CN116435428A - Iii族氮化物半导体光电器件结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种III族氮化物半导体光电器件结构及其制备方法。所述光电器件结构包括沿指定方向依次设置的p型半导体层、有源区和n型半导体层所形成的外延结构以及与p型半导体层配合的p电极和与n型半导体层配合的n电极；所述外延结构中还形成有电流注入窗口；其中，所述p电极至少覆盖p型半导体层表面的第一区域且与p型半导体层形成欧姆接触，所述第一区域环绕第二区域设置，所述第二区域与所述电流注入窗口对应设置。本发明中提供的III族氮化物半导体光电器件结构具有串联电阻低、光损耗小和热阻小等优点，可大幅提升光电性能和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种III族氮化物半导体光电器件结构及其制备方法，属于半导体光电技术领域。
背景技术
III族氮化物半导体被称为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、化学稳定性好、抗辐照性强等优点，其禁带宽度涵盖从深紫外、整个可见光、到近红外范围，可用于制作发光二极管和激光器等。基于III族氮化物半导体材料的垂直腔面发射激光器或共振腔发光二极管等光电器件具有圆形光斑输出、垂直表面发射、可片上测试、制作简单、体积小、效率高和寿命长等优点，有望在投影显示、芯片原子钟、塑料光纤网络和可见光通信等领域发挥重要作用，受到了产业界和学术界的广泛关注。
对于垂直腔面发射激光器或共振腔发光二极管等光电器件，其核心结构为p-n结。对于III族氮化物半导体，通常采用二茂镁(CP2Mg)作为p型掺杂剂，由于Mg受主在氮化物中的电离能较高(GaN：170meV，AlN：470meV)，通常仅仅只有很少(＜5％)的Mg受主发生电离，导致p型氮化物半导体材料中的空穴浓度较低。另外，由于空穴有效质量较大，且p型层中的Mg受主掺杂浓度较高(＞1019cm-3)，空穴散射严重，导致p型层中空穴的迁移率较低，因此p型层的电阻率较大(＞1Ωcm)，远大于n型层的电阻率(10-4～10-2Ωcm)。对于常规III族氮化物半导体垂直腔面发射激光器或共振腔发光二极管等光电器件，为了将电流横向限制到器件的发光区，通常采用在III族氮化物半导体材料的p侧刻蚀台面和沉积绝缘介质膜、或直接沉积图形化绝缘介质膜等形成电流注入窗口，然后在台面上或窗口区沉积透明导电膜与p型材料形成电学接触，从而实现p侧电流注入和横向限制。
上述传统III族氮化物半导体垂直腔面发射激光器或共振腔发光二极管结构等光电器件具有以下缺点：
(1)串联电阻大。常规III族氮化物半导体垂直腔面发射激光器或共振腔发光二极管中，p型空穴注入区面积与器件发光区面积相等，由于p型材料电阻率较高，导致器件串联电阻较大。这种问题在紫外垂直腔面发射激光器或共振腔发光二极管中更严重，紫外器件中p型AlGaN层中的A1组分更高，Mg受主的电离能更大，p型AlGaN材料空穴浓度更低，紫外器件的电阻更大。另一方面，对于常规III族氮化物半导体垂直腔面发射激光器或共振腔发光二极管，由于透明导电膜上方的绝缘介质布拉格反射镜通常比器件电流注入区大，因此空穴需在透明导电膜层内横向传输一段距离后再通过电流注入窗口纵向注入到器件的有源区。而为了降低器件光损耗，常规器件通常采用较薄的透明导电膜，导致器件串联电阻进一步增加，使得器件热功率和结温很高，严重影响了电光转换效率和可靠性。上述问题使得现有GaN基垂直腔面发射激光器的最大电光转换效率仅为20％，是常规GaN基法布里波罗Fabry-Pérot谐振腔激光器的40％。
(2)光损耗大。常用透明导电膜，如氧化铟锡ITO、氧化锌ZnO、氧化铟镓锌IGZO等，材料吸收系数较大(＞2000cm-1)，远大于普通III族氮化物半导体材料的吸收系数(≤100cm-1)。而在现有技术中，透明导电膜在III族氮化物半导体垂直腔面发射激光器或共振腔发光二极管的共振腔内部，将会产生严重的光吸收，导致器件内部光损耗较大，严重影响了器件阈值电流和输出功率等性能。另一方面，镓面III族氮化物材料的化学稳定性好，耐酸碱，不易腐蚀，需通过干法刻蚀形成台面。而干法刻蚀不仅会导致界面粗糙产生光散射损耗，还会引入表面态、损伤和缺陷等产生非辐射复合，严重影响器件性能和可靠性。这些缺点使得目前GaN基垂直腔面发射激光器的最小阈值电流密度大于4kA/cm2，是普通GaN基法布里-珀罗Fabry-Pérot谐振腔激光器的4倍以上。这种问题在紫外波段器件中更严重，随着光子能量的增加，波长变短，透明导电膜吸收系数继续增加，另外侧壁的光散射损耗也随着波长变短而快速增加，导致器件的光损耗大幅增加，使得紫外垂直腔面发射激光器或共振腔发光二极管无法有效工作。
(3)热阻高。由于常规III族氮化物半导体垂直腔面发射激光器或共振腔发光二极管内部的热源与高热率的热沉之间存在厚厚的衬底，导致器件散热路径较长，器件热阻较大。对于倒装的III族氮化物半导体垂直腔面发射激光器或共振腔发光二极管，由于电流注入窗口区外围有热导率较低的SiO2等绝缘介质膜，且所有器件区域均有热导率较低的透明导电膜，使得器件的热阻较大。因此无论是传统的正装还是倒装的III族氮化物半导体垂直腔面发射激光器或共振腔发光二极管器件的热阻均较大。而常规器件的串联电阻较大、热功率较高，使得工作结温非常高，严重影响了器件性能和可靠性。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种新型的III族氮化物半导体光电器件结构及其制备方法，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种III族氮化物半导体光电器件结构，包括：
外延结构，包括沿指定方向依次设置的p型半导体层、有源区和n型半导体层；以及
与p型半导体层配合的p电极和与n型半导体层配合的n电极；
所述外延结构中还形成有电流注入窗口；
其中，所述p电极至少覆盖p型半导体层表面的第一区域且与p型半导体层形成欧姆接触，所述第一区域环绕第二区域设置，所述第二区域与所述电流注入窗口对应设置。
本发明实施例还提供了一种制备所述III族氮化物半导体光电器件结构的方法，其包括：
加工形成外延结构的步骤，其包括依次生长的n型半导体层、有源区和p型半导体层；
在所述外延结构中加工形成电流注入窗口的步骤；以及
加工形成n电极、p电极的步骤，所述n电极与n型半导体层配合，所述p电极与p型半导体层配合；
其中，所述加工形成p电极的步骤还包括：至少使所述p电极覆盖所述p型半导体层表面的第一区域，并使所述p电极与p型半导体层形成欧姆接触，所述第一区域环绕第二区域设置，所述第二区域与所述电流注入窗口对应设置。
与现有技术相比，本发明提供的一种新型的III族氮化物半导体光电器件结构具有串联电阻低、光损耗小和热阻小等优点，可大幅提升光电性能和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明中记载的一些实施例，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是本发明实施例1中提供的一种III族氮化物半导体光电器件结构示意图；
图2a至图2f是本发明实施例1中提供的一种III族氮化物半导体光电器件结构的制备流程示意图；
图3是本发明实施例2中提供的一种III族氮化物半导体光电器件结构示意图；
图4a至图4f是本发明实施例2中提供的一种III族氮化物半导体光电器件结构的制备流程示意图；
图5是本发明实施例2中提供的一种III族氮化物半导体光电器件结构示意图；
图6a至图6f是本发明实施例2中提供的一种III族氮化物半导体光电器件结构的制备流程示意图；
图7是本发明实施例2中提供的一种III族氮化物半导体光电器件结构示意图；
图8a至图8f是本发明实施例2中提供的一种III族氮化物半导体光电器件结构的制备流程示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，针对现有技术中的III族氮化物半导体光电器件结构串联电阻高、光损耗大和热阻高等问题而提出了一种新型的III族氮化物半导体光电器件结构，一方面，其通过湿法腐蚀、干法刻蚀、离子注入、电化学腐蚀、二次外延生长等方法在所述光电器件的III族氮化物半导体层中加工形成电流注入窗口，同时在p侧整面设置p电极或者在电流注入窗口外围设置p电极，可实现整面注入电流或者在电流注入窗口外围大面积注入电流，从而降低器件串联电阻和工作电压；另一方面，通过规避使用高吸收的透明导电膜和干法刻蚀形成电流注入区等方法而减少器件的光吸收损耗；以及通过避免在大面积的p侧电流注入窗口外围使用低热导率的绝缘介质膜和透明导电膜等来降低器件的热阻和工作电压，从而提升III族氮化物半导体光电器件的性能和可靠性。
如下将对该技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明实施例的一个方面提供了一种III族氮化物半导体光电器件结构，包括：
外延结构，包括沿指定方向依次设置的p型半导体层、有源区和n型半导体层；以及
与p型半导体层配合的p电极和与n型半导体层配合的n电极；
所述外延结构中还形成有电流注入窗口；
其中，所述p电极至少覆盖p型半导体层表面的第一区域且与p型半导体层形成欧姆接触，所述第一区域环绕第二区域设置，所述第二区域与所述电流注入窗口对应设置。
在一些实施方式中，所述p型半导体层包括多个叠设的AlInGaN层，且多个所述AlInGaN层的Al组分含量沿指定方向逐渐增高。
在一些实施方式中，所述p型半导体层包括多个第一AlInGaN层和多个第二AlInGaN层，所述第一AlInGaN层和第二AlInGaN层沿指定方向交替层叠设置，且所述第一AlInGaN层的Al组分含量高于第二AlInGaN层。
在一些实施方式中，所述p电极将p型半导体层表面整面覆盖。
在一些实施方式中，所述p电极可以包括至少连续覆盖所述p型半导体层表面第一区域的透明导电膜或金属膜。
其中，所述金属膜的材质可以是Cr、Ni、Ti、Pd、Pt、Au、Al、TiN、ITO、ZnO和IGZO等材料中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此，所述透明导电膜可以是氧化铟锡。
在一些实施方式中，所述电流注入窗口分布在所述n型半导体层或有源区中。
其中，所述n型半导体层具有第一区域和在径向上环绕第一区域设置的第二区域，并且所述第二区域内的半导体材料被转化为高阻材料，从而使所述第二区域与第一区域配合形成所述电流注入窗口；
或者，所述有源区具有第一区域和在径向上环绕第一区域设置的第二区域，并且所述第二区域内的半导体材料被转化为高阻材料，从而使所述第二区域与第一区域配合形成所述电流注入窗口。
在一些实施方式中，所述n型半导体层包括第一n型层和第二n型层，所述第二n型层设置在第一n型层与有源区之间，所述第二n型层内形成有所述电流注入窗口。
在一些较为优选的实施方式中，所述第二n型层为高掺杂n型层。
在一些较为优选的实施方式中，所述第二n型层具有第一区域和在径向上环绕第一区域设置的第二区域，并且所述第二区域内的半导体材料被转化为具有多孔结构的高阻材料，从而使所述第二区域与第一区域配合形成所述电流注入窗口。
在一些实施方式中，所述电流注入窗口由n型半导体层和沿径向环绕n型半导体层的绝缘介质层配合形成。
在一些实施方式中，所述p型半导体层和有源区之间分布有掩模层，所述掩膜层上设有沿厚度方向贯穿掩膜层的通孔，所述p型半导体层的局部区域填充入所述通孔并形成所述电流注入窗口。
进一步的，所述p型半导体层上设置有p侧布拉格反射镜，所述p侧布拉格反射镜与所述电流注入窗口对应设置。
进一步的，所述n型半导体层上设置有n侧布拉格反射镜，所述n侧布拉格反射镜与所述电流注入窗口对应设置。
更进一步的，所述外延结构的p侧通过键合层与支撑基板键合在一起，所述支撑基板上设置有基板电极。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种制备所述III族氮化物半导体光电器件结构的方法，包括：
加工形成外延结构的步骤，其包括依次生长的n型半导体层、有源区和p型半导体层；在所述外延结构中加工形成电流注入窗口的步骤；以及
加工形成n电极、p电极的步骤，所述n电极与n型半导体层配合，所述p电极与p型半导体层配合；
其中，所述加工形成p电极的步骤还包括：至少使所述p电极覆盖所述p型半导体层表面的第一区域，并使所述p电极与p型半导体层形成欧姆接触，所述第一区域沿径向环绕第二区域设置，所述第二区域与所述电流注入窗口对应设置。
其中，所述外延结构形成在衬底上，所述衬底的材质可以是GaN、AlN、蓝宝石、SiC、Si中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
在一些情况下，在衬底和外延结构之间还可以设置缓冲层。
在一些实施方式中，所述制备方法还包括：使所述p电极覆盖所述p型半导体层的整个表面。
在一些实施方式中，加工形成所述电流注入窗口方法可以包括：
将所述n型半导体层的第二区域去除且保留第一区域，所述第一区域对应于所述电流注入窗口，所述第二区域沿径向环绕第一区域；
沉积环绕所述第一区域的绝缘介质层，使所述绝缘介质层和被保留的n型半导体层配合形成所述电流注入窗口。
其中，去除所述n型半导体层的方式可以选用干法刻蚀或者湿法腐蚀等。
在一些实施方式中，加工形成所述电流注入窗口方法还可以包括：
将所述n型半导体层或有源区的第二区域转化为高阻材料且保留第一区域，所述第一区域对应于所述电流注入窗口，所述第二区域沿径向环绕第一区域；
使所述高阻材料和被保留的n型半导体层或有源区配合形成所述电流注入窗口。
例如，可以通过离子注入或热氧化等方式将n型半导体层的第二区域钝化形成高阻材料，注入的离子可以是N、B、Ar、He、H、P、As中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
在一些实施方式中，加工形成所述电流注入窗口方法还可以包括：
使所述n型半导体层包括第一n型层和分布于第一n型层和有源区之间的第二n型层；
将所述第二n型层的第二区域转化为具有多孔结构的高阻材料且保留第一区域，所述第一区域对应于所述电流注入窗口，所述第二区域沿径向环绕第一区域；
使所述高阻材料和被保留的第二n型层配合形成所述电流注入窗口，其中，所述第二n型层为高掺杂n型层。
例如，可以通过电化学腐蚀或光电化学腐蚀等方式在所述高掺杂n型层中腐蚀出多孔结构。
在一些实施方式中，加工形成所述电流注入窗口方法还可以包括：先在所述有源区上设置掩膜层，并形成沿厚度方向贯穿掩膜层的通孔，之后生长p型半导体层，使所述p型半导体层填充在所述通孔内的部分与所述掩膜层配合形成所述电流注入窗口。
其中，所述掩膜层的材质可以是AlN、SiO2、SiNx、SiON、Al2O3、AlON、SiAlON、TiO2、Ta2O5和ZrO2等材料中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
进一步的，所述制备方法还包括：在所述p型半导体层上设置p侧布拉格反射镜，并使所述p侧布拉格反射镜与所述电流注入窗口对应设置。
在一些实施方式中，所述p侧布拉格反射镜可以是图形化，其设置在所述p型半导体层表面的第二区域上，并与所述p电极在所述光电器件的纵向方向上部分交叠，以及在所述光电器件所在平面方向被所述p电极环绕。
在一些实施方式中，所述p电极覆盖在p型半导体层的整个表面上，而所述p侧布拉格反射镜设置在所述p电极上且与所述电流注入窗口对应设置，其中，所述p电极可以是由透明导电膜形成的。
进一步的，所述制备方法还包括：在所述n型半导体层上设置n侧布拉格反射镜，并使所述n侧布拉格反射镜与所述电流注入窗口对应设置。
在一些实施方式中，可以先在所述n型半导体层上加工形成透明导电膜，然后在所述透明导电膜上加工形成n侧布拉格反射镜，使所述n侧布拉格反射镜与所述电流注入窗口对应设置。
在一些实施方式中，所述n电极于所述n型半导体层上或于所述透明导电膜上环绕所述n侧布拉格反射镜设置。
进一步的，所述制备方法还包括：将所述外延结构的p侧通过键合层与支撑基板键合在一起，并在所述支撑基板上加工形成基板电极。
其中，所述支撑基板的材质可以是硅、铜、钼铜、钼、陶瓷等材料中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
其中，所述键合的方式可以是金属键合，也可以是非金属键合，当采用金属键合的方式时，所述键合层的材料可以包括AuSn、NiSn、AuAu、NiGe中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此；当采用非金属键合的方式时，所述键合层的材料可以包括有机物、氧化物中的任意一种或者两种以上的组合，且不限于此。
本发明以上实施例所提供的III族氮化物半导体光电器件结构及其制备方法，至少具有以下优点：
(1)串联电阻小。通过湿法腐蚀、干法刻蚀、离子注入、电化学腐蚀、二次外延生长等方法在III族氮化物半导体材料中形成电流注入窗口，同时在p侧可以采用整面欧姆接触或在镓面p侧对应的电流注入区外围制备大面积的p型欧姆接触，从而有效增加了器件中空穴注入的面积以及空穴横向注入的深度，显著降低了器件的串联电阻，可大幅降低器件的工作电压和热功率。
(2)光损耗小。通过在p侧采用整面欧姆接触或在电流注入区外围形成大面积欧姆接触，空穴可以从常规器件的电流注入窗口区外围注入，因此器件的核心发光区无需沉积高吸收的透明导电膜，从而可以有效规避透明导电膜引起的吸收损耗，大幅降低器件的光损耗。同时，通过湿法腐蚀、干法刻蚀、离子注入、电化学腐蚀、二次外延生长等方法在III族氮化物半导体材料内部形成电流注入窗口，避免了在p型半导体层侧干法刻蚀引入的n型缺陷、损伤和表面态产生的光吸收和非辐射复合等问题，可以进一步降低器件的光损耗。
(3)热阻低。通过采用整面p型欧姆接触，且p电极采用高热导率的金属电极或透明导电膜与金属复合结构，避免在大面积的p侧电流注入窗口外围使用低热导率绝缘介质膜和透明导电膜，可以大幅降低器件的热阻，有效降低器件的工作结温，从而显著提升器件性能和可靠性。
综上所述，本发明提出的新型III族氮化物半导体光电器件结构具有串联电阻低、光损耗小和热阻小等优点，可大幅提升器件性能和可靠性。该器件结构在紫外III族氮化物半导体垂直腔面发射激光器或共振腔发光二极管等光电器件中可发挥更加重要的作用。
下面结合附图及若干优选实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，并且除非特别说明的之外，以下各实施例中所涉及到的湿法腐蚀、干法刻蚀、离子注入、电化学腐蚀、二次外延生长等方法以及所采用的材料，设备均是本领域技术人员所习之的。
实施例1
请参阅图1，本实施例中提供的一种GaN基III族氮化物半导体光电器件结构，其包括沿指定方向依次设置的p型AlInGaN层105、InGaN/GaN多量子阱有源区104和n型GaN层103所形成的外延结构，所述InGaN/GaN多量子阱有源区104上形成有环绕所述n型GaN层103设置的SiN绝缘介质膜110，所述n型GaN层103和SiN绝缘介质膜110配合形成电流注入窗口。
具体的，所述n型GaN层103和绝缘介质膜110上还覆设有透明导电膜111，所述透明导电膜111上设置有n电极112和n侧布拉格反射镜113，所述n侧布拉格反射镜113与所述电流注入窗口对应设置(即与所述n型GaN层103对应设置)，所述n电极112环绕所述n侧布拉格反射镜113设置。
具体的，所述p型AlInGaN层105上设置有p电极106和图形化的p侧布拉格反射镜107，所述p电极106与p型AlInGaN层105形成欧姆接触，所述p电极106上具有与所述电流注入窗口对应的通孔，所述p侧布拉格反射镜107经所述通孔与p型AlInGaN层105接触，所述p侧布拉格反射镜107与所述电流注入窗口对应设置，且所述p侧布拉格反射镜107被p电极106沿径向环绕，并与p电极106纵向部分交叠。
具体的，所述外延结构的p侧经键合层108与铜支撑基板109键合在一起，所述铜支撑基板109上设置有基板电极114，所述基板电极114与铜支撑基板109形成欧姆接触。
具体的，本实施例中的GaN基III族氮化物半导体光电器件结构的制备方法包括如下步骤：
1)在硅衬底101上依次外延生长1μm厚的AlN/A1GaN缓冲层102、1.5μm厚的n型GaN层103、交替层叠五个周期InGaN/GaN多量子阱有源区104、100nm厚的p型AlInGaN层105形成外延结构，如图2a所示；
2)清洗步骤1)中所形成的外延片，通过光刻和沉积技术在p型AlInGaN层105上形成p电极106，并进行550℃欧姆接触退火，以形成较好的欧姆接触，所述p电极106是图形化的，其上具有与后续所形成的电流注入窗口对应的通孔，如图2b所示，其中，形成p电极106的金属可是Pd/Pt/Au；
3)通过光刻和沉积技术在所述p电极106的通孔处制备12对图形化的SiO2/TiO2，形成图形化的p侧布拉格反射镜107，随后将外延片的通过键合层108倒装键合在铜支撑基板109上，铜支撑基板109通过键合层108与所述外延结构的p侧结合在一起，键合层108的材料可以是AuSn，如图2c所示；
4)采用减薄、研磨、激光剥离、干法刻蚀或湿法腐蚀等方法去除硅衬底101，随后通过干法刻蚀或湿法腐蚀等方法去除AlN/AlGaN缓冲层102和0.5μm厚的n型GaN层103，如图2d所示；
5)采用光刻、刻蚀或腐蚀技术去除n型GaN层103的第二区域且保留第一区域，形成图形化的n型GaN层103，所述第二区域沿径向环绕第一区域，所述第一区域对应电流注入窗口，如图2e所示；
6)在所第二区域形成环绕所述图形化n型GaN层103设置的绝缘介质膜110，随后沉积透明导电膜111，并通过光刻和沉积技术在透明导电膜111上制备11对SiO2/TiO2，形成n侧布拉格反射镜113，以及制备环绕n侧布拉格反射镜113设置的n电极112，其中，所述绝缘介质膜110和图形化的n型GaN层103配合形成电流注入窗口，如图2f所示，其中，绝缘介质膜110的材质可以是SiN，形成n电极112的金属可以是Ti/Pt/Au；
7)在铜支撑基板109的背面制备基板电极114，使基板电极114与铜支撑基板109形成欧姆接触，如图2f所示，其中，基板电极114的材质可以是Cr/Au；
8)裂片，完成如图1所示的GaN基III族氮化物半导体光电器件结构的制备。
经测试，本实施例中的半导体光电器件结构的串联电阻、光损耗、热阻较现有技术可分别降低45％、60％、30％左右，此测试结果与器件的仿真结果相吻合。基于该器件结构，可实现GaN基III族氮化物垂直腔面发射激光器的室温光泵浦连续激射。
实施例2
请参阅图3，本实施例中提供的一种III族氮化物半导体光电器件结构，其与实施例1中的光电器件结构基本相似，其具体包括沿指定方向依次设置的p型A1GaN层205、A1GaN/AlGaN多量子阱有源区204和n型AlGaN层203所形成的外延结构，所述p型AlGaN层205为p型Al0.2Ga0.8N/Al0.02Ga0.98N超晶格结构；所述AlGaN/AlGaN多量子阱有源区204包括非离子注入区204a和环绕非离子注入区204a的离子注入区204b，离子注入区204b内的半导体材料被转化为高阻材料，使所述离子注入区204b和非离子注入区204a配合形成电流注入窗口。
具体的，所述n型AlGaN层203上设置有n电极210和n侧布拉格反射镜211，所述n侧布拉格反射镜211与所述电流注入窗口对应设置，所述n电极210环绕所述n侧布拉格反射镜211设置。
具体的，所述p型AlGaN层205上设置有p电极206，所述p电极206上设置有图形化的p侧布拉格反射镜207，所述p侧布拉格反射镜207对应所述电流注入窗口设置。
具体的，所述外延结构的p侧经键合层208与硅支撑基板209键合在一起，所述硅支撑基板209上设置有基板电极212，所述基板电极212与硅支撑基板209形成欧姆接触。
具体的，本实施例中的III族氮化物半导体光电器件结构的制备方法包括如下步骤：
1)在蓝宝石衬底201上依次外延生长AlN缓冲层202、n型AlGaN层203、交替层叠3个周期AlGaN/AlGaN多量子阱有源区204、p型AlGaN层205形成外延结构，如图4a所示，其中p型AlGaN层205为p型Al0.2Ga0.8N/Al0.02Ga0.98N超品格结构；
2)清洗步骤1)中所形成的外延片，通过光刻和离子注入工艺从p侧(0001)镓面对所述AlGaN/AlGaN多量子阱有源区204的第二区域注入N离子，所述第二区域沿径向环绕第一区域，从而在AlGaN/AlGaN多量子阱有源区204中形成对应第一区域的非离子注入区204a和对应第二区域的非离子注入区204a，所述离子注入区204b内的半导体材料被转化为高阻材料，从而使离子注入区204b与非离子注入区204a配合形成电流注入窗口，之后在p型AlGaN层205的整个表面形成p电极206，并进行600℃欧姆接触退火，以形成较好的欧姆接触，其中，p电极206的材质可以是氧化铟锡，如图4b所示；
3)通过光刻和沉积技术在所述p电极206上对应所述电流注入窗口的区域制备15对图形化的SiO2/HfO2，形成p侧布拉格反射镜207，随后将外延片倒装键合在硅支撑基板209上，硅支撑基板209通过键合层208与所述外延结构的p侧结合在一起，键合层208的材料可以是NiSn，如图4c所示；
4)采用减薄、研磨、激光剥离、干法刻蚀或湿法腐蚀等方法去除蓝宝石衬底201，如图4d所示；
5)通过干法刻蚀或湿法腐蚀等方法去除AlN缓冲层202和部分厚度的n型AlGaN层203，如图4e所示；
6)通过光刻和沉积技术在(0001)氮面n型AlGaN层203上制备13对SiO2/HfO2，形成n侧布拉格反射镜211，并制备环绕n侧布拉格反射镜211设置的n电极210，使n电极210与n型AlGaN层203形成欧姆接触，其中形成n电极210的金属可以是Ti/Al/Ti/Au，随后在硅支撑基板209上制备基板电极212，使基板电极212与硅支撑基板209形成欧姆接触，其中基板电极212的材质可以是Ti/Au，如图4f所示；
7)裂片，完成如图3所示的III族氮化物半导体光电器件结构的制备。
经测试，本实施例中的半导体光电器件结构的串联电阻、光损耗、热阻较现有技术分别降低了50％、70％和45％，可以大幅提升III族氮化物半导体光电器件性能。
实施例3
请参阅图5，本实施例中提供的一种III族氮化物半导体光电器件结构，其包括沿指定方向依次设置的p型GaN层306、InGaN/GaN多量子阱有源区305、高掺杂n型GaN层304和n型GaN层303形成的外延结构，所述高掺杂n型GaN层304包括非腐蚀区304b和环绕非腐蚀区304b设置的腐蚀区304a，腐蚀区304a内的半导体材料被腐蚀出纳米多孔结构形成高阻材料，使腐蚀区304a和非腐蚀区304b配合形成电流注入窗口。
具体的，所述n型GaN层304上设置有n型金属电极311和n侧布拉格反射镜312，所述n侧布拉格反射镜312与所述电流注入窗口对应设置，所述n型金属电极311环绕所述n侧布拉格反射镜312设置。
具体的，所述p型GaN层306上设置有p电极307和图形化的p侧布拉格反射镜308，所述p电极307与p型GaN层306形成欧姆接触，所述p电极307上具有与所述电流注入窗口对应的通孔，所述p侧布拉格反射镜308经所述通孔与p型GaN层306接触，所述p侧布拉格反射镜308与所述电流注入窗口对应设置，且所述p侧布拉格反射镜308被p电极307沿径向环绕，并与p电极307纵向部分交叠。
具体的，所述p侧布拉格反射镜308经键合层303与WCu支撑基板310键合在一起，所述WCu支撑基板310上设置有基板电极313，所述基板电极313与WCu支撑基板310形成欧姆接触。
具体的，本实施例中的III族氮化物半导体光电器件结构的制备方法包括如下步骤：
1)在蓝宝石衬底301上依次外延生长u-GaN缓冲层302、n型GaN层303、高掺杂n型GaN层304、交替层叠6个周期InGaN/AlGaN多量子阱有源区305、p型GaN层306形成外延结构，如图6a所示；
2)清洗步骤1)中所形成的外延片，通过光刻和电化学腐蚀技术将高掺杂n型GaN层304的第二区域腐蚀出纳米多孔结构形成高阻材料且保留第一区域，所述第二区域沿径向环绕第一区域，使高掺杂n型GaN层304中形成对应第一区域的非腐蚀区304b和对应第二区域的腐蚀区304a，非腐蚀区304b和腐蚀区304a配合形成电流注入窗口，如图6b所示，具体的，腐蚀区304a内的高掺杂n型GaN层304的孔隙率高达50％，通过多孔GaN材料中孔表面的空间电荷区耗尽孔壁的电荷，使多孔GaN材料变为高阻材料；
3)通过光刻和沉积技术在p型GaN层306上形成p电极307，并进行600℃欧姆接触退火，以形成较好的欧姆接触，所述p电极307是图形化的，其上具有与所述电流注入窗口对应的通孔，如图6b所示，其中，形成p电极307的金属可是Ni/Au；
4)通过光刻和沉积技术在所述p电极307的通孔处制备13对图形化的SiO2/TaO5，形成图形化的p侧布拉格反射镜308，随后将外延片通过键合层309倒装键合在钼铜支撑基板310上，具体的，钼铜支撑基板310通过键合层309与所述外延结构的p侧结合在一起，键合层309的材料可以是PbSn，如图6c所示；
5)采用减薄、研磨、激光剥离、干法刻蚀或湿法腐蚀等方法去除蓝宝石衬底301，如图6d所示；
6)通过干法刻蚀或湿法腐蚀等方法去除u-GaN缓冲层302和部分厚度的n型GaN层303，如图6e所示；
7)通过光刻和沉积技术在
氮面n型GaN层303上制备10.5对SiO2/Ta2O5，形成n侧布拉格反射镜312，并制备环绕n侧布拉格反射镜312设置的n电极311，使n电极311与n型GaN层303形成欧姆接触，其中形成n电极311的金属可以是Cr/Ti/Al/Ti/Au，随后在钼铜支撑基板310上制备基板电极313，使基板电极313与钼铜支撑基板310形成欧姆接触，其中基板电极313的材质可以是Ti/Pt/Au，如图6f所示；
8)裂片，完成如图5所示的III族氮化物半导体光电器件结构的制备。
经测试，本实施例中的半导体光电器件结构的串联电阻、光损耗、热阻较现有技术可以分别降低80％、50％、45％。
实施例4
请参阅图7，本实施例中提供的一种III族氮化物半导体光电器件结构，其与实施例1中的光电器件结构基本相似，其具体包括沿指定方向依次设置的p型AlGaN层406、SiO2掩膜层405、AlGaN/AlGaN多量子阱有源区404和n型AlGaN层403所形成的外延结构，其中所述p型AlGaN层406的A1组分含量沿指定方向(即沿p型层到n型层的方向)逐渐增高；所述SiO2掩膜层405上具有沿厚度方向贯穿掩膜层的通孔，所述p型AlGaN层406的局部区域填充入所述通孔并形成电流注入窗口。
具体的，所述n型AlGaN层403上设置有n电极411和n侧布拉格反射镜412，所述n侧布拉格反射镜412与所述电流注入窗口对应设置，所述n电极411环绕所述n侧布拉格反射镜412。
具体的，所述的p型AlGaN层406上设置有p电极407和图形化的p侧布拉格反射镜408，所述p电极407与p型AlGaN层406形成欧姆接触，且所述p型金属电极407上具有与所述电流注入窗口对应的通孔，所述p侧布拉格反射镜408经所述通孔与所述p型AlGaN层406接触。
具体的，所述外延结构的p侧经键合层409与硅支撑基板410键合在一起，所述硅支撑基板410上设置有基板电极413，所述基板电极413与硅支撑基板410形成欧姆接触。
具体的，本实施例中的GaN基III族氮化物半导体光电器件结构的制备方法包括如下步骤：
1)在硅衬底401上依次外延生长AlN缓冲层402、n型AlGaN层403、交替层叠五个周期AlGaN/AlGaN多量子阱有源区404、SiO2掩膜层405和p型AlGaN层406，其中，SiO2掩膜层405上具有沿厚度方向贯穿的通孔，所述p型AlGaN层406的局部区域填充入所述通孔并形成所述电流注入窗口，所述如图8a所示；
2)清洗步骤1)中所形成的外延片，通过光刻和沉积技术在p型AlGaN层406上形成p电极407，并进行650℃欧姆接触退火，以形成较好的欧姆接触，所述p电极407是图形化的，其上具有与所述电流注入窗口对应的通孔，如图8b所示，其中，形成p电极407的金属可是Pd/Pt/Au；
3)通过光刻和沉积技术在所述p电极407的通孔处制备9对图形化的SiO2/HfO2，形成图形化的p侧布拉格反射镜408，随后将外延片经键合层409倒装键合在硅支撑基板410上，硅支撑基板410通过键合层409与外延结构的p侧结合在一起，键合层409的材料可以是AuSn，如图8c所示；
4)采用减薄、研磨、激光剥离、干法刻蚀或湿法腐蚀等方法去除硅衬底401，如图8d所示；
5)通过干法刻蚀或湿法腐蚀等方法去除AlN缓冲层402和部分厚度的n型AlGaN层403，如图8e所示；
6)通过光刻和沉积技术在
氮面n型A1GaN层403上制备7对SiO2/HfO2，形成n侧布拉格反射镜412，并制备环绕n侧布拉格反射镜412设置的n电极411，使n电极411与n型AlGaN层403形成欧姆接触，其中形成n型金属电极411的金属可以是Cr/Ti/A1/Ti/Au，随后在硅支撑基板410的背面制备基板电极413，使基板电极413与硅支撑基板410形成欧姆接触，其中基板电极413的材质可以是Ti/Au，如图8f所示
7)裂片，完成如图7所示的GaN基III族氮化物半导体光电器件结构的制备。
经测试，本实施例中的半导体光电器件结构的串联电阻、光损耗、热阻较现有技术可以分别降低68％、50％、35％。
此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
应当理解，本发明的技术方案不限于上述具体实施案例的限制，凡是在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落于本发明的保护范围之内。
Claims (22)
1.一种III族氮化物半导体光电器件结构，包括：
外延结构，包括沿指定方向依次设置的p型半导体层、有源区和n型半导体层；以及
与p型半导体层配合的p电极和与n型半导体层配合的n电极；
所述外延结构中还形成有电流注入窗口；
其特征在于：所述p电极至少覆盖p型半导体层表面的第一区域且与p型半导体层形成欧姆接触，所述第一区域环绕第二区域设置，所述第二区域与所述电流注入窗口对应设置。
2.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体光电器件结构，其特征在于：所述p型半导体层包括多个叠设的AlInGaN层，且多个所述AlInGaN层的Al组分含量沿指定方向逐渐增高；和/或，所述p型半导体层包括多个第一AlInGaN层和多个第二AlInGaN层，所述第一AlInGaN层和第二AlInGaN层沿指定方向交替层叠设置，且所述第一AlInGaN层的Al组分含量高于第二AlInGaN层。
3.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体光电器件结构，其特征在于：所述p电极将p型半导体层表面整面覆盖。
4.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体光电器件结构，其特征在于：所述电流注入窗口分布在所述n型半导体层或有源区中。
5.根据权利要求4所述的III族氮化物半导体光电器件结构，其特征在于：所述n型半导体层具有第一区域和在径向上环绕第一区域设置的第二区域，并且所述第二区域内的半导体材料被转化为高阻材料，从而使所述第二区域与第一区域配合形成所述电流注入窗口；
或者，所述有源区具有第一区域和在径向上环绕第一区域设置的第二区域，并且所述第二区域内的半导体材料被转化为高阻材料，从而使所述第二区域与第一区域配合形成所述电流注入窗口。
6.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体光电器件结构，其特征在于：所述n型半导体层包括第一n型层和第二n型层，所述第二n型层设置在第一n型层与有源区之间，所述第二n型层内形成有所述电流注入窗口；
优选的，所述第二n型层为高掺杂n型层；
优选的，所述第二n型层具有第一区域和在径向上环绕第一区域设置的第二区域，并且所述第二区域内的半导体材料被转化为具有多孔结构的高阻材料，从而使所述第二区域与第一区域配合形成所述电流注入窗口。
7.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体光电器件结构，其特征在于：所述电流注入窗口由n型半导体层和沿径向环绕n型半导体层的绝缘介质层配合形成。
8.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体光电器件结构，其特征在于：所述p型半导体层和有源区之间分布有掩模层，所述掩膜层上设有沿厚度方向贯穿掩膜层的通孔，所述p型半导体层的局部区域填充入所述通孔并形成所述电流注入窗口。
9.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体光电器件结构，其特征在于：所述p型半导体层上设置有p侧布拉格反射镜，所述p侧布拉格反射镜与所述电流注入窗口对应设置。
10.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体光电器件结构，其特征在于：所述n型半导体层上设置有n侧布拉格反射镜，所述n侧布拉格反射镜与所述电流注入窗口对应设置；和/或，所述n型半导体层上设置有透明导电膜，所述n电极和n侧布拉格反射镜均设置在所述透明导电膜上。
11.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体光电器件结构，其特征在于：所述p电极包括至少连续覆盖所述p型半导体层表面第一区域的透明导电膜或金属膜。
12.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体光电器件结构，其特征在于：所述外延结构的p侧通过键合层与支撑基板键合在一起，所述支撑基板上设置有基板电极。
13.一种III族氮化物半导体光电器件结构的制备方法，包括：
加工形成外延结构的步骤，其包括依次生长的n型半导体层、有源区和p型半导体层；
在所述外延结构中加工形成电流注入窗口的步骤；以及
加工形成n电极、p电极的步骤，所述n电极与n型半导体层配合，所述p电极与p型半导体层配合；
其特征在于，所述加工形成p电极的步骤还包括：至少使所述p电极覆盖所述p型半导体层表面的第一区域，并使所述p电极与p型半导体层形成欧姆接触，所述第一区域沿径向环绕第二区域设置，所述第二区域与所述电流注入窗口对应设置。
14.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于还包括：使所述p电极覆盖所述p型半导体层的整个表面。
15.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于具体包括：
将所述n型半导体层的第二区域去除且保留第一区域，所述第一区域对应于所述电流注入窗口，所述第二区域沿径向环绕第一区域；
沉积环绕所述第一区域的绝缘介质层，使所述绝缘介质层和被保留的n型半导体层配合形成所述电流注入窗口。
16.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于具体包括：
将所述n型半导体层或有源区的第二区域转化为高阻材料且保留第一区域，所述第一区域对应于所述电流注入窗口，所述第二区域沿径向环绕第一区域；
使所述高阻材料和被保留的n型半导体层或有源区配合形成所述电流注入窗口。
17.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于具体包括：
使所述n型半导体层包括第一n型层和分布于第一n型层和有源区之间的第二n型层；
将所述第二n型层的第二区域转化为具有多孔结构的高阻材料且保留第一区域，所述第一区域对应于所述电流注入窗口，所述第二区域沿径向环绕第一区域；
使所述高阻材料和被保留的第二n型层配合形成所述电流注入窗口，其中，所述第二n型层为高掺杂n型层。
18.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于具体包括：先在所述有源区上设置掩膜层，并形成沿厚度方向贯穿掩膜层的通孔，之后生长p型半导体层，使所述p型半导体层填充在所述通孔内的部分与所述掩膜层配合形成所述电流注入窗口。
19.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于还包括：在所述p型半导体层上设置p侧布拉格反射镜，并使所述p侧布拉格反射镜与所述电流注入窗口对应设置。
20.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于还包括：在所述n型半导体层上设置n侧布拉格反射镜，并使所述n侧布拉格反射镜与所述电流注入窗口对应设置。
21.根据权利要求20所述的制备方法，其特征在于还包括：在所述n型半导体层上设置透明导电膜，并在所述透明导电膜上设置n侧布拉格反射镜，使所述n侧布拉格反射镜与所述电流注入窗口对应设置。
22.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于还包括：将所述外延结构的p侧通过键合层与支撑基板键合在一起，并在所述支撑基板上加工形成基板电极。
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