[發(fā)明專利]電注入三維GaN核殼結構Nano-LED及制造方法

有效

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• 申請日: 2019-12-18
• 公開（公告）號: CN110993755B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發(fā)明（設計）人: 劉宏偉;王鑫煒;高克;牛萍娟;張贊允;王迪
• 申請（專利權）人: 天津工業(yè)大學
• 主分類號: H01L33/06
• 分類號: H01L33/06;H01L33/14;H01L33/32;H01L33/00
• 代理公司: 天津市鼎和專利商標代理有限公司 12101
• 代理人: 蒙建軍

本發(fā)明公開了一種電注入三維GaN核殼結構Nano?LED及制造方法，涉及半導體發(fā)光技術領域，其特征在于：藍寶石襯底上刻蝕N型GaN納米柱；在N型GaN納米柱的底部和頂部制備SiO₂層或SiN_x鈍化層；在N型GaN納米柱側壁外延生長N型GaN得到的六方對稱N型GaN晶柱；在六方對稱N型GaN晶柱側壁上生長In_xGa_(1?x)N/GaN多量子阱和P型Al_xGa_(1?x)N漸變組分電子阻擋層；在P型Al_xGa_(1?x)N漸變組分電子阻擋層外生長P型GaN；在P型GaN外部外延生長N型重摻雜GaN層；在N型重摻雜GaN層外淀積透明ITO電極。本發(fā)明能夠提高器件輻射復合速率和內量子效率。

技術領域

本發(fā)明屬于半導體發(fā)光技術領域，特別是涉及一種電注入三維GaN核殼結構Nano-LED及制造方法。

背景技術

LED(Light Emitting Diode)是半導體二極管的一種，可以把電能轉化成光能，由一個PN結組成，具有單向導電性。當給發(fā)光二極管加上正向電壓后，電子空穴在量子阱內復合產(chǎn)生自發(fā)輻射發(fā)光。目前LED常用外延技術為襯底c面外延量子阱結構，量子阱受c面極化影響，電子空穴復合效率較低。三維GaN核殼結構Nano-LED為基于GaN非極化m面生長的納米尺度三維結構發(fā)光二極管。

不同于平面外延量子阱LED結構，三維GaN核殼結構Nano-LED由三維N-GaN納米柱核、包覆在納米核外面的GaN/InGaN量子阱及P型材料構成的殼層組成。早在2000年研究人員已經(jīng)在GaN非極性m面生長了平面量子阱結構，但受襯底線缺陷影響，器件發(fā)光效率不高，同時襯底制備成本過高也限制了該項技術的發(fā)展。直至2009年，K.Fujito等人通過HVPE制備了厚膜N半極性面GaN材料，并通過刻蝕得到良好的非極性面GaN，使在非極性面生長高性能GaN量子阱結構得到廣泛關注。

三維非極性面核殼結構LED與傳統(tǒng)平面結構LED相比，采用m面?zhèn)缺谕庋臃绞缴L，可以有效限制襯底缺陷導致的線位錯向有源區(qū)擴展。同時，利用高深寬比刻蝕GaN納米柱可以得到更大的側壁發(fā)光面積，對于同樣的驅動電流，較大的有源區(qū)面積會有效的降低載流子密度，避免過高的載流子注入導致的效率下降。與傳統(tǒng)的c面GaN發(fā)光二極管相比，生長在非極性或半極性平面上的量子阱顯著減少了自發(fā)極化和壓電極化，使量子阱內電子空穴波函數(shù)良好匹配，提高復合效率，降低輻射復合壽命。

如何合理設計電注入三維GaN核殼結構Nano-LED器件的材料結構和器件結構，使其能夠形成合理的電注入應用是目前需要解決的關鍵問題。

發(fā)明內容

本發(fā)明要解決的技術問題是：提供一種電注入三維GaN核殼結構Nano-LED及制造方法。該發(fā)明結合干法刻蝕和外延生長技術制備六方對稱N型GaN晶柱，并利用納米柱上下區(qū)域鈍化隔離納米柱的P和N型區(qū)域，使電子自N型納米柱注入器件量子阱，空穴自P區(qū)注入量子阱。同時，六方對稱N型GaN晶柱非極性面外延量子阱保證Nano-LED器件量子阱內電子空穴波函數(shù)空間重疊，提高器件輻射復合速率和內量子效率。

本發(fā)明為解決公知技術中存在的技術問題所采取的技術方案是：

本發(fā)明的第一目的是提供一種電注入三維GaN核殼結構Nano-LED，包括：藍寶石襯底；藍寶石襯底上采用自上而下刻蝕得到的N型GaN納米柱；N型GaN納米柱底部和頂部制備SiO₂層或SiN_x鈍化層；在N型納米柱側壁外延生長得到的六方對稱N型GaN晶柱；在六方對稱N型GaN晶柱側壁上生長的In_xGa_(1-x)N/GaN多量子阱和P型Al_xGa_(1-x)N漸變組分電子阻擋層；在P型Al_xGa_(1-x)N漸變組分電子阻擋層外生長P型GaN；在P型GaN外部外延生長N型重摻雜GaN；在N型重摻雜GaN層外淀積透明ITO電極。