[發(fā)明專利]降低GaN外延生長(zhǎng)位錯(cuò)集中的微納米結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110040708.6
• 申請(qǐng)日: 2011-02-18
• 公開（公告）號(hào): CN102176500A
• 公開（公告）日: 2011-09-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王敏銳;方運(yùn);張寶順;楊輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所
• 主分類號(hào): H01L33/22
• 分類號(hào): H01L33/22;H01L33/00
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及GaN等半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)領(lǐng)域的一種襯底結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，尤其涉及一種可有效控制和降低GaN材料生長(zhǎng)時(shí)位錯(cuò)集中的LED襯底微納米結(jié)構(gòu)，以提高LED抗靜電擊穿性能。

背景技術(shù)

發(fā)光二極管(LED)是一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能并具有二極管特性的電子器件。近年來(lái)，隨著GaN基藍(lán)光、綠光和紫外光LED技術(shù)飛速發(fā)展，LED已經(jīng)大量應(yīng)用于交通指示、裝飾照明和LCD背光等領(lǐng)域。即使是在普通照明領(lǐng)域，LED也具有替代傳統(tǒng)照明光源的巨大潛力和趨勢(shì)。作為新一代光源，LED具有體積小、重量輕、節(jié)能、環(huán)保、綠色健康和長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。LED的電光轉(zhuǎn)換效率、可靠性和成本是決定LED能否取代傳統(tǒng)照明光源的幾個(gè)關(guān)鍵因素。如果不能實(shí)現(xiàn)高可靠、長(zhǎng)壽命的LED光源，即使光效再好，高昂的維護(hù)成本必然限制其應(yīng)用。

LED的電光轉(zhuǎn)換效率由內(nèi)量子效率和外量子效率兩種效率轉(zhuǎn)換形式進(jìn)行表述。內(nèi)量子效率主要取決于外延材料的質(zhì)量及外延層的結(jié)構(gòu)，外量子效率則取決于襯底、芯片結(jié)構(gòu)及封裝技術(shù)。由于GaN材料與常用襯底材料藍(lán)寶石或者Si之間的晶格失配較大，導(dǎo)致在藍(lán)寶石或者Si襯底上生長(zhǎng)的GaN晶體具有較高的位錯(cuò)密度，造成載流子泄漏和非輻射復(fù)合中心增多等不良影響，使得器件內(nèi)量子效率下降，同時(shí)也降低了LED的可靠性。另一方面由于GaN材料折射率高于藍(lán)寶石襯底、空氣以及外部封裝樹脂，有源區(qū)產(chǎn)生的光子有70％在GaN層上下兩個(gè)界面處發(fā)生多次全反射，降低了器件的光提取效率，同時(shí)光多次反射被表面電極和材料有源區(qū)吸收產(chǎn)生大量熱量，也會(huì)影響器件工作的穩(wěn)定性。

為了提高GaN基LED的內(nèi)量子效率和外量子效率，解決辦法之一是在外延生長(zhǎng)制備LED芯片的GaN基材料之前，先在Si或者藍(lán)寶石襯底上制備微納米結(jié)構(gòu)，改變襯底上GaN材料的外延生長(zhǎng)過(guò)程，抑制材料中位錯(cuò)的向上延伸，提高器件內(nèi)量子效率。同時(shí)合理的微納米結(jié)構(gòu)能使原本在臨界角范圍外的光線通過(guò)微納米結(jié)構(gòu)的反射重新進(jìn)入到臨界角內(nèi)出射到芯片外部，提高了出光效率。目前，在Si或者藍(lán)寶石襯底上制備的微納米圖形的結(jié)構(gòu)基本是相互孤立的凸起點(diǎn)，這些孤立的凸起點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形狀為半球形、圓錐、三角棱錐、多面棱錐等，單元結(jié)構(gòu)之間為平面(圖1為圓錐狀結(jié)構(gòu)的藍(lán)寶石圖形襯底的SEM照片)。這類含有孤立凸起結(jié)構(gòu)的Si或者藍(lán)寶石的襯底可以顯著提高LED的取光效率，提高外量子效率，然而同時(shí)也出現(xiàn)外延時(shí)易在凸起結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生位錯(cuò)集中，局部形成高密度位錯(cuò)缺陷區(qū)或空洞，產(chǎn)生降低LED在大電流驅(qū)動(dòng)下的內(nèi)量子效率、降低器件的抗靜電擊穿能力和降低器件可靠性、壽命的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種降低GaN外延生長(zhǎng)位錯(cuò)集中的微納米結(jié)構(gòu)，其可以降低在Si和藍(lán)寶石等襯底上生長(zhǎng)GaN等外延材料時(shí)的位錯(cuò)集中現(xiàn)象，提高器件的抗靜電擊穿性能及芯片的出光效率。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

一種降低GaN外延生長(zhǎng)位錯(cuò)集中的微納米結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述微納米結(jié)構(gòu)的圖形由陣列排布的復(fù)數(shù)個(gè)封閉單元組成，每一封閉單元為由微納米凸起脊相互連接成的多邊形結(jié)構(gòu)，且每一封閉單元在平行于襯底表面的平面內(nèi)形成的各夾角之和為180°的整數(shù)倍；

所述多邊形結(jié)構(gòu)為三角形結(jié)構(gòu)或六邊形結(jié)構(gòu)，若為三角形結(jié)構(gòu)，其任一頂點(diǎn)和與該頂點(diǎn)相對(duì)的邊之間由平面結(jié)構(gòu)連接，且該兩者的間距為0.4～15μm，若為六邊形結(jié)構(gòu)，則其相互平行的兩條邊之間由平面結(jié)構(gòu)連接，且該兩者的間距也為0.4～15μm；

所述微納米凸起脊的垂直截面為圓錐形或頂點(diǎn)與底邊兩個(gè)端點(diǎn)之間各由兩條曲線連接的多邊形截面結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的講，所述多邊形截面的頂角為20～160°，底邊長(zhǎng)度為0.2～8μm，截面頂邊與底邊之間的垂直距離為0.2-3μm。

如上所述的降低GaN外延生長(zhǎng)位錯(cuò)集中的微納米結(jié)構(gòu)在制備發(fā)光二極管和生長(zhǎng)GaN基外延材料中的應(yīng)用。

與傳統(tǒng)孤立凸起(如圖1所示)結(jié)構(gòu)的LED圖形襯底外延生長(zhǎng)GaN等材料時(shí)，先在底部平面區(qū)成核，然后GaN材料逐漸向上生長(zhǎng)，產(chǎn)生的位錯(cuò)在凸起結(jié)構(gòu)頂部區(qū)域集中，從而導(dǎo)致局部高位錯(cuò)密度缺陷區(qū)和孔洞缺陷的技術(shù)不同，本發(fā)明提出的微納米結(jié)構(gòu)可以將外延生長(zhǎng)時(shí)的位錯(cuò)缺陷分布在互相連接的凸起脊的頂部上，避免了生長(zhǎng)過(guò)程中的位錯(cuò)集中，避免出現(xiàn)局部高位錯(cuò)密度缺陷區(qū)，提高LED器件的抗靜電擊穿能力和壽命，同時(shí)凸起脊結(jié)構(gòu)還有利于提高LED的取光效率。

附圖說(shuō)明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中具有圓錐狀結(jié)構(gòu)的藍(lán)寶石圖形襯底結(jié)構(gòu)的電鏡照片；

圖2是本發(fā)明一較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；