CN102005514A

CN102005514A - 采用纳米压印技术的ⅲ族氮化物半导体发光装置

Info

Publication number: CN102005514A
Application number: CN2009101948015A
Authority: CN
Inventors: 胡建正; 武乐可; 李忠武; 郭茂峰
Original assignee: SHANGHAI LANBAO PHOTOELECTRIC MATERIALS CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI LANBAO PHOTOELECTRIC MATERIALS CO Ltd
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2011-04-06

Abstract

本发明涉及一种采用纳米压印技术的III族氮化物半导体发光装置。本发明通过采用纳米压印技术制作的绝缘膜图形阵列进行氮化物的选择外延生长，获得了具有较高的外部量子效率、内量子效率以及可靠性的III族氮化物半导体发光装置比如GaN系LED或LD。

Description

采用纳米压印技术的Ⅲ族氮化物半导体发光装置

技术领域

本发明涉及一种III族氮化物半导体发光装置，特别是涉及一种采用纳米压印技术的III族氮化物半导体发光装置。

背景技术

最近几年，各国都在努力推进半导体照明产业，即用更加可靠和节能的半导体光源——发光二极管(LED)——取代传统的白炽灯和荧光灯光源。

基于LED的半导体光源取代传统光源的主要障碍包括流明效率(流明/瓦，lm/W)与寿命，特别是蓝绿光波段的III族氮化物LED的流明效率和寿命。目前，大部分商业化的III族氮化物LED仅具有60-80lm/W的流明效率，1-3万小时的寿命。因此，为降低单位流明的成本以及使用成本，人们希望进一步提高III族氮化物LED的流明效率和寿命。

然而，由于缺乏低成本、高质量、大尺寸的同质衬底，III族氮化物LED通常在蓝宝石或者碳化硅异质衬底上生长。由于III族氮化物合金较高的折射率以及LED所具有的平行活性发光层的结构使得近80％的光未能发射出来而被芯片材料吸收。同时，由于III族氮化物半导体与异质衬底的晶格差异，导致生长的氮化物薄膜及器件的活性层中产生大量的缺陷。因此，为获得大功率、高效率、长寿命的LED或LD，必须降低氮化物薄膜生长的缺陷密度。

为了解决上述技术问题，人们已采用了各种不同的技术方案。例如通过采用布拉格反射层、粗化的表面层、光子晶体、金字塔形芯片形状、图形化衬底等方式来提高外部量子效率；以及通过采用低温氮化镓(GaN)或氮化铝(AlN)缓冲层、选择外延/侧向外延技术等方式来提高晶体质量从而提高内量子效率及可靠性。

然而，上述技术方案均为在不同的环节分别实施，存在效率低、成本高的问题。此外，对于使用图形化衬底并制作图形阵列的方案，当图形尺寸进入纳米级时，采用现有的光刻系统加工成本很高甚至无法实现，因而无法提供高密度的图形阵列，而高密度的图形阵列正是提升外部量子效率所需要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有纳米压印技术制作的绝缘膜图形阵列的III族氮化物半导体发光装置，该III族氮化物半导体发光装置具有较高的外部量子效率、内量子效率以及可靠性。

本发明的III族氮化物半导体发光装置包括：

基板，其可由C-面、R-面或A-面的氧化铝单晶、6H-SiC、4H-SiC、或晶格常数接近于氮化物半导体的单晶氧化物所制成；

缓冲层，其位于所述基板上，可由III族氮化物半导体构成；

n型接触层，其位于所述缓冲层上，由n型III族氮化物半导体构成；

活性层，其位于所述n型接触层上并覆盖所述n型接触层的部分表面，由n型III族氮化物半导体的阱层和垒层交互层叠形成的多量子阱所构成；

n型电极层，其位于所述n型接触层未被所述活性层覆盖的上表面上；

电子阻挡层，其位于所述活性层上，可由III族氮化物半导体单层或多层构成；

p型接触层，其位于所述电子阻挡层上，由p型III族氮化物半导体构成；

p型电极层，其位于所述p型接触层上；其特征在于，

所述III族氮化物半导体发光装置还包括采用纳米压印技术制作的绝缘膜图形阵列，构成该绝缘膜图形阵列的绝缘膜材质为二氧化硅、氮化硅、或其他不能为III族氮化物半导体生长提供晶核的绝缘材质；

其中，在本发明的一个方面，所述n型接触层分为第一n型接触层部分和第二n型接触层部分，所述绝缘膜图形阵列位于该第一n型接触层部分与第二n型接触层部分之间；

在本发明的另一方面，所述绝缘膜图形阵列位于所述基板与所述缓冲层之间。

可选地，本发明的III族氮化物半导体发光装置包括：

缓冲层，其位于所述基板上，由III族氮化物半导体构成；

p型接触层，其位于所述缓冲层上，由p型III族氮化物半导体构成；

活性层，其位于所述p型接触层上并覆盖所述p型接触层的部分表面，由p型III族氮化物半导体的阱层和垒层交互层叠形成的多量子阱所构成；

p型电极层，其位于所述p型接触层未被所述活性层覆盖的上表面上；

n型接触层，其位于所述电子阻挡层上，由n型III族氮化物半导体构成；

n型电极层，其位于所述n型接触层上；其特征在于，

所述III族氮化物半导体发光装置还包括采用纳米压印技术制作的绝缘膜图形阵列，构成所述绝缘膜图形阵列的绝缘膜材质为二氧化硅、氮化硅、或其他不能为III族氮化物半导体生长提供晶核的绝缘材质；

其中，在本发明的一个方面，所述p型接触层分为第一p型接触层部分和第二p型接触层部分，所述绝缘膜图形阵列位于该第一p型接触层部分与该第二p型接触层部分之间；

在本发明的另一个方面，所述绝缘膜图形阵列位于所述基板与所述缓冲层之间。

本发明中的用于制作绝缘膜图形阵列的纳米压印技术可以为热压印技术(HE-NIL)、紫外硬化压印光刻技术(UV-NIL)、或微接触压印光刻技术(Microcontact-NIL)等。

本发明中的绝缘膜图形阵列的特征尺寸的范围优选为1纳米～10微米，即各个图形单元的长、宽、高、直径、以及相邻图形单元的间距均为1纳米～10微米。由于III族氮化物半导体(比如氮化镓)与异质衬底(比如蓝宝石或碳化硅)的折射率的差异，使得LED发出的光通过波导效应而被损失。本发明通过在衬底上或III族氮化物薄膜中制作绝缘膜图形阵列，可以有效地改变光的入射角，进而减弱波导效应，降低光的损失。而对波导效应减弱的有效性直接与图形单元的密度(单位面积内图形单元的个数)有关，通过减小图形单元的特征尺寸可以增大图形单元的密度进而减弱波导效应。同时，在几百纳米以下的纳米结构中，由于光子的纳米效应会导致偏振、相位、波长以及折射率的改变，从而可以通过优化图形阵列达到对光的提取的最大化。而对于选择性外延生长，则主要通过侧向生长区得到高质量的晶体，由于氮化物侧向(垂直于c轴方向)生长速度很慢，如果图形单元特征尺寸大于10微米，将需要太长的时间完成侧向融合；反之，图形单元特征尺寸小于1纳米，则不进行侧向生长的区域增多，不进行侧向生长的区域晶体质量差，从而总体的晶体质量较差。因此，本发明通过将绝缘膜图形阵列的特征尺寸设定为1纳米～10微米，可进一步提高发光装置的外部量子效率、和内量子效率。

在本发明的另一优选实施方式中，由所述绝缘膜图形阵列与位于所述绝缘膜图形阵列上的层所构成的层被交替形成。

本发明的技术效果可以绝缘膜图形阵列位于第一n型接触层部分与第二n型接触层部分之间的情况为例进行说明。在该实施方式中，首先采用两步法有机金属化学气相沉积(MOCVD)生长第一层氮化物薄膜(两步法是指先生长低温缓冲层，然后再高温生长)，然后在该氮化物薄膜上沉积一层绝缘膜层，该绝缘膜层的材质包括但不限于二氧化硅、不定型氮化硅等；接着采用纳米压印光刻及刻蚀技术将图形阵列转移到该绝缘膜层上(即形成绝缘掩膜)，从而使得第一层氮化物薄膜按照设计的图形规则地被绝缘膜层覆盖或者暴露；然后接着进行有机金属化学气相沉积生长第二层氮化物薄膜。在这样的条件下，第二层氮化物薄膜只会在暴露出来的第一层氮化物薄膜上生长，而不会在绝缘掩膜上生长，当第二层氮化物薄膜的厚度超过绝缘掩膜的厚度时，第二层氮化物薄膜将不仅沿c轴方向生长，而且同时沿侧面生长从而延伸到绝缘掩膜的区域直到绝缘掩膜被第二层氮化物薄膜完全覆盖。通过这种方式，可以有效地降低所生长的氮化物薄膜中的位错密度，从而减少活性层的位错密度；同时可以通过调整绝缘膜图形阵列的形状来获得最大的外部量子效率。进一步地，可以重复前面的方式进行多次选择外延生长(即在第二层氮化物薄膜上再形成绝缘掩膜，以此类推交替生长)，从而进一步降低位错密度。

因此，在本发明的III族氮化物半导体发光装置中，通过采用纳米压印技术制作的绝缘膜图形阵列来实现一次或多次选择外延生长，从而大大降低了氮化物薄膜中的位错密度；此外，采用纳米压印技术制作的绝缘膜上的高密度图形阵列可以极大的增强对光的提取，即提高外部量子效率。

附图说明

图1是根据本发明的具有纳米压印技术制作的绝缘膜图形阵列的氮化镓系发光二极管的实施例1。

图2是根据本发明的具有纳米压印技术制作的绝缘膜图形阵列的氮化镓系发光二极管的实施例2。

图3是采用纳米压印技术制作本发明中的绝缘膜图形阵列的流程示意图。

图4是现有的以及根据本发明的氮化镓系发光二极管的正向注入电流-发光强度I-L曲线，其中圆形标记的线条为本发明的具有纳米压印技术制作的绝缘膜图形阵列的氮化镓系发光二极管；方块标记的线条为现有的没有纳米压印技术制作的绝缘膜图形阵列的氮化镓系发光二极管。

参考数字的说明：

10基板

11缓冲层

12绝缘膜图形阵列

13n型接触层

130第一n型接触层部分

131第二n型接触层部分

14活性层

15电子阻挡层

16高温p型接触层

17n型电极层

18p型电极层

20基板

21绝缘膜图形阵列

22缓冲层

23n型接触层

24活性层

25电子阻挡层

26高温p型接触层

27n型电极层

28p型电极层

30氮化物薄膜

31绝缘膜

32光刻胶

33压印模板

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明进行具体说明，但本发明并不限于此。

图1为根据本发明的具有纳米压印技术制作的绝缘膜图形阵列的氮化镓系发光二极管的实施例1。如图1所示，该实施例是以C-面、R-面或A-面的氧化铝单晶或SiC(6H-SiC或4H-SiC)为基板10，其他可用于基板10的材质还包括Si、ZnO、GaAs、尖晶石(MgAl₂O₄)或晶格常数接近于氮化物半导体的单晶氧化物。

首先在基板10上形成由In_xAl_1-x-yGa_yN(其中0≤x＜1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)所构成的缓冲层11。然后在缓冲层11上形成n型接触层13中的第一n型接触层部分130，该n型接触层13由n型氮化镓构成。接着在第一n型接触层部分130上形成采用纳米压印技术制作的绝缘膜图形阵列12，该绝缘膜图形阵列12的特征尺寸的范围为1纳米～10微米(即各个图形单元的长、宽、高、直径、以及相邻图形单元的间距均为1纳米～10微米)，并且构成该绝缘膜图形阵列12的绝缘膜材质为二氧化硅、氮化硅或其他不能为III族氮化物生长提供晶核的绝缘材质。然后在绝缘膜图形阵列12上形成n型接触层13中的第二n型接触层部分131。为进一步降低位错密度，由绝缘膜图形阵列12与第二n型接触层部分131构成的层可以被交替形成(即在第二n型接触层部分131上再次形成绝缘膜图形阵列，然后在该绝缘膜图形阵列上再次形成n型接触层，以此类推交替生长)。

接着在第二n型接触层部分131上形成覆盖其部分表面的活性层14，该活性层14由In_xGa_1-xN(其中0＜x＜1)阱层和In_yAl_zGa_1-y-zN(0≤y＜1，0≤z＜1，0≤y+z＜1)垒层交互层叠形成的多量子阱所构成。在n型接触层13未被活性层14覆盖的部分，另外形成n型电极层17。然后在活性层14上形成电子阻挡层15，该电子阻挡层15由In_yAl_zGa_1-y-zN(0≤y＜1，0＜z＜1，0≤y+z＜1)单层或多层构成。最后在电子阻挡层15上形成由p型氮化镓构成的高温p型接触层16以及位于高温p型接触层16上的p型电极层18。

该p型电极层18可为金属导电层或透明导电氧化层，其中该金属导电层主要包括Ni/Au、Ni/Pt、Ni/Pd、Ni/Co、Pd/Au、Pt/Au、Ti/Au、Cr/Au、Sn/Au、Ta/Au、TiN、TiWNx(x≥0)或WSix(x≥0)；该透明导电氧化层主要包括ITO、CTO、ZnO:Al、ZnGa₂O₄、SnO₂:Sb、Ga₂O₃:Sn、AgInO₂:Sn、In₂O₃:Zn、CuAlO₂、LaCuOS、NiO、CuGaO₂、SrCu₂O₂。

用于制备绝缘膜图形阵列12的纳米压印技术主要包括但不限于以下几种：热压印技术(HE-NIL)、紫外硬化压印光刻技术(UV-NIL)、微接触压印光刻(Microcontact-NIL)等。

图3所示为以紫外硬化压印光刻技术(UV-NIL)为例说明绝缘膜图形阵列12的制作过程。如图3所示，在氮化物薄膜30上通过适当的方式(如等离子增强化学气相沉积技术，PECVD)沉积一层绝缘薄膜31，然后在绝缘薄膜31上涂布一层低粘度、对紫外(UV)光感光的液态高分子光刻胶32，在模板33和基板(此处为氮化物薄膜30)对准完成后，将模板压入光刻胶层并且照射紫外光使光刻胶硬化成形，然后脱模，最后进行刻蚀，得到需要的绝缘膜图形阵列。

图2为根据本发明的具有纳米压印技术制作的绝缘膜图形阵列的氮化镓系发光二极管的实施例2。该实施例2采用与实施例1相同的方式制造，所不同的只是，采用纳米压印技术制作的绝缘膜图形阵列21位于基板20与缓冲层22之间。

图4是现有的以及根据本发明的氮化镓系发光二极管的正向注入电流-发光强度I-L曲线，其中圆形标记的线条为本发明的具有纳米压印技术制作的绝缘膜图形阵列的氮化镓系发光二极管；方块标记的线条为现有的没有纳米压印技术制作的绝缘膜图形阵列的氮化镓系发光二极管。由图4可以看出，与传统的氮化镓系发光二极管相比，本发明的具有纳米压印技术制作的绝缘膜图形阵列的氮化镓系发光二极管在相同的正向注入电流下具有更高的发光强度，其发光效率得到大幅提高，尤其在正向注入电流较高时，其发光效率的提高更加明显。

本发明通过采用纳米压印技术制作的绝缘膜图形阵列进行氮化物的选择外延生长，获得了具有较高的外部量子效率、内量子效率以及可靠性的III族氮化物半导体发光装置比如GaN系LED或LD。

上述实施例仅用于具体说明本发明，不应看作为对本发明的限制。任何不脱离本发明宗旨所进行的各种修改和变动，均应在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种III族氮化物半导体发光装置，其包括：

基板；

缓冲层，其位于所述基板上；

活性层，其位于所述n型接触层上并覆盖所述n型接触层的部分表面，由所述n型III族氮化物半导体的阱层和垒层交互层叠形成的多量子阱所构成；

电子阻挡层，其位于所述活性层上；

p型电极层，其位于所述p型接触层上；其特征在于，

所述III族氮化物半导体发光装置还包括采用纳米压印技术制作的绝缘膜图形阵列，构成所述绝缘膜图形阵列的绝缘膜材质为二氧化硅、氮化硅、或其他不能为III族氮化物半导体生长提供晶核的绝缘材质，其中

所述n型接触层分为第一n型接触层部分和第二n型接触层部分，所述绝缘膜图形阵列位于所述第一n型接触层部分与所述第二n型接触层部分之间。

2.一种III族氮化物半导体发光装置，其包括：

基板；

缓冲层，其位于所述基板上，由III族氮化物半导体构成；

电子阻挡层，其位于所述活性层上；

p型电极层，其位于所述p型接触层上；其特征在于，

所述绝缘膜图形阵列位于所述基板与所述缓冲层之间。

3.一种III族氮化物半导体发光装置，其包括：

基板；

缓冲层，其位于所述基板上；

活性层，其位于所述p型接触层上并覆盖所述p型接触层的部分表面，由所述p型III族氮化物半导体的阱层和垒层交互层叠形成的多量子阱所构成；

电子阻挡层，其位于所述活性层上；

n型电极层，其位于所述n型接触层上；其特征在于，

所述p型接触层分为第一p型接触层部分和第二p型接触层部分，所述绝缘膜图形阵列位于所述第一p型接触层部分与所述第二p型接触层部分之间。

4.一种III族氮化物半导体发光装置，其包括：

基板；

缓冲层，其位于所述基板上，由III族氮化物半导体构成；

电子阻挡层，其位于所述活性层上；

n型电极层，其位于所述n型接触层上；其特征在于，

所述绝缘膜图形阵列位于所述基板与所述缓冲层之间。

5.如权利要求1～4中任一项所述的III族氮化物半导体发光装置，其特征在于，所述绝缘膜图形阵列的特征尺寸的范围为1纳米～10微米，即各个图形单元的长、宽、高、直径、以及相邻图形单元的间距均为1纳米～10微米。

6.如权利要求1～4中任一项所述的III族氮化物半导体发光装置，其特征在于，由所述绝缘膜图形阵列与位于所述绝缘膜图形阵列上的层所构成的层被交替形成。

7.如权利要求1～4中任一项所述的III族氮化物半导体发光装置，其特征在于，所述基板由C-面、R-面或A-面的氧化铝单晶、6H-SiC、4H-SiC、或晶格常数接近于氮化物半导体的单晶氧化物所制成。

8.如权利要求1～4中任一项所述的III族氮化物半导体发光装置，其特征在于，所述n型接触层由n型GaN构成，所述p型接触层由p型GaN构成。

9.如权利要求8所述的III族氮化物半导体发光装置，其特征在于，所述缓冲层由In_xAl_1-x-yGa_yN构成，其中0≤x＜1，0≤y≤1。

10.如权利要求8所述的III族氮化物半导体发光装置，其特征在于，所述阱层为In_xGa_1-xN阱层，所述垒层为InyAlzGa₁-y-zN垒层，其中0＜x＜1，0≤y＜1，0≤z＜1，0≤y+z＜1。

11.如权利要求8所述的III族氮化物半导体发光装置，其特征在于，所述电子阻挡层由In_yAl_zGa_1-y-zN单层或多层构成，其中0≤y＜1，0＜z＜1，0≤y+z＜1。