非平面硅衬底LED器件及其制作方法技术

一种非平面硅衬底LED器件及其制作方法，其中，所述方法包括：处理硅衬底，得到包含有斜侧面的非平面硅衬底；在斜侧面上生长第一外延层；在下平面上依次生长N电极和隔离层；在第一外延层上生长第二外延层；在N电极和隔离层上生长P电极；所述器件包括：基底和倒坑阵列结构，所述基底为非平面硅衬底，包含下平面和斜侧面，所述倒坑阵列结构包括：斜侧面上生长的自内而外的第一外延层和第二外延层；所述下平面上依次叠置的N电极、隔离层和P电极。本发明专利技术利用非平面硅衬底制作LED器件，具有工艺成熟、低成本、大尺寸和和实现高质量氮化物外延等诸多优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体器件领域，特别涉及一种非平面硅衬底LED器件及其制作方法。
技术介绍
近年来，以III族氮化物为代表的第三代半导体材料及其光电功能器件已经在节能环保等重要领域显示出越来越重要的先导作用，是支撑下一代战略性新兴产业发展的关键和基础。GaN基III-V族化合物半导体材料(GaN、AlN、InN及由它们组成的三元或四元合金)都具有直接带隙，室温下可实现禁带宽度在0.7-6.2eV范围连续可调，覆盖了整个可见光波段和部分红外及紫外波段，是制作发光二极管等光电器件的理想材料。由于照明消耗的电能约占整个电力消耗的20％，因此大大降低照明用电是节省能源的重要途径。发光二极管用于半导体照明领域的优势主要体现在以下几方面：第一是光电转化效率高，使用寿命长，既可以有选择性的发出单色光，也可以高效的发出白光，所以可以大大节约电能；其次相对于传统光源，发光二极管也被称为冷光源，发热量低，能精确发光角度，不含汞、纳元素等可能危害健康的物质。据预测，如果用半导体照明取代目前的各种类型的普通照明光源，全世界照明用电每年可节省电能50％。由于很难得到大尺寸的GaN体单晶材料，到目前为止，高质量GaN材料一般都通过异质衬底外延方法获得。高质量的外延薄膜一般需衬底满足晶格常数匹配、热膨胀系数匹配、可大尺寸和价格适宜等原则。迄今为止，还没有一种异质衬底能同时满足上述所有条件。衬底作为III族氮化物光电器件的核心技术，是产业发展的基石，衬底材料的选用直接决定了芯片的制造路线。目前已经商品化的LED按照衬底划分有三条技术路线，即蓝宝石衬底技术路线、SiC衬底技术路线和硅衬底技术路线。前两条技术路线相对领先，第三条技术路线与前两条相比，水平差距在不断缩小。目前尚难确定哪条路线是终极半导体照明技术路线。但有一共同特点，那就是性能最好的功率型LED器件，均走到“衬底剥离/外延层转移/垂直结构”LED芯片技术路线上来。蓝宝石是绝缘体，垂直结构制备使器件制作工艺的复杂程度及制造成本都大大增加；同时蓝宝石热导率很低，因此基于蓝宝石衬底的大功率LED器件的散热一直是限制LED发展的重要技术瓶颈。SiC热导率和电导率都很好，因此散热好且易于制作垂直器件。但是SiC衬底价格昂贵，极大的制约了其未来的规模应用。硅衬底技术路线由于具有工艺成熟、低成本和大尺寸等诸多优点，有些国际专家甚至断言，硅衬底LED技术路线就是未来半导体照明芯片生产的终极技术路线。首先，硅上制备氮化物发光二极管，成本至少可以较蓝宝石衬底减少60％；同时，硅良好的导电、导热性能以及成熟的湿法腐蚀工艺，非常容易实现无损伤剥离转移，特别适合将LED制成散热良好的垂直结构器件，有利于降低生产成本；其次，硅衬底上生长GaN薄膜有望实现宽禁带半导体光电子器件和硅基微电子的集成，这也是未来信息技术发展的大趋势。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的目的在于提供一种非平面硅衬底LED器件及其制作方法，以解决上述的至少一项技术问题。(二)技术方案根据本专利技术的一方面，提供了一种非平面硅衬底LED器件的制作方法，包括以下步骤：步骤1：处理硅衬底，得到包含有斜侧面的非平面硅衬底；步骤2：在非平面硅衬底的斜侧面上生长第一外延层；步骤3：在非平面硅衬底的下平面上依次生长N电极和隔离层；步骤4：在第一外延层上生长第二外延层；步骤5：在N电极和隔离层上生长P电极。优选地，所述步骤1中，通过湿法腐蚀硅衬底得到非平面硅衬底。优选地，所述非平面硅衬底的下平面为(100)面，斜侧面为(111)面。优选地，步骤3中，使所述隔离层将N电极和P电极隔离；步骤4中，使所述第一外延层与N电极相连，所述第二外延层与P电极相连，。优选地，第一外延层和第二外延层利用金属氧化物化学气相外延方法生长而成。根据本专利技术的另一方面，还提供了一种非平面硅衬底LED器件，包括：基底和倒坑阵列结构，其中，所述基底为非平面硅衬底，包含下平面和斜侧面；所述倒坑阵列结构包括：斜侧面上生长的自内而外的第一外延层和第二外延层；所述下平面上依次叠置的N电极、隔离层和P电极；所述倒坑阵列结构周期性排列在基底上方，周期为10-100μm。优选地，所述倒坑阵列结构，坑宽为10-100μm，坑长为50-200μm，坑深为10-50μm。优选地，所述下平面为硅(100)，斜侧面为硅(111)。优选地，所述第一外延层包括AlN缓冲层和n型GaN层，所述AlN缓冲层厚度为10-50nm；所述n型GaN层，掺杂剂为硅，厚度为2-5μm；所述第二外延层包括InGaN多量子阱结构发光层，p型AlGaN夹层和p型GaN层；所述InGaN多量子阱结构发光层为InGaN与GaN的交替结构量子阱对数为3-15对，InGaN的厚度为1-5nm，GaN的厚度为3-15nm；所述p型AlGaN夹层和p型GaN层的掺杂剂为Mg；所述p型AlGaN夹层的厚度为2-6nm，p型GaN层的50-200nm。优选地，所述N电极为Cr/Al/Ti/Au合金，厚度分别为700/17000/500/所述隔离层材料为SiO2，厚度为1-3μm；所述P电极材料为ITO，厚度为2000-所述N电极与第一外延层相连，所述P电极与第二外延层相连，N电极和P电极被隔离层隔离。(三)有益效果本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：1、硅衬底技术路线与蓝宝石、SiC衬底相比，具有工艺成熟、低成本和大尺寸等诸多优点；2、相比于平面硅(111)衬底，倒坑结构的非平面硅(111)衬底可以显著降低外延层内应力并实现大尺寸(4-8寸)硅衬底高质量氮化物外延；3、硅(100)衬底为目前集成电路的主流衬底，在LED制造方面采用硅(100)衬底替代传统硅(111)衬底，可实现未来LED制造与成熟的微电子集成电路制造工艺项结合，大幅降低LED的制造成本；4、硅(100)衬底可实现倒坑结构尺度大范围可调，10微米以下尺度倒坑结构外延氮化物可实现外延层快速合并及非极性/半极性氮化物材料生长及高效光电器件，而百微米量级倒坑结构上外延氮化物则在3D发光器件方面有性能优势，通过腐蚀不同形状(长条形或方块形)的倒坑结构大尺度芯片，可制备出大功率四面体发光器件芯片。附图说明图1为本专利技术实施例的非平面硅衬底LED器件的制作流程图；图2为图1的非平面硅衬底LED器件结构的截面图；图3为图1的非平面硅衬底LED器件结构的俯视图。具体实施方式目前已经商品化的LED按照衬底划分有三条技术路线，即蓝宝石衬底技术路线、SiC衬底技术路线和硅衬底技术路线。蓝宝石是绝缘体，垂直结构制备使器件制作工艺的复杂程度及制造成本都大大增加；同时蓝宝石热导率很低，因此基于蓝宝石衬底的大功率LED器件的散热一直是限制LED发展的重要技术瓶颈。SiC热导率和电导率都很好，因此散热好且易于制作垂直器件。但是SiC衬底价格昂贵，极大的制约了其未来的规模应用。为了解决以上问题，本专利技术实施例提供了一种非平面硅衬底LED器件的制作方法，包括以下步骤：步骤1：处理硅衬底，得到包含有斜侧面的非平面硅衬底；对于步骤1，具体的可以为：湿法腐蚀硅衬底得到非平面硅衬底，所述非平面硅衬底的斜侧面为(111)面，下平面为(100)面。步骤2：在非平面硅衬底的斜侧面上生长第一外延层；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非平面硅衬底LED器件的制作方法，包括以下步骤：步骤1：处理硅衬底，得到包含有斜侧面的非平面硅衬底；步骤2：在非平面硅衬底的斜侧面上生长第一外延层；步骤3：在非平面硅衬底的下平面上依次生长N电极和隔离层；步骤4：在第一外延层上生长第二外延层；步骤5：在N电极和隔离层上生长P电极。

【技术特征摘要】
1.一种非平面硅衬底LED器件的制作方法，包括以下步骤：步骤1：处理硅衬底，得到包含有斜侧面的非平面硅衬底；步骤2：在非平面硅衬底的斜侧面上生长第一外延层；步骤3：在非平面硅衬底的下平面上依次生长N电极和隔离层；步骤4：在第一外延层上生长第二外延层；步骤5：在N电极和隔离层上生长P电极。2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤1中，通过湿法腐蚀硅衬底得到非平面硅衬底。3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述非平面硅衬底的下平面为(100)面，斜侧面为(111)面。4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤3中，使所述隔离层将N电极和P电极隔离；步骤4中，使所述第一外延层与N电极相连，所述第二外延层与P电极相连。5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，第一外延层和第二外延层利用金属氧化物化学气相外延方法生长而成。6.一种非平面硅衬底LED器件，其特征在于，包括：基底和倒坑阵列结构，其中，所述基底为非平面硅衬底，包含下平面和斜侧面；所述倒坑阵列结构包括：斜侧面上生长的自内而外的第一外延层和第二外延层；所述下平面上依次叠置的N电极、隔离层和P电极；所述倒坑阵列结构周期性排列在基底上方，周期为10-100μm。7.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁国栋，张璐，王琦，王克超，刘志强，王军喜，李晋闽，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11