一种半极性led外延结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种半极性LED外延结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]LED是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。目前，极性GaN基LED技术产业化已经20余年，发展至今其性能取得了极大的改善;但是也逐渐显现出了极性LED的性能瓶颈，光电转换效率达到60%之后很难再有大幅的继续提升。目前，普遍认为极性LED器件有难以克服的极化效应，从而影响着LED的发光效率。关于半极性和非极性材料和器件的研究和文献报道近些年非常多，主要存在的问题是在半极性面或者非极性面上生长GaN材料比较困难。
[0003]半极性和非极性GaN材料的获得一般有两种常见的方式:一是通过非极性和半极性的蓝宝石获得半极性或者非常GaN薄膜;二是通过切割同质衬底的半极性和非极性面同质外延出相应的器件。第一种技术路线较难获得比较好的材料质量;第二种技术路线虽能获得较高的材料质量，但是成本很高。此外，还有一种工艺相对复杂的技术是通过选区外延来实现半极性面或者非极性面的生长，然后在这些原位生长出来的半极性面上生长制备半极性或者非极性器件;工艺相对复杂，往往需要一些辅助材料和二次外延生长工艺设计。由此来看，半极性和非极性LED路线的主要障碍就在于如何获得高质量材料。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于:提供一种C面蓝宝石衬底原位生长制备半极性LED外延结构及其制备方法，利用蓝宝石平面或者图形衬底在外延生长过程中可以控制半导体底层结构表面形成纳米V型坑，进而在V型坑的半极性侧面制备半导体功能层，最终获得半极性LED外延结构。
[0005]本发明的第一方面，提供一种半极性LED外延结构，该外延结构从下至上依次包括:蓝宝石衬底、半导体底层结构以及半导体功能层，其特征在于:所述半导体底层结构表面具有纳米V型坑，V型坑的侧面为半极性面，对应(1-101)晶面族。
[0006]优选地，所述蓝宝石衬底为纳米图形化蓝宝石衬底或者平片蓝宝石衬底。
[0007]优选地，所述蓝宝石衬底为纳米图形化蓝宝石衬底，所述纳米V型坑的线径尺寸为100?100nm0
[0008]优选地，所述蓝宝石衬底为平片蓝宝石衬底，所述纳米V型坑的线径尺寸符合正态分布，正态分布的峰值尺寸对应于550 ± 1nm。
[0009]优选地，所述半导体底层结构包括缓冲层或UGaN层或nGaN层或前述任意组合。
[0010]优选地，所述半导体功能层材料包括GaN系半导体材料。
[0011]优选地，所述半导体功能层包括第一半导体功能层和第二半导体功能层，其中第一半导体功能层表面具有纳米V型坑。
[0012]本发明的第二方面，还提供一种半极性LED外延结构的制作方法，包括以下工艺步骤:
(1)提供一蓝宝石衬底；
(2)在所述蓝宝石衬底上生长半导体底层结构，使得其表面形成纳米V型坑，V型坑的侧面为半极性面，对应(1-1 OI)晶面族；
(3)在所述半导体底层结构上生长半导体功能层。
[0013]优选地，所述蓝宝石衬底为纳米图形化蓝宝石衬底或者平片蓝宝石衬底。
[0014]优选地，所述V型坑的密度通过纳米图形化蓝宝石衬底的图形密度来调节。
[0015]优选地，所述蓝宝石衬底为纳米图形化蓝宝石衬底，所述纳米V型坑的线径尺寸为100?100nm0
[0016]优选地，所述蓝宝石衬底为平片蓝宝石衬底，所述纳米V型坑的线径尺寸符合正态分布，正态分布的峰值尺寸对应于550 ± 1nm。
[0017]优选地，所述半导体底层结构包括缓冲层或UGaN层或nGaN层或前述任意组合。
[0018]优选地，所述步骤(2)通过控制生长温度比较低(1100°C以内)，生长速率比较快(3Mi/h以上)，使得半导体底层结构表面形成纳米V型坑。
[0019]优选地，所述半导体功能层材料包括GaN系半导体材料。
[0020]优选地，所述半导体功能层包括第一半导体功能层和第二半导体功能层，其中第一半导体功能层表面具有纳米V型坑。
[0021]优选地，所述第一半导体功能层的纳米V型坑是通过在半极性面上生长速率加快至常规极性面的5?10倍或者延长生长时间至常规极性面的5?10倍获得。
[0022]相对于现有技术，常规的极性面(001)面的LED外延结构的导带和价带由于极化电场的存在而弯曲，导致导带底和价带顶倒空间不在同一个位置，类似变成间接带隙半导体发光(AlInGaN体系材料为直接带隙发光材料)，辐射复合发光效率降低，非辐射复合概率增加，本发明至少包括以下技术效果:
(1)不需要选区外延，不需要二次外延，简化制作工艺流程；
(2)半极性面为(1-101)晶面族，平滑的导带底和价带顶在倒空间交叠面积很大，辐射复合效率大大增加；
(3)通过材料生长工艺调节实现半极性面的裸露，而不受制于衬底几何形状，实现制备半极性面材料，可操作性强，成本低廉；
(4)在具有纳米V型坑的半导体底层结构表面形成半导体功能层，如此获得的外延结构可以与现有的芯片制程相融合，便于制作LED芯片等半导体发光器件。
【附图说明】
[0023]附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
[0024]图中标示:11，21，31，41:蓝宝石衬底；12，22，32，42:缓冲层；13，23，33，43:第一UGaN 层；14，24，34，44:第二1163~层；15，25，35，45:1163~层；16，26，36，46:半导体功能层；17，27，37，47: V型坑的侧面(对应(1-101)晶面族)；261:461:第一半导体功能层;262:462:第二半导体功能层。
[0025]图1?图5为本发明实施例1、2制作的LED外延结构的剖视示意图。
[0026]图6为本发明实施例3制作的LED外延结构的剖视示意图。
[0027]图7为本发明实施例4制作的LED外延结构的剖视示意图。
[0028]图8为本发明实施例5制作的LED外延结构的剖视示意图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合示意图对本发明进行详细的描述，在进一步介绍本发明之前，应当理解，由于可以对特定的实施例进行改造，因此，本发明并不限于下述的特定实施例。还应当理解，由于本发明的范围只由所附权利要求限定，因此所采用的实施例只是介绍性的，而不是限制性的。除非另有说明，否则这里所用的所有技术和科学用语与本领域的普通技术人员所普遍理解的意义相同。
[0030]实施例1
请参照图1?图5，本实施例提供一种GaN半极性LED外延结构的制作方法，可以规避半极性材料不好生长以及同质半极性材料价格昂贵的问题。以下技术方案以纳米蓝宝石图形衬底为例，制作方法包括以下步骤:
请参照图1，提供一纳米图形化蓝宝石衬底11 (Sapphire)，并放入金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备中升温至1000?1200°C，在氢气氛围下处理3?10分钟；使用纳米图形化蓝宝石衬底(PSS,Patterned Sapphire Substrate)可以获得规则的表面V型坑(凹坑)阵列，PSS的图形线径为100?lOOOnm，图形高度为300?2000nm，间距为周期尺寸的1/5?1/2，该尺寸下的图案不影响现有芯片制程制备芯片，也即不影响后续芯片电极制备等光刻工艺，如果图形线径尺寸过小时(<100nm)，V型坑很小，V型坑底部沉积的低温功能层有交叠，叠加部分发光不好，交叠的部分占据整个V型坑的内壁比例比较高，影响器件发光效率，所以尺寸不宜太小，如果图形线径尺寸过大时(>1000nm)，外延结构与现有芯片制程融合度降低，不易制作成LED器件;对应于每一个PSS的凸起(岛)，V型坑的密度可以通过图形衬底的图形密度来调节，当图形化衬底的图形密度确定后，V型坑的密度与之相同，每个V型坑的大小也随之确定，V型坑的线径尺寸为100?100nm;使用平面衬底也可以获得半极性面LED，其表面V型坑的大小不一且相对随机分布，但是密度受到缓冲层厚度和缓冲层退火条件的影响:缓冲层越厚，退火温度越低，退火时间越短，岛密度越高，后续V型坑密度越大；反之亦然。降温至500-6000C，通入氨气和三甲基镓，生长20?50nm的Al InGaN低温缓冲层12(buffer)，起到应力释放的作用，然后关闭三甲基镓；其中外延生长方法还可以选用CVD(化学气相沉积)方法、PECVD(等离子体增强化学气相沉积)方法、MBE(分子束外延)方法、HVPE(氢化物气相外延)方法，本实施例优选MOCVD，但不限于此。
[0031]请参照图2，在低温缓冲层12上外延生长具有V型坑的半导体底层结构，V型坑的侧面17为半极性面，对应(1-101)晶面族，具体来说，升温至870?970°C，在此温度下进行退火处理5秒?2分钟，然后通入三甲基镓，生长I?2μπι厚度的非掺杂氮化镓13(第一UGaN层)，该层称为三维模式的GaN生长层;生长温度控制在1050°C以内，腔室压力为500torr，生长速率控制在3μπιΛ以上，可以获得大量纳米V型坑，V型坑可以占据整个外延表面，C面完全消失，V型坑也可以部分占据大部分表面，本实施例优选纳米V型坑占据整个外延表面，无C面。
[0032]请参照图3，温度控制在1100°C以内，腔室压力为300torr，生长I?2μπι厚的非掺杂氮化镓14(第二 UGaN层)，该层称为二维模式的GaN生长层;生长速率控制在4μπιΛ以上，纳米V型坑占据整个表面。
[0033]请参照图4，降温至1050°C左右，腔室压力为300torr，生长1.5?4μπι厚的氮化镓，通入硅烷进行掺杂，形成N型氮化镓15(nGaN层)；也可以生长uGaN/nGaN超晶格代替完全掺杂的nGaN，提供电子注入;生长速率控制在5ym/h以上;nGaN生长结束之后，外延表面被纳米V