CN102064250B - 一种衬底出光SiC衬底垂直结构发光管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体发光器件及其制备技术领域，涉及几种GaN基发光管及其制备方法。器件由衬底、衬底上外延生长的n型GaN缓冲层和下限制层2、GaN材料系多量子阱发光层3、p型GaN上限制层4、p型InxGa1-xN盖层5、上电极6，下电极7构成，特征在于：上电极6制备成兼有反射镜功能，在盖层5和上电极6之间生长一层p型InyGa1-yN位相匹配层8，衬底1是n型SiC单晶衬底，在衬底1下面制备一层ZnO薄膜9或再制备一层ZnO纳米线11，电极7只是覆盖5％～20％面积制备在衬底1下面。本发明利用SiC衬底晶格和GaN匹配较好，导电和导热性能都比较好，价格适中的优点，提供一种新型大功率SiC衬底垂直结构发光管及其制备方法。
Description
技术领域
本发明属于半导体发光器件及其制备技术领域，特别是涉及基于GaN基发光管及其制作方法。
背景技术
随着第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿、白光发光二极管的问世，继半导体技术引发微电子革命之后，又在孕育一场新的产业革命——照明革命，其标志是半导体灯将逐步替代白炽灯和荧光灯。由于半导体照明(亦称固态照明)具有节能、长寿命、免维护、环保等优点，业内普遍认为，如同晶体管替代电子管一样，半导体灯替代传统的白炽灯和荧光灯，也是科学技术发展的必然和大势所趋。目前用于半导体照明的发光管(LED)主要是GaN材料系，大多数的GaNLED是在Al2O3单晶衬底上外延生长多层GaN系材料薄膜制备的。但是由于Al2O3单晶不导电，所以这种LED只能作成同面电极结构，即正负电极都在外延层一面，电流是在n-GaN薄层中横向流动的，电流密度大，会产生热量，而Al2O3单晶衬底的导热特性也不好，这样这种同面电极Al2O3单晶衬底结构LED很难获得大功率输出。于是人们提出制备垂直结构LED。X.A.Cao等人在文献“APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 85，NUMBER 18，2004，p3971”就报道了研制的一种垂直结构发光管。这种器件如图1所示，由n型GaN单晶衬底1，衬底1上外延生长的n型GaN缓冲层和下限制层2，下限制层2上制备的GaN材料系多量子阱发光层3，发光层3上制备的p型GaN上限制层4，上限制层4上面制备的InGaN盖层5，盖层5上面制备的上电极6，衬底1下面制备的下电极7等部件构成。
由于目前制备的GaN单晶衬底价格昂贵，且没有大批量产业化，造成制备的LED成本高。人们又把目光投向到单晶衬底制备技术比较成熟，已经有大批量产业化产品的SiC单晶衬底上，制备了一些SiC衬底发光管。
SiC衬底价格适中，同时SiC晶格和GaN匹配较好，且单晶衬底导电和导热性能都比较好。可是，由于SiC材料折射率较大，有源区发出的光大部分被衬底吸收，因而出光率低。
为了克服上述GaN基发光管产业化制备的这一困难，本发明提出一种新型衬底出光SiC衬底垂直结构发光管及制备方法。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述GaN基发光管的这一问题，利用SiC衬底晶格和GaN匹配较好，导电和导热性能都比较好，且制备技术比较成熟，已经有大批量产业化的产品，同时价格适中的优点，提供一种新型衬底出光SiC衬底垂直结构发光管及其制备方法。
本发明的技术方案是：
本发明所设计的一种新型衬底出光SiC衬底垂直结构发光管(见附图2和附图说明)，依次由衬底1、衬底1上外延生长的n型GaN缓冲层和下限制层2、下限制层2上制备的GaN材料系多量子阱发光层3、发光层3上制备的p型GaN上限制层4、上限制层4上面制备的p型InxGa1-xN盖层5、盖层5上面制备的上电极6，衬底1下面制备的下电极7构成，其特征在于：上电极6制备成兼有反射镜功能，同时为了弥补光在金属反射镜反射时的位相损失，在盖层5和上电极6之间生长一层p型InyGa1-yN位相匹配层8，上电极6全部覆盖在位相匹配层8的上面，衬底1是n型SiC单晶衬底，为了减缓SiC材料折射率较大影响出光率，在衬底1的衬底面80～95％的面积上制备一层ZnO薄膜9，而在衬底1的衬底面其余的5～20％面积上制备下电极7。
该种发光管为倒装(即外延层面向下，装配焊接在支架或热沉上)，衬底出光结构，出光方向如箭头12所示。
进一步地为了减缓ZnO材料折射率仍较大影响出光率问题，本发明又提出一种透明介质薄膜型衬底出光SiC衬底垂直结构发光管(见附图3和附图说明)，依次由衬底1、衬底1上外延生长的n型GaN缓冲层和下限制层2、下限制层2上制备的GaN材料系多量子阱发光层3、发光层3上制备的p型GaN上限制层4、上限制层4上面制备的p型InxGa1-xN盖层5、盖层5上面制备的上电极6，衬底1下面制备的下电极7构成，其特征在于：上电极6制备成兼有反射镜功能，在盖层5和上电极6之间生长一层p型InyGa1-yN位相匹配层8，上电极6全部覆盖在位相匹配层8的上面，衬底1是n型SiC单晶衬底，在衬底1的衬底面80～95％的面积上制备一层ZnO薄膜9，而在衬底1的衬底面其余的5～20％面积上制备下电极7，为了进一步减缓ZnO材料折射率仍较大影响出光率，在ZnO薄膜9下面再制备一层折射率介于ZnO材料折射率和空气折射率之间的透明介质薄膜10，其厚度为50纳米～3微米，或制备一层掺有黄光荧光粉(掺杂的质量浓度为2～30％)的这种透明介质薄膜10。
进一步地为了减缓ZnO材料折射率仍较大影响出光率问题，本发明还提出一种ZnO纳米线衬底出光SiC衬底垂直结构发光管(见附图4和附图说明)，依次由衬底1、衬底1上外延生长的n型GaN缓冲层和下限制层2、下限制层2上制备的GaN材料系多量子阱发光层3、发光层3上制备的p型GaN上限制层4、上限制层4上面制备的p型InxGa1-xN盖层5、盖层5上面制备的上电极6，衬底1下面制备的下电极7构成，其特征在于：上电极6制备成兼有反射镜功能，在盖层5和上电极6之间生长一层p型InyGa1-yN位相匹配层8，上电极6全部覆盖在位相匹配层8的上面，衬底1是n型SiC单晶衬底，在衬底1的衬底面80～95％的面积上制备一层ZnO薄膜9，而在衬底1的衬底面其余的5～20％面积上制备下电极7，为了减缓ZnO材料折射率仍较大光被反射回发光区，影响出光率，在ZnO薄膜9下面再制备一层ZnO纳米线11。
进一步地为了提高出光率，上述两种改进方案可以同时使用，本发明提出一种ZnO纳米线和透明介质复合型衬底出光SiC衬底垂直结构发光管(见附图5和附图说明)，依次由衬底1、衬底1上外延生长的n型GaN缓冲层和下限制层2、下限制层2上制备的GaN材料系多量子阱发光层3、发光层3上制备的p型GaN上限制层4、上限制层4上面制备的p型InxGa1-xN盖层5、盖层5上面制备的上电极6，衬底1下面制备的下电极7构成，其特征在于：上电极6制备成兼有反射镜功能，在盖层5和上电极6之间生长一层p型InyGa1-yN位相匹配层8，上电极6全部覆盖在位相匹配层8的上面，衬底1是n型SiC单晶衬底，在衬底1的衬底面80～95％的面积上制备一层ZnO薄膜9，而在衬底1的衬底面其余的5～20％面积上制备下电极7，为了减缓ZnO材料折射率仍较大光被反射回发光区，影响出光率，在ZnO薄膜9下面再制备一层ZnO纳米线11，在ZnO纳米线11下面再制备一层折射率介于ZnO材料折射率和空气折射率之间的透明介质薄膜10，或制备一层掺有黄光荧光粉(掺杂的质量浓度为2～30％)的这种透明介质薄膜10。
前面所述的发光管的制备方法，其步骤如下：
A、采用金属有机物化学气相沉积方法在衬底1上依次制备n型GaN缓冲层和下限制层2、GaN材料系多量子阱发光层3、p型GaN上限制层4、p型InxGa1-xN盖层5、p型InyGa1-yN位相匹配层8；各层材料的厚度、掺杂粒子的种类及掺杂粒子的浓度均可采用常规技术，p型InyGa1-yN位相匹配层8的厚度需经过严格计算，其厚度要求是：以发光层3发出的主要波长的光为参考光，参考光在位相匹配层8中产生的位相移动能够弥补光被上电极6反射时的位相损失，使反射光和入射光相干增强；
B、在p型InyGa1-yN位相匹配层8的上面制备上电极6，上电极6的材
料为Au、Ni-Au、Ti-Au、Zn-Au、Pt-Au、Ti-Pt-Au、Ti-Ni-Au或Ni-Pt-Au，上电极6采用热蒸镀、电子束蒸镀或磁控激射方法制备；
C、然后将衬底1减薄至80～150微米，在衬底1的衬底面上，采用分子束外延MBE、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、脉冲激光沉积(PLD)、溅射(Sputtering)、电子束蒸发、喷涂热解或溶胶凝胶Sol-gel)等方法，特别是使用我们发明的ZL02100436.6号和ZL200410011164.0号专利所述的ZnO薄膜专用生长MOCVD设备，采用MOCVD方法生长制备ZnO薄膜9和ZnO纳米线11；
D、在ZnO薄膜9或ZnO纳米线11的下面采用热蒸镀、电子束蒸镀、化学气相沉积(CVD)、磁控激射或涂覆的方法制备透明介质薄膜10或掺杂质量浓度为2～30％的掺有黄光荧光粉的透明介质薄膜10，透明介质薄膜10的材料是SiO2、ZrO2、TiO2、Ta2O5或HFO2；
E、光刻去掉衬底1的5～20％衬底面上的ZnO薄膜9、ZnO纳米线11和透明介质薄膜10；
F、在露出的衬底1的衬底面上采用光刻胶剥离工艺蒸镀下电极7，下电极7材料为Au、Ni-Au、Ti-Au、Zn-Au、Pt-Au、Ti-Pt-Au、Ti-Ni-Au或Ni-Pt-Au，蒸镀下电极7的方法是热蒸镀、电子束蒸镀或磁控激射方法；
G、划片，从而制备得到边长200微米～3毫米的方形管芯；将管芯倒装，即将上电极6焊接在热沉或支架上，便制备得到发光管。
本发明的效果和益处：
本发明可以克服Al2O3单晶不导电，散热不好的缺点；可以规避GaN单晶衬底价格昂贵问题；同时可以克服SiC材料折射率较大，有源区发出的光大部分被衬底吸收或反射，出光率低的问题，提高发光管的输出功率和亮度。
附图说明
图1：GaN单晶衬底GaN基垂直结构发光管结构示意图；
图2：新型衬底出光SiC衬底垂直结构发光管结构示意图；
图3：透明介质薄膜型衬底出光SiC衬底垂直结构发光管结构示意图；
图4：ZnO纳米线衬底出光SiC衬底垂直结构发光管结构示意图；
图5：ZnO纳米线和透明介质复合型衬底出光SiC衬底垂直结构发光管结构示意图。
图中部件1为衬底，2为n型GaN缓冲层和下限制层，3为GaN材料系多量子阱发光层，4为p型GaN上限制层，5为p型InxGa1-xN盖层，6为上电极，7为下电极，8为p型InyGa1-yN位相匹配层，9为ZnO薄膜，10为透明介质薄膜，11为ZnO纳米线，12为出光方向箭头。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例和实施工艺。
实施例1：
新型衬底出光SiC衬底垂直结构发光管。这种新型衬底出光SiC衬底垂直结构发光管结构见附图2，依次由衬底1、衬底1上外延生长的n型GaN缓冲层和下限制层2、下限制层2上制备的GaN材料系多量子阱发光层3、发光层3上制备的p型GaN上限制层4、上限制层4上面制备的p型InxGa1-xN盖层5、盖层5上面制备的上电极6，衬底1下面制备的下电极7构成，其特征在于：上电极6制备成兼有反射镜功能，同时为了弥补光在金属反射镜反射时的位相损失，在盖层5和上电极6之间生长一层p型InyGa1-yN位相匹配层8，上电极6全部覆盖在位相匹配层8和盖层5上面，衬底1是n型SiC单晶衬底，为了减缓SiC材料折射率较大影响出光率，在衬底1下面制备一层ZnO薄膜9，电极7只是覆盖5％～20％面积制备在衬底1下面。
其制备过程为，采用n型SiC单晶片为衬底1，厚度一般为300～500微米用目前成熟的常规MOCVD工艺在衬底1上生长1～10微米的n型(如掺Si)GaN缓冲层和下限制层2，载流子浓度为1018～1020/cm3，然后生长非掺杂的GaN材料系多量子阱发光层3，其厚度和结构可采用常规技术，再生长0.2～2微米的p型GaN上限制层4，载流子浓度为1017～1019/cm3，再生长0.02～0.5微米的p型InxGa1-xN盖层5，再接着生长厚度经过严格计算的p型InyGa1-yN位相匹配层8，其厚度要求：以有源区发出的主要波长的光为主要参考光，在位相匹配层8产生的位相移动，可以弥补光在金属反射镜反射时的位相损失，使反射光和入射光相干增强。盖层5和相匹配层8中的In组分x和y值可以在0～1之间选择调节，x和y可以是不同的值，也可以是相同的值，如果是相同的值，则盖层5和位相匹配层8可以合并生长，其厚度仍需严格计算达到反射光和入射光相干增强的目的；外延片制备好后，蒸镀上电极6，蒸镀的金属选用Ni-Au，由于金属Ni具有较好的反光特性，上电极6又可以起到反射镜的作用；然后将衬底1减薄至80～150微米，再在衬底1下面使用我们发明的02100436.6号和ZL200410011164.0号专利所述的ZnO薄膜专用生长MOCVD设备，采用MOCVD方法生长制备ZnO薄膜9，其厚度为50纳米～5微米，然后用常规的光刻工艺刻蚀去掉5～20％的区域的ZnO薄膜9，初步实验所用采用的光刻胶为BP212正性光刻胶，所用光刻胶为劳动二型光刻机，在这一区域露出衬底1；再在这一露出衬底1的区域用常规光刻胶剥离工艺蒸镀下电极7，下电极7用Ti-Ni-Au三元合金材料或分三层蒸镀。然后进行划片，从而制备得到边长200微米～3毫米的方形管芯；将管芯倒装，即将上电极6焊接在热沉或支架上，便制备得到发光管。
实施例2：
透明介质薄膜型衬底出光SiC衬底垂直结构发光管。这种透明介质薄膜型衬底出光SiC衬底垂直结构发光管结构见附图3，其特征在于：上电极6制备成兼有反射镜功能，在盖层5和上电极6之间生长一层p型InyGa1-yN位相匹配层8，上电极6全部覆盖在位相匹配层8和盖层5上面，衬底1是n型SiC单晶衬底，在衬底1下面制备一层ZnO薄膜9，为了减缓ZnO材料折射率仍较大影响出光率，在ZnO薄膜9下面再制备一层折射率介于ZnO材料折射率和空气折射率之间的透明介质薄膜10，或制备一层掺有黄光荧光粉(掺杂的质量浓度为2～30％)的这种透明介质薄膜10，电极7只是覆盖5％～20％面积制备在衬底1下面。
其制备过程中的外延片生长，上电极6的制备，衬底减薄工艺及其ZnO薄膜9生长制备工艺同实施例1；同实施例1不同的工艺是：ZnO薄膜9生长后用电子束蒸镀一层SiO2薄膜，厚度为50nm至2微米；然后用常规的光刻工艺刻蚀去掉5～20％的区域的ZnO薄膜9和Si02薄膜，在这一区域露出衬底1，再在这一露出衬底1的区域用常规光刻胶剥离工艺蒸镀下电极7，下电极7用Ti-Ni-Au三元合金材料或分三层蒸镀。然后进行划片，从而制备得到边长200微米～3毫米的方形管芯；将管芯倒装，即将上电极6焊接在热沉或支架上，便制备得到发光管。
实施例3：
ZnO纳米线衬底出光SiC衬底垂直结构发光管。这种ZnO纳米线衬底出光SiC衬底垂直结构发光管结构见附图4，其特征在于：上电极6制备成兼有反射镜功能，在盖层5和上电极6之间生长一层p型InyGa1-yN位相匹配层8，上电极6全部覆盖在位相匹配层8和盖层5上面，衬底1是n型SiC单晶衬底，在衬底1下面制备一层ZnO薄膜9，为了减缓ZnO材料折射率仍较大光被反射回发光区，影响出光率，在ZnO薄膜9下面再制备一层ZnO纳米线11，电极7只是覆盖5％～20％面积制备在衬底1下面。
其制备过程中的外延片生长，上电极6的制备，衬底减薄工艺及其ZnO薄膜9生长制备工艺同实施例1；同实施例1不同的工艺是：ZnO薄膜9生长后接着在MOCVD设备中生长一层ZnO纳米线11，ZnO纳米线11的厚度为50纳米～5微米，单根纳米线的尺度为5～2000nm，在MOCVD设备中生长ZnO薄膜9和ZnO纳米线11工艺的主要区别在于温度控制，使用我们发明的02100436.6号和ZL200410011164.0号专利所述的ZnO薄膜专用生长MOCVD设备时，生长ZnO薄膜9的温度一般控制在400～800℃，而生长ZnO纳米线11时温度一般控制在100～400℃；然后用常规的光刻工艺刻蚀去掉5～20％的区域的ZnO薄膜9和ZnO纳米线11，在这一区域露出衬底1，再在这一露出衬底1的区域用常规光刻胶剥离工艺蒸镀下电极7，下电极7用Ti-Ni-Au三元合金材料或分三层蒸镀。然后进行划片，从而制备得到边长200微米～3毫米的方形管芯；将管芯倒装，即将上电极6焊接在热沉或支架上，便制备得到发光管。
Claims (9)
1.一种衬底出光SiC衬底垂直结构发光管，依次由衬底(1)、衬底(1)上外延生长的n型GaN缓冲层和下限制层(2)、下限制层(2)上制备的GaN材料系多量子阱发光层(3)、发光层(3)上制备的p型GaN上限制层(4)、上限制层(4)上面制备的p型InGaN盖层(5)、盖层(5)上面制备的上电极(6)、衬底(1)下面制备的下电极(7)构成，其特征在于：上电极(6)制备成兼有反射镜功能，同时在盖层(5)和上电极(6)之间生长一层p型InyGa1-yN位相匹配层(8)，上电极(6)全部覆盖在位相匹配层(8)的上面，衬底(1)是n型SiC单晶衬底，在衬底(1)的衬底面80～95％的面积上制备一层ZnO薄膜(9)，而在衬底(1)的衬底面其余的5～20％面积上制备下电极(7)；p型InyGa1-yN位相匹配层(8)的厚度要求是以发光层(3)发出的主要波长的光为参考光，参考光在位相匹配层(8)中产生的位相移动能够弥补光被上电极(6)反射时的位相损失，使反射光和入射光相干增强。
2.如权利要求1所述的一种衬底出光SiC衬底垂直结构发光管，其特征在于：在ZnO薄膜(9)下面再制备一层折射率介于ZnO材料折射率和空气折射率之间的透明介质薄膜(10)，其厚度为50纳米～3微米。
3.如权利要求1所述的一种衬底出光SiC衬底垂直结构发光管，其特征在于：在ZnO薄膜(9)下面再制备一层掺杂质量浓度为2～30％的掺有黄光荧光粉的透明介质薄膜(10)，其厚度为50纳米～3微米。
4.如权利要求2或3所述的一种衬底出光SiC衬底垂直结构发光管，其特征在于：透明介质薄膜(10)的材料是SiO2、ZrO2、TiO2、Ta2O5或HFO2。
5.如权利要求1所述的一种衬底出光SiC衬底垂直结构发光管，其特征在于：在ZnO薄膜(9)下面再制备一层ZnO纳米线(11)。
6.如权利要求5所述的一种衬底出光SiC衬底垂直结构发光管，其特征在于：在ZnO纳米线(11)下面再制备一层折射率介于ZnO材料折射率和空气折射率之间的透明介质薄膜(10)。
7.如权利要求5所述的一种衬底出光SiC衬底垂直结构发光管，其特征在于：在ZnO纳米线(11)下面再制备一层掺杂质量浓度为2～30％的掺有黄光荧光粉透明介质薄膜(10)。
8.如权利要求6或7所述的一种衬底出光SiC衬底垂直结构发光管，其特征在于：透明介质薄膜(10)的材料是SiO2、ZrO2、TiO2、Ta2O5或HFO2。
9.权利要求1、2、3、5、6、7任何一项所述的衬底出光SiC衬底垂直结构发光管的制备方法，其步骤如下：
A、采用金属有机物化学气相沉积方法在衬底(1)上依次制备n型GaN缓冲层和下限制层(2)、GaN材料系多量子阱发光层(3)、p型GaN上限制层(4)、p型InxGa1-xN盖层(5)、p型InyGa1-yN位相匹配层(8)；其中p型InyGa1-yN位相匹配层(8)的厚度符合要求，即以GaN材料系多量子发光层(3)发出的主要波长的光为参考光，参考光在位相匹配层(8)中产生的位相移动能够弥补光被上电极(6)反射时的位相损失，使反射光和入射光相干增强；
B、在p型InyGa1-yN位相匹配层(8)的上面制备上电极(6)，上电极(6)的材料为Au、Ni-Au、Ti-Au、Zn-Au、Pt-Au、Ti-Pt-Au、Ti-Ni-Au或Ni-Pt-Au，上电极(6)采用热蒸镀、电子束蒸镀或磁控激射方法制备；
C、然后将衬底(1)减薄至80～150微米，在衬底(1)的衬底面上，采用分子束外延、金属有机物化学气相沉积、脉冲激光沉积、溅射、电子束蒸发、喷涂热解或溶胶凝胶法制备ZnO薄膜(9)和非必需的ZnO纳米线(11)；
D、在ZnO薄膜(9)或ZnO纳米线(11)的下面采用热蒸镀、电子束蒸镀、化学气相沉积、磁控激射或涂覆的方法制备透明介质薄膜(10)或掺杂质量浓度为2～30％的掺有黄光荧光粉的透明介质薄膜(10)，透明介质薄膜(10)的材料是SiO2、ZrO2、TiO2、Ta2O5或HFO2；
E、光刻去掉衬底(1)5～20％衬底面上的ZnO薄膜(9)、ZnO纳米线(11)和透明介质薄膜(10)；
F、在露出的衬底(1)的衬底面上采用光刻胶剥离工艺蒸镀下电极(7)，下电极7材料为Au、Ni-Au、Ti-Au、Zn-Au、Pt-Au、Ti-Pt-Au、Ti-Ni-Au或Ni-Pt-Au，蒸镀下电极(7)的方法是热蒸镀、电子束蒸镀或磁控激射方法；
G、划片，从而制备得到边长200微米～3毫米的方形管芯；将管芯倒装，即将上电极6焊接在热沉或支架上，便制备得到发光管。
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