集成放大電路的氮化鎵基發光二極管結構及其制備方法
【專利摘要】本發明提供具有集成放大電路的氮化鎵基發光二極管結構及其制備方法。發光二極管包括：襯底、非摻雜GaN緩沖層、N型GaN導電層、多量子阱有源區、P型氮化鎵導電層、電流擴展層、P電極、高阻氮化鎵溝道層、AlGaN勢壘層、源電極、柵電極；本發明涉及具有集成放大電路的氮化鎵基LED結構，避免了分離器件電路連接存在的寄生電容、電感，將控制LED通斷的電極設計在芯片內部，可以有效改善發光器件整體的響應頻率，提高基于氮化鎵基LED的可見光通信速率。
【專利說明】
集成放大電路的氮化鎵基發光二極管結構及其制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及發光二極管技術領域，具體涉及一種集成放大電路的氮化鎵基發光二極管結構及其制備方法。
【背景技術】
[0002]發光二極管(簡稱“LED”)是一種半導體固體發光器件，它利用半導體材料內部的導帶電子和價帶空穴發生輻射復合，是以光子形式釋放能量而直接發光的。通過設計不同的半導體材料禁帶寬度，發光二極管可以發射從紅外到紫外不同波段的光。
[0003]氮化鎵基發光二極管以其具有高效、節能、長壽命以及開關速度快等優點在世界范圍內得到廣泛發展。氮化鎵基發光二極管發出藍光，激發熒光粉得到黃光，與原來的藍光混合得到白光。通過快速的開關，可以實現通信功能，因此基于氮化鎵的白光LED兼有照明和通信的雙重功能。目前照明通信共用的白光LED恒流驅動電路與信號放大電路集成在一起，互相影響，限制了白光LED的通信速率。
【發明內容】
[0004]本發明針對現有照明通信共用的氮化鎵LED恒流驅動電路與信號放大電路相互影響，通信速率低的問題，提出一種集成放大電路的氮化鎵LED結構及其制備方法。
[0005]本發明的目的至少通過如下技術方案之一實現。
[0006]集成放大電路的氮化鎵基發光二極管結構，其從下至少依次包括襯底、氮化鎵緩沖層的一部分、N型GaN導電層、多量子阱有源區、P型氮化鎵導電層、電流擴展層、P電極;氮化鎵緩沖層(絕緣層)的另一部分往上依次設有高阻氮化鎵溝道層、AlGaN勢皇層;AlGaN勢皇層上設有源歐姆電極和柵電極;所述二極管結構包含晶體管電流放大電路；電流放大電路由所述氮化鎵緩沖層、AlGaN勢皇層、源歐姆電極及柵電極組成；
所述的集成放大電路的氮化鎵基發光二極管結構中，所述電流放大電路為GaN/AlGaN異質結高電子迀移率晶體管組成。電流放大電路位于常規發光二極管結構中的N電極區域；GaN/AlGaN異質結的二維電子氣與發光二極管的N型導電層連接。
[0007]進一步優化地，所述GaN緩沖層是GaN成核層和非故意摻雜GaN層，其中GaN成核層厚度為10-100 nm，非故意摻雜GaN層厚度為100-4000 nm；
進一步優化地，所述N型GaN導電層的硅摻雜濃度2 X 1018cm—3_2 X 119Cnf3。
[0008]進一步優化地，所述多量子阱有源區為周期性交疊的InGaN勢皇層和GaN勢阱層；進一步優化地，所述P型氮化鎵導電層中鎂的摻雜濃度2X1018cm—3-2Χ10'πι—3。
[0009]制備所述的具有集成放大電路的氮化鎵基發光二極管結構的方法，包括如下步驟:
(I)按常規方法在金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)反應室里生長氮化鎵LED外延片，從下至少依次包括襯底、非摻雜GaN緩沖層、N型GaN導電層、多量子阱有源區、P型氮化鎵導電層、二氧化硅掩模層； (2)將(I)最終所得樣品取出，沉積二氧化硅；
(3)將(2)最終所得樣品通過光刻技術，去除部分二氧化硅，保留掩模區域的二氧化硅；
(4)將(3)所得樣品放入感應耦合等離子刻蝕設備內對去除部分二氧化硅的部位進行GaN刻蝕，刻蝕至非摻雜GaN緩沖層；
(5)將(4)所得樣品放入金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)反應室內，在(4)的刻蝕部位生長非故意摻雜的氮化鎵層；
(6)在(5)所得樣品的非故意摻雜的氮化鎵層上生長AlGaN勢皇層；
(7)將(6)所得樣品取出反應室，沉積TiAu，光刻在AlGaN勢皇層上制備源電極歐姆接觸，并刻蝕去掉二氧化硅掩模層；
(8)在(7)所得樣品的P型氮化鎵導電層上制備P型電流擴展層和P電極歐姆接觸；
(9)在(8)所得樣品上的AlGaN勢皇層上制備柵肖特基接觸。
[0010]與現有技術相比，本發明具有如下優點和技術效果:
本發明針對現有氮化鎵基LED工作電流大，分離控制電路響應頻率低的問題，提出一種集成放大電路的氮化鎵基LED結構，避免了分離器件電路連接存在的寄生電容、電感，將控制LED通斷的電極設計在芯片內部，可以縮短發光器件的光電響應時間，改善發光器件整體的響應頻率，提高基于氮化鎵基LED的可見光通信速率。
【附圖說明】
[0011]圖1為常規的氮化鎵基LED結構剖面示意圖。
[0012]圖2為本發明的氮化鎵基LED結構剖面示意圖。
[0013]圖3為本發明的氮化鎵基LED制備流程圖。
[0014]圖4為本發明和傳統分離器件的時間分辨發光曲線。
[0015]圖中:1、襯底;2、非摻雜GaN緩沖層;3、N型GaN導電層;4、多量子阱有源區；5、P型氮化鎵導電層;6、電流擴展層;7、P電極;8、高阻氮化鎵溝道層;9、AlGaN勢皇層；10、源電極；
11、柵電極;12、N電極;13、二氧化硅掩模層。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明，但本發明的實施和保護不限于此。
[0017]—種集成放大電路的氮化鎵基發光二極管結構，如圖2所示，所述發光二極管自下而上依次為1、襯底;2、非摻雜GaN緩沖層;3、N型GaN導電層;4、多量子阱有源區；5、P型氮化鎵導電層;6、電流擴展層;7、P電極;8、高阻氮化鎵層;9、AlGaN勢皇層；10、源電極；11、柵電極;12、N電極;13、二氧化硅掩模層。
[0018]作為一種實例，集成放大電路的氮化鎵基發光二極管結構的制備步驟如下:
(1).將藍寶石襯底放入金屬有機化學氣相化學沉積設備中，按照常規方法生長氮化鎵基LED外延片；
(2).將(I)所述的樣品取出反應室，沉積二氧化硅，厚度為lOOnm，如圖3中(a)所示；
(3).將(2)所述的樣品采用光刻技術，去除部分二氧化硅，保留掩模區域的二氧化硅，如圖3中(b)所示； (4).將(3)所述的樣品放入感應耦合等離子刻蝕設備內，進行氮化鎵刻蝕，如圖3中(c)所示;
(5).將(4)所述的樣品清洗后放入金屬有機化學氣相沉積設備內，依次生長高阻氮化鎵層(非故意摻雜的氮化鎵)、AlGaN勢皇層，如圖3中(d)所示；
(6).將(5)所述的樣品從設備中取出，清洗后，沉積TiAu多層，光刻后，制備源電極，之后800攝氏度退化30秒，制備源歐姆接觸，如圖3中(e)所示；
(7).將(6)所述的樣品清洗后，沉積氧化銦錫，厚度150nm，作為P型電流擴展層；
(8).將(7)所述的樣品清洗后，沉積CrAu，厚度分別是10nm和lOOnm，作為P歐姆接觸，如圖3中⑴所示；
(9).將(8)所述的樣品清洗后，沉積NiAu，厚度分別是20nm和300nm，作為柵電極，如圖2所示。
[0019]作為實例，如圖4，為本發明和傳統分離器件的時間分辨發光曲線。在圖4中，虛線為本發明的結果，實線為傳統分離器件的結果，縱坐標為相對光強，橫坐標是時間，單位是納秒。集成放大電路的氮化鎵基LED結構，避免了分離器件電路連接存在的寄生電容、電感，將控制LED通斷的電極設計在芯片內部，可以縮短發光器件的光電響應時間，改善發光器件整體的響應頻率，提高基于氮化鎵基LED的可見光通信速率。
[0020]以上制得的二極管結構包含高電子迀移率晶體管電流放大電路。所述高電子迀移率晶體管電流放大電路包括非摻雜氮化鎵絕緣層、鋁鎵氮勢皇層、源歐姆電極及柵電極組成。
[0021]進一步優化實施地，所述GaN緩沖層是GaN成核層和非故意摻雜GaN層，其中GaN成核層厚度為10-100 nm，非故意摻雜GaN層厚度為100-4000 nm;所述N型GaN導電層的娃摻雜濃度2 X 1018cm—3-2 X 119Cnf3;所述多量子阱有源區為周期性的InGaN勢皇層和GaN勢阱層;P型導電層中鎂的摻雜濃度2 X 1018cm—3-2 X 1020cm"3o
【主權項】
1.集成放大電路的氮化鎵基發光二極管結構，其特征在于從下至少依次包括襯底、氮化鎵緩沖層的一部分、N型GaN導電層、多量子阱有源區、P型氮化鎵導電層、電流擴展層、P電極;氮化鎵緩沖層的另一部分往上依次設有高阻氮化鎵溝道層、AlGaN勢皇層;AlGaN勢皇層上設有源歐姆電極和柵電極;所述二極管結構包含晶體管電流放大電路；電流放大電路由所述氮化鎵緩沖層、AlGaN勢皇層、源歐姆電極及柵電極組成。2.根據權利要求1所述的集成放大電路的氮化鎵基發光二極管結構，其特征在于電流放大電路為GaN/AlGaN異質結高電子迀移率晶體管組成。3.根據權利要求1所述的集成放大電路的氮化鎵基發光二極管結構，其特征在于所述電流放大電路位于常規發光二極管結構中的N電極區域。4.根據權利要求2所述的集成放大電路的氮化鎵基發光二極管結構，其特征在于GaN/AlGaN異質結的二維電子氣與發光二極管的N型導電層連接。5.根據權利要求1所述的集成放大電路的氮化鎵基發光二極管結構，其特征在于所述GaN緩沖層是GaN成核層和非故意摻雜GaN層，其中GaN成核層厚度為10-100 nm，非故意摻雜GaN層厚度為 100-4000 nm。6.根據權利要求1所述的集成放大電路的氮化鎵基發光二極管結構，其特征在于所述N型GaN導電層的硅摻雜濃度2 X 1018cm—3-2 X 119Cnf3。7.根據權利要求1所述的集成放大電路的氮化鎵基發光二極管結構，其特征在于所述多量子阱有源區為周期性交疊的InGaN勢皇層和GaN勢阱層。8.根據權利要求1所述的集成放大電路的氮化鎵基發光二極管結構，其特征在于所述P型氮化鎵導電層中鎂的摻雜濃度2 X 1018cm—3-2 X 1020cm"3o9.制備權利要求1?8任一項所述的具有集成放大電路的氮化鎵基發光二極管結構的方法，其特征在于包括如下步驟: (1)按常規方法在金屬有機化學氣相沉積反應室里生長氮化鎵LED外延片，從下至少依次包括襯底、非摻雜GaN緩沖層、N型GaN導電層、多量子阱有源區、P型氮化鎵導電層、二氧化娃掩模層； (2)將(I)最終所得樣品取出，沉積二氧化硅； (3)將(2)最終所得樣品通過光刻技術，去除部分二氧化硅，保留掩模區域的二氧化硅； (4)將(3)所得樣品放入感應耦合等離子刻蝕設備內對去除部分二氧化硅的部位進行GaN刻蝕，刻蝕至非摻雜GaN緩沖層； (5)將(4)所得樣品放入金屬有機化學氣相沉積反應室內，在(4)的刻蝕部位生長非故意摻雜的氮化鎵層； (6)在(5)所得樣品的非故意摻雜的氮化鎵層上生長AlGaN勢皇層； (7)將(6)所得樣品取出反應室，沉積TiAu，光刻在AlGaN勢皇層上制備源電極歐姆接觸，并刻蝕去掉二氧化硅掩模層； (8)在(7)所得樣品的P型氮化鎵導電層上制備P型電流擴展層和P電極歐姆接觸； (9)在(8)所得樣品上的AlGaN勢皇層上制備柵肖特基接觸。
【文檔編號】H01L21/335GK105914218SQ201610385080
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月3日
【發明人】徐明升, 王洪, 周泉斌
【申請人】華南理工大學