CN104810448A - 一种横向导通GaN基发光器件生长及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种横向导通GaN基发光器件的生长及制备方法，其中横向导电通道为GaN层和AlGaN层界面处形成的二维电子气。是利用一次外延生长二维电子气形成导电通道，减小横向导通器件的串联电阻。制备过程包括一次外延生长形成的二维电子气导电通道，二次选择区域生长的发光器件结构及器件制备工艺中的透明导电层、p型电极和n型电极。本发明在发光器件中制备二维电子气导电通道，使发光器件具有串联电阻小的特点。

Description

一种横向导通GaN基发光器件生长及制备方法
技术领域
本发明涉及半导体发光器件领域，具体涉及一种带有二维电子气导电通道的横向导通GaN基发光器件生长及制备方法。
背景技术
以GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料具有宽禁带、直接带隙、高热导率等优良的材料性能特点，因而广泛应用于短波长（绿光、蓝光，以至紫外波段）、白光发光器件的制备。随着关键技术的突破，外延材料生长技术的提升，GaN材料的研究越来越活跃，GaN 基器件的发展空前迅猛。
目前，根据GaN外延生长所用的衬底划分，可以分为同质外延和异质外延两种。同质外延，即在GaN体衬底上生长GaN外延层，虽然这种工艺得到的外延层质量很高，但是体衬底的制备工艺复杂、成本高，应用价值太低；相比之下，在硅、蓝宝石、碳化硅等衬底上异质外延生长GaN的成本就低很多，工艺也简单许多，更可能大规模应用。然而，异质外延生长存在着晶格常数失配和热膨胀系数失配等问题，这将导致GaN外延层应力增大，位错密度增多等问题，严重时甚至会发生龟裂，极大地影响了器件的性能。
为了解决上述问题，研究人员采取了不同的方法，如缓冲层、超晶格和横向外延过生长(LEO)外延技等术。其中，横向外延过生长是在已生长的GaN上沉积SiO2或Si3N4掩膜，然后用光刻技术得到SiO2或Si3N4层的窗口作为衬底，进行GaN的二次生长。这样二次生长的GaN应力会部分得到释放，位错密度也得以大大降低。
利用横向外延过生长技术，通过调节生长条件，还可以得到形貌不同的GaN，如六角金字塔形、条形、矩形等等，这些形状的各个面具有不同的极性，相应的特性也完全不同，利用某些半极性面，可以得到压电场相对较小的发光器件，从而减轻了量子斯塔克效应，使得发光效率大大提高。此外，由于各极性面的In并入效率也存在差异，导致各个面的发光波长各不相同，因此只要选择合适的掩膜图形并调节好生长条件，无需荧光粉也能得到白光发光器件。但是，这种横向外延过生长的立体结构和传统的平板结构完全不同，这就对工艺水平提出了更高的要求，特别是电极的制备，由于横向外延过生长的原因，n电极不能制备在离掩膜窗口太近的位置，这就使得电流必须流经一次生长的GaN层，而因为应力问题，这层是无法生长得太厚的，否则就会龟裂，这就引入了一个极大的串联电阻问题。
现有的文献报导都是直接在二次生长的外延层上进行干法刻蚀来制备n电极，这就牺牲了一大部分发光区域，而且电流扩展性也不好，使得大面积发光器件不好实现。另一种方案就是垂直导通结构，也能避免这段横向电流通道，但这就对外延的要求更高，而且也不适用于绝缘衬底。为此，还是必须找到一种能有效减小这部分电阻的办法，以提高其实用性。
发明内容
为解决上述横向外延过生长立体结构发光器件的横向导通大串联电阻问题，本发明首先提出了一种横向导通GaN基发光器件生长及制备方法，该方法利用AlGaN与GaN界面处二维电子气形成横向导通电流通道的解决方案，有效减小了发光器件的串联电阻。
本发明的又一目的是提出一种采用上述方法生长制备的横向导通GaN基发光器件。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种横向导通GaN基发光器件的生长及制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在衬底上生长GaN层；
步骤2：在GaN层上生长AlGaN层；
上述步骤1至2为一次生长阶段；
步骤3：在AlGaN层上制备图形化掩蔽膜，且在图形化掩蔽膜上选择性开口使部分AlGaN层露出；
步骤4：在上述图形化掩蔽膜及露出的AlGaN层上依次选择性外延生长n型GaN层、InGaN/GaN有源层及p型GaN基覆盖层；
上述步骤3和4为二次生长阶段；
步骤5：在p型GaN基覆盖层正面沉积透明导电层，与p型GaN基覆盖层形成欧姆接触；
步骤6：在透明导电层上制备p型电极，在图形化掩蔽膜上还开口露出GaN层或AlGaN层，并在GaN层或AlGaN层露出处制备n型电极；
上述GaN层与AlGaN层界面处为二维电子气导电通道。
本发明的制作方法，是采用金属有机化学气相沉积法（MOVPE）在硅衬底上生长GaN层，并在其上方生长AlGaN层。本发明在AlGaN/GaN异质结构中能极化诱导出二维电子气电流通道，其具有极高的面电子密度和低温电子迁移率，相应的电导率也比较高，有利于电流通过。因此，利用这个特性，本制作方法将原有的n型GaN电流通道替换为二维电子气电流通道，极大地降低了横向导通器件的串联电阻，提高器件的性能与可靠性。
优选的，所述GaN层采用窄禁带材料，AlGaN层采用宽禁带材料；AlGaN层/GaN层材料分别为AlGaN/GaN、GaAs/AlGaAs 、InAlN/ GaN或AlGaN/ AlN/GaN，但不限于为上述材料。
优选的，所述GaN层的掺杂方式为非故意掺杂、n型重掺杂和先n型重掺杂后停止掺杂，所述AlGaN层的掺杂方式为非故意掺杂、n型重掺杂，上述掺杂方式能改善二维电子气导电通道导电特性的情况。
优选的，选择性外延生长的n型GaN层、InGaN/GaN有源层和p型GaN基覆盖层构成三维立体结构，所述三维立体结构包括但不限于六角金字塔结构、六角棱柱结构或条形结构，其中条形结构的横截面为三角形或者梯形结构。
优选的，所述三维立体结构为单个或多个，多个时则呈阵列型分布。
优选的，所述图形化掩蔽膜的厚度范围为1 nm-500 nm，所述图形化掩蔽膜的材料为SiO2或SiNx，制备图形化掩蔽膜的方法为PECVD或磁控溅射。
优选的，所述图形化掩蔽膜的图形样式为条纹、周期性多边形或圆形。
优选的，所述二维电子气导电通道为单层或多层，为二维电子气导电通道为多层时， AlGaN/GaN层呈周期性生长，即包括M层GaN层和M层AlGaN层。
一种应用所述方法制备的横向导通GaN基发光器件，包括由下而上依次生长的衬底、GaN层以及AlGaN层；其中GaN层与AlGaN层界面处为二维电子气导电通道；
还包括生长在AlGaN层上的图形化掩蔽膜；其中在图形化掩蔽膜上选择性开口使部分AlGaN层露出；
还包括在图形化掩蔽膜及露出的AlGaN层上依次选择性外延生长n型GaN层、InGaN/GaN有源层及p型GaN基覆盖层；
还包括沉积在p型GaN基覆盖层正面的透明导电层，制备在透明导电层上的p型电极，以及制备在露出的GaN层或AlGaN层上的n型电极，通过在图形化掩蔽膜上开口是GaN层或AlGaN层露出；该透明导电层与p型GaN基覆盖层形成欧姆接触。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：1）本发明是采用金属有机化学气相沉积法（MOVPE）在硅衬底上生长GaN层，并在其上方生长AlGaN层。2）本发明在AlGaN/GaN异质结构中能极化诱导出二维电子气电流通道，其具有极高的面电子密度和低温电子迁移率，相应的电导率也比较高，有利于电流通过。因此，利用这个特性，本发明能将原有的n型GaN电流通道替换为二维电子气电流通道，极大地降低了横向导通器件的串联电阻，提高器件的性能与可靠性。3）本制备方法可通过优化AlGaN/GaN异质结构生长条件，从而提高二维电子气质量，从而制备导电性能更佳的横向导通电流通道。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的单个独立的六角金字塔发光器件的制备过程示意图。
图2是本发明实施例1提供的单个独立的六角金字塔发光器件的截面结构示意图。
图3是本发明实施例1提供的单个独立的六角金字塔发光器件的三维结构示意图。
图4是本发明实施例2提供的多个阵列的六角金字塔发光器件的截面结构示意图。
图5是本发明实施例2提供的多个阵列的六角金字塔发光器件的三维结构示意图。
图6是本发明实施例3提供的单个独立的条形发光器件的截面结构示意图。
图7是本发明实施例3提供的单个独立的条形发光器件的三维结构示意图。
图8是本发明实施例4提供的多个阵列的条形发光器件的截面结构示意图。
图9是本发明实施例4提供的多个阵列的条形发光器件的三维结构示意图。
图10是本发明实施例5提供的带多层二维电子气导电通道的条形发光器件的截面结构示意图。
图11是本发明实施例5提供的带多层二维电子气导电通道的条形发光器件的三维结构示意图。
图12是本发明实施例6提供的带插指电极的多个阵列的条形发光器件的截面结构示意图。
图13是本发明实施例6提供的带插指电极的多个阵列的条形发光器件的三维结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
1-衬底、2-GaN层、3-AlGaN层、4-图形化掩蔽膜、5-n型GaN层、6- InGaN/GaN有源层、7-p型GaN基覆盖层、8-透明导电层、9-p型电极、10 -n型电极。
实施例1
如图1、2、3所示，提供了一种单个独立的六角金字塔发光器件的制备方法，其包括以下步骤：
步骤1：衬底1上生长GaN层2和AlGaN层3；
步骤2：在AlGaN层3上制备周期性结构的图形化掩蔽膜4；该图形化掩蔽膜4的厚度为100 nm，其材料为SiO2；
步骤3：在上述图形化掩蔽膜4的窗口区上选择性外延生长依次生长出n型GaN层5、InGaN/GaN有源层6以及p型GaN基覆盖层7；
步骤4：在正面沉积透明导电层8，与p型GaN基覆盖层7形成欧姆接触；在透明导电层8上制备p型电极9；
步骤5：周期性腐蚀图形化掩蔽膜4，露出AlGaN层3，在上面制备n型电极10。
通过上述制备步骤，成功制备出电流从p型电极9注入，从正面的n型电极10流出，串联电阻较小的水平导通电驱动的单个独立的六角金字塔发光器件。
所述二维电子气导电通道制备在GaN层2和AlGaN层3之间的界面处。
实施例2
如图4和图5，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中的单个独立的六角金字塔发光器件替换为实施例2中呈阵列型的六角金字塔发光器件。此呈阵列型的六角金字塔发光器件包含多个独立的六角金字塔发光器件。
实施例3
如图6和图7，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中的图形化掩蔽膜4的圆孔图样改为条纹图样。本实施例为电流从p型电极9注入，从正面n型电极10流出的横向导通电驱动的单个独立的条形发光器件。
实施例4
如图8和图9，本实施例采用与实施例3基本一致的器件结构和制备流程，其中把实施例3中的单个独立的条形发光器件替换为实施例2中呈阵列型的条形发光器件。此呈阵列型的条形发光器件包含多个独立的条形发光器件。
实施例5
如图10和图11，本实施例采用与实施例3基本一致的器件结构和制备流程，其中把实施例3中的单层二维电子气导电通道替换为多条二维电子气导电通道。此条形发光器件包含周期性的AlGaN/GaN层。
实施例6
如图12和图13，本实施例采用与实施例4基本一致的器件结构和制备流程，其中把实施例4中的电极替换为插指型电极。此呈阵列型的条形发光器件包含多个独立的条形发光器件。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种横向导通GaN基发光器件的生长及制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在衬底上生长GaN层；
步骤2：在GaN层上生长AlGaN层；
上述步骤1至2为一次生长阶段；
步骤3：在AlGaN层上制备图形化掩蔽膜，且在图形化掩蔽膜上选择性开口使部分AlGaN层露出；
步骤4：在上述图形化掩蔽膜及露出的AlGaN层上依次选择性外延生长n型GaN层、InGaN/GaN有源层及p型GaN基覆盖层；
上述步骤3和4为二次生长阶段；
步骤5：在p型GaN基覆盖层正面沉积透明导电层，与p型GaN基覆盖层形成欧姆接触；
步骤6：在透明导电层上制备p型电极，在图形化掩蔽膜上还开口露出GaN层或AlGaN层，并在GaN层或AlGaN层露出处制备n型电极；
上述GaN层与AlGaN层界面处为二维电子气导电通道。
2.根据权利要求1所述的横向导通GaN基发光器件的生长及制备方法，其特征在于，所述GaN层采用窄禁带材料，AlGaN层采用宽禁带材料；AlGaN层/GaN层材料分别为AlGaN/GaN、GaAs/AlGaAs 、InAlN/ GaN或AlGaN/ AlN/GaN。
3.根据权利要求1所述的横向导通GaN基发光器件的生长及制备方法，其特征在于，所述GaN层的掺杂方式为非故意掺杂、n型重掺杂和先n型重掺杂后停止掺杂，所述AlGaN层的掺杂方式为非故意掺杂、n型重掺杂。
4.根据权利要求1至3任一项所述的横向导通GaN基发光器件的生长及制备方法，其特征在于，选择性外延生长的n型GaN层、InGaN/GaN有源层和p型GaN基覆盖层构成三维立体结构，所述三维立体结构为六角金字塔结构、六角棱柱结构或条形结构，其中条形结构的横截面为三角形或者梯形结构。
5.根据权利要4所述的横向导通GaN基发光器件的生长及制备方法，其特征在于，所述三维立体结构为单个或多个，多个时则呈阵列型分布。
6.根据权利要1所述的横向导通GaN基发光器件的生长及制备方法，其特征在于，所述图形化掩蔽膜的厚度范围为1 nm-500 nm，所述图形化掩蔽膜的材料为SiO2或SiNx，制备图形化掩蔽膜的方法为PECVD或磁控溅射。
7.根据权利要6所述的横向导通GaN基发光器件的生长及制备方法，其特征在于，所述图形化掩蔽膜的图形样式为条纹、周期性多边形或圆形。
8.根据权利要1所述的横向导通GaN基发光器件的生长及制备方法，其特征在于，所述二维电子气导电通道为单层或多层，为二维电子气导电通道为多层时， AlGaN/GaN层呈周期性生长，即包括M层GaN层和M层AlGaN层。
9.一种应用权利要求1至8任一项所述方法制备的横向导通GaN基发光器件，其特征在于，包括由下而上依次生长的衬底、GaN层以及AlGaN层；其中GaN层与AlGaN层界面处为二维电子气导电通道；
还包括生长在AlGaN层上的图形化掩蔽膜；其中在图形化掩蔽膜上选择性开口使部分AlGaN层露出；
还包括在图形化掩蔽膜及露出的AlGaN层上依次选择性外延生长n型GaN层、InGaN/GaN有源层及p型GaN基覆盖层；
还包括沉积在p型GaN基覆盖层正面的透明导电层，制备在透明导电层上的p型电极，以及制备在露出的GaN层或AlGaN层上的n型电极，通过在图形化掩蔽膜上开口使GaN层或AlGaN层露出；该透明导电层与p型GaN基覆盖层形成欧姆接触。
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