CN114759126B - 基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构及其制备方法。所述半导体器件结构的制备方法包括：提供具有相背对的第一面和第二面的氮化物单晶衬底；在该第一面上加工形成粗化结构，该粗化结构包括多个突起或凹下的图形结构；在该粗化结构上形成第一氮化物层，该第一氮化物层能够向该衬底施加一压应力，该压应力用于抵销一生长应力，该生长应力是在该第二面上生长外延结构时产生；在该第二面上生长外延结构。本申请既充分发挥了氮化物同质外延的优势，使半导体器件结构具有低漏电、长寿命的特点，还使半导体器件结构呈现出高出光效率和高发光均匀性等优势，尤其是可以实现高亮度、高效率的光电器件，利于推动其在高端领域广泛应用。
Description
技术领域
本申请涉及一种半导体器件结构，具体涉及一种基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构及其制备方法，属于半导体技术领域。
背景技术
现今商用化的高亮度GaN基LED等光电器件通常生长在图形化蓝宝石衬底（Patterned Sapphire Substrate，PSS）上。在这些光电器件中，有源区发出的光经GaN和蓝宝石衬底界面多次散射，改变了全反射光的出射角，增加了倒装LED的光从蓝宝石衬底出射的几率，从而提高了光的提取效率，使PSS上生长的LED的出射光亮度比传统的LED大大提高。
GaN单晶衬底具有超低的位错密度和超高的晶体质量，其上生长的LED具有漏电流小、寿命长等优点。但由于GaN衬底生长GaN材料属于同质外延，没有界面形成反射，更没有多角度的反射来提高出光效率。因此，虽然GaN同质外延LED的晶体质量很高，但是在出光效率等方面，却不及图形化蓝宝石衬底上生长的LED。
近年来，有一些研究人员尝试通过对GaN单晶衬底增设反光层等方式，以提高GaN同质外延LED等光电器件的光提取效率，但一方面对光提取效率的提升幅度有限，另一方面可能会导致GaN单晶衬底的固有性能发生改变，从而对生长形成的外延层的晶体质量造成不良影响，导致发光均匀性降低等问题。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构及其制备方法，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本申请采用的技术方案包括：
本申请的一个方面提供了一种基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构，其包括：
氮化物单晶衬底，具有相背对的第一面和第二面，
粗化结构，形成在所述第一面上，包括多个图形结构，所述图形结构相对于所述第一面突起或凹下，
外延结构，生长在所述第二面上，
第一氮化物层，覆设在所述粗化结构上，并能够向所述氮化物单晶衬底施加一压应力，所述压应力用于抵销一生长应力，所述生长应力是在所述第二面上生长所述外延结构时产生。
本申请的另一个方面提供了一种基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构的制备方法，其包括：
提供氮化物单晶衬底，具有相背对的第一面和第二面；
对所述第一面进行加工，以在所述第一面上形成粗化结构，所述粗化结构包括多个图形结构，所述图形结构相对于所述第一面突起或凹下；
在所述粗化结构上形成第一氮化物层，所述第一氮化物层能够向所述氮化物单晶衬底施加一压应力，所述压应力用于抵销一生长应力，所述生长应力是在所述第二面上生长外延结构时产生；
在所述第二面上生长外延结构。
本申请的又一个方面提供了基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构在制备LED等光电器件中的用途。
本申请通过在氮化物单晶衬底的第一面（尤其是N面）上预先形成粗化结构和氮化物层，之后在所述氮化物单晶衬底的第二面上生长所述外延结构，可以利用氮化物层对衬底预置一压应力，使所述氮化物单晶衬底在生长外延结构过程中受到的生长应力被所述压应力实时抵消，保证了所述氮化物单晶衬底的第二面在外延生长过程中始终保持平整，从而可以提高外延结构的生长均匀性和晶体质量，进而有效改善半导体器件结构的发光均匀性。同时，利用所述粗化结构及氮化物层，还可以使有源区射出的光在粗化结构的界面处形成多次反射，不断改变全反射光的出射角，从而显著提高光的提取效率。
相较于现有技术，本申请制备的基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构既充分发挥了同质外延的优势，具有低漏电、长寿命的特点，同时还呈现出高出光效率和高发光均匀性等优势，实现了高亮度、高效率的光电器件，利于推动其在高端应用领域广泛应用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请的第一种实施方式中一种基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构的示意图；
图2是图1所示半导体器件结构的制备工艺流程示意图；
图3是本申请的第二种实施方式中一种基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构的示意图；
图4是本申请实施例1中一种基于GaN单晶衬底的LED器件结构的示意图；
图5是本申请实施例1中一种基于氮化物单晶衬底N面的粗化结构的AFM测试图。
具体实施方式
如前所述，利用氮化物单晶衬底同质外延形成的光电器件往往在出光效率等方面逊于基于图形化蓝宝石衬底的光电器件。另一方面，对于一些氮化物单晶衬底来说，当在其第二面同质外延生长外延结构的过程中，其第二面容易受到一个自发产生的应力的作用而产生内凹的趋势，该自发产生的应力可以被定义为生长应力，而这一现象往往会导致外延结构中各区域的生长均匀性受到不利影响，最终影响光电器件的发光均匀性。
针对现有技术的这些缺陷，本申请人发现，若在氮化物单晶衬底的第二面上生长外延结构之前，在其第一面（N面）上预先形成一定尺寸和形貌的粗化结构以及一定材质和厚度的氮化物层，可以对衬底预置一压应力，该压应力可以使衬底的第二面有外凸的趋势，之后在第二面上生长所述外延结构的过程中，所述氮化物单晶衬底受到的生长应力会被所述压应力实时抵消，使其第二面始终保持平坦，这使得外延结构的生长均匀性和晶体质量都得到有效改善，同时因所述粗化结构及氮化物层的存在，使有源区射出的光能够被粗化结构和氮化物层等配合形成的反射界面多次反射后射出半导体器件结构，最终使得半导体器件结构的出光效率和发光均匀性等都得到大幅提高。特别是，对于通过湿法腐蚀等方式形成的粗化结构而言，其中突起或凹下的图形结构的侧壁往往是欠光滑的，且对于GaN单晶等而言，N面相对于Ga面位错较多，腐蚀形成的凹坑等图形结构无法达到理想状态，导致光线入射粗化结构的角度不完全一致，无法实现理想状态下的全反射，该氮化物层的设置，可以修复图形结构的侧壁，在一定程度上克服粗化结构的上述缺陷。
基于以上的发现，本申请人得以提出本申请的技术方案，如下将予以更为详细的说明。
本申请的一些实施例提供的一种基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构的制备方法包括：
提供氮化物单晶衬底，具有相背对的第一面和第二面；
对所述第一面进行加工，以在所述第一面上形成粗化结构，所述粗化结构包括多个图形结构，所述图形结构相对于所述第一面突起或凹下；
在所述粗化结构上形成第一氮化物层，所述第一氮化物层能够向所述氮化物单晶衬底施加一压应力，所述压应力用于抵销一生长应力，所述生长应力是在所述第二面上生长外延结构时产生；
在所述第二面上生长外延结构。
在本申请中，通过先对氮化物单晶衬底的第一面进行粗化、沉积第一氮化物层等操作，之后在其第二面生长外延结构，不仅可以提高半导体器件的出光效率和发光均匀性等性能，而且还可以避免刻蚀、沉积氮化物层等操作对外延结构造成的损伤、污染，保证半导体器件的品质和良率。
在本申请中，所述氮化物单晶衬底可以是GaN单晶衬底、AlN单晶衬底等，且不限于此。进一步的，所述氮化物单晶衬底可以是n型掺杂、p型掺杂或未掺杂的。
在一个实施例中，所述第一面为N面。本领域对于氮化物单晶材料的N面的定义如下：以GaN单晶为例，以平行于C轴([0001]晶向)的Ga-N键作为参照，若每一个Ga-N键中的Ga原子更远离下表面，则上表面为Ga面；若每一个Ga-N键中的N原子更远离下表面，则上表面为N面。
对于氮化物单晶衬底来说，其N面化学性质非常活泼，在相同的条件下，相比Ga面更容易受到腐蚀和刻蚀作用，所以可以使用简单易操作的湿法刻蚀，用湿法腐蚀试剂进行浸泡腐蚀。而Ga面则化学性质则相对稳定，表面不会受到湿法腐蚀试剂的影响；适用的湿法腐蚀试剂可以包括但不限于氢氧化钾溶液、磷酸溶液、NH4OH/H2O2混合溶液等，优选为NH4OH/H2O2混合溶液。前述的湿法刻蚀可以在室温条件或加热条件下进行。
在一个实施例中，所述的制备方法具体包括：至少通过湿法腐蚀方式对所述第一面进行刻蚀，其中采用的湿法腐蚀试剂包含体积比为1：1：5-1：1：10的NH4OH、H2O2和去离子水，刻蚀温度为70℃-90℃，刻蚀时间为8min-12min，从而形成所述粗化结构。且该湿法腐蚀试剂相对于氢氧化钾溶液等更为温和，对Ga面无影响，因此无需对Ga面进行保护。
通过将所述氮化镓单晶衬底浸泡在湿法腐蚀试剂中进行刻蚀，即可实现对其N面的粗化处理，该刻蚀过程可以在水浴条件下进行，温度为70-90℃，优选为80℃左右，该刻蚀温度的高低会影响刻蚀深度和形貌，一般而言，刻蚀温度与刻蚀速率成正比，当刻蚀温度过低时，将无法实现目标粗化深度，但刻蚀温度也不应太高，一般应不高于100℃，以免导致过刻蚀。刻蚀时间优选在8-12min左右，时间太短或太长都会导致无法获得预期的粗化结构。
通过将湿法腐蚀试剂中NH4OH、H2O2和去离子水的比例设置为1：1：5-1：1：10，可以实现纵向刻蚀速率大于横向刻蚀速率，当各组分比例低于第一极限值（1：1：5）时，刻蚀速率整体太慢，会影响刻蚀深度，但是若高于第二极限值（1：1：10），则横向刻蚀速率会大于纵向刻蚀速率，无法实现目标粗化深度。
在一个实施例中，多个所述图形结构在所述第一面上阵列排布，所述图形结构的径向尺寸为100nm-5μm、突起的高度或凹下的深度为100nm-5μm，相邻两个图形结构的距离为100nm-5μm。对于基于GaN单晶衬底的LED器件等来说，这样的粗化结构更有利于提高出光效率。优选地，突起的高度或凹下的深度为100nm-1μm，当突起的高度或凹下的深度过高时，会造成GaN同质衬底生长过程时，Ga面更容易发生凹的情况，对于后续的第一氮化物层的厚度要求较高。
其中，所述图形结构可以是形成在所述第一面上的规则的相对突起结构或相对凹下结构，这些图形结构可以在所述第一面上排布形成周期性重复的图案。这些图形结构的形状、尺寸等可以根据不同半导体器件结构的应用需求而定。需要说明的是，图形结构的周期和高度会影响光的反射，周期越小、高度越高，会增加光在反射界面上的反射几率。
举例来说，适用于本申请的所述图形结构可以是半球形、棱锥形、锥台形等规则的突起结构或凹下结构，且不限于此；这些图形结构易于通过湿法腐蚀等方式制作，工艺更可控。
在一个实施例中，所述第一氮化物层的厚度为100nm-200nm，若厚度过小，则无法对N面施加足够的压应力，进而难以很好的抵消Ga面在外延生长过程中因生长应力内凹的现象，若厚度过大，则又会对反射率及外延生长的晶体质量带来一定的负面影响。
在一个实施例中，所述第一氮化物层的材质包括但不限于AlN或BN，并优选为氮化物单晶材料，以使其与氮化物单晶衬底更好的匹配，且获得比多晶、非晶材料更好的光学反射性能。
进一步的，所述制备方法具体包括：在所述氮化物单晶衬底的第一面上形成所述粗化结构之后，将所述氮化物单晶衬底置入化学气相沉积系统内，先通入金属源，再通入氮源，之后交替通入金属源、氮源，且使金属源的持续通入时间长于氮源的持续通入时间，从而在所述粗化结构上生长所述第一氮化物层。
示例性的，所述的制备方法可以包括：采用的金属源为Al源、氮源包括氨气，并控制金属源的持续通入时间为氮源的持续通入时间的2-3倍，生长温度为1000℃-1800℃，从而生长形成所述第一氮化物层，即AlN层。
对于AlN材料而言，其在作为缓冲层等结构时，生长温度可以设置为800℃左右，而在本申请中，由于氮化物单晶衬底的N面往往存在位错，且在湿法腐蚀形成粗化结构的过程中，这些位错所在位置一般会引起更深的腐蚀深度，造成粗化结构无法实现理想状态下的均匀粗化，为此，本申请中将AlN层的生长温度升高至1000℃-1800℃（优选为1500℃左右），以降低沉积速率，实现AlN的沉积均匀化；并且，在沉积AlN时，先通入Al源，再通入氨气，二者交替，且控制Al源的持续通入时间是氨气的持续通入时间的2-3倍，以克服Al迁移率低的问题，更好实现金属成核，利于AlN中的原子结合，形成均匀且质量好的AlN层。反之，若先通入氨气，或者将Al源和氨气同时通入，会产生寄生反应，在表面形成颗粒状，影响AlN层的均匀性。
前述的化学气相沉积（CVD）系统可以采用有机金属化学气相沉积系统 (MOCVD) 、微波等离子体辅助化学气相沉积系统（MPCVD）、等离子体增强化学气相沉积系统（PECVD）等，且不限于此。
在一个实施例中，所述第一氮化物层连续的共形覆设在所述粗化结构上，以形成面积更大的反射界面。
在一个实施例中，所述的制备方法具体包括：至少在所述粗化结构上依次形成第一氮化物层和第二氮化物层；其中，所述氮化物单晶衬底、第一氮化物层、第二氮化物层的折射率依次减小，逐渐实现全反射，获得更高的光反射效率。
在一个实施例中，所述的制备方法还包括：在所述第二氮化物层上形成金属反射层；所述第二氮化物层的材质为过渡金属氮化物，例如TaN或TiN等，且不限于此。采用过渡金属氮化物材质的第二氮化物层，不仅可以使其与第一氮化物层、粗化结构配合形成反射效率更高的反射界面，还可以利用其作为第一氮化物层与金属反射层的过渡层，使金属反射层更易于在第一氮化物层上沉积，并增强金属反射层与第一氮化物层的结合牢固度。
在一个实施例中，所述第二氮化物层优选采用化学气相沉积（CVD）法等生长，以形成氮化物单晶，使之能够与氮化物单晶衬底更好的匹配，并获得比多晶、非晶材料更好的光学反射性能。与之相比较，TaN、TiN等过渡金属氮化物的传统生长方法通常为溅射，但溅射易形成多晶。
在一个实施例中，所述第二氮化物层的厚度应小于第一氮化物层，优选设置为5-20nm。
在一个实施例中，所述第二氮化物层连续的共形覆设在所述第一氮化物层上，也就是说，所述第一氮化物层、第二氮化物层均连续的共形覆设在所述粗化结构上，以形成面积更大的反射界面。
在一个实施例中，所述金属反射层的材质包括Al等具有高反射率的金属或其合金，且不限于此。
在一个实施例中，所述金属反射层的厚度在5nm以下，优选为1-5nm。金属反射层若过厚会影响半导体器件的工作稳定性和使用寿命，且还会增加生长工艺难度，若过薄则不利于实现较好反射作用。该金属反射层可以利用电化学镀膜、蒸镀、磁控溅射等常规方法制得。
在一个实施例中，所述的制备方法具体包括：在所述第二面上依次生长第一导电类型的第一半导体层、有源区和第二导电类型的第二半导体层，从而形成所述外延结构。
在本申请中，所述第一导电类型可以是n型，相应地，第二导电类型是p型，反之亦然。示例性的，所述第一半导体层、有源区、第二半导体层的材质可以选自III-V族化合物，例如GaN、InGaN、AlInGaN等III族氮化物，且不限于此。在一个实施例中，所述有源区可以包括多量子阱（MQWs）发光层等，且不限于此。例如，所述有源区可以包含InGaN等。更具体的，所述有源区可以选用由交替生长的多个InGaN量子阱和多个GaN量子垒组成的多量子阱发光层。其中，对于有源区包含InGaN的半导体器件结构来说，本申请以上实施例提供的技术方案尤其适用，这是因为，前述压应力与生长应力的互相抵消，使得同质外延时外延结构更平坦，受到的温度更均匀，InGaN生长更均匀，可以更为显著的提升发光均匀性。
在本申请中，所述外延结构中各半导体材料层可以是利用HVPE（氢化物气相外延）、MOCVD（金属有机化学气相沉积）、PECVD（等离子体增强化学的气相沉积）等方式生长形成，且不限于此。
本申请的一些实施例提供的一种基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构包括：
氮化物单晶衬底，具有相背对的第一面和第二面；
粗化结构，形成在所述第一面上，包括多个图形结构，所述图形结构相对于所述第一面突起或凹下，
外延结构，生长在所述第二面上，
第一氮化物层，覆设在所述粗化结构上，并能够向所述氮化物单晶衬底施加一压应力，所述压应力用于抵销一生长应力，所述生长应力是在所述第二面上生长所述外延结构时产生。
在一个实施例中，所述第一面为N面。
在一个实施例中，所述第一氮化物层连续的共形覆设在所述粗化结构上。
在一个实施例中，所述半导体器件结构还包括第二氮化物层，所述第二氮化物层覆设在所述第一氮化物层上，所述氮化物单晶衬底、第一氮化物层、第二氮化物层的折射率依次减小。
在一个实施例中，所述第二氮化物层连续的共形覆设在所述粗化结构上。
在一个实施例中，所述半导体器件结构还包括金属反射层，所述金属反射层覆设在所述第二氮化物层上，且所述第二氮化物层的材质为过渡金属氮化物。
在一个实施例中，所述外延结构包括依次叠设在所述第二面上的第一导电类型的第一半导体层、有源区和第二导电类型的第二半导体层。
在所述半导体器件结构之中，所述图形结构的尺寸、形貌、排布形式等，所述第一氮化物层、第二氮化物层的材质及厚度等，所述金属反射层的材质及厚度等，以及所述外延结构的材质等可以如前文所述，此处不再赘述。
请参阅图1所示，在本申请的第一个实施方式中，一种基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构包括：
氮化物单晶衬底1，具有相背对的第一面和第二面；
粗化结构2，形成在所述第一面上，包括多个图形结构，所述图形结构相对于所述第一面突起或凹下；
第一氮化物层3，连续的共形覆设在所述粗化结构上，并能够向所述氮化物单晶衬底施加一压应力，所述压应力用于抵销一生长应力，所述生长应力是在所述第二面上生长所述外延结构时产生；
外延结构4，生长在所述第二面上。
其中，所述图形结构可以是阵列排布的多个V形坑、蒙古包、金字塔或其它突起、凹下结构。
请参阅图2所示，一种制备所述半导体器件结构的方法包括：
先对氮化物单晶衬底1的第一面11（优选为N面）进行粗化加工，以形成粗化结构2，所述粗化结构包括多个规则图形结构，图形结构的周期和高度可以为100nm-5μm，粗化加工工艺优选为湿法腐蚀工艺，获得图形化氮化物单晶衬底；
接着，将此图形化氮化物单晶衬底放入化学气相沉积系统，进行第一氮化物层3的沉积，氮化物层的材质可以是AlN、BN等，厚度可以为100nm-200nm；
之后，利用MOCVD等外延工艺在此图形化氮化物单晶衬底的第二面12（如Ga面）生长外延结构4，从而形成基于氮化物同质外延的半导体器件结构。
在该第一个实施方式中，通过先在氮化物单晶衬底的第一面上预先形成粗化结构和第一氮化物层，之后在所述氮化物单晶衬底的第二面上生长所述外延结构，可以利用氮化物层对衬底预置压应力实时抵消衬底在生长外延结构过程中受到的生长应力，保证了衬底第二面在外延生长过程中始终保持平整，有效提高了外延结构的生长均匀性和晶体质量，进而可改善了半导体器件结构的特性，例如LED等光电器件的发光均匀性，且该粗化结构还可与第一氮化物层配合形成面积更大的反射界面，进而显著提升LED等光电器件的光提取效率，实现高亮度光电器件。
请参阅图3所示，在本申请的第二个实施方式中，一种基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构包括：
氮化物单晶衬底1，具有相背对的第一面和第二面；
粗化结构2，形成在所述第一面（优选为N面）上，包括多个图形结构，所述图形结构相对于所述第一面突起或凹下；
氮化物材料层，包括第一氮化物层3和第二氮化物层5，所述第一氮化物层3连续的共形覆设在粗化结构2上，所述第二氮化物层5连续的共形覆设在第一氮化物层3上，所述氮化物材料层能够向氮化物单晶衬底施加一压应力以抵销一生长应力，所述生长应力是在所述第二面上生长外延结构时产生；
外延结构4，生长在所述第二面上；
金属反射层6，连续覆盖在所述氮化物材料层上。
其中，所述图形结构可以与第一个实施方式中的图形结构相同或相似。
一种制备所述半导体器件结构的方法包括：
对氮化物单晶衬底的第一面进行粗化加工以形成粗化结构的第一步骤，
在所述粗化结构依次生长第一氮化物层和第二氮化物层的第二步骤；
在第二氮化物层上沉积金属反射层的第三步骤；
在所述第二面上生长外延结构的第四步骤。
前述第三步骤、第四步骤可以按照任意次序先后执行。
该第二个实施方式提供的半导体器件结构及其制备方法，除了具有第一个实施方式中所述的各项优点之外，因增加了第二氮化物层，还可以利用其与第一氮化物层、粗化结构配合形成具有更高反射效率的反射界面，且还利于进一步增设金属反射层，更有效地提升半导体器件结构，特别是光电器件结构的光提取效率。
需要说明的是，该第二个实施方式提供的半导体器件结构中，氮化物材料层还可以具有三层以上结构，例如还可以包括周期性交替排布的高折射率氮化物层及低折射率氮化物层，并呈现为布拉格反射镜的结构或其它复合功能结构。
该第一个实施方式、第二个实施方式中所提供的方法，也适用于制备基于AlN单晶衬底的高亮度UV-LED结构等。
本申请的一些实施例还提供一种光电器件，其包括：
所述的基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构；
与所述半导体器件结构配合的电极。
在一个实施例中，所述的电极可以包括与外延结构配合的第一电极、第二电极等。例如，其中的第一电极是N电极、第二电极是P电极，反之亦可。所述电极的设置方式是本领域习知的，此处不再赘述。
在一个实施例中，所述光电器件可以是LED（特别是Micro LED等）、LD、光电探测器等，且不限于此。
以下将结合附图及若干实施例对本申请的技术方案进行更详细的描述，但应当理解，如下实施例仅仅是为了解释和说明该技术方案，但不限制本申请的范围。又及，若非特别说明，如下实施例中所采用的各种原料、反应设备、检测设备及方法等均是本领域已知的。
实施例1 本实施例提供了一种基于GaN单晶衬底的LED器件结构。如图4所示，该LED器件结构包括GaN单晶衬底101、形成在GaN单晶衬底101的N面上的粗化结构2、覆设在所述粗化结构上的AlN层103和生长在GaN单晶衬底101的Ga面上的外延结构4。该外延结构4包括N型区域41、发光有源区42和P型区域43。
一种制备该LED器件结构的方法包括如下步骤：
S1、将GaN单晶衬底放入湿法腐蚀试剂中进行湿法刻蚀，该湿法腐蚀试剂由NH4OH、H2O2和去离子水按照1:1:5的体积比混合形成，在温度约为80℃的条件下刻蚀约10min，使该衬底的N面形成粗化结构，其形貌如图5所示，而其Ga面保持光亮而不受影响。
S2、将步骤S1处理后的图形化GaN单晶衬底放入金属有机化学气相沉积（MOCVD）系统，设置生长温度为1500℃左右，先通入三乙基铝，再通入氨气，之后交替通入三乙基铝和氨气，且每次循环中控制三乙基铝的持续通入时间为20s左右、氨气的持续通入时间为10s左右，直至在所述粗化结构上沉积形成厚度约为200nm的AlN层。
S3、将步骤S2处理后的图形化GaN单晶衬底放进金属有机化学气相沉积（MOCVD）系统中，在其Ga面生长外延结构。具体的，可以先升温到1050℃，进行N型区域的生长，该N型区域包括依次生长形成的厚约2μm的SI掺约1E19cm-3的N型GaN、厚约100nm的Si掺约2E18cm-3的n型AlGaN和厚约200nm的Si掺约1E17cm-3的N型GaN层；接着降温到880℃，进行应力释放层（SRL）的生长，应力释放层的结构为InGaN/GaN循环，总厚度控制在约150nm；继续降温到805℃，进行影子量子阱的生长，包括6对InGaN/GaN结构，总厚度约72nm；然后降温到780℃，进行发光量子阱的生长，包括10对InGaN/GaN结构，总厚度约150nm；继续在此温度下进入P型区域的生长，首先生长低温P型GaN，其中Mg掺浓度约为2E20cm-3，厚度约10nm，其后升温到980℃生长电子阻挡层（EBL），该电子阻挡层为P型AlGaN层，其中Mg掺浓度约为5E19cm-3，厚度约20nm，最后生长高温P型GaN，其中Mg掺浓度约为2E20cm-3，厚度约50nm。
本实施例最终获得的LED器件结构可以命名为样品A。
对比例1本对比例提供的一种基于GaN单晶衬底的LED器件结构包括GaN单晶衬底、覆设在该衬底N面上的氮化物层和生长在该衬底Ga面上的外延结构。
一种制备该LED器件结构的方法与实施例1基本相同，区别仅在于：省略步骤S1，且在步骤S2中是直接在未经粗化处理的衬底N面上沉积AlN层。本对比例最终获得的LED器件结构可以命名为样品B。
对比例2本对比例提供的一种基于图形化蓝宝石衬底的LED器件结构包括图形化蓝宝石衬底（PSS）、生长在该衬底图形化表面（正面）上的外延结构和覆设在该衬底背面上的氮化物层。
一种制备该LED器件结构的方法与实施例1基本相同，区别仅在于：省略步骤S1-S2。并且，其中所使用的图形化蓝宝石衬底是从市场购得，正面已长平GaN材料。本对比例最终获得的LED器件结构可以命名为样品C。
需要特别说明的是，样品A、B、C的外延结构是同炉生长形成。
对比例3本对比例提供的一种基于GaN单晶衬底的LED器件结构与实施例1基本相同。
一种制备该LED器件结构的方法包括：
S1、直接将GaN单晶衬底放进金属有机化学气相沉积（MOCVD）系统中，在其Ga面生长外延结构。该外延结构是与实施例1中的外延结构同炉生长形成。
S2、将步骤S1形成的器件结构放入湿法腐蚀试剂，并按照与实施例1的步骤S1中完全相同的方式在该衬底的N面形成粗化结构。
S3、与实施例1的步骤S2相同。本对比例最终获得的LED器件结构可以命名为样品D。
对样品A、D进行光致发光测试，测试结果如表1所示，可以看到，样品A的发光亮度、主波长/波长均匀性、器件漏电流、耐压性能等均明显优于样品D。
实施例2本实施例提供的一种基于GaN单晶衬底的LED器件结构与实施例1基本相同，但其中AlN层的厚度约为100nm。
一种制备该LED器件结构的方法包括：
S1、将GaN单晶衬底放入湿法腐蚀试剂中进行湿法刻蚀，该湿法腐蚀试剂由NH4OH、H2O2和去离子水按照1:1:8的体积比混合形成，在温度约为90℃的条件下刻蚀约8min，使该衬底的N面形成粗化结构。
S2、将步骤S1处理后的图形化GaN单晶衬底放入金属有机化学气相沉积（MOCVD）系统，设置生长温度为1000℃左右，先通入三乙基铝，再通入氨气，之后交替通入三乙基铝和氨气，且控制三乙基铝的持续通入时间是氨气的持续通入时间的3倍左右，直至在所述粗化结构上沉积形成厚度约为100nm的AlN层。
S3、与实施例1的步骤S3相同。
本实施例最终获得的LED器件结构可以命名为样品E。
实施例3本实施例提供的一种基于GaN单晶衬底的LED器件结构与实施例1基本相同，但其中AlN层的厚度约为150nm。
一种制备该LED器件结构的方法包括：
S1、将GaN单晶衬底放入湿法腐蚀试剂中进行湿法刻蚀，该湿法腐蚀试剂由NH4OH、H2O2和去离子水按照1:1:10的体积比混合形成，在温度约为70℃的条件下刻蚀约12min，使该衬底的N面形成粗化结构。
S2、将步骤S1处理后的图形化GaN单晶衬底放入金属有机化学气相沉积（MOCVD）系统，设置生长温度为1800℃左右，先通入三乙基铝，再通入氨气，之后交替通入三乙基铝和氨气，且控制三乙基铝的持续通入时间是氨气的持续通入时间的2倍左右，直至在所述粗化结构上沉积形成厚度约为150nm的AlN层。
S3、与实施例1的步骤S3相同。
本实施例最终获得的LED器件结构可以命名为样品F。
实施例4本实施例提供的一种基于GaN单晶衬底的LED器件结构与实施例1基本相同，但其中的AlN层被替换为相同厚度的BN层。
一种制备该LED器件结构的方法包括：
S1、与实施例1的步骤S1相同。
S2、将步骤S1处理后的图形化GaN单晶衬底放入化学气相沉积（CVD）系统，设置生长温度为1600℃左右、气压为1mmHg柱左右，通入氯化硼（以氮气为载气）和氨气，并使氨气与氮气流量比约1.38，直至在所述粗化结构上沉积形成BN层。
S3、与实施例1的步骤S3相同。
本实施例最终获得的LED器件结构可以命名为样品G。
实施例5 本实施例提供了一种基于GaN单晶衬底的LED器件结构包括GaN单晶衬底、形成在GaN单晶衬底N面上的粗化结构、依次覆设在粗化结构上的AlN层和TiN层、覆设在TiN层上的Al层，以及生长在GaN单晶衬底Ga面上的外延结构。该外延结构与实施例1中的外延结构相同。
一种制备该LED器件结构的方法包括：
S1、与实施例1的步骤S1相同。
S2、将步骤S1处理后的图形化GaN单晶衬底放入金属有机化学气相沉积（MOCVD）系统，设置生长温度为1600℃左右，先通入三乙基铝，再通入氨气，之后交替通入三乙基铝和氨气，且控制三乙基铝的持续通入时间是氨气的持续通入时间的2倍左右，直至在所述粗化结构上沉积形成厚度约为200nm的AlN层。
S3、将N面生长有AlN层的图形化GaN单晶衬底放入MOCVD系统中，通入四二甲基氨基钛和氨气，在1100℃左右的温度条件下生长TiN，直至在所述AlN层上形成厚度约为5nm的TiN层，该TiN层的折射率小于AlN层的折射率。
S4、采用金属蒸镀法在TiN层上沉积厚度约1nm的Al层。
S5、与实施例1的步骤S3相同。
本实施例最终获得的LED器件结构可以命名为样品H。
实施例6 本实施例提供的一种基于GaN单晶衬底的LED器件结构与实施例5基本相同，区别在于：省略了TiN层。
一种制备该LED器件结构的方法与实施例5也基本相同，但省略了步骤S3，而是直接在AlN层上蒸镀Al层。
本实施例最终获得的LED器件结构可以命名为样品I。
实施例7 本实施例提供了一种基于GaN单晶衬底的LED器件结构包括GaN单晶衬底、形成在GaN单晶衬底N面上的粗化结构、依次覆设在粗化结构上的AlN层和TaN层、覆设在TaN层上的Al层，以及生长在GaN单晶衬底Ga面上的外延结构。该外延结构与实施例1中的外延结构相同。
一种制备该LED器件结构的方法包括：
S1、与实施例1的步骤S1相同。
S2、与实施例1的步骤S2相同。
S3、将N面生长有AlN层的图形化GaN单晶衬底放入MOCVD系统中，通入钽的胍基化合物和氨气，在800℃左右的温度条件下生长TaN（参考Precursor chemistry of tantalumand niobium nitride for MOCVD and ALD appliactions, Bochum Ruhr-Universty,2007:26），直至在所述AlN层上沉积形成厚度约为20nm的TaN层；
S4、采用金属蒸镀法在TaN层上沉积厚度约5nm的Al层。
S5、与实施例1的步骤S3相同。
本实施例最终获得的LED器件结构可以命名为样品J。
对样品A-样品J的主波长/波长均匀性、亮度等性能进行测试，结果如表1所示。
表1 样品A-样品J的性能测试结果
可以看到，对于样品A而言，由于在其衬底背面做了粗化，改变了出射光反射到衬底面的出射角，明显增加了出光效应，所以实际得到的光致发光强度比样品B高。同时也注意到，样品C的发光强度仍然为最高。这应该与图形化蓝宝石衬底的图形分布和大小规则有关，导致的光发射次数更多，更容易出光，但样品A的其他性能优于样品C。
对比例3制备的样品D的最终的发光强度并不高，可能是未及时补偿Ga面的生长应力导致Ga面凹陷，由于Ga面凹陷造成LED性能低下。
通过实施例1和实施例5、实施例7对比发现，在AlN层上沉积过渡金属氮化物层，进而再生长金属反射膜，能够进一步提高光的全反射，且随着折射率从GaN、AlN至TiN逐渐降低，逐步实现全反射，还弥补了GaN上的图形化结构无法实现理想状态下的全反射的缺陷。通过实施例5和实施例6对比，可以看到，经过TiN层的过渡作用，可实现更好的反射层的生长，其发光强度更优。
应说明的是，以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构，其特征在于，包括：
氮化物单晶衬底，具有相背对的第一面和第二面，所述第一面为N面，
粗化结构，形成在所述第一面上，包括多个图形结构，所述图形结构相对于所述第一面突起或凹下，
外延结构，生长在所述第二面上，并且包括依次叠设在所述第二面上的第一导电类型的第一半导体层、有源区和第二导电类型的第二半导体层，
第一氮化物层，连续的共形覆设在所述粗化结构上，用于修复所述图形结构的侧壁，并且所述第一氮化物层还与所述粗化结构配合形成反射界面，所述反射界面能够将所述有源区射出的光反射出所述半导体器件结构，同时所述第一氮化物层还能够向所述氮化物单晶衬底施加一压应力，所述压应力用于抵销一生长应力，所述生长应力是在所述第二面上生长所述外延结构时产生。
2.根据权利要求1所述的基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构，其特征在于：多个所述图形结构在所述第一面上阵列排布，所述图形结构的径向尺寸为100nm-5μm、突起的高度或凹下的深度为100nm-5μm，相邻两个图形结构的距离为100nm-5μm。
3.根据权利要求1所述的基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构，其特征在于：所述第一氮化物层的厚度为100nm-200nm；和/或，所述第一氮化物层的材质包括AlN或BN；和/或，所述第一氮化物层的材质为氮化物单晶。
4.根据权利要求1所述的基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构，其特征在于：所述半导体器件结构还包括第二氮化物层，所述第二氮化物层覆设在所述第一氮化物层上，所述氮化物单晶衬底、第一氮化物层、第二氮化物层的折射率依次减小。
5.根据权利要求4所述的基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构，其特征在于：所述半导体器件结构还包括金属反射层，所述金属反射层覆设在所述第二氮化物层上，且所述第二氮化物层的材质为过渡金属氮化物。
6.根据权利要求4或5所述的基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构，其特征在于：所述第二氮化物层的厚度为5-20nm；和/或，所述第二氮化物层的材质包括TaN或TiN；和/或，所述第二氮化物层的材质为氮化物单晶；和/或，所述第二氮化物层连续的共形覆设在所述第一氮化物层上。
7.一种基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构的制备方法，其特征在于，包括：
提供氮化物单晶衬底，具有相背对的第一面和第二面，所述第一面为N面；
对所述第一面进行加工，以在所述第一面上形成粗化结构，所述粗化结构包括多个图形结构，所述图形结构相对于所述第一面突起或凹下；
在所述粗化结构上形成第一氮化物层，所述第一氮化物层连续的共形覆设在所述粗化结构上，用于修复所述图形结构的侧壁，并且所述第一氮化物层还与所述粗化结构配合形成反射界面，所述反射界面能够将有源区射出的光反射出所述半导体器件结构，同时所述第一氮化物层还能够向所述氮化物单晶衬底施加一压应力，所述压应力用于抵销一生长应力，所述生长应力是在所述第二面上生长外延结构时产生；
在所述第二面上依次生长第一导电类型的第一半导体层、有源区和第二导电类型的第二半导体层，形成外延结构。
8.根据权利要求7所述的基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构的制备方法，其特征在于，具体包括：通过湿法腐蚀方式对所述第一面进行刻蚀，其中采用的湿法腐蚀试剂包含体积比为1：1：5-1：1：10的NH4OH、H2O2和去离子水，刻蚀温度为70℃-90℃，刻蚀时间为8min-12min，从而形成所述粗化结构。
9.根据权利要求7所述的基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构的制备方法，其特征在于，还包括：
在所述第一氮化物层上沉积过渡金属氮化物，从而形成第二氮化物层，所述第二氮化物层的厚度小于第一氮化物层的厚度；
在所述第二氮化物层上沉积厚度为1nm-5nm的金属反射层。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构的制备方法，其特征在于，具体包括：在所述氮化物单晶衬底的第一面上形成所述粗化结构之后，将所述氮化物单晶衬底置入化学气相沉积系统内，先通入金属源，再通入氮源，之后交替通入金属源、氮源，且使金属源的持续通入时间长于氮源的持续通入时间，从而在所述粗化结构上生长所述第一氮化物层。
11.根据权利要求10所述的基于氮化物单晶衬底的半导体器件结构的制备方法，其特征在于，具体包括：采用的金属源为Al源、氮源包括氨气，并控制金属源的持续通入时间为氮源的持续通入时间的2-3倍，生长温度为1000℃-1800℃，从而生长形成所述第一氮化物层，所述第一氮化物层的厚度为100nm-200nm。
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