CN102064261B - 栅极调制垂直结构GaN基发光二极管的器件结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种栅极调制垂直结构GaN基发光二极管结构，包括：一导电衬底；一p型GaN层，该p型GaN层制作在导电衬底上；一多量子阱有源层，该多量子阱有源层制作在p型GaN层上；一n型GaN层，该n型GaN层制作在多量子阱有源层上；一N电极，该N电极制作在n型GaN层上面的中间；一栅极绝缘层，该栅极绝缘层制作在n型GaN层上没有N电极的部分，并围绕N电极；一栅电极，制作在栅极绝缘层上。
Description
技术领域
本发明用于半导体光电子器件制造技术领域，具体涉及到一种新型的栅极调制垂直结构GaN基发光二极管的器件结构和制备方法。
背景技术
GaN基半导体是新型的宽禁带直接带隙半导体材料，具有优异的物理、化学性质。基于InGaN量子阱结构的大功率LED是当前半导体光电子研究领域的热点和相关产业发展龙头。当前III族氮化物在彩色显示、装饰照明灯诸多领域得到了广泛应用。
量子阱发光结构是量子物理在光电子领域应用的典型范例，当量子阱厚度减小到纳米量级后，载流子态密度呈阶梯状分布，从而在相同注入水平下，更容易实现电子、空穴复合，获得波长稳定，谱线更窄的光发射谱。然而，钎锌矿结构的III族氮化物具有六方晶体结构，其对称性不及立方晶相结构，具有很强的自发极化场；另外与传统的GaAs体系量子阱结构比较，InGaN/GaN体系间存在更大的晶格失配，在晶格应力的作用下导致更强的压电极化电场，通常可以达到MV/cm，引起显著的量子限制Stark效应。在极化电场作用下，量子阱中导带电子与价带空穴波函数空间分离，电子、空穴复合几率降低，从而降低辐射复合效率。此外，受极化效应影响，随注入电流增加，LED发光波长发生偏移，通常可以达到3-5nm。发光波长的漂移在实际应用中将产生如下问题：在显示方面，波长变化将导致全彩色显示控制极为困难，同时光谱太宽会导致色彩不纯；在白光照明领域，由于蓝光波长的变化将造成白光的颜色或色温发生变化.
本发明之前，通常通过优化外延生长，利用晶格匹配量子阱结构或非极性面生长等手段降低极化效应，但效果并不理想。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种新型的栅极调制垂直结构GaN基发光二极管的器件结构及制备方法。该结构通过栅极绝缘介质及栅电极，利用外加电场，平衡InGaN/GaN体系由于自发极化、压电极化所产生的极化电场。降低极化效应对器件特性的影响，实现栅电极对GaN基LED发光特性的调制。本发明为降低III族氮化物发光器件极化效应，制备高效，具有良好波长一致性GaN基LED提供了一种有效途径。
本发明的技术方案如下：
本发明提供一种栅极调制垂直结构GaN基发光二极管结构，包括：
一导电衬底；
一p型GaN层，该p型GaN层制作在导电衬底上；
一多量子阱有源层，该多量子阱有源层制作在p型GaN层上；
一n型GaN层，该n型GaN层制作在多量子阱有源层上；
一N电极，该N电极制作在n型GaN层上面的中间；
一栅极绝缘层，该栅极绝缘层制作在n型GaN层上没有N电极的部分，并围绕N电极；
一栅电极，制作在栅极绝缘层上。
其中栅极绝缘层的材料为SiO2、SiN或SiON，该栅极绝缘层的厚度为0.001-0.1um。
其中栅电极为金属电极或透明导电电极，该栅电极可以实现对垂直结构GaN基发光二级管特性的调制。
其中n型GaN层的厚度为1-10um。
本发明提供一种栅极调制垂直结构GaN基发光二极管结构的制备方法，其中包括如下步骤：
步骤1：蓝宝石衬底上依次生长n型GaN层、多量子阱有源层和p型GaN层；
步骤2：通过热压键合或电镀在p型GaN层的下表面制备导电衬底；
步骤3：通过激光剥离工艺，将蓝宝石衬底与n型GaN层分离；
步骤4：通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法，减薄n型GaN层，减薄后n型GaN层的厚度为0.001-2um；
步骤5：采用光刻的技术，在n型GaN层上的中间制作N电极；
步骤6：在n型GaN层上没有N电极的区域制备栅极绝缘层，并围绕N电极；
步骤7：在栅极绝缘层上制备栅电极。
其中栅极绝缘层是通过沉积或溅射制备，栅极绝缘层的材料为SiO2、SiN或SiON。
其中栅极绝缘层的厚度为0.001-0.1um。
其中栅电极是利用光刻、带胶剥离工艺制备，栅电极为金属电极或透明导电电极，该栅电极可以实现对GaN基发光二级管特性的调制。
通过干法刻蚀后湿法腐蚀后，垂直结构N-GaN厚度在0.005-2um。
附图说明
为进一步说明本发明的内容，以下结合具体的实施方式对本发明做详细的描述，其中：
图1是GaN基垂直结构功率型LED外延材料的剖面示意图，在蓝宝石衬底1上采用外延的方法生长n-GaN层2，有源层3，p-GaN层4；
图2是利用图1所示外延材料制备的垂直结构GaN基LED结构示意图，导电衬底6，n-GaN层2表面制备n电极5。
图3是通过沉积或溅射在图2所示垂直结构LED芯片n-GaN层2上，制备栅极绝缘层7的示意图。
图4是在图2所示垂直结构GaN基LED栅极绝缘层7上制备栅电极8的示意图。
具体实施方式
请参阅图4所示，本发明提供一种栅极调制垂直结构GaN基发光二极管结构，包括：
一导电衬底6，激光剥离工艺后，宝石衬底1去除。该导电衬底6作为n型GaN层2、多量子阱有源层3和p型GaN层4的转移衬底，同时该衬底又是栅极调制垂直结构GaN基发光二极管结构的P电极；
一p型GaN层4，该p型GaN层4制作在导电衬底6上；
一多量子阱有源层3，该多量子阱有源层3制作在p型GaN层4上，该层结构会对注入载流子起到限制作用，注入载流子会在这一层内复合发光；
一n型GaN层2，该n型GaN层2制作在多量子阱有源层3上，该n型GaN层2的厚度为1-10um；
一N电极5，该N电极5制作在n型GaN层2上面的中间。
一栅极绝缘层7，该栅极绝缘层7制作在n型GaN层2上没有N电极5的部分，并围绕N电极5，该栅极绝缘层7的材料为SiO2、S iN或SiON，该栅极绝缘层7的厚度为0.001-0.1um，通过该层结构，利用外加电场，平衡InGaN/GaN体系由于自发极化、压电极化所产生的极化电场。降低极化效应对器件特性的影响，实现栅电极对GaN基LED发光特性的调制，包括发光波长的调制，发光强度的调制等；
一栅电极8，制作在栅极绝缘层7上，该栅电极8为金属电极或透明导电电极，该栅电极8可以实现对垂直结构GaN基发光二级管特性的调制；
本发明提供一种栅极调制垂直结构GaN基发光二极管结构的制备方法，其中包括如下步骤：
步骤1：蓝宝石衬底1上依次生长n型GaN层2、多量子阱有源层3和p型GaN层4；
步骤2：通过热压键合或电镀在p型GaN层4表面制备导电衬底6，转移衬底的厚度在80um到1000um之间，其中热压键合衬底为Si、Ge、金属、合金等，电镀材料为金属或金属合金；
步骤3：通过激光剥离或湿法腐蚀工艺，将蓝宝石衬底1与n型GaN层2分离，如图1、图2所示，完成该步工艺后，蓝宝石衬底1去除，n型GaN层2、多量子阱有源层3和p型GaN层4由宝石衬底1转移至导电衬底6上，同时n型GaN层2、多量子阱有源层3和p型GaN层4上下位置发生反转。其中的激光剥离技术是指利用248nm、355nm等波长的激光能穿过蓝宝石到达氮化镓材料而被吸收生热的原理来分离蓝宝石与氮化镓的技术；
步骤4：通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法，减薄n型GaN层2，减薄后n型GaN层2的厚度为0.001-2um；
步骤5：在n型GaN层2上制作N电极5，其中的N电极5是沉积在n型GaN层2上的电极，包括Ti、Al、Cr、ITO、Pd、Au等材料中的几种材料构成的电极，其图形面积占芯片台面总面积的1％至30％；
步骤6：在n型GaN层2上面没有n电极5的部分制备栅极绝缘层7，并围绕N电极5，该栅极绝缘层7是通过沉积或溅射制备，栅极绝缘层7的材料为SiO2、SiN或SiON，该栅极绝缘层7的厚度为0.001-0.1um；
步骤7：栅极绝缘层7上制备栅电极8，该栅电极8是利用光刻、带胶剥离工艺制备，该栅电极8为金属电极或透明导电电极，该栅电极8可以实现对GaN基发光二级管特性的调制；，完成器件的制备。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种栅极调制垂直结构GaN基发光二极管结构，包括：
一导电衬底；
一p型GaN层，该p型GaN层制作在导电衬底上；
一多量子阱有源层，该多量子阱有源层制作在p型GaN层上；
一n型GaN层，该n型GaN层制作在多量子阱有源层上；
一N电极，该N电极制作在n型GaN层上面的中间；
一栅极绝缘层，该栅极绝缘层制作在n型GaN层上没有N电极的部分，并围绕N电极；
一栅电极，制作在栅极绝缘层上。
2.根据权利要求1所述的栅极调制垂直结构GaN基发光二极管结构，其中栅极绝缘层的材料为SiO2、SiN或SiON，该栅极绝缘层的厚度为0.001-0.1um。
3.根据权利要求1所述的栅极调制垂直结构GaN基发光二极管结构，其中栅电极为金属电极或透明导电电极，该栅电极能实现对垂直结构GaN基发光二极管特性的调制。
4.根据权利要求1所述的栅极调制垂直结构GaN基发光二极管结构，其中n型GaN层的厚度为1-10um。
5.一种栅极调制垂直结构GaN基发光二极管结构的制备方法，其中包括如下步骤：
步骤1：蓝宝石衬底上依次生长n型GaN层、多量子阱有源层和p型GaN层；
步骤2：通过热压键合或电镀在p型GaN层的下表面制备导电衬底；
步骤3：通过激光剥离工艺，将蓝宝石衬底与n型GaN层分离；
步骤4：通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法，减薄n型GaN层，减薄后n型GaN层的厚度为0.001-2um；
步骤5：采用光刻的技术，在n型GaN层上的中间制作N电极；
步骤6：在n型GaN层上没有N电极的区域制备栅极绝缘层，并围绕N电极；
步骤7：在栅极绝缘层上制备栅电极。
6.根据权利要求5所述的栅极调制垂直结构GaN基发光二极管结构的制作方法，其中栅极绝缘层是通过沉积或溅射制备，栅极绝缘层的材料为SiO2、SiN或SiON。
7.根据权利要求5所述的栅极调制垂直结构GaN基发光二极管结构的制作方法，其中栅极绝缘层的厚度为0.001-0.1um。
8.根据权利要求5所述的栅极调制垂直结构GaN基发光二极管结构的制作方法，其中栅电极是利用光刻、带胶剥离工艺制备，栅电极为金属电极或透明导电电极，该栅电极能实现对GaN基发光二极管特性的调制。
9.根据权利要求5所述的栅极调制垂直结构GaN基发光二极管结构的制作方法，通过干法刻蚀或湿法腐蚀后，垂直结构N-GaN厚度在0.005-2um。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20110518 Assignee: SHANXI ZHONGKE ADVANCED ULTRAVIOLET OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences Contract record no.: X2021980000962 Denomination of invention: Structure and fabrication of GaN based light emitting diodes with gate modulated vertical structure Granted publication date: 20120905 License type: Exclusive License Record date: 20210203 |