[发明专利]氮化物半导体元件及其制作方法

说明书

本发明公开了一种氮化物半导体元件及其制作方法，采用物理蚀刻形成图形化蓝宝石衬底，然后在蓝宝石衬底的表面上采用物理气相沉积的方式形成Al_xGa_(1‑x)N层，在生长物理气相沉积Al_xGa_(1‑x)N层过程中采用等离子体进行多次刻蚀处理，有效的抑制了图形侧壁处外延材料的晶体缺陷。

技术领域

本发明涉及一种改善蓝宝石图形侧壁缺陷的氮化镓基半导体元件及其制作方法。

背景技术

氮化镓基LED由于其高效的发光效率，目前已经广泛的应用在背光、照明、景观等各个光源领域。从技术角度看，进一步提高LED芯片的发光效率仍然是当前行业发展的重点。发光效率主要有两个效率决定：第一个是电子空穴在有源区的辐射复合效率，即通常说的内量子效率；第二个是光的提取效率。

现有成熟的蓝光LED材料的主流技术是制作在蓝宝石衬底上，氮化镓材料和蓝宝石衬底的巨大的晶格差异导致外延材料中有大量位错缺陷，形成非辐射复合中心，这会降低LED的内量子效率；氮化镓材料折射率较大，LED有源区发出的光在器件内部形成全发射，光的提取效率降低。图案化蓝宝石衬底可以有效改善上述两个难点，一方面可以有效控制生长时的成核岛密度，提升氮化镓晶体质量；另一方面，图形界面可以有效散射有源区发出的光，抑制器件内部的全反射效应。

通常采用干蚀刻或湿蚀刻的方式形成图形化蓝宝石衬底，其中干蚀刻是由物理轰击形成图形，制作过程中图形侧壁会受到损伤（如图1所示），后续外延材料在侧壁形成缺陷中心（如图2和3所示），其一方面会增加材料中的缺陷密度，降低内量子效率；另一方面，侧壁处缺陷晶体存在吸收中心，会吸收器件发出的光，降低光的提取效率。

采用物理气相沉积(物理气相沉积)生长的AlN作为缓冲层，通过控制AlN层的工艺，可以进一步提升材料质量，改善发光效率。从已经报道的文献看，如中国专利文献CN104246980A 提到的方法，采用物理气相沉积的AlN作为缓冲层，可以大幅改善晶体质量。但由于图形化图形侧壁处的晶体质量仍有待提升。

发明内容

本发明提供了一种改善蓝宝石图形侧壁缺陷的氮化物半导体元件及其制作方法，采用物理蚀刻形成图形化蓝宝石衬底，然后在蓝宝石衬底的表面上采用物理气相沉积的方式形成Al_xGa_(1-x)N层，在生长物理气相沉积Al_xGa_(1-x)N层过程中采用等离子体进行多次刻蚀处理，有效的抑制了图形侧壁处外延材料的晶体缺陷。

根据本发明的第一方面，氮化物半导体元件，包括：蓝宝石图形衬底，采用物理刻蚀方法制作所得，其具有一系列的凹陷或凸起的图形，该图形具有侧壁；Al_xGa_(1-x)N层，采用物理气相沉积法形成于图形衬底表面上；氮化镓基半导体叠层，采用MOCVD法形成于该Al_xGa_(1-x)N层上；其中所述Al_xGa_(1-x)N层位于所述蓝宝石图形衬底之侧壁的晶体缺陷的尺寸小于20nm。

优选地，所述Al_xGa_(1-x)N层在形成过程中一次或多次采用等离子体蚀刻以消除图形侧壁的晶体缺陷。

优选地，所述Al_xGa_(1-x)N层位于所述图形衬底之单个图形之侧壁的晶体缺陷尺寸大于10nm的个数小于10。

优选地，所述Al_xGa_(1-x)N层的厚度为3~100nm。

优选地，所述氮化镓基半导体叠层至少包含n型半导体层、发光层和p型半导体层。