一種三維led外延結構及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及半導體領域，所述的一種LED外延結構，包括襯底以及層疊設置在所述襯底上的多孔SiNx層；還包括形成在所述SiNx層孔隙中的n型GaN納米棒陣列，依次層疊包覆在所述GaN納米棒陣列每個表面上的多量子阱層和P型GaN層。所述GaN納米棒陣列與包覆其每個表面的多量子阱層、P型GaN層構成三維核殼結構，比表面積大，相比薄膜材料，在相同的電流密度下可以產生更多的光子數，提高了所述LED外延結構的內量子效率。同時，所述GaN納米棒陣列的生長無需圖形化的襯底，工藝成本低。所述三維LED外延結構的制備方法簡單易實施，不但工藝成本低，而且能夠有效保證產品良率。
【專利說明】
一種三維LED外延結構及其制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及半導體技術領域，具體涉及一種三維LED外延結構及其制備方法。
【背景技術】
[0002]GaN基LED作為新型的節能光源，有望為全球多達15億的人口送去光明，但它要想全面替代普通照明，真正的走進千家萬戶，還需要進一步降低成本，提高發光強度及發光效率。這些都需要以新型的高性能GaN基LED外延結構研發為基礎，因而開展GaN基新型LED夕卜延結構研究具有重要意義。
[0003]近年來，GaN基LED已經完全實現了產業化進程，但到目前為止，產業化的LED外延結構大都是以二維GaN薄膜為基礎，而隨著對大功率，高亮度及白光LED需求的日益加大，也暴露出越來越多的問題:
[0004]第一，由于與襯底具有較大的晶格失配和熱失配系數，生長的GaN中存在的大量位錯形成非輻射復合中心，從而抑制內量子效率。第二，GaN基半導體材料中存在的較強壓電極化現象，使InGaN/GaN多量子阱有源區內形成了內建電場，產生了量子限制斯塔克效應，即，使得InGaN/GaN量子阱能帶發生傾斜，導致電子和空穴發生空間分離，降低電子-空穴波函數的交疊，載流子復合幾率減小，降低內量子效率。第三，由于俄歇復合，載流子泄漏，載流子局域，空穴注入效率低等原因，隨著注入電流的增大，其發光效率會大幅下降，即所謂的效率驟降問題。第四，由于存在由于各功能層間存在全反射，GaN基薄膜LED的光提取效率仍然較低。第五，薄膜LED發光波長比較單一，很難直接實現單結構的全彩色發光。
[0005]為此，中國專利文獻CN104112802A公開了一種AlGaInP發光二極管外延片，其結構為:在圖案化后的n-GaAs襯底上外延生長n-GaAs納米棒核層，然后在n-GaAs納米棒側壁上依次外延生長η-ΙηΑ1Ρ限制層、(AlxGa1-χ)ο.5Ιηο.5Ρ/(Α1Α&1—y)Q.5InQ.5P多量子阱有源層、P-1nAlP限制層、p-GaP覆蓋層。其制備方法是:采用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)的方法在n-GaAs襯底上外延生長各層。上述外延片結構加強了載流子的限制且可抑制載流子在界面處的復合幾率和散射幾率。LED有源區層生長在納米棒圓柱形表面，增加了發光面積，可以大大提高發光效率。半導體納米棒的非平面的幾何形狀可增加光提取效率，且根據量子約束效應，通過改變納米棒直徑，可以實現多色發光。然而，上述結構采用了成本更高的圖形化襯底，同時這種結構及其制備主要適合于GaAs基紅光LED，其多色發光只能通過改變納米棒的直徑來實現，不能在單根納米棒上實現多色發光，因而很難實現LED的白光發射。
【發明內容】
[0006]為此，本發明所要解決的是現有LED外延結構制備成本高、難于實現多色發光、白光發射的問題。
[0007]為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案如下:
[0008]本發明所述的一種三維LED外延結構，包括襯底以及層疊設置在所述襯底上的多孔SiNx層;還包括形成在所述SiNx層孔隙中的η型GaN納米棒陣列，依次層疊包覆在所述GaN納米棒陣列每個表面上的多量子阱層和P型GaN層。
[0009]可選地，所述SiNx層為非晶態SiNx層，厚度為5nm?15nm，孔徑為50nm?300nm。
[0010]可選地，所述GaN納米棒陣列為Si摻雜的GaN納米棒陣列，高度為2μπι?3μπι，直徑為50nm?300nm。
[0011 ]可選地，所述GaN納米棒陣列具有納米尺寸的(0001)極性面和/或(1_101)半極性面和/或(1-100)非極性面。
[0012]可選地，所述多量子阱層為InGaN/GaN多量子阱層，InGaN阱層厚度為2nm?5nm，GaN皇層厚度為1nm?15nm，周期為5?10。
[0013]可選地，所述多量子阱層具有納米尺寸的(0001)極性面和/或(1-101)半極性面和/或(1-100)非極性面。
[00? 4] 可選地，還包括直接形成在所述襯底上的AlN層，厚度為Onm?5nm ；所述P型GaN層為Mg摻雜的P型GaN層，厚度為30nm?I OOnm ο
[0015]本發明所述的三維LED外延結構的制備方法，包括如下步驟:
[0016]S1、在襯底上形成多孔SiNx層；
[0017]S2、在所述SiNx層孔洞中形成η型GaN納米棒陣列；
[0018]S3、在所述GaN納米棒陣列每個表面上形成多量子阱層；
[0019]S4、在所述多量子阱層上形成P型GaN層。
[0020]可選地，所述步驟SI之前還包括在所述襯底上形成AlN層的步驟。
[0021]可選地，所述步驟SI中，所述SiNx層的生長方法為:硅源為SiH4、氮源為ΝΗ4、載氣為H2,生長溫度為980°C?1040°C，壓力為133mbar生長10s?200s;關閉硅源，在順4氛圍下退火400s?600s；
[0022]所述步驟S2中，所述GaN納米棒陣列的生長方法為:以TMGa為鎵源、SiH4為硅源、NH3為氮源、H2為載氣，生長溫度為1020°C?1070°C，壓力為600mbar，V/m比為10?200，生長3600s_4800s；
[0023]所述步驟S3中，所述多量子阱層的生長方法為:以TEGa作為鎵源，NH3作為氮源，N2作為載氣，生長溫度為800 0C?8600C，反應室壓力為400mbar，生長30s_60s，得到GaN皇層；以TEGa為鎵源、TMIn為銦源、NH3為氮源、N2為載氣，生長溫度為720°C?780°C，反應室壓力為400mbar，生長 30s_60s，得到 InGaN 講層；
[0024]所述步驟S4中，所述P型GaN層的生長方法為:以TEGa作為鎵源、NH3作為氮源、H2作為載氣，生長溫度為800 0C?860 0C，反應室壓力為400mbar，生長30_60s。
[0025]本發明的上述技術方案相比現有技術具有以下優點:
[0026]1、本發明實施例所述的一種三維LED外延結構，包括襯底以及層疊設置在所述襯底上的多孔SiNx層;還包括形成在所述SiNx層孔隙中的η型GaN納米棒陣列，依次層疊包覆在所述GaN納米棒陣列每個表面上的多量子阱層和P型GaN層。所述GaN納米棒陣列與包覆其每個表面的多量子阱層、P型GaN層構成三維核殼結構，比表面積大，相比薄膜材料，在相同的電流密度下可以產生更多的光子數，提高了所述LED外延結構的內量子效率。同時，所述GaN納米棒的生長無需圖形化的襯底，工藝成本低。
[0027]2、本發明實施例所述的一種三維LED外延結構，所述GaN納米棒陣列及其核一殼結構具有納米尺寸的(0001)極性面和/或(1-101)半極性面和/或(1-100)非極性面，可以有效遏制斯塔克效應，減小極化電場，提升電子-空穴復合幾率，提高LED外延結構的內量子效率。
[0028]3、本發明實施例所述的一種三維LED外延結構，所述多孔SiNx層不但能夠作為所述GaN納米棒陣列的生長模板，還能夠有效降低該結構的位錯密度及位錯的繼續生長，從而減少有源區的非輻射復合中心，提高LED外延結構的內量子效率。
[0029]4、本發明實施例所述的一種三維LED外延結構，所述GaN納米棒陣列良好的周期性結構還可以進一步增強LED外延結構的光提取效率。
[0030]5、本發明實施例所述的一種三維LED外延結構，所述InGaN/GaN多量子阱層作為發光的有源區，具有(0001)極性面，(1-101)半極性面和(1-100)非極性面，這些不同的面具有不同的In含量及阱厚，能夠直接實現全彩色發光。
[0031 ] 6、本發明實施例所述的三維LED外延結構的制備方法，包括如下步驟:S1、在襯底上形成多孔SiNx層;S2、在所述SiNx層孔洞中形成η型GaN納米棒陣列；S3、在所述GaN納米棒陣列每個表面上形成多量子阱層；S4、在所述多量子阱層上形成P型GaN層。所述三維LED外延結構的制備方法簡單易實施，不但工藝成本低，而且能夠有效保證產品良率。
【附圖說明】
[0032]為了使本發明的內容更容易被清楚的理解，下面根據本發明的具體實施例并結合附圖，對本發明作進一步詳細的說明，其中
[0033]圖1是本發明實施例所述的LED外延結構結構示意圖；
[0034]圖中附圖標記表示為:1-襯底、2-Α1Ν層、3_SiNx層、4_GaN納米棒陣列、5_多量子阱層、6-P型GaN層。
【具體實施方式】
[0035]為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明的實施方式作進一步地詳細描述。
[0036]本發明可以以許多不同的形式實施，而不應該被理解為限于在此闡述的實施例。相反，提供這些實施例，使得本公開將是徹底和完整的，并且將把本發明的構思充分傳達給本領域技術人員，本發明將僅由權利要求來限定。在附圖中，為了清晰起見，會夸大層和區域的尺寸和相對尺寸。應當理解的是，當元件例如層、區域或基板被稱作“形成在”或“設置在”另一元件“上”時，該元件可以直接設置在所述另一元件上，或者也可以存在中間元件。相反，當元件被稱作“直接形成在”或“直接設置在”另一元件上時，不存在中間元件。
[0037]實施例
[0038]本實施例提供一種三維LED外延結構，如圖1所示，包括襯底I以及層疊設置在襯底I上的多孔SiNx層3 ；還包括形成在SiNx層孔隙中的η型GaN納米棒陣列4，依次層疊包覆在GaN納米棒陣列4每個表面上的多量子阱層5和P型GaN層6。
[0039]GaN納米棒陣列4與其每個外表面上的多量子阱層5、Ρ型GaN層6構成的三維核一殼結構，比表面積大。相比薄膜材料，在相同的電流密度下可以產生更多的光子數，提高了 LED外延結構的內量子效率。
[0040]多孔SiNx層3不但能夠作為GaN納米棒陣列4的生長模板，還能夠有效降低該結構的位錯密度及位錯的繼續生長，從而減少有源區的非輻射復合中心，提高LED外延結構的內量子效率。
[0041]GaN納米棒陣列4良好的周期性結構還可以進一步增強LED外延結構的光提取效率。
[0042]作為本發明的一個實施例，本實施例中，LED外延結構還包括直接形成在襯底I上的AlN層2，厚度為2nm; AlN層2熔點高、表面活性低，作為緩沖層能夠有效提高形成在其上的SiNx層3的膜層質量。作為本發明的可變換實施例，A1N層2厚度還可以為Onm?5nm，均可以實現本發明的目的，屬于本發明的保護范圍。
[0043]作為本發明的一個實施例，本實施例中，SiNJl3為非晶態SiNx層，厚度為1nmjL徑為I OOnm。作為本發明的可變換實施例，SiNx層3厚度還可以為5nm?15nm，孔徑還可以為50nm?300nm，均可以實現本發明的目的，屬于本發明的保護范圍。
[0044]作為本發明的一個實施例，本實施例中，GaN納米棒陣列4為Si摻雜的GaN納米棒陣列，高度為2.5μπι，直徑為lOOnm。作為本發明的可變換實施例，GaN納米棒陣列4高度還可以為2μπι?3μπι，直徑還可以為50nm?300nm，均可以實現本發明的目的，屬于本發明的保護范圍。
[0045]作為本發明的一個實施例，本實施例中，多量子阱層5為InGaN/GaN多量子阱層，InGaN阱層厚度為4nm，GaN皇層厚度為12nm，周期為8;作為本發明的可變換實施例，多量子講層5中，InGaN講層厚度還可以為2nm?5nm，GaN皇層厚度還可以為1nm?15nm，周期為5?10均可以實現本發明的目的，屬于本發明的保護范圍。
[0046]作為本發明的一個實施例，本實施例中，GaN納米棒陣列4具有納米尺寸的(0001)極性面、(1-101)半極性面、(1-100)非極性面;多量子阱層5具有納米尺寸的(0001)極性面和/或(1-101)半極性面和/或(1-100)非極性面。GaN納米棒陣列4包覆每個外表面上的多量子阱層5、P型GaN層6構成的三維核一殼結構具有納米尺寸的(0001)極性面和/或(1-101)半極性面和/或(1-100)非極性面，可以有效遏制斯塔克效應，減小極化電場，提升電子-空穴復合幾率，提高LED外延結構的內量子效率。
[0047]InGaN/GaN多量子阱層5作為發光的有源區，具有(0001)極性面，(1-101)半極性面和(1-100)非極性面，這些不同的面具有不同的In含量及阱厚，能夠直接實現全彩色發光。
[0048]作為本發明的一個實施例，本實施例中，P型GaN層6為Mg摻雜的P型GaN層，厚度為60nm;作為本發明的可變換實施例，厚度還可以為30nm?lOOnm，均可以實現本發明的目的，屬于本發明的保護范圍。
[0049]三維LED外延結構的制備方法，包括如下步驟:
[0050]S1、在襯底I上形成層疊設置的AlN層2、多孔SiNx層3。
[0051 ]襯底I選用商用藍寶石襯底，以NH3為氮源、H2為載氣，在溫度為1050°C、壓力為I OOmbar條件下氮化90s，在襯底I上形成AlN層2。
[0052]以SiH4為硅源、冊4為氮源、H2為載氣，生長溫度為980°C?1040°C，壓力為133mbar生長10s?200s;關閉硅源，在順4氛圍下退火400s?600s，得到多孔SiNx層3。作為本發明的一個實施例，本實施例中，生長溫度為1000 0C、生長時間為150s，退火時間為500s。
[0053]S2、在SiNx層3孔洞中形成η型GaN納米棒陣列4;
[0054]具體為:以TMGa為鎵源、SiH4為硅源、NH3為氮源、H2為載氣，生長溫度為1020°C?1070°C，壓力為6OOmbar，V/ΙΠ比為 10?2OO，生長3600s-4800s。
[0055]作為本發明的一個實施例，本實施例中，生長溫度為1000°C、生長時間為4000s。
[0056]S3、在GaN納米棒陣列4的各個外表面上形成多量子阱層5;
[0057]具體為:以TEGa作為鎵源，NH3作為氮源，N2作為載氣，生長溫度為800°C?860°C，反應室壓力為400mbar，生長30s_60s，得到GaN皇層;作為本發明的一個實施例，本實施例中，生長溫度為830 °C、生長時間為50s。
[0058]以TEGa為鎵源、TMIn為銦源、NH3為氮源、N2為載氣，生長溫度為720 V?780 V，反應室壓力為400mbar，生長30s_60s，得到InGaN阱層;作為本發明的一個實施例，本實施例中，生長溫度為750 °C、生長時間為50s。
[0059]S4、在多量子阱層5上形成P型GaN層6。
[0060]具體為:以TEGa作為鎵源、NH3作為氮源、H2作為載氣，生長溫度為800°C?860°C，反應室壓力為400mbar，生長30s-60s;作為本發明的一個實施例，本實施例中，生長溫度為830°C、生長時間為50s。
[0061 ]三維LED外延結構的制備方法簡單易實施，不但工藝成本低，而且能夠有效保證產品良率。
[0062]顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之中。
【主權項】
1.一種三維LED外延結構，其特征在于:包括襯底以及層疊設置在所述襯底上的多孔SiNx層;還包括形成在所述SiNx層孔隙中的η型GaN納米棒陣列，依次層疊包覆在所述GaN納米棒陣列外壁上的多量子阱層和P型GaN層。2.根據權利要求1所述的三維LED外延結構，其特征在于:所述SiNx層為非晶態SiNx層，厚度為5nm?15nm，孔徑為50nm?300nmo3.根據權利要求1或2所述的三維LED外延結構，其特征在于:所述GaN納米棒陣列為Si摻雜的GaN納米棒陣列，高度為2μηι?3μηι，直徑為50nm?300nmo4.根據權利要求1-3任一項所述的三維LED外延結構，其特征在于:所述GaN納米棒陣列具有納米尺寸的(OOOl)極性面和/或(1-101)半極性面和/或(1-100)非極性面。5.根據權利要求1-4任一項所述的三維LED外延結構，其特征在于:所述多量子阱層為InGaN/GaN多量子講層，InGaN講層厚度為2nm?5nm，GaN皇層厚度為1nm?15nm，周期為5?10。6.根據權利要求1-5任一項所述的三維LED外延結構，其特征在于:所述多量子阱層具有納米尺寸的(0001)極性面和/或(1-101)半極性面和/或(1-100)非極性面。7.根據權利要求1-6任一項所述的三維LED外延結構，其特征在于:還包括直接形成在所述襯底上的AlN層，厚度為Onm?5nm;所述P型GaN層為Mg摻雜的P型GaN層，厚度為30nm?10nm08.—種權利要求1-7任一項所述的三維LED外延結構的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 51、在襯底上形成多孔SiNx層； 52、在所述SiNx層孔洞中形成η型GaN納米棒陣列； 53、在所述GaN納米棒陣列每個表面上形成多量子阱層； 54、在所述多量子阱層上形成P型GaN層。9.根據權利要求8所述的三維LED外延結構的制備方法，其特征在于，所述步驟SI之前還包括在所述襯底上形成AlN層的步驟。10.根據權利要求8或9所述的三維LED外延結構的制備方法，其特征在于，所述步驟SI中，所述SiNx層的生長方法為:硅源為SiH4、氮源為ΝΗ4、載氣為H2,生長溫度為980°C?1040°C，壓力為133mbar生長10s?200s;關閉娃源，在順4氛圍下退火400s?600s ； 所述步驟S2中，所述GaN納米棒陣列的生長方法為:以TMGa為鎵源、SiH4為硅源、NH3為氮源、H2為載氣，生長溫度為1020°C?1070°C，壓力為600mbar，V/m比為10?200，生長3600s_4800s； 所述步驟S3中，所述多量子阱層的生長方法為:以TEGa作為鎵源，NH3作為氮源，N2作為載氣，生長溫度為8000C?8600C，反應室壓力為400mbar，生長30s_60s，得到GaN皇層；以TEGa為鎵源、TMIn為銦源、NH3為氮源、N2為載氣，生長溫度為720°C?780°C，反應室壓力為400mbar，生長 30s_60s，得到 InGaN 講層； 所述步驟S4中，所述P型GaN層的生長方法為:以TEGa作為鎵源、NH3作為氮源、H2作為載氣，生長溫度為800 0C?860 0C，反應室壓力為400mbar，生長30s_60s。
【文檔編號】B82Y30/00GK105932121SQ201610294442
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月5日
【發明人】賈偉, 趙晨, 許并社, 李天保, 余春燕, 樊騰, 仝廣運
【申請人】太原理工大學