和激光二极管(LD)器件等光发射器件的材料可以使发光器件的工作波长覆盖整个可见光谱并延伸到紫外光区，因此已引起人们极大的关注。最近，由于利用了这些三族氮化物半导体材料，高亮度蓝光LED器件、绿光LED器件、白光LED和紫光激光器已进入实用阶段。这些LED器件具有含p-n结的双异质结结构或量子阱有源层。
常规三族氮化物半导体LED器件基本上皆具有异质结结构，其中氮化铟镓(InGaN)构成的有源区或由InxGa1-XN/InyGa1-yN量子阱有源层夹在由氮化铝镓(AlGaN)构成的n型和p型限制层之间。限制层与有源层接触且具有比有源层带隙能量大，根据各能级该结构可向有源层有效地注入电子和空穴。氮化镓(GaN)构成的n型限制层是形成在n型接触层上。GaN构成的p型接触层形成在p型限制层上。p型接触层和n型接触层分别用来制造正负电极。这种层叠结构形成在如蓝宝石之类的绝缘基片上，其特点是所有P-N结和异质结都为平行于蓝宝石表面的平面。例如在中国发明专利申请公开说明书(申请号96120525.3)中公开了能提高向有源层有效地注入电子和空穴的一种结构。
同样生长在如蓝宝石之类的绝缘基片上的常规三族氮化物半导体LED器件n型和p型电极均需从三族氮化物的一面引出，因此常规三族氮化物半导体LED和器件通常的制造方法是利用金属有机汽相外延(MOVPE)技术一次连续生长完全部器件结构，这样外延片的P-N结为平面且与蓝宝石衬底表面平行，最外表面全部被P-GaN所覆盖。为了从外延片的一面引出n型和p型电极，需要用光刻和干法腐蚀方法选择性的去除部分p型层，暴露出N型层同时形成发光台面。此发光台面顶部为p-GaN正电极接触层，依次为P限制层，发光的有源区，n限制层，底部为n-GaN负电极接触层。然后，再用常规光刻与淀积金属的方法分别在p区正电极接触层和n区负电极接触层上分别形成欧姆接触的正负电极。这种现行工艺有如下缺点：
1、干法腐蚀工序成为不可缺少的工序。干法腐蚀形成的发光台面时，台面侧面受干法腐蚀时的粒子轰击会出现表面损伤层并造成表面化学比偏离，同时在干法腐蚀时环境中的氢离子可能扩散进入P-GaN层中使P型杂质镁(Mg)又重新被氢钝化。上述两种效应均会造成P-GaN层的退化，甚至转变成N型，造成正电极欧姆接触不良，使器件特性变差；或P-N结短路，使器件失效。为了减少这种影响，还需要增加腐蚀或退火工艺。
2、干法腐蚀工艺后，PN结和有源区的侧边界面暴露于空气中，如不增加钝化工序，p-n结特性和发光效率会受环境影响而退化。图1表示现有技术制造的LED器件的剖面图；其P-N结面平行于衬底表面，P-N结侧边界是暴露的。
3、在利用专利(发明专利申请号：00105756.1)减少电流沿n型半导体层平行于p-n结流动的电阻而使用二维电子气的n型半导体接触层时，干法腐蚀的腐蚀终点精度要求较高，增加了工艺难度，或影响获得高成品率。
发明内容
本发明的目的是提供一种自钝化非平面结三族氮化物半导体器件及其制造方法，其是利用选择外延技术在蓝宝石之类的绝缘基片上生长非平面的P-N结和异质结，同时免去常规外延生长平面P-N结后必须的干法刻蚀工艺，在选择外延生长出的p-GaN正电极接触层上，直接制作正电极，可避免常规工艺过程中干法刻蚀造成的退化，改善欧姆接触，降低串联电阻以降低功耗、延长器件寿命。同时免去干法刻蚀和减少器件的制作工艺步骤，提高成品率，降低成本。
本发明的另一目的在于避免上述现有技术中的不足之处，利用选择外延技术使得p-n结和有源区边缘自然终止于绝缘电介质层，不与周围气氛接触。因而结构不同于常规工艺制造的氮化镓发光二极管。还可以利用设备和运行成本都较低的氢化物气相外延(HVPE)制备厚n-GaN负电极接触底层，因而可以缩短MOVPE生长时间，提高MOVPE设备的生产效率，从而进一步降低器件成本。本发明由于不对负电极接触底层3进行腐蚀，因而特别适合于配合发明专利申请号为00105756.1的专利。该专利在n型半导体负电极接触层中使用二维电子气结构以减少电流沿n型半导体层平行于p-n结流动的电阻。
在本发明中，广义的三族氮化物半导体是指时周期表中III族元素的氮化物，主要地是由氮化铟铝镓硼(InxAlyGazB1-x-y-zN)表示的氮化物半导体，这里0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，x+y+z≤1。在本说明书中InxGa1-XN(0≤x≤1)表示氮化铟镓三元固溶体，有时简化为InGaN。类似的表达还有AlGaN，以及四元固溶体氮化铟铝镓(AlGaInN)等。
本发明一种非平面结三族氮化物半导体器件，其中包括：一蓝宝石衬底或绝缘氧化物单晶衬底；在蓝宝石衬底上外延生长有三族氮化物缓冲层和n型三族氮化物负电极接触底层；在n型三族氮化物上淀积有和电介质层；在淀积的电介质层上开有器件发光区窗口；在窗口区上依次的选择外延生长层有负电极接触顶层、防裂层、n型限制层、量子阱有源层、p型限制层、p型正电极接触层，并组成双异质结或量子阱发光二极管结构外延层；在p型正电极接触层上制作正透明电极和正电极焊盘；在电介质层上第二次开负电极窗口，并在此窗口上制作负电极。
其中在窗口区上依次生长的负电极接触顶层、防裂层、n型限制层、量子阱有源层、p型限制层、p型正电极接触层，其中负电极接触顶层与n型三族氮化物底层共同组成负电极接触层，防裂层包覆负电极接触层，n型限制层包覆防裂层，量子阱有源层包覆n型限制层，p型限制层包覆量子阱有源层，p型正电极接触层包覆p型限制层。
其中所说的绝缘氧化物单晶衬底还可以是镁铝尖晶石或铝酸锂或镓酸锂或其他氧化物单晶片。
其中所说n型三族氮化物层总厚度为3到5微米之间，可以是n型氮化镓层；或含有反射波长与二极管发光波长一致的由多层氮化镓/氮化铝镓组成的布拉格反射器的n型氮化镓层；或含有氮化镓/氮化铝镓二维电子气结构的n型氮化镓层；或同时含有氮化镓/氮化铝镓布拉格反射器和氮化镓/氮化铝镓二维电子气结构的n型氮化镓层。
其中所说电介质层，其电介质层可以是二氧化硅，氮化硅或氮氧化硅，或由它们组成的叠层结构。
其中所说非平面的P-N结台面结构可以是双异质结结构或含有量子阱有源层。
其中所说电介质层厚度为200～1000nm。
其中所说双异质结结构其中氮化铟镓构成的有源区或由InxGa1-XN/InyGa1-yN量子阱有源层夹在由氮化镓铝构成的n型限制层和p型限制层之间。
其中所说p型限制层可以是掺镁的p型氮化铝镓，或掺镁的p型氮化镓/氮化铝镓超晶格。
其中所说终止面为p型正电极接触层可以是掺镁的p型氮化镓层，或是掺镁的p型氮化镓铟层，或是掺镁的p型氮化镓/氮化镓铟超晶格层。
其中所说二极管正电极包含透明电极和焊盘。
其中所说正电极包含透明电极和焊盘的正电极由镍/金或氧化镍/金或如铂、钯构成；透明电极厚度在0.05～0.5μm之间；焊盘厚度在0.8～1.5μm之间。
其中所说二极管负电极由钛/铝或钛/铝/钛/金构成；焊盘厚度在0.8～1.5μm之间。
本发明一种非平面结三族氮化物半导体器件的制造方法，第一，在绝缘衬底上使用外延生长法生长三族氮化物缓冲层和n型三族氮化物负电极接触底层；第二，在n型三族氮化物负电极接触底层上用化学气相淀积或等离子体气相淀积电介质层；第三，在淀积的电介质层上用光刻方法开器件发光区窗口；第四，在窗口区暴露出的n型三族氮化物负电极接触底层上，利用选择外延生长技术生长n型三族氮化物负电极接触顶层，并连续生长非平面的含有量子阱有源区的P-N结的台面结构，台面P-N结的终止面为p型三族氮化物正电极接触层，P-N结的侧面自然终止于电介质层；第五，在p型三族氮化物的台面上利用真空蒸发或电子束蒸发或溅射方法淀积电极金属配合光刻-剥离工艺形成二极管正电极和；第六，在电介质层上利用光刻-腐蚀方法开出负电极窗口；
第七，在负电极窗口上利用真空蒸发或电子束蒸发或溅射方法淀积电极金属配合光刻-剥离工艺形成负电极。
其中外延生长法是指金属有机化学气相外延技术，或氢化物气相外延技术，或分子束外延技术，或用上述外延技术的混合。
其中所说形成台面结构的选择外延生长技术是指三族氮化物的外延生长仅发生在暴露出三族氮化物的窗口内，而在电介质窗口层上不进行生长；选择外延生长首选技术是金属有机化学气相外延，也可以采用分子束外延技术或氢化物气相外延技术，或用上述外延方法混合生长得到。
其中所说非平面的P-N结台面结构可以含有双异质结结构或含有量子阱有源层。
其中所说双异质结结构其中氮化镓铟构成的有源区或由InxGa1-XN/InyGa1-yN量子阱有源层夹在由氮化铝镓AlGaN构成的n型限制层和p型限制层之间。
其中所说有p型限制层可以是掺镁的氮化铝镓，或掺镁的氮化镓/氮化铝镓超晶格。
其中所说终止面为p型三族氮化物正电极接触层可以是p型氮化镓层，或p型氮化铟镓层，或p型氮化镓/氮化铟镓超晶格层。
附图说明
为进一步说明本发明的技术特征，以下结合附图对本发明作一详细的描述，其中：
图1为现有技术的非平面结三族氮化物半导体器件的结构剖面图；其P-N结面平行于衬底表面，P-N结侧边界是暴露的；
图2为本发明自钝化非平面结三族氮化物半导体器件的剖面图，P-N结侧边界不是暴露的，以及该器件的制作流程图。
具体实施方式
请参阅图2所示：本发明一种自钝化非平面结三族氮化物半导体器件，其中包括：
一蓝宝石或绝缘氧化物单晶衬底1；在蓝宝石衬底1上外延生长有三族氮化物缓冲层2和n型三族氮化物负电极接触底层3；在n型三族氮化物3上淀积有电介质层4；在淀积的电介质层4上开有器件发光区窗口41；在窗口区41上依次的选择外延生长层有负电极接触顶层5、防裂层6、n型限制层7、量子阱有源层8、p型限制层9、p型正电极接触层10，并组成双异质结或量子阱发光二极管结构外延层；在p型正电极接触层10上制作正透明电极11和正电极焊盘13；在电介质层4上第二次开负电极窗口121，并在此窗口上制作负电极12。
其中在窗口区41上依次生长的负电极接触顶层5、防裂层6、n型限制层7、量子阱有源层8、p型限制层9、p型正电极接触层10层，其中负电极接触层5与n型三族氮化物层3共同组成负电极接触层，防裂层6包覆负电极接触层5，n型限制层7包覆防裂层6，量子阱有源层8包覆n型限制层7，p型限制层9包覆量子阱有源层8，p型正电极接触层10包覆p型限制层9。
其中所说的绝缘氧化物单晶衬底可以是镁铝尖晶石或铝酸锂或镓酸锂或其他氧化物单晶片。
其中所说n型三族氮化物层3总厚度为3到5微米之间，可以是n型氮化镓层；或含有反射波长与二极管发光波长一致的由多层氮化镓/氮化铝镓组成的布拉格反射器的n型氮化镓层；或含有氮化镓/氮化铝镓(GaN/AlGaN)二维电子气结构的n型氮化镓(GaN)层；或同时含有氮化镓/氮化铝镓布拉格反射器和氮化镓/氮化铝镓二维电子气结构的n型氮化镓层。
其中所说电介质层4，其电介质层可以是二氧化硅，氮化硅或氮氧化硅或其他，以及由它们组成的叠层结构，电介质层4厚度为200～1000nm。
其中所说非平面的P-N结台面结构可以是双异质结结构或含有量子阱有源层。
其中所说双异质结结构其中氮化铟镓(InGaN)构成的有源区8或由InxGa1-XN/InyGa1-yN量子阱有源层8夹在由氮化铝镓(AlGaN)构成的n型限制层7和p型限制层9之间。
其中所说有p型限制层9可以是掺镁的p型氮化铝镓(AlGaN)，或掺镁的p型氮化镓/氮化铝镓(GaN/AlGaN)超晶格。
其中所说终止面为p型正电极接触层10可以是掺镁的p型氮化镓层10，或是掺镁的p型氮化镓铟(InGaN)层10，或是掺镁的p型氮化镓/氮化铟镓(GaN/InGaN)超晶格层。
其中所说二极管正电极包含透明电极11和焊盘13；正电极包含透明电极和焊盘的正电极由镍/金或氧化镍/金或其它高功函数金属如铂、钯等构成；透明电极厚度在0.05～0.5μm之间；焊盘厚度在0.8～1.5μm之间；二极管负电极由钛/铝或钛/铝/钛/金构成；焊盘厚度在0.8～1.5μm之间。
本发明一种非平面结三族氮化物半导体器件的制造方法，
第一，在绝缘衬底上使用外延生长法生长缓冲层2和n型三族氮化物负电极接触底层3；
第二，在n型三族氮化物负电极接触底层3上用化学气相淀积或等离子体气相淀积电介质层4；
第三，在淀积的电介质层4上用光刻方法开器件发光区窗口41；
第四，在开有电介质窗口的n型三族氮化物负电极接触底层3上，利用选择外延生长技术生长n型三族氮化物负电极接触顶层5，并连续生长非平面的含有量子阱有源区的P-N结的台面结构，台面P-N结的终止面为p型三族氮化物正电极接触层10，P-N结的侧面自然终止于电介质层；
第五，在p型三族氮化物的台面上利用真空蒸发或电子束蒸发或溅射方法淀积电极金属配合光刻-剥离工艺形成二极管正电极11和13；
第六，在电介质层上利用光刻-腐蚀方法开出负电极窗口121；
第七，在负电极窗口上利用真空蒸发或电子束蒸发或溅射方法淀积电极金属配合光刻-剥离工艺形成负电极12。
其中外延生长法是指金属有机化学气相外延技术，或氢化物气相外延技术，或分子束外延技术，或用上述外延技术的混合。
其中所说形成台面结构的选择外延生长技术是指三族氮化物的外延生长仅发生在暴露出三族氮化物的窗口内，而在电介质层上不进行生长；选择外延生长首选技术是金属有机化学气相外延，也可以采用分子束外延技术或氢化物气相外延技术，或用上述外延方法混合生长得到。
其中所说非平面的P-N结台面结构可以含有双异质结结构或含有量子阱有源层。
其中所说双异质结结构其中氮化铟镓(InGaN)构成的有源区8或由InxGa1-XN/InyGa1-yN量子阱有源层夹在由氮化铝镓(AlGaN)构成的n型限制层7和p型限制层9之间。
其中所说有p型限制层9可以是掺镁的氮化铝镓(AlGaN)，或掺镁的氮化镓/氮化铝镓(GaN/AlGaN)超晶格。
其中所说终止面为p型三族氮化物正电极接触层10可以是p型氮化镓(GaN)层，或p型氮化铟镓(InGaN)层，或p型氮化镓/氮化铟镓(GaN/InGaN)超晶格层。
本发明的第一实施例提供一种三族氮化物量子阱半导体器件制造方法，其制造步骤为：
1)用MOVPE方法，在蓝宝石衬底1上生长20nm的缓冲层2，然后生长生长3～5μm的掺硅n型含有GaN/AlGaN二维电子气层的GaN负电极接触底层3，如图2A；
2)在3～5μm的n型含有GaN/AlGaN二维电子气层的GaN负电极接触底层3上淀积二氧化硅(SiO2)电介质层4，如图2B；
3)在SiO2上光刻形成器件发光区窗口41，成为选择外延生长用衬底如图2C；
4)再次用MOVPE法选择外延生长掺硅n-GaN接触顶层5与层3共同组成n型负电极接触层(如图2D)。然后接续生长掺硅n-InGaN防裂层6，掺硅n-AlGaN限制层7，InGaN量子阱有源层8，掺镁p-AlGaN限制层9，掺镁p-GaN正电极接触层10，如图2E；
5)在p-GaN正电极接触层10上，直接淀积镍/金(Ni/Au)，制作p型透明电极11和焊盘13；
6)在负电极接触层上的电介质层4上，选择除去部分SiO2，形成n型负电极窗口121，然后形成n型钛/铝负电极12，如图2F。
在绝缘衬底上生长三族氮化物缓冲层，在其上并与其相接触具有二维电子气结构的三族氮化物半导体构成的n型负电极接触层。所说二维电子气结构层由氮化镓半导体层和比氮化镓带隙能量大的含铝的三族氮化物半导体层构成；
在负电极接触层上并与其相接触的是含铟的三族氮化物的防裂层。防裂层是为了防止在其上并与其相接触的是比氮化镓带隙能量大的含铝的三族氮化物半导体n型限制层发生龟裂。
生长在氮化镓层上的含铝的三族氮化物半导体层当厚度较大时就会产生龟裂。而在含铟三族氮化物层上生长的含铝的三族氮化物半导体层时，含铝的三族氮化物半导体层就不发生龟裂。因此，在n型负电极接触层和n型限制层间就插入含铟三族氮化物的防裂层。
在防裂层上并与其相接触的是比氮化镓带隙能量大的含铝的三族氮化物半导体n型限制层；
在n型限制层上并与其相接触的是含铟的三族氮化物半导体构成的量子阱结构有源层，且并至少具有一个厚度不大于70埃的阱层；
在有源层上并与其相接触的是且具有比有源层大的带隙能量的p型含铝三族氮化物半导体限制层；
在p型三族氮化物限制层上并与其相接触的是比p型三族氮化物限制层带隙能量小的p型三族氮化物半导体正电极接触层；
在p型三族氮化物半导体接触层和含有二维电子气结构的n型三族氮化物接触层上分别形成欧姆接触的正(包括半透明正电极)、负电极。
本发明的第二实施例提供一种三族氮化物双异质结半导体器件制造方法，其制造步骤为：
1)在蓝宝石衬底1上用MOVPE方法生长20nm的缓冲层2，然后生长3μm的负电极接触底层n-GaN 3，如图2A；
2)在3μm的掺硅n-GaN负电极接触底层3上淀积SiO2绝缘电介质层4，如图2B；
3)在SiO2上光刻形成器件发光区窗口41，成为选择外延生长用衬底如图2C；
4)在选择外延生长时，在衬底上再次用MOVPE法生长掺硅n-GaN负电极接触顶层5与n-GaN 3共同构成复合n-GaN负电极接触层(如图2D)，再连续生长掺硅n-InGaN防裂层6，掺硅n-AlGaN限制层7，InGaN有源层8，掺镁p-AlGaN限制层9，掺镁p-GaN正电极接触层10，R如图2E；
5)利用光刻-蒸发镍/金-剥离方法直接在p-GaN正电极接触层10上，制作p型透明电极11，然后再次利用相同工艺形成正电极焊盘13。
6)利用光刻和腐蚀方法选择除去部分SiO2形成n型负电极窗口121，然后利用光刻-蒸发钛/铝-剥离方法在窗口处形成n型负电极12，如图2F。
本发明的第三实施例提供一种HVPE和MOVPE混合三族氮化物半导体器件制造方法，其制造步骤为：
1)在蓝宝石衬底1上用氯化镓，硅烷和氨为原料的氢化物气相外延(HVPE)方法生长生长3μm的掺硅n-GaN负电极接触底层3，如图2A；
2)在3μm的n-GaN负电极接触底层3上淀积SiO2电介质层4，如图2B；
3)在SiO2上光刻形成器件发光区窗口41，成为选择外延生长用衬底如图2C；
4)用选择外延生长在上述衬底上再次用MOVPE法生长掺硅n-GaN5与n-GaN 3共同构成复合n-GaN负电极接触层(如图2D)，再连续生长掺硅n-InGaN防裂层6，掺硅n-AlGaN限制层7，InGaN量子阱有源层8，掺镁p-AlGaN限制层9，掺镁p-GaN正电极接触层10，如图2E；
5)利用光刻-蒸发镍/金-剥离方法直接在p-GaN正电极接触层10上，制作p型透明电极11，然后再次利用相同工艺形成正电极焊盘13。
6)利用光刻和腐蚀方法选择除去部分SiO2形成n型负电极窗口121，然后利用光刻-蒸发钛/铝-剥离方法在该窗口处形成n型负电极12，如图2F。
从下面的说明中可进一步看出本发明的的目的和优点，一部分可以从说明中获得，或可以通过实现本发明来获悉。本发明的目的和优点可以通过所附权利要求书中特别指出的手段和其组合来实现。
与说明书结合且构成其一部分的附图示出了本发明的优选实施例，它们和上面的一般说明及对优选实施例的详细说明一起用来解释本发明的原理。
例1：
在本例中，示出具有图2所示结构的三族氮化物半导体LED器件制造过程。
将清洁的蓝宝石衬底置于MOVPE反应室的基座上，并使MOVPE系统内的气体完全为氢气。然后，在氢气流中将衬底加热到1150℃的温度以进行衬底的清洁处理。
然后，当温度降到1050℃后向反应室连续通入氨对蓝宝石表面进行氮化，时间为3～5分钟，然后温度降到500～550℃通入氨、三甲基镓(TMGa)生长缓冲层2。然后仅在氨气氛下升温到1050℃，再次通入氨、三甲基镓和硅烷(SiH4)生长掺硅(Si)的GaN层3。掺Si的氮化镓层至总厚度达2-4μm。
清洁的或经清洁处理的GaN外延片放入CVD反应室中，通入硅烷和笑气在约300℃下淀积二氧化硅。二氧化硅厚度达300nm。
将有二氧化硅介质GaN层经光刻工艺，形成器件发光区窗口。
将清洁的或经清洁处理的有二氧化硅介质窗口的GaN层的蓝宝石衬底置于MOVPE反应室的基座上，并使MOVPE系统内的气体完全为氢气。然后，在氨(NH3)和氢气流中将衬底加热到1150℃的温度以进行衬底的清洁处理。
然后，当温度降到1050℃后向反应室连续通入氨、三甲基镓(TMGa)和硅烷(SiH4)生长掺硅(Si)的GaN层3。生长掺Si的GaN层层厚在0.1-1μm之间，使掺Si的氮化镓层至总厚度达2-5μm。
然后，生长150nm厚的掺Si-InxGa1-xN防裂层，x值在0.06-0.15之间。
然后，生长150nm厚的掺Si-AlxGa1-xN层，x值在0.1-0.2之间的限制层5。
然后，降温到800℃在氮载气下，用氨、TMGa，三甲基铟(TMIn)和SiH4为掺杂剂生长Si的InxGa1-xN/InyGa1-yN单量子阱有源层6。垒层厚度为50埃，y值在0.01-0.06之间；接着，增加TMIn的分压，生长厚度为25埃，x值在0.15-0.25之间阱层。然后在生长厚度为50埃，y值在0.01-0.06之间的垒层。最终形成单量子阱(SQW)结构的有源层6。
然后，再次升温到1100℃向反应室连续通入氨、TMGa、三甲基铝(TMAl)和二茂镁(CP2Mg)生长掺镁(Mg)的p-AlGaN限制层7，到0.15μm的厚度。
最后，在1050℃下，用TMGa、氨和CP2Mg生长掺Mg的p-GaN接触层8到0.5μm的厚度。
在此之后，温度被降到室温，从MOVPE反应室中取出外延片。该外延片在700到950℃下在氮气气氛下进行退火而进一步降低p-型层的电阻。用光刻-淀积金属-剥离法在p台面8上形成由Ni和Au所组成的半透明正电极15。然后，再一次用光刻-淀积金属-剥离法在p台面8上形成p-型接触层焊盘16。然后，用光刻法暴露出n型接触层3的GaN窗口。在刻蚀处理之后，用光刻-淀积金属-剥离法在n型接触层3的GaN表面形成由Ti和Al所组成的负电极焊盘14。于是形成LED管芯片。
接着，管芯片被切割成为多个LED管芯。该管芯被粘接到标准LED管座内。然后分别完成p-型接触层焊盘和n-型接触层焊盘与正负管脚间的焊接。最后再经标准塑封和切断工艺最终形成发光二极管。
本发明有如下优点：
1.本发明利用选择外延技术在蓝宝石之类的绝缘基片上生长自钝化非平面的P-N结，同时免去常规外延生长平面P-N结后必须的干法刻蚀工艺，在选择外延生长出的p-GaN接触层上，直接淀积Ni/Au，制作p型电极，可避免常规工艺过程中干法刻蚀工艺造成的退化，改善欧姆接触，降低串联电阻以降低功耗、延长器件寿命的氮化镓发光二极管。同时减少该三族氮化物半导体器件的制作工艺步骤，提高成品率，降低成本。
2.本发明利用选择外延技术使得p-n结边缘终止于绝缘层，不与周围气氛接触自然使p-n结得到钝化。因而结构不同于常规工艺。
3.提供一种利用可以用的氢化物气相外延(HVPE)制备厚n-GaN负电极接触层3，因而可以缩短氮化镓生长速度慢成本高的MOVPE生长时间，提高MOVPE设备的生产效率，从而进一步降低器件成本。
Claims (20)
1、一种自钝化非平面结三族氮化物半导体器件，其特征在于，其中包括：
一蓝宝石或绝缘氧化物单晶衬底；
在蓝宝石衬底上外延生长有三族氮化物缓冲层和n型三族氮化物负电极接触底层；
在n型三族氮化物上淀积有电介质层；
在淀积的电介质层上开有器件发光区窗口；
在窗口区上依次的选择外延生长层有负电极接触顶层、防裂层、n型限制层、量子阱有源层、p型限制层、p型正电极接触层，并组成双异质结或量子阱发光二极管结构外延层，该P-N结的侧面自然终止于电介质层；选择外延生长的终止面为p型三族氮化物正电极接触层；
在p型正电极接触层上制作正透明电极和正电极焊盘；
在电介质层上第二次开负电极窗口，并在此窗口上制作负电极。
2、根据权利要求1所述的自钝化非平面结三族氮化物半导体器件，其特征在于，其中在窗口区上依次选择外延生长负电极接触顶层、防裂层、n型限制层、量子阱有源层、p型限制层、p型正电极接触层，其中负电极接触顶层与n型三族氮化物负电极接触底层共同组成负电极接触层，防裂层包覆负电极接触层，n型限制层包覆防裂层，量子阱有源层包覆n型限制层，p型限制层包覆量子阱有源层，p型正电极接触层包覆p型限制层；如此生长出非平面的含有量子阱有源区的P-N结的台面结构，其P-N结的侧面自然终止于电介质层而形成钝化。
3、根据权利要求1所述的自钝化非平面结三族氮化物半导体器件，其特征在于，其中所说的绝缘氧化物单晶衬底可以是镁铝尖晶石或铝酸锂或镓酸锂或其氧化物单晶片。
4、根据权利要求1所述的自钝化非平面结三族氮化物半导体器件，其特征在于，其中所说n型三族氮化物负电极接触底层总厚度为3到5微米之间，可以是n型氮化镓层；或含有反射波长与二极管发光波长一致的由多层氮化镓/氮化铝镓组成的布拉格反射器的n型氮化镓层；或含有氮化镓/氮化铝镓二维电子气结构的n型氮化镓层；或同时含有氮化镓/氮化铝镓布拉格反射器和氮化镓/氮化铝镓二维电子气结构的n型氮化镓层。
5、根据权利要求1所述的自钝化非平面结三族氮化物半导体器件，其特征在于，其中所说电介质层，其电介质层可以是二氧化硅，氮化硅或氮氧化硅，或由它们组成的叠层结构。
6、根据权利要求1所述的自钝化非平面结三族氮化物半导体器件，其特征在于，其中所说非平面的P-N结台面结构可以是双异质结结构或含有量子阱有源层。
7、根据权利要求1所述的自钝化非平面结三族氮化物半导体器件，其特征在于，其中所说电介质层厚度为200～1000nm。
8、根据权利要求1所述的自钝化非平面结三族氮化物半导体器件，其特征在于，其中所说双异质结结构其中氮化镓铟构成的有源区或由InxGa1-XN/InyGa1-yN量子阱有源层夹在由氮化镓铝构成的n型限制层和p型限制层之间。
9、根据权利要求1所述的自钝化非平面结三族氮化物半导体器件，其特征在于，其中所说有p型限制层可以是掺镁的p型氮化铝镓，或掺镁的p型氮化镓/氮化铝镓超晶格。
10、根据权利要求1所述的自钝化非平面结三族氮化物半导体器件，其特征在于，其中所说终止面为p型正电极接触层可以是掺镁的p型氮化镓层，或是掺镁的p型氮化镓铟层，或是掺镁的p型氮化镓/氮化镓铟超晶格层。
11、根据权利要求1所述的自钝化非平面结三族氮化物半导体器件，其特征在于，其中所说二极管正电极包含透明电极和焊盘。
12、根据权利要求1所述的自钝化非平面结三族氮化物半导体器件，其特征在于，其中所说正电极包含透明电极和焊盘的正电极由镍/金或氧化镍/金或如铂、钯构成；透明电极厚度在0.05～0.5μm之间；焊盘厚度在0.8～1.5μm之间。
13、根据权利要求1所述的自钝化非平面结三族氮化物半导体器件，其特征在于，其中所说二极管负电极由钛/铝或钛/铝/钛/金构成；焊盘厚度在0.8～1.5μm之间。
14、一种自钝化非平面结三族氮化物半导体器件的制造方法，其特征在于，
第一，在绝缘衬底上使用外延生长法生长缓冲层和n型三族氮化物负电极接触底层；
第二，在n型三族氮化物负电极接触层上用化学气相淀积或等离子体气相淀积电介质层；
第三，在淀积的电介质层上用光刻方法开器件发光区窗口；
第四，在开有电介质窗口的n型三族氮化物负电极接触底层上，利用选择外延生长技术生长负电极接触顶层并连续生长非平面的含有量子阱有源区的P-N结的台面结构，台面的终止面为p型三族氮化物正电极接触层，P-N结的侧面自然终止于电介质层；
第五，在p型三族氮化物的台面上利用真空蒸发或电子束蒸发或溅射方法淀积金属层配合光刻-剥离工艺形成二极管正电极；
第六，在电介质层上利用光刻-腐蚀方法开出负电极窗口；
第七，在负电极窗口上利用真空蒸发或电子束蒸发或溅射方法淀积金属层配合光刻-剥离工艺形成负电极。
15、根据权利要求14所述的自钝化非平面结三族氮化物半导体器件的制造方法，其特征在于，其中外延生长法是指金属有机化学气相外延技术，或氢化物气相外延技术，或分子束外延技术，或用上述外延技术的混合。
16、根据权利要求14所述的自钝化非平面结三族氮化物半导体器件的制造方法，其特征在于，其中所说形成台面结构的选择外延生长技术是指三族氮化物的外延生长仅发生在暴露出三族氮化物的窗口内，而在电介质层上不进行生长；选择外延生长首选技术是金属有机化学气相外延，也可以采用分子束外延技术或氢化物气相外延技术，或用上述外延方法混合生长得到。
17、根据权利要求14所述的自钝化非平面结三族氮化物半导体器件的制造方法，其特征在于，其中所说非平面的P-N结台面结构可以含有双异质结结构或含有量子阱有源层。
18、根据权利要求14所述的自钝化非平面结三族氮化物半导体器件的制造方法，其特征在于，其中所说双异质结结构其中氮化铟镓构成的有源区或由InxGa1-XN/InyGa1-yN量子阱有源层夹在由氮化铝镓构成的n型限制层和p型限制层之间。
19、根据权利要求14所述的自钝化非平面结三族氮化物半导体器件的制造方法，其特征在于，其中所说p型限制层可以是掺镁的氮化铝镓，或掺镁的氮化镓/氮化铝镓超晶格。
20、根据权利要求14所述的自钝化非平面结三族氮化物半导体器件的制造方法，其特征在于，其中所说终止面为p型三族氮化物正电极接触层可以是p型氮化镓层，或p型氮化铟镓层，或p型氮化镓/氮化铟镓超晶格层。
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