本發(fā)明涉及氮化鎵半導(dǎo)體器件外延領(lǐng)域，尤其涉及圖形襯底上生長(zhǎng)具有嵌入式納米柱結(jié)構(gòu)的氮化物層及其外延技術(shù)。

背景技術(shù)：

氮化物材料體系材料因其帶隙覆蓋整個(gè)可見光范圍，用其制備的發(fā)光二極管等光電器件，被廣泛應(yīng)用于固態(tài)顯示、照明和信號(hào)燈等領(lǐng)域。因?yàn)榈锊牧暇哂袩o(wú)毒、亮度高、工作電壓低、易小型化等諸多優(yōu)點(diǎn)，使用氮化鎵基發(fā)光二極作為光源替代傳統(tǒng)光源已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。然而要實(shí)現(xiàn)更高發(fā)光效率的氮化物發(fā)光器件，需要解決的關(guān)鍵之一是如何提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率和取光效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：結(jié)合圖形化襯底，提供一種具有嵌入式納米柱結(jié)構(gòu)的氮化物層及其制備方法，其可應(yīng)用于氮化鎵基發(fā)光二極管，提升取光效率。

根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，一種氮化物底層的制備方法，包括步驟：1）提供一圖形襯底，其具有不同生長(zhǎng)速率的晶面；2）對(duì)所述圖形襯底進(jìn)行預(yù)處理；3）在所述圖形襯底上形成氮化物成核層；4）采用三維生長(zhǎng)條件，在所述圖形襯底上形成第一氮化物層，在圖形襯底頂部形成納米柱；5）采用二維生長(zhǎng)條件，在所述第一氮化物層上形成第二氮化物層，在所述納米柱上方合攏成一無(wú)裂縫平面，從而在氮化物底層形成嵌入式納米柱結(jié)構(gòu)。

在上述方法中，可采用n2、h2等氣體對(duì)所述圖形襯底進(jìn)行預(yù)處理，處理后對(duì)襯底圖形形狀無(wú)影響，但是由于襯底圖形尖端部分的晶面與平面部分的晶面不同，經(jīng)n2/h2等氣體微觀上處理效果存在不同，造成襯底表面的極性與懸掛鍵存在不同。

在上述方法中，所述襯底的圖形可以為凸起或凹陷，所述凸起或凹陷呈塊狀分布，其間隙大于或等于0.01μm，尺寸為0.5~8μm。在一些實(shí)施例中，所述襯底的圖形包括一系列凸起部，其為圓臺(tái)、棱臺(tái)、圓錐、棱錐或其組合，所述凸起的間隙優(yōu)選大于0.01μm，高度0.5μm。在一些實(shí)施例中，所述襯底的圖形包括一系列凹陷部，其為倒梯形結(jié)構(gòu)，具有傾斜的側(cè)壁。

優(yōu)選地，所述步驟（1）提供的圖形襯底具有凸起和平面區(qū)，所述凸起的頂部面積小于底部面積。

優(yōu)選地，所述凸起頂部為錐狀，其頂部晶面與非凸起部區(qū)域的晶面夾角小于5°。

優(yōu)選地，所述圖形襯底的各區(qū)域生長(zhǎng)速率的關(guān)系為：非凸起部區(qū)域＞凸起部頂部區(qū)域＞凸起部側(cè)壁區(qū)域。

優(yōu)選地，所述步驟（3）中采用準(zhǔn)二維生長(zhǎng)條件生長(zhǎng)成核層，所述準(zhǔn)二維生長(zhǎng)條件是指橫、縱向生長(zhǎng)速率之比介于二維生長(zhǎng)和三維生長(zhǎng)條件之間。

優(yōu)選地，所述步驟（3）中，所述成核層在平面區(qū)的橫向生長(zhǎng)速率大于其在所述凸起頂部的橫向生長(zhǎng)速率。

優(yōu)選地，所述步驟（3）中在平面區(qū)和凸起上形成的成核層在極性、成核大小具有明顯區(qū)別。在三維生長(zhǎng)條件下，位于所述平面區(qū)的成核層利于高生長(zhǎng)速率的氮化物外延層生長(zhǎng)，并且其橫向外延速率較快；位于所述凸起上的成核層利于低生長(zhǎng)速率的納米柱生長(zhǎng)，并且其橫向生長(zhǎng)速率較慢。其中，納米柱的生長(zhǎng)速率低于氮化物外延層的生長(zhǎng)速率。

上述方法中，可以通過(guò)控制所述第一氮化物層和第二氮化物層的厚度可調(diào)節(jié)所述納米柱結(jié)構(gòu)的尺寸，第一氮化物厚度值越大，所述納米柱越大。在一些實(shí)施例中，步驟（4）形成的第一氮化物層的厚度為0.1~1.5μm；步驟（5）形成的第二氮化物層的厚度為大于2μm，形成的納米柱結(jié)構(gòu)處于襯底的圖形頂端，其直徑為10~100nm，高度為0.1~1.5μm。

在一些實(shí)施例中，所述二維生長(zhǎng)條件生長(zhǎng)溫度高于三維生長(zhǎng)條件20~100℃。

在一些實(shí)施例中，所述二維生長(zhǎng)條件的生長(zhǎng)速率介于三維生長(zhǎng)條件的一倍與兩倍之間。

在一些實(shí)施例中，所述二維生長(zhǎng)模式的v/iii低于三維生長(zhǎng)條件的2倍。

優(yōu)選地，產(chǎn)生的納米柱在亞微米量級(jí)，形成于氮化物層內(nèi)部，并圍繞位于每個(gè)襯底的頂部、呈周期性的分布，避免了后續(xù)器件工藝制備的復(fù)雜性。同時(shí)在后期器件制作過(guò)程中該第一氮化物層可防止不同腐蝕液對(duì)襯底或外延層的側(cè)蝕效應(yīng)。

根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，一種具有嵌入式納米柱結(jié)構(gòu)的氮化物層，包括：圖形襯底，其具有不同生長(zhǎng)速率的晶面；氮化物成核層，形成于圖形襯底之上；三維生長(zhǎng)的第一氮化物層，形成于所述氮化物成核層之上，并在襯底圖形頂端形成納米柱結(jié)構(gòu)；二維生長(zhǎng)的第二氮化物層，形成于所述第一氮化物層之上并在納米柱上方合攏成一無(wú)裂縫平面，從而在氮化物底層形成嵌入式納米柱結(jié)構(gòu)。

所述襯底的圖形可以為凸起或凹陷，所述凸起或凹陷呈塊狀分布，其間隙大于或等于0.01μm，尺寸為0.5~8μm。在一些實(shí)施例中，所述襯底的圖形包括一系列凸起部，其為圓臺(tái)、棱臺(tái)、圓錐、棱錐或其組合，所述凸起的間隙優(yōu)選大于0.01μm，高度大于或等于0.5μm。在一些實(shí)施例中，所述襯底的圖形包括一系列凹陷部，其為倒梯形結(jié)構(gòu)，具有傾斜的側(cè)壁。

優(yōu)選的，所述圖形襯底具有凸起和平面區(qū)，所述凸起的頂部面積小于底部面積。

優(yōu)選地，所述凸起部頂部為錐狀，其頂部晶面與非凸起部區(qū)域的晶面夾角小于5°。

優(yōu)選地，所述納米柱的直徑為10~100nm，高度為0.1~1.5μm。

優(yōu)選地，所述納米柱的尺寸為亞微米級(jí)，處于所述凸起部的頂端，根據(jù)凸起部的排列而周期性排列。

優(yōu)選地，所述第二氮化鎵層的厚度大于或等于2μm。

根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)方面，一種具有嵌入式納米柱結(jié)構(gòu)的氮化物底層，包括：包括：圖形襯底，圖形為分布在表面上的一系列凸起部或凹陷部；氮化物層，形成于所述圖形襯底之上；納米柱結(jié)構(gòu)，其位于所述氮化物層內(nèi)部，尺寸為亞微米級(jí)，處于所述凸起部或凹陷部的頂部。

在上述結(jié)構(gòu)中，所述亞微米尺寸納米柱位于氮化物層材料體內(nèi)，避免了對(duì)器件外觀、接觸電極制備的影響。

優(yōu)選的，在氮化物底層內(nèi)部形成一系列相互隔離的納米柱結(jié)構(gòu)，所述納米柱的直徑為10~100nm，差值不超過(guò)0.5μm。

優(yōu)選的，所述氮化物層依次包含氮化物成核層、三維生長(zhǎng)的第一氮化物層和二維生長(zhǎng)的第二氮化物層，所述納米柱結(jié)構(gòu)由第一氮化物層和第二氮化物層在所述襯底的頂部形成。

在一些實(shí)施例中，所述凸起部或凹陷部為塊狀分布，其間隙大于0.01μm，尺寸為0.5~8μm。

在一些實(shí)施例中，所述襯底的圖形為凸起部。較佳的，所述凸起部頂部為平臺(tái)形狀，其頂部晶面與非凸起部區(qū)域的晶面夾角小于5°。

在一些實(shí)施例中，所述氮化物層包括：第一氮化物層，采用三維生長(zhǎng)條件形成于所述成核層之上，位于襯底圖形的頂部形成納米柱結(jié)構(gòu)；第二氮化物層，采用二維生長(zhǎng)條件形成于所述第一氮化物層之上并在納米柱上方合攏成一無(wú)裂縫平面，從而在氮化物底層內(nèi)部形成一系列相互隔離的納米柱結(jié)構(gòu)；其中，所述納米柱的直徑為10~100nm，差值不超過(guò)0.5μm。

根據(jù)本發(fā)明的第四個(gè)方面，一種氮化物半導(dǎo)體光電器件，包括前述任意一種具有嵌入式納米柱結(jié)構(gòu)的氮化物層，及形成于所述氮化物疊層之上的發(fā)光外延層，該發(fā)光外延層一般包含n型半導(dǎo)體層、發(fā)光層和p型半導(dǎo)體層。

在上述結(jié)構(gòu)中，一方面，亞微米級(jí)尺寸的納米柱結(jié)構(gòu)位于氮化物層材料體內(nèi)，避免了對(duì)器件外觀、接觸電極制備的影響；另一方面，結(jié)合了圖形化襯底提升材料質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)，使制備的發(fā)光二極管具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說(shuō)明書中闡述，并且，部分地從說(shuō)明書中變得顯而易見，或者通過(guò)實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)在說(shuō)明書、權(quán)利要求書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。

附圖說(shuō)明

附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。此外，附圖數(shù)據(jù)是描述概要，不是按比例繪制。

圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的一種具有嵌入式納米柱結(jié)構(gòu)的氮化物層的制作流程圖。

圖2~7是本發(fā)明實(shí)施的一種具有嵌入式納米柱結(jié)構(gòu)氮化物層結(jié)構(gòu)的制作過(guò)程示意圖。

圖8是實(shí)施例1氮化物底層中嵌入式納米柱結(jié)構(gòu)的截面掃描電子顯微鏡圖譜。

圖9是實(shí)施例1氮化物底層中嵌入式納米柱結(jié)構(gòu)的底部放大掃描電子顯微鏡圖譜。

圖10是采用實(shí)施1所提供的具有嵌入式納米柱結(jié)構(gòu)的氮化物底層制備形成的發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面各實(shí)施例結(jié)合圖形化襯底，提供一種能提升氮化鎵發(fā)光二極管取光效率的嵌入式納米柱結(jié)構(gòu)氮化物層及其制備方法。附圖1簡(jiǎn)單示意了一種具有嵌入式納米柱結(jié)構(gòu)氮化物層的制備方法，主要包括步驟：

s01：提供一具有不同生長(zhǎng)速率晶面的圖形化襯底；

s02：對(duì)所述襯底進(jìn)行h2/n2預(yù)處理；

s03：在所述襯底上生長(zhǎng)氮化物成核層；

s04：采用三維生長(zhǎng)條件外延生長(zhǎng)第一氮化物層；

s05：采用二維生長(zhǎng)條件外延生長(zhǎng)第二氮化物層。

具體地，步驟s01中，圖形化襯底可選用藍(lán)寶石襯底或其他適用于氮化物生長(zhǎng)的材料，如sic等，形襯底圖形可為分布在襯底表面上的一系列離散的凸起部或凹陷部，各個(gè)凸起部（或凹陷部）的間隙優(yōu)選大于0.01μm，高度（或深度）大于或等于0.5μm。當(dāng)襯底圖形為凸起部時(shí)，其為圓臺(tái)、棱臺(tái)、圓錐、棱錐或其組合。優(yōu)選地，凸起頂部為錐體狀，其頂部晶面與非凸起區(qū)域的晶面夾角小于5°。當(dāng)所述襯底的圖形為凹陷部時(shí)，所述凹陷部為倒梯形結(jié)構(gòu)，具有傾斜的側(cè)壁，其中側(cè)壁的晶片生長(zhǎng)速度低于底部的晶面。

在步驟s03~s05中，可選用氮化鎵、氮化鋁鎵或氮化鋁等氮化物材料。通過(guò)調(diào)整生長(zhǎng)溫度、反應(yīng)室壓力及v/iii比值等參數(shù)，從而調(diào)整生長(zhǎng)模式。兩種生長(zhǎng)模式的生長(zhǎng)溫度關(guān)系如下：三維生長(zhǎng)＜二維生長(zhǎng)。兩種生長(zhǎng)模式的反應(yīng)室壓力關(guān)系如下：三維生長(zhǎng)反應(yīng)室壓力比二維生長(zhǎng)條件高200~300mbar。兩種生長(zhǎng)模式的生長(zhǎng)速率關(guān)如下：三維生長(zhǎng)＜二維生長(zhǎng)。

為使本發(fā)明之一種具有嵌入式納米柱結(jié)構(gòu)的氮化物層的制備方法更易于理解其實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)及其所具的實(shí)用性，下面便結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明若干具體實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。但以下關(guān)于實(shí)施例的描述及說(shuō)明對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制。

實(shí)施例1

一種具有嵌入式納米柱結(jié)構(gòu)的氮化物層的制備方法，制備工藝主要包含以下步驟：

（1）提供具有不同生長(zhǎng)速率的藍(lán)寶石襯底001。

如圖2所示，提供具有圖形的襯底001，該圖形為一系列凸起003，凸起的頂部004較佳為呈錐狀，各個(gè)凸起之間為平面區(qū)002（即c面）連接。在此實(shí)施例中可采用法離子刻蝕（icp）形成前述圖形。圖3顯示了圖形化襯底的掃描電子顯微鏡圖譜。

（2）對(duì)圖形襯底進(jìn)行預(yù)處理。

如圖4所示，將圖形化襯底001放入等金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（mocvd）室，使圖形藍(lán)寶石襯底轉(zhuǎn)速為60rpm，反應(yīng)室壓力為100torr，在h2、n2混合環(huán)境下加熱到800~1500℃，并保持5~15分鐘對(duì)表面進(jìn)行預(yù)處理。由于襯底圖形003尖端部分的晶面與平面部分002的晶面不同，所以n2/h2等氣體微觀上處理效果存在不同，襯底表面的極性與懸掛鍵也存在不同。

（3）生長(zhǎng)氮化鎵成核層101。

在圖形化襯底001進(jìn)行預(yù)處理后，襯底溫度降到510~540℃左右，控制反應(yīng)室壓力為600mbar，以n2為載氣，tmga源流量為50sccm,nh3流量為24l/min，生長(zhǎng)厚度為10~50nm的氮化物成核層101。成核層101主要分為在平面區(qū)002表面上的成核層101a和在凸起頂部004表面上的成核層101b，如圖5所示。

（4）采用三維生長(zhǎng)條件外延生長(zhǎng)氮化鎵層，作為第一氮化物層102。

在成核層101上采用三維生長(zhǎng)條件外延生長(zhǎng)氮鎵層。三維生長(zhǎng)條件參數(shù)為：反應(yīng)室壓力為500mbar，襯底溫度980~1040℃，三甲基鎵(tmga)和氨氣(nh3)分別為ga源和n源，載氣為h2，v/iii比為1200，生長(zhǎng)速率為2.3μm/h，厚度約為1.3μm。由于對(duì)襯底表面進(jìn)行過(guò)預(yù)處理后襯底尖端部分004和平面部分002的微觀極性與懸掛鍵的不同，所以在襯底圖形頂部形成成核層101b，在平面部分形成成核層101a，其中成核層101a與101b的極性、成核大小具有明顯區(qū)別：所述成核層101b后續(xù)利于低生長(zhǎng)速率的納米柱生長(zhǎng)，并且其橫向生長(zhǎng)速率較慢，成核層101a利于高長(zhǎng)速的gan外延層生長(zhǎng)，并且其橫向外延速率較快，因此在第一氮化物層102生長(zhǎng)結(jié)束后會(huì)在圖形襯底頂部形成納米柱結(jié)構(gòu)103，如圖6所示。

（5）采用二維生長(zhǎng)條件外延生長(zhǎng)u型氮化鎵層，作為第二氮化物層104。

采用二維生長(zhǎng)條件，在第一氮化鎵層102上繼續(xù)生長(zhǎng)第三氮化物層104，其在納米柱103上方合攏成一無(wú)裂縫平面，從而在氮化物底層形成嵌入式納米柱結(jié)構(gòu)105，如圖7所示。二維生長(zhǎng)條件參數(shù)為：反應(yīng)室壓力為200mbar，襯底溫度1040~1070℃，三甲基鎵(tmga)和氨氣(nh3)分別為ga源和n源，載氣為h2，v/iii比為1300，生長(zhǎng)速率為3.0μm/h，生長(zhǎng)厚度為2μm，形成嵌入式納米柱結(jié)構(gòu)105。

圖8和9顯示了氮化物底層中嵌入式結(jié)構(gòu)的截面掃描電子顯微鏡圖譜。

圖7顯示了采用前述方法獲得的一種具有嵌入式納米柱結(jié)構(gòu)氮化物底層的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可看出，其包括圖形化襯底001，成核層101a和101b，由第一氮化物層102、納米柱結(jié)構(gòu)105和第二氮化物層104構(gòu)成的氮化物層。其中，襯底001的圖形003高度約為2.0μm，直徑為0.5~8μm，每個(gè)凸起部間的間隙一般可取0.01~5μm，在本實(shí)施例中取0.3μm。納米柱的尺寸小于1μm，處于在各個(gè)襯底圖形頂端，較佳直徑取10~100nm，本實(shí)施例直徑約50nm。通過(guò)控制第一、第二氮化物層的厚度從而調(diào)整納米柱的大小，當(dāng)?shù)谝坏飳?02的厚度越厚，納米柱105越大，第一氮化物層102的厚度可取0.1~1.5μm，第二氮化物層的厚度為2μm以上為佳。第一、第二氮化物層的材料可取氮化家、氮化鋁，氮化鋁鎵、氮化銦鎵等。

請(qǐng)參看圖10，一種氮化物發(fā)光二極管芯片結(jié)構(gòu)，采用前述帶有納米柱結(jié)構(gòu)105的氮化物底層制備獲得，包括形成在氮化物底層100上的n型半導(dǎo)體層201、有源層202、p型半導(dǎo)體層203、n電極204及p電極205。

在本實(shí)施例中，結(jié)合圖形襯底，采用特殊的外延技術(shù)在圖形化襯底上形成具有納米柱結(jié)構(gòu)的底層，后續(xù)mocvd或者mbe外延生長(zhǎng)氮化鎵基發(fā)光二極管。以圖形化藍(lán)寶石襯底為例，產(chǎn)生的納米柱105深埋于氮化物材料內(nèi)部，并形成于藍(lán)寶石圖形襯底圖形頂端。因襯底圖形為周期性排布所以納米柱也呈現(xiàn)周期性分布，從而提高取光效率。

進(jìn)一步地，氮化物底層100繼承了圖形襯底具有的提升材料質(zhì)量這一優(yōu)點(diǎn)；產(chǎn)生的納米尺寸在亞微米量級(jí)，形成于材料體內(nèi)，防止納米柱尺寸太大對(duì)器件外觀和抗壓穩(wěn)定性的影響，并避免了后續(xù)器件工藝制備的復(fù)雜性。

實(shí)施例2

本實(shí)施例區(qū)別于實(shí)施例1在于：襯底的圖形為分布在表面上的一系列凹陷部。具體的，凹陷部為倒梯形結(jié)構(gòu)，具有傾斜的側(cè)壁，其中側(cè)壁的晶片生長(zhǎng)速度低于底部的晶面。在所述凹陷部的底部依次氮化物成核層，三維生長(zhǎng)第一氮化物層，二維生長(zhǎng)第二氮化物層。其中，所述凹陷部的間隙優(yōu)選0.01~5μm，深度大于或等于0.5μm，直徑為0.5~8μm。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。