GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其制造方法。所述GaN基LED外延結(jié)構(gòu)包括：襯底；在所述襯底上外延生長(zhǎng)的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，其中所述襯底是含光致發(fā)光熒光材料的襯底。通過使用稀土元素?fù)诫sRe3Al5O12襯底，使得LED外延結(jié)構(gòu)的光電效率提高、并且降低了器件的發(fā)熱量；由于LED外延層結(jié)構(gòu)是以熒光材料為襯底，由該外延結(jié)構(gòu)制備的LED芯片可實(shí)現(xiàn)直接的白光發(fā)射，從而簡(jiǎn)化了白光LED光源的制備工序，降低了生產(chǎn)成本；通過先外延、然后圖形化襯底、再進(jìn)行側(cè)向生長(zhǎng)GaN基外延結(jié)構(gòu)降低了外延結(jié)構(gòu)的缺陷密度。
【專利說明】GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子器件領(lǐng)域，具體地涉及一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(Light Emitting D1de-LED)可以直接把電能轉(zhuǎn)化為光能。LED芯片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一部分是N型半導(dǎo)體，在它里面電子占主導(dǎo)地位。當(dāng)這兩種半導(dǎo)體連接起來的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)“P-N結(jié)”。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個(gè)芯片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。
[0003]LED作為一種新型光源，由于具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、啟動(dòng)速度快、能控制發(fā)光光譜和禁止帶幅的大小使色彩度更高等傳統(tǒng)光源無可比擬的優(yōu)勢(shì)而得到了空前的發(fā)展。目前，白光LED在照明淋雨的用途越來越廣泛。一般而言，LED通常有兩種產(chǎn)生白光的主要方法，一種是使用發(fā)射紅、綠、藍(lán)的三個(gè)單色二極管，混色形成白光；另一種是使用熒光材料將藍(lán)或紫外LED發(fā)出的單色光轉(zhuǎn)換成寬頻譜的白色光。其中前一種方法產(chǎn)生的白光主要應(yīng)用于大屏幕顯示技術(shù)，而后一種方法產(chǎn)生的白光主要應(yīng)用于照明與背光源。
[0004]對(duì)于后一種白光技術(shù)，日本日亞公司擁有該領(lǐng)域的開創(chuàng)性發(fā)明(US5998925A):米用藍(lán)色GaN芯片激發(fā)YAG黃色熒光粉而獲得白光。該專利的發(fā)明點(diǎn)在于釔鋁石榴石熒光粉，該熒光粉吸收450nm至470nm波長(zhǎng)藍(lán)光，激發(fā)產(chǎn)生550nm至560nm波長(zhǎng)黃光，具有成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)于普通藍(lán)光或紫外LED芯片，其光電轉(zhuǎn)換效率一般低于30%。即使是目前最好的LED芯片，其光電轉(zhuǎn)換效率也不會(huì)高于50 %。因此LED在發(fā)光時(shí)將伴隨產(chǎn)生大量的熱。一般在點(diǎn)亮的芯片周圍，溫度會(huì)到達(dá)150攝氏度至200攝氏度。這樣的溫度將造成熒光粉的效率下降20-30%，從而產(chǎn)生光源的色溫與色坐標(biāo)的偏移，同時(shí)也影響了 LED光源的光效與穩(wěn)定性。而釔鋁石榴石(YAG)熒光粉在120攝氏度以上的溫度會(huì)發(fā)生退化；由于涂敷的熒光粉材料為非透明材料，在藍(lán)光或紫外芯片發(fā)出的光通過YAG熒光粉時(shí)會(huì)發(fā)生散射吸收等現(xiàn)象，使得出光效率不高；同時(shí)由于涂敷厚度的不均勻會(huì)嚴(yán)重影響其光斑和白光色溫。例如由于涂敷不均勻造成的黃色光圈、藍(lán)色光斑、白光色溫不一致等問題。
[0005]同時(shí)目前GaN基LED外延片多使用藍(lán)寶石為襯底材料，藍(lán)寶石晶體結(jié)構(gòu)雖然與GaN相同(六方對(duì)稱的纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu))，但與GaN材料晶格失配度大，達(dá)到13%，易導(dǎo)致GaN外延層的高位錯(cuò)密度，位錯(cuò)密度可以高至108-109/cm2。高位錯(cuò)密度造成發(fā)光效率下降，并導(dǎo)致大量熱耗散，從而導(dǎo)致芯片光衰。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中LED的光電轉(zhuǎn)換效率低、發(fā)熱大、藍(lán)寶石襯底與GaN材料晶格失配大、位錯(cuò)密度高的問題。
[0007]本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)的前述問題，本發(fā)明提供一種無需使用熒光粉，在稀土元素?fù)诫s的石榴石系列Re3Al5O12陶瓷或單晶襯底上生長(zhǎng)的一種GaN基白光LED外延片，同時(shí)還提供該外延片的生長(zhǎng)工藝。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，包括:襯底；在所述襯底上外延生長(zhǎng)的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，其中所述襯底是含光致發(fā)光熒光材料的襯底。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提出了一種制造GaN基LED半導(dǎo)體器件的方法，包括:準(zhǔn)備包含光致發(fā)光熒光材料的襯底；以及在所述襯底上外延生長(zhǎng)的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)。
[0010]優(yōu)選地，所述襯底包括稀土元素?fù)诫s的石榴石系列Re3Al5O12襯底。
[0011]優(yōu)選地，所述襯底包括稀土元素?fù)诫s的Re3Al5O12襯底與Al2O3襯底鍵合之后得到的襯底。
[0012]優(yōu)選地,所述稀土元素?fù)诫s的Re3Al5O12襯底包括Re3Al5O12陶瓷襯底或單晶襯底。優(yōu)選地，所述Re3Al5O12陶瓷襯底包括多晶Re3Al5O12陶瓷襯底或織構(gòu)化Re3Al5O12陶瓷襯底。
[0013]優(yōu)選地，所述襯底包括精細(xì)拋光后其表面粗糙度小于1nm的襯底。
[0014]優(yōu)選地，所述GaN基LED外延結(jié)構(gòu)依次包括低溫AlN緩沖層、低溫GaN緩沖層、GaN緩沖層、η型GaN層、AlGaN阻擋層、InGaN/GaN多量子阱發(fā)光層、AlGaN阻擋層、P型GaN層和高摻雜P型GaN電極接觸層。
[0015]優(yōu)選地,所述稀土元素Re選自Ce、Gd、Eu、Er、Nd、Tb、Sm、Tm、Dy或Yb中的一種或任意幾種。
[0016]優(yōu)選地,所述GaN基LED外延結(jié)構(gòu)包括在稀土元素?fù)诫s的Re3Al5O12陶瓷或單晶或鍵合襯底上進(jìn)行圖案化處理并側(cè)向外延生長(zhǎng)的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)。
[0017]本發(fā)明的核心思想是通過利用稀土元素?fù)诫s的Re3Al5O12陶瓷或單晶為襯底，在其表面生長(zhǎng)GaN基藍(lán)光LED外延結(jié)構(gòu)，使藍(lán)光激發(fā)陶瓷或單晶熒光材料襯底從而混合為白光。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了 GaN基白光LED外延片的生長(zhǎng)，避免了傳統(tǒng)白光LED中熒光粉的使用，從而有效的避免了因?yàn)楦邷卦斐傻臒晒夥哿孔有氏陆怠⒐庠吹纳珳?，色坐?biāo)漂移。同時(shí)也簡(jiǎn)化了白光LED生產(chǎn)程序，大大降低了白光LED生產(chǎn)成本。
[0018]通過使用稀土元素?fù)诫s的Re3Al5O12襯底，使得LED外延結(jié)構(gòu)的光電效率提高，降低了器件的發(fā)熱量；由于LED外延層結(jié)構(gòu)是以熒光材料為襯底，由該外延結(jié)構(gòu)制備的LED芯片可實(shí)現(xiàn)直接的白光發(fā)射，從而簡(jiǎn)化了白光LED光源的制備工序，降低了生產(chǎn)成本；通過先外延、然后圖形化襯底、再進(jìn)行側(cè)向生長(zhǎng)GaN基外延結(jié)構(gòu)降低了外延結(jié)構(gòu)的缺陷密度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]根據(jù)結(jié)合附圖的以下描述，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)將變得易于理解，其中:
[0020]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0021]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的詳細(xì)示意圖；
[0022]圖3不出了另一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的不意圖；
[0023]圖4示出了一種制造包含光致發(fā)光熒光材料的襯底的方法；以及
[0024]圖5示出了一種制造GaN基LED半導(dǎo)體器件的方法。

【具體實(shí)施方式】
[0025]以下將參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明。在各個(gè)附圖中，相同的元件采用類似的附圖標(biāo)記來表示。為了清楚起見，附圖中的各個(gè)部分沒有按比例繪制。為了簡(jiǎn)明起見，可以在一幅圖中描述經(jīng)過數(shù)個(gè)步驟后獲得的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
[0026]在下文中描述了本發(fā)明的許多特定的細(xì)節(jié)，例如器件的結(jié)構(gòu)、材料、尺寸、處理工藝和技術(shù)，以便更清楚地理解本發(fā)明。但正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解的那樣，可以不按照這些特定的細(xì)節(jié)來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
[0027]應(yīng)當(dāng)理解，在描述器件的結(jié)構(gòu)時(shí)，當(dāng)將一層、一個(gè)區(qū)域稱為位于另一層、另一個(gè)區(qū)域“上面”或“上方”時(shí)，可以指直接位于另一層、另一個(gè)區(qū)域上面，或者在其與另一層、另一個(gè)區(qū)域之間還包含其它的層或區(qū)域。并且，如果將器件翻轉(zhuǎn)，該一層、一個(gè)區(qū)域?qū)⑽挥诹硪粚?、另一個(gè)區(qū)域“下面”或“下方”。如果為了描述直接位于另一層、另一個(gè)區(qū)域上面的情形，本文將采用“直接在......上面”或“在......上面并與之鄰接”的表述方式。
[0028]在本申請(qǐng)中，術(shù)語“半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)”指在制造半導(dǎo)體器件的各個(gè)步驟中形成的整個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱，包括已經(jīng)形成的所有層或區(qū)域。在下文中描述了本發(fā)明的許多特定的細(xì)節(jié)，例如器件的結(jié)構(gòu)、材料、尺寸、處理工藝和技術(shù)，以便更清楚地理解本發(fā)明。但正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解的那樣，可以不按照這些特定的細(xì)節(jié)來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
[0029]除非在下文中特別指出，半導(dǎo)體器件的各個(gè)部分可以由本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的材料構(gòu)成。本發(fā)明可以各種形式呈現(xiàn)，以下將描述其中一些示例。
[0030]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種GaN基白光LED外延結(jié)構(gòu)的示意圖。如圖1所示，所述GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，包括:襯底100 ;在所述襯底上外延生長(zhǎng)的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)101，其中所述襯底是含光致發(fā)光熒光材料的襯底。
[0031]具體地，所述襯底包括稀土元素?fù)诫s的石榴石系列Re3Al5O12襯底。所述稀土元素?fù)诫s的Re3Al5O12襯底包括Re3Al5O12陶瓷襯底或單晶襯底。所述Re3Al5O12陶瓷襯底包括多晶Re3Al5O12陶瓷襯底或織構(gòu)化Re3Al5O12陶瓷襯底。所述襯底包括精細(xì)拋光后其表面粗糙度小于1nm的襯底。所述稀土元素Re選自Ce、Gd、Eu、Er、Nd、Tb、Sm、Tm、Dy或Yb中的一種或任意幾種。具體地，摻雜量為0.005被％到25wt.%。通過使用稀土元素?fù)诫sYAG襯底，使得LED外延結(jié)構(gòu)的光電效率提高、并且降低了器件的發(fā)熱量。
[0032]圖2示出了 GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的示意圖。具體地，所述GaN基LED外延結(jié)構(gòu)在襯底上依次包括:低溫AlN緩沖層1011、低溫GaN緩沖層1012、GaN緩沖層1013、η型GaN層1014、AlGaN 阻擋層 1015、InGaN/GaN 多量子阱發(fā)光層 10116、AlGaN 阻擋層 1017、P 型 GaN層1018和高摻雜P型GaN電極接觸層1019。
[0033]圖3示出了另一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的示意圖。具體地，在Re:YAG透明陶瓷或單晶襯底300上，依次包括低溫AlN緩沖層3011、高溫AlN緩沖層3012、高溫GaN緩沖層3013,N型GaN層3014、InGaN/GaN多量子阱層3015、InGaN/GaN多量子阱層3016和高摻雜P型GaN電極接觸層3017。
[0034]所述襯底還可以包括稀土元素?fù)诫s的Re3Al5O12襯底與Al2O3襯底鍵合之后得到的襯底。所述鍵合包括:將稀土元素?fù)诫s的Re3Al5O12陶瓷或單晶拋光至表面粗糙度小于1nm ；將Al2O3單晶拋光至表面粗糙度小于1nm ;將拋光的Re3Al5O12陶瓷或單晶的表面與拋光的Al2O3單晶表面進(jìn)行RCA或Piranha標(biāo)準(zhǔn)清洗，然后真空烘干；在清洗和烘干的基礎(chǔ)上，可選擇性地將清洗完成的已拋光Re3Al5O12陶瓷或單晶的表面與拋光的Al2O3單晶表面在真空度為小于I X 1-3Pa的真空氣氛下，利用Ar氣進(jìn)行表面濺射清洗；將清洗完成的拋光的YAG陶瓷或單晶的表面與拋光的Al2O3單晶表面在常壓下貼合或放入真空度小于I X KT3Pa的真空中貼合，貼合時(shí)間為約20s-2h，貼合面所施加的溫度為約200°C -1500°C，進(jìn)行鍵合處理；將鍵合完成的晶片在200°C -1500°C下進(jìn)行退火，退火時(shí)間為約30分鐘_10h。將稀土元素?fù)诫sYAG襯底與Al2O3進(jìn)行鍵合、然后再生長(zhǎng)外延結(jié)構(gòu)。
[0035]具體地，所述GaN基LED外延結(jié)構(gòu)包括在稀土元素?fù)诫s的Re3Al5O12陶瓷或單晶或鍵合襯底上進(jìn)行圖案化處理并側(cè)向外延生長(zhǎng)的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)。側(cè)向外延生長(zhǎng)的圖形化襯底的制備步驟如下:利用低壓金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積(LP-MOCVD)系統(tǒng)，分別以TMGa與NH3為Ga和N源，以H2為載氣，生長(zhǎng)GaN外延層；將所述襯底在1000°C -1200°C下熱處理5-10分鐘；將所述襯底降溫至400-700°C，進(jìn)行氮化處理，并生長(zhǎng)15-60rm厚度低溫GaN緩沖層；將所述襯底升溫至1000-120(TC，生長(zhǎng)100nm_4 μ m厚度GaN緩沖層；可選擇性地將所述襯底升溫至1000-1200°C，生長(zhǎng)10nm-500nm厚度的η型GaN層，Si摻雜濃度為lX1017Cm_3-3X102°Cm_3;系統(tǒng)降溫并取出樣品，在GaN的表面利用等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法沉積50-500nm厚度的S12作為掩模層；利用傳統(tǒng)的光刻工藝結(jié)合干法或濕法刻蝕技術(shù)，在GaN表面沿晶向刻蝕出長(zhǎng)條形出口，其窗口區(qū)的長(zhǎng)度為2-15 μ m，窗口區(qū)與掩模區(qū)的比例為1: 4-4: I ;以及向圖形化的襯底應(yīng)用半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域通用的清洗程序清洗并烘干。然后，將清洗烘干的圖形化襯底再次放入外延生長(zhǎng)系統(tǒng)，繼續(xù)生長(zhǎng)后續(xù)外延結(jié)構(gòu)。通過先外延、然后圖形化襯底、再進(jìn)行側(cè)向生長(zhǎng)GaN基外延結(jié)構(gòu)降低了外延結(jié)構(gòu)的缺陷密度。
[0036]圖4示出了一種制造包含光致發(fā)光熒光材料的襯底的方法。如圖4所示，所述方法包括:將光致發(fā)光熒光材料粉末混合到一起(S401):將所述混合后的粉末冷壓成型為胚體(S402);將所述胚體燒結(jié)(S403);以及將燒結(jié)完成的透明陶瓷樣品進(jìn)行減薄與表面精細(xì)拋光(S404)。
[0037]具體地，所述方法還包括:將一定比例的稀土氧化物粉末混合到釔鋁石榴石YAG粉末中；通過濕法球磨充分混合所述粉末；將所述粉末干燥，獲得熒光陶瓷粉體原料；將熒光陶瓷粉體原料通過冷壓成型為胚體；將胚體放入真空高溫?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)；以及將燒結(jié)完成的透明陶瓷樣品進(jìn)行減薄與表面精細(xì)拋光。
[0038]具體地，所述稀土氧化物包括CeO和/或GdO氧化物。
[0039]其中，將所述混合后的粉末冷壓成型為胚體之后，還包括:將胚體放入真空高溫單晶生長(zhǎng)爐中，升溫到粉體熔化；利用YAG籽晶進(jìn)行提拉生長(zhǎng)；將生長(zhǎng)后的晶體切割成外延片；以及進(jìn)行減薄與表面精細(xì)拋光。
[0040]圖5示出了一種制造GaN基LED半導(dǎo)體器件的方法。所述方法包括:準(zhǔn)備包含光致發(fā)光熒光材料的襯底(501);以及在所述襯底上外延生長(zhǎng)的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)(502)。
[0041]所述襯底包括稀土元素?fù)诫s的石榴石系列Re3Al5O12襯底。所述稀土元素?fù)诫s的Re3Al5O12襯底包括Re3Al5O12陶瓷襯底或單晶襯底。所述Re3Al5O12陶瓷襯底包括多晶Re3Al5O12陶瓷襯底或織構(gòu)化Re3Al5O12陶瓷襯底。所述稀土元素Re選自Ce、Gd、Eu、Er、Nd、Tb、Sm、Tm、Dy或Yb中的一種或任意幾種。
[0042]在外延生長(zhǎng)之前，所述方法還包括:將稀土元素?fù)诫s的Re3Al5O12陶瓷襯底與Al2O3襯底鍵合。
[0043]在外延生長(zhǎng)之前還包括:將準(zhǔn)備好的襯底精細(xì)拋光后其表面粗糙度小于10nm。更優(yōu)選地，所述襯底包括精細(xì)拋光后其表面粗糙度為0.1-0.3nm的襯底。
[0044]所述GaN基LED外延結(jié)構(gòu)依次包括低溫AlN緩沖層、低溫GaN緩沖層、GaN緩沖層、η型GaN層、AlGaN阻擋層、InGaN/GaN多量子阱發(fā)光層、AlGaN阻擋層、P型GaN層和高摻雜P型GaN電極接觸層。其中可以在所述不同襯底上生長(zhǎng)GaN基LED外延層，例如依次進(jìn)行以下步驟:首先將襯底在800°C -1400°C，氫氣氣氛里進(jìn)行高溫清潔處理5-20分鐘；溫度下降至500°C _700°C，生長(zhǎng)15-60nm厚度低溫AlN緩沖層，對(duì)于圖形化襯底，可選擇性的將生長(zhǎng)厚度設(shè)定為0_200nm ;溫度保持在500°C -700°C，生長(zhǎng)50nm-300nm厚度低溫GaN緩沖層，對(duì)于圖形化襯底，可選擇性的將生長(zhǎng)厚度設(shè)定為50-800nm ;溫度升高至900°C 1200°C,生長(zhǎng)2-4 μ m厚度高溫GaN緩沖層；溫度升高至900°C -1200°C，生長(zhǎng)I μ m_3 μ m的η型GaN層，Si摻雜濃度為lX1017cm_3-3X102Clcm_3 ;溫度降至650°C _850°C，生長(zhǎng)1-30個(gè)循環(huán)的InGaN/GaN多量子阱層；溫度800°C 1150°C，生長(zhǎng)100nm-800nm的p型GaN層，摻雜濃度為I X 1017cnT3-3 X 102°cnT3 ;溫度 800°C 1150°C，生長(zhǎng) 5nm50nm 的高摻雜 p 型 GaN 電極接觸層，Mg 摻雜濃度為 I X 1018cnT3-5 X 120CnT3。
[0045]所述方法還包括:在稀土元素?fù)诫s的Re3Al5O12陶瓷或單晶或鍵合襯底上進(jìn)行圖案化處理:以及在圖形化處理的襯底上側(cè)向外延生長(zhǎng)GaN基LED外延結(jié)構(gòu)。
[0046]下面參考具體的實(shí)施例描述包含光致發(fā)光突光材料的制備方法、GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制造方法以及由此得到的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)。
[0047]實(shí)施例1
[0048]將0.005wt.%的Ce2O3粉末摻入YAG粉末中，通過濕法球磨充分混合，干燥后獲得熒光陶瓷粉體原料。將熒光陶瓷粉體原料通過冷等靜壓成型為胚體。將胚體放入真空高溫?zé)Y(jié)爐中，燒結(jié)溫度為1450°C，燒結(jié)時(shí)間10小時(shí)。將燒結(jié)完成的透明陶瓷樣品經(jīng)減薄與表面精細(xì)拋光后厚度為600 μ m，表面粗糙度為3nm。將此Ce:YAG透明陶瓷材料為襯底放入金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，在800°C氫氣氣氛里進(jìn)行高溫清潔處理20分鐘，溫度下降至500°C，生長(zhǎng)15nm厚度低溫AlN緩沖層；繼續(xù)生長(zhǎng)300nm厚度低溫GaN緩沖層；將溫度升高至900°C，生長(zhǎng)2 μ m厚度高溫GaN緩沖層；保持900°C，生長(zhǎng)3 μ m的η型GaN層，Si摻雜濃度為IX 1017cnT3-3X 102°cnT3 ;再將溫度降至650°C，生長(zhǎng)30個(gè)循環(huán)的InGaN/GaN多量子阱層；再將溫度升至800°C，生長(zhǎng)10nm的p型GaN層，摻雜溶度為3X 12°_3 ;保持溫度8000C，生長(zhǎng)50nm的高摻雜p型GaN電極接觸層，Mg摻雜濃度為5X 102°cm_3，最后將沉積設(shè)備降至室溫。這樣，就得到了根據(jù)本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)。
[0049]實(shí)施例2
[0050]將0.3wt.%的Ce2O,粉末摻入YAG粉末中，通過濕法球磨充分混合，干燥后獲得熒光陶瓷粉體原料。將熒光陶瓷粉體原料通過冷等靜壓成型為胚體。將胚體放入真空高溫?zé)Y(jié)爐中，燒結(jié)溫度為1850°C，燒結(jié)時(shí)間15小時(shí)。將燒結(jié)完成的透明陶瓷樣品經(jīng)減薄與表面精細(xì)拋光后厚度為450 μ m，表面粗糙度為2nm。將此Ce =YAG陶瓷材料為襯底放入金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，在1400°C氫氣氣氛里進(jìn)行高溫清潔處理20分鐘，溫度下降至700°C，生長(zhǎng)60nm厚度低溫AlN緩沖層；繼續(xù)生長(zhǎng)50nm厚度低溫GaN緩沖層；將溫度升高至1200°C，生長(zhǎng)4 μ m厚度高溫GaN緩沖層；保持1200°C，生長(zhǎng)I μ m的η型GaN層，Si摻雜濃度為3Χ 102°cm_3 ;再將溫度降至850°C，生長(zhǎng)25個(gè)循環(huán)的InGaN/GaN多量子阱層；再將溫度升至1150°C，生長(zhǎng)800nm的p型GaN層，摻雜濃度為3X 102°cnT3 ;保持溫度1150°C，生長(zhǎng)5nm的高摻雜P型GaN電極接觸層，Mg摻雜濃度為5X 102°cnT3,最后將沉積設(shè)備降至室溫。這樣，就得到了根據(jù)本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)。
[0051]實(shí)施例3
[0052]將1.2wt.%的Gd2O3粉末與25wt.%的Gd2O3摻入YAG粉末中，通過濕法球磨充分混合，干燥后獲得熒光陶瓷粉體原料。將熒光陶瓷粉體原料通過冷等靜壓成型為胚體。將胚體放入真空高溫?zé)Y(jié)爐中，燒結(jié)溫度為1830°C，燒結(jié)時(shí)間12小時(shí)。將燒結(jié)完成的透明陶瓷樣品經(jīng)減薄與表面精細(xì)拋光后厚度為350 μ m，表面粗糙度為lnm。將此Ce =YAG陶瓷材料為襯底放入金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，在1300°C氫氣氣氛里進(jìn)行高溫清潔處理15分鐘，溫度下降至500°C，生長(zhǎng)60nm厚度低溫AlN緩沖層；溫度升至700°C，生長(zhǎng)50nm厚度低溫GaN緩沖層；將溫度升高至1100°C，生長(zhǎng)4μπι厚度高溫GaN緩沖層；溫度升至12000C，生長(zhǎng)I μ m的η型GaN層，Si摻雜濃度為1.5X 1019cm_3 ;再將溫度降至850°C，生長(zhǎng)30個(gè)循環(huán)的InGaN/CaN多量子阱層；再將溫度升至1050°C，生長(zhǎng)500nm的p型GaN層，摻雜濃度為2X 1017_3 ;溫度升至1180°C，生長(zhǎng)15nm的高摻雜p型GaN電極接觸層，Mg摻雜濃度為3X1019cm_3，最后將沉積設(shè)備降至室溫。這樣，就得到了根據(jù)本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)。
[0053]實(shí)施例4
[0054]將0.005wt.%的Gd2O3粉末摻入YAG粉末中，通過濕法球磨充分混合，干燥后獲得熒光晶體的粉體原料。將熒光粉體原料通過冷壓成型為胚體。將胚體放入真空高溫單晶生長(zhǎng)爐中，升溫到粉體熔化，利用YAG籽晶進(jìn)行提拉生長(zhǎng)。將生長(zhǎng)后的晶體切割成外延片，經(jīng)減薄與表面精細(xì)拋光后厚度為600 μ m，表面粗糙度為3nm。將此Ce =YAG單晶材料為襯底放入金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，在800°C氫氣氣氛里進(jìn)行高溫清潔處理20分鐘，溫度下降至500°C，生長(zhǎng)15nm厚度低溫AlN緩沖層；繼續(xù)生長(zhǎng)300nm厚度低溫GaN緩沖層；將溫度升高至900°C，生長(zhǎng)2 μ m厚度高溫GaN緩沖層；保持900°C，生長(zhǎng)3的η型GaN層，Si摻雜濃度為IX 117CnT3 ;再將溫度降至650°C，生長(zhǎng)30個(gè)循環(huán)的InGaN/GaN多量子阱層；再將溫度升至800°C，生長(zhǎng)10nm的p型GaN層，摻雜濃度為3 X 1020cm-3 ;保持溫度800°C，生長(zhǎng)50nm的高摻雜P型GaN電極接觸層，Mg摻雜濃度為5 X 120Cm-3,最后將沉積設(shè)備降至室溫。這樣，就得到了根據(jù)本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)。
[0055]實(shí)施例5
[0056]例1:按(CeacilJ99.94st)3Al5012化學(xué)組成燒結(jié)陶瓷，燒結(jié)后的樣品最后對(duì)樣品進(jìn)行拋光，拋光后的樣品厚度為0.61mm，表面粗糙度為0.3nm。將此陶瓷材料為襯底放入金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，在800°C氫氣氣氛里進(jìn)行高溫清潔處理20分鐘，溫度下降至5000C，生長(zhǎng)15nm厚度低溫AlN緩沖層；繼續(xù)生長(zhǎng)300nm厚度低溫GaN緩沖層；將溫度升高至90(TC，生長(zhǎng)2 μ m厚度高溫GaN緩沖層；保持90(TC，生長(zhǎng)3 μ m的η型GaN層，Si摻雜濃度為1Χ1017_3 ;再將溫度降至650°C，生長(zhǎng)30個(gè)循環(huán)的InGaN/GaN多量子阱層；再將溫度升至800°C，生長(zhǎng)10nm的p型GaN層，摻雜濃度為3 X 102°cm_3 ;保持溫度800°C，生長(zhǎng)50nm的高摻雜P型GaN電極接觸層，Mg摻雜濃度為5 X 102°cm_3，最后將沉積設(shè)備降至室溫，完成GaN基白光LED外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。
[0057]實(shí)施例6
[0058]按(Cetl.06%Υ99.94 % ) 3Α15012化學(xué)組成燒結(jié)陶瓷，將燒結(jié)完成的陶瓷減薄到厚度為0.6mm,并進(jìn)行表面拋光，拋光后陶瓷表面粗糙度為0.3nm。同時(shí)將市售獲得的Al2O3單晶進(jìn)行雙面拋光，使其兩面的表面粗糙度為0.5nm。將Ce =YAG陶瓷與Al2O3單晶進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)RCA清洗，然后真空烘干。將烘干的Ce:YAG陶瓷與Al2O3單晶在超凈腔體內(nèi)，使拋光的表面面對(duì)面貼合，同時(shí)利用加熱設(shè)備使貼合面升溫至1500°C，鍵合時(shí)間為20s。將鍵合完成的襯底放入金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，在800°C氫氣氣氛里進(jìn)行高溫清潔處理20分鐘，溫度下降至500°C，生長(zhǎng)15nm厚度低溫AlN緩沖層；繼續(xù)生長(zhǎng)300nm厚度低溫GaN緩沖層；將溫度升高至900°C，生長(zhǎng)2 μ m厚度高溫GaN緩沖層；保持900°C，生長(zhǎng)3 μ m的η型GaN層，Si摻雜濃度為I X 117CnT3 ;再將溫度降至650°C，生長(zhǎng)30個(gè)循環(huán)的InGaN/GaN多量子阱層；再將溫度升至800°C，生長(zhǎng)10nm的P型GaN層，摻雜濃度為3 X 102°cm_3 ;保持溫度800°C，生長(zhǎng)50nm的高摻雜P型GaN電極接觸層，Mg摻雜濃度為5 X 120Cm-3,最后將沉積設(shè)備降至室溫，完成GaN基白光LED外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。
[0059]實(shí)施例7
[0060]按(Ce0.01%Y99.94%)3Al5012化學(xué)組成應(yīng)用模板法燒結(jié)織構(gòu)化(Ce0.01% Y99.94% ) 3A15012陶瓷，燒結(jié)后的樣品最后對(duì)樣品進(jìn)行拋光，拋光后的樣品厚度為0.58mm，表面粗糙度為0.3nm。將此陶瓷材料為襯底放入金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，在900°C氫氣氣氛里進(jìn)行高溫清潔處理40分鐘，溫度下降至50(TC，生長(zhǎng)15nm厚度低溫AlN緩沖層；繼續(xù)生長(zhǎng)300nm厚度低溫GaN緩沖層；將溫度升高至900°C，生長(zhǎng)2 μ my m厚度高溫GaN緩沖層；保持900°C，生長(zhǎng)3 μ m的η型GaN層，Si摻雜濃度為I X 1017cm_3 ;再將溫度降至650°C，生長(zhǎng)30個(gè)循環(huán)的InGaN/GaN多量子阱層；再將溫度升至800°C，生長(zhǎng)10nm的p型GaN層，摻雜濃度為3X 102°cm_3 ;保持溫度800°C，生長(zhǎng)50nm的高摻雜p型GaN電極接觸層，Mg摻雜濃度為5X 102°cm_3，最后將沉積設(shè)備降至室溫，完成GaN基白光LED外延層的生長(zhǎng)。
[0061]實(shí)施例8
[0062]按(Cetl.^Gd2WY7494J3Al5O12化學(xué)組成燒結(jié)陶瓷，將燒結(jié)完成的陶瓷樣品進(jìn)行減薄與拋光，樣品厚度減薄為0.45mm,表面粗糙度為3nm。將此(CeQ.Q6% Gd25% Y74.94% ) 3A15012陶瓷材料為襯底放入金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，在1300°C氫氣氣氛里進(jìn)行高溫清潔處15分鐘，溫度下降至500°C，生長(zhǎng)60nm厚度低溫AlN緩沖層；溫度升至700°C，生長(zhǎng)50nm厚度低溫GaN緩沖層；將溫度升高至1100°C，生長(zhǎng)4 μ m厚度高溫GaN緩沖層；溫度升至1200°C，生長(zhǎng)I μ m的η型GaN層，Si摻雜濃度為1.5 X 1019cm_3 ;再將溫度降至850°C，生長(zhǎng)30個(gè)循環(huán)的InGaN/GaN多量子阱層；再將溫度升至1050°C，生長(zhǎng)500nm的P型GaN層，摻雜濃度為2X 117CnT3 ;溫度升至1180°C，生長(zhǎng)15nm的高摻雜p型GaN電極接觸層，Mg摻雜濃度為3X 1019cm_3，最后將沉積設(shè)備降至室溫，完成GaN基白光LED外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。
[0063]實(shí)施例9
[0064]按(Cea 1%Gd1(l% Y29.9% Tb6tlJ3Al5O12化學(xué)組成燒結(jié)陶瓷，并將樣品減薄至0.5mm,并拋光至表面粗糙度為10nm。同時(shí)將市售獲得的Al2O3單晶進(jìn)行雙面拋光，使其兩面的表面粗糙度為 5nm。將(Ce0.1%Gd1Q%Y29.9%Tb6Q%)3Al5012 陶瓷與 Al2O3 單晶進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn) Piranha 清洗，然后真空烘干。將烘干的(Cea 1%GdltlJ29.9SJb6(W)3Al5012陶瓷與Al2O3單晶放入超凈腔體內(nèi)，并將腔體抽真空至5X 10_4Pa，使拋光的表面面對(duì)面貼合，同時(shí)利用加熱設(shè)備使貼合面升溫至200°C，鍵合時(shí)間為2小時(shí)。將(Cetl.1%GdltwY29.9SJb6(W)3Al5012陶瓷與Al2O3單晶鍵合完成的襯底放入金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，以Al2O3單晶面為襯底進(jìn)行外延生長(zhǎng)。鍵合襯底在1000°C下熱處理10分鐘；襯底降溫至400°C，進(jìn)行氮化處理，并生長(zhǎng)60nm厚度低溫GaN緩沖層；襯底升溫至1000°C，生長(zhǎng)4μπι厚度GaN緩沖層；系統(tǒng)降溫并取出樣品，在GaN的表面利用等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法沉積500nm厚度的S12作為掩模層；利用傳統(tǒng)的光刻工藝結(jié)合干法或濕法刻蝕技術(shù)，在GaN表面沿晶向刻蝕出長(zhǎng)條形窗口，其窗口區(qū)的長(zhǎng)度為15μπι，窗口區(qū)與掩模區(qū)的比例4: I。在刻蝕的長(zhǎng)方形窗口中進(jìn)行后續(xù)的側(cè)向外延生長(zhǎng)。將此圖形化襯底放入金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，在800°C氫氣氣氛里進(jìn)行高溫清潔處理20分鐘，溫度下降至500°C，生長(zhǎng)60m厚度低溫AlN緩沖層；繼續(xù)生長(zhǎng)300nm厚度低溫GaN緩沖層；將溫度升高至900°C，生長(zhǎng)4 μ m厚度高溫GaN緩沖層；保持900°C，生長(zhǎng)3 μ m的η型GaN層，Si摻雜濃度為I X 1017—3 ;再將溫度降至650°C，生長(zhǎng)30個(gè)循環(huán)的InGaN/GaN多量子阱層；再將溫度升至800°C，生長(zhǎng)10nm的p型GaN層，摻雜濃度為3 X 120Cm-3 ;保持溫度800°C，生長(zhǎng)50nm的高摻雜p型GaN電極接觸層，Mg摻雜濃度為5X 102°cm_3，最后將沉積設(shè)備降至室溫，完成GaN基白光LED外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。
[0065]實(shí)施例10
[0066]按(Cea^Gd25stY7494J3Al5O12化學(xué)組成燒結(jié)陶瓷，并對(duì)樣品進(jìn)行減薄與拋光，樣品厚度減薄為0.3mm，表面粗糙度為3nm。將拋光襯底放入金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積設(shè)備中襯底在1200°C下熱處理5分鐘；襯底降溫至700°C，進(jìn)行氮化處理，并生長(zhǎng)15nm厚度低溫GaN緩沖層；襯底升溫至1200°C，生長(zhǎng)10nm厚度GaN緩沖層；襯底降溫至1000°C，生長(zhǎng)550nm厚度的η型GaN層，Si摻雜濃度為I X 117CnT3 ;系統(tǒng)降溫并取出樣品，在GaN的表面利用等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法沉積50nm厚度的S12作為掩模層；利用傳統(tǒng)的光刻工藝結(jié)合干法或濕法刻蝕技術(shù)，在GaN表面延晶向刻蝕出長(zhǎng)條形窗口，其窗口區(qū)的長(zhǎng)度為2μπι，窗口區(qū)與掩模區(qū)的比例1: 4。將此圖形化襯底放入金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，在1400°C氫氣氣氛里進(jìn)行高溫清潔處理5分鐘，溫度下降至700°C，生長(zhǎng)200nm厚度低溫AlN緩沖層；繼續(xù)生長(zhǎng)800nm厚度低溫GaN緩沖層；將溫度升高至900°C，生長(zhǎng)4μπι厚度高溫GaN緩沖層；升高至1000°C，生長(zhǎng)3μπι的η型GaN層，Si摻雜濃度為2Χ 1019_3 ;再將溫度降至750°C，生長(zhǎng)20個(gè)循環(huán)的InGaN/GaN多量子阱層；再將溫度升至1000C，生長(zhǎng)300nm的p型GaN層，摻雜濃度為4X 119CnT3 ;保持溫度1000°C，生長(zhǎng)35nm的高摻雜P型GaN電極接觸層，Mg摻雜濃度為4 X 102°cm_3，最后將沉積設(shè)備降至室溫，完成GaN基白光LED外延層的生長(zhǎng)。
[0067]盡管已經(jīng)參考本發(fā)明的典型實(shí)施例，具體示出和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的多種改變。
【權(quán)利要求】
1.一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu),包括: 襯底； 在所述襯底上外延生長(zhǎng)的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)， 其中所述襯底是含光致發(fā)光熒光材料的襯底。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，其中所述襯底包括稀土元素?fù)诫s的石榴石系列Re3Al5O12襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，其中所述襯底包括稀土元素?fù)诫s的Re3Al5O12襯底與Al2O3襯底鍵合之后得到的襯底。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，其中所述稀土元素?fù)诫s的Re3Al5O12襯底包括Re3Al5O12陶瓷襯底或單晶襯底。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，其中所述Re3Al5O12陶瓷襯底包括多晶Re3Al5O12陶瓷襯底或織構(gòu)化Re3Al5O12陶瓷襯底。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，其中所述襯底包括精細(xì)拋光后其表面粗糙度小于1nm的襯底。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的GaN基LED半導(dǎo)體器件，其中所述GaN基LED外延結(jié)構(gòu)依次包括低溫AlN緩沖層、低溫GaN緩沖層、GaN緩沖層、η型GaN層、AlGaN阻擋層、InGaN/GaN多量子阱發(fā)光層、AlGaN阻擋層、P型GaN層和高摻雜ρ型GaN電極接觸層。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，其中所述稀土元素Re選自Ce、Gd、Eu、Er、Nd、Tb、Sm、Tm、Dy或Yb中的一種或任意幾種。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，其中所述GaN基LED外延結(jié)構(gòu)包括在稀土元素?fù)诫s的Re3Al5O12陶瓷或單晶或鍵合襯底上進(jìn)行圖案化處理并側(cè)向外延生長(zhǎng)的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)。
10.一種制造GaN基LED半導(dǎo)體器件的方法，包括: 準(zhǔn)備包含光致發(fā)光熒光材料的襯底；以及 在所述襯底上外延生長(zhǎng)GaN基LED外延結(jié)構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述襯底包括稀土元素?fù)诫s的石榴石系列Re3Al5O12 襯底。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，在外延生長(zhǎng)之前還包括:將稀土元素?fù)诫s的Re3Al5O12陶瓷襯底與Al2O3襯底鍵合。
13.根據(jù)權(quán)利要求11中所述的方法，其中所述稀土元素?fù)诫s的Re3Al5O12襯底包括Re3Al5O12陶瓷襯底或單晶襯底。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述Re3Al5O12陶瓷襯底包括多晶Re3Al5O12陶瓷襯底或織構(gòu)化Re3Al5O12陶瓷襯底。
15.根據(jù)權(quán)利要求10至14中任一項(xiàng)所述的方法，在外延生長(zhǎng)之前還包括:將準(zhǔn)備好的襯底精細(xì)拋光后其表面粗糙度小于10nm。
16.根據(jù)權(quán)利要求10至15中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述GaN基LED外延結(jié)構(gòu)依次包括低溫AlN緩沖層、低溫GaN緩沖層、GaN緩沖層、η型GaN層、AlGaN阻擋層、InGaN/GaN多量子阱發(fā)光層、AlGaN阻擋層、P型GaN層和高摻雜ρ型GaN電極接觸層。
17.根據(jù)權(quán)利要求10至16中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述稀土元素Re選自Ce、Gd、Eu、Er、Nd、Tb、Sm、Tm、Dy或Yb中的一種或任意幾種。
18.根據(jù)權(quán)利要求10至17中任一項(xiàng)所述的方法，還包括: 在稀土元素?fù)诫s的Re3Al5O12陶瓷或單晶或鍵合襯底上進(jìn)行圖案化處理:以及 在圖形化處理的襯底上側(cè)向外延生長(zhǎng)GaN基LED外延結(jié)構(gòu)。
19.根據(jù)權(quán)利要求10至18中任一項(xiàng)所述的方法，其中制備包含光致發(fā)光熒光材料的襯底包括: 將光致發(fā)光熒光材料粉末混合到一起: 將所述混合后的粉末冷壓成型為胚體； 將所述胚體燒結(jié)；以及 將燒結(jié)完成的透明陶瓷樣品進(jìn)行減薄與表面精細(xì)拋光，得到包含光致發(fā)光熒光材料的襯底。
【文檔編號(hào)】H01L33/08GK104332539SQ201410299430
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月22日
【發(fā)明者】曹永革, 劉著光, 鄧種華, 陳劍, 李軍廷, 費(fèi)斌杰, 郭旺, 唐飛, 黃秋鳳, 袁軒一 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所