一种半导体外延结构的制作方法

本实用新型涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种半导体外延结构。

背景技术：

目前，由于LED具有高效、节能、环保、寿命长等优点，所以受到了人们的广泛关注。

一般地，LED发光为采用蓝光LED激发黄色或其他荧光粉技术的白光光源方案，其中蓝光LED主要采用InGaN/GaN量子阱进行激发，主要包括在模板上生长的n型电子注入层、InGaN/GaN量子阱有源区、p型空穴注入层及其他提高量子效率的优化结构，而模板的晶格质量将严重影响后续生长n型层、量子阱、p型层等所有后续外延层的晶格质量，而外延的晶格质量又是影响LED量子效率的最重要因素之一，因此提高模板的晶格质量一直是LED外延技术研发中的研究重点。

同时，在GaN材料的其他应用领域，包括电力电子器件、激光器、探测器等诸多应用，也对GaN材料的晶格质量有着比LED更高的要求。

因此，如何提高GaN材料的晶格质量、减少材料的位错密度，是本领域技术人员关注的重点。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种半导体外延结构，以解决现有技术GaN材料的晶格质量不足、材料的位错密度较大的问题。

本实用新型是这样实现的：

本实施新型实施例提供了一种半导体外延结构，所述半导体外延结构包括图形化衬底、AlN缓冲层、氮化物缓冲层以及氮化物合并层，所述图形化衬底、所述AlN缓冲层、所述氮化物缓冲层以及所述氮化物合并层逐层面连接，其中，所述图形化衬底包括周期性排布的多个正六边形结构，且所述多个正六边形结构按预设定参数排布，所述正六边形结构包括正六边形底面和与所述底面连接的锥体，且所述底面平行于衬底材料的c面，所述氮化物缓冲层沿每相邻两个正六边形结构的所述锥体之间的c面生长而成。

进一步地，所述正六边形结构包括六棱锥或六棱锥坑。

进一步地，所述预设定参数包括：

每个所述正六边形结构的平行对称边之间的间距包括0.1-9.95um，多个所述正六边形结构之间等间距设置，且每相邻两个正六边形结构的平行边间距包括0.05-10um，所述六棱锥的高度包括0.1-10um，所述六棱锥坑的高度包括0.1-10um。

进一步地，所述六棱锥坑包括直边六棱锥坑或弧边六棱锥坑，所述六棱锥包括直边六棱锥或弧边六棱锥。

进一步地，制作所述氮化物缓冲层的材料包括GaN、AlN、AlGaN、InGaN、AlInGaN中的至少一种。

进一步地，制作所述图形化衬底的材料包括与所述氮化物缓冲层材料的晶格失配大于25％的材料，所述正六边形结构的边与所述衬底材料的m面平行。

进一步地，制作所述图形化衬底的材料包括与所述氮化物缓冲层材料的晶格失配小于25％的材料，所述正六边形结构的边与所述衬底材料的a面平行。

进一步地，所述AlN缓冲层的厚度包括5-100nm，所述氮化物缓冲层的厚度包括0.1-10um。

进一步地，制作所述氮化物合并层的材料包括GaN、AlN、AlGaN、InGaN、AlInGaN中的至少一种，所述氮化物合并层的远离所述氮化物缓冲层的一面为一平面，且所述氮化物合并层的厚度包括1-10um。

进一步地，所述半导体外延结构还包括模板，所述模板与所述氮化物合并层的远离所述氮化物缓冲层的一面面连接，所述模板的厚度包括0-500um。

相对现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供了一种半导体外延结构，该半导体外延结构包括图形化衬底、AlN缓冲层、氮化物缓冲层以及氮化物合并层，图形化衬底、AlN缓冲层、氮化物缓冲层以及氮化物合并层逐层面连接，其中，图形化衬底包括周期性排布的多个正六边形结构，且多个正六边形结构按预设定参数排布，正六边形结构包括正六边形底面和与底面连接的锥体，且底面平行于衬底材料的c面，氮化物缓冲层沿每相邻两个正六边形结构的锥体之间的c面生长而成。一方面，由于本实用新型采用的上表面为c面的周期性正六边形结构的图形化衬底，且在衬底上平面AlN缓冲层处开始生长的氮化物的横向生长方向均为氮化物横向生长最快的a面，结合图形为周期性正六边形结构的条件，可以实现快速且同时在六边形的中心合拢，有利于提高氮化物缓冲层表面的平整度并降低其位错密度。第二方面，相比传统圆锥型图型衬底，采用正六边形结构的图形化衬底，在契合衬底材料与氮化物缓冲层材料晶向的同时，可以把图形间条形平面宽度控制到极小，大幅减少衬底上平行于c面的平面面积，由于位错一般从氮化物缓冲层生长界面处开始延伸，因此初始生长面积越小意味着材料的平均位错密度越低。即本申请能够通过将相邻正六边形结构之间的间距缩小的方式达到材料平均位错密度降低的效果。第三方面，本实用新型通过预设定参数可以使氮化物缓冲层仅从平行于c面的AlN缓冲层处开始沉积，而同时，采用正六边形结构，可生长氮化物的图形间的平面AlN缓冲层是全部连接在一起的，在合拢过程中不会出现独立生长氮化物的晶向扭转产生的大量刃位错。进一步的，在AlN缓冲层上生长的氮化物缓冲层，其横向生长速度与纵向生长之比较小的氮化物三维生长模式，可以在刚开始就将位错进行转弯，阻断其向上延伸，从而可大幅降低材料的位错密度。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1示出了本实用新型实施例所提供的正六边形结构为六棱锥的半导体外延结构的结构示意图。

图2示出了本实用新型实施例所提供的正六边形结构为六棱锥坑的半导体外延结构的结构示意图。

图3示出了本实用新型实施例所提供的图形化衬底的俯视图。

图4示出了本实用新型实施例所提供的氮化物缓冲层的截面示意图。

图5出了本实用新型实施例所提供的六棱锥的结构示意图。

图6示出了本实用新型实施例所提供的六棱锥坑的结构示意图。

图标：100-半导体外延结构；110-图形化衬底；120-AlN缓冲层；130-氮化物缓冲层；140-氮化物合并层；150-模板；160-生长空洞。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

下面结合附图，对本实用新型的一些实施方式做详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1与图2，本实用新型实施例提供了一种半导体外延结构100，该半导体外延结构100包括图形化衬底110、AlN缓冲层120、氮化物缓冲层130以及氮化物合并层140，图形化衬底110、AlN缓冲层120、氮化物缓冲层130以及氮化物合并层140逐层面连接。

请参阅图3与图4，具体地，在本实施例中，该图形化衬底110包括周期性排布的多个正六边形结构，且多个正六边形结构按预设定参数排布，正六边形结构包括正六边形底面和与所述底面连接的锥体，且底面平行于衬底材料的c面，即在本实施例中，衬底材料表面的平面即为c面，以使所述氮化物缓冲层130沿c面方向进行生长。需要说明的是，晶面是指在晶体学中，通过晶格中原子中心的平面，晶格的c面即指(0001)的晶面。以蓝宝石衬底为例，蓝宝石衬底的表面上的平面即为c面，且成型的衬底上包括一段平边，一般该方向即为蓝宝石的a面(11-20面)，同时，与a面与c面同时垂直的面为m面(10-10面)，因此正六边形图形的边垂直于平参考边即平行蓝宝石的m面，同时，根据晶体的六方结构特性，只要六边形的一个边平行于m面，那么其他5个边也是平行于m面的。

进一步地，请参阅图5与图6，正六边形结构包括六棱锥结构或六棱锥坑结构。且本实施例并不对正六边形结构的边进行限定，即正六棱锥坑结构包括直边六棱锥坑或弧边六棱锥坑，正六棱锥结构包括直边六棱锥或弧边六棱锥。

并且，在本实施例中，预设定参数指正六边形结构的平行对称边之间的间距包括0.1-9.95um，多个正六边形结构之间等间距设置，且每相邻两个正六边形结构的平行边间距包括0.05-10um，正六棱锥结构的高度包括0.1-10um，正六棱锥坑结构的高度包括0.1-10um。当然地，在其它的一些实施例中，预设定参数的数值还可为其它的数值，本实施例对此并不做任何限定。

进一步地，制作本实施例的图形化衬底110的材料包括多种，其中，由于本实施例提供的外延生长方法的特性，使得氮化物会沿AlN缓冲层的c面进行生长，并且，氮化物生长的速度最快的面为a面。为了生长出目标形状，并且实现位错的转弯，在本实施例中，垂直于正六边形所在的平面的生长速度需最快。并且，由于材料的不同特性决定了正六边形结构的边与衬底材料的不同面平行，当制作所述图形化衬底的材料为与所述氮化物缓冲层材料的晶格失配大于25％的材料时，正六边形结构的边与衬底材料的m面平行。例如，当衬底材料为蓝宝石时，正六边形结构的边与衬底材料的m面平行。当制作所述图形化衬底的材料包括与所述氮化物缓冲层材料的晶格失配小于25％的材料时，正六边形结构的边与衬底材料的a面平行，例如，当衬底材料为碳化硅或氧化锌时，正六边形结构的边与碳化硅或氧化锌的a面平行。当然地，在其它的一些实施例中，制作图形化衬底的材料也可为其它材料，本实施例对此并不做任何限定。

并且，还需要说明的是，当正六边形结构为六棱锥坑时，由于氮化物缓冲层沿AlN缓冲层的c面进行生长，因此会在AlN缓冲层与氮化物缓冲层之间形成生长空洞160。

进一步地，本实施例提供制作氮化物缓冲层130的材料包括GaN、AlN、AlGaN、InGaN、AlInGaN中的至少一种。即氮化物缓冲层130包括单种材质的氮化物材料，或包括多种氮化物的复合结构。

下面以图形化衬底110为蓝宝石衬底，氮化物缓冲层为GaN缓冲层进行说明：

一般c面蓝宝石衬底的平参考边为蓝宝石的a面，因此正六边形图形的边垂直于平参考边即平行蓝宝石的m面，同时，蓝宝石是为六方结构的晶体，根据蓝宝石在c面上的六轴对称性，正六边形的其他5个边也是平行蓝宝石的m面。因此在衬底上平面AlN缓冲层处开始生长的GaN的横向生长方向均为GaN横向生长最快的a面，结合图形为正六边形且相邻六边形间距相同的条件，可以实现快速且同时在六边形的中心合拢，有利于提高GaN表面的平整度并降低其位错密度。

进一步地，为促进蓝宝石衬底上的GaN实现台阶流生长，蓝宝石衬底的表面与c面会有一定的夹角，本实施例提供的夹角范围为0～5°。

同时，通过设定预设定参数，使本是实施例提供的两个相邻正六边形结构之间的间距达到较小且较佳的值，由于氮化物缓冲层的位错一般从氮化物生长界面处开始延伸，因此相邻两个正六边形的相邻平行边间距越小，平行于c面的蓝宝石面积占比越小，初始生长面积越小意味着材料最后的平均位错密度越低，即本实施例提供的半导体外延结构100的平均位错密度更小。同时，采用六棱锥形图形，可生长氮化物的图形间的平面AlN缓冲层120是全部连接在一起的，在合拢过程中不会出现独立生长氮化物的晶向扭转产生的大量刃位错。

进一步地，本实施例采用直流磁控反应溅射设备，在蓝宝石图形化衬底110上溅射AlN缓冲层，溅射覆盖图形化衬底110整个上表面，不能有蓝宝石裸露，其中图形间平面处缓冲层厚度为5～100nm。

由于采用在AlN缓冲层上生长的GaN缓冲层，其横向生长速度与纵向生长之比较小的GaN三维生长模式，可以在刚开始就将位错进行转弯，阻断其向上延伸，从而可大幅降低材料的位错密度。

还需要说明的是，在制作过程中，氮化物缓冲层和氮化物合并层采用MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)外延生长设备，氮化物缓冲层的生长条件为：生长温度850～1000℃，生长压力900～400mbar，NH3/TmGa流量比为10～300。而氮化物合并层140的生长条件为生长温度900～1100℃，生长压力450～100mbar，NH3/TmGa流量比为50～500，即通过不同的生长条件生长出GaN缓冲层与氮化物合并层140。

进一步地，在本实施例中，半导体外延结构100还包括模板150，其中，采用MOCVD、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy，氢化物气相外延)、MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束外延)等外延生长方法在氮化物合并层140上生长模板150，且模板150厚度为0～500um。

综上所述，本实用新型提供了一种半导体外延结构，该半导体外延结构包括图形化衬底、AlN缓冲层、氮化物缓冲层以及氮化物合并层，图形化衬底、AlN缓冲层、氮化物缓冲层以及氮化物合并层逐层面连接，其中，图形化衬底包括周期性排布的多个正六边形结构，且多个正六边形结构按预设定参数排布，正六边形结构包括正六边形底面和与底面连接的锥体，且底面平行于衬底材料的c面，氮化物缓冲层沿每相邻两个正六边形结构的锥体之间的c面生长而成。一方面，由于本实用新型采用的上表面为c面的周期性正六边形结构的图形化衬底，且在衬底上平面AlN缓冲层处开始生长的氮化物的横向生长方向均为氮化物横向生长最快的a面，结合图形为周期性正六边形结构的条件，可以实现快速且同时在六边形的中心合拢，有利于提高氮化物缓冲层表面的平整度并降低其位错密度。第二方面，相比传统圆锥型图型衬底，采用正六边形结构的图形化衬底，在契合衬底材料与氮化物缓冲层材料晶向的同时，可以把图形间条形平面宽度控制到极小，大幅减少衬底上平行于c面的平面面积，由于位错一般从氮化物缓冲层生长界面处开始延伸，因此初始生长面积越小意味着材料的平均位错密度越低。即本申请能够通过将相邻正六边形结构之间的间距缩小的方式达到材料平均位错密度降低的效果。第三方面，本实用新型通过预设定参数可以使氮化物缓冲层仅从平行于c面的AlN缓冲层处开始沉积，而同时，采用正六边形结构，可生长氮化物的图形间的平面AlN缓冲层是全部连接在一起的，在合拢过程中不会出现独立生长氮化物的晶向扭转产生的大量刃位错。进一步的，在AlN缓冲层上生长的氮化物缓冲层，其横向生长速度与纵向生长之比较小的氮化物三维生长模式，可以在刚开始就将位错进行转弯，阻断其向上延伸，从而可大幅降低材料的位错密度。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。