CN208538897U - 一种发光二极管结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型实提出一种发光二极管结构，涉及半导体技术领域。该发光二极管结构包括衬底，位于衬底一侧的缓冲层；位于缓冲层远离衬底一侧的多个间隔设置的氮化物支撑柱；以及基于氮化物支撑柱外延生长形成的发光层。本实用新型实提供的发光二极管结构具有能够抑制裂纹的形成、改善N型AlGaN的晶体质量以及有利于提高器件的光提取效率的优点。

Description

一种发光二极管结构

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种发光二极管结构。

背景技术

近年来，深紫外发光二极管因其在杀菌消毒、非视距通讯、特殊气体探测等方面的应用受到了越来越多的关注。从晶格匹配和热膨胀系数匹配的角度来说，AlN单晶是制备深紫外发光二极管最理想的衬底材料，然而现阶段AlN单晶衬底仍受制于成本高、尺寸小、透射率低等关键问题。因此，在蓝宝石衬底上沉积高质量AlN厚膜后再生长后续器件结构是主流的技术路线。

现有的技术路线存在诸多问题：1.为了改善晶体质量和保证电流扩展特性，AlN和n型AlGaN通常各需要生长到2-3微米的厚度，在生长和降温过程中，较大的晶格失配和热失配会造成表面开裂问题；2.Al原子迁移能力较弱，要实现高质量的AlN，需要至少1250摄氏度的温度，这对反应室和加热丝提出了很高的要求；3.较厚的AlN和AlGaN结构会影响量子阱区发光的出射，降低光提取效率。

有鉴于此，如何解决上述问题，是本领域技术人员关注的重点。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种发光二极管结构，以解决现有技术中发光二极管在制作过程中容易开裂，以及光提取效率较低的问题。

为了实现上述目的，本实用新型实施例采用的技术方案如下：

本实用新型实施例提出了一种发光二极管结构，所述发光二极管结构包括：

衬底；

位于所述衬底一侧的缓冲层；

位于所述缓冲层远离所述衬底一侧的多个间隔设置的氮化物支撑柱；以及

基于所述氮化物支撑柱外延生长形成的发光层。

进一步地，所述发光层包括：

基于所述氮化物支撑柱生长形成的N型层，其中，该N型层上形成多个从靠近所述氮化物支撑柱一侧凹陷的凹陷部；

基于所述N型层远离氮化物支撑柱的一侧生长形成的量子阱层；

基于所述量子阱层远离N型层的一侧生长形成的电子阻挡层；以及

基于所述电子阻挡层远离量子阱层的一侧生长形成的P型层。

进一步地，所述发光层包括：

基于所述氮化物支撑柱生长形成N型层，其中，该N型层上形成多个从靠近所述氮化物支撑柱一侧凹陷的凹陷部；

基于所述N型层远离所述氮化物支撑柱的一侧生长形成的量子阱层；以及

基于所述量子阱层远离N型层的一侧生长形成的P型层。

进一步地，所述N型层包括N型AlGaN层，所述量子阱层包括AlInGaN层，所述P型层包括P型AlGaN层。

进一步地，所述多个氮化物支撑柱呈相互之间间隔设置。

进一步地，所述多个氮化物支撑柱相互之间等间距排列，相邻两个氮化物支撑柱之间的间距为200-800nm。

进一步地，所述缓冲层上开设有多个贯通该缓冲层的通槽，使该缓冲层形成多个分别与所述多个氮化物支撑柱对应的部分。

进一步地，所述缓冲层上开设有多个从所述氮化物支撑柱远离发光层的一侧往该缓冲层凹陷的凹槽，使该缓冲层形成多个分别与所述多个氮化物支撑柱对应的部分。

相对现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供的了一种发光二极管结构，其中，发光二极管结构包括衬底，位于衬底一侧的缓冲层；位于缓冲层远离衬底一侧的多个间隔设置的氮化物支撑柱；以及基于氮化物支撑柱外延生长形成的发光层。第一方面，由于本实用新型提供的发光二极管结构有效减少了和蓝宝石衬底的接触面积，有利于应变的释放，因此在外延和升降温过程中能够抑制裂纹的形成。第二方面，本实用新型提供的发光二极管结构不需要高质量缓冲层，利用氮化物支撑柱能够减少位错的占有面积，在氮化物支撑柱合拢过程中位错可以通过弯曲效应减少，高密度的氮化物支撑柱位错的湮灭几率很大；同时，较小的氮化物支撑柱间隔可以保证合拢时不同晶体柱之间的取向差异很小，抑制新位错的产生，有效改善N型AlGaN的晶体质量。第三方面，纳米柱之间的空气洞有利于量子阱层发光的出射，有利于提高器件的光提取效率。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1示出了本实用新型的实施例提供的第一种发光二极管结构的剖面图。

图2示出了本实用新型的实施例提供的衬底、缓冲层以及非掺杂氮化物层的剖面示意图。

图3示出了本实用新型的实施例提供的氮化物支撑柱与衬底的结构示意图。

图4示出了本实用新型的实施例提供的第二种发光二极管结构的剖面图。

图5示出了本实用新型的实施例提供的第三种发光二极管结构的剖面图。

图标：100-发光二极管结构；110-衬底；120-氮化物支撑柱；

130-N型层；131-凹陷部；140-量子阱层；150-电子阻挡层；160-P型层；170-发光层；180-缓冲层；190-非掺杂氮化物层。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。下面结合附图，对本实用新型的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1，本实用新型实施例提供了一种发光二极管结构100，其中，该发光二极管结构100包括衬底110、位于所述衬底110一侧的缓冲层180、位于所述缓冲层180远离所述衬底110一侧的多个间隔设置的氮化物支撑柱120，以及基于所述氮化物支撑柱120外延生长形成的发光层170。

具体地，于本实施例中，衬底110采用蓝宝石衬底110，当然地，在其它的一些实施例中，衬底110也可以为其它材料，例如硅衬底110等，本实施例对此并不做任何限定。

进一步地，缓冲层180层采用AlN缓冲层180，在衬底110上通过外延生长技术能够生长出AlN缓冲层180，例如，采用金属有机化合物气相外延生长方式生长AlN缓冲层180，当然地，在其它的一些实施例中也可采用其它外延生长方式。同时，需要说明的是，本实施提供的缓冲层180为AlN缓冲层180，但在其它的一些实施例中，也可采用其它氮化物或磷化物缓冲层180，本实施例对此也并不做任何限定。

还需要说明的是，为了能够使整体的放光二极管结构的性能更好，AlN缓冲层180包括第一AlN缓冲层180与第二AlN缓冲层180，其中，在衬底110上首先沉积20-30nm第一AlN缓冲层180，其外延生长条件为V/III元素的摩尔比为150-500，压力为50-75mbar，温度在900-950度左右，然后在第一AlN缓冲层180上继续生长第二AlN缓冲层180，其中，其外延生长条件为厚度为200-500nm，V/III摩尔比为200-1000，压力为50-75mbar，温度在1050-1150度之间。

进一步地，在缓冲层180的远离衬底110的一侧制作多个间隔设置的氮化物支撑柱120，请参阅图2，本实施例采用在缓冲层180的远离衬底110的一侧外延生长非掺杂氮化物层190，然后利用掩膜进行刻蚀，从而制作出氮化物支撑柱120，如图3所示的氮化物支撑柱120。

需要说明的是，请参阅图4，作为实施例的一种实现方式，在刻蚀的过程中，刻蚀深度仅为刻蚀至缓冲层180的表面，从而使得氮化物支撑柱120仅在非掺杂氮化物层190中形成。

作为本实施例的第二中实现方式，请参阅图5，在刻蚀的过程中，刻蚀深度仅为刻蚀至缓冲层180内，使得缓冲层180上开设有多个凹槽，并且使缓冲层180形成多个分别与多个氮化物支撑柱120对应的部分，即氮化物缓冲层180由非掺杂氮化物层190与缓冲层180的部分组成。

作为本实施例的第三中实现方式，请参阅图1，在刻蚀的过程中，刻蚀深度仅为贯通非掺杂氮化物层190与缓冲层180，使得缓冲层180上开设有多个贯通该缓冲层180的通槽，且该缓冲层180形成多个分别与所述多个氮化物支撑柱120对应的部分。

同时，与本实施例中，多个氮化物支撑柱120呈相互之间间隔设置。进一步地，多个氮化物支撑柱120相互之间等间距排列，且相邻两个氮化物支撑柱120之间的间距为200-800nm。同时，需要说明的是，在本实施例中，氮化物支撑柱120以纳米柱的形式存在。并且，非掺杂氮化物层190包括非掺杂AlGaN层，其中，非掺杂氮化物层190的外延生长条件为在缓冲层180上生长300-800nm非掺杂AlxGa1-xN(0.5<x<1)，其V/III元素摩尔比为400-1500，压力为50-150mbar，生长温度在1050-1150度之间。当然地，在其它的一些实施例中，非掺杂氮化物层190也可采用其它氮化物或磷化物材料，本实施例对此并不做任何限定。

第一方面，通过形成纳米柱结构，有效减少了和蓝宝石衬底110的接触面积，有利于应变的释放，外延和升降温过程中能够抑制裂纹的形成。第二方面，通过设置纳米柱结构，不需要高质量AlN，利用纳米柱结构减少位错的占有面积，在纳米柱合拢过程中位错可以通过弯曲效应减少，高密度的纳米柱使位错的湮灭几率很大；同时，较小的纳米柱间隔可以保证合拢时不同晶体柱之间的取向差异很小，抑制新位错的产生，有效改善N型AlGaN的晶体质量。由于Ga的迁移能力比Al强，加上纳米柱间隙为亚微米级别，AlGaN纳米柱不需要很高的温度就能很容易合拢，第三方面，纳米柱之间的空气洞有利于量子阱区发光的出射，有利于提高器件的光提取效率。

同时，作为本实施例的一种实现方式，发光层170包括基于氮化物支撑柱120生长形成的N型层130，其中，该N型层130上形成多个从靠近氮化物支撑柱120一侧凹陷的凹陷部131，及基于N型层130远离氮化物支撑柱120的一侧生长形成的量子阱层140，及基于量子阱层140远离N型层130的一侧生长形成的电子阻挡层150，以及基于电子阻挡层150远离量子阱层140的一侧生长形成的P型层160。

其中，需要说明的是，由于在非掺杂氮化物层190上因制作纳米柱存在多个空洞，因此在进行外延生长N型层130时，在有空洞的地方不会进行生长，从而在生长过程中由相邻两个纳米柱之间进行聚合，从而形成多个凹陷部131，同时实施例提供的N型层130包括N型AlGaN层，量子阱层140包括AlInGaN层，P型层160包括P型AlGaN超晶格层，电子阻挡层150包括P型AlGaN层。

其中，N型层130发出的空穴与P型层160发出的电子在量子阱层140处结合而进行发光，同时，电子阻挡层150能够起到阻挡空穴进入P型层160的效果，进行增强了出光效率。

作为本实施例的另一种实现方式，发光层170包括基于氮化物支撑柱120生长形成的N型层130，其中，该N型层130上形成多个从靠近氮化物支撑柱120一侧凹陷的凹陷部131，及基于N型层130远离氮化物支撑柱120的一侧生长形成的量子阱层140，以及基于电子阻挡层150远离量子阱层140的一侧生长形成的P型层160。

综上所述，本实用新型提供的了一种发光二极管结构，其中，发光二极管结构包括衬底，位于衬底一侧的缓冲层；位于缓冲层远离衬底一侧的多个间隔设置的氮化物支撑柱；以及基于氮化物支撑柱外延生长形成的发光层。第一方面，由于本实用新型提供的发光二极管结构有效减少了和蓝宝石衬底的接触面积，有利于应变的释放，因此在外延和升降温过程中能够抑制裂纹的形成。第二方面，本实用新型提供的发光二极管结构不需要高质量缓冲层，利用氮化物支撑柱能够减少位错的占有面积，在氮化物支撑柱合拢过程中位错可以通过弯曲效应减少，高密度的氮化物支撑柱位错的湮灭几率很大；同时，较小的氮化物支撑柱间隔可以保证合拢时不同晶体柱之间的取向差异很小，抑制新位错的产生，有效改善N型AlGaN的晶体质量。第三方面，纳米柱之间的空气洞有利于量子阱层发光的出射，有利于提高器件的光提取效率。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (8)

1.一种发光二极管结构，其特征在于，所述发光二极管结构包括：

衬底；

位于所述衬底一侧的缓冲层；

位于所述缓冲层远离所述衬底一侧的多个间隔设置的氮化物支撑柱；以及

基于所述氮化物支撑柱外延生长形成的发光层。

2.如权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述发光层包括：

基于所述氮化物支撑柱生长形成的N型层，其中，该N型层上形成多个从靠近所述氮化物支撑柱一侧凹陷的凹陷部；

基于所述N型层远离氮化物支撑柱的一侧生长形成的量子阱层；

基于所述量子阱层远离N型层的一侧生长形成的电子阻挡层；以及

基于所述电子阻挡层远离量子阱层的一侧生长形成的P型层。

3.如权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述发光层包括：

基于所述氮化物支撑柱生长形成N型层，其中，该N型层上形成多个从靠近所述氮化物支撑柱一侧凹陷的凹陷部；

基于所述N型层远离所述氮化物支撑柱的一侧生长形成的量子阱层；以及

基于所述量子阱层远离N型层的一侧生长形成的P型层。

4.如权利要求3所述的发光二极管结构，其特征在于，所述N型层包括N型AlGaN层，所述量子阱层包括AlInGaN层，所述P型层包括P型AlGaN层。

5.如权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述多个氮化物支撑柱呈相互之间间隔设置。

6.如权利要求4所述的发光二极管结构，其特征在于，所述多个氮化物支撑柱相互之间等间距排列，相邻两个氮化物支撑柱之间的间距为200-800nm。

7.如权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述缓冲层上开设有多个贯通该缓冲层的通槽，使该缓冲层形成多个分别与所述多个氮化物支撑柱对应的部分。

8.如权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述缓冲层上开设有多个从所述氮化物支撑柱远离发光层的一侧往该缓冲层凹陷的凹槽，使该缓冲层形成多个分别与所述多个氮化物支撑柱对应的部分。