CN110137323A - 带有AlN缓冲层的LED芯片及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种带有AlN缓冲层的LED芯片及制造方法，其特征在于，包括：表面带有凹凸图案的图形化衬底、在所述图形化衬底上形成的AlN缓冲层、在所述AlN缓冲层上形成的无掺杂‑GaN层、在所述无掺杂‑GaN层上形成的n型GaN层、在所述n型GaN层上形成的活性层、在所述活性层上形成的p型GaN层、与所述n型GaN层构成电气连接的n型电极、及与所述p型GaN层构成电气连接的P型电极。通过在图形化衬底上形成的（单晶）AlN缓冲层进行LED芯片结构的构建，从而可以起到控制螺旋位错的作用，继而改善LED芯片的结晶质量，提高电气特性及光学特性。其对改善III族氮化物半导体的晶格失配问题并提高其性能有显著的作用。
Description
技术领域
本发明属于LED芯片制造领域，尤其涉及一种带有AlN缓冲层的LED芯片及制造方法。
背景技术
AlN、GaN、InN及其组合构成的III-氮化物类化合物半导体，是具有热稳定性、高导热性、高机械强度、高化学稳定性的优秀的宽带隙半导体。这种特性在紫外光区域至绿色光区域的发光二极管领域具有广阔应用前景。
但是，为了在紫外光区域保证优秀的特性，当前有几个需要解决的问题。第一是存在于AlGaN与AlN之间的晶格失配问题。其将在活性层中导致发光复合率(radiativerecombination)减小和严重的电子流出。另一方面，在采用BAlGaN的情况下，越接近与AlN实现晶格匹配的条件，BAlGaN/AlN量子阱结构中的内部域将急剧增加，从而导致发光强度显著减小。
发明内容
为了填补现有技术当中的不足和空白，本发明具体采用以下技术方案：
一种带有AlN缓冲层的LED芯片，其特征在于，包括：表面带有凹凸图案的图形化衬底、在所述图形化衬底上形成的AlN缓冲层、在所述AlN缓冲层上形成的无掺杂-GaN层、在所述无掺杂-GaN层上形成的n型GaN层、在所述n型GaN层上形成的活性层、在所述活性层上形成的p型GaN层、与所述n型GaN层构成电气连接的n型电极、及与所述p型GaN层构成电气连接的P型电极。
优选地，所述图形化衬底的材质为蓝宝石或SiC或Si或GaN或ZnO或GaAs或GaP或LiAl2O3或BN或AlN。
优选地，所述AlN缓冲层为单晶AlN缓冲层。
优选地，所述n型GaN层的掺杂物包括Si、Ge及Sn之中的一种或多种。
优选地，所述活性层含有Al、Ga及In中的一种或多种。
优选地，所述p型GaN层的构成包含InAlGaN、GaN、AlGaN、InGaN之中的一种或多种，掺杂物包括Mg、Zn、Be、Ca、Sr及Ba之中的一种或多种。
一种带有AlN缓冲层的LED芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S100：通过刻蚀法制作表面带有凹凸图案的图形化蓝宝石衬底；
步骤S200：在所述图形化蓝宝石衬底上以单晶结晶生长形成AlN缓冲层；
步骤S300：在所述AlN缓冲层上形成无掺杂-GaN层；
步骤S400：在所述无掺杂-GaN层上形成n型GaN层；
步骤S500：在所述n型GaN层上形成活性层；
步骤S600：在所述活性层上形成p型GaN层；
步骤S700：在所述n型GaN层上形成n型电极，在所述p型GaN层上形成P型电极。
优选地，在步骤S100中，衬底的材质替换为SiC或Si或GaN或ZnO或GaAs或GaP或LiAl2O3或BN或AlN。
优选地，在步骤S200中，所述AlN缓冲层在1050℃至1200℃的温度下，通过化学气相沉积法或物理气相沉积或溅射或氢气相沉积法或或原子层沉积法形成。
本发明及优选技术方案通过在图形化衬底上形成的（单晶）AlN缓冲层进行LED芯片结构的构建，从而可以起到控制螺旋位错的作用，继而改善LED芯片的结晶质量，提高电气特性及光学特性。其对改善III族氮化物半导体的晶格失配问题并提高其性能有显著的作用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例结构示意图；
图2为本发明实施例流程示意图；
图中：10-图形化衬底；20-AlN缓冲层；30-无掺杂-GaN层；40-n型GaN层；50-活性层；60-p型GaN层；70-n型电极；80-p型电极。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文对本发明结构特举实施例，作详细说明如下：
如图1所示，其公开了本实施例提供LED结构的剖面示意图。要旨在于，在表面带有有凸凹图案的图形化（蓝宝石）衬底上，以单晶形成AlN缓冲层，从而可以执行控制螺旋位错的作用，因此可以改善结晶质量，提高电气特性及光学特性。
本实施例结构包括表面带有凹凸图案的图形化衬底10、AlN缓冲层20、无掺杂-GaN层30、n型GaN层40、活性层50、p型GaN层60、与n型GaN层电气连接的n型电极70及与p型GaN层60电气连接的P型电极80。
其中，对于本实施例，衬底10的材质没有特定的限制，但凡可以进行图形化并可用作氮化物LED衬底的公知的物质均可采用。一般而言，可以是能够使氮化物类半导体物质生长的蓝宝石、SiC、Si、GaN、ZnO、GaAs、GaP、LiAl2O3、BN及AlN中某一者，但并非限定于此。其中，凹凸图案通过刻蚀工艺可以直接形成，其有助于高品质的氮化镓基半导体物质生长，具有通过光散射提高发光二极管的光释放效率的效果。
AlN缓冲层20优选采用单晶AlN，以起到控制螺旋位错的作用，可以显著改善结晶质量，提高电气特性及光学特性。
在AlN缓冲层20上形成有无掺杂-GaN层30。
其中，无掺杂-GaN层30作为未掺杂的氮化镓半导体层，可以由无缺陷的外延层的生长而形成。
在无掺杂-GaN层30上形成有n型GaN层40。
n型GaN层40以氮化物类物质构成，为了具备n型导电性，掺杂物质可以利用IV族元素。例如，n型掺杂物质可以为硅Si、锗Ge或锡Sn。另外，n型GaN层40可以采用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)而形成，形成的n型GaN层40可以以单晶形成，可以以在一部分区域具有缺陷的形态形成。
在n型GaN层40上形成有活性层50。
活性层50含有Al、Ga及In中的一种或多种，可以为单一量子阱结构或多重量子阱结构。其中采用多重量子阱结构的活性层50优选采用带隙大的氮化镓系半导体层与带隙小的氮化镓系半导体层交叉层叠的结构。
在活性层50上形成有p型GaN层60。
就p型GaN层而言，作为氮化物类物质，包含InAlGaN、GaN、AlGaN、InGaN之中的一种或多种，掺杂物包括Mg、Zn、Be、Ca、Sr及Ba之中的一种或多种。
形成有电气连接于n型GaN层40的n型电极80及电气连接于p型GaN层60的p型电极70。
n型电极80及p型电极70为导体。优选为Si、Au、Pt、Mg、Zn、Hf、Ta、W、Ti、Ag、Cr、Mo、Nb、Al、Ni、Cu或其合金，但不限于此。n型电极80及p型电极70可以通过热沉积（thermalevaporation）、电子束沉积（E-beam evaporation）或溅射工艺而形成，但不限于此。
其中，在p型电极70与p型GaN层60之间，可以优选地形成透明导电层。透明导电层可以使用光透过性高的导电物质，可以为非常薄的金属薄膜或金属氧化物层。
图2为本实施例LED的制造方法的流程示意图，包括：在蓝宝石衬底的表面形成凸凹图案的步骤S100、使在蓝宝石衬底上以单晶形成的AlN缓冲层结晶生长的步骤S200、在AlN缓冲层上形成无掺杂-GaN层的步骤S300、在无掺杂-GaN层上形成n型GaN层的步骤S400、在n型GaN层上形成活性层的步骤S500、在活性层上形成p型GaN层的步骤S600、形成与n型GaN层电气连接的n型电极的步骤及形成与p型GaN层电气连接的P型电极的步骤S700。
其中，蓝宝石衬底也可以替换为SiC、Si、GaN、ZnO、GaAs、GaP、LiAl2O3、BN及AlN中的一种。对蓝宝石衬底形成带有凹凸图案的图形化过程当中，主要利用现有的蓝宝石衬底图形化技术，包括利用光刻法形成蚀刻掩模后在进行湿式蚀刻的过程，从而形成凸凹图案。凸凹图案可以为纳米尺寸或微米尺寸。凸凹图案以减小位错密度、使内部全反射最小化所需的形态形成。另外，凸凹图案可以根据蚀刻掩模的形态及湿式蚀刻工序而具有诸如角锥体、透镜型、圆柱形其中之一的形态。
在使在蓝宝石衬底上以单晶形成的AlN缓冲层结晶生长的步骤S200中，AlN氮化铝缓冲层可以在1050℃至1200℃温度下，借助于化学气相沉积法（Chemical vapordeposition）、CVD等工艺进行沉积，也可以借助于诸如物理气相沉积（Physical vapordeposition）、溅射（sputtering）、氢气相沉积法（Hydride vapor phase epitaxy）、HVPE或原子层沉积（Atomic layer deposition）完成沉积的工序。
在AlN缓冲层上形成无掺杂-GaN层的步骤S300、在无掺杂-GaN层上形成n型GaN层的步骤S400、在n型GaN层上形成活性层的步骤S500、在活性层上形成p型GaN层的步骤S600、形成与n型GaN层电气连接的n型电极的步骤及形成与p型GaN层电气连接的P型电极的步骤S700，采用与AlN缓冲层相同的方法制造，故在此不多做赘述。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的带有AlN缓冲层的LED芯片及制造方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种带有AlN缓冲层的LED芯片，其特征在于，包括：表面带有凹凸图案的图形化衬底、在所述图形化衬底上形成的AlN缓冲层、在所述AlN缓冲层上形成的无掺杂-GaN层、在所述无掺杂-GaN层上形成的n型GaN层、在所述n型GaN层上形成的活性层、在所述活性层上形成的p型GaN层、与所述n型GaN层构成电气连接的n型电极、及与所述p型GaN层构成电气连接的P型电极。
2.根据权利要求1所述的带有AlN缓冲层的LED芯片，其特征在于：所述图形化衬底的材质为蓝宝石或SiC或Si或GaN或ZnO或GaAs或GaP或LiAl2O3或BN或AlN。
3.根据权利要求1所述的带有AlN缓冲层的LED芯片，其特征在于：所述AlN缓冲层为单晶AlN缓冲层。
4.根据权利要求1所述的带有AlN缓冲层的LED芯片，其特征在于：所述n型GaN层的掺杂物包括Si、Ge及Sn之中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的带有AlN缓冲层的LED芯片，其特征在于：所述活性层含有Al、Ga及In中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的带有AlN缓冲层的LED芯片，其特征在于：所述p型GaN层的构成包含InAlGaN、GaN、AlGaN、InGaN之中的一种或多种，掺杂物包括Mg、Zn、Be、Ca、Sr及Ba之中的一种或多种。
7.一种带有AlN缓冲层的LED芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S100：通过刻蚀法制作表面带有凹凸图案的图形化蓝宝石衬底；
步骤S200：在所述图形化蓝宝石衬底上以单晶结晶生长形成AlN缓冲层；
步骤S300：在所述AlN缓冲层上形成无掺杂-GaN层；
步骤S400：在所述无掺杂-GaN层上形成n型GaN层；
步骤S500：在所述n型GaN层上形成活性层；
步骤S600：在所述活性层上形成p型GaN层；
步骤S700：在所述n型GaN层上形成n型电极，在所述p型GaN层上形成P型电极。
8.根据权利要求7所述的带有AlN缓冲层的LED芯片的制造方法，其特征在于：在步骤S100中，衬底的材质替换为SiC或Si或GaN或ZnO或GaAs或GaP或LiAl2O3或BN或AlN。
9.根据权利要求7所述的带有AlN缓冲层的LED芯片的制造方法，其特征在于：在步骤S200中，所述AlN缓冲层在1050℃至1200℃的温度下，通过化学气相沉积法或物理气相沉积或溅射或氢气相沉积法或或原子层沉积法形成。
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