CN116438665A - LED结构及其GaN基衬底、GaN基衬底的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种LED结构及其GaN基衬底、GaN基衬底的制作方法，GaN基衬底包括：图形化衬底(10)，包括多个凹陷部(10a)与多个凸起部(10b)；位于凹陷部(10a)的金属Ga层(12’)；以及位于金属Ga层(12’)与金属Ga层(12’)暴露出的凸起部(10b)上的第二半导体层(13)，第二半导体层(13)的材料为GaN基材料。LED发光结构形成在GaN基衬底上时，LED发光结构发出的光线经金属Ga层反射后，可从LED发光结构的上表面或侧表面出光，减少了光吸收，从而提高了LED发光结构的出光效率。
Description
本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种LED结构及其GaN基衬底、GaN基衬底的制作方法。
III族氮化物是继Si、GaAs等第一、第二代半导体材料之后的第三代新型半导体材料，其中GaN作为宽禁带半导体材料有许多优点，诸如饱和漂移速度高、击穿电压大、载流子输运性能优异以及能够形成AlGaN、InGaN三元合金和AlInGaN四元合金等，容易制作GaN基的PN结。鉴于此，近几年来GaN基材料和半导体器件得到了广泛和深入的研究，MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机物化学气相沉积)技术生长GaN基材料日趋成熟；在半导体器件研究方面，GaN基LED、LDs等光电子器件以及GaN基HEMT等微电子器件方面的研究都取得了显著的成绩和长足的发展。
随着GaN基材料在发光器件上的应用逐步深入，行业内对终端产品的出光效率的需求进一步提高。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种LED结构及其GaN基衬底、GaN基衬底的制作方法，提高LED结构的出光效率。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供一种GaN基衬底，包括：
图形化衬底，包括多个凹陷部与多个凸起部；
位于所述凹陷部的金属Ga层；以及
位于所述金属Ga层与所述金属Ga层暴露出的所述凸起部上的第二半导体层，所述第二半导体层的材料为GaN基材料。
可选地，所述凹陷部与所述金属Ga层之间，以及所述凸起部与所述第二半导体层之间都具有第一成核层，所述第一成核层的材料为AlGaN或AlN。
可选地，所述凸起部与所述第二半导体层之间具有第三成核层，所述第三成核层的材料为AlGaN或AlN。
可选地，所述图形化衬底为图形化的蓝宝石衬底。
本发明的第二方面提供一种LED结构，包括：
上述一项所述的GaN基衬底；
位于所述GaN基衬底上的LED发光结构，所述LED发光结构包括第一导电类型的半导体层、第二导电类型的半导体层，以及位于所述第一导电类型的半导体层与所述第二导电类型的半导体层之间的发光层，所述第一导电类型与所述第二导电类型相反。
本发明的第三方面提供一种GaN基衬底的制作方法，包括：
提供图形化衬底，所述图形化衬底包括多个凹陷部与多个凸起部；在所述凹陷部外延生长第一半导体层，所述第一半导体层的材料为GaN；
在所述第一半导体层以及所述第一半导体层暴露出的所述凸起部上外延生长第二半导体层，所述第二半导体层的材料为GaN基材料，所述第二半导体层的材料与所述第一半导体层的材料不同；所述第二半导体层内具有缺口，所述缺口在厚度方向上贯穿所述第二半导体层；
在温度大于300℃下，通入氢气，所述氢气经所述缺口与所述第一半导体层发生反应，生成金属Ga层。
可选地，所述第二半导体层的材料为AlGaN或AlN。
可选地，所述外延生长第一半导体层前，在所述图形化衬底上生长第一成核层，所述第一成核层保形地位于所述图形化衬底上，所述第一成核层的材料为AlGaN或AlN；所述第一半导体层与所述第二半导体层外延生长在所述第一成核层上。
可选地，所述外延生长第一半导体层前，在所述图形化衬底上低温生长第二成核层，所述第二成核层保形地位于所述图形化衬底上，所述第二成核层的材料为GaN；所述第一半导体层外延生长在所述凹陷部的所述第二成核层上，所述第二半导体层先向上外延生长在所述第一半导体层上，后横向愈合在所述第一半导体层暴露出的所述凸起部上，之后再整面向上外延生长。
可选地，所述图形化衬底为图形化的蓝宝石衬底。
本发明的第四方面提供一种GaN基衬底的制作方法，包括：
提供图形化衬底，所述图形化衬底包括多个凹陷部与多个凸起部；在所述凹陷部外延生长第一半导体层，所述第一半导体层的材料为GaN；
在温度大于300℃下，通入氢气，所述氢气与所述第一半导体层发生反应，生成金属Ga层；
在所述金属Ga层暴露出的所述凸起部上进行外延生长，以形成覆盖于所述金属Ga层的整面的第二半导体层，所述第二半导体层的材料为GaN基材料。
可选地，所述第二半导体层的材料为AlGaN或AlN。
可选地，所述外延生长第一半导体层前，在所述图形化衬底上生长第一成核层，所述第一成核层保形地位于所述图形化衬底上，所述第一成核层的材料为AlGaN或AlN；所述第一半导体层与所述第二半导体层外延生长在所述第一成核层上。
可选地，所述外延生长第一半导体层前，在所述图形化衬底上低温生长第二成核层，所述第二成核层保形地位于所述图形化衬底上，所述第二成 核层的材料为GaN；所述第一半导体层外延生长在所述凹陷部的所述第二成核层上；
所述第一半导体层反应生成金属Ga层后，在所述金属Ga层暴露出的所述凸起部上生长第三成核层，所述第三成核层的材料为AlGaN或AlN；所述第二半导体层外延生长在所述第三成核层上。
可选地，所述图形化衬底为图形化的蓝宝石衬底。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)通过对图形化衬底与GaN基材料第二半导体层之间的第一半导体层处理，使其变为金属Ga层，形成GaN基衬底。LED发光结构形成在GaN基衬底上时，LED发光结构发出的光线经金属Ga层反射后，可从LED发光结构的上表面或侧表面出光，减少了光吸收，从而提高了LED发光结构的出光效率。
2)可选方案中，在图形化衬底上依次形成GaN第一半导体层、GaN基材料第二半导体层后，氢气经第二半导体层的缺口与GaN第一半导体层反应生成金属Ga层。或3)可选方案中，在图形化衬底上形成GaN第一半导体层后，通入氢气，使其与GaN第一半导体层反应生成金属Ga层，后在图形化衬底的凸起部外延生长覆盖于金属Ga层的整面的GaN基材料第二半导体层。上述两种方法工艺简单且可靠。
图1是本发明第一实施例的GaN基衬底的制作方法的流程图；
图2至图4是图1中的流程对应的中间结构示意图；
图5是本发明第一实施例的GaN基衬底的截面结构示意图；
图6与图7是本发明第二实施例的GaN基衬底的制作方法对应的中间 结构示意图；
图8是本发明第二实施例的GaN基衬底的截面结构示意图；
图9是本发明第三实施例的GaN基衬底的制作方法的流程图；
图10是图9中的流程对应的中间结构示意图；
图11是本发明第三实施例的GaN基衬底的截面结构示意图；
图12是本发明第四实施例的GaN基衬底的制作方法对应的中间结构示意图；
图13是本发明第四实施例的GaN基衬底的截面结构示意图；
图14是本发明第五实施例的LED结构的截面结构示意图。
为方便理解本发明，以下列出本发明中出现的所有附图标记：
图形化衬底10 凹陷部10a
凸起部10b 第一成核层11
第一半导体层12 第二半导体层13
缺口131 金属Ga层12'
第二成核层14 第三成核层15
GaN基衬底1、2、3、4 发光结构5
第一导电类型的半导体层51 第二导电类型的半导体层52
发光层53
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图1是本发明第一实施例的GaN基衬底的制作方法的流程图。图2至图4是图1中的流程对应的中间结构示意图。图5是本发明第一实施例的GaN基衬底的截面结构示意图。
首先，参照图1中的步骤S1、图2与图3所示，提供图形化衬底10，图形化衬底10包括多个凹陷部10a与多个凸起部10b；在凹陷部10a外延生长第一半导体层12，第一半导体层12的材料为GaN。
图形化衬底10的材料可以为蓝宝石、碳化硅、硅、绝缘体上硅(SOI)、铌酸锂或金刚石等材料。
本实施例中，参照图2所示，外延生长第一半导体层12前，在图形化衬底10上生长第一成核层11，第一成核层11保形地位于图形化衬底10上。第一成核层11的材料为AlGaN或AlN。
第一成核层11可以为a)低温成核层，也可以b)先形成一层低温成核层，在低温成核层上再形成一层高温成核层。相对于a)方案，b)方案能降低后续外延生长在第一成核层11上的半导体层的缺陷密度和材料应力、提高质量。
第一半导体层12的外延生长工艺可以包括：原子层沉积法(ALD，Atomic layer deposition)、或化学气相沉积法(CVD，Chemical Vapor Deposition)、或分子束外延生长法(MBE，Molecular Beam Epitaxy)、或等离子体增强化学气相沉积法(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)、或低压化学蒸发沉积法(LPCVD，Low Pressure Chemical Vapor Deposition)，或金属有机化合物化学气相沉积法(MOCVD，Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)、或其组合方式。
例如，使用MOCVD法外延生长第一半导体层12时，金属源可以为三甲基镓(TMGa)，N源可以为NH
3，载气可以为H
2，温度可以大于300℃，优选大于700℃。
接着，参照图1中的步骤S2与图4所示，在第一半导体层12以及第一半导体层12暴露出的凸起部10b上外延生长第二半导体层13，第二半导体层13的材料为GaN基材料，第二半导体层13的材料与第一半导体层12的材料不同；第二半导体层13内具有缺口131，缺口131在厚度方向上贯穿第二半导体层13。
第二半导体层13的材料可以为AlN，InN，AlGaN，InGaN，AlInN与AlInGaN中的至少一种。
第二半导体层13的外延生长工艺可参照第一半导体层11的外延生长工艺。例如，使用MOCVD法外延生长第二半导体层13时，金属源可以为三甲基镓(TMGa)与三甲基铝(TMAl)，N源可以为NH
3，载气可以为H
2，温度可以大于300℃，优选大于700℃。
第二半导体层13由于与第一半导体层11的材料不同，因而两者存在晶格失配等问题，导致第二半导体层13内具有缺口131。
之后，参照图1中的步骤S3、图4与图5所示，在温度大于300℃下，通入氢气，氢气经缺口131与第一半导体层12发生反应，生成金属Ga层12'。
高温下，例如温度大于300℃时，氢气与第一半导体层12发生反应的化学方程式为：
3H
2+2GaN＝2Ga(l)+2NH
3↑。
需要说明的是，氢气与第一半导体层12发生反应的温度应低于金属Ga的沸点。
上述提供高温以及通入H
2，可通过停止供入外延生长第二半导体层13的金属源与N源，仅通入载气实现。好处在于：在同一反应腔室内进行，不用转移腔室，可避免转移过程中引入的污染，还可避免再次升温过程，提高制作效率。
金属Ga层12'具有反射性能。由于H
2不与第二半导体层13发生反应， 因而本实施例利用缺口131，实现了在第二半导体层13与图形化衬底10之间制作反射层。
图5是本发明第一实施例的GaN基衬底的截面结构示意图。
参照图5所示，本实施例的GaN基衬底1，包括：
图形化衬底10，包括多个凹陷部10a与多个凸起部10b(参照图2所示)；
位于凹陷部10a的金属Ga层12'；以及
位于金属Ga层12'与金属Ga层12'暴露出的凸起部10b上的第二半导体层13，第二半导体层13的材料为GaN基材料。
衬底10的材料可以为蓝宝石、碳化硅、硅、绝缘体上硅(SOI)、铌酸锂或金刚石等材料。
第二半导体层13的材料可以为AlN，InN，AlGaN，InGaN，AlInN与AlInGaN中的至少一种。
凹陷部10a与金属Ga层12'之间，以及凸起部10b与第二半导体层13之间都具有第一成核层11，第一成核层11的材料为AlGaN或AlN。
图6与图7是本发明第二实施例的GaN基衬底的制作方法对应的中间结构示意图。图8是本发明第二实施例的GaN基衬底的截面结构示意图。
参照图6至图8所示，实施例二的GaN基衬底2的制作方法与实施例一的GaN基衬底1的制作方法大致相同，区别仅在于：
步骤S1中，参照图6所示，外延生长第一半导体层12前，在图形化衬底10上低温生长第二成核层14，第二成核层14保形地位于图形化衬底10上。第二成核层14的材料为GaN。
参照图7所示，外延生长第一半导体层12由于为高温制程，低温生长的第二成核层14会受热再次结晶，凸起弧面上的第二成核层14，尤其是凸起 部10b的顶面的第二成核层14会滑落至凹陷部10a的上表面。如此，步骤S2中，参照图8所示，第二半导体层13先在第一半导体层12上向上外延生长；后横向愈合在第一半导体层12暴露出的凸起部10b上；之后再整面向上外延生长。
图9是本发明第三实施例的GaN基衬底的制作方法的流程图。图10是图9中的流程对应的中间结构示意图。图11是本发明第三实施例的GaN基衬底的截面结构示意图。
参照图9所示，实施例三的GaN基衬底3的制作方法与实施例一的GaN基衬底1的制作方法大致相同，区别仅在于：
步骤S2'中，参照图10所示，在温度大于300℃下，通入氢气，氢气与第一半导体层12发生反应，生成金属Ga层12'：
步骤S3'中，参照图11所示，在金属Ga层12'暴露出的凸起部10b上进行外延生长，以形成覆盖于金属Ga层12'的整面的第二半导体层13，第二半导体层13的材料为GaN基材料。
具体地，步骤S2'的反应条件可以参照前述实施例的步骤S3的反应条件。
步骤S3'中，由于外延生长第一半导体层12前，在图形化衬底10上生长第一成核层11，因而，第二半导体层13先在第一成核层11上向上外延生长；后横向愈合在金属Ga层12'上；之后再整面向上外延生长。
相应地，参照图11所示，实施例三的GaN基衬底3与实施例一的GaN基衬底1大致相同。
图12是本发明第四实施例的GaN基衬底的制作方法对应的中间结构示意图。图13是本发明第四实施例的GaN基衬底的截面结构示意图。
参照图12所示，实施例四的GaN基衬底4的制作方法与实施例三的GaN基衬底3的制作方法大致相同，区别仅在于：
步骤S1'中，外延生长第一半导体层12前，在图形化衬底10上低温生长第二成核层14，第二成核层14保形地位于图形化衬底10上。第二成核层14的材料为GaN。
外延生长第一半导体层12由于为高温制程，低温生长的第二成核层14会受热再次结晶，凸起弧面上的第二成核层14，尤其是凸起部10b的顶面的第二成核层14会滑落至凹陷部10a的上表面。如此，步骤S3'中，在金属Ga层12'暴露出的凸起部10b上生长第三成核层15，第三成核层15的材料为AlGaN或AlN；第二半导体层13先在第三成核层15上向上外延生长；后横向愈合在金属Ga层12'上；之后再整面向上外延生长。
第三成核层15可通过在金属Ga层12'以及金属Ga层12'暴露出的凸起部10b上整面生长，由于金属Ga层12'在高温下为液态，因而第二半导体层13先在凸起部10b上第三成核层15上向上外延生长。
图14是本发明第五实施例的LED结构的截面结构示意图。
参照图14所示，LED结构，包括：
上述任一实施例的GaN基衬底1、2、3、4；
位于GaN基衬底1、2、3、4上的LED发光结构5，LED发光结构5包括第一导电类型的半导体层51、第二导电类型的半导体层52，以及位于第一导电类型的半导体层51与第二导电类型的半导体层52之间的发光层53，第一导电类型与第二导电类型相反。
第一导电类型的半导体层51、发光层53与第二导电类型的半导体层52的材料都可以为Ⅲ-Ⅴ族化合物，例如GaN基材料。
发光层53可以包括单量子阱结构、多量子阱(MQW)结构、量子线结构和量子点结构中的至少一种。发光层可以包括阱层和势垒层。
参照图14所示，LED发光结构5发出的光线经金属Ga层12'反射后，可从LED发光结构5的上表面或侧表面出光，减少了光吸收，从而提高了LED 发光结构5的出光效率。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (15)
- 一种GaN基衬底，其特征在于，包括：图形化衬底(10)，包括多个凹陷部(10a)与多个凸起部(10b)；位于所述凹陷部(10a)的金属Ga层(12')；以及位于所述金属Ga层(12')与所述金属Ga层(12')暴露出的所述凸起部(10b)上的第二半导体层(13)，所述第二半导体层(13)的材料为GaN基材料。
- 根据权利要求1所述的GaN基衬底，其特征在于，所述凹陷部(10a)与所述金属Ga层(12')之间，以及所述凸起部(10b)与所述第二半导体层(13)之间都具有第一成核层(11)，所述第一成核层(11)的材料为AlGaN或AlN。
- 根据权利要求1所述的GaN基衬底，其特征在于，所述凸起部(10b)与所述第二半导体层(13)之间具有第三成核层(15)，所述第三成核层(15)的材料为AlGaN或AlN。
- 根据权利要求1所述的GaN基衬底，其特征在于，所述图形化衬底(10)为图形化的蓝宝石衬底。
- 一种LED结构，其特征在于，包括：权利要求1至4任一项所述的GaN基衬底；位于所述GaN基衬底上的LED发光结构(5)，所述LED发光结构包括第一导电类型的半导体层(51)、第二导电类型的半导体层(52)，以及位于所述第一导电类型的半导体层(51)与所述第二导电类型的半导体层(52)之间的发光层(53)，所述第一导电类型与所述第二导电类型相反。
- 一种GaN基衬底的制作方法，其特征在于，包括：提供图形化衬底(10)，所述图形化衬底(10)包括多个凹陷部(10a)与多个凸起部(10b)；在所述凹陷部(10a)外延生长第一半导体层(12)，所述第一半导体层(12)的材料为GaN；在所述第一半导体层(12)以及所述第一半导体层(12)暴露出的所述凸起部(10b)上外延生长第二半导体层(13)，所述第二半导体层(13)的材料为GaN基材料，所述第二半导体层(13)的材料与所述第一半导体层(12)的材料不同；所述第二半导体层(13)内具有缺口(131)，所述缺口(131)在厚度方向上贯穿所述第二半导体层(13)；在温度大于300℃下，通入氢气，所述氢气经所述缺口(131)与所述第一半导体层(12)发生反应，生成金属Ga层(12')。
- 根据权利要求6所述的GaN基衬底的制作方法，其特征在于，所述第二半导体层(13)的材料为AlGaN或AlN。
- 根据权利要求6所述的GaN基衬底的制作方法，其特征在于，所述外延生长第一半导体层(12)前，在所述图形化衬底(10)上生长第一成核层(11)，所述第一成核层(11)保形地位于所述图形化衬底(10)上，所述第一成核层(11)的材料为AlGaN或AlN；所述第一半导体层(12)与所述第二半导体层(13)外延生长在所述第一成核层(11)上。
- 根据权利要求6所述的GaN基衬底的制作方法，其特征在于，所述外延生长第一半导体层(12)前，在所述图形化衬底(10)上低温生长第二成核层(14)，所述第二成核层(14)保形地位于所述图形化衬底(10)上，所述第二成核层(14)的材料为GaN；所述第一半导体层(12)外延生长在所述凹陷部(10a)的所述第二成核层(14)上，所述第二半导体层(13)先向上外延生长在所述第一半导体层(12)上，后横向愈合在所述第一半导体层(12)暴露出的所述凸起部(10b)上，之后再整面向上外延生长。
- 根据权利要求6所述的GaN基衬底的制作方法，其特征在于，所述图形化衬底(10)为图形化的蓝宝石衬底。
- 一种GaN基衬底的制作方法，其特征在于，包括：提供图形化衬底(10)，所述图形化衬底(10)包括多个凹陷部(10a)与多个凸起部(10b)；在所述凹陷部(10a)外延生长第一半导体层(12)，所述第一半导体层(12)的材料为GaN；在温度大于300℃下，通入氢气，所述氢气与所述第一半导体层(12)发生反应，生成金属Ga层(12')；在所述金属Ga层(12')暴露出的所述凸起部(10b)上进行外延生长，以形成覆盖于所述金属Ga层(12')的整面的第二半导体层(13)，所述第二半导体层(13)的材料为GaN基材料。
- 根据权利要求11所述的GaN基衬底的制作方法，其特征在于，所述第二半导体层(13)的材料为AlGaN或AlN。
- 根据权利要求11所述的GaN基衬底的制作方法，其特征在于，所述外延生长第一半导体层(12)前，在所述图形化衬底(10)上生长第一成核层(11)，所述第一成核层(11)保形地位于所述图形化衬底(10)上，所述第一成核层(11)的材料为AlGaN或AlN；所述第一半导体层(12)与所述第二半导体层(13)外延生长在所述第一成核层(11)上。
- 根据权利要求11所述的GaN基衬底的制作方法，其特征在于，所述外延生长第一半导体层(12)前，在所述图形化衬底(10)上低温生长第二成核层(14)，所述第二成核层(14)保形地位于所述图形化衬底(10)上，所述第二成核层(14)的材料为GaN；所述第一半导体层(12)外延生长在所述凹陷部(10a)的所述第二成核层(14)上；所述第一半导体层(12)反应生成金属Ga层(12')后，在所述金属Ga层(12')暴露出的所述凸起部(10b)上生长第三成核层(15)，所述第三成核层(15)的材料为AlGaN或AlN；所述第二半导体层(13)外延生长在所述第三成核层(15)上。
- 根据权利要求11所述的GaN基衬底的制作方法，其特征在于，所述图形化衬底(10)为图形化的蓝宝石衬底。
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