基于晶硅光伏技术的硅基GaN发光器件及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体器件制备领域，特别涉及一种基于晶硅光伏技术的硅基GaN发光器件及制备方法。
【背景技术】
[0002]近年来，以I工工族氮化物为代表的第三代半导体材料及其光电功能器件已经在节能环保等重要领域显示出越来越重要的先导作用，是支撑下一代战略性新兴产业发展的关键和基础。
[0003]III族氮化物系列材料在半导体照明高效能源利用关键光电器件领域显示出巨大的优势，但高效I工工族氮化物光电器件规模应用始终面临着低成本衬底材料、衬底技术、高质量材料外延可控生长及如何降低器件制作工艺成本等关键科学与技术问题。因此，寻求探索新型的氮化物异质外延衬底材料及工艺对其性能改善及规模应用具有决定性的意义。
[0004]由于很难得到大尺寸的GaN体单晶材料，到目前为止，高质量GaN材料一般都通过异质衬底外延方法获得。高质量的外延薄膜一般需衬底满足晶格常数匹配、热膨胀系数匹配、可大尺寸和价格适宜等原则。目前已经商品化的LED按照衬底划分有三条技术路线，即蓝宝石衬底技术路线、SiC衬底技术路线和Si衬底技术路线。硅衬底技术路线由于具有工艺成熟、低成本和大尺寸等诸多优点，有些国际专家甚至断言，硅衬底LED技术路线就是未来半导体照明芯片生产的终极技术路线。但目前Si衬底生长GaN单晶薄膜的质量远不如蓝宝石衬底，主要问题在于Si与GaN高达114%的热失配，远远高于蓝宝石(约-25.5%),这样会导致外延膜中巨大的张应力以及外延膜的龟裂。
[0005]晶硅太阳能电池中常用的单晶硅衬底为Si(10)衬底，在硅表面利用湿法腐蚀出倒金字塔、正金字塔的技术已经十分成熟。我们拟将这种成熟的湿法腐蚀技术应用到Si (100)衬底外延高质量GaN上，从而得到高效、低成本的发光二极管。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种基于晶硅光伏技术的硅基GaN发光器件及制备方法，其是采用湿法腐蚀的方法在太阳能电池工艺中普遍使用的Si(10)衬底上腐蚀出随机分布的正金字塔形貌，可以有效地释放外延材料应力，从而得到高质量的外延GaN，制造低成本、高效的发光LED。
[0007]本发明提供一种基于晶娃光伏技术的娃基GaN发光器件，包括:
[0008]— N型或P型硅(100)的衬底；
[0009]一随机分布的正金字塔结构，其制作在衬底上；
[0010]一缓冲反射层，其制作在正金字塔结构的表面，该缓冲反射层的材料为高温AlN或低温AlN ；
[0011]一发光层，其制作在缓冲反射层上，该发光层的表面平行于正金字塔结构表面，或平行于衬底的表面；
[0012]一透明导电氧化物层，其制作在发光层上，该透明导电氧化物层的表面为一平面；
[0013]一上电极层，其制作在透明导电氧化物层上，该上电极层为网状分布；
[0014]一下电极层，其制作在衬底的背面。
[0015]本发明具有的有益效果是:
[0016]结合晶硅太阳能电池成熟的制绒工艺，利用工艺上普遍使
[0017]用的Si (100)衬底，可以大幅降低GaN基LED的成本。
[0018](2)工艺简化，Si衬底的图形化无需光刻等步骤，进一步降低了生产成本。
[0019](3)正金字塔的平均尺寸可调，大可至几十微米，小至几百纳米，外延片与衬底的晶格失配(16.9% )与热失配(56% )产生的应力得到释放，提高了薄膜质量。
[0020](4)微米级以下的金字塔具有纳米尺寸效应，表面形成梯度折射率，减少全反射，有利于出光。
[0021](5)利用横向外延产生平行于Si(10)表面的外延层，得到的是半极性面或非极性面，降低或消除量子斯塔克效应引起的电子与空穴分离的影响，从而提高发光效率。
[0022](6)任意分布的正金字塔有效提高了发光面积。
【附图说明】
[0023]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步说详细说明，其中:
[0024]图1为本发明第一实施例的结构示意图；
[0025]图2为本发明第二实施例的结构示意图；
[0026]图3为本发明的制备流程图。
【具体实施方式】
[0027]请参阅图1及图2所示，本发明提供一种基于晶硅光伏技术的硅基GaN发光器件，包括:
[0028]一 N型或P型硅(100)的衬底10 ；
[0029]一随机分布的正金字塔结构11，其制作在衬底10上，所述正金字塔结构11随机零散或铺满分布于衬底10上，其峰值或宽度大小从几十微米到几百纳米，该正金字塔结构11的侧面是硅(111)面；
[0030]一缓冲反射层12，其制作在正金字塔结构11的表面，该缓冲反射层12的材料为高温A1N、低温A1N，淀积AlN材料时预淀积一层Al原子防止硅衬底的氮化或者直接淀积AlN ；
[0031]一发光层13，其制作在缓冲反射层12上，该发光层13的表面平行于正金字塔结构11表面(图1中)，或平行于衬底10的表面(图2中)，发光层由n-GaN、单个或多个量子阱、p-GaN组成，η-GaN与ρ-GaN可以互换位置。所述量子阱层包括由InN、InGaN, GaN、InAIN、Al InGaN、AlGaN以及InGaAlP中的材料选择组成。
[0032]一透明导电氧化物层14，其制作在发光层13上，该透明导电氧化物层14的表面为一平面，所述透明导电氧化物层14的厚度为几十纳米至几十微米；
[0033]一上电极层15，其制作在透明导电氧化物层14上，该上电极层15为网状分布；
[0034]—下电极层16，其制作在衬底10的背面。
[0035]请参阅图3，并结合参阅图1及图2所示，本发明提供一种基于晶硅光伏技术的硅基GaN发光器件的制备方法，包括以下步骤:
[0036]步骤1:对N型或P型硅(100)的衬底10进行标准RCA清洗；
[0037]步骤2:采用晶硅太阳能电池制绒技术，采用TMAH溶液或KOH、NaOH溶液在衬底10上腐蚀出随机分布的正金字塔结构11，所述正金字塔结构11随机零散或铺满分布于衬底10上，其峰值或宽度大小从几十微米到几百纳米，通过调节腐蚀液的浓度、腐蚀时间以及腐蚀温度可以调节正金字塔的平均尺寸，该金字塔的侧面是硅(111)面；
[0038]步骤3:在正金字塔结构11上利用MOCVD或者MBE沉积一层低温AlN或高温AlN缓冲反射层12，该缓冲反射层作为后续生长GaN的成核层，还能够作为反射层反射发光层13发出的光使更多的光从正面射出；该AlN层采用Si掺杂来提供导电性能或者不掺杂；
[0039]步骤4:在缓冲反射层12上利用MBE或MOCVD方法沉积发光层13.发光层13可以平行于正金字塔的表面即硅(111)平面分布，从而出光面平行于Si (111)面(参阅图1)，实现多侧面发光，发光面积提高1.5倍；该发光层也可以平行于衬底10表面(参阅图2)，也就是Si(10)面，从而得到非极性或半极性的GaN表面。发射层由n-GaN、单个或多个量子阱、p-GaN组成，η-GaN与ρ-GaN可以互换位置。所述量子阱层包括由InN、InGaN, GaN、InAIN, Al InGaN, AlGaN以及InGaAlP中的材料选择组成。
[0040]步骤5:在发光层13上蒸镀透明导电氧化物层14，所述透明导电氧化物层14的厚度为几十纳米至几十微米，该透明导电氧化物能够起到透光的作用，并且能够收集电流使电流集中到电极中；在透明导电氧化物14之上进行光刻，光刻图案为网状；
[0041]步骤6:光刻之后在透明导电氧化物14上利用蒸镀的方法淀积网状分布的上金属电极15，金属体系为Cr/Al/Ti/Cu或者其他组合效率更高的金属体系，各层金属厚度为几十纳米到几十微米之间；
[0042]步骤7:利用TMAH溶液或K0H、Na0H溶液腐蚀去掉衬底10，或者不去掉衬底10，形成基片；
[0043]步骤8:在基片的背面蒸镀一层下金属电极16，背面电极利用蒸镀法在背面形成欧姆接触，电极足够厚，可以支撑整个器件，也能起到增加反射的作用使多数光从正面射出，完成制备。
[0044]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于晶娃光伏技术的娃基GaN发光器件，包括: 一 N型或P型硅(100)的衬底； 一随机分布的正金字塔结构，其制作在衬底上； 一缓冲反射层，其制作在正金字塔结构的表面，该缓冲反射层的材料为高温AlN或低温 AlN ； 一发光层，其制作在缓冲反射层上，该发光层的表面平行于正金字塔结构表面，或平行于衬底的表面； 一透明导电氧化物层，其制作在发光层上，该透明导电氧化物层的表面为一平面； 一上电极层，其制作在透明导电氧化物层上，该上电极层为网状分布； 一下电极层，其制作在衬底的背面。
2.根据权利要求1所述的基于晶硅光伏技术的硅基GaN发光器件，其中所述正金字塔结构随机零散或铺满分布于衬底上，其峰值或宽度大小从几十微米到几百纳米。
3.根据权利要求1所述的基于晶硅光伏技术的硅基GaN发光器件，其中所述发光层包括n-GaN、量子讲和p-GaN。
4.根据权利要求1所述的基于晶硅光伏技术的硅基GaN发光器件，其中所述透明导电氧化物层的厚度为几十纳米至几十微米。
5.一种基于晶硅光伏技术的硅基GaN发光器件的制备方法，包括以下步骤: 步骤1:对N型或P型硅(100)的衬底进行标准RCA清洗； 步骤2:采用晶硅光伏制绒技术，在衬底上腐蚀出随机分布的正金字塔结构； 步骤3:在正金字塔结构上沉积一层低温AlN或高温AlN缓冲反射层； 步骤4:在缓冲反射层上沉积发光层，该发光层的表面平行于正金字塔结构表面，或平行于衬底的表面； 步骤5:在发光层上蒸镀透明导电氧化物层，进行光刻； 步骤6:在透明导电氧化物上蒸镀网状分布上金属电极； 步骤7:去掉衬底或者不去掉衬底，形成基片； 步骤8:在基片的背面蒸镀一层下金属电极完成制备。
6.根据权利要求5所述的基于晶硅光伏技术的硅基GaN发光器件的制备方法，其中所述正金字塔结构随机零散或铺满分布于衬底上，其峰值或宽度大小从几十微米到几百纳米。
7.根据权利要求5所述的基于晶硅光伏技术的硅基GaN发光器件的制备方法，其中所述发光层包括n-GaN、量子阱和p_GaN。
8.根据权利要求5所述的基于晶硅光伏技术的硅基GaN发光器件的制备方法，其中所述透明导电氧化物层的厚度为几十纳米至几十微米。
【专利摘要】一种基于晶硅光伏技术的硅基GaN发光器件，包括：一N型或P型硅(100)的衬底；一随机分布的正金字塔结构，其制作在衬底上；一缓冲反射层，其制作在正金字塔结构的表面，该缓冲反射层的材料为高温AlN或低温AlN；一发光层，其制作在缓冲反射层上，该发光层的表面平行于正金字塔结构表面，或平行于衬底的表面；一透明导电氧化物层，其制作在发光层上，该透明导电氧化物层的表面为一平面；一上电极层，其制作在透明导电氧化物层上，该上电极层为网状分布；一下电极层，其制作在衬底的背面。本发明可以有效地释放外延材料应力，从而得到高质量的外延GaN，制造低成本、高效的发光LED。
【IPC分类】H01L33-22, H01L33-32
【公开号】CN104638081
【申请号】CN201510028792
【发明人】袁国栋, 王克超, 李晋闽
【申请人】中国科学院半导体研究所
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年1月20日