CN103325893A - 基于非单晶衬底的GaN基LED外延片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非单晶衬底的GaN基LED外延片，其包括非单晶衬底（1）、结晶过渡结构（2）、n-GaN层（3）、发光层（4）和p-GaN（5）；所述的非单晶衬底是可用于大面积生产的非单晶衬底；所述的n-GaN层、发光层和p-GaN是采用低温外延生长技术制备的GaN基外延层。根据本发明提供的GaN基LED外延片，其可突破单晶衬底尺寸限制，可实现大面积的GaN基面光源和主动发光的平板显示器件。

Description

基于非单晶衬底的GaN基LED外延片

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种基于非单晶衬底的GaN基LED外延片。

背景技术

上个世纪90年代初，GaN基发光二极管（LED）的发明使得大屏幕全彩显示和固态照明的应用成为可能。在研究人员的长期努力下，目前商品化GaN基白光LED芯片的流明效率已经超过130lm/W，几乎是传统荧光灯的2倍。在室外照明领域、液晶背光照明领域，LED已经展示了其长寿命、节能环保的优势。下一阶段，LED照明的主要发展目标是进入室内通用照明领域。

LED是固态照明和显示的核心器件，而外延片则是LED的材料基础。正是有了高质量的基于Al₂O₃、SiC、Si等单晶衬底GaN基外延片，人们才能制作出高发光效率、长寿命的GaN基LED，从而用于固态照明和显示领域。目前，GaN基LED已经广泛用于室外照明、室外全彩色大屏等，下一阶段的主要发展目标就是室内通用照明和平板显示领域。

然而，LED进入室内照明尚存在以下问题：

（1）LED眩光严重，人眼舒适度差。

传统的荧光灯管表面积较大，亮度较低且比较均匀。而目前的LED是一种点光源，亮度比荧光灯高了4个数量级，且很难保证均匀性。直接用于室内照明，会产生严重的眩光现象，造成人眼的不适。

（2）照明成本高。

LED尽管具有发光效率的优势，成本也远远高于荧光灯，主要原因在于分立半导体器件的制作方式。目前发光二极管照明的技术链是“材料外延—芯片制造—器件封装—模组和灯具”，即首先在蓝宝石单晶衬底上外延GaN基晶体薄膜材料，接着通过电极制作、划片等工艺并将其加工成多个分立的芯片，然后将每一颗芯片分别涂覆荧光粉并封装起来制成发光二极管器件，最后将分立的发光二极管器件组合在一起形成照明光源。可以看到，这条技术链包括了太多的工艺步骤，使得发光二极管照明的成本在原理上就很难降到传统荧光灯的水平。

LED用于平板显示的应用中也存在如下问题：

（1）液晶显示（LCD）的背光源。LCD是目前最主流的平板显示技术。但是，它属于被动式发光，即发光来自背光模块（目前大部分是LED背光源），液晶仅用于控制背光的透过率，实际从液晶屏发出的光的亮度已经被衰减至背光亮度的大约1/20，能量利用效率低。此外，人们探索一种动态驱动的液晶背光模组，但难于解决暗画面的细节显示等问题。这些都是非主动发光方式所无法克服的缺点。

（2）LED显示屏。LED显示屏是目前能量利用效率最高的显示技术，目前在户外的大尺寸平板显示占据统治地位。但现有LED显示屏进入室内却存在极大的困难，一方面LED大屏的制造成本昂贵，和LCD相比很难让市场接受；另一方面，现有的LED尺寸以及它们的间距很难进一步减小，从而影响了室内LED显示屏的分辨率。

综上所述，基于现有LED芯片的照明和显示技术，无法摆脱制造成本高、亮度过高、点光源眩光等问题，难于进入室内照明和平板显示的市场。从照明和显示的需求看，最容易为人们所接受的大面积的面光源，单位面积具有适中的发光亮度，可以直接用于照明灯具和显示器的制造，这就需要大面积（尺寸为米级）的LED面光源外延片。

对于GaN基LED来说，生长高质量的GaN外延片是必不可少的，一般要求衬底为单晶体材料，并且和GaN单晶薄膜尽量晶格匹配，目前普遍采用单晶Al₂O₃或Si衬底。不幸的是，目前商用的Al₂O₃、Si单晶衬底，最大直径很难超过10英寸，根本不可能在单片衬底上直接制作出显示器件或面光源。另一方面，那些可以用于显示器件和面光源的大面积衬底，如浮法玻璃、不锈钢等，都不是单晶材料，并和GaN难以实现晶格匹配，从而很难生长单晶GaN薄膜。

经过长期努力，人们在玻璃、金属上沉积单晶GaN方面取得了一些进展，但是离在大面积非单晶衬底上制作可用于LED的外延片还有很远的距离。日本东京大学的Hiroshi Fujioka小组采用脉冲激光沉积、脉冲溅射沉积等低温外延生长方式，在Mo、Ag衬底上制备了GaN、AlN薄膜材料，表现出良好的单晶特性。但没有制作出LED所需的pn结外延结构，另外所采用的Mo、Ag，均为处于的单晶状态，而非可大面积制作的多晶金属。三星先进技术研究所的Jun Hee Choi研究小组，通过预取向层和选择性区域外延的方法，在玻璃生长近单晶GaN薄膜、并初步实现发光二极管电注入发光。但是所涉及的制作技术必须在1000℃左右的高温条件下进行，只能采用耐高温的石英玻璃，无法用于普通玻璃。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种GaN基LED外延片，其可突破单晶衬底尺寸限制，可实现大面积的GaN基面光源和主动发光的平板显示器件。

（二）技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种基于非单晶衬底的GaN基LED外延片，包括非单晶衬底、结晶过渡结构、n-GaN层、发光层和p-GaN；所述的非单晶衬底为用于大面积生产的非单晶衬底；所述的n-GaN层、发光层和p-GaN采用低温外延生长技术制备的GaN基外延层。

优选地，所述非单晶衬底的最大边长不小于1米。

优选地，所述低温为生长温度不超过500℃。

优选地，所述的非单晶衬底是玻璃、金属或陶瓷。

优选地，所述的非单晶衬底为硼硅玻璃或者浮法玻璃。

优选地，所述的非单晶衬底为Ti、Zr、Hf、Fe、Cr、Mo、W、Ni、Pt、Ag、Al的一种或其中任意选取的至少两种的合金。

优选地，所述的非单晶衬底为不锈钢。

优选地，GaN基LED外延片的n-GaN层、发光层和p-GaN采用等离子体增强型的金属有机物化学气相沉积的GaN基外延层。

优选地，GaN基LED外延片的n-GaN层、发光层和p-GaN采用等离子体增强型的分子束外延的GaN基外延层。

优选地，GaN基LED外延片的n-GaN层、发光层和p-GaN是采用磁控溅射外延（MSE）的GaN基外延层。

优选地，所述的结晶过渡结构为带有一定结晶取向、与GaN具有类似的晶格排列结构的异质薄膜。

优选地，所述的结晶过渡结构至少包括结晶取向层、结晶成核层和结晶限制层。

优选地，所述的结晶取向层为AlN、GaN、Ti或ZnO薄膜。

优选地，所述的结晶成核层为AlN或GaN薄膜。

优选地，所述的结晶限制层为SiO₂或SiN_x薄膜。

（三）有益效果

根据本发明提供的GaN基LED外延片，其可突破单晶衬底尺寸限制，可实现大面积的GaN基面光源和主动发光的平板显示器件。、

附图说明

图1是本发明提供的基于非单晶衬底的GaN基LED外延片的结构示意图；

其中，1：非单晶衬底；2：结晶过渡结构；3：n-GaN层；4：GaN基发光层；5：p-GaN层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供的基于非单晶衬底的GaN基LED外延片包括非单晶衬底1、结晶过渡结构2、n-GaN层3、发光层4和p-GaN5；所述的非单晶衬底1为用于大面积生产的非单晶衬底；所述的n-GaN层3、发光层4和p-GaN5采用低温外延生长技术制备的GaN基外延层。

其中，非单晶衬底1是可用于大面积（最大边长不小于1米）生产的非单晶衬底。非单晶衬底1可以是玻璃、金属或陶瓷。非单晶衬底1为玻璃时，可以采用硼硅玻璃、浮法玻璃或其他玻璃材料。非单晶衬底1为金属时，可以采用Ti、Zr、Hf、Fe、Cr、Mo、W、Ni、Pt、Ag、Al等的一种或其中若干种的合金，或者，可以采用不锈钢。

其中，结晶过渡结构2可以为带有一定结晶取向、与GaN具有类似的晶格排列结构的异质薄膜。结晶过渡结构2至少包括结晶取向层、结晶成核层和结晶限制层。结晶过渡结构2中的结晶取向层，可以采用AlN、GaN、Ti、ZnO等薄膜。

结晶过渡结构2中的结晶成核层，可以采用AlN、GaN等薄膜。结晶过渡结构2中的结晶限制层，可以采用SiO₂、SiN_x等薄膜。

其中，n-GaN层3、发光层4和p-GaN层5可以是采用低温（生长温度不超过500℃）外延生长技术制备的GaN基外延层。

n-GaN层3、发光层4和p-GaN层5可以是采用等离子体增强型的金属有机物化学气相沉积（PE-MOCVD）的GaN基外延层。

n-GaN层3、发光层4和p-GaN层5可以是采用等离子体增强型的分子束外延（PE-MBE）的GaN基外延层。

n-GaN层3、发光层4和p-GaN层5可以是采用磁控溅射外延（MSE）的GaN基外延层。

以下举例说明根据本发明提供的基于非单晶衬底的GaN基LED外延片的制作方法。

以不锈钢作为衬底，通过电子束蒸发沉积厚度约150纳米的Ti薄膜作为结晶取向层，Ti薄膜的c轴方向与衬底表面垂直。

采用PE-MOCVD，在Ti薄膜上沉积厚度约200纳米的GaN，作为结晶成核层。气源为Ga(CH₃)₃，NH₃和H₂。GaN的c轴方向和结晶取向层相同。

采用PECVD、接触式光刻和反应离子刻蚀制作，制作出带有直径约2μm的矩形或圆形孔的SiO₂作为结晶限制层。

采用PE-MOCVD，在Ti薄膜上外延生长厚度约200纳米的GaN。选择性外延生长厚度约700纳米的n-GaN层3，气源为Ga(CH₃)₃，NH₃和H₂。

生长5个周期的InGaN（2.0nm）/GaN（19.4nm）的多量子阱作为发光层，200nm厚的掺Mg p型GaN层5。

实施例2

以硼硅3.3玻璃作为衬底，沉积厚度约200纳米的AlN薄膜作为结晶取向层，AlN薄膜的c轴方向垂直与衬底表面。

采用PE-MBE，在ZnO薄膜上沉积厚度约200纳米的GaN，作为结晶成核层，其c轴方向和结晶取向层相同。

采用磁控溅射、接触式光刻和反应离子刻蚀制作，制作出带有直径为1.6μm的矩形或圆形孔的SiO₂，作为结晶限制层。

采用PE-MBE，在结晶限制层上，生长厚度约500纳米的单晶n-GaN薄膜3。

生长5个周期的InGaN（2.0nm）/GaN（19.4nm）的多量子阱发光层4，200nm厚的掺Mg p型GaN层5。

实施例3

以AlN陶瓷作为衬底，通过退火在表面形成一个c轴方向垂直于衬底的AlN层作为结晶取向层。

采用MSE，在AlN上沉积厚度约200纳米的GaN，作为结晶成核层3。GaN通过N₂反应溅射Ga靶而成，其c轴方向和结晶取向层相同。

采用PECVD、接触式光刻和反应离子刻蚀制作，制作出带有直径为2.4μm的矩形或圆形孔的SiO₂，作为结晶限制层。

采用MSE，在结晶限制层4上，选择性外延生长厚度约700纳米的单晶n-GaN薄膜3，GaN通过N₂反应溅射Ga靶而成。

生长5个周期的InGaN（2.0nm）/GaN（19.4nm）的多量子阱发光层4，200nm厚的掺Mg p型GaN层5。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种基于非单晶衬底的GaN基LED外延片，其特征在于：包括非单晶衬底（1）、结晶过渡结构（2）、n-GaN层（3）、发光层（4）和p-GaN（5）；所述的非单晶衬底（1）为用于大面积生产的非单晶衬底；所述的n-GaN层（3）、发光层（4）和p-GaN（5）采用低温外延生长技术制备的GaN基外延层。

2.根据权利要求1所述的GaN基LED外延片，其特征在于，所述非单晶衬底（1）的最大边长不小于1米。

3.根据权利要求1或2所述的GaN基LED外延片，其特征在于，所述低温为生长温度不超过500℃。

4.根据权利要求1或2所述的GaN基LED外延片，其特征在于，所述的非单晶衬底（1）是玻璃、金属或陶瓷。

5.根据权利要求4所述的GaN基LED外延片，其特征在于，所述的非单晶衬底（1）为硼硅玻璃或者浮法玻璃。

6.根据权利要求4所述的GaN基LED外延片，其特征在于，所述的非单晶衬底（1）为Ti、Zr、Hf、Fe、Cr、Mo、W、Ni、Pt、Ag、Al的一种或其中任意选取的至少两种的合金。

7.根据权利要求4所述的GaN基LED外延片，其特征在于：所述的非单晶衬底（1）为不锈钢。

8.根据权利要求1所述的GaN基LED外延片，其特征在于：GaN基LED外延片的n-GaN层（3）、发光层（4）和p-GaN（5）采用等离子体增强型的金属有机物化学气相沉积的GaN基外延层。

9.根据权利要求1所述的GaN基LED外延片，其特征在于：GaN基LED外延片的n-GaN层（3）、发光层（4）和p-GaN（5）采用等离子体增强型的分子束外延的GaN基外延层。

10.根据权利要求1所述的GaN基LED外延片，其特征在于：GaN基LED外延片的n-GaN层（3）、发光层（4）和p-GaN（5）是采用磁控溅射外延（MSE）的GaN基外延层。

11.根据权利要求1所述的GaN基LED外延片，其特征在于，所述的结晶过渡结构（2）为带有一定结晶取向、与GaN具有类似的晶格排列结构的异质薄膜。

12.根据权利要求1所述的GaN基LED外延片，其特征在于，所述的结晶过渡结构（2）至少包括结晶取向层、结晶成核层和结晶限制层。

13.根据权利要求12所述的GaN基LED外延片，其特征在于，所述的结晶取向层为AlN、GaN、Ti或ZnO薄膜。

14.根据权利要求12所述的GaN基LED外延片，其特征在于，所述的结晶成核层为AlN或GaN薄膜。

15.根据权利要求12所述的GaN基LED外延片，其特征在于，所述的结晶限制层为SiO₂或SiN_x薄膜。

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