CN104600145A - 一种带有漏电限制层的光电器件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种带有漏电限制层的光电器件及制备方法，其中带有漏电限制层的三维微纳发光器件包括初始发光器件、漏电限制层、透明导电层、p型电极和n型电极；初始发光器件自下而上依次有衬底、三族氮化物成核层和缓冲层、n型三族氮化物层、图形化掩蔽膜、选择性外延生长的n型三族氮化物结构、三族氮化物有源层、p型三族氮化物覆盖层；漏电限制层包裹在初始发光器件最外层的p型三族氮化物覆盖层的部分区域；透明导电层沉积在初始发光器件正面，p型电极设置在透明导电层上，n型电极设在n型三族氮化物层上或衬底底部。本发明在电子器件中制备漏电限制层，使其电子器件具有漏电流小，低电流注入发光，漏电限制层可控等特点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光器件的领域，具体涉及一种带有漏电限制层的光电器件及制备方法。
背景技术
三族氮化物（III-N）发光器件因为其材料具备宽禁带、直接带隙、高热导率等特征，在短波长发光器件、白光发光器件等方面已有广泛应用。目前商用的蓝光、白光LED基本使用三族氮化物（III-N）制备。预计在不久的将来，照明、显示市场将被三族氮化物（III-N）发光器件占领。因此，越来越多研究组对高效率、低成本的三族氮化物（III-N）发光器件投入关注。由于大尺寸三族氮化单晶材料生长十分困难，这使得同质外延生长难以大规模实现。目前主要是采用异质外延生长的办法在蓝宝石、碳化硅、硅等衬底上生长。然而，异质外延生长存在晶格常数差异和热膨胀系数差异等问题，使得异质衬底上生长的三族氮化物薄膜（III-N）存在容易龟裂、位错密度大和应力大等问题，导致器件有较大的漏电通道，极大地影响器件性能，因此如何提高异质外延层的晶体质量是各研究组关心的问题。此外，最大限度地抑制漏电流，提高发光器件单位面积的光输出功率，也是各研究组关注的方向。
另一方面，三维微纳发光器件，相比于传统平面结构发光器件在众多方面展现了其独特优势。由于三维微纳发光器件具有三维结构，有缘区铺在三维结构表面，从而使得其面积大幅度增加并有可能大于衬底面积，有缘层面积增大是三维微纳发光器件的显著优势，此外三维微纳发光器件还具有压力小和位错密度低的优势。目前，三维微纳发光器件研究都是集中于集成式微纳发光器件方向，例如A-LBavencove研究组制备的电驱动InGaN/GaN量子阱微纳发光器件，但是大量集成的微纳发光器件存在发光不均匀，大部分微纳单元电注入失效的问题。因此有需要去研究独立三维微纳发光器件的问题，以及如何去减少微纳发光器件的漏电流以提高器件电流注入效率。
发明内容
为解决现有技术中发光器件的光电材料因位错导致的大量漏电通道导致电注入失效问题，本发明首先提出一种带有漏电限制层的三维微纳发光器件，其漏电限制层的存在很大程度的抑制了漏电通道，减少了漏电流，提高了器件电流注入效率和光输出效率。
本发明的又一目的是提出一种带有漏电限制层的三维微纳发光器件的制备方法，采用该方法制备出的三维微纳发光器件，能够解决了现有三维微纳器件漏电流大电流注入效率低等问题。
本发明的又一目的是提出一种带有漏电限制层的三维肖特基二极管器件，能够降低肖特基二极管等电子器件的漏电流。为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种带有漏电限制层的三维微纳发光器件，包括初始发光器件、漏电限制层、透明导电层、p型电极和n型电极；
其中初始发光器件自下而上依次有衬底、三族氮化物成核层和缓冲层、n型三族氮化物层、图形化掩蔽膜、选择性外延生长的n型三族氮化物结构、三族氮化物有源层、p型三族氮化物覆盖层；
所述漏电限制层制作在初始发光器件的p型三族氮化物覆盖层上且使初始发光器件的金字塔尖端部分露出；
所述透明导电层沉积在初始发光器件和漏电限制层的正面，p型电极设置在透明导电层上，n型电极设置在n型三族氮化物层上或n型衬底的底部。
上述周期性孔洞结构的图形化掩蔽膜在制备时，需要再其上面开口，使n型三族氮化物层露出。
该带有漏电限制层的三维微纳发光器件，其带有的漏电限制层极大程度抑制了漏电流，使得器件可以在低电流下注入发光。n型电极设置在n型三族氮化物层上时，“电流从p型电极注入，从正面的n型电极流出”的水平导通电驱动的带有漏电限制层的三维微纳发光器件；n型电极设置在衬底的底部时，“电流从p型电极注入，从背面的n型电极流出”的垂直导通电驱动的带有漏电限制层的三维微纳发光器件。
进一步的，所述选择性外延生长的n型三族氮化物结构、三族氮化物有源层和p型三族氮化物覆盖层构成三维立体结构，包括但不限于六角金字塔结构、六角棱柱结构或条带状结构等三维立体结构，其中条带状结构的横截面为三角形或者梯形结构。
进一步的，所述带有漏电限制层的三维微纳发光器件为单个或多个，多个时则呈阵列型分布。
一种带有漏电限制层的三维微纳发光器件的制备方法，包括下列步骤：
步骤1：在衬底上生长三族氮化物成核层和缓冲层；
步骤2：在三族氮化物成核层和缓冲层上生长n型三族氮化物层；
步骤3：在n型三族氮化物层上制备图形化掩蔽膜，且使n型三族氮化物层露出；
步骤4：在上述图形化掩蔽膜上依次选择性外延生长n型三族氮化物结构、三族氮化物有源层及p型三族氮化物覆盖层；
通过上述步骤1至4制备出初始发光器件；
步骤5：在p型三族氮化物覆盖层外层制备一层漏电掩蔽膜；
步骤6：在已经制备出的漏电限制薄蔽膜上选择性腐蚀露出初始发光器件的金字塔尖端部分，保留在金字塔侧壁的漏电限制薄膜即为所述完整的漏电限制层；
通过上述步骤5至6制备出漏电限制层结构；
步骤7：在初始发光器件和漏电限制层正面沉积透明导电层，与顶端露出的p型三族氮化物覆盖层形成欧姆接触；
步骤8：在透明导电层上制备p型电极，在n型三族氮化物层上或衬底的底部制备n型电极。
本制备方法可通过控制覆盖在漏电掩蔽膜的光刻胶覆盖区域和腐蚀工艺条件，从而控制漏电限制层的大小与位置，从而制备漏电限制层结构。
进一步的，所述选择性外延生长的n型三族氮化物结构、三族氮化物有源层和p型三族氮化物覆盖层构成三维立体结构，包括但不限于六角金字塔结构、六角棱柱结构或条带状结构等三维立体结构，其中条带状结构的横截面为三角形或者梯形结构。
进一步的，所述带有漏电限制层的三维微纳发光器件为单个或多个，多个时则呈阵列型分布。
进一步地，所述衬底为Si衬底、蓝宝石衬底、SiC衬底、GaN衬底、ZnO衬底或AlN衬底中的任意一种。
进一步地，所述三族氮化物为AlN、GaN、InN、不同组分的AlGaN、InGaN、AlInN、AlInGaN的单层或复合层结构；
所述生长方法为金属有机气相化学沉积、分子束外延或化学气相沉积。
进一步地，所述三族氮化物有源层为量子阱结构或量子点结构。
进一步地，所述图形化掩蔽膜与漏电限制层的厚度范围在1 nm-500 nm，所述图形化掩蔽膜与漏电限制层的材料为SiO2或SiNx，制备图形化掩蔽膜与漏电限制层的方法为PECVD或磁控溅射。在实际制备过程中，图形化掩蔽膜与漏电限制层的厚度和材料可相同也可不同。
进一步地，所述图形化掩蔽膜的图形结构为为周期性多边形结构、圆形结构或条形结构，其中多边形结构包括但不限于三角形结构、四边形结构或六边形结构。
通过改变周期性的图形化掩蔽膜的具体图样结构，从而控制微纳发光器件的位置与尺寸，通过改变选择区域腐蚀，可以控制漏电限制层的位置与尺寸。
一种带有漏电限制层的三维肖特基二极管器件，自下而上依次包括有衬底、三族氮化物成核层和缓冲层、图形化掩蔽膜、选择性外延生长的n型三族氮化物结构和制备在n型三族氮化物结构层的漏电限制层；其中漏电限制层使n型三族氮化物结构的金字塔尖端部分露出，并在未被漏电限制层覆盖的n型三族氮化物结构的金字塔尖端部分制备p型电极，在衬底背部制备n型电极。
更进一步的，所述带有漏电限制层的三维肖特基二极管器件为单个或多个，多个时则呈阵列型分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明的三维微纳发光器件，漏电限制层的存在很大程度的抑制了由于位错带来的漏电通道，减少了器件的漏电流，提高了器件电流注入效率和光输出效率。
2.本发明的三维微纳发光器件可以实现独立微纳器件的电驱动也可以实现集成阵列式微纳器件的电驱动。
3.本发明的三维微纳发光器件中的图形化掩蔽膜的具体图样可周期性改变，从而能够选控三维微纳发光器件的位置与尺寸，还可通过改变选择区域腐蚀的条件，来控制漏电限制层的位置与尺寸。
4.本器件可以提高发光器件的电流注入效率从而实现低电流注入发光。
5.本制备方法制备的漏电限制层不仅可以用来限制漏电流，还可以当做掩蔽膜，选择性露出低位错甚至无位错三维结构区域，为进一步高性能器件制备提供条件。
6.本制备方法制备的漏电限制层除了可以用来降低三维微纳发光器件的漏电流，也可以用来抑制降低如肖特基二极管等电子器件的漏电流。
附图说明
图1A是本发明实施例1提供的单个独立的带有漏电限制层的三维微纳发光器的截面结构示意图。
图1B是本发明实施例1提供的单个独立的带有漏电限制层的三维微纳发光器的三维结构示意图。
图2是本发明实施例1提供的单个独立的带有漏电限制层的三维微纳发光器的制备过程示意图。
图3A是本发明实施例1提供的单个独立的带有漏电限制层的三维微纳发光器的未制备电极SEM示意图。
图3B是本发明实施例1提供的单个独立的带有漏电限制层的三维微纳发光器的已制备电极SEM示意图。
图4A是本发明实施例2提供的单个独立的带有漏电限制层的三维微纳发光器件的截面结构示意图。
图4B是本发明实施例2提供的单个独立的带有漏电限制层的三维微纳发光器件的三维结构示意图。
图5A是本发明实施例3提供的单个独立的带有漏电限制层的三维微纳发光器件的截面结构示意图。
图5B是本发明实施例3提供的单个独立的带有漏电限制层的三维微纳发光器件的三维结构示意图。
图6A是本发明实施例4提供的呈阵列型的带有漏电限制层的三维微纳发光器件的截面结构示意图。
图6B是本发明实施例4提供的呈阵列型的带有漏电限制层的三维微纳发光器件的三维结构示意图。
图7A是本发明实施例5提供的呈阵列型的带有漏电限制层的三维微纳发光器件的截面结构示意图。
图7B是本发明实施例5提供的呈阵列型的带有漏电限制层的三维微纳发光器件的三维结构示意图。
图8A是本发明实施例6提供的单个独立的带有漏电限制层的三维肖特基二极管器件的截面结构示意图。
图8B是本发明实施例6提供的单个独立的带有漏电限制层的三维肖特基二极管器件的三维结构示意图。
图9A是本发明实施例7提供的呈阵列型的带有漏电限制层的三维肖特基二极管器件的截面结构示意图。
图9B是本发明实施例7提供的呈阵列型的带有漏电限制层的三维肖特基二极管器件的三维结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
实施例1
如图1，一种带有漏电限制层的三维微纳发光器件，包括初始发光器件、漏电限制层8、透明导电层9、p型电极10和n型电极11；
其中初始发光器件自下而上依次有衬底1、三族氮化物成核层和缓冲层2、n型三族氮化物层3、图形化掩蔽膜4、选择性外延生长的n型三族氮化物结构5、三族氮化物有源层6、p型三族氮化物覆盖层7；其中选择性外延生长的n型三族氮化物结构5、三族氮化物有源层以及p型三族氮化物覆盖层7三层结构组成的结构体是六角金字塔结构。
所述漏电限制层8制备在初始发光器件的p型三族氮化物覆盖层7的外壁部分区域。
所述透明导电层9沉积在初始发光器件与漏电限制层8的正面，p型电极10设置在透明导电层9上，n型电极11设置在n型三族氮化物层3上。
如图2所示，提供了一种带有漏电限制层的三维微纳发光器件的制备方法，其包括以下步骤：
步骤1：在衬底1上依次外延生长三族氮化物成核层和缓冲层2、n型三族氮化物层3；其中三族氮化物成核层和缓冲层2为AlN成核层和AlGaN缓冲层，n型三族氮化物层3为n型GaN层；
步骤2：在n型三族氮化物层3上制备周期性孔洞结构的图形化掩蔽膜4；该图形化掩蔽膜4的厚度为100 nm，图样为周期为60 μm，开孔直径为5 μm的周期性圆洞，其材料为SiO2；
步骤3：在上述图形化掩蔽膜4上选择性外延生长依次生长出n型三族氮化物结构5、三族氮化物有源层6以及p型三族氮化物覆盖层7，本实施例中的选择性外延生长的以上三层结构体是六角金字塔结构，其中n型三族氮化物结构5为n型GaN基金字塔结构，三族氮化物有源层6为InGaN有源层，p型三族氮化物覆盖层7为p型GaN结构覆盖层；
通过上述步骤1至3制备出初始发光器件；
步骤4：在初始发光器件的p型三族氮化物覆盖层外层7制备一层厚度为100nm的漏电限制膜8，其材料为SiO2；
步骤5：在已经制备出的漏电限制薄膜上选择性腐蚀露出初始发光器件的金字塔尖端部分，保留在金字塔侧壁的漏电限制薄膜即为所述完整的漏电限制层8。
步骤4至5制备出漏电限制层8；
步骤6：在初始发光器件正面沉积透明导电层9，与p型三族氮化物六角金字塔结构覆盖层8形成欧姆接触；在透明导电层9上制备p型电极10，在n型三族氮化物层3上制备n型电极11。
通过上述制备步骤，成功制备出电流从p型电极注入，从正面的n型电极流出的水平导通电驱动的单个独立的带有漏电限制层的三维微纳发光器件。
实施例2
如图4，本实施例采用与实施例1基本一致的器件结构和制备流程，其中把实施例1中的成核AlN层和缓冲AlGaN层，n型GaN层替换为实施例2中的n型AlGaN导电成核层201。另外，把实施例1中正面的n型电极替换为实施例2中在Si衬底底部制作背面的n型电极11，从而成功制备出电流从p型电极注入，从背面n型电极流出的垂直导通电驱动的单个独立的带有漏电限制层的三维微纳发光器件。
实施例3
如图5，本实施例采用与实施例2基本一致的外延结构、器件结构和制备流程，其中把实施例2中的图形化掩蔽膜4的图样改为周期为60 μm，宽度为5 μm，长度为500 μm的周期性条带结构，同时把外延结构中n型GaN基六角金字塔结果、InGaN有源层与p型GaN覆盖层三层构成的金字塔结构替换为实施例3中的条带状结构（横截面为三角形），而所诉的漏电限制层覆盖在条带状结构（横截面为三角形）的侧壁部分区域。本实施例为电流从p型电极注入，从背面n型电极流出的垂直导通电驱动的单个独立的带有漏电限制层的三维微纳发光器件。
实施例4
如图6，本实施例采用与实施例2基本一致的外延结构、器件结构和制备流程，其中把实施例2中的单个独立的带有漏电限制层的三维微纳发光器件替换为实施例4中呈阵列型的带有漏电限制层的三维微纳发光器件。此呈阵列型的带有漏电限制层的三维微纳发光器件包含多个独立的带有漏电限制层的三维微纳发光器件。
实施例5
如图7，本实施例采用与实施例3基本一致的外延结构、器件结构和制备流程，其中把实施例3中的单个独立的带有漏电限制层的三维微纳发光器件替换为实施例5中呈阵列型的带有漏电限制层的三维微纳发光器件。此呈阵列型的带有漏电限制层的三维微纳发光器件包含多个独立的内带有漏电限制层的三维微纳发光器件。
实施例6
如图8，本实施例中漏电限制层不是应用在发光器件，而是应用于电子器件。
本实施例采用跟实施例3基本一致的外延流程和漏电限制层制备流程，同样采用一样的图形化掩膜，图形为周期为60 μm，宽度为5 μm，长度为500 μm的周期性条带结构。不同点在于步骤3中只外延生长出n型GaN基条带状结构5（横截面为三角形），而没有生长出InGaN有源层和p型GaN基覆盖层，而漏电限制层8直接制备在n型GaN基条带状结构5上，然后在电极制备方面，是在n型GaN基条带状结构（横截面为三角形）5上未被漏电限制层8覆盖的顶尖部分制备p型电极10（金属电极），并与n型GaN基条带状结构5形成肖特基接触，而在Si衬底底部制备背电极，从而形成单个独立的带有漏电限制层的三维肖特基二极管器件。
实施例7
如图9，本实施例采用与实施例6基本一致的外延结构、器件结构和制备流程，其中把实施例6中的单个独立的带有漏电限制层的三维肖特基二极管器件替换为实施例7中呈阵列型的带有漏电限制层的三维肖特基二极管器件。此呈阵列型的带有漏电限制层的三维肖特基二极管器件包含多个独立的内带有漏电限制层的三维肖特基二极管器件。
以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种带有漏电限制层的三维微纳发光器件，其特征在于，包括初始发光器件、漏电限制层（8）、透明导电层（9）、p型电极（10）和n型电极（11）；
其中初始发光器件自下而上依次有衬底（1）、三族氮化物成核层和缓冲层（2）、n型三族氮化物层（3）、图形化掩蔽膜（4）、选择性外延生长的n型三族氮化物结构（5）、三族氮化物有源层（6）、p型三族氮化物覆盖层（7）；
所述漏电限制层（8）制作在初始发光器件的p型三族氮化物覆盖层（7）上且使初始发光器件的金字塔尖端部分露出；
所述透明导电层（9）沉积在初始发光器件和漏电限制层（8）的正面，p型电极（10）设置在透明导电层（9）上，n型电极（11）设置在n型三族氮化物层（3）上或n型衬底（1）的底部。
2.根据权利要求1所述的带有漏电限制层的三维微纳发光器件，其特征在于，所述选择性外延生长的n型三族氮化物结构（5）、三族氮化物有源层（6）和p型三族氮化物覆盖层（7）构成三维立体结构，为六角金字塔结构、六角棱柱结构或条带状结构，其中条带状结构的横截面为三角形或者梯形结构。
3.根据权利要求1或2所述的带有漏电限制层的三维微纳发光器件，其特征在于，所述带有漏电限制层的三维微纳发光器件为单个或多个，多个时则呈阵列型分布。
4.一种带有漏电限制层的三维微纳发光器件的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：
步骤1：在衬底（1）上生长三族氮化物成核层和缓冲层（2）；
步骤2：在三族氮化物成核层和缓冲层（2）上生长n型三族氮化物层（3）；
步骤3：在n型三族氮化物层（3）上制备图形化掩蔽膜（4）；
步骤4：在上述图形化掩蔽膜（4）上依次选择性外延生长n型三族氮化物结构（5）、三族氮化物有源层（6）及p型三族氮化物覆盖层（7）；
通过上述步骤1至4制备出初始发光器件；
步骤5：在p型三族氮化物覆盖层（7）外层制备一层漏电掩蔽膜；
步骤6：在已经制备出的漏电限制薄蔽膜上选择性腐蚀露出初始发光器件的金字塔尖端部分，保留在金字塔侧壁的漏电限制薄膜即为所述完整的漏电限制层（8）；
通过上述步骤5至6制备出漏电限制层结构（8）；
步骤7：在初始发光器件和漏电限制层（8）正面沉积透明导电层（9），与顶端露出的p型三族氮化物覆盖层（7）形成欧姆接触；
步骤8：在透明导电层（9）上制备p型电极（10），在n型三族氮化物层（3）上或衬底（1）的底部制备n型电极（11）。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述选择性外延生长的n型三族氮化物结构（5）、三族氮化物有源层（6）和p型三族氮化物覆盖层（7）构成三维立体结构，为六角金字塔结构、六角棱柱结构或条带状结构，其中条带状结构的横截面为三角形或者梯形结构。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述带有漏电限制层的三维微纳发光器件为单个或多个，多个时则呈阵列型分布。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述图形化掩蔽膜（4）与漏电限制层（8）的厚度范围在1 nm-500 nm，所述图形化掩蔽膜（4）与漏电限制层（8）的材料为SiO2或SiNx，制备图形化掩蔽膜（4）与漏电限制层（8）的方法为PECVD或磁控溅射。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述图形化掩蔽膜（4）的图形结构为周期性多边形结构、圆形结构或条形结构。
9.一种带有漏电限制层的三维肖特基二极管器件，其特征在于，自下而上依次包括有衬底（1）、三族氮化物成核层和缓冲层（2）、图形化掩蔽膜（4）、选择性外延生长的n型三族氮化物结构（5）和制备在n型三族氮化物结构（5）外层的漏电限制层（8）；其中漏电限制层（8）使n型三族氮化物结构（5）的金字塔尖端部分露出，并在未被漏电限制层（8）覆盖的n型三族氮化物结构（5）的金字塔尖端部分制备p型电极（10），在衬底（1）背部制备n型电极（11）。
10.根据权利要求9所述的带有漏电限制层的三维肖特基二极管器件，其特征在于，所述带有漏电限制层的三维肖特基二极管器件为单个或多个，多个时则呈阵列型分布。
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|---|---|---|---|
| CN201410828949.0A CN104600145A (zh) | 2014-12-25 | 2014-12-25 | 一种带有漏电限制层的光电器件及制备方法 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN105742958A (zh) * | 2016-02-23 | 2016-07-06 | 中山大学 | 一种带有dbr掩膜的三族氮化物发光器件及制备方法 |
| CN106099641A (zh) * | 2016-07-08 | 2016-11-09 | 燕山大学 | 一种半导体激光器的制备方法 |
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2014
- 2014-12-25 CN CN201410828949.0A patent/CN104600145A/zh active Pending
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