本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)及器件領(lǐng)域，特別是一種半導(dǎo)體的極性控制結(jié)構(gòu)及制作方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)今，21世紀(jì)半導(dǎo)體行業(yè)取得了快速的方法，半導(dǎo)體發(fā)光二極管（led），特別是氮化物發(fā)光二極管因其較高的發(fā)光效率，在普通照明領(lǐng)域已取得廣泛的應(yīng)用。氮化物半導(dǎo)體具有兩種極性面，一種為氮極性的非金屬極性面，一種為ga-或al-等金屬極性面，該極性面由襯底或緩沖層的表面極性所決定。為了獲得更好的金屬接觸和表面平整度，一般希望最終半導(dǎo)體的表面為金屬極性。為了獲得恒定金屬極性的半導(dǎo)體表面，我們采用了一種半導(dǎo)體的極性控制結(jié)構(gòu)和方法，通過在半導(dǎo)體層的界面接入一層極性控制層，以阻擋襯底或緩沖層的極性延伸和傳遞，使生長(zhǎng)完的半導(dǎo)體表面的極性保持恒定的金屬極性面。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：提供一種半導(dǎo)體的極性控制結(jié)構(gòu)及制作方法，通過在緩沖層和第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層間插入一層極性控制層，以阻斷襯底或緩沖層的極性傳遞，使生長(zhǎng)完的半導(dǎo)體表面具有恒定的金屬極性。不論襯底或緩沖層的表面為金屬極性或非金屬極性，最終外延完的半導(dǎo)體表面為恒定的金屬極性面。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，一種半導(dǎo)體的極性控制結(jié)構(gòu)，從下至上包括襯底，緩沖層，第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層，有源層以及第二導(dǎo)電型的第四半導(dǎo)體層；于所述第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層內(nèi)部插入一極性控制層，以調(diào)控最終半導(dǎo)體的表面或界面極性。

進(jìn)一步地，所述極性控制層至少為一層，進(jìn)行多層堆疊極性控制層重復(fù)單元，以隔斷襯底或緩沖層的極性傳導(dǎo)與延伸，使生長(zhǎng)完半導(dǎo)體的表面具有恒定的金屬極性。

進(jìn)一步地，所述極性控制層的厚度超過極性傳導(dǎo)臨界厚度，以阻斷襯底或緩沖層的極性向上傳導(dǎo)或延伸。

進(jìn)一步地，所述極性控制層包括金屬催化劑以及半導(dǎo)體納米柱。

進(jìn)一步地，所述極性控制層包括：于第一半導(dǎo)體納米柱的底部、頂端分別形成第一金屬催化劑、第二金屬催化劑，以及于第二半導(dǎo)體納米柱的底部、頂端分別形成第三金屬催化劑、第四金屬催化劑。

進(jìn)一步地，所述第一半導(dǎo)體、第二半導(dǎo)體、第三半導(dǎo)體、第四半導(dǎo)體的材料為iii-v族化合物半導(dǎo)體或ii-vi族化合物半導(dǎo)體或si基或sic或ge等半導(dǎo)體材料。

進(jìn)一步地，所述第一金屬催化劑、第三金屬催化劑處于過飽和狀態(tài)，表面積分別大于第一半導(dǎo)體納米柱、第二半導(dǎo)體納米柱的表面，使催化生長(zhǎng)完第一半導(dǎo)體納米柱、第二半導(dǎo)體納米柱后的底部分別形成第一金屬催化劑、第三金屬催化劑，第一半導(dǎo)體納米柱、第二半導(dǎo)體納米柱的頂端分別形成第二金屬催化劑、第四金屬催化劑。

進(jìn)一步地，所述金屬催化劑材料為ag、al、au、zn等金屬催化劑。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，一種半導(dǎo)體的極性結(jié)構(gòu)的制作方法，包含以下步驟：

步驟（1）：在襯底上沉積緩沖層，然后，在緩沖層的表面上沉積第一金屬催化劑，其厚度至少大于50個(gè)原子層，超過極性傳導(dǎo)臨界厚度，以阻斷緩沖層和襯底的極性傳遞；第一金屬催化劑催化生長(zhǎng)第一半導(dǎo)體納米柱，第一金屬催化劑處于過飽和狀態(tài)，表面積大于第一半導(dǎo)體納米柱的表面積，第一金屬催化劑保留在第一半導(dǎo)體納米柱的底部，于第一半導(dǎo)體納米柱的頂端第二金屬納米催化劑；由于第一金屬催化劑保留在第一半導(dǎo)體納米柱的底部起到極性阻斷作用，使生長(zhǎng)后的第一半導(dǎo)體納米柱的極性不受襯底或緩沖層的極性影響，其起始極性為非金屬極性或金屬極性，終止極性始終為金屬極性；然后，在第一半導(dǎo)體納米柱的第二金屬催化劑上方形成掩膜層；

步驟（2）：去除在第一半導(dǎo)體納米柱間隙位置的掩膜層，沉積第三金屬催化劑，其厚度至少大于50個(gè)原子層，超過極性傳導(dǎo)臨界厚度，阻斷緩沖層和襯底的極性傳遞與延伸；

步驟（3）：在第三金屬催化劑催化作用下生長(zhǎng)第二半導(dǎo)體納米柱，第三金屬催化劑處于過飽和狀態(tài)，表面積大于第二半導(dǎo)體納米柱的表面積，第三金屬催化劑保留在第二半導(dǎo)體納米柱的底部，于第二半導(dǎo)體納米柱的頂端形成第四金屬催化劑；由于第三金屬催化劑保留在第二半導(dǎo)體納米柱的底部起到極性阻斷作用，使生長(zhǎng)后的第二半導(dǎo)體納米柱的極性不受襯底或緩沖層的極性影響，其起始極性為非金屬極性或金屬極性，終止極性始終為金屬極性；

步驟（4）：去除掩膜層，形成第一金屬催化劑/第一半導(dǎo)體納米柱/第二金屬催化劑和第二金屬催化劑/第二半導(dǎo)體納米柱/第四金屬催化劑交替組合的多列柱狀表面的極性控制層；

步驟（5）：去除分別位于第一半導(dǎo)體納米柱、第二半導(dǎo)體納米柱頂端的第二金屬催化劑、第四金屬催化劑，形成平整的金屬極性的半導(dǎo)體表面，然后，在該金屬極性表面上外延生長(zhǎng)第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層，有源層，電子阻擋層和第二導(dǎo)電型的第四半導(dǎo)體層，最終的半導(dǎo)體層表面均為金屬極性。

進(jìn)一步地，所述緩沖層與第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層的界面為金屬極性或非金屬極性，所述第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層與有源層的界面恒定為金屬極性。

進(jìn)一步地，所述金屬催化劑材料為ag或al或au或zn金屬催化劑。

進(jìn)一步地，所述掩膜層材料為sio2、sinx等氧化物或氮化物。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)的緩沖層為ga-極性（金屬極性面）生長(zhǎng)完的半導(dǎo)體表面具有g(shù)a-極性（金屬極性）的示意圖。

圖2為傳統(tǒng)的緩沖層為n-極性（非金屬極性面）生長(zhǎng)完的半導(dǎo)體表面具有n-極性（非金屬極性）的示意圖。

圖3為本發(fā)明的一種半導(dǎo)體的極性控制結(jié)構(gòu)及制作方法：緩沖層為n-極性（非金屬極性）面，生長(zhǎng)完的半導(dǎo)體表面保持恒定的ga-極性（金屬極性）示意圖。

圖4為本發(fā)明的一種半導(dǎo)體的極性控制結(jié)構(gòu)及制作方法：緩沖層為ga-極性（金屬極性）面，生長(zhǎng)完的半導(dǎo)體表面保持恒定的ga-極性（金屬極性）示意圖。

圖5為本發(fā)明的半導(dǎo)體的極性控制結(jié)構(gòu)及制作極性控制層的步驟1示意圖。

圖6為本發(fā)明的半導(dǎo)體的極性控制結(jié)構(gòu)及制作極性控制層的步驟2示意圖。

圖7為本發(fā)明的半導(dǎo)體的極性控制結(jié)構(gòu)及制作極性控制層的步驟3示意圖。

圖8為本發(fā)明的半導(dǎo)體的極性控制結(jié)構(gòu)及制作極性控制層的步驟4示意圖。

圖9、10為本發(fā)明的半導(dǎo)體的極性控制結(jié)構(gòu)及制作極性控制層的步驟5示意圖。

圖11、12為本發(fā)明的半導(dǎo)體的極性控制結(jié)構(gòu)及制作多層堆疊的極性控制層的示意圖。

圖示說明：100：襯底；101：緩沖層；102：第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層；102a：緩沖層與第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層的界面；102b：第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層與有源層的界面；103：有源層；104：電子阻擋層；105：第二導(dǎo)電型的第四半導(dǎo)體層；106：極性控制層；106a：第一金屬催化劑；106b：第一半導(dǎo)體納米柱；106c：第二金屬催化劑；106d：掩膜層；106e：第三金屬催化劑；106f：第二半導(dǎo)體納米柱；106g：第四金屬催化劑。

具體實(shí)施方式

氮化物半導(dǎo)體具有兩種極性面，一種為氮極性的非金屬極性面，一種為ga-或al-等金屬極性面，該極性面由襯底或緩沖層的表面極性所決定。傳統(tǒng)的氮化物半導(dǎo)體，當(dāng)緩沖層的表面為ga-金屬極性時(shí)，外延生長(zhǎng)后的半導(dǎo)體表面為ga-金屬極性，如圖1所示；而當(dāng)緩沖層表面為n-非金屬極性時(shí)，外延生長(zhǎng)后的半導(dǎo)體表面為n-非金屬極性，如圖2所示。為了獲得更好的金屬接觸和表面平整度，一般希望最終半導(dǎo)體的表面為金屬極性。為了獲得恒定金屬極性的半導(dǎo)體表面，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體的極性控制結(jié)構(gòu)和方法，通過在半導(dǎo)體層的界面接入一極性控制層，以阻擋襯底或緩沖層的極性延伸和傳遞，使生長(zhǎng)完的半導(dǎo)體表面的極性保持恒定的金屬極性面。如圖3所示，在第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層的內(nèi)部插入一極性控制層106，形成n-非金屬極性/金屬催化劑/n-非金屬極性的界面，阻斷n-非金屬極性緩沖層的極性傳遞，使得生長(zhǎng)完的表面具有恒定的ga-金屬極性面；如圖4所示，在第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層的內(nèi)部插入一極性控制層106，形成ga-金屬極性/金屬催化劑/ga-金屬極性的界面，使得生長(zhǎng)完的表面具有恒定的ga-金屬極性面。通過插入極性控制層，阻斷緩沖層或襯底的極性傳遞，從而使得半導(dǎo)體的表面具有恒定的金屬極性。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供的一種半導(dǎo)體的極性控制結(jié)構(gòu)的制作方法，以gan材料的ga-極性（金屬極性）和n-極性（非金屬極性）的控制為例，所述緩沖層101和第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體102的界面102a為非金屬極性（n-極性），如圖2所示，采用傳統(tǒng)的外延方法生長(zhǎng)完的第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體的界面102b為非金屬極性（n-極性）。采用本實(shí)施例的極性控制層106，如圖3所示，通過極性控制層使非極性（n-極性）界面102a上生長(zhǎng)的界面102b轉(zhuǎn)換為金屬極性（ga-極性），包含以下步驟：

步驟（1）：如圖5所示，在襯底100上沉積緩沖層101，接著沉積下半部分第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體102，所述的gan材料的緩沖層101和第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體102的界面102a為非金屬極性（-n極性）表面。在界面102a上沉積第一金屬催化劑106a，催化劑為ag，厚度超過極性傳導(dǎo)臨界厚度，阻斷緩沖層和襯底的極性傳遞，一般至少大于50個(gè)原子層；第一金屬催化劑106a催化生長(zhǎng)第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體納米柱（gan納米柱）106b，起始極性為非金屬極性（n-極性），終止極為金屬極性（ga-極性）；第一金屬催化劑106a處于過飽和狀態(tài)，表面積大于第一半導(dǎo)體納米柱的表面積，第一金屬催化劑保留在第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體納米柱（gan納米柱頂端）底部，于第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體納米柱的頂端形成第二金屬催化劑106c，催化劑可以選用ag、al、au、zn等，本實(shí)施例優(yōu)選ag；然后，在第一半導(dǎo)體納米柱的第二金屬催化劑106c上方鍍掩膜層106d。

步驟（2）：如圖6所示，去除在第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體納米柱（gan納米柱）間隙位置的掩膜層106d，沉積第三金屬催化劑106e，催化劑為ag，厚度超過極性傳導(dǎo)臨界厚度，阻斷緩沖層和襯底的極性傳遞，一般至少大于50個(gè)原子層。

步驟（3）：如圖7所示，在第三金屬催化劑106e催化作用下生長(zhǎng)第一導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體納米柱（gan納米柱）106f，起始極性為非金屬極性（n-極性），終止極性為金屬極性（ga-極性）；第三金屬催化劑處于過飽和狀態(tài)，表面積大于第一導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體納米柱的表面積，第三金屬催化劑保留在第二半導(dǎo)體納米柱（gan納米柱）的底部，于第二半導(dǎo)體納米柱的頂端形成第四金屬催化劑106g。

步驟（4）：如圖8所示，去除掩膜層106d，形成第一金屬催化劑/第一半導(dǎo)體納米柱/第二金屬催化劑和第二金屬催化劑/第二半導(dǎo)體納米柱/第四金屬催化劑交替組合的多列柱狀表面的極性控制層。

步驟（5）：如圖9所示，去除分別位于第一半導(dǎo)體納米柱、第二半導(dǎo)體納米柱（gan納米柱）頂端的第二金屬催化劑106c、第四金屬催化劑106g，形成平整的金屬極性（ga-極性）的半導(dǎo)體表面（gan表面），然后，在該金屬極性表面（ga-極性）上外延生長(zhǎng)上半部分第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層102、有源層103，使第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層和有源層的界面102b為非金屬極性（n-極性），如圖10所示，接著依次生長(zhǎng)電子阻擋層104和第二導(dǎo)電型的第四半導(dǎo)體層105，最終的外延層表面均為金屬極性（ga-極性），如圖3所示。

如圖11所示，根據(jù)極性控制要求，可按需重復(fù)步驟（1）~（4），多層堆疊極性控制層重復(fù)單元，形成致密極性控制層，以更好地阻斷襯底或緩沖層的極性上傳，使第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體和有源層的界面102b為金屬極性（ga-極性），如圖12所示，保證生長(zhǎng)完的半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)完全的金屬極性，如圖3所示。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供的一種半導(dǎo)體的極性控制結(jié)構(gòu)的制作方法，以gan材料的ga-極性（金屬極性）和n-極性（非金屬極性）的控制為例，所述緩沖層101和第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層102的界面102a為金屬極性（ga-極性），采用傳統(tǒng)方式外延生長(zhǎng)的表面為金屬極性（ga-極性），如圖1所示；采用極性控制層進(jìn)行極性阻斷，生長(zhǎng)完的外延層的表面仍然保持為金屬極性（ga-極性），如圖4所示，其外延生長(zhǎng)的步驟與實(shí)施例1相同。通過極性控制層對(duì)緩沖層或襯底的極性進(jìn)行阻斷，阻止極性向上傳輸，第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層和有源層的界面102b的極性由極性控制層控制為金屬極性（ga-極性），生長(zhǎng)完的表面為金屬極性（ga-極性）。

以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非用于限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)本發(fā)明做出各種修飾和變動(dòng)，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)視權(quán)利要求書范圍限定。