CN104835893A - 基于金属氮化物半导体的氮极性面发光二极管及制备方法 - Google Patents

基于金属氮化物半导体的氮极性面发光二极管及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于金属氮化物半导体的氮极性面发光二极管，属于半导体器件技术领域。该发光二极管包括自下而上依次设置的氮极性面n型半导体层、氮极性面多量子阱有源区、氮极性面电子阻挡层、氮极性面p型半导体层，所述氮极性面p型半导体层上层设置有p型电极，所述发光二极管还包括设置于氮极性面n型半导体层侧面且与氮极性面n型半导体层完全键合的金属极性面n型半导体层，所述金属极性面n型半导体层的上表面设置有n型电极。相比现有技术，本发明以金属极性面n型半导体层作为氮极性面发光二极管中n型半导体层的欧姆接触层，可以避免氮极性面n型半导体层上不易制作良好欧姆电极的问题，且制备工艺简单，实现成本低。

Description

基于金属氮化物半导体的氮极性面发光二极管及制备方法
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种基于金属氮化物半导体的氮极性面发光二极管及制备方法。
背景技术
LED(发光二极管)作为一种新型高效的固态光源，具有节能、环保、寿命长、体积小、低工作电压等显著优点，在世界范围内获得了广泛的应用。
传统的由III族金属氮化物半导体材料制成的LED中，III族金属氮化物半导体材料都是沿蓝宝石[0001]方向即C面方向生长，最终得到金属极性面的氮化镓、氮化铝或者它们的合金晶体。与金属极性面半导体材料不同，氮极性面半导体材料中由于压电极化电场和自发极化电场的方向相反，二者相互抵消的结果一是可以在异质结界面上形成迁移率和浓度较高的二维电子气[Ambacher O,SmartJ,Shealy J R,et al.Two-dimensional electron gases induced by spontaneous andpiezoelectric polarization charges in N-and Ga-face AlGaN/GaN heterostructures[J].Journal of Applied Physics,1999,85(6):3222-3233.]，二是可以使得电子-空穴的复合效率增加，有助于提高LED的发光效率[Verma J,Simon J,Protasenko V,et al.N-polar III-nitride quantum well light-emitting diodes with polarization-induceddoping[J].Applied Physics Letters,2011,99(17):171104.]，这是金属极性面金属氮化物基LED所不具备的特性。图1显示了一种现有氮极性面氮化镓基发光二极管的结构，如图所示，包括自下而上依次设置的蓝宝石衬底1、氮极性面低温成核层2、氮极性面非掺杂半导体层3、氮极性面n型半导体层4、氮极性面多量子阱有源区5、氮极性面电子阻挡层6、氮极性面p型半导体层7，以及分别设置于氮极性面p型半导体层7上表面、氮极性面n型半导体层4上表面的p型金属电极8、n型金属电极9。
但是，由于在氮极性面n型半导体上很难制作出良好的欧姆接触电极，因此极大地制约了氮极性面金属氮化物基LED的制备和应用。其原因是在氮极性面n型半导体上制作Al/Ti/Au等电极时，氧原子在电极制备过程会替代氮原子与金属原子形成金属氧化合物，即形成了导电性能较差的缺陷结构，从而难以制备良好的欧姆接触[Liu J,Feng F,Zhou Y,et al.Stability of Al/Ti/Au contacts to N-polarn-GaN of GaN based vertical light emitting diode on silicon substrate[J].AppliedPhysics Letters,2011,99(11):111112.]。现有的相关技术大多采用激光剥离衬底的方法实现倒装结构来解决这一问题[Ma J,Chen Z Z,Jiang S,et al.Pd/In/Ni/Aucontact to N-polar n-type GaN fabricated by laser lift-off[J].Applied Physics A,2015,119(1):133-139.]，然而这种方法技术难度大，良率低，成本较高，而且效果也不是很好。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于金属氮化物半导体的氮极性面发光二极管，以金属极性面n型半导体层作为氮极性面发光二极管中n型半导体层的欧姆接触层，可以避免氮极性面n型半导体层上不易制作良好欧姆电极的问题，且制备工艺简单，实现成本低。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于金属氮化物半导体的氮极性面发光二极管，包括自下而上依次设置的氮极性面n型半导体层、氮极性面多量子阱有源区、氮极性面电子阻挡层、氮极性面p型半导体层，所述氮极性面p型半导体层上层设置有p型电极，所述发光二极管还包括设置于氮极性面n型半导体层侧面且与氮极性面n型半导体层完全键合的金属极性面n型半导体层，所述金属极性面n型半导体层的上表面设置有n型电极。
为了简化制备工艺，降低生产成本，进一步地，所述氮极性面发光二极管还包括衬底，所述衬底上表面具有相邻的第一区域和第二区域，第一区域上自下而上依次设置有氮极性面低温成核层、氮极性面非掺杂半导体层，第二区域上自下而上依次设置有金属极性面低温成核层、金属极性面非掺杂半导体层；所述氮极性面n型半导体层设置于氮极性面非掺杂半导体层上表面，所述金属极性面n型半导体层设置于金属极性面非掺杂半导体层上表面。
一种如上所述氮极性面发光二极管的制备方法，首先将衬底的表面划分为两个相邻的区域，并在其中一个区域制作条纹状二氧化硅层；然后利用氮极性面发光二极管制备工艺在衬底表面依次生长低温成核层、非掺杂半导体层、n型半导体层；接着，利用氮极性面发光二极管制备工艺在无条纹状二氧化硅层区域的n型半导体层上，依次制备多量子阱有源区、电子阻挡层、p型半导体层；最后在p型半导体层、有条纹状二氧化硅层区域的n型半导体层表面分别制作p型电极、n型电极。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明采用金属极性面n型半导体层作为氮极性面发光二极管中n型半导体层的欧姆接触层，可以避免氮极性面n型半导体层上不易制作良好欧姆电极的问题，从而能够显著地降低LED的开启电压；又由于氮极性面金属氮化物的特性，能有效地降低有源区中的内建电场强度,提高LED的光输出功率；同时因为氮、金属两种极性面半导体材料的生长工艺可以兼容，因此可以保证较低的生产成本。本发明的这些优势对于制备大功率金属氮化物基LED芯片具有十分重要的意义。
附图说明
图1为一种现有氮极性面氮化镓基发光二极管的结构示意图；
图2为采用本发明技术方案的一种氮极性面氮化镓基发光二极管的结构示意图；
图3为本发明氮极性面氮化镓基发光二极管的制备工艺示意图。
图中各标号含义如下：
1、蓝宝石衬底，2、氮极性面低温成核层，3、氮极性面非掺杂半导体层，4、氮极性面n型半导体层，5、氮极性面多量子阱有源区，6、氮极性面p-AlGaN电子阻挡层，7、氮极性面p型半导体层，8、p型金属电极，9、n型金属电极，10、镓极性面n型半导体层，11、镓极性面非掺杂半导体层，12、镓极性面低温成核层，13、条纹状二氧化硅层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
针对氮极性面发光二极管中氮极性面n型半导体层上不易制作良好欧姆电极的问题，本发明利用氮极性面金属氮化物的特性以及氮、金属两种极性面半导体材料的生长工艺之间的兼容性，提出了一种全新结构的基于金属氮化物半导体的氮极性面发光二极管，采用金属极性面n型半导体层作为氮极性面发光二极管中n型半导体层的欧姆接触层。
本发明氮极性面发光二极管，包括自下而上依次设置的氮极性面n型半导体层、氮极性面多量子阱有源区、氮极性面电子阻挡层、氮极性面p型半导体层，所述氮极性面p型半导体层上层设置有p型电极，所述发光二极管还包括设置于氮极性面n型半导体层侧面且与氮极性面n型半导体层完全键合的金属极性面n型半导体层，所述金属极性面n型半导体层的上表面设置有n型电极。
为了简化制备工艺，降低生产成本，进一步地，所述氮极性面发光二极管还包括衬底，所述衬底上表面具有相邻的第一区域和第二区域，第一区域上自下而上依次设置有氮极性面低温成核层、氮极性面非掺杂半导体层，第二区域上自下而上依次设置有金属极性面低温成核层、金属极性面非掺杂半导体层；所述氮极性面n型半导体层设置于氮极性面非掺杂半导体层上表面，所述金属极性面n型半导体层设置于金属极性面非掺杂半导体层上表面。
上述结构的发光二极管可利用现有氮极性发光二极管工艺制备，仅需要在制备过程中利用条纹状二氧化硅层将部分氮极性面n型半导体层的表面极性转化为金属极性，制备工艺具体如下：
首先将衬底的表面划分为两个相邻的区域，并在其中一个区域制作条纹状二氧化硅层；然后利用氮极性面发光二极管制备工艺在衬底表面依次生长低温成核层、非掺杂半导体层、n型半导体层；接着，利用氮极性面发光二极管制备工艺在无条纹状二氧化硅层区域的n型半导体层上，依次制备多量子阱有源区、电子阻挡层、p型半导体层；最后在p型半导体层、有条纹状二氧化硅层区域的n型半导体层表面分别制作p型电极、n型电极。
上述技术方案中，所述金属氮化物半导体可以为氮化镓、氮化铝、氮化铟或者铝镓氮等金属氮化物半导体，优选氮化镓。
上述技术方案中，所述氮极性面电子阻挡层可根据实际结构选用合适的材料，本发明优选氮极性面p-AlGaN电子阻挡层。
为了便于公众理解，下面以采用本发明技术方案的一种氮极性面氮化镓基发光二极管为例来对本发明技术方案进行详细说明。
图2显示了采用本发明技术方案的一种氮极性面氮化镓基发光二极管。如图2所示，蓝宝石衬底1的上表面被划分为两个相邻的区域，其中一个区域自下而上依次设置有氮极性面低温成核层2、氮极性面非掺杂半导体层3、氮极性面n型半导体层4、氮极性面多量子阱有源区5、氮极性面电子阻挡层6、氮极性面p型半导体层7，p型金属电极8设置于氮极性面p型半导体层7的上表面；另外一个区域自下而上依次设置有镓极性面低温成核层12、镓极性面非掺杂半导体层11、镓极性面n型半导体层10，n型金属电极9设置于镓极性面n型半导体层10的上表面。镓极性面低温成核层12、镓极性面非掺杂半导体层11、镓极性面n型半导体层10与相邻的氮极性面低温成核层2、氮极性面非掺杂半导体层3、氮极性面n型半导体层4之间完全键合。
优选地，所述蓝宝石衬底1优选为朝M或A面方向具有0.5～5°斜切角的C面晶体。
优选地，所述的镓极性面n型半导体层10与氮极性面n型半导体层4的厚度在0.5～2μm之间。
本实施例中，所述氮极性面n型半导体层4与金属极性面n型半导体层10均使用Si掺杂，且掺杂浓度不小于1×1017cm-3。镓极性面n型半导体层10与氮极性面n型半导体层4在相同高度的位置具有相等的Si掺杂浓度，但Si的掺杂浓度在不同高度位置可以不同。
上述氮极性面氮化镓基发光二极管可采用以下工艺制备得到：
步骤1、提供朝M或A面方向具有0.5～5°斜切角的C面蓝宝石衬底，将衬底的表面划分为两个相邻区域，通过CVD技术沉积一层二氧化硅层，其厚度优选范围为10～20nm。根据实际需要，设计掩膜版，并使用氢氟酸的水溶液湿法刻蚀将二氧化硅层多余部分去除，仅留下部分区域条纹状二氧化硅层，并对刻蚀后衬底进行除胶、清洗等处理。
步骤2、使用MOCVD技术，在蓝宝石衬底表面生长低温成核层及非掺杂氮化镓层。生长低温成核层之前，需要对衬底进行氮化处理，在800～1000℃的条件下，将衬底在氨气氛围中进行氮化0.5～5分钟。低温成核层生长厚度为100～300nm，非掺杂氮化镓层生长厚度在1μm以上，确保其拥有平整连续的表面。此时，如图3所示，在没有条纹状二氧化硅层的区域生长得到的非掺杂氮化镓层为氮极性面氮化镓，对应图3中竖线左侧的3；而条纹状二氧化硅层上方分生长得到的非掺杂氮化镓层为镓极性面氮化镓，对应图3中竖线右侧的12。
步骤3、在非掺杂氮化镓层表面生长n型半导体层。其厚度在0.5～2μm之间，并使用Si掺杂，且掺杂浓度不小于1×1017cm-3。同样如图3所示，在没有条纹状二氧化硅层的区域生长得到的n型半导体层4为氮极性面n型半导体层，而在条纹状二氧化硅区域生长的n型半导体层10为镓极性面n型半导体层。
步骤4、在所得氮极性面n型半导体层表面自下而上依次生长多量子阱有源区、p-AlGaN电子阻挡层、p型半导体层，并进行电极制作和芯片封装。完成氮极性面氮化镓发光二极管的制作。
由于采用上述制备工艺，镓极性面低温成核层、镓极性面非掺杂半导体层和镓极性面n型半导体层是与相应的氮极性面低温成核层、氮极性面非掺杂半导体层、氮极性面n型半导体层相邻生长于衬底上的，因此其相互之间完全键合。

Claims (9)

1.一种基于金属氮化物半导体的氮极性面发光二极管，包括自下而上依次设置的氮极性面n型半导体层、氮极性面多量子阱有源区、氮极性面电子阻挡层、氮极性面p型半导体层，所述氮极性面p型半导体层上层设置有p型电极，其特征在于，所述发光二极管还包括设置于氮极性面n型半导体层侧面且与氮极性面n型半导体层完全键合的金属极性面n型半导体层，所述金属极性面n型半导体层的上表面设置有n型电极。
2.如权利要求1所述氮极性面发光二极管，其特征在于，还包括衬底，所述衬底上表面具有相邻的第一区域和第二区域，第一区域上自下而上依次设置有氮极性面低温成核层、氮极性面非掺杂半导体层，第二区域上自下而上依次设置有金属极性面低温成核层、金属极性面非掺杂半导体层；所述氮极性面n型半导体层设置于氮极性面非掺杂半导体层上表面，所述金属极性面n型半导体层设置于金属极性面非掺杂半导体层上表面。
3.如权利要求2所述氮极性面发光二极管，其特征在于，所述金属氮化物半导体为氮化镓。
4.如权利要求3所述氮极性面发光二极管，其特征在于，所述氮极性面电子阻挡层为氮极性面p-AlGaN电子阻挡层。
5.如权利要求3所述氮极性面发光二极管，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底。
6.如权利要求5所述氮极性面发光二极管，其特征在于，所述蓝宝石衬底为朝M或A面方向具有0.5～5°斜切角的C面晶体。
7.如权利要求3所述氮极性面发光二极管，其特征在于，所述氮极性面n型半导体层与金属极性面n型半导体层均使用Si掺杂，且掺杂浓度不小于1×1017cm-3。
8.一种如权利要求2～7任一项所述氮极性面发光二极管的制备方法，其特征在于，首先将衬底的表面划分为两个相邻的区域，并在其中一个区域制作条纹状二氧化硅层；然后利用氮极性面发光二极管制备工艺在衬底表面依次生长低温成核层、非掺杂半导体层、n型半导体层；接着，利用氮极性面发光二极管制备工艺在无条纹状二氧化硅层区域的n型半导体层上，依次制备多量子阱有源区、电子阻挡层、p型半导体层； 最后在p型半导体层、有条纹状二氧化硅层区域的n型半导体层表面分别制作p型电极、n型电极。
9.如权利要求8所述制备方法，其特征在于，所述条纹状二氧化硅层的厚度为10nm～20nm。
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