[發明專利]半導體器件及其制造方法

有效

• 申請號: 201210032437.4
• 申請日: 2012-02-14
• 公開（公告）號: CN102637794A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發明（設計）人: 李商文;尹義埈;樸珍燮;樸成鉉
• 申請（專利權）人: 三星電子株式會社;首爾大學校產學協力團
• 主分類號: H01L33/04
• 分類號: H01L33/04;H01L33/20;H01L33/12;H01L33/00
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 張波

技術領域

本公開涉及通過利用非極性面(non-polar?face)形成以改善光取出效率的半導體器件及制造該半導體器件的方法。

背景技術

以異質結半導體薄層結構生長的半導體材料可用于通過調整半導體的晶格常數或帶隙來形成光或電器件并因此在工業領域中有用。作為其示例，氮化物半導體是熱和化學穩定的并具有直接躍遷型寬帶隙。因此，氮化物半導體材料廣泛用于形成電子器件諸如異質結雙極晶體管(HBT)、高電子遷移率晶體管(HEMT)、金屬半導體場效應晶體管(MESFET)等及形成發光器件諸如產生短波長波段的光的激光二極管(LD)、發光二極管(LED)等。特別地，產生具有短波長的藍光或綠光的基于氮化物半導體材料的LED是允許實現各種自然色的高輸出光學器件，且因而在相關技術領域受到極大矚目。

目前，在c面(c-face)藍寶石襯底上沿極性(0001)c面朝方向形成氮化物薄層是通常使用的技術。然而，由于內部電場，在沿極性(0001)c面朝方向的氮化物薄層中產生量子限制斯塔克效應(QCSE)。因此，當形成氮化物薄層時，內部量子效率上存在限制。為了解決該問題，提出了生長非極性氮化物光學元件以最大化量子效率。

公知利用異質襯底諸如藍寶石襯底或SiC襯底的非極性GaN外延層具有約10¹⁰/cm²的線位錯(TD)密度及非常高的10⁵/cm²的基面堆垛層錯(BSF，basal?stacking?faults)密度。缺陷密度是當GaN沿極性c面方向生長時的外延層的缺陷密度的幾十到幾百倍。這些缺陷作為非發射部分并導致量子效率下降。

為了減少缺陷密度，已經進行了使用厚藍寶石襯底或使用外延橫向過生長(ELO)或中間層插入的研究。然而，由于工藝復雜性導致的成本和時間的增加，難以將所述研究應用到工業制造。因此，需要開發一種通過使用簡化的工藝形成高質量非極性GaN外延層的方法。

發明內容

提供了半導體器件及其制造方法，當外延生長與襯底具有不同晶格常數或熱膨脹系數的異質非極性氮化物半導體材料時，由異質非極性氮化物半導體材料形成的薄層的表面維持平坦，所述薄層的缺陷密度降低，且同時防止襯底和薄層由于應力而彎曲并且提高了光取出效率。

額外的方面將部分地在下面的描述中闡明，并且部分地將從描述中變得顯然，或者可通過實踐給出的實施例而習得。

根據本發明的一方面，一種半導體器件包括：第一非平坦、非極性氮化物半導體層，具有三維(3D)表面形式并由非極性氮化物半導體形成；第一結構層，形成在所述第一非平坦、非極性氮化物半導體層的表面的至少一部分上并包括多個固體顆粒；及第一非極性氮化物半導體層，形成在所述第一非平坦、非極性氮化物半導體層和所述第一結構層上。

多個凹陷部分可形成在所述第一非平坦、非極性氮化物半導體層的所述表面上，并且第一結構層的多個固體顆粒可設置在多個凹陷部分中。

半導體器件還可包括：第二非平坦、非極性氮化物半導體層，形成在第一非極性氮化物半導體層上，具有3D表面形式并由非極性氮化物半導體形成；第二結構層，形成在第二非平坦、非極性氮化物半導體層的表面的至少一部分上并包括多個固體顆粒；及第二非極性氮化物半導體層，形成在第二非平坦、非極性氮化物半導體層和第二結構層上。

多個凹陷部分可形成在第二非平坦、非極性氮化物半導體層的所述表面上，并且第二結構層的多個固體顆粒可設置在多個凹陷部分中。

形成在第一非平坦、非極性氮化物半導體層的表面上的多個凹陷部分和形成在第二非平坦、非極性氮化物半導體層的表面上的多個凹陷部分相對于彼此可不對準。

第一結構層的多個固體顆粒和第二結構層的多個固體顆粒可具有不同尺寸或形狀。

每個固體顆粒可包括選自硅石(SiO₂)、氧化鋁(Al₂O₃)、二氧化鈦(TiO₂)、氧化鋯(ZrO₂)、氧化釔(Y₂O₃)-ZrO₂、銅氧化物(CuO、Cu₂O)、和氧化鉭(Ta₂O₅)構成的組中的至少一種。

第一結構層的每個固體顆粒可具有球形或多面體形狀。每個固體顆粒的折射率可不同于第一非極性氮化物半導體層的折射率。