CN110993755B - 电注入三维GaN核壳结构Nano-LED及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电注入三维GaN核壳结构Nano‑LED及制造方法，涉及半导体发光技术领域，其特征在于：蓝宝石衬底上刻蚀N型GaN纳米柱；在N型GaN纳米柱的底部和顶部制备SiO2层或SiNx钝化层；在N型GaN纳米柱侧壁外延生长N型GaN得到的六方对称N型GaN晶柱；在六方对称N型GaN晶柱侧壁上生长InxGa(1‑x)N/GaN多量子阱和P型AlxGa(1‑x)N渐变组分电子阻挡层；在P型AlxGa(1‑x)N渐变组分电子阻挡层外生长P型GaN；在P型GaN外部外延生长N型重掺杂GaN层；在N型重掺杂GaN层外淀积透明ITO电极。本发明能够提高器件辐射复合速率和内量子效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体发光技术领域，特别是涉及一种电注入三维GaN核壳结构Nano-LED及制造方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode)是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能，由一个PN结组成，具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，电子空穴在量子阱内复合产生自发辐射发光。目前LED常用外延技术为衬底c面外延量子阱结构，量子阱受c面极化影响，电子空穴复合效率较低。三维GaN核壳结构Nano-LED为基于GaN非极化m面生长的纳米尺度三维结构发光二极管。
不同于平面外延量子阱LED结构，三维GaN核壳结构Nano-LED由三维N-GaN纳米柱核、包覆在纳米核外面的GaN/InGaN量子阱及P型材料构成的壳层组成。早在2000年研究人员已经在GaN非极性m面生长了平面量子阱结构，但受衬底线缺陷影响，器件发光效率不高，同时衬底制备成本过高也限制了该项技术的发展。直至2009年，K.Fujito等人通过HVPE制备了厚膜N半极性面GaN材料，并通过刻蚀得到良好的非极性面GaN，使在非极性面生长高性能GaN量子阱结构得到广泛关注。
三维非极性面核壳结构LED与传统平面结构LED相比，采用m面侧壁外延方式生长，可以有效限制衬底缺陷导致的线位错向有源区扩展。同时，利用高深宽比刻蚀GaN纳米柱可以得到更大的侧壁发光面积，对于同样的驱动电流，较大的有源区面积会有效的降低载流子密度，避免过高的载流子注入导致的效率下降。与传统的c面GaN发光二极管相比，生长在非极性或半极性平面上的量子阱显著减少了自发极化和压电极化，使量子阱内电子空穴波函数良好匹配，提高复合效率，降低辐射复合寿命。
如何合理设计电注入三维GaN核壳结构Nano-LED器件的材料结构和器件结构，使其能够形成合理的电注入应用是目前需要解决的关键问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种电注入三维GaN核壳结构Nano-LED及制造方法。该发明结合干法刻蚀和外延生长技术制备六方对称N型GaN晶柱，并利用纳米柱上下区域钝化隔离纳米柱的P和N型区域，使电子自N型纳米柱注入器件量子阱，空穴自P区注入量子阱。同时，六方对称N型GaN晶柱非极性面外延量子阱保证Nano-LED器件量子阱内电子空穴波函数空间重叠，提高器件辐射复合速率和内量子效率。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
本发明的第一目的是提供一种电注入三维GaN核壳结构Nano-LED，包括：蓝宝石衬底；蓝宝石衬底上采用自上而下刻蚀得到的N型GaN纳米柱；N型GaN纳米柱底部和顶部制备SiO2层或SiNx钝化层；在N型纳米柱侧壁外延生长得到的六方对称N型GaN晶柱；在六方对称N型GaN晶柱侧壁上生长的InxGa(1-x)N/GaN多量子阱和P型AlxGa(1-x)N渐变组分电子阻挡层；在P型AlxGa(1-x)N渐变组分电子阻挡层外生长P型GaN；在P型GaN外部外延生长N型重掺杂GaN；在N型重掺杂GaN层外淀积透明ITO电极。
本发明的第二目的是提供一种电注入三维GaN核壳结构Nano-LED的制造方法，包括如下步骤：
步骤101、在蓝宝石衬底上生长N型GaN；
步骤102、在N型GaN上自上而下干法刻蚀N型纳米柱；
步骤103、在N型纳米柱底部和顶部制备SiO2层或SiNx钝化层；
步骤104、在N型纳米柱侧壁外延生长N-GaN，得到的六方对称N型GaN晶柱；
步骤105、在六方对称N型GaN晶柱侧壁上生长InxGa(1-x)N/GaN多量子阱和P型AlxGa(1-x)N渐变组分电子阻挡层；
步骤106、在P型AlxGa(1-x)N渐变组分电子阻挡层外生长P型GaN；
步骤107、在P型GaN外部外延生长N型重掺杂GaN；
步骤108、在N型重掺杂GaN外淀积透明ITO电极。
进一步：
步骤101具体过程为：蓝宝石衬底上外延生长GaN非掺杂缓冲层，在GaN非掺杂缓冲层上外延生长N型GaN。N型GaN生长晶面为c面，型GaN厚度为1μm～5μm，掺杂浓度由下而上渐变增加，浓度变化范围为1×1018cm-3至1×1019cm-3；
步骤102具体过程为：在步骤101得到的N型GaN上自上而下干法刻蚀直径为200nm-500nm N型纳米柱，刻蚀得到N型纳米柱高度范围是1μm～5μm，在N型GaN上形成N型GaN纳米柱阵列。
步骤103具体过程为：在步骤102得到的N型GaN纳米柱底部和顶部制备SiO2或SiNx钝化层，钝化位置为纳米柱阵列底层和纳米柱的顶层，钝化层厚度范围是30nm～100nm。
步骤104具体过程为：在步骤103钝化后的N型GaN纳米柱侧壁外延生长N型GaN，N型GaN生长厚度50nm～100nm，掺杂浓度为1.5×1018cm-3，形成六方对称N型GaN晶柱，六方对称N型GaN晶柱侧壁为非极化m面。
步骤105具体过程为：在步骤104得到的六方对称N型GaN晶柱非极化m面侧壁上生长InxGa(1-x)N/GaN多量子阱，其中In组分x变化范围为0.1～0.3，量子阱数量范围是1～10个周期。在InxGa(1-x)N/GaN多量子阱外生长AlxGa(1-x)N渐变组分电子阻挡层，阻挡层厚度35nm，P型掺杂，掺杂浓度1×1018cm-3。阻挡层Al组分x的变化范围自内而外变化为0.05、0.1、0.15、0.2、0.15、0.1、0.05，其中每一变化组分AlxGa(1-x)N厚度为5nm。
步骤106具体过程为：在步骤105生长完毕的P型AlxGa(1-x)N渐变组分电子阻挡层外生长P型GaN，P型GaN厚度50nm～100nm，P型掺杂浓度1×1018cm-3。
所述步骤107具体过程为：在步骤106得到的P型GaN外部外延生长N型重掺杂GaN，N型重掺杂GaN厚度为3nm～10nm，掺杂浓度为1×1019cm-3。
步骤108具体过程为：在步骤107得到的N型重掺杂GaN外淀积透明ITO电极，ITO电极厚度0.5μm～3μm。
本发明具有的优点和积极效果是：
(1)利用N型非均匀掺杂高深宽比GaN纳米柱增加Nano-LED发光面积，降低器件电流注入密度，限制电流过注入导致的器件发光功率下降；
(2)N-GaN纳米柱掺杂浓度由下而上渐变增加，保证侧壁量子阱电子均匀注入；
(3)钝化保护N型GaN纳米柱顶部和底部的GaN极化c面，限制顶部和底部极化面c面的GaN生长，同时形成P电极与N电极隔离层，保证器件从P电极至N电极的电注入；
(4)六方对称GaN晶柱非极化m面生长量子阱，非极化面量子阱可以提高器件响应速度和发光效率；
(5)利用GaN纳米柱形成的阵列可以调制器件内部光辐射模式，提高器件光子态密度和光提取效率
(6)ITO透明电极淀积后在Nano-LED发光阵列表面形成倒金字塔型填充P电极，增加器件出光面积和出光效率。
附图说明
图1是本发明优选实施例中GaN核壳结构Nano-LED结构示意图；
图2是本发明优选实施例中GaN核壳结构Nano-LED纳米柱截面结构示意图；
图3是本发明优选实施例的GaN核壳结构Nano-LED截面材料示意图；
图4是本发明优选实施例的GaN核壳结构Nano-LED阵列示意图；
其中：1、蓝宝石衬底；2、c面N型GaN；3、N型GaN纳米柱；4、衬底c面上的SiO2钝化层；5、N型GaN纳米柱顶部纳米柱c面上的SiO2钝化层；6、六方对称N型GaN晶柱；7、在N GaN非极化面外生长的壳结构；8、N-型GaN成核过渡层；9、非极化面InGaN/GaN量子阱；10、P型AlGaN电子阻挡层；11、P-型GaN；12、重掺杂N-型GaN；13、ITO透明电极。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1至图4
参照说明书附图1，一种电注入三维GaN核壳结构Nano-LED，包括：蓝宝石衬底1；位于蓝宝石衬底上c面N型GaN2；在c面N型GaN刻蚀得到的N型GaN纳米柱3；N型GaN纳米柱底部衬底c面上的SiO2钝化层4、N型GaN纳米柱顶部纳米柱c面上的SiO2钝化层5；N型GaN非极化面核；在N GaN非极化面外生长的壳结构7；在GaN核壳结构Nano-LED外部淀积的ITO透明电极；参照说明书附图2，一种电注入三维GaN核壳结构Nano-LED，包括：Nano-LED N型GaN纳米柱和非极化面成核过渡层和非极化面壳结构，Nano-LED N型GaN纳米柱为圆柱形，经Nano-LED非极化面成核过渡层生长后变为六方对称N型GaN晶柱6。Nano-LED非极化面壳结构生长在核结构非极化面侧壁。
参照说明书附图3，一种电注入三维GaN核壳结构Nano-LED，由内而外的材料结构为：N型GaN纳米柱，N型GaN成核过渡层8，非极化面InGaN/GaN量子阱9，P型AlGaN电子阻挡层10，P型GaN11，重掺杂N型GaN12，ITO透明电极13。
参照说明书附图4，一种电注入三维GaN核壳结构Nano-LED，所示GaN核壳结构Nano-LED构成GaN核壳结构Nano-LED阵列；
一种电注入三维GaN核壳结构Nano-LED的制造方法，包括如下步骤：
步骤101、在蓝宝石衬底上生长N型GaN；蓝宝石衬底上外延生长GaN非掺杂缓冲层，在GaN非掺杂缓冲层上外延生长N型GaN。N型GaN生长晶面为c面，型GaN厚度为3μm，掺杂浓度由下而上渐变增加，浓度变化范围为1×1018cm-3至1×1019cm-3；
步骤102、在N型GaN表面电子束蒸发金属Ni，厚度500nm，在金属Ni表面PECVD淀积SiO2，在SiO2表面利用全息曝光或纳米压印等手段制作纳米点阵图形，纳米点阵直径200nm，周期500nm。利用BOE湿法腐蚀将纳米点阵图形转移至SiO2表面，以SiO2为掩膜ICP刻蚀金属Ni，以金属Ni为掩膜刻蚀N型GaN，刻蚀深度2.5μm。得到直径200nm，周期500nm的N型GaN纳米柱。纳米柱顶部覆盖有金属Ni和SiO2。
步骤103、在芯片表面淀积SiO2或涂敷HSQ光刻胶，厚度50nm，烘干后使用BOE溶液漂洗N-GaN侧壁残余SiO2，纳米柱底部剩余SiO2厚度30nm，完成纳米柱底部钝化。
步骤104、在步骤103钝化后的N型GaN纳米柱侧壁MOCVD选区外延生长N-GaN，生长厚度100nm，掺杂浓度为1.5×1018cm-3，形成六方对称N-GaN纳米柱，六方对称N-GaN侧壁为非极化m面。
步骤105、在步骤104得到的六方对称N型GaN层非极化m面侧壁上生长4周期In0.25Ga0.75N/GaN多量子阱。在In0.25Ga0.75N/GaN多量子阱外生长AlxGa(1-x)N渐变组分电子阻挡层，阻挡层厚度35nm，P型掺杂，掺杂浓度1×1018cm-3。阻挡层Al组分x的变化范围自内而外变化为0.05、0.1、0.15、0.2、0.15、0.1、0.05，其中每一变化组分AlxGa(1-x)N厚度为5nm。
步骤106、在步骤105生长完毕的P型AlxGa(1-x)N渐变组分电子阻挡层外生长P型GaN，P型GaN厚度60nm，P型掺杂浓度1×1018cm-3。
步骤107、在步骤106得到的P型GaN外部外延生长N型重掺杂GaN，N型重掺杂GaN厚度为6nm，掺杂浓度为1×1019cm-3。
步骤108具体过程为：在步骤107得到的N型重掺杂GaN外淀积透明ITO电极，ITO电极厚度1μm。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种电注入三维GaN核壳结构Nano-LED，其特征在于：蓝宝石衬底上刻蚀N型GaN纳米柱；在N型GaN纳米柱的底部和顶部制备SiO2层或SiNx钝化层；在N型GaN纳米柱侧壁外延生长N型GaN得到的六方对称N型GaN晶柱；在六方对称N型GaN晶柱侧壁上生长InxGa(1-x)N/GaN多量子阱和P型AlxGa(1-x)N渐变Al 组分电子阻挡层；在P型AlxGa(1-x)N渐变Al 组分电子阻挡层外生长P型GaN；在P型GaN外部外延生长N型重掺杂GaN层；在N型重掺杂GaN层外淀积透明ITO电极。
2.一种制造权利要求1所述电注入三维GaN核壳结构Nano-LED的方法，包括如下步骤：
步骤101、在蓝宝石衬底上生长N型GaN；
步骤102、在N型GaN上自上而下干法刻蚀得到N型GaN纳米柱；
步骤103、在N型GaN纳米柱底部和顶部制备SiO2层或SiNx钝化层；
步骤104、在N型GaN纳米柱侧壁生长N型GaN，得到的六方对称N型GaN晶柱；
步骤105、在六方对称N型GaN晶柱侧壁上生长InxGa(1-x)N/GaN多量子阱和P型AlxGa(1-x)N渐变Al 组分电子阻挡层；
步骤106、在P型AlxGa(1-x)N渐变Al 组分电子阻挡层外生长P型GaN；
步骤107、在P型GaN外部外延生长N型重掺杂GaN；
步骤108、在N型重掺杂GaN外淀积透明ITO电极。
3.根据权利要求2所述电注入三维GaN核壳结构Nano-LED的制造方法，所述步骤101具体过程为：
蓝宝石衬底上外延生长GaN非掺杂缓冲层，在GaN非掺杂缓冲层上外延生长N型GaN，N型GaN生长晶面为c面，N型GaN厚度范围是1μm～5μm，掺杂浓度由下而上渐变增加，浓度变化范围为1×1018cm-3至1×1019cm-3。
4.根据权利要求2所述电注入三维GaN核壳结构Nano-LED的制造方法，所述步骤102具体过程为：
在步骤101得到的N型GaN上自上而下干法刻蚀直径范围为200nm-500nm的N型GaN纳米柱，刻蚀得到N型GaN纳米柱高度1μm～5μm，在衬底N型GaN上形成N-GaN纳米柱阵列。
5.根据权利要求2所述电注入三维GaN核壳结构Nano-LED的制造方法，所述步骤103具体过程为：
在步骤102得到的N型GaN纳米柱底部和顶部制备SiO2层或SiNx钝化层，钝化位置为N型GaN纳米柱底层和顶层，钝化层厚度范围是30nm～100nm。
6.根据权利要求2所述电注入三维GaN核壳结构Nano-LED的制造方法，所述步骤104具体过程为：
在步骤103上下钝化的N型GaN纳米柱侧壁外延生长N-GaN，N-GaN生长厚度范围是50nm～100nm，掺杂浓度为1.5×1018cm-3，形成六方对称N型GaN晶柱，六方对称N型GaN晶柱侧壁为非极化m面。
7.根据权利要求2所述电注入三维GaN核壳结构Nano-LED的制造方法，所述步骤105具体过程为：
步骤1051、在六方对称N型GaN晶柱非极化m面侧壁上生长InxGa(1-x)N/GaN多量子阱，其中In组分x变化范围为0.1～0.3，量子阱数量为1～10个周期；
步骤1052、在InxGa(1-x)N/GaN多量子阱外生长AlxGa(1-x)N渐变Al 组分电子阻挡层，阻挡层厚度35nm，P型掺杂，掺杂浓度1×1018cm-3；阻挡层Al组分x的变化范围自内而外变化为0.05、0.1、0.15、0.2、0.15、0.1、0.05，其中每一变化组分AlxGa(1-x)N厚度为5nm。
8.根据权利要求2所述电注入三维GaN核壳结构Nano-LED的制造方法，所述步骤106具体过程为：
在P型AlxGa(1-x)N渐变Al 组分电子阻挡层外生长P型GaN，P型GaN厚度范围是50nm～100nm，P型掺杂浓度1×1018cm-3。
9.根据权利要求2所述电注入三维GaN核壳结构Nano-LED的制造方法，所述步骤107具体过程为：
在P型GaN外部外延生长N型重掺杂GaN，N型重掺杂GaN厚度范围为3nm～5nm，掺杂浓度为1×1019cm-3。
10.根据权利要求2所述电注入三维GaN核壳结构Nano-LED的制造方法，所述步骤108具体过程为：
在N型重掺杂GaN外淀积透明ITO电极，ITO电极厚度范围是0.5μm～3μm。
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