一种半导体器件制造技术

本公开涉及一种半导体器件。要解决的一个技术问题是提供用于改进半导体层的生长的图案化表面。该半导体器件包括衬底，所述衬底包括具有有助于在其上生长缓冲层的一组属性的图案化表面，其中图案化表面包括多个平坦的顶表面和具有多个底表面的多个开口，以及其中多个平坦的顶表面中的至少一个或者多个底表面中的至少一个被图案化用于具有对应于器件工作波长的辐射。本实用新型专利技术的一个方面的技术效果是，通过使用改进的图案化表面和构造用来在图案化表面上进行导波辐射的至少一个表面可以提高半导体器件的光学性质。

【技术实现步骤摘要】

本公开总体涉及一种半导体器件，并且更具体地，涉及一种具有用于层生长(比如III族氮化物层)和发射器件生长的图案化衬底设计的半导体器件。
技术介绍
半导体发射器件(比如发光二极管(LED)和激光二极管(LD))包括由III-V族半导体构成的固态发射器件。III-V族半导体的子集包括III族氮化物合金，其可以包括铟(In)、铝(Al)、镓(Ga)和氮(N)的二元、三元和四元合金。说明性的基于III族氮化物的LED和LD可以是InyAlxGa1-x-yN的形式，其中x和y表示给定元素的摩尔分数，0≤x，y≤1，并且0≤x+y≤1。其它说明性的基于III族氮化物的LED和LD是基于硼(B)的氮化物(BN)，并且可以是GazInyAlxB1-x-y-zN的形式，其中0≤x，y，z≤1，并且0≤x+y+z≤1。LED典型地由半导体层构成。在LED工作期间，在掺杂层两端施加的偏置导致电子和空穴注入有源层，在此电子-空穴复合导致生成光。光以均匀的角分布生成并且通过在所有方向穿过半导体层而从LED管芯选出。每个半导体层具有对不同元素的特定摩尔分数(比如，x，y和z)的组合，这影响层的光学性质。尤其是，层的折射率和吸收特性对半导体合金的摩尔分数很敏感。两层之间的界面被定义为半导体异质结。在界面处，假定由离散量改变摩尔分数的组合。其中摩尔分数的组合连续改变的层被认为是缓变的(graded)。半导体合金的摩尔分数的改变能够允许对带隙控制，但可能导致材料的光学性质的突变从而导致光俘获。层之间以及衬底及其周围之间的折射率的大改变导致较小的全内反射(TIR)角 (假定光从高折射率材料行进到低折射率材料)。小的TIR角导致从界面边界反射大部分的光线，由此导致光俘获及其后被层或LED金属接触吸收。界面处的粗糙度通过提供附加表面能够允许部分减轻光俘获，光通过这些附加表面能够逃逸而不是从界面发生全内反射。尽管如此，由于菲涅尔损耗(Fresnel losses)，即使光并不经受TIR，它也仅能够部分传输通过界面。菲涅尔损耗与所有入射光角在界面处部分反射的光有关。界面每一侧上的材料的光学性质确定了菲涅尔损耗的幅值，这可以是传输光的重要部分。界面处的粗糙度也允许部分减轻半导体层中应力场的积累。
技术实现思路
本技术的一个方面的目的是提供用于改进半导体层(比如，基于III族氮化物的半导体层)的生长的图案化表面。该图案化表面可以包括一组基本上平坦的顶表面和多个开口。每个基本上平坦的顶表面可以具有小于约0.5纳米的均方根粗糙度，并且开口可以具有在约0.1微米到5微米之间的特征尺寸。根据本技术的一个方面，提供了一种半导体器件，所述半导体器件包括衬底，所述衬底包括具有有助于在其上生长缓冲层的一组属性的图案化表面，其中图案化表面包括多个平坦的顶表面和具有多个底表面的多个开口，其中，所述多个平坦的顶表面中的每一个包括具有小于约0.5纳米的均方根粗糙度的一组区，其中，所述多个开口具有在约0.1微米和5微米之间的特征尺寸，并且其中，所述多个平坦的顶表面中的至少一个或者所述多个底表面中的至少一个具有光子晶体图案，所述光子晶体图案形成针对具有对应于器件工作波长的辐射的光子晶体。在一个实施例中，所述衬底由以下中的一种所形成：蓝宝石、硅、锗、碳化硅、III族氮化物或没食子酸锂。在一个实施例中，所述半导体器件还包括直接在所述衬底的所述 图案化表面上形成的III族氮化物层。在一个实施例中，所述光子晶体图案由形成多个区的一组沟槽形成，其中所述多个区中的每一个具有在辐射波长的+/-10％以内的特征尺寸。在一个实施例中，所述一组沟槽用填充剂材料至少部分填充。在一个实施例中，所述一组沟槽中的每一个包括以下中的至少一个：三角形截面；梯形截面；或圆角梯形截面。在一个实施例中，所述一组沟槽中的每一个沟槽完全横跨对应的所述多个平坦的顶表面中的至少一个或所述多个底表面中的至少一个。在一个实施例中，所述一组沟槽包括多个沟槽，其中所述多个沟槽中的至少两个以非直角的角度相互相交。在一个实施例中，所述光子晶体图案由多个孔形成。在一个实施例中，所述器件被构造来用作为以下中的一种：发光二极管，激光二极管或超发光的发光二极管，并且其中所述波长对应于在器件工作期间发射的辐射的峰值波长。根据本技术的另一方面，提供了一种半导体器件，所述半导体器件包括衬底，所述衬底具有图案化表面，所述图案化表面包括：多个突出区，所述多个突出区中的每一个具有平坦的顶表面；一组沟槽，所述一组沟槽形成在所述多个突出区中的每一个的所述平坦的顶表面中；和多个开口，所述多个开口位于所述多个突出区之间并隔开所述多个突出区。在一个实施例中，所述半导体器件还包括填充剂材料，所述填充剂材料至少部分填充在所述多个突出区中的每一个的所述平坦的顶表面中形成的所述一组沟槽。在一个实施例中，所述填充剂材料包括与所述多个突出区的所述平坦的顶表面对齐的高度。在一个实施例中，所述一组沟槽在所述多个突出区中的每一个的所述平坦的顶表面中形成多个子区，其中所述多个子区中的每一个具 有在辐射波长的+/-10％以内的特征尺寸。在一个实施例中，对于所述多个突出区中的每一个，所述一组沟槽占据所述平坦的顶表面的面积的5％与50％之间。在一个实施例中，所述一组沟槽包括大于或等于1纳米的深度。在一个实施例中，所述一组沟槽包括大于或等于1纳米的宽度。根据本技术的又另一方面，提供了一种半导体器件，所述半导体器件包括衬底，所述衬底包括具有有助于在其上生长缓冲层的一组属性的图案化表面，所述图案化表面包括：多个平坦的顶表面；多个孔，所述多个孔形成在所述多个平坦的顶表面中的每一个中；填充剂材料，所述填充剂材料至少部分填充所述多个孔中的每一个；和多个开口，所述多个开口位于所述多个平坦的顶表面之间并隔开所述多个平坦的顶表面，其中，所述多个平坦的顶表面和填充剂材料具有小于约0.5纳米的均方根粗糙度，以及其中，所述多个开口具有在约0.1微米与5微米之间的特征尺寸。在一个实施例中，所述多个孔包括圆形几何形状。在一个实施例中，所述多个孔形成针对具有对应于器件工作波长的辐射的光子晶体。本技术的一个方面的技术效果是，通过使用用于生长形成半导体器件的高质量半导体层的改进图案化表面以及构造来在该图案化表面上进行波导辐射的至少一个表面来提高半导体器件(比如半导体发射器件)的光学性质。本技术的说明性方面被设计来解决此处所述的一个或多个问题和/或未被讨论的一个或多个其它问题。附图说明本公开的这些和其它特点将从以下对本技术的各个方面的详细叙述结合描述本技术的各个方面的附图而容易得到理解。图1示出了根据实施例的说明性发射器件的示意性结构。图2示出了根据实施例的衬底的说明性图案化表面的线性扫描 图。图3示出了根据实施例的衬底的说明性图案化表面的二维扫描图。图4示出了根据实施例的衬底的说明性图案化表面的三维扫描图。图5示出了根据第二实施例的衬底的说明性图案化表面的侧视图。图6示出了根据第二实施例的衬底的说明性图案化表面的二维顶视图。图7示出了根据实施例的位于衬底与缓冲层之间的说明性界面的示意性表示。图8示出了根据实施例在图案化表面上生长3μm的层之后的说明性二维扫描图。图9示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体器件，所述半导体器件包括：衬底，所述衬底包括具有有助于在其上生长缓冲层的一组属性的图案化表面，其中所述图案化表面包括多个平坦的顶表面和具有多个底表面的多个开口，其中，所述多个平坦的顶表面中的每一个包括具有小于0.5纳米的均方根粗糙度的一组区，其中，所述多个开口具有在0.1微米与5微米之间的特征尺寸，以及其中，所述多个平坦的顶表面中的至少一个或者所述多个底表面中的至少一个具有光子晶体图案，所述光子晶体图案形成针对具有对应于器件工作波长的辐射的光子晶体。

【技术特征摘要】
2015.03.17 US 14/660,1251.一种半导体器件，所述半导体器件包括：衬底，所述衬底包括具有有助于在其上生长缓冲层的一组属性的图案化表面，其中所述图案化表面包括多个平坦的顶表面和具有多个底表面的多个开口，其中，所述多个平坦的顶表面中的每一个包括具有小于0.5纳米的均方根粗糙度的一组区，其中，所述多个开口具有在0.1微米与5微米之间的特征尺寸，以及其中，所述多个平坦的顶表面中的至少一个或者所述多个底表面中的至少一个具有光子晶体图案，所述光子晶体图案形成针对具有对应于器件工作波长的辐射的光子晶体。2.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述衬底由以下中的一种所形成：蓝宝石、硅、锗、碳化硅、III族氮化物或没食子酸锂。3.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述半导体器件还包括直接在所述衬底的所述图案化表面上形成的III族氮化物层。4.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述光子晶体图案由形成多个区的一组沟槽形成，其中所述多个区中的每一个具有在辐射波长的+/-10％以内的特征尺寸。5.如权利要求4所述的半导体器件，其特征在于：所述一组沟槽用填充剂材料至少部分填充。6.如权利要求4所述的半导体器件，其特征在于：所述一组沟槽 中的每一个包括以下中的至少一个：三角形截面；梯形截面；或圆角梯形截面。7.如权利要求4所述的半导体器件，其特征在于：所述一组沟槽中的每一个沟槽完全横跨对应的所述多个平坦的顶表面中的至少一个或所述多个底表面中的至少一个。8.如权利要求4所述的半导体器件，其特征在于：所述一组沟槽包括多个沟槽，其中所述多个沟槽中的至少两个以非直角的角度相互相交。9.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述光子晶体图案由多个孔形成。10.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述器件被构造来用作为以下中的一种：发光二极管，激光二极管或超发光的发光二极管，并且其中所述波长对应于在器件工作期间发射的辐射的峰值波长。11...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·S·沙塔拉维，R·杰因，杨锦伟，M·舒尔，R·格斯卡，
申请(专利权)人：传感器电子技术股份有限公司，
类型：新型
国别省市：美国;US