一種具有三維結構的氮化物發光二極體及其製備方法
2024-04-12 17:15:05
1.本發明涉及光電子器件技術領域，具體涉及一種具有三維結構的氮化物發光二極體及其製備方法。
背景技術：
2.氮化物發光二極體的波長範圍從紅外波段至紫外波段連續可調，同時氮化物材料兼具直接帶隙、電子遷移率高、穩定性好、良好抗輻射性能等優勢，受到了廣泛的關注。近年來，氮化物發光二極體在固態照明、紫外殺菌、可見光通訊和led顯示等領域取得了巨大的成功。
3.常規的氮化物發光二極體的外延結構是平面疊層結構，其基本結構包括多量子阱形式的發光有源區以及發光有源區兩側的電子注入層和空穴注入層。在外加偏壓驅動下，空穴和電子分別從空穴注入層和電子注入層注入到多量子阱中，實現複合發光。載流子在多量子阱中的遷移過程中，需要越過多個能量勢壘，限制了其在多量子阱中的遷移。特別是對於氮化物材料體系，p型氮化物材料的空穴濃度和遷移率較低，氮化物多量子阱發光有源區中的空穴注入效率遠小於電子注入效率，通常只有p型空穴注入層一側的少數量子阱能參與發光，最終限制了氮化物發光二極體的量子效率。
技術實現要素：
4.針對以上現有技術存在的問題，本發明提出了一種具有三維結構的氮化物發光二極體及其製備方法。
5.本發明的一個目的在於提出一種具有三維結構的氮化物發光二極體。
6.本發明的具有三維結構的氮化物發光二極體包括：生長襯底、平面結構的n型氮化物層、n型氮化物三維結構、氮化物多量子阱層、p型氮化物層、p型電極金屬層和n型電極金屬層；其中，在生長襯底上形成平面結構的n型氮化物層；在部分平面結構的n型氮化物層上具有一個或多個n型氮化物三維結構，n型氮化物三維結構具有多個不同晶面指數的表面，n型氮化物三維結構的不同晶面指數表面的晶面間距和原子價鍵結構也不同；在n型氮化物三維結構的表面外延生長氮化物多量子阱層，氮化物多量子阱在不同晶面指數表面上的生長速度和合金組分不同，因此氮化物多量子阱的子帶能量也會不同，從而形成了垂直氮化物多量子阱生長方向的子帶能量梯度；在氮化物多量子阱的表面外延形成p型氮化物層；在p型氮化物層上形成p型電極金屬層；在平面結構的n型氮化物層表面形成n型電極金屬層。
7.本發明的另一個目的在於提出一種具有三維結構的氮化物發光二極體的製備方法。
8.本發明的具有三維結構的氮化物發光二極體的製備方法，包括以下步驟：1）提供能夠生長氮化物的生長襯底；2）採用金屬有機物化學氣相沉積（mocvd）設備，在生長襯底生長平面結構的n型氮化物層；
3）在平面結構的n型氮化物層上製備掩膜層，採用半導體平面工藝將掩膜層圖形化，去除部分掩膜層形成通孔陣列，從而露出部分平面結構的n型氮化物層的表面，通孔陣列作為後續外延生長的生長窗口，生長窗口與未被去除的部分掩膜層形成了具有鏤空結構的圖形化掩膜層；通孔陣列為一維陣列或二維陣列，二維陣列包括多個二維周期性地分布規則多邊形或圓形的通孔，一維陣列包括多個一維周期性分布的長條形通孔；4）採用金屬有機物化學氣相沉積（mocvd）設備選區生長n型氮化物，即被圖形化掩膜層覆蓋的平面結構的n型氮化物層上的區域不生長n型氮化物，未被圖形化掩膜層覆蓋的平面結構的n型氮化物層上的生長窗口對應的區域生長n型氮化物，從而在平面結構的n型氮化物層上形成受生長窗口形狀約束的n型氮化物三維結構陣列，每一個圖形化掩膜層的通孔對應一個n型氮化物三維結構，多個n型氮化物三維結構的周期性排布與圖形化掩膜層的通孔陣列的周期一致；生長窗口的形狀和取向決定n型氮化物三維結構的表面將會存在的晶面指數集合，生長參數決定n型氮化物三維結構的不同晶面指數的表面具有不同的生長速度，生長速度快的表面逐漸縮小，以至消失，而生長速度慢的表面逐漸擴大，最終保留成為n型氮化物三維結構的表面；通過調整生長參數以及生長窗口的形狀和取向，獲得具有設定的晶面指數表面的n型氮化物三維結構；5）在n型氮化物三維結構的表面外延生長氮化物多量子阱層，n型氮化物三維結構的不同晶面指數表面的晶面間距和原子價鍵結構也不同，氮化物多量子阱的生長速度和合金組分隨之有所不同，因此氮化物多量子阱的子帶能量也會不同，從而形成了垂直氮化物多量子阱生長方向的子帶能量梯度，促進了氮化物多量子阱中電子和空穴沿子帶能量梯度的遷移，以輔助電子和空穴向氮化物多量子阱中的能量勢阱的注入，最終增強電子和空穴在氮化物多量子阱中複合發光效率；6）在氮化物多量子阱的表面外延生長p型氮化物層，每個製備有氮化物多量子阱和p型氮化物層後的n型氮化物三維結構形成了三維結構的氮化物發光二極體臺面單元；7）去除掩膜層，露出被圖形化掩膜層掩蓋沒有生長n型氮化物三維結構的部分平面結構的n型氮化物層的表面；8）在p型氮化物層上製備p型電極金屬層，形成與p型氮化物層的歐姆接觸；在平面結構的n型氮化物層表面上製備n型電極金屬層，形成與n型氮化物層的歐姆接觸；9）從生長襯底的背面進行分割形成多個獨立的具有三維結構的氮化物發光二極體晶片，每個氮化物發光二極體晶片包括部分、一個或多個三維結構的氮化物發光二極體臺面單元。
9.其中，在步驟1）中，能夠生長氮化物的生長襯底採用藍寶石、gan同質襯底、gan模板、aln模板、aln襯底、矽襯底、碳化矽襯底、金剛石襯底、氧化鋅襯底和氧化鎵襯底中的一種。
10.在步驟2）中，平面結構的n型氮化物層的厚度為0.1~10 μm；作為一種可選方案，也可以在生長襯底之上預先製備非摻雜的氮化物層，然後再在非摻雜的氮化物層上製備平面結構的n型氮化物層。
11.在步驟3）中，掩膜層的材質採用無法支撐氮化物成核和外延的材料，如sio2、氮化矽或金屬薄膜；掩膜層的厚度為1~1000 nm，採用化學氣相沉積、磁控濺射、電子束蒸發或原子層沉積方法進行製備。對掩膜層圖形化的半導體平面工藝採用光刻和刻蝕工藝，刻蝕工
藝採用溼法或幹法刻蝕。掩膜層圖形化後形成的生長窗口的寬度在1~100μm範圍，生長窗口的間距在1~100 μm範圍。作為一個可行的舉例，生長窗口是沿 晶向延伸、沿 晶向周期排布的條狀陣列。作為另外一個可行的舉例，生長窗口由六個的晶向構成的正六邊形，並沿 和 晶向周期性地排布成陣列。
12.在步驟4）中，生長窗口的形狀和取向決定n型氮化物三維結構的表面將會存在的晶面指數集合，晶面指數包括 晶面、 晶面和 晶面，調整生長參數改變不同晶面指數的表面之間的相對生長速度，從而決定最終保留在n型氮化物三維結構表面的晶面指數。生長參數包括：腔體壓力、生長溫度、v/iii族源束流比和iii源束流，通過控制變量的實驗方法獲得特定生長參數與不同晶面指數的表面的相對生長速度的關係。作為一個可行的舉例，對於沿 晶向的條狀生長窗口，n型氮化物三維結構的側表面和上表面可能出現 晶面、 晶面和 晶面，增加腔體壓力、降低生長溫度、降低v/iii族源束流比和增加iii源束流， 晶面最終保留；反之 晶面和 晶面最終保留。通過調整生長參數以及生長窗口的形狀和取向以及六方晶體結構對稱性的約束，獲得的n型氮化物三維結構的形狀包括稜台體、稜錐體或稜柱體。三維結構的n型氮化物層的高度為0.1~10 μm，橫向尺寸在1~100μm範圍，間距在1~100 μm範圍。作為一個可行的舉例，n型氮化物三維結構是由 晶面為上表面、兩個 晶面為側表面、沿著 晶向延伸的長條狀稜柱體。作為另一個可行的舉例，n型氮化物三維結構也是由六個 晶面為側表面、 晶面為上表面的六稜台體。n型氮化物三維結構的排布與生長窗口的排布一致，周期性地分布在平面結構的n型氮化物層之上，所有生長窗口區域的n型氮化物三維結構共同構成三維結構的n型氮化物層。
13.在步驟5）中，多量子阱的生長方向就是生長過程中多量子阱厚度逐漸增加的方向，亦即氮化物三維結構側表面和上表面的法線方向。
14.在步驟6）中，採使用金屬有機物化學氣相沉積（mocvd）的方法，外延製備p型氮化物層；p型氮化物層的厚度為10~1000 nm；p型氮化物層可以將三維結構的n型氮化物層中的空隙填充至平整，氮化物發光二極體的外延結構表面恢復為平面結構；或者，p型氮化物層保留三維結構的n型氮化物層的原有形狀。
15.在步驟7）中，採用化學腐蝕的方法去除掩膜層。
16.在步驟8）中，p型電極金屬層和n型電極金屬層是單層或多層金屬構成的疊層結構，通過金屬蒸鍍的方法沉積在氮化物層表面後，採用快速熱退火的方法與氮化物層形成歐姆接觸。
17.在步驟9）中，可選擇地進行襯底去除或減薄，對具有三維結構的氮化物發光二極體晶片進行封裝，採用倒裝、正裝或垂直晶片封裝結構，將晶片封裝成分立的元器件或直接封裝到印刷電路版上。
18.本發明的優點：本發明的氮化物三維結構的多個不同晶面指數的表面上形成的氮化物多量子阱層的厚度和合金組分不同，對應的多量子阱中子帶的能量也不同，形成了垂直多量子阱生長方向的能量梯度，促進了空穴和電子在多量子阱中的橫向遷移，彌補了沿多量子阱生長方向載流子注入效率的不足；另一方面，垂直氮化物多量子阱生長方向的能量梯度構成了載流子的能量勢阱，增強了多量子阱中電子和空穴的空間局域效應，提高了電子和空穴的
複合效率。
附圖說明
19.圖1為根據本發明的具有三維結構的氮化物發光二極體的製備方法的一個實施例得到的掩膜層的剖面圖；圖2為根據本發明的具有三維結構的氮化物發光二極體的製備方法的一個實施例得到的圖形化掩膜層的示意圖，其中，（a）為剖面圖，（b）為俯視圖；圖3為根據本發明的具有三維結構的氮化物發光二極體的製備方法的一個實施例得到的n型氮化物三維結構的剖面圖；圖4為根據本發明的具有三維結構的氮化物發光二極體的製備方法的一個實施得到氮化物多量子阱層的剖面圖；圖5為根據本發明的具有三維結構的氮化物發光二極體的製備方法的一個實施得到p型氮化物層的剖面圖；圖6為根據本發明的具有三維結構的氮化物發光二極體的製備方法的一個實施去除掩膜層後的剖面圖；圖7為根據本發明的具有三維結構的氮化物發光二極體的製備方法的一個實施得到n型電極金屬層和p型電極金屬層的示意圖，其中，（a）為剖面圖，（b）為俯視圖；圖8為根據本發明的具有三維結構的氮化物發光二極體的製備方法的一個實施得到具有三維結構的氮化物發光二極體晶片的剖面圖。
具體實施方式
20.下面結合附圖，通過具體實施例，進一步闡述本發明。
21.本實施例的具有三維結構的氮化物發光二極體的製備方法，包括以下步驟：1）提供c面藍寶石襯底作為生長襯底100，化學清洗乾淨；2）加載到金屬有機物化學氣相沉積（mocvd）設備的加熱基座上進行表面熱清洗，然後使用兩步生長法在藍寶石襯底100上外延生長2 μm厚度的非摻雜的氮化鎵作為非摻雜的氮化物101；然後接著生長2 μm厚度的平面結構的n型氮化物層102；3）在平面結構的n型氮化物層上製備100 nm厚度的sio2作為掩膜層103，如圖1所示；採用半導體平面工藝將掩膜層圖形化，去除部分掩膜層形成通孔陣列從而露出部分平面結構的n型氮化物層的表面，通孔陣列作為後續外延生長的生長窗口，生長窗口與未被去除的部分掩膜層形成了具有鏤空結構的圖形化掩膜層1031；通孔陣列為一維陣列，一維陣列包括多個一維周期性分布的長條形的通孔1032，生長窗口沿平面結構的n型氮化鎵層的 晶向，通孔1032的寬度為10 μm，相鄰的通孔1032的間距為10 μm。如圖2所示；4）採用金屬有機物化學氣相沉積（mocvd）設備選區生長n型氮化物，即被圖形化掩膜層覆蓋的平面結構的n型氮化物層上的區域不生長n型氮化物，未被圖形化掩膜層覆蓋的平面結構的n型氮化物層上的生長窗口對應的區域生長n型氮化物，從而在平面結構的n型氮化物層上形成受生長窗口形狀約束的n型氮化物三維結構陣列，每一個圖形化掩膜層的通孔對應一個n型氮化物三維結構104，多個n型氮化物三維結構的周期性排布與圖形化掩膜層的通孔陣列的周期一致，形成n型氮化物三維結構陣列，如圖3所示；生長窗口的形狀和
取向決定n型氮化物三維結構的表面可能存在的的晶面指數集合，生長參數決定n型氮化物三維結構的不同晶面指數的表面具有不同的生長速度，生長速度快的晶面逐漸縮小，以至消失，而生長速度慢的晶面逐漸擴大，最終保留成為n型氮化物三維結構的表面；對於沿 的條狀生長窗口，n型氮化物三維結構呈長條狀沿 方向延伸，其側表面和上表面由 晶面、 晶面和 晶面組成，增加腔體壓力、降低生長溫度、降低v/iii族源束流比和增加iii源束流， 晶面最終保留，則獲得的長條狀n型氮化物三維結構的截面形狀為三角形，反之 晶面和 晶面最終保留，則獲得的長條狀n型氮化物三維結構的截面形狀為矩形；5）在n型氮化物三維結構的側表面和上表面外延生長氮化物多量子阱層105，如圖4所示，n型氮化物三維結構的側表面和上表面的晶面指數不同，因此側表面和上表面的面間距和原子價鍵結構也不同，氮化物多量子阱的生長速度和合金組分隨之有所不同，因此氮化物多量子阱的子帶能量也會不同，從而形成了垂直氮化物多量子阱生長方向的子帶能量梯度；6）在氮化物多量子阱的表面外延生長厚度為200 nm的p型氮化物層106，如圖5所示，每個製備有氮化物多量子阱和p型氮化物層後的n型氮化物三維結構形成了三維結構的氮化物發光二極體臺面單元；7）去除掩膜層，露出被圖形化掩膜層掩蓋沒有生長n型氮化物三維結構的部分平面結構的n型氮化物層的表面，如圖6所示；8）在p型氮化物層上製備p型電極金屬層107，與p型氮化物層形成歐姆接觸；在平面結構的n型氮化物層表面上製備n型電極金屬層108，與n型氮化物層形成歐姆接觸，如圖7所示；9）沿圖7中虛線方向，從生長襯底的背面進行分割形成多個獨立的具有三維結構的氮化物發光二極體晶片，如圖8所示，每個氮化物發光二極體晶片包括部分三維結構的氮化物發光二極體臺面單元。
22.圖8中，側壁發光，一部分向上，由圖8中實線剪頭表示，一部分向下；向上那一部分光到達了氮化物發光二極體臺面單元的表面，會被反射，這樣氮化物發光二極體晶片總體的光方向就變成向下出光了，出光方向由圖8中虛線剪頭表示。
23.最後需要注意的是，公布實施例的目的在於幫助進一步理解本發明，但是本領域的技術人員可以理解：在不脫離本發明及所附的權利要求的精神和範圍內，各種替換和修改都是可能的。因此，本發明不應局限於實施例所公開的內容，本發明要求保護的範圍以權利要求書界定的範圍為準。