CN105826438A - 一种具有金属缓冲层的发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体领域，涉及一种具有金属缓冲层的发光二极管及其制备方法，其至少包括一衬底及依次位于所述衬底之上的AlN缓冲层和外延层，其特征在于：所述AlN缓冲层和外延层之间还插入一金属缓冲层，所述金属缓冲层由Al颗粒层和Ni金属膜层组成，所述Ni金属膜层覆盖于复数个Al颗粒表面形成复数个不连续的片状结构，并裸露出部分底部的AlN缓冲层，所述外延层从AlN缓冲层表面延伸至片状结构表面。所述外延层以所述片状结构的金属缓冲层为掩膜进行横向外延生长，降低外延层生长的位错密度，阻止底部缺陷的延伸。
Description
技术领域
本发明属于半导体领域，尤其涉及一种具有片状结构的Al/Ni金属缓冲层的发光二极管及其制备方法。
背景技术
LED制程中，由于氮化镓材料单晶的获取非常困难，成本也很高，因此目前氮化镓材料一般生长在异质衬底上（蓝宝石、碳化硅、硅等）。由于GaN和蓝宝石衬底之间有较大的晶格失配(16%)和热膨胀系数失配(34%)，导致在GaN外延层中产生108~1010cm-2线位错密度，高的位错密度将影响外延薄膜的光学和电学性能。因此，在异质衬底上生长材料需要解决衬底与外延层之间的成核问题，由于材料之间存在晶格常数差异，异质外延需要通过缓冲层来实现。缓冲层可以起到缓解衬底和外延层之间晶格失配的作用，有效改善外延材料的晶体质量。但是缓冲层的存在只能缓解一部分晶格失配，实际生长的氮化镓外延材料仍然具有较高密度的位错。
横向外延生长技术在降低位错密度方面有较明显的优势，但是传统的横向外延生长均需要采用光刻等工艺，过程复杂且成本高。
发明内容
为降低外延生长的位错密度、降低缺陷、简化横向外延生长工艺，本发明在AlN缓冲层和外延层之间插入一由复数个不连续的片状结构组成的Al/Ni金属缓冲层，具体技术方案如下：
一种具有金属缓冲层的发光二极管，至少包括一衬底及依次位于所述衬底之上的AlN缓冲层和外延层，其特征在于：所述AlN缓冲层和外延层之间还插入一由复数个不连续分布的片状结构组成的金属缓冲层，所述片状结构由Al颗粒层和Ni金属膜层周期性交替层叠而成，所述相邻片状结构之间裸露出的AlN缓冲层为AlN微区，所述外延层位于所述AlN微区和片状结构表面。
优选的，所述金属缓冲层中Al颗粒层和Ni金属层交替层叠2~20次
优选的，所述片状结构的金属缓冲层为规则或不规则形状。
优选的，所述片状结构的金属缓冲层均匀分布或不均匀分布。
优选的，所述片状结构的金属缓冲层面积相同或不同。
优选的，所述片状结构的金属缓冲层的面积大小范围为0.1~2×105nm2。
优选的，所述Al颗粒层的颗粒直径范围为1~5×103nm。
优选的，所述Ni金属膜层的厚度为0.5~10nm。
本发明还提供了上述发光二极管的制作方法，包括如下步骤：
S1、提供一衬底；
S2、于所述衬底表面沉积一AlN缓冲层；
S3、于所述AlN缓冲层上制备由复数个不连续分布的片状结构组成金属缓冲层，所述相邻片状结构之间裸露出的AlN缓冲层为AlN微区；
S4、采用氢化物气相外延技术生长外延层，其中外延层的生长以所述片状结构作为掩膜选择性地优先生长于AlN微区表面，然后进行横向外延生长延伸至所述片状结构表面；
其中，所述片状结构的具体生长步骤为：首先，于所述AlN缓冲层表面先后采用蒸镀法沉积Al金属膜层和Ni金属膜层；然后，重复沉积Al金属膜层和Ni金属膜层多次；最后，高温熔融金属，控制熔融金属温度，使Al金属膜层熔融呈Al颗粒层，而Ni金属膜层断裂并覆盖复数个Al颗粒形成片状结构。
优选的，所述高温熔融的温度范围为550~1100度。
优选的，所述Al金属膜层和Ni金属膜层重复沉积2~20次。
本发明具有以下有益效果：
1）金属缓冲层由复数个不连续分布的片状结构，相邻片状结构之间裸露出的部分底部的AlN缓冲层为AlN微区，后续外延层的生长以复数个片状结构作为掩膜，选择性地优先生长于AlN微区表面，再进行横向外延生长于片状结构表面，从而实现外延的横向生长，进一步降低外延层生长的位错密度，阻止底部缺陷的延伸；
2）片状结构由Al颗粒层和Ni金属层交替层叠而成，由于金属具有反光性，可进一步提升发光二极管的反射率；
3）片状结构的制作方法中，利用Al金属和Ni金属的熔点差异，控制熔融温度，使Al金属膜层形成Al颗粒层，而由于Ni金属熔点高于Al金属，Ni金属膜层仅随着Al金属膜层的颗粒化而断裂并覆盖于复数个Al颗粒表面，从而形成片状结构，工艺简单，无需额外增加刻蚀等工艺。
附图说明
图1为本发明之发光二极管侧视结构示意图。
图2为本发明之衬底、AlN缓冲层和金属缓冲层俯视结构示意图。
图3为本发明之片状结构侧视结构示意图。
图4为本发明之发光二极管的制作方法流程示意图。
图5为本发明之片状结构的制作方法流程示意图。
附图标注：10.衬底；20.AlN缓冲层；21.AlN微区；30.片状结构；31’.Al金属膜层；31.Al颗粒层；32.Ni金属膜层；40.外延层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。需说明的是，本发明的附图均采用非常简化的非精准比例，仅用以方便、明晰的辅助说明本发明。
参看附图1，本发明公开了一种具有金属缓冲层的发光二极管，至少包括衬底10及依次位于衬底10之上的AlN缓冲层20和外延层40，其中AlN缓冲层20和外延层40之间还插入一由复数个不连续分布的片状结构30组成的金属缓冲层，相邻片状结构30之间裸露出的底部AlN缓冲层20为AlN微区21，外延层40则位于AlN微区21表面和片状结构30表面。衬底10可选用平片衬底或图案化衬底，材料可选用硅、碳化硅、蓝宝石等。外延层40以不连续分布的片状结构30作为外延生长的掩膜，外延层40选择性地优先生长于AlN微区21表面，然后进行横向生长，由AlN微区21表面延伸至片状结构30的表面，横向外延生长时，一方面掩膜阻挡底部的缺陷向上延伸，另一方面，缺陷由AlN微区21向片状结构30表面弯曲生长，从而降低了外延层40生长的缺陷。
参看附图2，片状结构30可为规则或不规则形状，均匀分布或不均匀分布，面积相同或不同。为达到降低生长缺陷的最优效果，本实施例中优选片状结构30为不规则形状、不均匀分布，面积也不相同，面积大小范围为0.1~2×105nm2。
参看附图3，片状结构30由Al颗粒层31和Ni金属膜层32周期性交替层叠形成，其中Ni金属膜层32覆盖复数个Al颗粒表面形成片状结构。Al颗粒层31和Ni金属膜层32交替层叠的次数为2~20。其中，Ni金属膜层32的厚度为0.5~10nm，Al颗粒层31的颗粒直径范围为1~5×103nm。
本发明在AlN缓冲层20和外延层40之间增加由复数个不连续分布的片状结构30组成的金属缓冲层，片状结构30由Al颗粒层31和Ni金属膜层32交替层叠而成，相邻片状结构30之间裸露出其底部的AlN缓冲层20，形成AlN微区21，在后续的采用氢化物气相外延生长外延层40过程中，由于金属片状结构30与外延层40的晶格差异较大，外延层40的生长以片状结构30作为掩膜，选择性地优先在AlN微区21表面进行外延生长，而后延伸至片状结构30表面进行横向外延生长，在横向外延生长过程中，由于片状结构30作为掩膜阻挡底层缺陷向上延伸，缺陷由AlN微区21向相邻的两侧片状结构30进行弯曲延伸，从而降低了外延层40的生长位错密度，减小了生长缺陷。同时，片状结构30由Al、Ni金属组成，具有更高的反射性，提高发光二极管的发光效果。
参看附图4，为制备上述的发光二极管，本发明还提供了一种制作方法，包括如下步骤：
S1、提供一衬底10；
S2、于衬底10表面沉积一AlN缓冲层20；AlN缓冲层20的沉积可采用PVD法或MOCVD法；
S3、于AlN缓冲层20上制备由复数个不连续分布的片状结构30组成的金属缓冲层，相邻片状结构30之间裸露的AlN缓冲层20为AlN微区21；
S4、采用氢化物气相外延技术生长外延层40，其中外延层40的生长以片状结构30作为掩膜选择性地优先生长在AlN微区21表面，然后进行横向外延生长延伸至片状结构30表面。
参看附图5，其中片状结构30的具体生长步骤为：首先，于AlN缓冲层20表面先后采用蒸镀法沉积Al金属膜层31’和Ni金属膜层32；然后，重复沉积Al金属膜层31’和Ni金属膜层32周期数为2~20；最后，高温熔融金属，控制熔融金属温度为550~1100度，使Al金属膜层31’熔融成Al颗粒层31，而Ni金属膜层32断裂并覆盖于复数个Al颗粒表面形成片状结构30。
片状结构30的制作方法中，利用Al金属和Ni金属的熔点差异，控制熔融温度，使Al金属膜层31’形成Al颗粒层31，而由于Ni金属熔点高于Al金属，Ni金属膜层32仅断裂并覆盖于复数个Al颗粒表面，从而形成片状结构30，工艺简单，无需额外增加刻蚀等工艺。应当理解的是，上述具体实施方案为本发明的优选实施例，本发明的范围不限于该实施例，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种具有金属缓冲层的发光二极管，至少包括一衬底及依次位于所述衬底之上的AlN缓冲层和外延层，其特征在于：所述AlN缓冲层和外延层之间还插入一由复数个不连续分布的片状结构组成的金属缓冲层，所述片状结构由Al颗粒层和Ni金属膜层周期性交替层叠而成，所述相邻片状结构之间裸露出的AlN缓冲层为AlN微区，所述外延层位于所述AlN微区和片状结构表面。
2.根据权利要求1所述的一种具有金属缓冲层的发光二极管，其特征在于：所述片状结构中Al颗粒层和Ni金属膜层交替层叠2~20次。
3.根据权利要求1所述的一种具有金属缓冲层的发光二极管，其特征在于：所述片状结构为规则或不规则形状。
4.根据权利要求1所述的一种具有金属缓冲层的发光二极管，其特征在于：所述复数个片状结构均匀分布或不均匀分布。
5.根据权利要求1所述的一种具有金属缓冲层的发光二极管，其特征在于：所述复数个片状结构面积相同或不同。
6.根据权利要求1所述的一种具有金属缓冲层的发光二极管，其特征在于：所述片状结构的面积大小范围为0.1~2×105nm2。
7.根据权利要求1所述的一种具有金属缓冲层的发光二极管，其特征在于：所述Al颗粒层的颗粒直径范围为1~5×103nm。
8.根据权利要求1所述的一种具有金属缓冲层的发光二极管，其特征在于：所述Ni金属膜层的厚度为0.5~10nm。
9.一种具有金属缓冲层的发光二极管的制作方法，包括如下步骤：
S1、提供一衬底；
S2、于所述衬底表面沉积一AlN缓冲层；
S3、于所述AlN缓冲层上制备由复数个不连续分布的片状结构组成的金属缓冲层，所述相邻片状结构之间裸露出的AlN缓冲层为AlN微区；
S4、采用氢化物气相外延技术生长外延层，其中外延层以所述片状结构作为掩膜选择性地优先生长于AlN微区表面，然后进行横向外延生长延伸至所述片状结构表面；
所述片状结构的形成步骤具体为：首先于所述AlN缓冲层表面先后采用蒸镀法沉积Al金属膜层和Ni金属膜层；然后，重复沉积Al金属膜层和Ni金属层多次；最后，高温熔融金属，控制熔融金属温度，使Al金属膜层熔融形成Al颗粒层，而Ni金属膜层断裂并覆盖复数个Al颗粒形成片状结构。
10.根据权利要求9所述的一种具有金属缓冲层的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述高温熔融的温度范围为550~1100℃。
11.根据权利要求9所述的一种具有金属缓冲层的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述Al金属膜层和Ni金属膜层重复沉积2~20次。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |