[发明专利]一种具有埋入式孔洞结构的氮化物底层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及氮化镓半导体器件外延领域，尤其涉及图形衬底上生长具有微孔洞结构的氮化物层及其外延技术。

背景技术

氮化物材料体系材料因其带隙覆盖整个可见光范围，用其制备的发光二极管等光电器件，被广泛应用于固态显示、照明和信号灯等领域。因为氮化物材料具有无毒、亮度高、工作电压低、易小型化等诸多优点，使用氮化镓基发光二极作为光源替代传统光源已成为不可逆转的趋势。然而要实现更高发光效率的氮化物发光器件，需要解决的关键之一是如何提高器件的光电转换效率和取光效率。

发明内容

本发明的目的是：结合图形化衬底，提供一种具有埋入式孔洞结构的氮化物层及其制备方法，其可应用于氮化镓基发光二极管，提升取光效率。

根据本发明的第一个方面，一种具有埋入式孔洞结构的氮化物底层的制备方法，包括步骤：1）提供一图形衬底，其具有不同生长速率的晶面；2）在所述图形衬底上形成氮化物成核层；3）采用准二维生长条件，在所述成核层上形成第一氮化物层；4）采用三维生长条件，在所述第一氮化物层上形成第二氮化物层，其与所述衬底之间具有空隙；5）采用二维生长条件，在所述三维氮化镓层上继续生长第三氮化物层，在所述空隙上方合拢成一无裂缝平面，从而在氮化物底层形成孔洞结构；其中准二维生长条件是指横、纵向生长速率之比介于二维生长和三维生长条件之间。

在上述方法中，采用介于三维和二维生长之间的准二维条件生长的第一氮化物层，其不会形成高密度层错区域，相反地可以为后续三维生长提供小岛，结合图形衬底能够在后续生长中实现位错转弯和降低位错密度的目的。同时在后期器件制作过程中该第一氮化物层可防止不同腐蚀液对衬底或外延层的侧蚀效应。

进一步地，产生的孔洞尺寸在亚微米量级，形成于氮化物底层，并围绕衬底的图形周围、呈不连续、不具备严格周期性的分布，防止孔洞尺寸过大对器件外观和抗压性稳定性的影响，也避免了后续器件工艺制备的复杂性。

在一些实施例中，所述衬底的图形包括一系列凸起部，其为圆台、棱台、圆锥、棱锥或其组合。优选的，所述凸起部顶部为平台形状，其顶部晶面与非凸起部区域的晶面夹角小于5°。所述图形衬底的各区域生长速率的关系为：非凸起部区域＞凸起部顶部区域＞凸起部侧壁区域。在步骤2）中，所述第一氮化物层主要形成于所述非凸起部区域。进一步地，所述凸起部的间隙优选大于0.01μm，高度大于或等于0.5μm。

在一些实施例中，所述衬底的图形包括一系列凹陷部，其为倒梯形结构，具有倾斜的侧壁，其中侧壁的晶片生长速度低于底部的晶面。在步骤3）中，在所述凹陷部的底部依次准二维生长所述第一氮化物层，三维生长所述第二氮化物层，二维生长所述第三氮化物层。其中，所述凹陷部的间隙优选大于0.01μm，深度大于或等于0.5，直径介于0.5~8μm。

上述方法中，通过控制所述第一氮化物层和第二氮化物层的厚度可调节所述孔洞结构的尺寸，第一氮化物层厚度值越大，所述孔洞尺寸越小。优选地，形成的第一、第二氮化物层的总厚度与所述衬底图形的高度相当，差值不超过0.5μm。在一些实施例中，步骤3）形成的第一氮化物层的厚度为0.1~1.5μm；步骤4）形成的第二氮化物层的厚度为小于2μm；步骤5）形成的孔洞结构围绕衬底的图形四周分布，其直径为10~1000nm。

上述方法中，所述准二维生长条件的生长速率优选不高于三维和二维生长条件的生长速率。在一些实施例中，所述三维生长条件的生长速率大于准二维生长条件的生长速率。在一些实施例中，所述三维生长条件的生长温度高于准二维生长条件10~50℃。在一些实施例中，所述三维生长条件的反应室压力比准二维生长条件高200~300mbar。在一些实施例中，所述二维生长条件生长温度高于三维生长条件20~100℃。在一些实施例中，所述二维生长条件的生长速率介于三维生长条件的一倍与两倍之间。在一些实施例中，所述二维生长模式的V/III比值低于三维生长条件的2倍。

根据本发明的第二个方面，一种具有埋入式孔洞结构的氮化物底层，包括：图形衬底，其具有不同生长速率的晶面；氮化物成核层，形成于图形衬底之上；准二维生长的第一氮化物层，形成于所述成核层之上；三维生长的第二氮化物层，形成于所述第一氮化物层上，与衬底之间具有空隙；二维生长的第三氮化物层，形成于所述第二氮化物层之上并在空隙上方合拢成一无裂缝平面，从而在氮化物底层形成孔洞结构；所述准二维生长是指横、纵向生长速率之比介于二维生长和三维生长条件之间。