[发明专利]一种Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体外延片、包含该外延片的器件及其制备方法

说明书

本发明提供一种Ⅲ‑Ⅴ族氮化物半导体外延片，包括：1)衬底(101)；2)外延缓冲层(102)；3)多个半导体介质凸起(107)；4)外延过渡层(108)；和5)外延有效层，所述外延有效层自下而上含有n型外延层(109)、发光层(110)、与p型外延层(111)。本发明还提供该外延片的制造方法、包含该外延片的器件及其制备方法。本发明可以有效提高外延片晶体质量例如位错密度，并且能改善半导体器件的各项性能指标、尤其是发光效率、漏电流以及抗静电击穿性等。本发明的制备方法工艺简单，有利于降低制造成本，适用于工业生产。

本申请是是2014年11月6日提交的发明名称为“一种Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体外延片、包含该外延片的器件及其制备方法”的第201480009733.X号发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及半导体照明领域，更具体是涉及一种Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体外延片、包含该外延片的器件及其制造方法。

背景技术

半导体照明作为新型高效固体光源，具有寿命长、节能、环保、安全等优点，其应用领域正在迅速扩大。半导体照明的核心是发光二极管(LED)，从结构上来讲LED就是由III-V族化合物，如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)、GaN(氮化镓)等半导体形成的PN结。因此，它具有一般PN结的I-V特性，即正向导通、反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光。

为了增加LED的发光效率一般会在PN结的N型层和P型层之间增加一个含量子阱的有源区的发光层，LED的具体结构大都是利用外延生长方法按照N型层、有源区、P型层的顺序依次生长在衬底之上。由于没有廉价的GaN同质衬底，GaN基LED一般生长在Si、SiC或蓝宝石等异质衬底之上，其中蓝宝石衬底是使用最广泛的衬底。在衬底上利用外延生长方法制成有n型层，发光层和p型层的材料称为LED外延片。在LED外延片上可通过制备n电极，p电极和隔离保护层等常规半导体工艺制成LED器件。

在蓝宝石等异质衬底上外延生长GaN过渡层一般采用两步生长法。所谓的两步生长法就是：首先在500℃左右的生长温度之下，在蓝宝石衬底表面生长厚度在30纳米左右的GaN或AlGaN的缓冲层(buffer layer)，然后再把生长温度提高到大于1000℃，才能生长出高质量的GaN外延层。用这样的方法制成的器件结构中存在大量的位错，位错密度越高器件的发光效率越低。

现在应用最广泛的所谓蓝宝石图形衬底(PSS)技术，可以减少外延层中的位错密度，提高LED的内量子效率，也可以通过PSS图形的漫散射，提高LED的出光效率。常规的PSS技术就是利用光刻工艺和腐蚀工艺在蓝宝石表面形成微观图形。比如在(0001)晶向的蓝宝石表面形成仍然由蓝宝石材料组成的具有一定周期性结构的锥形突起，锥形突起之间要保留一定面积的(0001)晶面。由于在锥形突起表面和锥形突起之间的(0001)晶面之间存在一定的选择性生长机理，也就是，进行外延生长时，在锥形突起之间的(0001)晶面上成核的几率要比在锥形突起表面上成核的几率大，锥形突起上面的外延层一般由侧向生长形成，所以在PSS衬底上进行外延生长具有侧向生长的效果，能降低外延层中的位错密度，提高使用PSS衬底的LED的内量子效率。另一方面PSS衬底表面的微观结构对LED所发出的光有一定的漫散射效果，能破坏全反射作用，因此PSS衬底还可以提高LED的出光效率。在常规PSS衬底上生长LED外延结构，也要用到上面介绍的两步法。