CN209045597U - 一种生长于氧化锌纳米棒阵列复合衬底的发光二极管 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种生长于氧化锌纳米棒阵列复合衬底的发光二极管，包括复合衬底和氮化镓基的发光二极管外延结构，其中：复合衬底包含衬底和氧化锌纳米棒阵列，而所述发光二极管外延结构为依次生长在氧化锌纳米棒阵列上的n型半导体层、有源层和p型半导体层。本实用新型的优点在于：一方面，氧化锌与氮化镓具有相同的晶体结构，相近的晶格常数和禁带宽度，晶格常数失配很小（约1.8%），在上述复合衬底上生长氮化镓外延结构可以得到缺陷密度低的高质量外延结构层；另一方面，氧化锌纳米棒可以采用简单的酸腐蚀去除，使衬底从外延结构层上剥离，剥离速度快，且外延结构层上没有氧化锌残留有利于后续工艺的制作。

Description

一种生长于氧化锌纳米棒阵列复合衬底的发光二极管

技术领域

本实用新型涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种生长于氧化锌纳米棒阵列复合衬底的发光二极管。

背景技术

发光二极管（Light Emitting Diode，LED）具有电光转换效率高、使用寿命长、环保、节能、低热、高亮度和反应速度快等优点，目前已经广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明等领域。

目前氮化镓基发光二极管外延结构多采用蓝宝石作为衬底进行外延生长，而蓝宝石衬底因为有不导电和散热差的问题，使高性能氮化镓基发光二极管芯片制作有将蓝宝石衬底剥离的需求，目前蓝宝石衬底的剥离一般采用激光剥离（Laser Lift-Off，LLO）技术去除。然而，激光剥离技术在操作上存在以下弊端：第一，采用高能激光束辐照外延层，会对外延层造成一定的损伤，从而影响发光二极管的性能，第二，当氮化镓基材料受到高能激光束辐照时，会在与衬底的界面处发生分解反应，产生氮气，但是这些气体只能局限在激光光斑面积大小的有限区域中而产生很高的气压，容易造成外延层开裂。第三，采用激光剥离技术所用到的设备成本相对较高。综合上述问题，采用激光剥离技术实现衬底剥离成本偏高，且会影响氮化镓基发光二极管的光电性能和可靠性。

氧化锌（ZnO）为一种宽禁带半导体材料，与氮化镓有相同的晶体结构、相近的晶格常数和禁带宽度，与氮化镓的晶格常数失配很小，约1.8%左右，所以氧化锌多被用于氮化镓外延层的衬底或缓冲层来获得高质量的氮化镓外延层。同时氧化锌可与酸发生反应，被用作衬底或缓冲层的氧化锌很容易通过酸腐蚀进行衬底去除或剥离。然而用来作为衬底的氧化锌厚度比较厚，采用酸腐蚀去除衬底的时间比较长，而采用氧化锌薄层作缓冲层，在采用酸腐蚀剥离衬底时，由于酸溶液渗透比较慢，衬底剥离效率也偏低。

实用新型内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种生长于氧化锌纳米棒阵列复合衬底的发光二极管，解决了现有氮化镓基发光二极管使用激光剥离技术可能造成外延结构损伤或开裂从而影响发光二极管性能的弊端。

（二）技术方案

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种生长于氧化锌纳米棒阵列复合衬底的发光二极管，包括复合衬底和氮化镓基的发光二极管外延结构，其中：复合衬底包含衬底和氧化锌纳米棒阵列，而所述发光二极管外延结构为依次生长在氧化锌纳米棒阵列上的n型半导体层、有源层和p型半导体层。

其中：所述衬底可以为硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氧化锌衬底、氧化镓衬底或石英衬底。

进一步地，所述衬底上生长氧化锌纳米棒阵列之前，可以在所述衬底上优先沉积氧化锌或氮化镓或氮化铝的薄膜。

其中：所述n型半导体层可以为掺Si的GaN、掺Si的AlGaN或掺Si的AlN。

其中：所述有源层可以为InGaN/GaN的多层量子阱结构或AlInGaN/AlGaN的多层量子阱结构。

其中：所述p型半导体层可以包含有电子阻挡层、p型层和p型接触层，所述电子阻挡层可以为掺Mg的AlGaN、掺Mg的AlInN或掺Mg的BAlN,p型层可以为掺Mg的GaN或掺Mg的AlGaN，p型接触层可以为掺Mg的GaN或掺Mg的AlGaN。

（三）有益效果

与现有技术相比，本实用新型提供了一种生长于氧化锌纳米棒阵列复合衬底的发光二极管，具备以下有益效果：一方面，氧化锌与氮化镓具有相同的晶体结构，相近的晶格常数和禁带宽度，晶格常数失配很小（约1.8%），在上述复合衬底上生长氮化镓外延结构可以得到缺陷密度低的高质量外延结构层，同时在氧化锌纳米棒阵列结构上生长外延结构层有利于应力的释放，可进一步再减少外延结构层中的位错密度；另一方面，氧化锌纳米棒可以采用简单的酸腐蚀去除，使衬底从外延结构层上剥离，剥离速度快，且外延结构层上没有氧化锌残留有利于后续工艺的制作。

附图说明

图1 为本实用新型实施例1的结构示意图。

图2 为本实用新型实施例2的结构示意图。

附图标记：

复合衬底10、衬底101、氧化锌纳米棒阵列102、发光二极管外延结构20、n型半导体层201、有源层202、p型半导体层203、薄膜1021。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1，如图1所示，一种生长于氧化锌纳米棒阵列复合衬底的发光二极管，包括复合衬底10和氮化镓基的发光二极管外延结构20，其中：复合衬底10包含衬底101和氧化锌纳米棒阵列102，而所述发光二极管外延结构20为依次生长在氧化锌纳米棒阵列102上的n型半导体层201、有源层202和p型半导体层203，所述氧化锌纳米棒阵列102可采用湿化学法、聚合物模板法或水热法在衬底101上生长而形成，所述n型半导体层201、有源层202和p型半导体层203采用金属有机物化学气相沉积方法在生长有氧化锌纳米棒阵列102的复合衬底10上外延沉积而成，所述衬底101可以为硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氧化锌衬底、氧化镓衬底或石英衬底。

本实施例中，所述衬底101采用蓝宝石衬底，所述衬底101上采用水热法生长氧化锌纳米棒阵列。

具体地，本实施例中采用水热法在蓝宝石的衬底101上直接生长氧化锌纳米棒阵列102。首先配置水热生长溶液，将六水合硝酸锌和六次甲基四胺按照摩尔比1:1的比例加入到去离子水中搅拌形成成分均匀分散的生长溶液；然后将清洗干净的衬底101外延生长面朝上放置于上述生长溶液中，密封后放置于水浴槽中，水浴温度设置为90～100℃，水热反应时间为3～5小时；反应完成后将衬底101取出清洗并烘干待用,即完成氧化锌纳米棒阵列102制备；

氧化锌纳米棒阵列102的复合衬底10制备完成后，采用金属有机物化学气相沉积在上述复合衬底10上生长发光二极管外延结构20，包括n型半导体层201、有源层202和p型半导体层203。本实施例中，n型半导体层201为掺Si的GaN，有源层202为量子阱InGaN和量子垒GaN交替生长的多层量子阱结构，p型半导体层203包含掺Mg的AlGaN的电子阻挡层和掺Mg的GaN的p型层；

发光二极管外延结构20生长完成后，采用垂直芯片工艺在p型半导体层203上制备p电极，然后通过键合技术将发光二极管的p电极键合到导电、导热的基板上，最后采用浓度为5%～20%氢氟酸溶液腐蚀掉氧化锌纳米棒阵列102，将衬底101从发光二极管外延结构20上剥离掉，然后在裸露的n型半导体层201上制备n电极而完成垂直结构发光二极管的制备。

实施例2，如图2所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例在水热法生长氧化锌纳米棒阵列102之前优先在衬底101上沉积一层氧化锌的薄膜1021，所述氧化锌的薄膜1021可采用磁控溅射、分子束外延、有机金属化学气相沉积、等离子体化学气相沉积等工艺来实现；然后在上述沉积有氧化锌的薄膜1021的衬底101上采用实施例一中的方法制备氧化锌纳米棒阵列结构102。

同时，本实施例中生长的发光二极管外延结构层与实施例1不同之处还在于：本实施例中n型半导体层201为掺Si的AlGaN，有源层202为交替生长的量子阱AlInGaN和量子垒AlGaN的多层量子阱结构，p型半导体层203为掺Mg的AlGaN层，完成上述发光二极管外延结构层的生长后，采用实施例1中的方法完成垂直结构发光二极管的制备。

在本实用新型中，由于氧化锌与氮化镓具有相同的晶体结构，相近的晶格常数和禁带宽度，晶格常数失配很小（约1.8%），在上述复合衬底10上生长氮化镓基的发光二极管外延结构20可以得到低缺陷密度的高质量外延结构层，同时在氧化锌纳米棒阵列102结构上生长外延结构层有利于应力的释放，减少外延结构层中的位错密度。另外，氧化锌与弱酸可以发生化学反应，很容易被酸腐蚀掉，所以氧化锌纳米棒阵列102可以采用简单的酸腐蚀，使衬底从外延结构层上剥离，而纳米棒阵列结构酸溶液容易渗入，衬底剥离速度快，可以实现简单便捷的衬底剥离，且外延结构层上不会有氧化锌残留。

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。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种生长于氧化锌纳米棒阵列复合衬底的发光二极管，包括复合衬底（10）和氮化镓基的发光二极管外延结构（20），其特征在于：复合衬底（10）包含衬底（101）和氧化锌纳米棒阵列（102），而所述发光二极管外延结构（20）为依次生长在氧化锌纳米棒阵列（102）上的n型半导体层（201）、有源层（202）和p型半导体层（203）。

2.根据权利要求1所述的一种生长于氧化锌纳米棒阵列复合衬底的发光二极管，其特征在于：所述衬底（101）可以为硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氧化锌衬底、氧化镓衬底或石英衬底。

3.根据权利要求1所述的一种生长于氧化锌纳米棒阵列复合衬底的发光二极管，其特征在于：所述衬底（101）上生长氧化锌纳米棒阵列（102）之前，可以在所述衬底（101）上优先沉积氧化锌或氮化镓或氮化铝的薄膜（1021）。

4.根据权利要求1所述的一种生长于氧化锌纳米棒阵列复合衬底的发光二极管，其特征在于：所述n型半导体层（201）可以为掺Si的GaN、掺Si的AlGaN或掺Si的AlN。

5.根据权利要求1所述的一种生长于氧化锌纳米棒阵列复合衬底的发光二极管，其特征在于：所述有源层（202）可以为InGaN/GaN的多层量子阱结构或AlInGaN/AlGaN的多层量子阱结构。

6.根据权利要求1所述的一种生长于氧化锌纳米棒阵列复合衬底的发光二极管，其特征在于：所述p型半导体层（203）可以包含有电子阻挡层、p型层和p型接触层，所述电子阻挡层可以为掺Mg的AlGaN、掺Mg的AlInN或掺Mg的BAlN,p型层可以为掺Mg的GaN或掺Mg的AlGaN，p型接触层可以为掺Mg的GaN或掺Mg的AlGaN。