CN108987545B - 一种基于GaN微米线阵列发光二极管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN微米线阵列发光二极管及其制备方法。本发明提供的微米线阵列发光二极管包括衬底、外延结构、隔离层和电极结构；所述衬底包括表面设置有多个平行阵列沟槽的硅片；所述外延结构生长于沟槽内侧壁的氮化镓微米线，每个沟槽的两个内侧壁分别生长一根微米线；所述氮化镓微米线与沟槽方向一致；多个沟槽内的氮化镓微米线形成平行的微米线阵列；所述隔离层包括填充所述外延层之间空隙的绝缘材料；所述电极结构包括电流扩展层、与氮化镓微米线形成欧姆接触的P金属电极以及与高导硅衬底形成欧姆接触的N金属电极。本发明提供的微米线阵列发光二极管具有良好的散热性能、可调制带宽范围宽和简单的器件结构。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管领域，特别是涉及一种基于GaN微米线阵列发光二极管及制备方法。
背景技术
随着互联网无线通信的快速发展，可见光通信作为一种利用发光二极管灯来发送数据的无线通信手段，引起无线通信研究及工程人员的关注，在全球范围内得到发展。得益于广泛存在的基础设施、高功率与大带宽的通信、绿色无辐射以及不易被窃听等特点，可见光通信技术被认为将有效拓展现有无线通信频谱和通信方式，能够应用在高速数据传输、电磁屏蔽场景下的无线通信覆盖、室内定位导航、摄像头中的低速通信等的场景。
可见光通信是在照明、显示光源的驱动电路上施加交变的电流或电压信号，将交变的电路信号转化为明暗变化的可见光信号，然后在自由空间或光纤中传输，最后由光电接收器再将可见光信号转化为电路信号，完成电-光-电的信号传输。发光二极管芯片的调制带宽是影响可见光通信系统中数据传输速率的重要因素。由于微米尺寸发光二极管芯片具有较好的电流密度的均匀性和较好的散热性能，可承受较高的电流密度。已有研究表明，在大电流密度下，发光二极管芯片通常具有较大的调制带宽。在几千A/cm2的电流密度下，微米尺寸发光二极管芯片的调制带宽可达几百MHz。而照明用普通大尺寸发光二极管芯片在大电流密度下很容易烧坏，通常只能工作在几十A/cm2的电流密度，调制带宽只有几MHz至十几MHz。然而，在大电流密度下，由于俄歇复合等作用的影响，发光二极管芯片的发光效率下降，不利于照明和显示。
在量子阱的垒层掺杂、增加空穴浓度、减小有源层厚度、减少芯片的有效发光面积能够提高调制带宽，但都将降低芯片的发光效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种在保证发光二极管发光效率的同时提高调制带宽的一种基于GaN微米线阵列发光二极管及制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种微米线阵列发光二极管，所述发光二极管包括：衬底、外延结构、隔离层和电极结构；
所述衬底为表面设置有多个平行阵列凹槽的硅片；
所述外延结构设置于所述凹槽的内侧壁上，所述外延结构为氮化镓微米线，每个所述凹槽的两边的内侧壁分别设置一根所述氮化镓微米线，所述氮化镓微米线与所述凹槽的方向一致，多个所述凹槽内的所述氮化镓微米线形成平行的微米线阵列；
所述隔离层为设置在多个所述外延结构之间空隙的绝缘材料；
所述微米线阵列上蒸镀有电流扩展层；
所述电流扩展层与所述氮化镓微米线形成欧姆接触的p金属电极；
所述电流扩展层与所述衬底形成欧姆接触的N金属电极。
可选的，所述外延结构从底层到顶层依次设置有铝保护层、硅掺杂氮化铝缓冲层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层、P型氮化镓层。
可选的，所述凹槽的宽度为5～10μm，所述凹槽的深度为2～6μm，所述隔离层的介电常数大于3.9，所述一个所述凹槽内的两根氮化镓微米线的最短距离为50～200nm，所述氮化镓微米线的横截面为梯形、三角形中的任意一种，所述横截面的高为0.6～6μm。
可选的，所述铝保护层的厚度为2～5nm；所述硅掺杂铝氮缓冲层的厚度为20～50nm，所述硅掺杂氮化铝层中电子掺杂浓度为1×1018cm-3；所述N型氮化镓的厚度为1～3um，所述硅掺杂氮化镓层中电子掺杂浓度为5×1018cm-3。
可选的，所述多量子阱层具体包括：量子垒层和量子阱层，所述量子垒层的材料为氮化镓，所述量子阱层为InXGa1-XN层，所述量子阱结构为3～5对，所述In组分X为0.1～0.5，所述电子阻挡层为铝镓氮，所述铝镓氮厚度为30nm所述P型氮化镓层的厚度为100nm，所述P型氮化镓层中空穴浓度为1.0×1017-2.0×1017cm-3。
为了实现上述目的，本发明还公开了如下方案：
一种微米线阵列发光二极管的制备方法，所述制备方法包括：
在衬底上刻蚀形成多个等间距排列的凹槽；
在各所述凹槽侧壁上外延生长微米线，形成微米线阵列；
在各所述凹槽内两侧的所述微米线之间填充绝缘介质材料形成绝缘介质层，并对所述绝缘介质层进行刻蚀使得各微米线上端露出；
在所述微米线阵列上蒸镀电流扩展层、与所述微米线形成欧姆接触的P金属电极以及与所述衬底形成欧姆接触的N金属电极。
可选的，所述在衬底上刻蚀形成多个等间距排列的凹槽具体包括：
在衬底正面制备介质材料形成掩膜层；
采用丙酮和异丙醇对所述掩膜层表面进行清洗并烘干，在所述掩膜层表面旋涂光阻层；
通过等间距条纹光刻板进行曝光后进行显影处理，进行除胶处理；
根据预设的刻蚀深度，对除胶后的部分进行湿法刻蚀，形成多个等间距排列的所述凹槽。
可选的，所述在各所述凹槽侧壁上外延生长微米线，形成微米线阵列具体包括：
通过金属有机化学气相沉积法在各凹槽侧壁上外延生长Al保护层，然后外延一层硅掺杂氮化铝缓冲层；
在所述氮化铝缓冲层上外延生长N型氮化镓，并在所述N型氮化镓上外延生长量子阱薄层，在所述量子阱薄层上外延生长铝镓氮电子阻挡层以及P型氮化镓壳层，形成所述微米线，得到所述微米线阵列。
可选的，所述在各所述凹槽内两侧的所述微米线之间填充绝缘介质材料形成绝缘介质层，并对所述绝缘介质层进行刻蚀使得各微米线上端露出具体包括：
采用丙酮、异丙醇和去离子水对所述微米线阵列进行清洗，然后采用氮气吹干并对其进行烘烤去除表面水分子，进行氧等离子体处理；
将所述绝缘介质层通过旋涂填充至各凹槽内两侧的微米线之间，然后对其进行烘烤并冷却，进行氧等离子体处理；
对所述绝缘介质层进行刻蚀使得各微米线上端露出。
可选的，所述在所述微米线阵列上蒸镀电流扩展层、与所述微米线形成欧姆接触的P金属电极以及与所述衬底形成欧姆接触的N金属电极具体包括：
利用蒸镀或溅射的方法在所述微米线阵列的正面的P型氮化镓正面蒸镀一层ITO或Ni/Au金属作为电流拓展层；
利用蒸镀或溅射的方法在所述电流拓展层上蒸镀一层图形欧姆接触的P金属电极；
利用蒸镀或溅射的方法在所述衬底上蒸镀一层欧姆接触的N金属电极。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种微米线阵列发光二极管及制备方法，微米线阵列发光二极管具有散热性能好、调制带宽范围宽和器件结构简单的特点。本发明提供的微米线阵列发光二极管包括图形化衬底、外延结构、隔离层和电极结构；所述衬底包括表面设置有多个平行阵列沟槽的硅片；所述外延结构生长于沟槽内侧壁的氮化镓微米线，每个沟槽的两个内侧壁分别生长一根微米线；所述氮化镓微米线与沟槽方向一致；多个沟槽内的氮化镓微米线形成平行的微米线阵列；所述隔离层包括填充所述外延层之间空隙的绝缘材料；所述电极结构包括在微米线阵列上的电流扩展层、与氮化镓微米线形成欧姆接触的P金属电极以及与高导硅衬底形成欧姆接触的N金属电极。沟槽生长的微米线能避免层状结构出现的大面积的晶格失配和热失配引起的缺陷，能保证良好的晶体质量进而提高量子阱中电子空穴的辐射复合效率。微米线阵列发光二极管具有小的体积，能够拥有较大的电流密度，提高载流子的相对复合率，从而提高LED光源的响应速度。硅衬底上微米线阵列发光二极管具有高的光电调制带宽并且有良好的散热效果，具备微显示、照明、可见光通信的实际功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的微米线阵列发光二极管的器件的结构示意图。
图2是本发明提供的微米线阵列发光二极管的器件的衬底示意图。
图3是本发明提供的微米线阵列发光二极管的器件的外延结构示意图。
图4是本发明提供的微米线阵列发光二极管的器件的衬底截面示意图。
图5是本发明提供的微米线阵列发光二极管的器件的外延结构截面示意图。
图6是本发明提供的微米线阵列发光二极管的器件的芯片截面放大示意图。
图7是本发明提供的微米线截面放大示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种在保证发光二极管发光效率的同时提高调制带宽的一种基于GaN微米线阵列发光二极管及制备方法。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1和图6所示，在本发明的实施例中，所述微米线阵列发光二极管包括衬底1，外延结构2，隔离层3，电流拓展层4，P型GaN接触金属电极结构5，N型高导硅接触金属电极结构6。
本发明提供的微米线阵列发光二极管包括衬底1；所述表面设置有多个平行阵列沟槽102；
本发明中，所述的硅片种类没有特殊的限定，所述硅片优选为高导硅片；所述高导硅片的电阻率为0.005Ω·cm；所述硅片晶向为<100>本发明对所述硅片的尺寸没有任务书限定，根据期间要求进行调整即可。在本发明中，所述高导硅片具有超高电导率，有助于减小该发光二极管的开启电压。
如图2和图4所示，所述沟槽呈平行阵列分布。在本发明中，所述沟槽的上开口的宽度优选为10～15μm，沟槽的深度优选为2～6μm。在本发明中，所述沟槽的间距优选5～8μm。
所述氮化镓微米线的横截面为三角形或者梯形。所述梯形的底边优选与沟道内侧侧壁接触。所述梯形的厚度为0.6-6μm，优选为4-5μm。本发明中氮化镓微米线长度方向与沟槽长度方向一致。在本发明中同一沟槽内两根氮化镓微米线2最短距离为50～200nm，优选为50～80nm。
如图3和图5所示，在本发明中，所述沟槽使外延结构2在特定的区域102内外延生长，避免了层状薄膜发光二极管出现的大面积连续的晶格失配、位错等缺陷，保证了晶体质量。
一种微米线阵列发光二极管，如图1和图6所示，所述发光二极管包括：衬底1、外延结构2、隔离层3和电极结构；
所述衬底1为表面设置有多个平行阵列凹槽102的硅片；
所述外延结构2设置于所述凹槽102的内侧壁上，所述外延结构2为氮化镓微米线，每个所述凹槽102的两边的内侧壁分别设置一根所述氮化镓微米线，所述氮化镓微米线与所述凹槽102的方向一致，多个所述凹槽102内的所述氮化镓微米线形成平行的微米线阵列；
所述隔离层为设置在多个所述外延结构之间空隙的绝缘材料，绝缘材料为旋涂玻璃或有机玻璃；
所述微米线阵列上蒸镀有电流扩展层；
所述电流扩展层与所述氮化镓微米线形成欧姆接触的p金属电极；
所述电流扩展层与所述衬底形成欧姆接触的N金属电极。
可选的，所述外延结构从底层到顶层依次设置有铝保护层、硅掺杂氮化铝缓冲层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层、P型氮化镓层。
可选的，所述凹槽的宽度为5～10μm，所述凹槽的深度为2～6μm，所述隔离层的介电常数大于3.9，所述一个所述凹槽内的两根氮化镓微米线的最短距离为50～200nm，所述氮化镓微米线的横截面为梯形、三角形中的任意一种，所述横截面的高为0.6～6μm。
如图7所示，所述外延结构中铝保护层201的厚度为2～5nm；所述外延结构中硅掺杂铝氮缓冲层202的厚度为20～50nm，所述外延结构中硅掺杂氮化铝层中电子掺杂浓度为1×1018cm-3；所述外延结构中N型氮化镓203的厚度为1～3um，所述外延结构中硅掺杂氮化镓层中电子掺杂浓度为5×1018cm-3。
所述多量子阱层204具体包括：量子垒层和量子阱层，所述量子垒层的材料为氮化镓，所述量子阱层为InXGa1-XN层，所述量子阱结构为3～5对，所述In组分X为0.1～0.5，所述电子阻挡层205为铝镓氮，所述铝镓氮厚度为30nm，所述P型氮化镓层206的厚度为100nm，所述P型氮化镓层中空穴浓度为1.0×1017-2.0×1017cm-3。
所述电流拓展层4为Ni/Au合金，或者ITO能实现发光二极管P型层空穴电流拓展功能的材料，具体种类的采用根据发光二极管波长而定，所述电流拓展层原则为不吸收芯片所发出的波长。
为了实现上述目的，本发明还公开了如下方案：
一种微米线阵列发光二极管的制备方法，所述制备方法包括：
在衬底上刻蚀形成多个等间距排列的凹槽，衬底为高导硅片，优选为电导率为0.005Ω·cm的N型硅片；
在各所述凹槽侧壁上外延生长微米线，形成微米线阵列；
在各所述凹槽内两侧的所述微米线之间填充绝缘介质材料形成绝缘介质层，并对所述绝缘介质层进行刻蚀使得各微米线上端露出；
在所述微米线阵列上蒸镀电流扩展层、与所述微米线形成欧姆接触的P金属电极以及与所述衬底形成欧姆接触的N金属电极。
可选的，所述在衬底上刻蚀形成多个等间距排列的凹槽具体包括：
在衬底正面制备介质材料形成掩膜层；
采用丙酮和异丙醇对所述掩膜层表面进行清洗并烘干，在所述掩膜层表面旋涂光阻层；
通过等间距条纹光刻板进行曝光后进行显影处理，进行除胶处理；
根据预设的刻蚀深度，对除胶后的部分进行湿法刻蚀，形成多个等间距排列的所述凹槽。
可选的，所述在各所述凹槽侧壁上外延生长微米线，形成微米线阵列具体包括：
通过金属有机化学气相沉积法在各凹槽侧壁上外延生长Al保护层，然后外延一层硅掺杂氮化铝缓冲层；
在所述氮化铝缓冲层上外延生长N型氮化镓，并在所述N型氮化镓上外延生长量子阱薄层，在所述量子阱薄层上外延生长电子阻挡层铝镓氮层以及P型氮化镓壳层，形成所述微米线，得到所述微米线阵列。
可选的，所述在各所述凹槽内两侧的所述微米线之间填充绝缘介质材料形成绝缘介质层，并对所述绝缘介质层进行刻蚀使得各微米线上端露出具体包括：
采用丙酮、异丙醇和去离子水对所述微米线阵列进行清洗，然后采用氮气吹干并对其进行烘烤去除表面水分子，进行氧等离子体处理；
将所述绝缘介质层通过旋涂填充至各凹槽内两侧的微米线之间，然后对其进行烘烤并冷却，进行氧等离子体处理；
对所述绝缘介质层进行刻蚀使得各微米线上端露出。
可选的，所述在所述微米线阵列上蒸镀电流扩展层、与所述微米线形成欧姆接触的P金属电极以及与所述衬底形成欧姆接触的N金属电极具体包括：
利用蒸镀或溅射的方法在所述微米线阵列的正面的P型氮化镓正面蒸镀一层ITO或Ni/Au金属作为电流拓展层；
利用蒸镀或溅射的方法在所述电流拓展层上蒸镀一层图形欧姆接触的P金属电极；
利用蒸镀或溅射的方法在所述衬底上蒸镀一层欧姆接触的N金属电极。
本发明对于电流扩展层图案，P金属电极，N金属电极图案的光刻掩膜刻蚀没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的光刻掩膜刻蚀技术方案即可。本发明对于N金属电极，P金属电极的金属组合没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的蒸镀技术方案即可。
本发明提供的制备方法简单，与传统硅工艺结合，可以使得半导体在原有生长设备上进行大规模的生产，同时能跟现有的硅芯片更好的结合。通过本发明制备的氮化镓微米线阵列发光二极管能够将能实现器件尺寸30um*30um到1mm*1mm的调节，导热性能良好的小尺寸的发光二极管具有优秀的调制带宽，具有高通信速度。同时具备微显示，照明，可见光通信多种功能。以及器件结构简单，能有效降低成本。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种微米线阵列发光二极管，其特征在于，所述发光二极管包括：衬底、外延结构、隔离层和电极结构；
所述衬底为表面设置有多个平行阵列凹槽的硅片；
所述外延结构设置于所述凹槽的内侧壁上，所述外延结构为氮化镓微米线，每个所述凹槽的两边的内侧壁分别设置一根所述氮化镓微米线，所述氮化镓微米线与所述凹槽的方向一致，多个所述凹槽内的所述氮化镓微米线形成平行的微米线阵列；所述外延结构从底层到顶层依次设置有铝保护层、硅掺杂氮化铝缓冲层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层、P型氮化镓层；
所述隔离层为设置在多个所述外延结构之间空隙的绝缘材料；
所述微米线阵列上蒸镀有电流扩展层；
在电流拓展层上的与所述氮化镓微米线形成欧姆接触的P金属电极，与衬底形成欧姆接触的N金属电极。
2.根据权利要求1所述的一种微米线阵列发光二极管，其特征在于，所述凹槽的宽度为5~10μm，所述凹槽的深度为2~6μm，所述隔离层的介电常数大于3.9，所述一个所述凹槽内的两根氮化镓微米线的最短距离为50~200nm，所述氮化镓微米线的横截面为梯形、三角形中的任意一种，所述横截面的高为0.6~6μm。
3.根据权利要求1所述的一种微米线阵列发光二极管，其特征在于，所述铝保护层的厚度为2~5nm；所述硅掺杂铝氮缓冲层的厚度为20~50nm，所述硅掺杂氮化铝层中电子掺杂浓度为1×1018cm-3；所述N型氮化镓的厚度为1~3um，所述硅掺杂氮化镓层中电子掺杂浓度为5×1018cm-3。
4.根据权利要求1所述的一种微米线阵列发光二极管，其特征在于，所述多量子阱层具体包括：量子垒层和量子阱层，所述量子垒层的材料为氮化镓，所述量子阱层为InXGa1-XN层，所述量子阱结构为3~5对，所述In组分X为0.1~0.5，所述电子阻挡层为铝镓氮，所述铝镓氮厚度为30nm，所述P型氮化镓层的厚度为100nm，所述P型氮化镓层中空穴浓度为1.0×1017-2.0×1017cm-3。
5.一种微米线阵列发光二极管的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
在衬底上刻蚀形成多个等间距排列的凹槽；
在各所述凹槽侧壁上外延生长微米线，形成微米线阵列，具体包括：
通过金属有机化学气相沉积法在各凹槽侧壁上外延生长Al保护层，然后外延一层硅掺杂氮化铝缓冲层；
在所述氮化铝缓冲层上外延生长N型氮化镓，并在所述N型氮化镓上外延生长量子阱薄层，在所述量子阱薄层上外延生长铝镓氮电子阻挡层以及P型氮化镓壳层，形成所述微米线，得到所述微米线阵列；
在各所述凹槽内两侧的所述微米线之间填充绝缘介质材料形成绝缘介质层，并对所述绝缘介质层进行刻蚀使得各微米线上端露出；
在所述微米线阵列上蒸镀电流扩展层、与所述微米线形成欧姆接触的P金属电极以及与所述衬底形成欧姆接触的N金属电极。
6.根据权利要求5所述的一种微米线阵列发光二极管的制备方法，其特征在于，所述在衬底上刻蚀形成多个等间距排列的凹槽具体包括：
在衬底正面制备介质材料形成掩膜层；
采用丙酮和异丙醇对所述掩膜层表面进行清洗并烘干，在所述掩膜层表面旋涂光阻层；
通过等间距条纹光刻板进行曝光后进行显影处理，进行除胶处理；
根据预设的刻蚀深度，对除胶后的部分进行湿法刻蚀，形成多个等间距排列的所述凹槽。
7.根据权利要求5所述的一种微米线阵列发光二极管的制备方法，其特征在于，所述在各所述凹槽内两侧的所述微米线之间填充绝缘介质材料形成绝缘介质层，并对所述绝缘介质层进行刻蚀使得各微米线上端露出具体包括：
采用丙酮、异丙醇和去离子水对所述微米线阵列进行清洗，然后采用氮气吹干并对其进行烘烤去除表面水分子，进行氧等离子体处理；
将所述绝缘介质层通过旋涂填充至各凹槽内两侧的微米线之间，然后对其进行烘烤并冷却，进行氧等离子体处理；
对所述绝缘介质层进行刻蚀使得各微米线上端露出。
8.根据权利要求5所述的一种微米线阵列发光二极管的制备方法，其特征在于，所述在所述微米线阵列上蒸镀电流扩展层、与所述微米线形成欧姆接触的P金属电极以及与所述衬底形成欧姆接触的N金属电极具体包括：
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利用蒸镀或溅射的方法在所述衬底上蒸镀一层欧姆接触的N金属电极。
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