垂直金字塔结构LED及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种垂直金字塔结构LED及其制备方法，属于半导体技术领域。该垂直金字塔结构LED包括：衬底和外延层，所述外延层位于所述衬底之上，其中，外延层包括介质层和金字塔结构，所述介质层沉积在衬底上，具有开设至衬底的周期性孔洞结构的图形化掩膜；所述金字塔结构为填满所述孔洞结构并继续生长形成金字塔式结构。本发明专利技术直接在新型衬底上开孔选区外延生长GaN基垂直金字塔LED，不需要生长氮化物薄膜层、不需要衬底剥离、发光层转移、二次键和的简单垂直金字塔结构技术路线，将大幅提高生产效率，降低生产成本。

【技术实现步骤摘要】
垂直金字塔结构LED及其制备方法
本专利技术属于半导体
，特别涉及一种垂直金字塔结构LED及其制备方法。
技术介绍
近年来，GaN基发光二极管(LED)为代表的固态照明技术由于具有体积小、冷光源、响应时间短、发光效率高、节能、使用寿命长等优势，取得了长足的发展。由于GaN同质衬底难以获得，基于异质外延GaN的不同衬底，主要发展起来比较成熟的SiC和蓝宝石两条技术路线。其中SiC衬底虽然与GaN晶格失配较小，并且具有一定的导电性，但由于其具有一定的吸光性，且单晶价格昂贵，不适合大批量生产和应用。蓝宝石衬底价格便宜，是目前主流的技术路线，但同时，由于蓝宝石和GaN晶格失配、热失配较大，在其上外延出的GaN/InGaN薄膜往往具有较大的应力和缺陷，并且由于蓝宝石衬底不导电，且导热性差，电流的横向扩展会在器件内集聚大量的热，严重降低了器件的效率和寿命，通常，可以通过选区外延生长GaN金字塔的方法，解决GaN薄膜的缺陷和应力的问题，但需要在蓝宝石衬底上先生长GaN薄膜过渡层再对其进行图形化处理。
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，提供一种垂直金字塔结构LED及其制备方法，以较低的成本和工艺难度，制备出大电流注入密度，高发光效率的高亮垂直金字塔结构LED。(二)技术方案根据本专利技术的一方面，提供一种垂直金字塔结构LED，包括：衬底和外延层，所述外延层位于所述衬底之上，其中，外延层包括介质层和金字塔结构，所述介质层沉积在衬底上，具有开设至衬底的周期性孔洞结构的图形化掩膜；所述金字塔结构为填满所述孔洞结构并继续生长形成的金字塔式结构。在进一步的实施方案中，所述的衬底为与GaN晶格失配度在1％～15％的宽禁带β-Ga2O3衬底。在进一步的实施方案中，所述的介质层的材料为SiO2或SiNX，x的值介于0至5之间，其厚度为20nm～200nm。在进一步的实施方案中，所述的介质层的孔洞结构图形为正六边形；所述的金字塔结构的侧面均为(1-100)面，顶面为(0001)面的n型GaN六角金字塔结构。在进一步的实施方案中，所述的n型GaN六角金字塔结构的高度为2μm～10μm，所述金字塔结构掺杂元素Si，掺杂浓度为1018cm-3～1020cm-3。在进一步的实施方案中，所述的垂直金字塔结构LED中的外延层还包括：多量子阱发光层，生长在金字塔结构的侧面上；p型AlGaN电子阻挡层，生长在多量子阱发光层上；p型GaN层，生长在p型AlGaN电子阻挡层上；透明导电层，制备在p型GaN层上。在进一步的实施方案中，所述的多量子阱发光层的材料为：InXGaN/GaN，其中X的值为12～18，InGaN层厚度为2～3nm；GaN层厚度为10～12nm。在进一步的实施方案中，所述的p型GaN层采用掺杂Mg元素获得，掺杂浓度为1017cm-3～1018cm-3。在进一步的实施方案中，所述的透明导电层为ITO。在进一步的实施方案中，所述的一种垂直金字塔结构LED，还包括p/n电极，分别制备在透明导电层之上和衬底底面。根据本专利技术的另一方面，提供一种垂直金字塔结构LED制备方法，包括：在衬底上沉积介质层；把介质层制备成具有周期性孔洞结构的图形化掩膜；在图形化掩膜的基础上，填满所述孔洞结构并继续生长形成金字塔式结构。在进一步的实施方案中，所述的垂直金字塔结构LED制备方法还包括：在金字塔结构上生长多量子阱发光层；在多量子阱发光层上生长p型AlGaN电子阻挡层和p型GaN层；在p型GaN层上蒸镀透明导电层；在透明导电层和衬底底面分别制备p/n电极。在进一步的实施方案中，所述垂直金字塔结构LED制备方法在衬底上沉积介质层之前，还包括：用硫酸、双氧水按照3:1的体积比配好的溶液清洁衬底表面。在进一步的实施方案中，所述的图形化的方法为光刻、胶体光刻、电子束曝光、纳米压印。在进一步的实施方案中，所述的外延生长金字塔结构为将带有掩膜的图形化衬底放入MOCVD反应室，先将温度控制在480℃～550℃，在N2氛围下生长GaN或AlN成核层，再升温到900℃～1200℃，在H2氛围下生长GaN形成金字塔结构。在进一步的实施方案中，所述的金字塔结构、多量子阱发光层和p型GaN层采均用金属有机化学气相沉积方法进行外延生长。(三)有益效果本专利技术采用工业上可以量化生产的MOCVD法，不需要先在衬底上生长平面氮化物薄膜再通过图形化氮化物薄膜实现GaN金字塔的选区外延，直接在衬底上开孔选区外延生长GaN基垂直金字塔LED，提供了一种不需要生长氮化物薄膜层、不需要衬底剥离、发光层转移、二次键合的简单垂直金字塔结构技术路线，将大幅提高生产效率，降低生产成本。附图说明图1是本专利技术实施例提供的垂直金字塔LED结构示意图。图2是本专利技术实施例提供的实施例制备方法流程图。具体实施方式根据本专利技术的基本构思，提供一种垂直金字塔结构LED，包括：衬底和外延层，所述外延层位于所述衬底)之上，其中，所述外延层包括介质层和金字塔结构，所述介质层沉积在衬底上，具有开设至衬底的周期性孔洞结构的图形化掩膜；所述金字塔结构为填满所述孔洞结构并继续生长形成金字塔式的结构。通过直接在衬底上开孔选区外延生长GaN基垂直金字塔LED，提供了一种不需要生长氮化物薄膜层、不需要衬底剥离、发光层转移、二次键合的简单垂直金字塔结构技术路线。基于同一构思，本专利技术实施例还提供一种垂直金字塔结构LED制备方法，包括：在衬底上沉积介质层；把介质层制备成具有周期性孔洞结构的图形化掩膜；在图形化掩膜的基础上，填满所述孔洞结构并继续生长形成金字塔式结构。为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。在此说明所附附图简化过且做为例示用。附图中所示的组件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且组件的配置可能更为复杂。本专利技术中也可进行其他方面的实践或应用，且不偏离本专利技术所定义的精神及范畴的条件下，可进行各种变化以及调整。根据本专利技术的一个实施例，提供一种垂直金字塔结构LED，如图1所示其包括：衬底1、外延层和p/n电极，其中，衬底1，为透明、导电、与GaN晶格失配度在1％～15％的宽禁带β-Ga2O3，在MOCVD外延生长氮化物薄膜过程中提供了衬底支撑，为外延高质量GaN金字塔提供必要条件。β-Ga2O3,是一种新型氮化物衬底材料，与GaN的晶格失配仅为5％，因此可通过直接对其图形化实现选区外延GaN金字塔的生长，同时，作为透明导电氧化物，β-Ga2O3在可见光波段透过率>80％，并且β-Ga2O3为n型半导体，具有一定的导电性能，可通过掺杂改变其导电性，目前通过Sn、Si等元素掺杂，载流子浓度可达2×1018cm-3-9×1018cm-3。外延层可包括介质层2、金字塔结构3、多量子阱发光层4、p型AlGaN电子阻挡层5、p型GaN层6和透明导电层。介质层2，沉积在衬底1上，采用常规光刻、胶体光刻、电子束曝光、纳米压印或干法刻蚀等方法将其制备成具有周期性孔洞结构的图形化掩膜，其为GaN金字塔的选区外延生长提供了必要条件。优选的，介质层2的材料为SiO2或SiNX，其厚度为20nm～200nm，其中SiN为多晶，对X范围没有限制，优选的为介于0至5之间。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种垂直金字塔结构LED，其特征在于，包括：衬底(1)和外延层，所述外延层位于所述衬底(1)之上，其中，所述外延层包括介质层(2)和金字塔结构(3)，所述介质层沉积在衬底(1)上，具有开设至衬底的周期性孔洞结构的图形化掩膜；所述金字塔结构(3)为填满所述孔洞结构并继续生长形成金字塔式的结构。

【技术特征摘要】
1.一种垂直金字塔结构LED，其特征在于，包括：衬底(1)和外延层，所述外延层位于所述衬底(1)之上，其中，所述外延层包括介质层(2)和金字塔结构(3)，所述介质层沉积在衬底(1)上，具有开设至衬底的周期性孔洞结构的图形化掩膜；所述金字塔结构(3)为填满所述孔洞结构并继续生长形成金字塔式的结构。2.根据权利要求1所述的一种垂直金字塔结构LED，其特征在于，所述衬底(1)为与GaN晶格失配度在1％～15％的宽禁带β-Ga2O3衬底。3.根据权利要求1所述的垂直金字塔结构LED，其特征在于，所述介质层(2)的材料为SiO2或SiNX，其中，x的值介于0至5之间，介质层(2)的厚度为20nm～200nm。4.根据权利要求1所述的垂直金字塔结构LED，其特征在于，所述介质层(2)的孔洞结构俯视图形为正六边形；所述金字塔结构(3)是侧面均为(1-100)面，顶面为(0001)面的n型GaN六角金字塔结构。5.根据权利要求4所述的垂直金字塔结构LED，其特征在于，所述n型GaN六角金字塔结构的高度为2μm～10μm，所述金字塔结构(3)掺杂元素Si，掺杂浓度为1018cm-3～1020cm-3。6.根据权利要求1所述的垂直金字塔结构LED，其特征在于，所述外延层还包括：多量子阱发光层(4)，生长在金字塔结构(3)的侧面上；p型AlGaN电子阻挡层(5)，生长在多量子阱发光层(4)上；p型GaN层(6)，生长在p型AlGaN电子阻挡层(5)上；透明导电层，制备在p型GaN层(6)上。7.根据权利要求6所述的垂直金字塔结构LED，其特征在于，所述多量子阱发光层(4)的材料为：InXGaN/GaN，其中X的值介于12至18之间，InGaN层厚度为2～3nm；GaN层厚度为10～12nm。8.根据权利要求6所述的垂直金字塔结构LED，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军喜，张翔，魏同波，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