氮化鎵作為第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心材料，其產(chǎn)業(yè)鏈包括襯底、外延片、器件制造等環(huán)節(jié)，目前主流氮化鎵生產(chǎn)廠家依舊集中在美、歐、日等國，雖然我國企業(yè)尚未進(jìn)入供給端第1梯隊，但國內(nèi)相關(guān)企業(yè)在氮化鎵的應(yīng)用上已經(jīng)開展了深度布局。 

氮化鎵基LED由于其高效的發(fā)光效率，目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在背光、照明、景觀等各個光源領(lǐng)域。從技術(shù)角度看，進(jìn)一步提高LED芯片的發(fā)光效率仍然是當(dāng)前行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。發(fā)光效率主要有兩個效率決定：第1個是電子空穴在有源區(qū)的輻射復(fù)合效率，即通常說的內(nèi)量子效率；第2個是光的提取效率。

現(xiàn)有成熟的藍(lán)光 LED 材料的主流技術(shù)是制作在藍(lán)寶石襯底上。通常采用干蝕刻或濕蝕刻的方式形成圖形化藍(lán)寶石襯底，其中干蝕刻是由物理轟擊形成圖形，制作過程中圖形側(cè)壁會受到損傷，后續(xù)外延材在側(cè)壁形成缺陷中心（如上圖所示），其一方面會增加材料中的缺陷密度，降低內(nèi)量子效率；另一方面，側(cè)壁處缺陷晶體存在吸收中心，會吸收器件發(fā)出的光，降低光的提取效率。

為了解決上述問題，三安光電申請了一項名為“氮化物半導(dǎo)體元件及其制作方法”的發(fā)明專利（申請?zhí)枺篜CT/CN2018/078653），申請人為廈門三安光電有限公司。本發(fā)明提供了一種改善藍(lán)寶石圖形側(cè)壁缺陷的氮化物半導(dǎo)體元件及其制作方法。

上圖顯示了一種改善藍(lán)寶石圖形襯底側(cè)壁處的外延缺陷的半導(dǎo)體元件的制作方法，主要包括步驟S100至S300。

首先，針對提供的藍(lán)寶石襯底100（左圖是藍(lán)寶石襯底示意圖），采用物理刻蝕方法在襯底的上表面形成一系列的凹陷或凸起的圖形110，120位該圖形側(cè)壁。

接著，將前述經(jīng)干法蝕刻處理的藍(lán)寶石襯底100放入物理氣相沉積設(shè)備中，通入氮?dú)狻鍤狻⒀鯕獾葰怏w，打開直流脈沖電源之后，開始生長AlxGa（1-x）N薄膜。然后再關(guān)閉直流電源并打開射頻電源，對圖形側(cè)壁生長的質(zhì)量較差的AlxGa（1-x）N膜進(jìn)行沖擊，如圖4所示。不斷重復(fù)這一沖擊過程，最終可獲得3-100nm的沉積 AlxGa（1-x）N層。AlxGa（1-x）N層生長時采用多次等離子體刻蝕處理，側(cè)壁有缺陷的AlxGa（1-x）N已經(jīng)基本被去除。

最后將生長AlxGa（1-x）N層后的圖形藍(lán)寶石襯底放入MOCVD（金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉淀）系統(tǒng)中，沉積氮化鎵基半導(dǎo)體疊層。經(jīng)過一系列的升溫、通氣、退火、降溫、升溫操作之后，可以得到構(gòu)成氮化物發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)。

上圖是采用上述方法形成的LED外延結(jié)構(gòu)的TEM照片，與圖1所示的常規(guī)外延結(jié)構(gòu)的TEM圖片對比，可以看到該方法有效改善了藍(lán)寶石圖形側(cè)壁缺陷。

三安光電提出的上述制作方法形成的LED結(jié)構(gòu)中，有效去除圖形襯底側(cè)壁處的晶體缺陷，顯著提高了LED中量子阱的發(fā)光效率；同時得益于徹底消除側(cè)壁處的缺陷晶體，極大降低了缺陷處的光吸收現(xiàn)象，提高了LED芯片的出光效率。通過使用本結(jié)構(gòu)，LED芯片亮度可提升3~5％。

隨著第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，三安光電更加注重新材料的研發(fā)與應(yīng)用，并著重于砷化鎵、氮化鎵、碳化硅等半導(dǎo)體新材料為核心主業(yè)。針對氮化鎵的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國內(nèi)諸如三安光電等多家公司都已經(jīng)開始了深度布局，有望逐步實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代。