CN109166948B - 垂直金字塔结构led及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直金字塔结构LED及其制备方法，属于半导体技术领域。该垂直金字塔结构LED包括：衬底和外延层，所述外延层位于所述衬底之上，其中，外延层包括介质层和金字塔结构，所述介质层沉积在衬底上，具有开设至衬底的周期性孔洞结构的图形化掩膜；所述金字塔结构为填满所述孔洞结构并继续生长形成金字塔式结构。本发明直接在新型衬底上开孔选区外延生长GaN基垂直金字塔LED，不需要生长氮化物薄膜层、不需要衬底剥离、发光层转移、二次键和的简单垂直金字塔结构技术路线，将大幅提高生产效率，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种垂直金字塔结构LED及其制备方法。
背景技术
近年来，GaN基发光二极管(LED)为代表的固态照明技术由于具有体积小、冷光源、响应时间短、发光效率高、节能、使用寿命长等优势，取得了长足的发展。由于GaN同质衬底难以获得，基于异质外延GaN的不同衬底，主要发展起来比较成熟的SiC和蓝宝石两条技术路线。其中SiC衬底虽然与GaN晶格失配较小，并且具有一定的导电性，但由于其具有一定的吸光性，且单晶价格昂贵，不适合大批量生产和应用。蓝宝石衬底价格便宜，是目前主流的技术路线，但同时，由于蓝宝石和GaN晶格失配、热失配较大，在其上外延出的GaN/InGaN薄膜往往具有较大的应力和缺陷，并且由于蓝宝石衬底不导电，且导热性差，电流的横向扩展会在器件内集聚大量的热，严重降低了器件的效率和寿命，通常，可以通过选区外延生长GaN金字塔的方法，解决GaN薄膜的缺陷和应力的问题，但需要在蓝宝石衬底上先生长GaN薄膜过渡层再对其进行图形化处理。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于，提供一种垂直金字塔结构LED及其制备方法，以较低的成本和工艺难度，制备出大电流注入密度，高发光效率的高亮垂直金字塔结构LED。
(二)技术方案
根据本发明的一方面，提供一种垂直金字塔结构LED，包括：衬底和外延层，所述外延层位于所述衬底之上，其中，外延层包括介质层和金字塔结构，所述介质层沉积在衬底上，具有开设至衬底的周期性孔洞结构的图形化掩膜；所述金字塔结构为填满所述孔洞结构并继续生长形成的金字塔式结构。
在进一步的实施方案中，所述的衬底为与GaN晶格失配度在1％～15％的宽禁带β-Ga2O3衬底。
在进一步的实施方案中，所述的介质层的材料为SiO2或SiNX，x的值介于0至5之间，其厚度为20nm～200nm。
在进一步的实施方案中，所述的介质层的孔洞结构图形为正六边形；所述的金字塔结构的侧面均为(1-100)面，顶面为(0001)面的n型GaN六角金字塔结构。
在进一步的实施方案中，所述的n型GaN六角金字塔结构的高度为2μm～10μm，所述金字塔结构掺杂元素Si，掺杂浓度为1018cm-3～1020cm-3。
在进一步的实施方案中，所述的垂直金字塔结构LED中的外延层还包括：
多量子阱发光层，生长在金字塔结构的侧面上；
p型AlGaN电子阻挡层，生长在多量子阱发光层上；
p型GaN层，生长在p型AlGaN电子阻挡层上；
透明导电层，制备在p型GaN层上。
在进一步的实施方案中，所述的多量子阱发光层的材料为：InXGaN/GaN，其中X的值为12～18，InGaN层厚度为2～3nm；GaN层厚度为10～12nm。
在进一步的实施方案中，所述的p型GaN层采用掺杂Mg元素获得，掺杂浓度为1017cm-3～1018cm-3。
在进一步的实施方案中，所述的透明导电层为ITO。
在进一步的实施方案中，所述的一种垂直金字塔结构LED，还包括p/n电极，分别制备在透明导电层之上和衬底底面。
根据本发明的另一方面，提供一种垂直金字塔结构LED制备方法，包括：
在衬底上沉积介质层；
把介质层制备成具有周期性孔洞结构的图形化掩膜；
在图形化掩膜的基础上，填满所述孔洞结构并继续生长形成金字塔式结构。
在进一步的实施方案中，所述的垂直金字塔结构LED制备方法还包括：
在金字塔结构上生长多量子阱发光层；
在多量子阱发光层上生长p型AlGaN电子阻挡层和p型GaN层；
在p型GaN层上蒸镀透明导电层；
在透明导电层和衬底底面分别制备p/n电极。
在进一步的实施方案中，所述垂直金字塔结构LED制备方法在衬底上沉积介质层之前，还包括：用硫酸、双氧水按照3:1的体积比配好的溶液清洁衬底表面。
在进一步的实施方案中，所述的图形化的方法为光刻、胶体光刻、电子束曝光、纳米压印。
在进一步的实施方案中，所述的外延生长金字塔结构为将带有掩膜的图形化衬底放入MOCVD反应室，先将温度控制在480℃～550℃，在N2氛围下生长GaN或AlN成核层，再升温到900℃～1200℃，在H2氛围下生长GaN形成金字塔结构。
在进一步的实施方案中，所述的金字塔结构、多量子阱发光层和p型GaN层采均用金属有机化学气相沉积方法进行外延生长。
(三)有益效果
本发明采用工业上可以量化生产的MOCVD法，不需要先在衬底上生长平面氮化物薄膜再通过图形化氮化物薄膜实现GaN金字塔的选区外延，直接在衬底上开孔选区外延生长GaN基垂直金字塔LED，提供了一种不需要生长氮化物薄膜层、不需要衬底剥离、发光层转移、二次键合的简单垂直金字塔结构技术路线，将大幅提高生产效率，降低生产成本。
附图说明
图1是本发明实施例提供的垂直金字塔LED结构示意图。
图2是本发明实施例提供的实施例制备方法流程图。
具体实施方式
根据本发明的基本构思，提供一种垂直金字塔结构LED，包括：衬底和外延层，所述外延层位于所述衬底)之上，其中，所述外延层包括介质层和金字塔结构，所述介质层沉积在衬底上，具有开设至衬底的周期性孔洞结构的图形化掩膜；所述金字塔结构为填满所述孔洞结构并继续生长形成金字塔式的结构。通过直接在衬底上开孔选区外延生长GaN基垂直金字塔LED，提供了一种不需要生长氮化物薄膜层、不需要衬底剥离、发光层转移、二次键合的简单垂直金字塔结构技术路线。
基于同一构思，本发明实施例还提供一种垂直金字塔结构LED制备方法，包括：
在衬底上沉积介质层；
把介质层制备成具有周期性孔洞结构的图形化掩膜；
在图形化掩膜的基础上，填满所述孔洞结构并继续生长形成金字塔式结构。
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。在此说明所附附图简化过且做为例示用。附图中所示的组件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且组件的配置可能更为复杂。本发明中也可进行其他方面的实践或应用，且不偏离本发明所定义的精神及范畴的条件下，可进行各种变化以及调整。
根据本发明的一个实施例，提供一种垂直金字塔结构LED，如图1所示其包括：衬底1、外延层和p/n电极，其中，
衬底1，为透明、导电、与GaN晶格失配度在1％～15％的宽禁带β-Ga2O3，在MOCVD外延生长氮化物薄膜过程中提供了衬底支撑，为外延高质量GaN金字塔提供必要条件。β-Ga2O3,是一种新型氮化物衬底材料，与GaN的晶格失配仅为5％，因此可通过直接对其图形化实现选区外延GaN金字塔的生长，同时，作为透明导电氧化物，β-Ga2O3在可见光波段透过率>80％，并且β-Ga2O3为n型半导体，具有一定的导电性能，可通过掺杂改变其导电性，目前通过Sn、Si等元素掺杂，载流子浓度可达2×1018cm-3-9×1018cm-3。
外延层可包括介质层2、金字塔结构3、多量子阱发光层4、p型AlGaN电子阻挡层5、p型GaN层6和透明导电层。
介质层2，沉积在衬底1上，采用常规光刻、胶体光刻、电子束曝光、纳米压印或干法刻蚀等方法将其制备成具有周期性孔洞结构的图形化掩膜，其为GaN金字塔的选区外延生长提供了必要条件。优选的，介质层2的材料为SiO2或SiNX，其厚度为20nm～200nm，其中SiN为多晶，对X范围没有限制，优选的为介于0至5之间。
金字塔结构3，外延生长在衬底1开孔选区，填满所述孔洞结构后继续生长形成金字塔结构3。优选的，所有侧面均为(1-100)面，顶面为(0001)面的n型GaN六角金字塔结构。所述n型GaN六角金字塔结构的高度为2μm～10μm，采用掺杂元素Si获得，掺杂浓度为1018cm-3～1020cm-3。其为后续生长的量子阱层提供了支撑，同时形成微/纳结构阵列，可以有效提高光提取效率。
多量子阱发光层4，生长在金字塔结构3的侧面上，是主要的发光功能层。优选的，多量子阱发光层4材料为：InxGaN/GaN，其中X的值为12～18，InGaN层厚度为2～3nm；GaN层厚度为10～12nm。
p型AlGaN电子阻挡层5，生长在多量子阱发光层4上；
p型GaN层6，生长在p型AlGaN电子阻挡层5上。p型GaN层采用掺杂Mg元素获得，掺杂浓度为1017cm-3～1018cm-3。
透明导电层，制备在p型GaN层6上。优选的，透明导电层为ITO。
p/n电极，p电极制备在透明导电层上，n电极制备在新型衬底底面。
具有以上结构的垂直金字塔结构LED具备大电流注入密度和高发光效率的有益效果。
根据本发明的另一个实施例，提供一种垂直金字塔结构LED制备方法，如图2所示该方法包括：
步骤1：在衬底1上沉积介质层2。
步骤2：把介质层2制备成具有周期性孔洞结构的图形化掩膜。
步骤3：在图形化掩膜的基础上，填满所述孔洞结构并继续生长形成金字塔式结构3。
步骤4：在金字塔结构3上生长多量子阱发光层4。
步骤5：在多量子阱发光层上依次生长p型AlGaN电子阻挡层5和p型GaN层6。
步骤6：在p型GaN层6上蒸镀透明导电层。
步骤7：在透明导电层上制作p电极，在新型衬底底面制作n电极，从而可得到可实现大注入电流密度、高发光效率的高亮垂直金字塔结构LED。
优选的，沉积介质层2之前，可先用硫酸、双氧水按照3:1的体积比配好的溶液清洁衬底表面。
在步骤2中，把介质层2制备成具有周期性孔洞结构的图形化掩膜的方法可以是但不局限于光刻、胶体光刻、电子束曝光或纳米压印。经过上述方法进行开孔，从而形成供金字塔结构3生长的孔洞，空洞的形状和大小不限。
在步骤3中，外延生长金字塔结构3包括：将带有掩膜的图形化衬底放入MOCVD反应室，先将温度控制在480℃～550℃，在N2氛围下生长GaN或AlN成核层，再升温到900℃～1200℃，在H2氛围下生长GaN形成金字塔结构3。
在步骤4中：在金字塔结构3上生长的多量子阱发光层4；材料为InXGaN/GaN，其中X值为12～18，并且InGaN层厚度为2～3nm；GaN层厚度为10～12nm；
步骤5：在多量子阱发光层4上生长的p型GaN层；掺杂元素为Mg，掺杂浓度为1017cm-3～1018cm-3；
优选的，所述金字塔结构3、多量子阱发光层4和p型GaN层6均采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法进行外延生长。
通过以上步骤制备垂直金字塔结构LED，不需要先在衬底上生长平面氮化物薄膜再通过图形化氮化物薄膜实现GaN金字塔的选区外延，直接在新型衬底上开孔选区外延生长GaN基垂直金字塔LED，将大幅提高生产效率，降低生产成本。
作为一具体实施例，相应的制备方法可以如下所述：
步骤1：取(-201)晶向β-Ga2O3衬底，放入硫酸、双氧水按照3:1的体积比配好的溶液中，清洁衬底表面；
步骤2：通过等离子体增强化学的气相沉积法，在上述β-Ga2O3衬底上沉积SiO2介质层,其厚度为20nm～200nm；并采用常规光刻和干法刻蚀的方法，将SiO2介质层制备成具有周期性孔洞结构的边长6μm的正六边形掩膜；
步骤3：将上述带有SiO2掩膜的图形化β-Ga2O3衬底，放入MOCVD反应室，先将温度控制在480℃～550℃，在N2氛围下生长3min的低温GaN或AlN成核层，再升温到900℃～1200℃，在H2氛围下生长1小时的GaN，获得高度为2μm～10μm的n型GaN金字塔结构，其中n型GaN层采用掺杂元素Si获得，掺杂浓度为1018cm-3～1020cm-3；
步骤4：在n型GaN金字塔上生长InXGaN/GaN多量子阱发光层；其中X值为12～18，并且InGaN层厚度为2～3nm；GaN层厚度为10～12nm；
步骤5：在多量子阱发光层上依次生长p型AlGaN电子阻挡层和p型GaN层；其中p型GaN层采用掺杂元素Mg获得，掺杂浓度为1017cm-3～1018cm-3；
步骤6：在p型GaN层上蒸镀透明导电层ITO；
步骤7：在ITO上面和Ga2O3衬底底面分别制备p/n电极，完成器件的制作。
本发明实施例采用(-201)晶向β-Ga2O3衬底结合MOCVD选区外延技术精确控制生长GaN金字塔LED结构，仅通过一次外延即可获得高质量、无应力的GaN金字塔LED阵列，大大提高了光提取效率，获得了大注入电流密度下高亮垂直金字塔结构LED，为垂直金字塔结构LED的制备提供了工艺简单、有效降低时间成本的技术路线，完全能够满足通用照明低成本、高性能、和高成品率的大规模生产要求。
在上面的描述中，出于说明目的，阐述了众多具体细节以便提供对本发明的各实施例的全面理解。然而，对本领域技术人员将显而易见的是，没有这些具体细节中的某些也可实施一个或多个其他实施例。所描述的具体实施例不是为了限制本发明而是为了说明。本发明的范围不是由上面所提供的具体示例确定，而是仅由权利要求确定。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以上权利要求和实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
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 (15)
1.一种垂直金字塔结构LED，其特征在于，包括：衬底（1）、介质层（2）和外延层，所述外延层位于所述衬底（1）之上，其中，
所述衬底（1）为与GaN晶格失配度在1％～15％的宽禁带β-Ga2O3衬底；
所述外延层包括金字塔结构（3），所述金字塔结构（3）直接接触所述衬底（1）；所述金字塔结构（3）采用的材料为n型GaN；
其中，所述垂直金字塔结构LED通过如下步骤制备：
在所述衬底（1）上沉积介质层（2）；
把介质层（2）制备成具有周期性孔洞结构的图形化掩膜；
在图形化掩膜的基础上，填满所述孔洞结构并继续生长形成金字塔式结构（3）。
2.根据权利要求1所述的垂直金字塔结构LED，其特征在于，所述介质层（2）的材料为SiO2或SiNX，其中，x的值介于0至5之间，介质层（2）的厚度为20nm~200nm。
3.根据权利要求1所述的垂直金字塔结构LED，其特征在于，所述介质层（2）的孔洞结构俯视图形为正六边形；所述金字塔结构（3）是侧面均为（1-100）面，顶面为（0001）面的六角金字塔结构。
4.根据权利要求3所述的垂直金字塔结构LED，其特征在于，所述六角金字塔结构的高度为2μm～10μm，所述金字塔结构（3）掺杂元素Si，掺杂浓度为1018cm-3~1020cm-3。
5.根据权利要求1所述的垂直金字塔结构LED，其特征在于，所述外延层还包括：
多量子阱发光层（4），生长在金字塔结构（3）的侧面上；
p型AlGaN电子阻挡层（5），生长在多量子阱发光层（4）上；
p型GaN层（6），生长在p型AlGaN电子阻挡层（5）上；
透明导电层，制备在p型GaN层（6）上。
6.根据权利要求5所述的垂直金字塔结构LED，其特征在于，所述多量子阱发光层（4）的材料为：InXGaN/GaN，其中X的值介于12至18之间，InGaN层厚度为2~3nm；GaN层厚度为10~12nm。
7.根据权利要求5所述的垂直金字塔结构LED，其特征在于，所述p型GaN层采用掺杂Mg元素获得，掺杂浓度为1017cm-3~1018cm-3。
8.根据权利要求5所述的垂直金字塔结构LED，其特征在于，所述透明导电层材料为ITO。
9.根据权利要求5所述的垂直金字塔结构LED，其特征在于，还包括p电极和n电极，分别制备在透明导电层之上和衬底底面。
10.一种垂直金字塔结构LED制备方法，其特征在于，包括：
在衬底（1）上沉积介质层（2）；其中，所述衬底（1）为与GaN晶格失配度在1％～15％的宽禁带β-Ga2O3衬底；
把介质层（2）制备成具有周期性孔洞结构的图形化掩膜；
在图形化掩膜的基础上，填满所述孔洞结构并继续生长形成金字塔结构（3）；所述金字塔结构（3）采用的材料为n型GaN；
其中，所述金字塔结构（3）直接接触所述衬底（1）。
11.根据权利要求10所述的垂直金字塔结构LED制备方法，其特征在于，还包括：
在金字塔结构（3）上生长多量子阱发光层（4）；
在多量子阱发光层上生长p型AlGaN电子阻挡层（5）和p型GaN层（6）；
在p型GaN层（6）上蒸镀透明导电层；
在透明导电层和衬底底面分别制备p/n电极。
12.根据权利要求10所述的垂直金字塔结构LED制备方法，其特征在于，在衬底（1）上沉积介质层（2）之前，还包括：用硫酸、双氧水按照3:1的体积比配好的溶液清洁衬底表面。
13.根据权利要求10所述的垂直金字塔结构LED制备方法，其特征在于，所述图形化的方法为光刻、胶体光刻、电子束曝光或纳米压印。
14.根据权利要求10所述的垂直金字塔结构LED制备方法，其特征在于，外延生长所述金字塔结构（3）包括：
将带有掩膜的图形化衬底放入MOCVD反应室，先将温度控制在480℃~550℃，在N2氛围下生长GaN或AlN成核层，再升温到900℃~1200℃，在H2氛围下生长GaN形成金字塔结构（3）。
15.根据权利要求10所述的垂直金字塔结构LED制备方法，其特征在于，所述金字塔结构（3）、多量子阱发光层（4）和p型GaN层（6）均采用金属有机化学气相沉积方法进行外延生长。
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