[發明專利]柵極調制垂直結構GaN基發光二極管的器件結構及制備方法

有效

• 申請號: 201010534772.5
• 申請日: 2010-11-03
• 公開（公告）號: CN102064261A
• 公開（公告）日: 2011-05-18
• 發明（設計）人: 劉志強;郭恩卿;伊曉燕;汪煉成;王國宏;李晉閩
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L33/36
• 分類號: H01L33/36;H01L33/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 湯保平

技術領域

本發明用于半導體光電子器件制造技術領域，具體涉及到一種新型的柵極調制垂直結構GaN基發光二極管的器件結構和制備方法。

背景技術

GaN基半導體是新型的寬禁帶直接帶隙半導體材料，具有優異的物理、化學性質。基于InGaN量子阱結構的大功率LED是當前半導體光電子研究領域的熱點和相關產業發展龍頭。當前III族氮化物在彩色顯示、裝飾照明燈諸多領域得到了廣泛應用。

量子阱發光結構是量子物理在光電子領域應用的典型范例，當量子阱厚度減小到納米量級后，載流子態密度呈階梯狀分布，從而在相同注入水平下，更容易實現電子、空穴復合，獲得波長穩定，譜線更窄的光發射譜。然而，釬鋅礦結構的III族氮化物具有六方晶體結構，其對稱性不及立方晶相結構，具有很強的自發極化場；另外與傳統的GaAs體系量子阱結構比較，InGaN/GaN體系間存在更大的晶格失配，在晶格應力的作用下導致更強的壓電極化電場，通常可以達到MV/cm，引起顯著的量子限制Stark效應。在極化電場作用下，量子阱中導帶電子與價帶空穴波函數空間分離，電子、空穴復合幾率降低，從而降低輻射復合效率。此外，受極化效應影響，隨注入電流增加，LED發光波長發生偏移，通常可以達到3-5nm。發光波長的漂移在實際應用中將產生如下問題：在顯示方面，波長變化將導致全彩色顯示控制極為困難，同時光譜太寬會導致色彩不純；在白光照明領域，由于藍光波長的變化將造成白光的顏色或色溫發生變化.

本發明之前，通常通過優化外延生長，利用晶格匹配量子阱結構或非極性面生長等手段降低極化效應，但效果并不理想。

發明內容

本發明的目的在于提供了一種新型的柵極調制垂直結構GaN基發光二極管的器件結構及制備方法。該結構通過柵極絕緣介質及柵電極，利用外加電場，平衡InGaN/GaN體系由于自發極化、壓電極化所產生的極化電場。降低極化效應對器件特性的影響，實現柵電極對GaN基LED發光特性的調制。本發明為降低III族氮化物發光器件極化效應，制備高效，具有良好波長一致性GaN基LED提供了一種有效途徑。

本發明的技術方案如下：

本發明提供一種柵極調制垂直結構GaN基發光二極管結構，包括：

一導電襯底；

一p型GaN層，該p型GaN層制作在導電襯底上；

一多量子阱有源層，該多量子阱有源層制作在p型GaN層上；

一n型GaN層，該n型GaN層制作在多量子阱有源層上；

一N電極，該N電極制作在n型GaN層上面的中間；

一柵極絕緣層，該柵極絕緣層制作在n型GaN層上沒有N電極的部分，并圍繞N電極；

一柵電極，制作在柵極絕緣層上。

其中柵極絕緣層的材料為SiO₂、SiN或SiON，該柵極絕緣層的厚度為0.001-0.1um。

其中柵電極為金屬電極或透明導電電極，該柵電極可以實現對垂直結構GaN基發光二級管特性的調制。

其中n型GaN層的厚度為1-10um。

本發明提供一種柵極調制垂直結構GaN基發光二極管結構的制備方法，其中包括如下步驟：

步驟1：藍寶石襯底上依次生長n型GaN層、多量子阱有源層和p型GaN層；

步驟2：通過熱壓鍵合或電鍍在p型GaN層的下表面制備導電襯底；

步驟3：通過激光剝離工藝，將藍寶石襯底與n型GaN層分離；

步驟4：通過干法刻蝕或濕法腐蝕的方法，減薄n型GaN層，減薄后n型GaN層的厚度為0.001-2um；

步驟5：采用光刻的技術，在n型GaN層上的中間制作N電極；

步驟6：在n型GaN層上沒有N電極的區域制備柵極絕緣層，并圍繞N電極；

步驟7：在柵極絕緣層上制備柵電極。

其中柵極絕緣層是通過沉積或濺射制備，柵極絕緣層的材料為SiO₂、SiN或SiON。

其中柵極絕緣層的厚度為0.001-0.1um。

其中柵電極是利用光刻、帶膠剝離工藝制備，柵電極為金屬電極或透明導電電極，該柵電極可以實現對GaN基發光二級管特性的調制。

通過干法刻蝕后濕法腐蝕后，垂直結構N-GaN厚度在0.005-2um。

附圖說明

為進一步說明本發明的內容，以下結合具體的實施方式對本發明做詳細的描述，其中：

圖1是GaN基垂直結構功率型LED外延材料的剖面示意圖，在藍寶石襯底1上采用外延的方法生長n-GaN層2，有源層3，p-GaN層4；