CN109449267B - 一种紫外发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紫外发光二极管，包括蓝宝石衬底与GaN缓冲层，所述紫外发光二极管包括GaN纳米线层与GaN纳米线融合层；所述GaN纳米线层设置在所述紫外发光二极管的蓝宝石衬底表面；所述GaN纳米线层包括GaN纳米线，所述GaN纳米线的两端分别连接所述GaN纳米线融合层和所述蓝宝石衬底，实现所述GaN纳米线融合层与所述蓝宝石衬底间的电连接；所述GaN纳米线融合层设置在所述GaN纳米线层与所述紫外发光二极管的GaN缓冲层之间。本发明通过将传统的GaN层替换成GaN纳米线层，减少了GaN材料与衬底的接触面积，同时也就减少了接触面间的缺陷和位错，提升了内量子效率，进而提高了元件效率。本发明同时还提供了一种具有上述有益效果的紫外发光二极管的制作方法。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光器件领域，特别是涉及一种紫外发光二极管及其制作方法。
背景技术
自上世纪90年代，研究者将研究重心转向III族氮化物紫外发光器件，紫外发光二极管发展到目前已经取得了阶段性的成就。紫外发光二极管应用范围很广，如空气和水的净化、消毒，紫外医疗，高密度光学存储系统，全彩显示器，以及固态白光照明等等。其中，GaN是一种宽带隙化合物材料，具有发射蓝光、高温、高频、高压、大功率和耐酸、耐碱、耐腐蚀等特点，使得它在蓝光和紫外光电子学技术领域占有重要地位，是制作紫外发光二极管的理想材料。
现有的GaN基紫外发光二极管中，缺少能与GaN材料相匹配的衬底，导致晶格失配较大，从而产生较大的缺陷和较多的位错，限制了元件中内量子的效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种紫外发光二极管及其制作方法，以减少GaN材料与衬底上的缺陷及位错，提升内量子效率，提升元件的工作效率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种紫外发光二极管，包括蓝宝石衬底与GaN缓冲层，所述紫外发光二极管包括GaN纳米线层与GaN纳米线融合层；
所述GaN纳米线层设置在所述紫外发光二极管的蓝宝石衬底表面；
所述GaN纳米线层包括GaN纳米线，所述GaN纳米线的两端分别连接所述GaN纳米线融合层和所述蓝宝石衬底，实现所述GaN纳米线融合层与所述蓝宝石衬底间的电连接；
所述GaN纳米线融合层设置在所述GaN纳米线层与所述紫外发光二极管的GaN缓冲层之间。
可选地，在所述紫外发光二极管中，所述紫外发光二极管还包括金属基底层；
所述金属基底设置在所述紫外发光二极管的蓝宝石衬底与所述GaN纳米线层之间。
可选地，在所述紫外发光二极管中，所述金属基底层为镍层。
可选地，在所述紫外发光二极管中，所述镍层的厚度范围为5纳米至10 纳米，包括端点值。
可选地，在所述紫外发光二极管中，所述GaN纳米线层的厚度范围为100 纳米至150纳米，包括端点值。
本发明还提供了一种紫外发光二极管的制作方法，包括：
提供蓝宝石衬底，通入含镓源氮气、氯化氢气体及氨气，在所述蓝宝石衬底表面生长出GaN纳米线，生成GaN纳米线层；
使所述GaN纳米线横向生长，生成GaN纳米线融合层；
依次在所述GaN纳米线融合层上设置GaN缓冲层、本征GaN层、N型 GaN层、AlGaN/GaN多量子阱结构、P型AlGaN层及P型GaN层，得到所述紫外发光二极管。
可选地，在所述紫外发光二极管的制作方法中，在所述生长出GaN纳米线之前，还包括：
在所述蓝宝石衬底表面设置金属基底层；
所述在所述蓝宝石衬底表面生长出GaN纳米线，生成GaN纳米线层包括：
在所述金属基底层表面生长出GaN纳米线，生成GaN纳米线层。
可选地，在所述紫外发光二极管的制作方法中，所述GaN纳米线在生长时的环境温度的范围为650摄氏度至700摄氏度，包括端点值；所述GaN纳米线的生长时间的范围为20分钟至30分钟，包括端点值。
可选地，在所述紫外发光二极管的制作方法中，所述GaN纳米线融合层在生成时的环境温度的范围为800摄氏度至850摄氏度，包括端点值。
可选地，在所述紫外发光二极管的制作方法中，所述GaN纳米线融合层的生成时间的范围为20分钟至30分钟，包括端点值。
本发明所提供的紫外发光二极管，包括蓝宝石衬底与GaN缓冲层，所述紫外发光二极管包括GaN纳米线层与GaN纳米线融合层；所述GaN纳米线层设置在所述紫外发光二极管的蓝宝石衬底表面；所述GaN纳米线层包括 GaN纳米线，所述GaN纳米线的两端分别连接所述GaN纳米线融合层和所述蓝宝石衬底，实现所述GaN纳米线融合层与所述蓝宝石衬底间的电连接；所述GaN纳米线融合层设置在所述GaN纳米线层与所述紫外发光二极管的GaN 缓冲层之间。本发明通过将传统的GaN层替换成GaN纳米线层，减少了GaN 材料与衬底的接触面积，同时也就减少了接触面间的缺陷和位错，提升了内量子效率，进而提高了元件效率。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中GaN基紫外发光二极管的结构示意图；
图2为本发明的一种具体实施方式所提供的紫外发光二极管的结构示意图；
图3为本发明的另一种具体实施方式所提供的紫外发光二极管的结构示意图；
图4为本发明的一种具体实施方式所提供的紫外发光二极管的制作方法的流程示意图；
图5为本发明的另一种具体实施方式所提供的紫外发光二极管的制作方法的流程示意图。
具体实施方式
紫外发光二极管一般指发光中心波长在400纳米以下的发光二极管，但有时将发光波长大于380纳米时称为近紫外发光二极管，而短于300纳米时称为深紫外发光二极管。因短波长光线的杀菌效果高，因此紫外发光二极管常用于冰箱和家电等的杀菌及除臭等用途。
紫外发光二极管(UV LED)主要应用在生物医疗、防伪鉴定、净化(水、空气等)领域、计算机数据存储和军事等方面。而且随着技术的发展，新的应用会不断出现以替代原有的技术和产品，紫外发光二极管有着广阔的市场应用前景，如紫外发光二极管光疗仪是未来很受欢迎的医疗器械，但是目前技术还处于成长期，在为数众多的紫外发光二极管制作材料中，GaN为一种备受瞩目的材料。
GaN本身为一种宽带隙化合物材料，非常适合用来做紫外发光二极管的基材，图1为现有技术中GaN基紫外发光二极管的结构示意图，其中，GaN 层02与蓝宝石基底01接触连接，但由于GaN与蓝宝石的晶格匹配程度很低，因此在上述GaN层02与上述蓝宝石层01的接触面上，会产生较多缺陷和位错，而这些缺陷和位错会形成复合中心，使自由载流子在此处复合，降低了材料内自由载流子的浓度，即使材料的内量子效率降低，进而使元件工作效率下降，从上述GaN层向上依次为GaN缓冲层03、本征GaN层04、N型GaN层 05、AlGaN/GaN多量子阱结构06、P型AlGaN层07及P型GaN层08。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。
本发明的核心是提供一种紫外发光二极管，其具体实施方式一的结构示意图如图2所示，包括：
蓝宝石衬底101与GaN缓冲层105，并包括GaN纳米线层103与GaN纳米线融合层104；
所述GaN纳米线层103设置在所述紫外发光二极管的蓝宝石衬底101表面；
所述GaN纳米线层103包括GaN纳米线，所述GaN纳米线的两端分别连接所述GaN纳米线融合层104和所述蓝宝石衬底101，实现所述GaN纳米线融合层104与所述蓝宝石衬底101间的电连接；
所述GaN纳米线融合层104设置在所述GaN纳米线层103与所述紫外发光二极管的GaN缓冲层105之间。
上述蓝宝石基底，为刚玉宝石中除红宝石之外其他刚玉宝石所构成的基底的统称，其主要成分是氧化铝。
上述GaN纳米线层103由GaN纳米线组成，上述GaN纳米线连接上述 GaN纳米线融合层104与上述蓝宝石衬底101，理想状况下，上述GaN纳米线的延伸方向应与上述紫外发光二极管的外延层排布方向一致，换句话说，上述GaN纳米线的延伸方向在理想状况下应垂直于其与上述蓝宝石基底的接触面，当然，在实际状况下，GaN纳米线的走向对比理想状况可有一定程度的误差，但必须满足连接上述蓝宝石衬底101及上述纳米线融合层104的条件。
上述纳米线可以被定义为一种具有在横向上被限制在100纳米以下(纵向没有限制)的一维结构，典型的纳米线的纵横比在1000以上，因此其通常被称为一维材料。
上述GaN纳米层的厚度范围为100纳米至150纳米，包括端点值，如100.0 纳米、115.0纳米或150.0纳米中的任一个。
本发明所提供的紫外发光二极管，包括蓝宝石衬底101与GaN缓冲层 105，所述紫外发光二极管包括GaN纳米线层103与GaN纳米线融合层104；所述GaN纳米线层103设置在所述紫外发光二极管的蓝宝石衬底101表面；所述GaN纳米线层103包括GaN纳米线，所述GaN纳米线的两端分别连接所述GaN纳米线融合层104和所述蓝宝石衬底101，实现所述GaN纳米线融合层104与所述蓝宝石衬底101间的电连接；所述GaN纳米线融合层104设置在所述GaN纳米线层103与所述紫外发光二极管的GaN缓冲层105之间。本发明通过将传统的GaN层替换成GaN纳米线层103，减少了GaN材料与衬底的接触面积，同时也就减少了接触面间的缺陷和位错，提升了内量子效率，进而提高了元件效率。
在具体实施方式一的基础上，进一步对上述紫外发光二极管的外延层做改进，得到具体实施方式二，其结构示意图如图3所示，包括：
蓝宝石衬底101与GaN缓冲层105，并包括GaN纳米线层103、GaN纳米线融合层104及金属基底层102；
所述GaN纳米线层103设置在所述紫外发光二极管的蓝宝石衬底101表面；
所述GaN纳米线层103包括GaN纳米线，所述GaN纳米线的两端分别连接所述GaN纳米线融合层104和所述蓝宝石衬底101，实现所述GaN纳米线融合层104与所述蓝宝石衬底101间的电连接；
所述金属基底设置在所述紫外发光二极管的蓝宝石衬底101与所述GaN 纳米线层103之间；
所述GaN纳米线融合层104设置在所述GaN纳米线层103与所述紫外发光二极管的GaN缓冲层105之间。
与具体实施方式一相比，本具体实施方式加入了金属基底层102，其他均与具体实施方式一相同，在此不做赘述。
上述金属基底层102可以为镍层，金属镍拥有良好的可塑性和抗腐蚀性，化学性质稳定，更适合GaN纳米线在其表面生长，上述镍层的厚度范围为5 纳米至10纳米，包括端点值，如5.0纳米、7.6纳米或10.0纳米中的任一个。
本具体实施例在具体实施例一的基础上加入了金属基底层102，上述GaN 纳米线层103设置在上述金属基底层102上，GaN粒子相比于直接在蓝宝石衬底101上，在金属基底层102上能更好地聚合形成GaN纳米线，即增加金属基底层102可使GaN纳米线更快，更均匀地生长。
本发明还提供了一种紫外发光二极管的制作方法，图4为本发明提供的紫外发光二极管的制作方法的具体实施方式三的步骤流程图，包括：
步骤S101：提供蓝宝石衬底101，通入含镓源氮气、氯化氢气体及氨气，在所述蓝宝石衬底101表面生长出GaN纳米线，生成GaN纳米线层103。
上述蓝宝石衬底101，在进行后续表面处理前，可先进行表面清洗，去除表面可能附着的杂质，使得上述紫外发光二极管的外延层的生长更均匀。
上述GaN纳米线在生长时的环境温度范围为650摄氏度至700摄氏度，包括端点值，如650.0摄氏度、666.5摄氏度或700.0摄氏度中的任一个。
上述GaN纳米线的生长时间的范围为20分钟至30分钟，包括端点值，如20.0分钟、25.0分钟或30.0分钟中的任一个。
步骤S102：使所述GaN纳米线横向生长，生成GaN纳米线融合层104。
上述GaN纳米线融合层104为各个上述纳米线末端横向生长相互连接所构成。应保证
上述GaN纳米线融合层104在生成时的环境温度的范围为800摄氏度至 850摄氏度，包括端点值，如800.0摄氏度、833.3摄氏度或850.0摄氏度中的任一个。
上述GaN纳米线融合层104的生成时间的范围为20分钟至30分钟，包括端点值，如20.0分钟、25.0分钟或30.0分钟中的任一个。
步骤S103：依次在所述GaN纳米线融合层104上设置GaN缓冲层105、本征GaN层106、N型GaN层107、AlGaN/GaN多量子阱结构108、P型AlGaN 层109及P型GaN层110，得到所述紫外发光二极管。
上述在GaN纳米线融合层104上设置GaN缓冲层105的过程，具体为将生长好GaN纳米线融合层104的蓝宝石衬底101取出冷却后，进行金属有机化学气相沉积(MOCVD)，得到GaN缓冲层105，沉积过程中的环境温度为 950摄氏度，沉积时间为15分钟，当然，沉积过程中的环境温度及沉积时间可根据实际情况做相应调整。
上述本征GaN层106的生长过程为，通过金属有机化学沉积进行本征GaN 层106沉积，沉积过程中的环境温度为1050摄氏度，沉积时间为40分钟，当然，沉积过程中的环境温度及沉积时间可根据实际情况做相应调整。
上述本征GaN层106的厚度为2微米，当然，可根据实际情况做相应调整。
上述N型GaN层107的生长时间为60分钟，当然，可根据实际情况做相应调整。
上述AlGaN/GaN多量子阱结构108，由AlGaN层与GaN层交替构成，其中AlGaN层中的AlGaN组分比例为Al0.15Ga0.85N，厚度为8纳米；GaN层厚度为3纳米，当然，可根据实际情况做相应调整。
上述AlGaN/GaN多量子阱结构108中，上述AlGaN层与上述GaN层交替生长6个周期，当然，可根据实际情况做相应调整。
上述P型AlGaN层109的具体组分比例为Al0.3Ga0.7N，厚度为15纳米，当然，可根据实际情况做相应调整。本层可起到阻挡电子的作用。
上述P型GaN层110的厚度为20纳米，当然，可根据实际情况做相应调整。
本发明所提供的紫外发光二极管的制作方法，包括提供蓝宝石衬底101，通入含镓源氮气、氯化氢气体及氨气，在所述蓝宝石衬底101表面生长出GaN 纳米线，生成GaN纳米线层103；使所述GaN纳米线横向生长，生成GaN纳米线融合层104；依次在所述GaN纳米线融合层104上设置GaN缓冲层105、本征GaN层106、N型GaN层107、AlGaN/GaN多量子阱结构108、P型AlGaN 层109及P型GaN层110，得到所述紫外发光二极管。本发明通过将传统的 GaN层替换成GaN纳米线层103，减少了GaN材料与衬底的接触面积，同时也就减少了接触面间的缺陷和位错，提升了内量子效率，进而提高了元件效率。
在具体实施方式散的基础上，进一步对上述紫外发光二极管的外延层做改进，得到具体实施方式四，其流程示意图如图5所示，包括：
步骤S201：提供一蓝宝石衬底101，在所述蓝宝石衬底101表面设置金属基底层102。
步骤S202：通入含镓源氮气、氯化氢气体及氨气，在所述金属基底层102 表面生长出GaN纳米线，生成GaN纳米线层103。
上述金属基底为通过真空蒸镀设置的金属基底层102。上述真空蒸镀的物理过程为沉积材料蒸发获升华为气态粒子、气态粒子由蒸发源向基片表面输送、气态粒子附着在基片表面形核、薄膜原子重构或产生化学键合。在本发明中，上述基片即为蓝宝石衬底101。真空蒸镀具有成膜方法简单、薄膜纯度和致密性高、膜结构和性能独特等优点。
步骤S203：使所述GaN纳米线横向生长，生成GaN纳米线融合层104。
步骤S204：依次在所述GaN纳米线融合层104上设置GaN缓冲层105、本征GaN层106、N型GaN层107、AlGaN/GaN多量子阱结构108、P型AlGaN 层109及P型GaN层110，得到所述紫外发光二极管。
与具体实施方式三相比，本具体实施方式加入了设置金属基底层102的步骤，其他均与具体实施方式三相同，在此不做赘述。
本具体实施例在具体实施例三的基础上加入了金属基底层102，上述GaN 纳米线层103设置在上述金属基底层102上，GaN粒子相比于直接在蓝宝石衬底101上，在金属基底层102上能更好地聚合形成GaN纳米线，即增加金属基底层102可使GaN纳米线更快，更均匀地生长。
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它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本发明所提供的紫外发光二极管及其制作方法进行了详细介绍。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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种紫外发光二极管，包括蓝宝石衬底与GaN缓冲层，其特征在于，所述紫外发光二极管包括GaN纳米线层与GaN纳米线融合层；
所述GaN纳米线层设置在所述紫外发光二极管的蓝宝石衬底表面；
所述GaN纳米线层包括GaN纳米线，所述GaN纳米线的两端分别连接所述GaN纳米线融合层和所述蓝宝石衬底，实现所述GaN纳米线融合层与所述蓝宝石衬底间的电连接；
所述GaN纳米线融合层设置在所述GaN纳米线层与所述紫外发光二极管的GaN缓冲层之间；
所述GaN纳米线层为通入含镓源氮气、氯化氢气体及氨气，在所述蓝宝石衬底表面生长出的GaN纳米线层；所述GaN纳米线层在生长时的环境温度范围为650摄氏度至700摄氏度，包括端点值；
所述GaN纳米线融合层为所述GaN纳米线横向生长，生成的GaN纳米线融合层；所述GaN纳米线融合层在生成时的环境温度的范围为800摄氏度至850摄氏度，包括端点值。
2.如权利要求1所述的紫外发光二极管，其特征在于，所述紫外发光二极管还包括金属基底层；
所述金属基底设置在所述紫外发光二极管的蓝宝石衬底与所述GaN纳米线层之间。
3.如权利要求2所述的紫外发光二极管，其特征在于，所述金属基底层为镍层。
4.如权利要求3所述的紫外发光二极管，其特征在于，所述镍层的厚度范围为5纳米至10纳米，包括端点值。
5.如权利要求1至4任一项所述的紫外发光二极管，其特征在于，所述GaN纳米线层的厚度范围为100纳米至150纳米，包括端点值。
6.一种紫外发光二极管的制作方法，其特征在于，包括：
提供蓝宝石衬底，通入含镓源氮气、氯化氢气体及氨气，在所述蓝宝石衬底表面生长出GaN纳米线，生成GaN纳米线层；
使所述GaN纳米线横向生长，生成GaN纳米线融合层；
依次在所述GaN纳米线融合层上设置GaN缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、AlGaN/GaN多量子阱结构、P型AlGaN层及P型GaN层，得到所述紫外发光二极管；
所述GaN纳米线层在生长时的环境温度范围为650摄氏度至700摄氏度，包括端点值；
所述GaN纳米线融合层在生成时的环境温度的范围为800摄氏度至850摄氏度，包括端点值。
7.如权利要求6所述的紫外发光二极管的制作方法，其特征在于，在所述生长出GaN纳米线之前，还包括：
在所述蓝宝石衬底表面设置金属基底层；
所述在所述蓝宝石衬底表面生长出GaN纳米线，生成GaN纳米线层包括：
在所述金属基底层表面生长出GaN纳米线，生成GaN纳米线层。
8.如权利要求6所述的紫外发光二极管的制作方法，其特征在于，所述GaN纳米线在生长时的环境温度的范围为650摄氏度至700摄氏度，包括端点值；所述GaN纳米线的生长时间的范围为20分钟至30分钟，包括端点值。
9.如权利要求6所述的紫外发光二极管的制作方法，其特征在于，所述GaN纳米线融合层在生成时的环境温度的范围为800摄氏度至850摄氏度，包括端点值。
10.如权利要求9所述的紫外发光二极管的制作方法，其特征在于，所述GaN纳米线融合层的生成时间的范围为20分钟至30分钟，包括端点值。
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