專利名稱：一種半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，具體涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制備方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)，是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化為光能。自20世紀(jì) 80年代開始，發(fā)光二極管已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但主要局限于單色或雙色圖文顯示屏。發(fā)光 二極管由一個PN結(jié)組成，具有單向?qū)щ娦?。?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入 到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū) 的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自輻射的熒光。用于發(fā)光二極管的半導(dǎo)體材料主要是III-V族的化合物。其中，Ga化合物如氮化 鎵(GaN)和氮化銦鎵(GaInN)由于具有很好的耐熱性和環(huán)境適應(yīng)性等優(yōu)點被廣泛用于發(fā)光 二極管。以GaN為基礎(chǔ)的高亮度LED還具有體積小、壽命長、功耗低等優(yōu)點。在近十年來， GaN藍(lán)光發(fā)光二極管在全色彩顯示顯像器件方面得到了廣泛的應(yīng)用。GaN基藍(lán)光發(fā)光二極管是基于GalnN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)的，所述的量子阱結(jié)構(gòu)即指 選擇合適的半導(dǎo)體材料作為基體，然后在所述基體上交替沉積GaInN膜層和GaN膜層得到 量子阱結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)有技術(shù)中，常用的半導(dǎo)體材料有如藍(lán)寶石等。本文中的術(shù)語“量子阱結(jié) 構(gòu)”是指本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的由兩種不同的半導(dǎo)體材料相間排列形成的、具有明顯量子 限制效應(yīng)的電子或空穴的勢阱。在GalnN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)中，GaInN被稱為阱層，GaN被稱 為勢壘層。在現(xiàn)有技術(shù)中，制備GalnN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)時，是在半導(dǎo)體材料基體上交替沉積 連續(xù)片狀的GaInN阱層和GaN勢壘層，然后再根據(jù)產(chǎn)品需要將GaInN阱層和GaN勢壘層切成 合適的面積?，F(xiàn)有技術(shù)的缺點在于，GaInN阱層和GaN勢壘層是連續(xù)分布的，因此導(dǎo)致LED 顯示屏的分辨率比較有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題在于，提供一種具有高分辨率的半導(dǎo)體發(fā)光器件，本發(fā)明 還提供一種制備所述半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括襯底；在所述襯底上具有氧化硅膜層；在所述氧化硅膜層上具有點陣排列的圓孔，所述圓孔的深度與氧化硅膜層的深度 相等，在所述圓孔上具有η型GaN膜；在所述η型GaN膜上具有至少一個周期的GalnN/GaN量子阱；在所述GalnN/GaN量子阱上具有ρ型GaN膜。優(yōu)選的，所述襯底為鋁酸鋰晶體襯底。優(yōu)選的，所述氧化硅膜層的厚度為IOOnm 300nm或所述點陣排列的圓孔的直徑為30nm 60nm或所述點陣排列的相鄰圓孔中心之間的距離為90nm 180nm。優(yōu)選的，所述GalnN/GaN量子阱中GaInN阱層的厚度為3nm 5nm、GaN勢壘層厚 度為5nm 15nm。優(yōu)選的，所述鋁酸鋰晶體襯底為(100)晶面的鋁酸鋰晶體襯底，所述GalnN/GaN量 子阱為(10-10)面的GalnN/GaN量子阱。優(yōu)選的，所述鋁酸鋰晶體襯底為(302)晶面的鋁酸鋰晶體襯底，所述GalnN/GaN量 子阱為(11-20)面的GalnN/GaN量子阱。本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體發(fā)光器件的制備方法，包括在襯底上沉積氧化硅膜層；在所述氧化硅膜層上用飛秒激光蝕刻點陣排列的圓孔，通過所述點陣排列的圓孔 使氧化硅膜層下面的襯底暴露出來；在所述暴露出來的襯底上生長η型GaN膜；在所述η型GaN膜上生長至少一個周期的GalnN/GaN量子阱。優(yōu)選的，所述襯底為鋁酸鋰晶體襯底。優(yōu)選的，所述點陣排列的圓孔的直徑為30nm 60nm。優(yōu)選的，所述點陣排列的圓孔中心之間的距離為90nm 60nm。優(yōu)選的，所述制備方法還包括對所述半導(dǎo)體發(fā)光器件在600 800°C下退火0. 1 1小時進行激活。本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體發(fā)光器件。所述半導(dǎo)體發(fā)光器件包括襯底和襯底上的氧化 硅膜層，在氧化硅膜層上有點陣排列的圓孔，在圓孔內(nèi)形成η型GaN膜，在η型GaN膜上有 至少一個周期的GalnN/GaN量子阱；在所述的GalnN/GaN量子阱上生長一層ρ型GaN膜。本發(fā)明提供的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，GalnN/GaN量子阱呈點陣排列，與連續(xù)分布的片 狀的量子阱結(jié)構(gòu)相比，點陣排列的GalnN/GaN量子阱可以提高LED顯示屏的分辨率。在一種優(yōu)選的實施方式中，所述襯底為鋁酸鋰晶體襯底，與傳統(tǒng)的藍(lán)寶石襯底相 比，鋁酸鋰晶體襯底與GaN的失配度小，且在鋁酸鋰晶體襯底上可以制備非極性的GaInN/ GaN量子阱結(jié)構(gòu)，因此不但可以獲得更高的內(nèi)量子效率從而提高二極管的發(fā)光效率，而且還 可以實現(xiàn)偏振光輸出。本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法。按照本發(fā)明的方法，現(xiàn)在襯底上沉積 氧化硅膜層，然后在氧化硅膜層上用飛秒激光蝕刻點陣排列的圓孔，然后在圓孔內(nèi)沉積η 型GaN膜，在η型GaN膜上沉積至少一個周期的GalnN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有技術(shù)中的連 續(xù)分布的片狀的GalnN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明提供的方法制備的點陣排列的GaInN/ GaN量子阱可以提高LED顯示屏的分辨率。


圖1為本發(fā)明提供的半導(dǎo)體發(fā)光器件的一種實施方式的示意圖；圖2為圖1所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件的外觀示意圖。
具體實施例方式請參見圖1和圖2，為本發(fā)明一種實施方式提供的半導(dǎo)體發(fā)光器件的示意圖。圖1為所述半導(dǎo)體發(fā)光器件的剖視圖，圖2為圖1的半導(dǎo)體發(fā)光器件的外觀示意圖。所述半導(dǎo) 體發(fā)光器件包括襯底11，在襯底11上具有氧化硅膜層12，在氧化硅膜層12上有點陣排列 的圓孔13，在所述圓孔13內(nèi)具有η型GaN膜，在η型GaN膜上具有三個周期的GaInN阱層 14和GaN勢壘層15形成的量子阱結(jié)構(gòu)；在所述量子阱結(jié)構(gòu)上，還包括一層ρ型GaN膜16本發(fā)明所述點陣排列的圓孔是指按照特定距離排列的多個圓孔，可以呈本領(lǐng)域技 術(shù)人員熟知的矩形陣列，即先由多個距離相等的圓孔排成一個行，再由所述多個行按照相 等的距離排列形成矩形陣列，所述點陣排列的圓孔也可以為圓周陣列，即由多個相等距離 的圓孔形成一個圓圈，再由多個所述的同心圓圈形成圓周陣列。對于圓孔的數(shù)量本發(fā)明并 無特別的限制，優(yōu)選10個/ μ m2 100個/ μ m2，更優(yōu)選為10個/ μ m2 50個/ μ m2。本發(fā)明的一個制備量子阱結(jié)構(gòu)的實施方案，包括在襯底上沉積氧化硅膜層；在所述氧化硅膜層上用飛秒激光蝕刻周期性圓孔，通過所述周期性圓孔使氧化硅 膜層下面的襯底暴露出來；在所述暴露出來的襯底上生長η型GaN膜；在所述η型GaN膜上生長多個周期的GalnN/GaN量子阱；在所述的GalnN/GaN量子阱上生長一層ρ型GaN膜。按照本發(fā)明，所述襯底可以為藍(lán)寶石襯底或鋁酸鋰晶體襯底，優(yōu)選為鋁酸鋰晶體 襯底，更優(yōu)選為為(100)晶面或(302)晶面的鋁酸鋰晶體襯底，所述鋁酸鋰晶體襯底表面應(yīng) 當(dāng)光滑，均方根粗糙度優(yōu)選小于20埃，更優(yōu)選小于10埃，更優(yōu)選小于5埃。在鋁酸鋰晶體 襯底上沉積氧化硅膜層時，可以采用磁控濺射或者化學(xué)沉積的方法沉積氧化硅膜層，但不 限于此。對于氧化硅膜層的厚度，優(yōu)選為IOOnm 300nm，更優(yōu)選為120nm 280nm，更優(yōu)選 為 150nm 200nm，更優(yōu)選為 160nm 190nm。在鋁酸鋰晶體襯底上沉積氧化硅膜層后，用飛秒激光在所述氧化硅膜層上蝕刻點 陣排列的圓孔。所述飛秒激光是指脈沖持續(xù)時間在10_15數(shù)量級的超短脈沖激光。利用飛 秒激光在所述氧化硅膜層上蝕刻周期性圓孔時，飛秒激光的聚焦功率密度優(yōu)選為lj/cm2 20J/cm2，更優(yōu)選為 2J/cm2 10J/cm2，更優(yōu)選為 3J/cm2 8J/cm2。對于所述周期性圓孔的直徑，優(yōu)選為20nm lOOnm，更優(yōu)選為25nm 80nm，更優(yōu) 選為30nm 60nm，更優(yōu)選為40nm 50nm。對于所述周期性圓孔的相鄰圓孔中心之間的 距離，優(yōu)選為50nm 200nm，更優(yōu)選為60nm 180nm，更優(yōu)選為90nm 180nm，更優(yōu)選為 IOOnm 150nmo對于所述周期性圓孔的深度，應(yīng)使氧化硅膜層下面的鋁酸鋰晶體襯底暴露出來， 這樣，可以進一步在暴露出來的鋁酸鋰晶體襯底上生長η型GaN膜。在所述暴露出來的鋁 酸鋰晶體襯底上沉積η型GaN膜時，優(yōu)選采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的金屬有機化學(xué)氣相沉 積(MOCVD)的方法，對于η型GaN膜的厚度，優(yōu)選正好將所述周期性的圓孔填平即可。沉積η型GaN膜后，繼續(xù)在所述η型GaN膜上沉積多個周期的GalnN/GaN量子講， 對于沉積GalnN/GaN量子阱的方法，優(yōu)選使用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的金屬有機化學(xué)氣相沉 積方法。沉積GalnN/GaN量子阱時，優(yōu)選沉積至少2個周期的GalnN/GaN量子阱，更優(yōu)選沉 積3 10個周期的GalnN/GaN量子阱，更優(yōu)選沉積3 6個周期的GalnN/GaN量子阱。在所述GalnN/GaN量子阱中，對于GaInN阱的厚度，優(yōu)選為Inm 8nm，更優(yōu)選為2nm 6nm，更優(yōu)選為Ml 5nm，對于GaN勢壘層的厚度，優(yōu)選為3nm 20nm，更優(yōu)選為 5nm 15nm，更優(yōu)選為7nm 10歷。沉積GalnN/GaN量子阱后，在所述量子阱上沉積ρ型 GaN膜層，對于ρ型GaN膜層的厚度，優(yōu)選為30nm-300nm，更優(yōu)選為50nm-100nm。沉積ρ型GaN膜層得到半導(dǎo)體光學(xué)器件后，還可以將所述半導(dǎo)體光學(xué)器件在 600 800°C下退火0. 1 1小時進行激活。當(dāng)選用的鋁酸鋰晶體為(100)晶面時，可以沉積得到(10-10)面的非極性GaInN/ GaN量子阱，當(dāng)選用的鋁酸鋰晶體為(302)晶面時，可以沉積得到(10-20)面的非極性 GalnN/GaN 量子阱。為了進一步了解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明提供的在鋁酸鋰晶體襯底上制 備GalnN/GaN量子阱的方法進行描述。實施例1準(zhǔn)備均方根粗糙度為5埃的(100)晶面的鋁酸鋰晶體襯底，在所述鋁酸鋰晶體襯 底上化學(xué)氣相沉積厚度為IOOnm的氧化硅膜層；用飛秒脈沖激光以3J/em2的聚焦功率密度在所述氧化硅膜層上蝕刻呈矩形排列 的圓孔，所述矩形陣列的每行中相鄰的圓孔的距離與相鄰行之間的距離相等，每個圓孔直 徑為30nm，每行中相鄰圓孔中心間距為90nm，圓孔深度為lOOnm，通過所述圓孔，將氧化硅 膜層下面的鋁酸鋰晶體襯底暴露出來；在暴露出來的鋁酸鋰晶體襯底上用金屬化學(xué)氣相沉積的方法沉積IOOnm的η型 GaN膜，所述η型GaN膜正好將圓孔填平；然后在所述η型GaN膜上用金屬化學(xué)氣相沉積的方法沉積3個周期的GalnN/GaN 量子阱，其中，GaInN阱層厚度為3nm，GaN勢壘阱層厚度為5nm(納米)，這樣，在鋁酸鋰晶體 襯底上即得到非極性的(10-10)面的GalnN/GaN點陣量子阱結(jié)構(gòu)；再在所述的GalnN/GaN 量子阱上生長一層30納米的ρ型GaN膜；最后對該結(jié)構(gòu)在60(TC下退火0. 1小時進行激活。實施例2準(zhǔn)備均方根粗糙度為4埃的(302)晶面的鋁酸鋰晶體襯底，在所述鋁酸鋰晶體襯 底上化學(xué)氣相沉積厚度為300nm的氧化硅膜層；用飛秒脈沖激光以8J/cm2的聚焦功率密度在所述氧化硅膜層上蝕刻呈矩形陣列 的圓孔，所述矩形陣列的每行中相鄰的圓孔的距離與相鄰行之間的距離相等，每個圓孔直 徑為60nm，每行中相鄰圓孔中心間距為180nm，圓孔深度為300nm，通過所述圓孔，將氧化硅 膜層下面的鋁酸鋰晶體襯底暴露出來；在暴露出來的鋁酸鋰晶體襯底上用金屬化學(xué)氣相沉積的方法沉積300nm的η型 GaN膜，所述η型GaN膜正好將圓孔填平；然后在所述η型GaN膜上用金屬化學(xué)氣相沉積的方法沉積6個周期的GalnN/GaN 量子阱(GaN在SiO2掩膜上無法成核生長)，其中，GaInN阱層厚度為3nm，GaN勢壘阱層厚 度為5nm(納米)，這樣，在鋁酸鋰晶體襯底上即得到非極性的(11-20)面的GalnN/GaN點陣 量子阱結(jié)構(gòu)；在所述的GalnN/GaN量子阱上生長一層200納米的ρ型GaN膜。最后對該結(jié) 構(gòu)在750°C下退火0. 5小時進行激活。實施例3準(zhǔn)備均方根粗糙度為3埃的(302)晶面的鋁酸鋰晶體襯底，在所述鋁酸鋰晶體襯底上化學(xué)氣相沉積厚度為200nm的氧化硅膜層；用飛秒脈沖激光以5J/cm2的聚焦功率密度在所述氧化硅膜層上蝕刻呈矩形點陣 排列的圓孔，所述矩形陣列的每行中相鄰的圓孔的距離與相鄰行之間的距離相等，每個圓 孔直徑為45nm，每行中相鄰圓孔中心間距為150nm，圓孔深度為200nm，通過所述圓孔，將氧 化硅膜層下面的鋁酸鋰晶體襯底暴露出來；在暴露出來的鋁酸鋰晶體襯底上用金屬化學(xué)氣相沉積的方法沉積200nm的η型 GaN膜，所述η型GaN膜正好將圓孔填平；然后在所述η型GaN膜上用金屬化學(xué)氣相沉積的方法沉積5個周期的GalnN/GaN 量子阱(GaN在SiO2掩膜上無法成核生長)，其中，GaInN阱層厚度為4nm，GaN勢壘阱層厚 度為IOnm(納米)，這樣，在鋁酸鋰晶體襯底上即得到非極性的(11-20)面的GalnN/GaN點 陣量子阱結(jié)構(gòu)；在所述的GalnN/GaN量子阱上生長一層300納米的ρ型GaN膜；最后對該結(jié) 構(gòu)在800°C下退火1小時進行激活。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的半導(dǎo)體發(fā)光器件中GalnN/GaN量子阱呈點陣排 列，與連續(xù)分布的片狀的量子阱結(jié)構(gòu)相比，點陣排列的GalnN/GaN量子阱可以提高LED顯示 屏的分辨率。當(dāng)選擇鋁酸鋰晶體襯底時，鋁酸鋰晶體襯底與GaN的失配度小，且在鋁酸鋰晶 體襯底上可以制備非極性的GalnN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)，因此不但可以獲得更高的內(nèi)量子效率 從而提高二極管的發(fā)光效率，而且還可以實現(xiàn)偏振光輸出。以上對本發(fā)明提供的半導(dǎo)體發(fā)光器件以及制備方法進行了詳細(xì)的介紹。本文中應(yīng) 用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理 解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離 本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā) 明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括襯底；在所述襯底上具有氧化硅膜層；在所述氧化硅膜層上具有點陣排列的圓孔，所述圓孔的深度與氧化硅膜層的深度相等，在所述圓孔內(nèi)具有n型GaN膜；在所述n型GaN膜上具有至少一個周期的GaInN/GaN量子阱；在所述GaInN/GaN量子阱上具有p型GaN膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于，所述襯底為鋁酸鋰晶體襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于，所述氧化硅膜層的厚度為 IOOnm 300nm或所述點陣排列的圓孔的直徑為30nm 60nm或所述點陣排列的相鄰圓孔 中心之間的距離為90nm 180nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于，所述GalnN/GaN量子阱中 GaInN阱層的厚度為3nm 5nm、GaN勢壘層厚度為5nm 15nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4任一項所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于，所述鋁酸鋰晶體襯 底為(100)晶面的鋁酸鋰晶體襯底，所述GalnN/GaN量子阱為(10-10)面的GalnN/GaN量 子阱。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至4任一項所述的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其特征在于，所述鋁酸鋰晶體襯 底為(302)晶面的鋁酸鋰晶體襯底，所述GalnN/GaN量子阱為(11-20)面的GalnN/GaN量 子阱。
7.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件的制備方法，包括 在襯底上沉積氧化硅膜層；在所述氧化硅膜層上用飛秒激光蝕刻點陣排列的圓孔，通過所述點陣排列的圓孔使氧 化硅膜層下面的襯底暴露出來；在所述暴露出來的襯底上生長η型GaN膜；在所述η型GaN膜上生長至少一個周期的GalnN/GaN量子阱；所述的GalnN/GaN量子阱上生長一層ρ型GaN膜；
8.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于，所述襯底為鋁酸鋰晶體襯底。
9.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于，所述點陣排列的圓孔的直徑為 30nm 60nm或者所述點陣排列的相鄰圓孔中心之間的距.離為90nm 180nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于，還包括對所述半導(dǎo)體發(fā)光器件在 600 800°C下退火0. 1 1小時進行激活。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括襯底；在所述襯底上具有氧化硅膜層；在所述氧化硅膜層上具有點陣排列的圓孔，所述圓孔的深度與氧化硅膜層的深度相等，在所述圓孔內(nèi)具有n型GaN膜；在所述n型GaN膜上具有至少一個周期的GaInN/GaN量子阱；在所述的GaInN/GaN量子阱上具有p型GaN膜。本發(fā)明提供的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，GaInN/GaN量子阱呈點陣排列，與在襯底上直接外延得到的量子阱結(jié)構(gòu)相比，點陣排列的GaInN/GaN量子阱可以提高LED顯示屏的分辨率。
文檔編號H01L27/15GK101958333SQ20091005507
公開日2011年1月26日 申請日期2009年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月20日
發(fā)明者侯曉燕, 周穎圓, 李抒智, 楊衛(wèi)橋, 熊峰, 王康平, 馬可軍 申請人:上海半導(dǎo)體照明工程技術(shù)研究中心