制造具有平坦表面的三维氮化镓结构的方法和使用具有平坦表面的三维氮化镓（GaN）柱 ...的制作方法
【专利摘要】提出了制造具有平坦表面的三维氮化镓(GaN)柱状物结构的方法。在提供衬底之后，所述方法在衬底的上表面上生长GaN膜、并且在GaN膜的上表面中形成腔体。使用激光烧蚀、离子注入、喷砂或干法刻蚀工艺形成所述腔体。然后湿法刻蚀GaN膜上表面中的腔体，形成延伸到GaN膜中的平坦侧壁。更明显地，将腔体形成于c-平面GaN上表面中，并且在m-平面或a-平面族中与c平面垂直地形成平坦侧壁。提出了使用具有平坦表面的三维GaN柱状物结构来制造发光二极管(LED)的方法。所述方法形成多个GaN柱状物结构，每一个具有n-掺杂GaN(n-GaN)和与c-平面垂直的平坦侧壁，形成在m-平面或a-平面族中。在n-GaN柱状物侧壁上形成多量子阱(MQW)层，并且在MQW层上形成p-掺杂GaN(p-GaN)层。在第一衬底上沉积多个GaN柱状物结构，其中n-掺杂GaN柱状物侧壁与第一衬底的上表面平行地对准。每一个GaN柱状物结构的第一端部与第一金属层相连。对每一个GaN柱状物结构的第二端部进行刻蚀以暴露n-GaN柱状物的第二端部并与第二金属层相连。
【专利说明】制造具有平坦表面的三维氮化镓结构的方法和使用具有平坦表面的三维氮化镓(GaN)柱状物结构的发光二极管(LED)
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及发光二极管(LED)制造工艺，并且更具体地涉及制造具有平坦表面的三维(3D)氮化镓结构的方法。
[0002]本发明总体涉及发光二极管(LED)制造工艺，并且更具体地涉及制造供LED中使用的具有平坦表面的三维(3D)氮化镓结构的方法。
【背景技术】
[0003]图1是平面氮化镓LED的部分截面图(现有技术)。由于氮化镓的良好带隙和直接能带结构，氮化镓(GaN)广泛用于LED应用，并且大多数制造遵循如Nguyen, X.L.>Nguyen,Τ.N.N.、Chau, V.T.和 Dang, M.C 在 Adv.Nat.Sci:Nanosc1.Nanotechnol.1,025015 (2010)的 “The fabrication of GaN-based light emitting diodes (LEDs) ” 中提到的平面金属有机化学气相沉积(MOCVD)顺序，如下:
[0004]I)将具有Si掺杂的厚n-GaN沉积到蓝宝石衬底上；
[0005]2)形成多量子阱(MQW)层，所述MQW层包括交替的InGaN和AlGaN薄层；以及
[0006]3)用Mg掺杂形成薄p-GaN层。
[0007]这种技术的限制之一是由于在形成足够高质量材料时遇到的困难，导致用于器件的GaN的生产成本高。这些困难主要源于生长工艺，所述生长工艺典型地在分子束外延(MBE)或M0CVD)反应器中，在非常高的温度(例如，超过1000摄氏度)下，在具有不同热膨胀系数(CTE)的衬底上进行。CTE的差异可能导致穿透位错的形成，所述穿透位错不利地影响器件性能和可靠性。此外，膜应力限制了在GaN膜中可以合并的掺杂剂的量，这进而限制了可实现的发射特性的范围。因此，需要针对给定面积的生长衬底来改善缺陷密度并且增加可以产生LED发光的器件表面积的量。
[0008]图2A至2C是具有纹理表面的LED器件的部分截面图(现有技术)。图2A示出了平面LED，图2B示出了倒装芯片LED，以及图2C示出了纹理模板LED。平面LED结构的一个其他考虑是GaN的高折射率，这限制了可以发射至窄角锥的光的量。逃逸锥外部的光内反射，减小了器件的效率。已经设计了多种方式来提高平面器件上的封装层的粗糙度，作为允许更多光逃逸的手段，例如参见Fujii, T.等人的“Increase in the extractionefficiency of GaN-based light-emitting diodes via surface roughening，，，AppliedPhysics Letters84,855 (2004)以及Lee,H.C.等人的“Effect of the surface texturingshapes fabricated using dry etching on the extraction efficiency of verticallight-emitting diodes”，Solid-State Electronics52,1193-1196 (2008)的干法刻蚀纹理化研究。也已经按照类似的方式使用了纳米结构表面涂层来提取内反射(Kang，J.W.等人的“Improved Light Extraction of GaN-Based Green Light-Emitting Diodes with anAntireflection Layer of ZnO Nanorod Arrays，，，Electrochem.Solid-State Lett.14,H120-H123(2011)。
[0009]图3A和3B分别描述了 GaN微棒LED结构和从微棒LED阵列制造的器件(现有技术)。减轻平面器件制造问题的一种方法是使用GaN纳米线或微棒(微棒)。可以利用适当的壳体结构在高温下制造这种结构，以形成从生长衬底收获、并且使用介电电泳(即e-场)工艺沉积的p-QW-nLED。GaN微棒提供非平面模板用于量子阱(QW)结构的外延生长，通常是是以六边形或三角形棒的形式。偏离平面应该提供更有效率的光提取。微棒和纳米线的直径典型地足够小，使得显著地减小了穿透位错密度，增加了内量子效率(IQE)和寿命。通过控制GaN微棒的结晶朝向，可使用不平坦或半平坦平面来进行器件制造，从而减小量子约束斯塔克斯效应(QCSE)，所述QCSE效应进而可以带来IQE的改善。
[0010]多个研究组已经在不同成功程度上从事GaN纳米线的研发。UNM研究员已经研发了产生高质量GaN纳米线的一种方法，并且使用从模板化的衬底的MOCVD外延生长(S.D.Hersee 等人的“The controlled growth of GaN nanowires，，，Nano Letters6,1808(2006))。这种工艺产生具有恒定直径和六边形横截面的良好纳米线，具有(1100)族的侧壁朝向。然而，生长局限于每小时2微米。
[0011]已经使用各种催化剂研发了其他基于VLS的生长工艺，得到的纳米线和纳米棒生产和制造成LED器件。VLS-生长的GaN纳米线的结晶朝向可能是非理想的，因为存在生长的竞争优选轴朝向(依赖于温度的a轴和c轴)、竞争相位(闪锌矿和纤维锌矿)，并且得到的纳米线可能具有非均匀侧壁朝向。这会影响用于器件制造的e-场散布GaN纳米线的均匀性。
[0012]如果可以制造具有均匀侧壁朝向和最小位错密度的GaN LED，这是有利的。
【发明内容】
[0013]根据本发明，提出了一种制造具有平坦表面的三维氮化镓(GaN)柱状物结构的方法，所述方法包括:提供衬底；在衬底的上表面上生长GaN膜；在GaN膜的上表面中形成腔体；在GaN膜上表面中湿法刻蚀腔体；以及形成延伸至GaN膜中的平坦侧壁。
[0014]根据本发明，提出了一种氮化镓(GaN)三维(3D)结构，包括:GaN柱状物；以及在从包括m-平面和a-平面侧壁的组中选择的平面中形成的柱状物侧壁。
[0015]根据本发明，提出了一种氮化镓(GaN)三维(3D)阵列，包括:具有上表面的衬底；在GaN膜中形成的开口的蜂窝状结构；以及每一个开口具有从包括m-平面和a_平面侧壁的组中选择的平面中形成的侧壁。
[0016]根据本发明，提出了一种使用具有平坦表面的三维氮化镓(GaN)柱状物结构制造发光二极管(LED)的方法，所述方法包括形成多个GaN柱状物结构，每一个GaN柱状物结构如下形成:形成具有第一端部、第二端部和与C-平面垂直的平坦侧壁的η-掺杂GaN(n-GaN)柱状物，所述端部的至少一个形成在c_平面中，并且所述平坦侧壁在从包括m-平面和a平面族的组中选择的平面中形成；在n-GaN柱状物侧壁上形成多量子阱(MQW)层；在MQW层上形成P-掺杂GaN (p-GaN)层；在第一衬底上沉积多个GaN柱状物结构，η-掺杂GaN柱状物侧壁与第一衬底的上表面平行地对准；将每一个GaN柱状物结构的第一端部与第一金属层相连以形成第一电极；刻蚀每一个GaN柱状物结构的第二端部以暴露n-GaN柱状物第二端部；以及将每一个GaN柱状物结构的第二端部与第二金属层相连以形成第二电极。
[0017]根据本发明，提出了一种使用具有平坦表面的三维氮化镓(GaN)柱状物结构制造发光二极管(LED)的方法，所述方法包括:在衬底上生长η-掺杂(n-GaN)膜；在n-GaN膜的第一区域中形成多个开口，每一个开口具有垂直于与n-GaN膜的上表面对准的c_平面的平坦侧壁，并且平坦侧壁在从包括m-平面和a平面族的组中选择的平面中形成；在n-GaN膜的第一区域上形成多量子阱(MQW)层；在MQW层上形成P-掺杂GaN (p-GaN)层；在n-GaN膜的第二区域上沉积第一金属层以形成第一电极；以及在P-GaN膜上沉积第二金属层以形成第二电极。
[0018]根据本发明，提出了一种具有平坦表面的三维氮化镓(GaN)柱状物结构的发光二极管(LED)，所述LED包括:具有上表面的衬底，所述上表面包括在第一金属层中形成的多个第一电极指状物以及在第二金属层中形成的多个相对的第二电极指状物；多个GaN柱状物结构，每一个GaN柱状物结构桥接第一电极指状物和相应的第二电极指状物之间的间隙；每一个GaN柱状物结构包括:n-掺杂GaN(n-GaN)柱状物，具有在相应的第一电极指状物上的第一端部、与相应的第二电极指状物相连的第二端部以及与C-平面垂直的平坦侧壁，所述端部的至少一个在C-平面中形成，所述平坦侧壁在从包括m-平面和a平面族的组中选择的平面中形成；在n-GaN柱状物侧壁和GaN柱状物第一端部上的多量子阱(MQW)层；以及在MQW层上的P-掺杂GaN (p-GaN)层。
[0019]根据本发明，提出了一种具有平坦表面的三维氮化镓(GaN)柱状物结构的发光二极管(LED)，所述LED包括:在衬底上的η-掺杂GaN(n-GaN)膜，包括具有多个开口的第一区域、以及第二区域，每一个开口具有垂直于与n-GaN膜的上表面对准的c_平面的平坦侧壁，并且平坦侧壁形成在从包括m-平面和a平面族的组中选择的平面中；在n-GaN膜的第一区域上的多量子阱(MQW)层；在MQW层上的P-掺杂GaN(p-GaN)层；在n-GaN膜的第二区域上的第一金属层以形成第一电极；以及在p-GaN膜上的第二金属层以形成第二电极。
【专利附图】
【附图说明】
[0020][图1]图1是平坦氮化镓LED的部分截面图(现有技术)。
[0021][图2A]图2A是具有纹理表面的LED器件的部分截面图(现有技术)。
[0022][图2B]图2B是具有纹理表面的LED器件的部分截面图(现有技术)。
[0023][图2C]图2C是具有纹理表面的LED器件的部分截面图(现有技术)。
[0024][图3A]图3A描述了GaN微棒LED结构(现有技术)。
[0025][图3B]图3B描述了用微棒LED阵列制造的器件(现有技术)。
[0026][图4A]图4A是GaN三维(3D)结构的部分截面图.[0027][图4B]图4B是GaN三维(3D)结构的部分截面图.[0028][图5]图5是描述GaN3D阵列的部分截面图.[0029][图6A]图6A是图5的阵列的平面图.[0030][图6B]图6B是图5的阵列的平面图.[0031][图7]图7是示出了使用Cl2基等离子体干法刻蚀来刻蚀的GaN微柱状物阵列的透视图.[0032][图8]图8描述了沿N-极GaN的方向观看的GaN膜的截面示意图，以解释极性选择性刻蚀的机制。
[0033][图9]图9描述了由于刻蚀剂对于位错缺陷点的选择性侵袭导致的六边形形状的刻蚀坑。
[0034][图10A]图1OA描述了具有TMAH刻蚀剂中的等离子体干法刻蚀引入的缺陷的选择性GaN刻蚀。
[0035][图10B]图1OB描述了具有TMAH刻蚀剂中的等离子体干法刻蚀引入的缺陷的选择性GaN刻蚀。
[0036][图10C]图1OC描述了具有TMAH刻蚀剂中的等离子体干法刻蚀引入的缺陷的选择性GaN刻蚀。
[0037][图11]图11描述了作为圆形微柱刻蚀的副产品的六边形形状的GaN微柱。
[0038][图12A]图12A描述了针对组合的激光钻孔加各向异性湿法刻蚀工艺的可能刻蚀结构。
[0039][图12B]图12B描述了针对组合的激光钻孔加各向异性湿法刻蚀工艺的可能刻蚀结构。
[0040][图13A]图13A描述了通过三维纹理化增强的制造平坦蜂窝状LED结构的示范性工艺中的步骤。
[0041][图13B]图13B描述了通过三维纹理化增强的制造平坦蜂窝状LED结构的示范性工艺中的步骤。
[0042][图13C]图13C描述了通过三维纹理化增强的制造平坦蜂窝状LED结构的示范性工艺中的步骤。
[0043][图13D]图13D描述了通过三维纹理化增强的制造平坦蜂窝状LED结构的示范性工艺中的步骤。
[0044][图13E]图13E描述了通过三维纹理化增强的制造平坦蜂窝状LED结构的示范性工艺中的步骤。
[0045][图13F]图13F描述了通过三维纹理化增强的制造平坦蜂窝状LED结构的示范性工艺中的步骤。
[0046][图13G]图13G描述了通过三维纹理化增强的制造平坦蜂窝状LED结构的示范性工艺中的步骤。
[0047][图14A]图14A描述了用于制造微棒或柱状物LED器件的示范性工艺中的步骤。
[0048][图14B]图14B描述了用于制造微棒或柱状物LED器件的示范性工艺中的步骤。
[0049][图14C]图14C描述了用于制造微棒或柱状物LED器件的示范性工艺中的步骤。
[0050][图14D]图14D描述了用于制造微棒或柱状物LED器件的示范性工艺中的步骤。
[0051][图14E]图14E描述了用于制造微棒或柱状物LED器件的示范性工艺中的步骤。
[0052][图14F]图14F描述了用于制造微棒或柱状物LED器件的示范性工艺中的步骤。
[0053][图14G]图14G描述了用于制造微棒或柱状物LED器件的示范性工艺中的步骤。
[0054][图15]图15是说明了用于制造具有平坦表面的三维GaN柱状物结构的方法的流程图。
[0055][图16A]图16A是分别表示蜂窝状结构和三角形刻蚀的柱状物的扫描电子显微(SEM)图像。[0056][图16B]图16B是分别表示蜂窝状结构和三角形刻蚀的柱状物的扫描电子显微(SEM)图像。
[0057][图17A]图17A是另一种类型的GaN3D阵列的平面图。
[0058][图17B]图17B是另一种类型的GaN3D阵列的部分截面图。
[0059][图18A]图18A描述了用于制造微棒或柱状物LED器件的示范性工艺中的步骤。
[0060][图18B]图18B描述了用于制造微棒或柱状物LED器件的示范性工艺中的步骤。
[0061][图18C]图18C描述了用于制造微棒或柱状物LED器件的示范性工艺中的步骤。
[0062][图18D]图18D描述了用于制造微棒或柱状物LED器件的示范性工艺中的步骤。
[0063][图18E]图18E描述了用于制造微棒或柱状物LED器件的示范性工艺中的步骤。
[0064][图18F]图18F描述了用于制造微棒或柱状物LED器件的示范性工艺中的步骤。
[0065][图18G]图18G描述了用于制造微棒或柱状物LED器件的示范性工艺中的步骤。
[0066][图18H]图18H描 述了用于制造微棒或柱状物LED器件的示范性工艺中的步骤。
[0067][图181]图181描述了用于制造微棒或柱状物LED器件的示范性工艺中的步骤。
[0068][图18J]图18J描述了用于制造微棒或柱状物LED器件的示范性工艺中的步骤。
[0069][图18K]图18K描述了用于制造微棒或柱状物LED器件的示范性工艺中的步骤。
[0070][图19]图19是说明了使用具有平坦表面的三维GaN柱状物结构制造LED的备选方法的流程图。
[0071][图20A]图20A是具有平坦表面的三维GaN柱状物结构的LED的平面图。
[0072][图20B]图20B是具有平坦表面的三维GaN柱状物结构的LED的部分截面图。
[0073][图21A]图21A是相关类型的具有平坦表面的三维GaN柱状物结构的LED的平面图。
[0074][图21B]图2IB是相关类型的具有平坦表面的三维GaN柱状物结构的LED的截面图。
[0075][图22A]图22A是说明了使用具有平坦表面的三维GaN柱状物结构制造LED的方法的流程图。
[0076][图22B]图22B是说明了使用具有平坦表面的三维GaN柱状物结构制造LED的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0077]实施例1的描述
[0078][数学I]
[0079]图4A和4B是GaN三维(3D)结构的部分截面图。GaN 3D结构400包括GaN柱状物402和柱状物侧壁404。柱状物侧壁404形成于m_平面ι I ? I ? ),或a_平
面^2了0)。平面(m和a)的每一个族都包含6个面。针对m-平面族的六个面是
[l+--υ—:、!lOiUi, ;01i0j；0110k {1100J 和对于 a-平面族，面是
C'illO}, {1210], {1120}, {2H0}, (--20}和!。注意对于这些密勒指数，族是在(圆括号)中，面是在{花括号}中，而晶带轴是在[方括号]中。如图4B所示，GaN柱状物402典型地具有三角形图案。然而，可以替代地形成六边形形状的柱状物，参见图6B。
[0080]图5是描述GaN 3D阵列的部分截面图。阵列500包括具有上表面504的衬底502，包括GaN结构506的阵列。每一个GaN结构506具有附着至衬底上表面504的第一端部508以及在m-平面或a-平面中形成的侧壁510。典型地，衬底502是诸如蓝宝石、硅或碳化硅之类的材料。然而，阵列500不局限于任意具体的衬底材料。
[0081 ] 图6A和6B是图5的阵列的平面图。图5的GaN结构506是GaN柱状物。如图6A所示，GaN柱状物或微棒402可以具有三角形形状。如图6B所示，GaN柱状物具有六边形形状。如所示的，六边形形状的柱状物可以具有至少部分地延伸通过柱状物的孔或中空芯。
[0082]图17A和17B分别是另一种类型的GaN 3D阵列的平面图和部分截面图。阵列1700包括具有上表面1704的衬底1702。开口 1706的蜂窝状结构形成于GaN膜1708中。每一个开口 1706具有在m-平面或a-平面中形成的侧壁。典型地，在GaN膜1708中形成的开口 1706具有六边形形状。衬底1702可以是蓝宝石、硅或碳化硅。
[0083]在蓝宝石衬底上沉积的平坦GaN膜可以用于形成刻蚀的三维结构，例如棒或腔体，可以用作掺杂GaN层的后续外延生长模板，以实现具有非传统拓扑形状的LED器件。一般的制造方法使用诸如等离子刻蚀或激光烧蚀之类的技术来在GaN层中形成损坏区域、接着通过湿法刻蚀选择性地去除被损坏材料。通过GaN的结晶平面来形成最终形状，所述GaN的结晶平面具有非常低的刻蚀速率，并且具有针对器件制造的期望性质，例如低密度的位错和俘获状态。第一刻蚀步骤的一个方面是去除材料并且产生具有微棒或锥形腔体之类形状的损坏轮廓，适合将要制造的器件类型。诸如离子注入或喷砂之类的技术也可以用于形成损坏区域。湿法刻蚀步骤细化了初始形状，并且产生了具有低损伤的表面，可以制造高质量的器件。
[0084]一个方面形成了柱形模板，并且在模板上沉积制造LED所需的层以实现微棒LED，可以将微棒LED收获、沉积到新的衬底上、并且引线连接在一起以制造LED发射器的阵列。
[0085]平面LED结构的一种其他考虑是GaN的高折射率，其限制了可以发射到窄角锥的光的量。逃逸锥外部的光内反射，减少了器件效率。如上所述，已经设计了多种方式来增强传统平面器件的封装层的粗糙度作为允许更多光逃逸的手段。这里公开的结构通过在LED制造之前的η-型GaN起始材料中刻蚀表面纹理来改善光提取，与传统平面LED相比也增加了发光面积。
[0086]为了制造高性能的GaN基器件，GaN构图(B卩，刻蚀)技术是至关紧要的。如此生长的GaN的质量变化连同与“II1-氮化物”材料相关联的高键合能量，对于刻蚀工艺提出了独特的挑战。与刻蚀其他半导体材料类似，基于等离子体的干法刻蚀和基于化学试剂的湿法刻蚀是用于Gan构图的两种主要刻蚀技术。当与适当的湿法刻蚀技术相结合以去除烧蚀的材料并且进行热分解时，激光构图GaN膜也能够实现独特的结构。
[0087]用于GaN等离子体干法刻蚀的典型刻蚀气体是Cl2/Ar。添加氩气(或氦气)以稳定等离子体或者用于冷却目的。氩气的添加引起了表面的惰性离子轰击，导致了增强的各向异性刻蚀，同时氯基等离子体产生(挥发性)的化学副产品，诸如GaCl3。干法刻蚀工艺可以实现高刻蚀速率的高度各向异性的刻蚀，并且具有平滑的表面形态。使用Cl2基等离子体刻蚀GaN是期望的，因为氯基气体化学试剂广泛用于半导体器件的处理中。
[0088]图7是示出了使用Cl2基等离子体干法刻蚀来刻蚀的GaN微柱状物阵列的透视图。可以控制刻蚀参数。GaN中的缺陷对于刻蚀条件特别敏感，并且通过比周围材料刻蚀地更快或更慢来响应，最终形成了所示的坑或者草。
[0089]GaN等离子体干法刻蚀的一个方面是其易于产生离子感应损伤，可能使得基于GaN的器件性能退化。为了解决这一问题，可以将干法和湿法刻蚀技术进行组合，或者可以将激光烧蚀和湿法刻蚀技术进行组合。
[0090]如上所述，大多数传统工艺在异物衬底(例如蓝宝石或碳化硅)上沉积GaN。湿法刻蚀研究之前已经几乎专有地限制于(0001)朝向，因为直到最近，只有这种外延膜是可用的。已经说明了多种化学试剂能够侵袭GaN结晶系统中的特定平面，如表1所示。
[0091][表 1]
[0092]
【权利要求】
1.一种制造具有平坦表面的三维氮化镓(GaN)柱状物结构的方法，所述方法包括: 提供衬底； 在衬底的上表面上生长GaN膜； 在GaN膜的上表面中形成腔体； 在GaN膜上表面中湿法刻蚀腔体；以及 形成延伸至GaN膜中的平坦侧壁。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在GaN膜的上表面中形成腔体包括:使用从激光烧蚀、离子注入、喷砂和干法刻蚀组成的组中选择的工艺来形成腔体。
3.根据权利要求1所述的方法，其中在GaN膜的上表面中形成腔体包括:在C-平面上表面中形成腔体，并且 其中形成延伸至GaN膜中的平坦侧壁包括:在从m-平面和a_平面族组成的组中选择的平面中形成与C-平面垂直的侧壁。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在GaN膜上表面中湿法刻蚀腔体包括: 去除响应于形成腔体而损坏的GaN材料；以及 响应于遇到GaN膜中的C-平面、m-平面和a_平面而停止GaN材料的去除。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在GaN膜的上表面中形成腔体包括:在GaN膜中形成沿与C-平面晶带轴对准的方向延伸的腔体阵列；以及 其中形成延伸至GaN膜中的平坦侧壁包括:形成具有在从m-平面和a_平面族中选择的平面中的侧壁表面的多个GaN柱状物。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括: 在GaN膜的上表面中形成腔体之前，形成掩模，所述掩模包括暴露出GaN膜的上表面的孔阵列； 其中在GaN膜的上表面中形成腔体包括:在由掩模暴露出的GaN上表面的区域中干法刻蚀腔体； 其中在GaN膜中湿法刻蚀腔体包括:将腔体沿所有方向各向异性地延伸到GaN膜中； 其中形成具有平坦侧壁的GaN柱状物包括: 当遇到从m-平面和a-平面族选择的第一平面时，湿法刻蚀工艺减慢；以及形成具有从包括三角形和六边形的组中选择的形状的GaN柱状物，分别来自于第一平面中的多个相连接的侧壁。
7.根据权利要求3所述的方法，其中形成延伸到GaN膜中的平坦侧壁包括:响应于湿法刻蚀化学来选择GaN侧壁平面族。
8.根据权利要求5所述的方法，其中在GaN膜的上表面中形成腔体包括:将腔体的阵列激光烧蚀到GaN上表面中； 其中在GaN膜中湿法刻蚀腔体包括:将腔体沿所有方向各向异性地延伸到GaN膜中； 其中形成具有平 坦侧壁的GaN柱状物包括: 当遇到从m-平面和a-平面族选择的第一平面时，湿法刻蚀工艺减慢；以及形成具有从包括三角形和六边形的组中选择的形状的GaN柱状物，每一个均来自于第一平面中的多个相连接的侧壁。
9.根据权利要求1所述的方法，其中形成延伸到GaN膜中的平坦侧壁包括形成GaN柱状物；并且 所述方法还包括: 将GaN柱状物从衬底分离。
10.一种氮化镓(GaN)三维(3D)结构，包括: GaN柱状物；以及 在从m-平面和a-平面侧壁组成的组中选择的平面中形成的柱状物侧壁。
11.一种氮化镓(GaN)三维(3D)阵列，包括: 具有上表面的衬底； 在GaN膜中形成的开口的蜂窝状结构；以及 每一个开口具有在从m-平面和a-平面侧壁组成的组中选择的平面中形成的侧壁。
12.一种使用具有平坦表面的三维氮化镓(GaN)柱状物结构制造发光二极管(LED)的方法，所述方法包括: 形成多个GaN柱状物结构，每一个GaN柱状物结构如下形成: 形成具有第一端部、第二端部和与C-平面垂直的平坦侧壁的η-掺杂GaN(n-GaN)柱状物，所述端部的至少一个形成在C-平面中，并且所述平坦侧壁形成在从包括m-平面和a平面族的组中选择的平面中； 在n-GaN柱状物侧壁上形成多量子阱(MQW)层； 在MQW层上形成P-掺杂GaN(p-GaN)层； 在第一衬底上沉积多个GaN柱状物结构，其中η-掺杂GaN柱状物侧壁与第一衬底的上表面平行地对准； 将每一个GaN柱状物结构的第一端部与第一金属层相连以形成第一电极； 刻蚀每一个GaN柱状物结构的第二端部以暴露n-GaN柱状物的第二端部；以及 将每一个GaN柱状物结构的第二端部与第二金属层相连以形成第二电极。
13.根据权利要求12所述的方法，其中形成η-掺杂GaN柱状物包括: 在第二衬底上生长η-掺杂GaN膜； 在GaN膜的上表面中形成腔体； 在GaN膜上表面中湿法刻蚀腔体； 形成延伸到GaN膜中的平坦侧壁，所述平坦侧壁垂直于与GaN上表面对准的c_平面；以及 将每一个GaN柱状物的第一端部从第二衬底分离。
14.根据权利要求13所述的方法，其中形成在n-GaN柱状物侧壁上的MQW层以及在MQW层上的P-GaN包括:在将每一个GaN柱状物的第一端部从第二衬底分离之前，形成在n_GaN柱状物侧壁上的MQW层以及在MQW层上的p-GaN。
15.根据权利要求12所述的方法，还包括: 向第一衬底上表面提供多个第一电极指状物和相对的多个第二电极指状物； 其中在第一衬底上沉积多个GaN柱状物结构包括: 在墨水溶液中悬置GaN柱状物结构； 使墨水溶液在第一衬底上表面上流动； 在每一个第一电极指状物和对应的第二电极指状物之间产生具有第一电场强度的交流(AC)电场；以及 响应于所述电场，利用GaN柱状物结构桥接每一个第一电极指状物和对应的第二电极指状物之间的间隙。
16.根据权利要求15所述的方法，其中沉积多个GaN柱状物结构包括: 在用GaN柱状物结构桥接第一和第二电极指状物之间的间隙之后，增加电场强度以捕获GaN柱状物结构； 让溶剂在第一衬底上表面上流动；以及 响应于溶剂流动，去除没有被电场捕获的GaN柱状物结构。
17.根据权利要求16所述的方法，其中将每一个GaN柱状物结构的第一端部与第一金属层相连包括: 在第一衬底上表面和GaN柱状物结构上共形沉积Ni层；以及 在Ni层上共形沉积透明导体。
18.根据权利要求17所述的方法，其中刻蚀每一个GaN柱状物结构的第二端部以暴露n-GaN第二端部包括:在刻蚀每一个GaN柱状物结构的第二端部之前，刻蚀以去除在每一个GaN柱状物结构的第二端部上的透明导体和Ni层，以及 其中将每一个GaN柱状物结构的第二端部与第二金属层相连包括:在暴露的n-GaN上沉积金属互连层以连接至第二金属层。
19.一种使用具有平坦表面的三维氮化镓(GaN)柱状物结构制造发光二极管(LED)的方法，所述方法包括: 在衬底上生长η-掺杂(n-GaN)膜； 在n-GaN膜的第一区域中形成多个开口，每一个开口具有垂直于与n_GaN膜的上表面对准的C-平面的平坦侧壁，并且所述平坦侧壁形成在从包括m-平面和a平面族的组中选择的平面中； 在n-GaN膜的第一区域上形成多量子阱(MQW)层； 在MQW层上形成P-掺杂GaN(p-GaN)层； 在n-GaN膜的第二区域上沉积第一金属层以形成第一电极；以及 在P-GaN膜上沉积第二金属层以形成第二电极。
20.根据权利要求19所述的方法，其中在n-GaN膜中形成多个开口包括: 在n-GaN膜的上表面中形成腔体； 在n-GaN膜上表面中湿法刻蚀腔体；以及 形成延伸到n-GaN膜中的平坦侧壁。
21.一种具有平坦表面的三维氮化镓(GaN)柱状物结构的发光二极管(LED)，所述LED包括: 具有上表面的衬底，所述上表面包括在第一金属层中形成的多个第一电极指状物以及在第二金属层中形成 的多个相对的第二电极指状物； 多个GaN柱状物结构，每一个GaN柱状物结构桥接第一电极指状物和对应的第二电极指状物之间的间隙； 每一个GaN柱状物结构包括: η-掺杂GaN(n-GaN)柱状物，具有在对应的第一电极指状物上的第一端部、与对应的第二电极指状物相连的第二端部以及与C-平面垂直的平坦侧壁，所述端部的至少一个在C-平面中形成，所述平坦侧壁在从包括Π1-平面和a平面族的组中选择的平面中形成； 在n-GaN柱状物侧壁和GaN柱状物第一端部上的多量子阱(MQW)层；以及 在MQW层上的P-掺杂GaN (p-GaN)层。
22.根据权利要求21所述的LED，还包括: 在每一个GaN柱状物结构的ρ-GaN层上的Ni层； 在Ni层上的透明导体，其中Ni层和透明导体的组合将每一个GaN柱状物结构的p_GaN层电连接至对应的第一电极指状物；以及 插入到每 一个暴露的n-GaN柱状物的第二端部和下面的第二电极指状物之间的金属互连。
23.—种具有平坦表面的三维氮化镓(GaN)柱状物结构的发光二极管(LED)，所述LED包括: 在衬底上的η-掺杂GaN (n-GaN)膜，包括具有多个开口的第一区域、以及第二区域，每一个开口具有垂直于与n-GaN膜的上表面对准的C-平面的平坦侧壁、并且形成在从包括m-平面和a平面族的组中选择的平面中； 在n-GaN膜的第一区域上的多量子阱(MQW)层； 在MQW层上的P-掺杂GaN(p-GaN)层； 在n-GaN膜的第二区域上的第一金属层，以形成第一电极；以及 在P-GaN膜上的第二金属层，以形成第二电极。
【文档编号】C30B25/02GK103988321SQ201280061053
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2012年12月26日 优先权日:2011年12月27日
【发明者】马克·艾伯特·克劳德尔, 战长青, 保罗·J·舒勒 申请人:夏普株式会社