集成放大电路的氮化镓基发光二极管结构及其制备方法
【专利摘要】本发明提供具有集成放大电路的氮化镓基发光二极管结构及其制备方法。发光二极管包括：衬底、非掺杂GaN缓冲层、N型GaN导电层、多量子阱有源区、P型氮化镓导电层、电流扩展层、P电极、高阻氮化镓沟道层、AlGaN势垒层、源电极、栅电极；本发明涉及具有集成放大电路的氮化镓基LED结构，避免了分离器件电路连接存在的寄生电容、电感，将控制LED通断的电极设计在芯片内部，可以有效改善发光器件整体的响应频率，提高基于氮化镓基LED的可见光通信速率。
【专利说明】
集成放大电路的氮化镓基发光二极管结构及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及发光二极管技术领域，具体涉及一种集成放大电路的氮化镓基发光二极管结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]发光二极管(简称“LED”)是一种半导体固体发光器件，它利用半导体材料内部的导带电子和价带空穴发生辐射复合，是以光子形式释放能量而直接发光的。通过设计不同的半导体材料禁带宽度，发光二极管可以发射从红外到紫外不同波段的光。
[0003]氮化镓基发光二极管以其具有高效、节能、长寿命以及开关速度快等优点在世界范围内得到广泛发展。氮化镓基发光二极管发出蓝光，激发荧光粉得到黄光，与原来的蓝光混合得到白光。通过快速的开关，可以实现通信功能，因此基于氮化镓的白光LED兼有照明和通信的双重功能。目前照明通信共用的白光LED恒流驱动电路与信号放大电路集成在一起，互相影响，限制了白光LED的通信速率。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有照明通信共用的氮化镓LED恒流驱动电路与信号放大电路相互影响，通信速率低的问题，提出一种集成放大电路的氮化镓LED结构及其制备方法。
[0005]本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0006]集成放大电路的氮化镓基发光二极管结构，其从下至少依次包括衬底、氮化镓缓冲层的一部分、N型GaN导电层、多量子阱有源区、P型氮化镓导电层、电流扩展层、P电极;氮化镓缓冲层(绝缘层)的另一部分往上依次设有高阻氮化镓沟道层、AlGaN势皇层;AlGaN势皇层上设有源欧姆电极和栅电极;所述二极管结构包含晶体管电流放大电路；电流放大电路由所述氮化镓缓冲层、AlGaN势皇层、源欧姆电极及栅电极组成；
所述的集成放大电路的氮化镓基发光二极管结构中，所述电流放大电路为GaN/AlGaN异质结高电子迀移率晶体管组成。电流放大电路位于常规发光二极管结构中的N电极区域；GaN/AlGaN异质结的二维电子气与发光二极管的N型导电层连接。
[0007]进一步优化地，所述GaN缓冲层是GaN成核层和非故意掺杂GaN层，其中GaN成核层厚度为10-100 nm，非故意掺杂GaN层厚度为100-4000 nm；
进一步优化地，所述N型GaN导电层的硅掺杂浓度2 X 1018cm—3_2 X 119Cnf3。
[0008]进一步优化地，所述多量子阱有源区为周期性交叠的InGaN势皇层和GaN势阱层；进一步优化地，所述P型氮化镓导电层中镁的掺杂浓度2X1018cm—3-2Χ10'πι—3。
[0009]制备所述的具有集成放大电路的氮化镓基发光二极管结构的方法，包括如下步骤:
(I)按常规方法在金属有机化学气相沉积(MOCVD)反应室里生长氮化镓LED外延片，从下至少依次包括衬底、非掺杂GaN缓冲层、N型GaN导电层、多量子阱有源区、P型氮化镓导电层、二氧化硅掩模层； (2)将(I)最终所得样品取出，沉积二氧化硅；
(3)将(2)最终所得样品通过光刻技术，去除部分二氧化硅，保留掩模区域的二氧化硅；
(4)将(3)所得样品放入感应耦合等离子刻蚀设备内对去除部分二氧化硅的部位进行GaN刻蚀，刻蚀至非掺杂GaN缓冲层；
(5)将(4)所得样品放入金属有机化学气相沉积(MOCVD)反应室内，在(4)的刻蚀部位生长非故意掺杂的氮化镓层；
(6)在(5)所得样品的非故意掺杂的氮化镓层上生长AlGaN势皇层；
(7)将(6)所得样品取出反应室，沉积TiAu，光刻在AlGaN势皇层上制备源电极欧姆接触，并刻蚀去掉二氧化硅掩模层；
(8)在(7)所得样品的P型氮化镓导电层上制备P型电流扩展层和P电极欧姆接触；
(9)在(8)所得样品上的AlGaN势皇层上制备栅肖特基接触。
[0010]与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果:
本发明针对现有氮化镓基LED工作电流大，分离控制电路响应频率低的问题，提出一种集成放大电路的氮化镓基LED结构，避免了分离器件电路连接存在的寄生电容、电感，将控制LED通断的电极设计在芯片内部，可以缩短发光器件的光电响应时间，改善发光器件整体的响应频率，提高基于氮化镓基LED的可见光通信速率。
【附图说明】
[0011]图1为常规的氮化镓基LED结构剖面示意图。
[0012]图2为本发明的氮化镓基LED结构剖面示意图。
[0013]图3为本发明的氮化镓基LED制备流程图。
[0014]图4为本发明和传统分离器件的时间分辨发光曲线。
[0015]图中:1、衬底;2、非掺杂GaN缓冲层;3、N型GaN导电层;4、多量子阱有源区；5、P型氮化镓导电层;6、电流扩展层;7、P电极;8、高阻氮化镓沟道层;9、AlGaN势皇层；10、源电极；
11、栅电极;12、N电极;13、二氧化硅掩模层。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。
[0017]—种集成放大电路的氮化镓基发光二极管结构，如图2所示，所述发光二极管自下而上依次为1、衬底;2、非掺杂GaN缓冲层;3、N型GaN导电层;4、多量子阱有源区；5、P型氮化镓导电层;6、电流扩展层;7、P电极;8、高阻氮化镓层;9、AlGaN势皇层；10、源电极；11、栅电极;12、N电极;13、二氧化硅掩模层。
[0018]作为一种实例，集成放大电路的氮化镓基发光二极管结构的制备步骤如下:
(1).将蓝宝石衬底放入金属有机化学气相化学沉积设备中，按照常规方法生长氮化镓基LED外延片；
(2).将(I)所述的样品取出反应室，沉积二氧化硅，厚度为lOOnm，如图3中(a)所示；
(3).将(2)所述的样品采用光刻技术，去除部分二氧化硅，保留掩模区域的二氧化硅，如图3中(b)所示； (4).将(3)所述的样品放入感应耦合等离子刻蚀设备内，进行氮化镓刻蚀，如图3中(c)所示;
(5).将(4)所述的样品清洗后放入金属有机化学气相沉积设备内，依次生长高阻氮化镓层(非故意掺杂的氮化镓)、AlGaN势皇层，如图3中(d)所示；
(6).将(5)所述的样品从设备中取出，清洗后，沉积TiAu多层，光刻后，制备源电极，之后800摄氏度退化30秒，制备源欧姆接触，如图3中(e)所示；
(7).将(6)所述的样品清洗后，沉积氧化铟锡，厚度150nm，作为P型电流扩展层；
(8).将(7)所述的样品清洗后，沉积CrAu，厚度分别是10nm和lOOnm，作为P欧姆接触，如图3中⑴所示；
(9).将(8)所述的样品清洗后，沉积NiAu，厚度分别是20nm和300nm，作为栅电极，如图2所示。
[0019]作为实例，如图4，为本发明和传统分离器件的时间分辨发光曲线。在图4中，虚线为本发明的结果，实线为传统分离器件的结果，纵坐标为相对光强，横坐标是时间，单位是纳秒。集成放大电路的氮化镓基LED结构，避免了分离器件电路连接存在的寄生电容、电感，将控制LED通断的电极设计在芯片内部，可以缩短发光器件的光电响应时间，改善发光器件整体的响应频率，提高基于氮化镓基LED的可见光通信速率。
[0020]以上制得的二极管结构包含高电子迀移率晶体管电流放大电路。所述高电子迀移率晶体管电流放大电路包括非掺杂氮化镓绝缘层、铝镓氮势皇层、源欧姆电极及栅电极组成。
[0021]进一步优化实施地，所述GaN缓冲层是GaN成核层和非故意掺杂GaN层，其中GaN成核层厚度为10-100 nm，非故意掺杂GaN层厚度为100-4000 nm;所述N型GaN导电层的娃掺杂浓度2 X 1018cm—3-2 X 119Cnf3;所述多量子阱有源区为周期性的InGaN势皇层和GaN势阱层;P型导电层中镁的掺杂浓度2 X 1018cm—3-2 X 1020cm"3o
【主权项】
1.集成放大电路的氮化镓基发光二极管结构，其特征在于从下至少依次包括衬底、氮化镓缓冲层的一部分、N型GaN导电层、多量子阱有源区、P型氮化镓导电层、电流扩展层、P电极;氮化镓缓冲层的另一部分往上依次设有高阻氮化镓沟道层、AlGaN势皇层;AlGaN势皇层上设有源欧姆电极和栅电极;所述二极管结构包含晶体管电流放大电路；电流放大电路由所述氮化镓缓冲层、AlGaN势皇层、源欧姆电极及栅电极组成。2.根据权利要求1所述的集成放大电路的氮化镓基发光二极管结构，其特征在于电流放大电路为GaN/AlGaN异质结高电子迀移率晶体管组成。3.根据权利要求1所述的集成放大电路的氮化镓基发光二极管结构，其特征在于所述电流放大电路位于常规发光二极管结构中的N电极区域。4.根据权利要求2所述的集成放大电路的氮化镓基发光二极管结构，其特征在于GaN/AlGaN异质结的二维电子气与发光二极管的N型导电层连接。5.根据权利要求1所述的集成放大电路的氮化镓基发光二极管结构，其特征在于所述GaN缓冲层是GaN成核层和非故意掺杂GaN层，其中GaN成核层厚度为10-100 nm，非故意掺杂GaN层厚度为 100-4000 nm。6.根据权利要求1所述的集成放大电路的氮化镓基发光二极管结构，其特征在于所述N型GaN导电层的硅掺杂浓度2 X 1018cm—3-2 X 119Cnf3。7.根据权利要求1所述的集成放大电路的氮化镓基发光二极管结构，其特征在于所述多量子阱有源区为周期性交叠的InGaN势皇层和GaN势阱层。8.根据权利要求1所述的集成放大电路的氮化镓基发光二极管结构，其特征在于所述P型氮化镓导电层中镁的掺杂浓度2 X 1018cm—3-2 X 1020cm"3o9.制备权利要求1?8任一项所述的具有集成放大电路的氮化镓基发光二极管结构的方法，其特征在于包括如下步骤: (1)按常规方法在金属有机化学气相沉积反应室里生长氮化镓LED外延片，从下至少依次包括衬底、非掺杂GaN缓冲层、N型GaN导电层、多量子阱有源区、P型氮化镓导电层、二氧化娃掩模层； (2)将(I)最终所得样品取出，沉积二氧化硅； (3)将(2)最终所得样品通过光刻技术，去除部分二氧化硅，保留掩模区域的二氧化硅； (4)将(3)所得样品放入感应耦合等离子刻蚀设备内对去除部分二氧化硅的部位进行GaN刻蚀，刻蚀至非掺杂GaN缓冲层； (5)将(4)所得样品放入金属有机化学气相沉积反应室内，在(4)的刻蚀部位生长非故意掺杂的氮化镓层； (6)在(5)所得样品的非故意掺杂的氮化镓层上生长AlGaN势皇层； (7)将(6)所得样品取出反应室，沉积TiAu，光刻在AlGaN势皇层上制备源电极欧姆接触，并刻蚀去掉二氧化硅掩模层； (8)在(7)所得样品的P型氮化镓导电层上制备P型电流扩展层和P电极欧姆接触； (9)在(8)所得样品上的AlGaN势皇层上制备栅肖特基接触。
【文档编号】H01L21/335GK105914218SQ201610385080
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】徐明升, 王洪, 周泉斌
【申请人】华南理工大学