CN110098295A - 一种具有导电DBR的GaN基LED及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有导电DBR的GaN基LED及其制备方法，属于LED领域，包括衬底，衬底的上表面依次生长有缓冲层、非故意掺杂GaN层、n型掺杂GaN层，n型掺杂GaN层上生长制作有多孔导电DBR层，在多孔导电DBR层上表面依次生长有n型半导体层、MQW有源层、p型半导体层和透明导电层；n型掺杂GaN层上表面的裸露部分设有n电极，透明导电层上设有p电极；多孔导电DBR层为制备透明导电层后经电化学腐蚀后形成的交替堆叠的高孔洞率多孔GaN层与低孔洞率多孔GaN层。本发明通过电化学选择性腐蚀形成多孔GaN/GaN导电DBR结构，提高发光二极管产品的发光效率，降低工艺难度和制作成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有导电DBR的GaN基LED及其制备方法，属于LED技术领域。
背景技术
由于照明、显示和医疗等光电子和电力电子领域的应用更加广泛，三族氮化物宽禁带半导体材料和器件成为世界各国争相抢占的新一代领域。而随着上世纪九十年代，第一个蓝光LED的诞生，发光二极管技术有了飞速的发展。LED由于具有体积小、成本低、单色性好、高效率等特点，在照明、显示和光通讯领域的应用前景广阔，是最新最好的光源技术，也是新一代电子信息技术-光电子领域研究的热点。
实现GaN基LED主要研究工作集中在提高其发光效率，降低成本上。采用DBR 结构提高LED的发光效率是一种非常有效的手段。一种方法是通过外延生长 AlGaN/GaN或AlInN/GaNDBR结构；另一种方法是通过衬底移除和研磨抛光技术，采用介质DBR结构。通过外延生长技术制备的器件，往往需要很长的生长时间，或者由于晶格不匹配引起的应力导致DBR开裂；通过激光剥离、键合以及抛光工艺制备光电器件则由于衬底抛光减薄工艺非常难以控制。所以目前为止由于缺乏晶格匹配的材料制备导电高反射率DBR，均匀电流注入和光学模有效限制结构设计困难，以及工艺复杂难以控制，因此很有必要研制高反射率导电DBR和优化LED结构设计和工艺，克服制约其应用的瓶颈。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种具有导电DBR的GaN基LED及其制备方法，通过电化学选择性腐蚀形成多孔GaN/GaN导电DBR结构，制备具有多孔GaN/GaN 导电DBR结构的LED，提高发光二极管产品的发光效率，降低工艺难度和制作成本。
本发明采用以下技术方案：
一种具有导电DBR的GaN基LED，包括衬底，所述衬底的上表面依次生长有缓冲层、非故意掺杂GaN层、n型掺杂GaN层，所述n型掺杂GaN层上表面部分裸露，所述n型掺杂GaN层上生长制作有多孔导电DBR层，在多孔导电DBR层上表面依次生长有n型半导体层、MQW有源层、p型半导体层和透明导电层；
所述n型掺杂GaN层上表面的裸露部分设有n电极，所述透明导电层上设有p电极；
所述多孔导电DBR层为制备透明导电层后经过电化学腐蚀后形成的交替堆叠的高孔洞率多孔GaN层与低孔洞率多孔GaN层，高孔洞率多孔GaN层和低孔洞率多孔GaN 层分别由重掺杂GaN层和轻掺杂GaN层通过选择性电化学腐蚀得到。
重掺杂GaN层和轻掺杂GaN层的掺杂剂为硅或锗，重掺杂GaN层的掺杂浓度为5 ×1018～1×1020cm-3，优选为1×1019cm-3，轻掺杂GaN层的掺杂浓度为1×1016～5×1018cm-3，优选为5×1016cm-3。
高孔洞率指孔洞率在30％以上，低孔洞率指孔洞率在20％以下(包括0，即无孔洞)，本发明的孔洞为空气孔洞(半导体掺杂后经电化学腐蚀形成孔洞，孔洞中充满空气)，空气孔洞的引入将使多孔GaN层间产生一定的折射率差。
本发明的多孔导电DBR层在发光峰附近的反射率超过50％，并且调节层厚度与周期数可改变发光峰峰值、半高宽与波长，如增加(轻重掺杂)层厚度、周期数均可使峰值强度增加、半高宽增加，波长向右移动，但改变不同参数增加程度不同，可根据需要设计DBR周期数、层厚度。
优选的，所述多孔导电DBR层为高孔洞率多孔GaN层和低孔洞率多孔GaN层交替堆叠形成的多周期DBR结构，周期数大于等于5，多孔导电DBR层的孔径为1～300nm。
优选的，所述衬底为蓝宝石、硅、碳化硅或玻璃；
优选的，所述缓冲层的材料包括AlN和GaN。
优选的，所述非故意掺杂GaN层；
优选的，所述n型掺杂GaN层的掺杂剂为硅或锗，掺杂浓度为1×1018～5×1019cm-3，优选为3×1018cm-3。
进一步优选的，所述透明导电层为ITO、AZO或超薄金属，此处超薄金属的厚度优选为0.5-10nm。
所述n电极和p电极均为金属电极，优选为Ti、Al、Ni、Au、Cr金属之一或者任意组合。
进一步优选的，所述n型半导体层为掺硅的AlGaN或GaN，掺硅的掺杂浓度优选为2×1018～1×1020cm-3；
所述p型半导体层为掺镁的AlGaN或GaN，掺镁的掺杂浓度优选为 2×1018～1×1020cm-3；
优选的，所述MQW有源层为InGaN或GaN。
一种上述具有导电DBR的GaN基LED的制备方法，包括以下步骤：
(1)在衬底上依次生长缓冲层、非故意掺杂GaN层、n型掺杂GaN层、多孔导电 DBR层、n型半导体层、MQW有源层、p型半导体层和透明导电层，其中，多孔导电 DBR层为高孔洞率多孔GaN层和低孔洞率多孔GaN层交替堆叠形成的多周期DBR结构，高孔洞率多孔GaN层和低孔洞率多孔GaN层分别由重掺杂GaN层和轻掺杂GaN 层通过选择性电化学腐蚀得到；
(2)通过光刻、干法刻蚀、湿法刻蚀、清洗工艺形成LED图形，工艺的具体操作可参考现有技术进行，此处不再赘述，并裸漏出交替堆叠的重掺杂GaN层和轻掺杂GaN 层；
(3)采用选择性电化学腐蚀的方法对交替堆叠的重掺杂GaN层和轻掺杂GaN层进行腐蚀，分别形成高孔洞率多孔GaN层与低孔洞率多孔GaN层交替堆叠的多孔导电 DBR层，本发明将重掺杂GaN层与轻掺杂GaN层腐蚀出孔洞即可，制备方法简单，降低成本，掺杂浓度越高，形成孔洞率越高；
(4)在n型掺杂GaN层上表面裸露部分制备n电极，在透明导电层上制备p电极。
优选的，步骤(3)中，选择性电化学腐蚀的过程中使用SiO2或Al2O3或HfO2等对 MQW有源层进行保护，防止选择性电化学腐蚀过程对InGaN/GaN发光层造成损伤。
优选的，本发明需要根据材料的不同选择合适的选择性电化学腐蚀溶液，选择性电化学腐蚀溶液为弱酸、弱碱或中性盐溶液，优选为氢氧化钠、盐酸、氯化钠或硝酸钠等。
本发明未详尽之处，均可采用现有技术进行。
本发明的有益效果为：
本发明的多孔GaN/GaN导电DBR结构的LED，与常规外延的Al(Ga)N/GaN和 AlInN/GaN结构DBR的LED相比，由于多孔GaN是通过选择性电化学腐蚀技术刻蚀n 型重/轻杂GaN形成的，不会增加额外的应力，并且通过优化多孔GaN/GaN结构的掺杂浓度和厚度使其具有很好的导电性。同时采用多孔GaN/GaN结构制备高反射率的导电 DBR使GaN基光电子器件有源区发出的光直接发射后通过高反射多孔GaN DBR发射出来，从而提高GaN光电子器件的发光效率。
通过选择性电化学腐蚀技术制备折射系数差别大、DBR结构无额外应力和导电性好的多孔GaN/GaN导电DBR，具有操作方便、价格低廉、DBR反射率高，导电性好，截至带宽宽和中心波长易调节等优点；与衬底移除技术制备LED相比，在衬底上直接外延制备LED无需研磨抛光减薄工艺，有效提高了GaN光电子器件的性能，制备工艺简单，制作成本低。
综上，采用高反射率多孔导电DBR制备高性能LED，在衬底上直接外延制备LED，提高GaN光电子器件的性能，简化了制备工艺，可重复性高，利于实际应用。
附图说明
图1为本发明的一种实施例的具有导电DBR的GaN基LED的结构示意图；
图2为本发明的一种实施例的具有导电DBR的GaN基LED的制备方法流程图；
图3(a)为DBR未经腐蚀的LED发光图，图3(b)为本发明中电压为18V时经电化学腐蚀所得DBR构成的LED发光图；
图4为由腐蚀情况不同的DBR构成的LED的发光强度图：
图5为由腐蚀情况不同的DBR构成的LED的发光功率图；
图6为多孔GaN导电DBR层厚度不同情况下反射率随波长变化示意图；
其中，10-衬底，11-缓冲层，12-非故意掺杂GaN层，13-n型掺杂GaN层，14-多孔导电DBR层，15-n型半导体层，16-MQW有源层，17-p型半导体层，18-透明导电层， 19-p电极，20-n电极。
具体实施方式：
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1：
一种具有导电DBR的GaN基LED，如图1所示，包括衬底10，衬底10的上表面依次生长有缓冲层11、非故意掺杂GaN层12、n型掺杂GaN层13，n型掺杂GaN层 13上表面部分裸露，n型掺杂GaN层13上生长制作有多孔导电DBR层14，在多孔导电DBR层14上表面依次生长有n型半导体层15、MQW有源层16、p型半导体层17 和透明导电层18；
n型掺杂GaN层13上表面的裸露部分设有n电极20，透明导电层18上设有p电极19；
多孔导电DBR层14为制备透明导电层18后经过电化学腐蚀后形成的交替堆叠的高孔洞率多孔GaN层与低孔洞率多孔GaN层，高孔洞率多孔GaN层和低孔洞率多孔 GaN层分别由重掺杂GaN层和轻掺杂GaN层通过选择性电化学腐蚀得到，掺杂剂均为硅，重掺杂GaN层掺杂浓度为1×1019cm-3，轻掺杂GaN层掺杂浓度为5×1016cm-3，本实施例中，高孔洞率多孔GaN层的孔洞率为52％，低孔洞率多孔GaN层的孔洞率为0，为无孔洞。
本发明的多孔导电DBR层在发光峰附近的反射率超过90％，并且调节层厚度与周期数可改变发光峰峰值、半高宽与波长，如图6所示，图6为多孔导电DBR层厚度不同情况下反射率随波长变化示意图，横坐标为波长，纵坐标为反射率，图中曲线由下至上分别为原多孔导电DBR层、多孔导电DBR层增加20nm、多孔导电DBR层增加40nm、多孔导电DBR层增加60nm，从图中可以看出，通过调节多孔导电DBR层14厚度或周期数，可以调节峰值强度、半高宽与波长。
实施例2：
一种具有导电DBR的GaN基LED，结构如实施例1所示，所不同的是，多孔导电 DBR层14为高孔洞率多孔GaN层和低孔洞率多孔GaN层交替堆叠形成的多周期DBR 结构，周期数为15，多孔导电DBR层14的孔径为1～300nm。
实施例3：
一种具有导电DBR的GaN基LED，结构如实施例2所示，所不同的是，衬底10 为蓝宝石，缓冲层11的材料为AlN，n型掺杂GaN层13的掺杂剂为硅，透明导电层 18为ITO，n电极和p电极均为Ti电极。
实施例4：
一种具有导电DBR的GaN基LED，结构如实施例3所示，所不同的是，n型半导体层15为掺硅的AlGaN，p型半导体层17为掺镁的AlGaN，MQW有源层16为InGaN。
实施例5：
一种具有导电DBR的GaN基LED的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
(1)在衬底10上依次生长缓冲层11、非故意掺杂GaN层12、n型掺杂GaN层13、多孔导电DBR层14、n型半导体层15、MQW有源层16、p型半导体层17和透明导电层18，其中，多孔导电DBR层14为高孔洞率多孔GaN层和低孔洞率多孔GaN层交替堆叠形成的多周期DBR结构，高孔洞率多孔GaN层和低孔洞率多孔GaN层分别由重掺杂GaN层和轻掺杂GaN层通过选择性电化学腐蚀得到；
(2)通过光刻、干法刻蚀、湿法刻蚀、清洗工艺形成LED图形，并裸漏出交替堆叠的重掺杂GaN层和轻掺杂GaN层，重掺杂层的掺杂浓度为1×1019cm-3；
(3)采用选择性电化学腐蚀的方法对交替堆叠的重掺杂GaN层和轻掺杂GaN层进行腐蚀，分别形成高孔洞率多孔GaN层与低孔洞率多孔GaN层交替堆叠的多孔导电 DBR层，在重掺杂GaN层与轻掺杂GaN层上利用溶液腐蚀出孔洞即可；
(4)在n型掺杂GaN层13上表面裸露部分制备n电极20，在透明导电层18上制备p电极19；
步骤(3)中选择性电化学腐蚀的过程中使用SiO2对MQW有源层进行保护，选择性电化学腐蚀的过程所用溶液为硝酸钠。
图3(a)为DBR未经腐蚀的LED发光图，图3(b)为本发明中电压为18V时经电化学腐蚀所得DBR构成的LED发光图，从图3(a)、(b)可以看出，本发明的经电化学腐蚀后的DBR构成的LED发光效果更好；
图4为由腐蚀情况不同的DBR构成的LED的发光强度图，从图中可以看出，电化学腐蚀所得DBR构成的LED，与未进行电化学腐蚀的DBR构成的LED相比，由于其多孔导电DBR层变为多孔层和非多孔层相互交替堆叠的导电DBR层，发光强度大大提高，同时，电化学腐蚀电压增加使DBR孔洞率增加后，构成的LED发光强度也增加，在图4中，在腐蚀电压为18V时，发光强度最好。
图5为由腐蚀情况不同的DBR构成的LED的发光功率图，从图5可以看出，通过电化学腐蚀所得DBR构成的LED发光功率大大增强，同时，电化学腐蚀电压增加使 DBR孔洞率增加后，构成的LED发光功率也增加。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有导电DBR的GaN基LED，其特征在于，包括衬底，所述衬底的上表面依次生长有缓冲层、非故意掺杂GaN层、n型掺杂GaN层，所述n型掺杂GaN层上表面部分裸露，所述n型掺杂GaN层上生长制作有多孔导电DBR层，在多孔导电DBR层上表面依次生长有n型半导体层、MQW有源层、p型半导体层和透明导电层；
所述n型掺杂GaN层上表面的裸露部分设有n电极，所述透明导电层上设有p电极；
所述多孔导电DBR层为制备透明导电层后经过电化学腐蚀后形成的交替堆叠的高孔洞率多孔GaN层与低孔洞率多孔GaN层。
2.根据权利要求1所述的具有导电DBR的GaN基LED，其特征在于，所述多孔导电DBR层为高孔洞率多孔GaN层和低孔洞率多孔GaN层交替堆叠形成的多周期DBR结构，周期数大于等于5，多孔导电DBR层的孔径为1～300nm；
优选的，所述高孔洞率多孔GaN层和低孔洞率多孔GaN层分别由重掺杂GaN层和轻掺杂GaN层通过选择性电化学腐蚀得到。
3.根据权利要求1所述的具有导电DBR的GaN基LED，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、硅、碳化硅或玻璃；
所述缓冲层的材料包括AlN和GaN。
4.根据权利要求1所述的具有导电DBR的GaN基LED，其特征在于，所述非故意掺杂GaN层；
所述n型掺杂GaN层的掺杂剂为硅或锗。
5.根据权利要求1所述的具有导电DBR的GaN基LED，其特征在于，所述透明导电层为ITO、AZO或超薄金属；
所述n电极和p电极均为金属电极，优选为Ti、Al、Ni、Au、Cr金属之一或者任意组合。
6.根据权利要求1所述的具有导电DBR的GaN基LED，其特征在于，所述n型半导体层为掺硅的AlGaN或GaN；
所述p型半导体层为掺镁的AlGaN或GaN。
7.根据权利要求1所述的具有导电DBR的GaN基LED，其特征在于，所述MQW有源层为InGaN或GaN。
8.一种权利要求1所述的具有导电DBR的GaN基LED的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在衬底上依次生长缓冲层、非故意掺杂GaN层、n型掺杂GaN层、多孔导电DBR层、n型半导体层、MQW有源层、p型半导体层和透明导电层，其中，多孔导电DBR层为高孔洞率多孔GaN层和低孔洞率多孔GaN层交替堆叠形成的多周期DBR结构，高孔洞率多孔GaN层和低孔洞率多孔GaN层分别由重掺杂GaN层和轻掺杂GaN层通过电化学腐蚀得到；
(2)通过光刻、干法刻蚀、湿法刻蚀、清洗工艺形成LED图形，并裸漏出交替堆叠的重掺杂GaN层和轻掺杂GaN层；
(3)采用选择性电化学腐蚀的方法对交替堆叠的重掺杂GaN层和轻掺杂GaN层进行腐蚀，分别形成高孔洞率多孔GaN层与低孔洞率多孔GaN层交替堆叠的多孔导电DBR层；
(4)在n型掺杂GaN层上表面裸露部分制备n电极，在透明导电层上制备p电极。
9.根据权利要求8所述的具有导电DBR的GaN基LED的制备方法，其特征在于，步骤(3)中选择性电化学腐蚀的过程中使用SiO2或Al2O3或HfO2对MQW有源层进行保护。
10.根据权利要求8所述的具有导电DBR的GaN基LED的制备方法，其特征在于，选择性电化学腐蚀的过程所用溶液为氢氧化钠、盐酸、氯化钠或硝酸钠。
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