一種半極性led外延結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電器件領(lǐng)域，尤其涉及一種半極性LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]LED是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件，其利用半導(dǎo)體PN結(jié)作為發(fā)光材料，可以直接將電轉(zhuǎn)換為光。目前，極性GaN基LED技術(shù)產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)20余年，發(fā)展至今其性能取得了極大的改善;但是也逐漸顯現(xiàn)出了極性LED的性能瓶頸，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到60%之后很難再有大幅的繼續(xù)提升。目前，普遍認(rèn)為極性LED器件有難以克服的極化效應(yīng)，從而影響著LED的發(fā)光效率。關(guān)于半極性和非極性材料和器件的研究和文獻(xiàn)報(bào)道近些年非常多，主要存在的問(wèn)題是在半極性面或者非極性面上生長(zhǎng)GaN材料比較困難。
[0003]半極性和非極性GaN材料的獲得一般有兩種常見(jiàn)的方式:一是通過(guò)非極性和半極性的藍(lán)寶石獲得半極性或者非常GaN薄膜;二是通過(guò)切割同質(zhì)襯底的半極性和非極性面同質(zhì)外延出相應(yīng)的器件。第一種技術(shù)路線(xiàn)較難獲得比較好的材料質(zhì)量;第二種技術(shù)路線(xiàn)雖能獲得較高的材料質(zhì)量，但是成本很高。此外，還有一種工藝相對(duì)復(fù)雜的技術(shù)是通過(guò)選區(qū)外延來(lái)實(shí)現(xiàn)半極性面或者非極性面的生長(zhǎng)，然后在這些原位生長(zhǎng)出來(lái)的半極性面上生長(zhǎng)制備半極性或者非極性器件;工藝相對(duì)復(fù)雜，往往需要一些輔助材料和二次外延生長(zhǎng)工藝設(shè)計(jì)。由此來(lái)看，半極性和非極性LED路線(xiàn)的主要障礙就在于如何獲得高質(zhì)量材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于:提供一種C面藍(lán)寶石襯底原位生長(zhǎng)制備半極性LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法，利用藍(lán)寶石平面或者圖形襯底在外延生長(zhǎng)過(guò)程中可以控制半導(dǎo)體底層結(jié)構(gòu)表面形成納米V型坑，進(jìn)而在V型坑的半極性側(cè)面制備半導(dǎo)體功能層，最終獲得半極性LED外延結(jié)構(gòu)。
[0005]本發(fā)明的第一方面，提供一種半極性LED外延結(jié)構(gòu)，該外延結(jié)構(gòu)從下至上依次包括:藍(lán)寶石襯底、半導(dǎo)體底層結(jié)構(gòu)以及半導(dǎo)體功能層，其特征在于:所述半導(dǎo)體底層結(jié)構(gòu)表面具有納米V型坑，V型坑的側(cè)面為半極性面，對(duì)應(yīng)(1-101)晶面族。
[0006]優(yōu)選地，所述藍(lán)寶石襯底為納米圖形化藍(lán)寶石襯底或者平片藍(lán)寶石襯底。
[0007]優(yōu)選地，所述藍(lán)寶石襯底為納米圖形化藍(lán)寶石襯底，所述納米V型坑的線(xiàn)徑尺寸為100?100nm0
[0008]優(yōu)選地，所述藍(lán)寶石襯底為平片藍(lán)寶石襯底，所述納米V型坑的線(xiàn)徑尺寸符合正態(tài)分布，正態(tài)分布的峰值尺寸對(duì)應(yīng)于550 ± 1nm。
[0009]優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體底層結(jié)構(gòu)包括緩沖層或UGaN層或nGaN層或前述任意組合。
[0010]優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體功能層材料包括GaN系半導(dǎo)體材料。
[0011]優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體功能層包括第一半導(dǎo)體功能層和第二半導(dǎo)體功能層，其中第一半導(dǎo)體功能層表面具有納米V型坑。
[0012]本發(fā)明的第二方面，還提供一種半極性LED外延結(jié)構(gòu)的制作方法，包括以下工藝步驟:
(1)提供一藍(lán)寶石襯底；
(2)在所述藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)半導(dǎo)體底層結(jié)構(gòu)，使得其表面形成納米V型坑，V型坑的側(cè)面為半極性面，對(duì)應(yīng)(1-1 OI)晶面族；
(3)在所述半導(dǎo)體底層結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)半導(dǎo)體功能層。
[0013]優(yōu)選地，所述藍(lán)寶石襯底為納米圖形化藍(lán)寶石襯底或者平片藍(lán)寶石襯底。
[0014]優(yōu)選地，所述V型坑的密度通過(guò)納米圖形化藍(lán)寶石襯底的圖形密度來(lái)調(diào)節(jié)。
[0015]優(yōu)選地，所述藍(lán)寶石襯底為納米圖形化藍(lán)寶石襯底，所述納米V型坑的線(xiàn)徑尺寸為100?100nm0
[0016]優(yōu)選地，所述藍(lán)寶石襯底為平片藍(lán)寶石襯底，所述納米V型坑的線(xiàn)徑尺寸符合正態(tài)分布，正態(tài)分布的峰值尺寸對(duì)應(yīng)于550 ± 1nm。
[0017]優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體底層結(jié)構(gòu)包括緩沖層或UGaN層或nGaN層或前述任意組合。
[0018]優(yōu)選地，所述步驟(2)通過(guò)控制生長(zhǎng)溫度比較低(1100°C以?xún)?nèi))，生長(zhǎng)速率比較快(3Mi/h以上)，使得半導(dǎo)體底層結(jié)構(gòu)表面形成納米V型坑。
[0019]優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體功能層材料包括GaN系半導(dǎo)體材料。
[0020]優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體功能層包括第一半導(dǎo)體功能層和第二半導(dǎo)體功能層，其中第一半導(dǎo)體功能層表面具有納米V型坑。
[0021]優(yōu)選地，所述第一半導(dǎo)體功能層的納米V型坑是通過(guò)在半極性面上生長(zhǎng)速率加快至常規(guī)極性面的5?10倍或者延長(zhǎng)生長(zhǎng)時(shí)間至常規(guī)極性面的5?10倍獲得。
[0022]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，常規(guī)的極性面(001)面的LED外延結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶和價(jià)帶由于極化電場(chǎng)的存在而彎曲，導(dǎo)致導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)箍臻g不在同一個(gè)位置，類(lèi)似變成間接帶隙半導(dǎo)體發(fā)光(AlInGaN體系材料為直接帶隙發(fā)光材料)，輻射復(fù)合發(fā)光效率降低，非輻射復(fù)合概率增加，本發(fā)明至少包括以下技術(shù)效果:
(1)不需要選區(qū)外延，不需要二次外延，簡(jiǎn)化制作工藝流程；
(2)半極性面為(1-101)晶面族，平滑的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂在倒空間交疊面積很大，輻射復(fù)合效率大大增加；
(3)通過(guò)材料生長(zhǎng)工藝調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)半極性面的裸露，而不受制于襯底幾何形狀，實(shí)現(xiàn)制備半極性面材料，可操作性強(qiáng)，成本低廉；
(4)在具有納米V型坑的半導(dǎo)體底層結(jié)構(gòu)表面形成半導(dǎo)體功能層，如此獲得的外延結(jié)構(gòu)可以與現(xiàn)有的芯片制程相融合，便于制作LED芯片等半導(dǎo)體發(fā)光器件。
【附圖說(shuō)明】
[0023]附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分，與本發(fā)明實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。此外，附圖數(shù)據(jù)是描述概要，不是按比例繪制。
[0024]圖中標(biāo)示:11，21，31，41:藍(lán)寶石襯底；12，22，32，42:緩沖層；13，23，33，43:第一UGaN 層；14，24，34，44:第二1163~層；15，25，35，45:1163~層；16，26，36，46:半導(dǎo)體功能層；17，27，37，47: V型坑的側(cè)面(對(duì)應(yīng)(1-101)晶面族)；261:461:第一半導(dǎo)體功能層;262:462:第二半導(dǎo)體功能層。
[0025]圖1?圖5為本發(fā)明實(shí)施例1、2制作的LED外延結(jié)構(gòu)的剖視示意圖。
[0026]圖6為本發(fā)明實(shí)施例3制作的LED外延結(jié)構(gòu)的剖視示意圖。
[0027]圖7為本發(fā)明實(shí)施例4制作的LED外延結(jié)構(gòu)的剖視示意圖。
[0028]圖8為本發(fā)明實(shí)施例5制作的LED外延結(jié)構(gòu)的剖視示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合示意圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述，在進(jìn)一步介紹本發(fā)明之前，應(yīng)當(dāng)理解，由于可以對(duì)特定的實(shí)施例進(jìn)行改造，因此，本發(fā)明并不限于下述的特定實(shí)施例。還應(yīng)當(dāng)理解，由于本發(fā)明的范圍只由所附權(quán)利要求限定，因此所采用的實(shí)施例只是介紹性的，而不是限制性的。除非另有說(shuō)明，否則這里所用的所有技術(shù)和科學(xué)用語(yǔ)與本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所普遍理解的意義相同。
[0030]實(shí)施例1
請(qǐng)參照?qǐng)D1?圖5，本實(shí)施例提供一種GaN半極性LED外延結(jié)構(gòu)的制作方法，可以規(guī)避半極性材料不好生長(zhǎng)以及同質(zhì)半極性材料價(jià)格昂貴的問(wèn)題。以下技術(shù)方案以納米藍(lán)寶石圖形襯底為例，制作方法包括以下步驟:
請(qǐng)參照?qǐng)D1，提供一納米圖形化藍(lán)寶石襯底11 (Sapphire)，并放入金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備中升溫至1000?1200°C，在氫氣氛圍下處理3?10分鐘；使用納米圖形化藍(lán)寶石襯底(PSS,Patterned Sapphire Substrate)可以獲得規(guī)則的表面V型坑(凹坑)陣列，PSS的圖形線(xiàn)徑為100?lOOOnm，圖形高度為300?2000nm，間距為周期尺寸的1/5?1/2，該尺寸下的圖案不影響現(xiàn)有芯片制程制備芯片，也即不影響后續(xù)芯片電極制備等光刻工藝，如果圖形線(xiàn)徑尺寸過(guò)小時(shí)(<100nm)，V型坑很小，V型坑底部沉積的低溫功能層有交疊，疊加部分發(fā)光不好，交疊的部分占據(jù)整個(gè)V型坑的內(nèi)壁比例比較高，影響器件發(fā)光效率，所以尺寸不宜太小，如果圖形線(xiàn)徑尺寸過(guò)大時(shí)(>1000nm)，外延結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有芯片制程融合度降低，不易制作成LED器件;對(duì)應(yīng)于每一個(gè)PSS的凸起(島)，V型坑的密度可以通過(guò)圖形襯底的圖形密度來(lái)調(diào)節(jié)，當(dāng)圖形化襯底的圖形密度確定后，V型坑的密度與之相同，每個(gè)V型坑的大小也隨之確定，V型坑的線(xiàn)徑尺寸為100?100nm;使用平面襯底也可以獲得半極性面LED，其表面V型坑的大小不一且相對(duì)隨機(jī)分布，但是密度受到緩沖層厚度和緩沖層退火條件的影響:緩沖層越厚，退火溫度越低，退火時(shí)間越短，島密度越高，后續(xù)V型坑密度越大；反之亦然。降溫至500-6000C，通入氨氣和三甲基鎵，生長(zhǎng)20?50nm的Al InGaN低溫緩沖層12(buffer)，起到應(yīng)力釋放的作用，然后關(guān)閉三甲基鎵；其中外延生長(zhǎng)方法還可以選用CVD(化學(xué)氣相沉積)方法、PECVD(等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積)方法、MBE(分子束外延)方法、HVPE(氫化物氣相外延)方法，本實(shí)施例優(yōu)選MOCVD，但不限于此。
[0031]請(qǐng)參照?qǐng)D2，在低溫緩沖層12上外延生長(zhǎng)具有V型坑的半導(dǎo)體底層結(jié)構(gòu)，V型坑的側(cè)面17為半極性面，對(duì)應(yīng)(1-101)晶面族，具體來(lái)說(shuō)，升溫至870?970°C，在此溫度下進(jìn)行退火處理5秒?2分鐘，然后通入三甲基鎵，生長(zhǎng)I?2μπι厚度的非摻雜氮化鎵13(第一UGaN層)，該層稱(chēng)為三維模式的GaN生長(zhǎng)層;生長(zhǎng)溫度控制在1050°C以?xún)?nèi)，腔室壓力為500torr，生長(zhǎng)速率控制在3μπιΛ以上，可以獲得大量納米V型坑，V型坑可以占據(jù)整個(gè)外延表面，C面完全消失，V型坑也可以部分占據(jù)大部分表面，本實(shí)施例優(yōu)選納米V型坑占據(jù)整個(gè)外延表面，無(wú)C面。
[0032]請(qǐng)參照?qǐng)D3，溫度控制在1100°C以?xún)?nèi)，腔室壓力為300torr，生長(zhǎng)I?2μπι厚的非摻雜氮化鎵14(第二 UGaN層)，該層稱(chēng)為二維模式的GaN生長(zhǎng)層;生長(zhǎng)速率控制在4μπιΛ以上，納米V型坑占據(jù)整個(gè)表面。
[0033]請(qǐng)參照?qǐng)D4，降溫至1050°C左右，腔室壓力為300torr，生長(zhǎng)1.5?4μπι厚的氮化鎵，通入硅烷進(jìn)行摻雜，形成N型氮化鎵15(nGaN層)；也可以生長(zhǎng)uGaN/nGaN超晶格代替完全摻雜的nGaN，提供電子注入;生長(zhǎng)速率控制在5ym/h以上;nGaN生長(zhǎng)結(jié)束之后，外延表面被納米V