CN105140364A - 一种GaN发光器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GaN发光器件及其制备方法，GaN发光器件包括基片、上电极层及下电极层，上电极层形成在基片的上方，下电极层形成在基片的下方，其中，基片自下而上包括正金字塔结构层、缓冲反射层、发光层、透明导电氧化物层。正金字塔结构层包括周期性排列的多个正金字塔结构。本发明能得到高质量的外延GaN，并能制造出低成本、高效的发光二极管。

Description

一种GaN发光器件及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体器件制备领域，特别涉及一种GaN发光器件及其制备方法。

背景技术

近年来，以III族氮化物为代表的第三代半导体材料及其光电功能器件已经在节能环保等重要领域显示出越来越重要的先导作用，是支撑下一代战略性新兴产业发展的关键和基础。

III族氮化物系列材料在半导体照明高效能源利用关键光电器件领域显示出巨大的优势，但高效III族氮化物光电器件规模应用始终面临着低成本衬底材料、衬底技术、高质量材料外延可控生长及如何降低器件制作工艺成本等关键科学与技术问题。因此，寻求探索新型的氮化物异质外延衬底材料及工艺对其性能改善及规模应用具有决定性的意义。

由于很难得到大尺寸的GaN体单晶材料，到目前为止，高质量GaN材料一般都通过异质衬底外延方法获得。高质量的外延薄膜一般需衬底满足晶格常数匹配、热膨胀系数匹配、可大尺寸和价格适宜等原则。目前已经商品化的发光二极管(LED)按照衬底划分有三条技术路线，即蓝宝石衬底技术路线、SiC衬底技术路线和Si衬底技术路线。硅衬底技术路线由于具有工艺成熟、低成本和大尺寸等诸多优点，有些国际专家甚至断言，硅衬底LED技术路线就是未来半导体照明芯片生产的终极技术路线。但目前Si衬底生长GaN单晶薄膜的质量远不如蓝宝石衬底，主要问题在于Si与GaN高达114％的热失配，远远高于蓝宝石(约-25.5％)，这样会导致外延膜中巨大的张应力以及外延膜的龟裂。

图1是现有的GaN发光器件的结构图，采用Si(111)衬底进行外延，不能与现有Si工艺(大部分采用(100)Si)兼容，而且缓冲层通常要很多层才能减小Si与外延GaN材料的失配影响，外延材料的位错密度相对很高，外延结构质量降低，生产成本高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种GaN发光器件及其制备方法，可以有效地释放外延材料应力，从而得到高质量的外延GaN，并制造低成本、高效的发光二极管。

(二)技术方案

本发明提供一种GaN发光器件，包括基片、上电极层及下电极层，上电极层形成在所述基片的上方，下电极层形成在所述基片的下方，其中，基片自下而上包括：

周期性的正金字塔结构，由晶体硅构成，其中正金字塔结构是指底面为正方形的四棱锥晶体结构；

缓冲反射层，形成在周期性正金字塔结构的侧面上，该缓冲反射层的表面平行于周期性正金字塔结构的侧面；

发光层，形成在缓冲反射层的表面上，该发光层的表面平行于缓冲反射层的表面；

透明导电氧化物层，填充在发光层之上及四周，该透明导电氧化物层的表面为平面。

本发明还提供一种GaN发光器件的制备方法，包括：

S1，对硅衬底进行处理，使其上表面为周期性排列的正金字塔结构；

S2，在正金字塔结构的侧面上沉积缓冲反射层，并使该缓冲反射层的表面平行于周期性正金字塔结构的侧面；

S3，在缓冲反射层的表面上沉积发光层，并使发光层的表面平行于缓冲反射层的表面；

S4，在发光层上蒸镀透明导电氧化物层，进行光刻；

S5，将硅衬底中非正金字塔结构的部分去除，形成基片；

S6，在基片的上方蒸镀网状分布的上金属电极，在基片的下方蒸镀一层下金属电极。

(三)有益效果

本发明提供的GaN发光器件及其制备方法具有以下优点：

1、本发明采用的硅衬底是工艺上普遍使用的硅(100)衬底，可以大幅降低GaN基LED的成本。

2、正金字塔可通过调节光刻板图形的大小来实现尺寸可调，大可至几十微米，小至几百纳米，每个小金子塔可视为独立的单位，从而应力在小范围内得到释放，从而避免了整个基片的开裂，提高了薄膜质量。

3、正金字塔外延结构具有四面体的外貌，从而发光面积相对于平面结构而言提高了1.7倍。

4、周期性排布的正金字塔结构相对于倒金字塔结构更适合在硅衬底上进行外延，硅衬底上制备出图形衬底(如有序排布倒金字塔结构)进行外延技术具有很大的应用潜力，但是由于金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)外延时气流方向的原因，水平气流会在垂直方向形成梯度并且对于深度过深的图形，气流到达不了图形结构的底部，造成外延结构垂直方向不均匀，而有序排布的正金字塔结构不会出现这种情况，从而得到更好质量的外延层。

附图说明

图1是现有技术中GaN发光器件的结构图。

图2是本发明实施例提供的GaN发光器件的结构图。

图3是本发明实施例提供的GaN发光器件制备方法的流程图。

具体实施方式

在硅表面利用湿法腐蚀出倒金字塔、正金字塔的技术已经十分成熟。本发明拟将这种成熟的湿法腐蚀技术应用到硅(100)衬底外延高质量GaN上，从而得到高效、低成本的发光二极管。

本发明提供一种GaN发光器件，包括基片、上电极层及下电极层，上电极层形成在基片的上方，下电极层形成在基片的下方，其中，基片自下而上包括周期性的正金字塔结构、缓冲反射层、发光层、透明导电氧化物层。

在一种实施方式中，周期性的正金字塔结构由晶体硅构成，其中，正金字塔结构是指底面为正方形的四棱锥晶体结构，其中，每个正金字塔结构的底面边长为5～20μm，缓冲反射层形成在周期性正金字塔结构的侧面上，缓冲反射层的表面平行于周期性正金字塔结构的侧面；发光层形成在缓冲反射层的表面上，该发光层的表面平行于缓冲反射层的表面；透明导电氧化物层填充在所述发光层之上及四周，透明导电氧化物层的表面为平面。

在一种实施方式中，正金字塔结构的侧面为晶体硅的(111)晶面。

在一种实施方式中，缓冲反射层的材料为高温AlN或低温AlN。

在一种实施方式中，发光层自下而上以此包括n-GaN、量子阱和p-GaN，或p-GaN、量子阱和n-GaN，其中，量子阱的材料为InGaN，AlGaN。

在一种实施方式中，透明导电氧化物层的厚度为200-500nm。

本发明还提供一种GaN发光器件的制备方法，先对硅衬底进行处理，使其上表面为周期性排列的正金字塔结构，然后依次形成缓冲反射层、发光层及透明导电氧化物层，利用四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液或KOH、NaOH的混合溶液腐蚀将硅衬底中非正金字塔结构的部分去除，形成基片，在基片的上方蒸镀网状分布的上金属电极，在基片的下方蒸镀一层下金属电极，形成GaN发光器件。

在一种实施方式中，对硅衬底进行处理时，先利用金属有机化合物化学气相沉积(PECVD)或热氧化在硅衬底上生长氧化硅层，再对氧化硅层进行光刻，最后采用湿法腐蚀对氧化硅层进行腐蚀，从而使硅衬底的上表面为周期性排列的正金字塔结构。

在一种实施方式中，硅衬底为N型或P型硅衬底，由晶体硅构成，其表面为晶体硅的(100)晶面。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图2是本发明实施例提供的GaN发光器件的结构图，如图2所示，GaN发光器件包括基片、上电极层15及下电极层16，上电极层形成在基片的上方，下电极层形成在基片的下方，基片自下而上包括周期性的正金字塔结构层11、缓冲反射层12、发光层13及透明导电氧化物层14，其中：

正金字塔结构层11包括多个正金字塔结构，该正金字塔结构均由晶体硅构成，其侧面为晶体硅的(111)晶面，每个正金字塔结构的大小为10μm，采用具有四面体的外貌的衬底结构，使得GaN发光器件发光面积相对于平面结构而言提高了1.7倍，并且每个金字塔结构可视为独立的单位，从而应力在小范围内得到释放，从而避免了整个基片的开裂，提高了薄膜质量，另外，对于倒金字塔结构，水平气流会在垂直方向形成梯度并且对于深度过深的图形，气流到达不了图形结构的底部，造成外延结构垂直方向不均匀，而有序排布的正金字塔结构不会出现这种情况，从而得到更好质量的外延层。

缓冲反射层12形成在各正金字塔结构的侧面上，缓冲反射层12的表面平行于各正金字塔结构的侧面，缓冲反射层12的材料可采用高温AlN或低温AlN，缓冲反射层12可作为异质外延的缓冲层，并且可作为光反射层，使更多光从正面发出。

发光层13形成在缓冲反射层12的表面上，发光层13的表面平行于缓冲反射层12的表面，其中，发光层13自下而上以此包括n-GaN、量子阱和p-GaN，量子阱的材料为InGaN和AlGaN。

透明导电氧化物层14填充在发光层13之上及四周，其表面为平面，其厚度为250nm。

图3本发明实施例提供的GaN发光器件制备方法的流程图，如图3所示，方法包括：

S1，对N型或P型硅(100)硅衬底10进行标准RCA清洗，利用PECVD在硅衬底10表面生长氧化硅层，对氧化硅层进行光刻，采用湿法腐蚀对光刻后的氧化硅层进行腐蚀，从而使硅衬底的上表面形成周期性排列的正金字塔结构，构成正金字塔结构层，并且腐蚀后，正金字塔结构的侧面为晶体硅的(111)晶面，其中，湿法腐蚀是指利用碱性溶液(如TMAH、KOH溶液)对硅的各向异性腐蚀出正金字塔结构，这种正金字塔结构使得GaN发光器件发光面积相对于平面结构而言提高了1.7倍，并且每个正金字塔结构可视为独立的单位，从而应力在小范围内得到释放，从而避免了整个基片的开裂，提高了薄膜质量，另外，对于倒金字塔结构，水平气流会在垂直方向形成梯度并且对于深度过深的图形，气流到达不了图形结构的底部，造成外延结构垂直方向不均匀，而有序排布的正金字塔结构不会出现这种情况，从而得到更好质量的外延层；

S2，利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)，在正金字塔结构层11上沉积一层低温AlN或高温AlN，形成缓冲反射层12，并使该缓冲反射层12的表面平行于周期性各正金字塔结构的侧面；

S3，在缓冲反射层12的表面上沉积发光层13，并使该发光层13的表面平行于缓冲反射层12的表面，其中，发光层13自下而上依次包括n-GaN、量子阱和p-GaN，量子阱的材料为InGaN和AlGaN；

S4，在发光层13上蒸镀透明导电氧化物层14，并在透明导电氧化物14的表面进行光刻，形成网状图案；

S5，利用四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液将硅衬底10中非正金字塔结构的部分去除，形成基片；

S6，在透明导电氧化物层14的网状图案上蒸镀上金属电极15，其中，上金属电极15的金属体系为Cr/Al/Ti/Cu，在周期排列的正金字塔结构层11的底面蒸镀一层下金属电极16，从而形成GaN发光器件。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种GaN发光器件，其特征在于，包括基片、上电极层及下电极层，所述上电极层形成在所述基片的上方，所述下电极层形成在所述基片的下方，其中，所述基片自下而上包括：

正金字塔结构层，包括周期性排列的的多个正金字塔结构，各正金字塔结构由晶体硅构成，其中正金字塔结构是指底面为正方形的四棱锥晶体结构；

缓冲反射层，形成在所述各正金字塔结构的侧面上，该缓冲反射层的表面平行于所述各正金字塔结构的侧面；

发光层，形成在所述缓冲反射层的表面上，该发光层的表面平行于所述缓冲反射层的表面；

透明导电氧化物层，填充在所述发光层之上及四周，该透明导电氧化物层的表面为平面。

2.根据权利要求1所述的GaN发光器件，其特征在于，所述各正金字塔结构的侧面为晶体硅的(111)晶面。

3.根据权利要求1所述的GaN发光器件，其特征在于，所述缓冲反射层的材料为高温AlN或低温AlN。

4.根据权利要求1所述的GaN发光器件，其特征在于，所述发光层自下而上以此包括n-GaN、量子阱和p-GaN，或p-GaN、量子阱和n-GaN，其中，所述量子阱的材料为InN、InGaN、GaN、InAlN、AlInGaN、AlGaN以及InGaAlP中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的GaN发光器件，其特征在于，所述透明导电氧化物层的厚度为200nm～500nm。

6.一种GaN发光器件的制备方法，其特征在于，包括：

S1，对硅衬底进行处理，使其上表面形成周期性排列的多个正金字塔结构，构成正金字塔结构层；

S2，在所述各正金字塔结构的侧面上沉积缓冲反射层，并使该缓冲反射层的表面平行于所述各正金字塔结构的侧面；

S3，在所述缓冲反射层的表面上沉积发光层，并使该发光层的表面平行于所述缓冲反射层的表面；

S4，在所述发光层上蒸镀透明导电氧化物层，并在所述透明导电氧化物的表面进行光刻，形成网状图案；

S5，将所述硅衬底中非正金字塔结构的部分去除，形成基片；

S6，在所述基片的上方蒸镀网状分布的上金属电极，在所述基片的下方蒸镀一层下金属电极。

7.根据权利要求6所述的GaN发光器件的制备方法，其特征在于，所述硅衬底为N型或P型硅衬底，由晶体硅构成，其表面为晶体硅的(100)晶面。

8.根据权利要求6所述的发光器件的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

S11，利用金属有机化合物化学气相沉积PECVD或热氧化在所述硅衬底上生长氧化硅层；

S12：对所述氧化硅层进行光刻；

S13：采用湿法腐蚀对所述氧化硅层进行腐蚀，从而使所述硅衬底的上表面形成周期性排列的多个正金字塔结构。

9.根据权利要求6所述的GaN发光器件的制备方法，其特征在于，所述各正金字塔结构的侧面为晶体硅的(111)晶面。

10.根据权利要求6所述的GaN发光器件的制备方法，其特征在于，所述发光层自下而上依次包括n-GaN、量子阱和p-GaN，或p-GaN、量子阱和n-GaN，其中，所述量子阱的材料为InN、InGaN、GaN、InAlN、AlInGaN、AlGaN以及InGaAlP中的至少一种。