一種半極性led外延結構及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體光電器件領域，尤其涉及一種半極性LED外延結構及其制備方法。
【背景技術】
[0002]LED是一種半導體固體發光器件，其利用半導體PN結作為發光材料，可以直接將電轉換為光。目前，極性GaN基LED技術產業化已經20余年，發展至今其性能取得了極大的改善;但是也逐漸顯現出了極性LED的性能瓶頸，光電轉換效率達到60%之后很難再有大幅的繼續提升。目前，普遍認為極性LED器件有難以克服的極化效應，從而影響著LED的發光效率。關于半極性和非極性材料和器件的研究和文獻報道近些年非常多，主要存在的問題是在半極性面或者非極性面上生長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的方式:一是通過非極性和半極性的藍寶石獲得半極性或者非常GaN薄膜;二是通過切割同質襯底的半極性和非極性面同質外延出相應的器件。第一種技術路線較難獲得比較好的材料質量;第二種技術路線雖能獲得較高的材料質量，但是成本很高。此外，還有一種工藝相對復雜的技術是通過選區外延來實現半極性面或者非極性面的生長，然后在這些原位生長出來的半極性面上生長制備半極性或者非極性器件;工藝相對復雜，往往需要一些輔助材料和二次外延生長工藝設計。由此來看，半極性和非極性LED路線的主要障礙就在于如何獲得高質量材料。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于:提供一種C面藍寶石襯底原位生長制備半極性LED外延結構及其制備方法，利用藍寶石平面或者圖形襯底在外延生長過程中可以控制半導體底層結構表面形成納米V型坑，進而在V型坑的半極性側面制備半導體功能層，最終獲得半極性LED外延結構。
[0005]本發明的第一方面，提供一種半極性LED外延結構，該外延結構從下至上依次包括:藍寶石襯底、半導體底層結構以及半導體功能層，其特征在于:所述半導體底層結構表面具有納米V型坑，V型坑的側面為半極性面，對應(1-101)晶面族。
[0006]優選地，所述藍寶石襯底為納米圖形化藍寶石襯底或者平片藍寶石襯底。
[0007]優選地，所述藍寶石襯底為納米圖形化藍寶石襯底，所述納米V型坑的線徑尺寸為100?100nm0
[0008]優選地，所述藍寶石襯底為平片藍寶石襯底，所述納米V型坑的線徑尺寸符合正態分布，正態分布的峰值尺寸對應于550 ± 1nm。
[0009]優選地，所述半導體底層結構包括緩沖層或UGaN層或nGaN層或前述任意組合。
[0010]優選地，所述半導體功能層材料包括GaN系半導體材料。
[0011]優選地，所述半導體功能層包括第一半導體功能層和第二半導體功能層，其中第一半導體功能層表面具有納米V型坑。
[0012]本發明的第二方面，還提供一種半極性LED外延結構的制作方法，包括以下工藝步驟:
(1)提供一藍寶石襯底；
(2)在所述藍寶石襯底上生長半導體底層結構，使得其表面形成納米V型坑，V型坑的側面為半極性面，對應(1-1 OI)晶面族；
(3)在所述半導體底層結構上生長半導體功能層。
[0013]優選地，所述藍寶石襯底為納米圖形化藍寶石襯底或者平片藍寶石襯底。
[0014]優選地，所述V型坑的密度通過納米圖形化藍寶石襯底的圖形密度來調節。
[0015]優選地，所述藍寶石襯底為納米圖形化藍寶石襯底，所述納米V型坑的線徑尺寸為100?100nm0
[0016]優選地，所述藍寶石襯底為平片藍寶石襯底，所述納米V型坑的線徑尺寸符合正態分布，正態分布的峰值尺寸對應于550 ± 1nm。
[0017]優選地，所述半導體底層結構包括緩沖層或UGaN層或nGaN層或前述任意組合。
[0018]優選地，所述步驟(2)通過控制生長溫度比較低(1100°C以內)，生長速率比較快(3Mi/h以上)，使得半導體底層結構表面形成納米V型坑。
[0019]優選地，所述半導體功能層材料包括GaN系半導體材料。
[0020]優選地，所述半導體功能層包括第一半導體功能層和第二半導體功能層，其中第一半導體功能層表面具有納米V型坑。
[0021]優選地，所述第一半導體功能層的納米V型坑是通過在半極性面上生長速率加快至常規極性面的5?10倍或者延長生長時間至常規極性面的5?10倍獲得。
[0022]相對于現有技術，常規的極性面(001)面的LED外延結構的導帶和價帶由于極化電場的存在而彎曲，導致導帶底和價帶頂倒空間不在同一個位置，類似變成間接帶隙半導體發光(AlInGaN體系材料為直接帶隙發光材料)，輻射復合發光效率降低，非輻射復合概率增加，本發明至少包括以下技術效果:
(1)不需要選區外延，不需要二次外延，簡化制作工藝流程；
(2)半極性面為(1-101)晶面族，平滑的導帶底和價帶頂在倒空間交疊面積很大，輻射復合效率大大增加；
(3)通過材料生長工藝調節實現半極性面的裸露，而不受制于襯底幾何形狀，實現制備半極性面材料，可操作性強，成本低廉；
(4)在具有納米V型坑的半導體底層結構表面形成半導體功能層，如此獲得的外延結構可以與現有的芯片制程相融合，便于制作LED芯片等半導體發光器件。
【附圖說明】
[0023]附圖用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發明實施例一起用于解釋本發明，并不構成對本發明的限制。此外，附圖數據是描述概要，不是按比例繪制。
[0024]圖中標示:11，21，31，41:藍寶石襯底；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:半導體功能層；17，27，37，47: V型坑的側面(對應(1-101)晶面族)；261:461:第一半導體功能層;262:462:第二半導體功能層。
[0025]圖1?圖5為本發明實施例1、2制作的LED外延結構的剖視示意圖。
[0026]圖6為本發明實施例3制作的LED外延結構的剖視示意圖。
[0027]圖7為本發明實施例4制作的LED外延結構的剖視示意圖。
[0028]圖8為本發明實施例5制作的LED外延結構的剖視示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結合示意圖對本發明進行詳細的描述，在進一步介紹本發明之前，應當理解，由于可以對特定的實施例進行改造，因此，本發明并不限于下述的特定實施例。還應當理解，由于本發明的范圍只由所附權利要求限定，因此所采用的實施例只是介紹性的，而不是限制性的。除非另有說明，否則這里所用的所有技術和科學用語與本領域的普通技術人員所普遍理解的意義相同。
[0030]實施例1
請參照圖1?圖5，本實施例提供一種GaN半極性LED外延結構的制作方法，可以規避半極性材料不好生長以及同質半極性材料價格昂貴的問題。以下技術方案以納米藍寶石圖形襯底為例，制作方法包括以下步驟:
請參照圖1，提供一納米圖形化藍寶石襯底11 (Sapphire)，并放入金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)設備中升溫至1000?1200°C，在氫氣氛圍下處理3?10分鐘；使用納米圖形化藍寶石襯底(PSS,Patterned Sapphire Substrate)可以獲得規則的表面V型坑(凹坑)陣列，PSS的圖形線徑為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有芯片制程制備芯片，也即不影響后續芯片電極制備等光刻工藝，如果圖形線徑尺寸過小時(<100nm)，V型坑很小，V型坑底部沉積的低溫功能層有交疊，疊加部分發光不好，交疊的部分占據整個V型坑的內壁比例比較高，影響器件發光效率，所以尺寸不宜太小，如果圖形線徑尺寸過大時(>1000nm)，外延結構與現有芯片制程融合度降低，不易制作成LED器件;對應于每一個PSS的凸起(島)，V型坑的密度可以通過圖形襯底的圖形密度來調節，當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V型坑的大小也隨之確定，V型坑的線徑尺寸為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隨機分布，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，退火時間越短，島密度越高，后續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20?50nm的Al InGaN低溫緩沖層12(buffer)，起到應力釋放的作用，然后關閉三甲基鎵；其中外延生長方法還可以選用CVD(化學氣相沉積)方法、PECVD(等離子體增強化學氣相沉積)方法、MBE(分子束外延)方法、HVPE(氫化物氣相外延)方法，本實施例優選MOCVD，但不限于此。
[0031]請參照圖2，在低溫緩沖層12上外延生長具有V型坑的半導體底層結構，V型坑的側面17為半極性面，對應(1-101)晶面族，具體來說，升溫至870?970°C，在此溫度下進行退火處理5秒?2分鐘，然后通入三甲基鎵，生長I?2μπι厚度的非摻雜氮化鎵13(第一UGaN層)，該層稱為三維模式的GaN生長層;生長溫度控制在1050°C以內，腔室壓力為500torr，生長速率控制在3μπιΛ以上，可以獲得大量納米V型坑，V型坑可以占據整個外延表面，C面完全消失，V型坑也可以部分占據大部分表面，本實施例優選納米V型坑占據整個外延表面，無C面。
[0032]請參照圖3，溫度控制在1100°C以內，腔室壓力為300torr，生長I?2μπι厚的非摻雜氮化鎵14(第二 UGaN層)，該層稱為二維模式的GaN生長層;生長速率控制在4μπιΛ以上，納米V型坑占據整個表面。
[0033]請參照圖4，降溫至1050°C左右，腔室壓力為300torr，生長1.5?4μπι厚的氮化鎵，通入硅烷進行摻雜，形成N型氮化鎵15(nGaN層)；也可以生長uGaN/nGaN超晶格代替完全摻雜的nGaN，提供電子注入;生長速率控制在5ym/h以上;nGaN生長結束之后，外延表面被納米V