CN218215342U

CN218215342U - 发光器件的结构

Info

Publication number: CN218215342U
Application number: CN202222537381.XU
Authority: CN
Inventors: 闫其昂; 王国斌
Original assignee: Jiangsu Third Generation Semiconductor Research Institute Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Third Generation Semiconductor Research Institute Co Ltd
Priority date: 2022-09-22
Filing date: 2022-09-22
Publication date: 2023-01-03
Anticipated expiration: 2032-09-22

Abstract

本实用新型公开了一种发光器件的结构。所述发光器件的结构包括衬底；衬底第一面上的氮化物缓冲层、第一氮化物层、氮化物发光层和第二氮化物层；第一调制结构单元，设置在氮化物缓冲层与第一面之间，包括多个空隙结构单元；第一基板层，与衬底的第二面结合；第二调制结构单元，形成图形结构层，并且具有多个图形结构单元；第二基板层，覆盖第二调制结构单元。本实用新型通过设置空隙结构层和图形结构单元，一方面空隙结构层降低了氮化物外延层的应力，提高了氮化物外延层的质量，另一方面第二调制结构单元提供了应力补偿，降低了发光器件的结构内部应力，提高氮化物发光层的出光效率和亮度，拓宽了发光器件在高端应用领域的使用范围。

Description

发光器件的结构

技术领域

本实用新型涉及一种发光器件的结构，属于光电半导体技术领域。

背景技术

GaN基发光二极管(LED)因其环保节能、高可靠性等优点，被广泛应用在固态照明、户外显示屏、电子设备等多个领域，随着应用对高功率输出的需求与日俱增，这对超高电流密度下实现衬底的高导热性能提出更高的要求。

由于缺乏GaN单晶材料，体单晶GaN的生长又极其困难，故GaN材料的生长主要采用异质外延方法，由于衬底材料和III～V族氮化物半导体材料之间存在很大的晶格常数失配和热膨胀系数的差异，造成外延晶体结构中存在高密度的线缺陷，外延生长高质量的氮化物材料非常困难；同时，在生长过程中产生较大应力，引起大尺寸(2英寸以上)衬底的翘曲更为严重，导致外延片低的出光效率和均匀性，故外延良率和芯片良率偏低。尤其被誉为具有颠覆性显示技术的Micro-LED对外延材料缺陷和均匀性要求更高，这极大地限制了GaN半导体器件的应用领域。

鉴于以上原因，业界对发光二极管的结构的改进一直在持续进行，因此，提出一种具有低应力和高出光性能的发光器件的结构意义重大。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种发光器件的结构。

为实现前述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案包括：

第一方面，本实用新型提供一种发光器件的结构，包括衬底，具有相背对的第一面和第二面；外延结构，包括依次层叠设置在衬底第一面上的氮化物缓冲层、第一导电类型的第一氮化物层、氮化物发光层和第二导电类型的第二氮化物层；第一调制结构单元，设置在所述氮化物缓冲层与第一面之间，并且包括多个空隙结构单元，所述空隙结构单元包括孔洞，所述孔洞内填充有空气；第一基板层，与所述衬底的第二面结合；第二调制结构单元，设置在所述第一基板层背向衬底的一面，形成图形结构层，并且具有多个图形结构单元；第二基板层，覆盖所述第二调制结构单元。

进一步地，所述第一调制结构单元和第二调制结构单元均沿所述衬底的宽度方向周期性分布。

进一步地，所述图形结构层与第二基板层之间还设置有反射层。

进一步地，所述反射层的厚度为50-200nm。

进一步地，所述空隙结构单元与所述衬底相接，所述空隙结构单元嵌入所述氮化物缓冲层中，且所述空隙结构单元的高度低于所述氮化物缓冲层的厚度。

进一步地，所述空隙结构单元的轴向截面形状为方形、圆形、锥形以及梯形中的任意一种，所述空隙结构单元的高度为1-5μm，所述氮化物缓冲层的厚度为1-6μm。

进一步地，所述空隙结构单元与所述衬底相接的部位的宽度为0.5-3μm，相邻所述空隙结构单元的间距为1-2μm。

进一步地，所述第一基板层的厚度为1-10μm，所述第二基板层的厚度为5-100μm。

进一步地，所述图形结构单元的轴向截面形状为方形、圆形、锥形以及梯形中的任意一种，高度为2-4μm，宽度为1-3μm，间距为1-2μm。

进一步地，所述发光器件的结构还包括第一电极和第二电极，所述第一电极与第一氮化物层电连接，所述第二电极与第二氮化物层电连接。

第二方面，本实用新型还提供一种发光器件，包括多个上述发光器件的结构。

与现有技术相比，本实用新型的优点至少包括：

本实用新型提供的发光器件的结构及其构成的发光器件通过设置空隙结构层作为第一调制结构单元和设置图形结构单元作为第二调制结构单元，一方面通过空隙结构单元降低了氮化物外延层的应力，可以获得高质量的氮化物外延层，另一方面第二调制结构单元在衬底第二方向上提供了应力补偿，降低了发光器件的结构的内部应力，同时，氮化物缓冲层中设置空隙结构单元和衬底背部设置规则的图形结构单元，还能够提高氮化物发光层射向衬底的光线反射，提高出光效率，提高发光器件的亮度，拓宽了发光器件在高端应用领域的使用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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的附图。

图1是本实用新型一典型实施案例提供的发光器件的制备过程中的半成品器件结构示意图；

图2是本实用新型一典型实施案例提供的发光器件的制备过程中的半成品器件结构示意图；

图3是本实用新型一典型实施案例提供的发光器件的成品器件结构示意图；

图4是本实用新型另一典型实施案例提供的发光器件的成品器件结构示意图；

图5是本实用新型一典型实施案例和对比案例所制得的发光器件的性能对比图。

附图标记说明：

10、衬底；11、氮化物缓冲层；12、第一氮化物层；13、氮化物发光层；14、第二氮化物层；15、第一基板层；16、图形结构层；17、第二基板层；18、反射层；

111、空隙结构单元；112、第一掩膜单元；161、图形结构单元。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本实用新型的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

如图3和图4所示，本实用新型实施例提供一种发光器件的结构，包括衬底10，沿第一方向依次层叠设置于衬底10上的氮化物缓冲层11、第一氮化物层12、氮化物发光层13和第二氮化物层14，以及沿第二方向依次层叠设置于衬底10上的第一基板层15、图形结构层16和第二基板层17，所述第一方向和第二方向相反且均垂直于所述衬底10；所述衬底10与氮化物缓冲层11之间还设置有多个空隙结构单元111，所述空隙结构单元111与所述衬底10相接且被所述氮化物缓冲层11覆盖，多个所述空隙结构单元111沿所述氮化物缓冲层11的延伸方向周期性分布；所述图形结构层16中包括多个沿第二方向凸出于所述第一基板层15的图形结构单元161，所述图形结构单元161沿所述图形结构层16的延伸方向周期性分布。其中，所述氮化物缓冲层11和图形结构层16的延伸方向即所述衬底10的宽度方向。

同时，本实用新型实施例还提供包含多个上述发光器件的结构的发光器件，该发光器件亦可称之为一种LED芯片。

作为上述技术方案的一些典型的应用实例，所述发光器件的结构可以包括衬底10、在衬底10第一方向上的氮化物缓冲层11、n型第一氮化物层12、氮化物发光层13和p型第二氮化物层14，以及衬底10第二方向上的第一基板层15、第二基板层17；衬底10第一方向上氮化物缓冲层11和衬底10之间设置第一调制结构单元，在衬底10第二方向基板层和衬底10之间设置第二调制结构单元，第二基板层17覆盖第二调制结构单元。

其中，所述第一调制结构单元为空隙结构单元111，空隙结构单元111可以为方形、圆形、锥形、梯形中的一种，底部宽度0.5-3μm，高度1-5μm；所述第二调制结构单元为图形结构单元161，为二氧化硅单元、氮化硅单元或金属单元中的一种，可以为方形、圆形、锥形、梯形中的一种，底部宽度1-5μm，高度2-8μm。

在一些优选实施方案中，第一基板层15和第二基板层17的厚度可以是10-100μm，可以为金刚石基板、Cu基板、SiC基板、Si基板中的任一种。

在一些优选实施方案中，第二调制结构单元和基板层之间设置有厚度50-200nm的反射层，可以为Al、Au、Ag中的一种。

在一些优选实施方案中，衬底10的厚度可以为80-150μm，可以为蓝宝石衬底10、硅衬底10、碳化硅衬底10中的任意一种。当所述衬底10为导电衬底时，例如硅和碳化硅，发光器件的结构第一电极和第二基板层17连接，第二电极和p型第二氮化物层连接，当所述衬底10为非导电衬底时，例如蓝宝石，发光器件的结构第一电极和第一n型氮化物层连接，第二电极和p型第二氮化物层连接在一些优选实施方案中，氮化物缓冲层11厚度可以为1-6μm。

在一些优选实施方案中，n型第一氮化物层12厚度可以为2-4μm。

在一些优选实施方案中，氮化物发光层13可以为周期性循环层叠的厚度为1-6nm的氮化物量子阱和厚度为6-18nm的氮化物量子垒，循环周期为2-15。

在一些优选实施方案中，p型第二氮化物层14厚度可以为30-300nm。

如图1-图4所示，为便于理解上述结构性实施案例，实用新型实施例还提供上述案例所提供的发光器件的结构及其发光器件的制备流程示例，包括以下步骤：

1)在衬底10上设置第一掩模单元，第一掩模单元112可以为包括氮化物、氧化物、金属或有机物，进一步优选氮化物或氧化物，例如可以包括GaN、AlN、GaN、InGaN、AlGaN、AIInGaN、AIInN、InN、Al₂O₃、SiO₂、Si₃N₄、Ga₂O₃或ZnO。

2)在具有第一掩模单元的衬底10上生长氮化物缓冲层11，厚度1-6μm。

3)采用湿法腐蚀移除所述第一掩模单元112，以形成所述空隙结构单元111。

4)在氮化物缓冲层11上生长n型第一氮化物层12，厚度2-4μm。

5)在n型第一氮化物层12上生长氮化物发光层13为周期性循环生长的厚度为1-6nm的氮化物量子阱和厚度为6-18nm的氮化物量子垒，循环周期2-15。

6)在衬底10第二方向表面设置第一基板层15以及第二掩模单元。

7)在第二掩模单元之间生长图形结构层16，形成多个图形结构单元161，其可以为方形、圆形、锥形、图形中的一种，形状决定于第二掩模单元的形状，底部宽度1-5μm，高度2-8μm，此时，半成品器件的结构如图1所示。

8)采用湿法腐蚀移除第二掩模单元。

9)在基板图形上设置反射层18。

10)在反射层上设置第二基板层17。

11)11-1：在步骤10)的基础上，采用移除部分第二氮化物层至第一氮化物层之间的部分外延层，制备第一电极和第二电极，第一电极和第一n型氮化物层连接，第二电极和p型第二氮化物层连接，得到如图3所示的成品器件结构。

11-2：在步骤10)基础上，制备第一电极和第二电极，第一电极和第二基板层17连接，第二电极和p型第二氮化物层连接，得到如图4所示的成品器件结构。

上述第一电极和第二电极的材料可以为Ni、Au、Ti、Al、Cr、Pt等中的任意一种或两种以上的组合，其厚度可以为1～2000nm，当然并不仅限于此。

如下将通过更加具体的实施案例来进一步说明本实用新型所提供的发光器件的结构的制备流程，该制备流程同样反映了其结构特点。但需要说明的是，下述实施例仅为本实用新型众多实施例中的优选案例，并非对本实用新型保护范围的限制。

实施例1

本实施例示例一发光器件的结构的制备流程，该制备流程同样反映了发光器件的结构的组成、结构和连接关系，具体如下所示：

1)在蓝宝石衬底10上设置SiO₂第一掩模单元，底部宽度2μm，高度1.5μm；具体为：将衬底10置于PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)设备反应腔，在温度400℃、压力3.5torr，通入SiH₄和NO₂，在衬底10上生长一层厚度为1.5μm的SiO₂掩模单元层，用光刻刻蚀技术SiO₂掩模单元层刻蚀，得到SiO₂第一掩模单元112。

2)采用MOCVD外延生长技术，在具有SiO₂第一掩模单元112的衬底10上生长GaN缓冲层，厚度3μm，其中GaN缓冲层生长温度1085℃，生长压力150torr，生长氛围H₂。

3)采用BOE湿法腐蚀移除SiO₂第一掩模单元，其中BOE溶液为49％的HF水溶液和40％的NH4F水溶液按照体积比为1∶6的混合，腐蚀时间45s。

4)在GaN缓冲层上生长n型GaN层，厚度2.5μm，其中n型GaN层的掺杂浓度为2×10¹⁹cm^-3，生长温度1095℃，生长压力200torr，生长氛围H₂。

5)在n型GaN层上生长氮化物发光层13为周期性循环生长的厚度为2.5nm的InGaN量子阱和厚度为12nm的GaN量子垒，循环周期10，其中，InGaN量子阱层厚度3nm，生长温度760℃，生长压力400torr，生长氛围N₂，GaN量子垒层厚度12nm，生长温度880℃，生长压力400torr，生长氛围H₂。

6)在氮化物发光层13上生长p型GaN层，厚度150nm，其中p型GaN层的掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3，生长温度995℃，生长压力200torr，生长氛围H₂。

7)采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀移除p型GaN层到n型GaN层的部分外延层，形成暴露出n型GaN层的台阶。

8)采用电镀法在衬底10第二方向上设置Cu第一基板层15，厚度8μm。

9)采用PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)设备，在温度400℃、压力3.5torr，通入SiH₄和NO₂，在衬底10上生长一层厚度为3μm的SiO₂第二掩模层，用光刻刻蚀技术对SiO₂第二掩模层刻蚀，得到SiO₂第二掩模单元。

10)在SiO₂第二掩模单元之间生长Cu图形方型基板图形，底部宽度2μm，高度2.5μm，形成图形结构单元161。

11)采用BOE湿法腐蚀移除SiO₂第二掩模单元，其中BOE溶液为49％的HF水溶液和40％的NH₄F水溶液按照体积比为1∶6的混合，腐蚀时间45s。

12)采用电子束蒸发方法，在Cu基板图形上设置厚度为80nm的Al反射层，其中压力3.2×10^-5torr，电子枪电压6kV，束流120mA。

13)采用电镀法在Al反射层上设置厚度为50μm的Cu第二基板层17。

14)采用电子束蒸发方法在p型GaN层和n型GaN层上制作第一p型电极和第二n型电极，电极材料Cr/Pt/Au，各层厚度分别为15nm、25nm和1000nm。

对比例1

本对比例与实施例1大体相同，不同之处在于：不设置步骤7)-12)，即不包含Cu图形方型基板图形、Al反射层和Cu基板层。

对比例2

本对比例与实施例1大体相同，不同之处在于：不包含空气隙结构单元，同时不设置步骤7)-12)，即不包含空隙结构单元111、Cu图形方型基板图形、Al反射层和Cu基板层。

对比上述实施例以及对比例的应力和在同样电流密度下的光功率，其结果如下表1以及图5所示：

表1实施例1以及对比例1-2提供的发光器件的应力和发光强度

	实施例1	对比例1	对比例2
				应力/GPa	0.25	0.35	0.46
光功率/mW	12.8	11.2	9.9

基于上述实施例以及对比例，可以明确，本实用新型实施例提供的发光器件的结构及其构成的发光器件通过设置空气结构层作为第一调制结构单元和设置图形结构单元161作为第二调制结构单元，一方面通过空隙结构单元111降低了氮化物外延层的应力，可以获得高质量的氮化物外延层，另一方面通过图形结构单元161在衬底10第二方向上提供了应力补偿，降低了外延片结构的内部应力，同时，氮化物缓冲层11中设置空隙结构单元111和衬底10背部设置规则的图形结构单元161，还能够提高氮化物发光层13射向表面的出光效率，提高发光器件的亮度，拓宽了发光器件在高端应用领域的使用范围。

实施例2

与实施例1不同之处在于：

步骤1)Si衬底；

不包含步骤6)采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀移除p型GaN层到n型GaN层的部分外延层，形成暴露出n型GaN层的台阶。

14)采用电子束蒸发方法在p型GaN层和第二基板层上制作第一p型电极和第二n型电极，电极材料Cr/Pt/Au，各层厚度分别为15nm、25nm和1000nm。

因为实施例2中采用导电的Si衬底，并且不用移除部分外延层，所以实施例2相对实施例1具有更优异的发光特性，相比实施例1在相同的电流条件下，光功率可以提高35％以上。

应当理解，上述实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种发光器件的结构，其特征在于包括：

衬底，具有相背对的第一面和第二面；

外延结构，包括依次层叠设置在衬底第一面上的氮化物缓冲层、第一导电类型的第一氮化物层、氮化物发光层和第二导电类型的第二氮化物层；

第一调制结构单元，设置在所述氮化物缓冲层与第一面之间，并且包括多个空隙结构单元，所述空隙结构单元包括孔洞，所述孔洞内填充有空气；

第一基板层，与所述衬底的第二面结合；

第二调制结构单元，设置在所述第一基板层背向衬底的一面，形成图形结构层，并且具有多个图形结构单元；

第二基板层，覆盖所述第二调制结构单元。

2.根据权利要求1所述的发光器件的结构，其特征在于，所述图形结构层与第二基板层之间还设置有反射层。

3.根据权利要求2所述的发光器件的结构，其特征在于，所述反射层的厚度为50-200nm。

4.根据权利要求1所述的发光器件的结构，其特征在于，所述空隙结构单元与所述衬底相接，所述空隙结构单元嵌入所述氮化物缓冲层中，且所述空隙结构单元的高度低于所述氮化物缓冲层的厚度。

5.根据权利要求4所述的发光器件的结构，其特征在于，所述空隙结构单元的轴向截面形状为方形、圆形、锥形以及梯形中的任意一种，高度为1-5μm，所述氮化物缓冲层的厚度为1-6μm。

6.根据权利要求4所述的发光器件的结构，其特征在于，所述空隙结构单元与所述衬底相接的部位的宽度为0.5-3μm，相邻所述空隙结构单元的间距为1-2μm。

7.根据权利要求1所述的发光器件的结构，其特征在于，所述第一基板层的厚度为1-10μm，所述第二基板层的厚度为5-100μm。

8.根据权利要求1所述的发光器件的结构，其特征在于，所述图形结构单元的轴向截面形状为方形、圆形、锥形以及梯形中的任意一种，高度为2-4μm，宽度为1-3μm，间距为1-2μm。

9.根据权利要求1所述的发光器件的结构，其特征在于，还包括第一电极和第二电极，所述第一电极与第一氮化物层电连接，所述第二电极与第二氮化物层电连接。

10.根据权利要求1所述的发光器件的结构，其特征在于，还包括第一电极和第二电极，所述第一电极与第二基板层电连接，所述第二电极与第二氮化物层电连接。