[发明专利]一种纳米柱阵列化合物半导体器件的自组装制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米柱阵列化合物半导体器件的制备，具体涉及一种气相外延生长高质量氮化镓发光二极管及氮化镓激光器的方法。

背景技术

以氮化镓（GaN）为代表的宽禁带材料，是继Si和GaAs之后的第三代半导体材料，用来制作发光二极管、激光器、探测器、高频高功率晶体管等电子器件。

由于目前还不能得到高质量的商用大块GaN晶体，一般采用异质衬底来外延获得GaN薄膜。但是，GaN和蓝宝石衬底（或Si衬底）之间有较大的晶格失配度，导致外延层产生位错，这种位错会扩展并穿过整个外延层，限制了GaN器件性能的提高。为较少位错密度，改善半导体薄膜的质量，现已发展起来多种提高外延材料质量的改进方法，如低温缓冲层技术、插入层技术、横向外延技术(ELOG)等。

传统的两步法生长低温缓冲层技术是通入源反应物低温生长一薄层之后，进行高温退火，使得低温缓冲层变成低密度的晶核。传统的两步法生长低温缓冲层技术能够有效降低成核密度，其成核密度可以达到2.0×10⁸cm^-2。当成核岛合并时，位错会从合并的界面产生，并延伸至整个体材料。因此位错密度和成核密度有很大的关联性，其对应关系呈线性变化，两步法生长氮化镓外延薄膜的位错密度可以达到8×10⁹cm^-2。为了更低地降低成核密度以致位错密度，插入层和横向外延技术被引入外延生长。插入层技术在降低成核密度及位错密度方面起到很大的作用，但是成核密度降低的程度不够大，其外延层位错密度仍然很大。而横向外延技术在降低位错密度过程中也存在一些缺陷：窗口和掩膜尺寸属于微米级别，合并时间长，成本较高；窗口区和掩膜区外延层质量不一样，导致器件性能不均匀，难以大面积应用；工艺比较复杂。

由于体材料晶体质量较差，缺陷密度大，导致了氮化镓基LED的出光效率低等缺点。又由于C面蓝宝石生长的氮化镓晶体具有较强的极性，GaN极性面上的生长导致极性面上GaN器件压电效应明显，导致能带弯曲明显，极大地限制了电子和空穴的复合效率，器件性能受到很大的约束。另外，极性面上生长InGaN也限制了In的掺入，使得绿光到黄光段的器件效率较低，形成了绿光带隙。此外，氮化镓系材料折射率高于通常使用的衬底或芯片封装材料，这导致器件的光提取比较困难。以上这些问题的存在，使器件性能恶化，寿命缩短，发光效率降低，光提取效率低等，制约了氮化镓系材料的快速发展和应用。

综上所述，传统的制备半导体器件的方法都或多或少地存在以下问题：（1）缺陷密度较高，易形成非辐射复合中心，降低器件的内量子效率；（2）极性面上的半导体器件容易引入应力，导致能带弯曲，电子空穴在有缘区的复合效率极大地降低；（3）传统半导体器件的制作方法光在介质内部易形成全反射，导致光提取效率下降；（4）传统面发光器件的发光面积仅仅为器件的表面积大小，发光面积较小。

发明内容

本发明的目的在于克服上述传统已有方法的缺陷，解决传统方法生长半导体器件过程中产生的位错密度过大的问题。在较大程度地降低位错密度的基础上，制备纳米柱阵列半导体器件，使得器件的整体缺陷降低，提高器件的内量子效率。通过纳米柱阵列非极性面上的器件生长，避免由于极性面上压应力的产生，提高器件内部载流子的复合的效率。另外，纳米柱阵列的器件设计可以解决半导体器件发光面积太小的缺陷，提高光的利用率。并且，纳米柱阵列本身类似于表面粗糙或者光子晶体器件，对光的提取效率有很大的提升。

本发明通过以下方式实现：

（1）参考附图1，当导电衬底1的表面温度升高到500℃~600℃时，通入金属源反应物3～5分钟，金属源反应物在此温度下分解形成金属层2。导电衬底1的材料选自于硅、碳化硅、铜、镍、铬中的一种。所述金属源反应物应当具有下列特性：1、够在高温时分解成金属原子；2、金属的熔点较低（<700℃），沸点较高(>1700℃)；3、分解后的金属能够在导电衬底1表面扩散，形成金属球状颗粒。对MOCVD生长GaN来说，金属源反应物的金属选自于Ga、In、Al中的一种或多种。

（2）参考附图2，反应室继续升温，进行退火处理，使金属层2聚成均匀分散在导电衬底1表面的岛状颗粒3，此岛状颗粒3将作为自组装生长过程中的催化剂，在低V/III比和低温下纵向生长成柱状成核岛。金属的岛状颗粒3在导电衬底1的分布密度为1.0×10⁶cm^-2～3.0×10⁷cm^-2。