一種橫向?qū)℅aN基發(fā)光器件生長(zhǎng)及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光器件領(lǐng)域，具體涉及一種帶有二維電子氣導(dǎo)電通道的橫向?qū)℅aN基發(fā)光器件生長(zhǎng)及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]以GaN為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料具有寬禁帶、直接帶隙、高熱導(dǎo)率等優(yōu)良的材料性能特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于短波長(zhǎng)(綠光、藍(lán)光，以至紫外波段)、白光發(fā)光器件的制備。隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破，外延材料生長(zhǎng)技術(shù)的提升，GaN材料的研宄越來(lái)越活躍，GaN基器件的發(fā)展空前迅猛。
[0003]目前，根據(jù)GaN外延生長(zhǎng)所用的襯底劃分，可以分為同質(zhì)外延和異質(zhì)外延兩種。同質(zhì)外延，即在GaN體襯底上生長(zhǎng)GaN外延層，雖然這種工藝得到的外延層質(zhì)量很高，但是體襯底的制備工藝復(fù)雜、成本高，應(yīng)用價(jià)值太低；相比之下，在硅、藍(lán)寶石、碳化硅等襯底上異質(zhì)外延生長(zhǎng)GaN的成本就低很多，工藝也簡(jiǎn)單許多，更可能大規(guī)模應(yīng)用。然而，異質(zhì)外延生長(zhǎng)存在著晶格常數(shù)失配和熱膨脹系數(shù)失配等問(wèn)題，這將導(dǎo)致GaN外延層應(yīng)力增大，位錯(cuò)密度增多等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生龜裂，極大地影響了器件的性能。
[0004]為了解決上述問(wèn)題，研宄人員采取了不同的方法，如緩沖層、超晶格和橫向外延過(guò)生長(zhǎng)(LEO)外延技等術(shù)。其中，橫向外延過(guò)生長(zhǎng)是在已生長(zhǎng)的GaN上沉積S1^ Si 3N4掩膜，然后用光刻技術(shù)得到3102或Si 3N4層的窗口作為襯底，進(jìn)行GaN的二次生長(zhǎng)。這樣二次生長(zhǎng)的GaN應(yīng)力會(huì)部分得到釋放，位錯(cuò)密度也得以大大降低。
[0005]利用橫向外延過(guò)生長(zhǎng)技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)條件，還可以得到形貌不同的GaN，如六角金字塔形、條形、矩形等等，這些形狀的各個(gè)面具有不同的極性，相應(yīng)的特性也完全不同，利用某些半極性面，可以得到壓電場(chǎng)相對(duì)較小的發(fā)光器件，從而減輕了量子斯塔克效應(yīng)，使得發(fā)光效率大大提高。此外，由于各極性面的In并入效率也存在差異，導(dǎo)致各個(gè)面的發(fā)光波長(zhǎng)各不相同，因此只要選擇合適的掩膜圖形并調(diào)節(jié)好生長(zhǎng)條件，無(wú)需熒光粉也能得到白光發(fā)光器件。但是，這種橫向外延過(guò)生長(zhǎng)的立體結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的平板結(jié)構(gòu)完全不同，這就對(duì)工藝水平提出了更高的要求，特別是電極的制備，由于橫向外延過(guò)生長(zhǎng)的原因，η電極不能制備在離掩膜窗口太近的位置，這就使得電流必須流經(jīng)一次生長(zhǎng)的GaN層，而因?yàn)閼?yīng)力問(wèn)題，這層是無(wú)法生長(zhǎng)得太厚的，否則就會(huì)龜裂，這就引入了一個(gè)極大的串聯(lián)電阻問(wèn)題。
[0006]現(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)都是直接在二次生長(zhǎng)的外延層上進(jìn)行干法刻蝕來(lái)制備η電極，這就犧牲了一大部分發(fā)光區(qū)域，而且電流擴(kuò)展性也不好，使得大面積發(fā)光器件不好實(shí)現(xiàn)。另一種方案就是垂直導(dǎo)通結(jié)構(gòu)，也能避免這段橫向電流通道，但這就對(duì)外延的要求更高，而且也不適用于絕緣襯底。為此，還是必須找到一種能有效減小這部分電阻的辦法，以提高其實(shí)用性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為解決上述橫向外延過(guò)生長(zhǎng)立體結(jié)構(gòu)發(fā)光器件的橫向?qū)ù蟠?lián)電阻問(wèn)題，本發(fā)明首先提出了一種橫向?qū)℅aN基發(fā)光器件生長(zhǎng)及制備方法，該方法利用AlGaN與GaN界面處二維電子氣形成橫向?qū)娏魍ǖ赖慕鉀Q方案，有效減小了發(fā)光器件的串聯(lián)電阻。
[0008]本發(fā)明的又一目的是提出一種采用上述方法生長(zhǎng)制備的橫向?qū)℅aN基發(fā)光器件。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
一種橫向?qū)℅aN基發(fā)光器件的生長(zhǎng)及制備方法，包括以下步驟:
步驟1:在襯底上生長(zhǎng)GaN層；
步驟2:在GaN層上生長(zhǎng)AlGaN層；
上述步驟I至2為一次生長(zhǎng)階段；
步驟3:在AlGaN層上制備圖形化掩蔽膜，且在圖形化掩蔽膜上選擇性開(kāi)口使部分AlGaN層露出；
步驟4:在上述圖形化掩蔽膜及露出的AlGaN層上依次選擇性外延生長(zhǎng)η型GaN層、InGaN/GaN有源層及p型GaN基覆蓋層；
上述步驟3和4為二次生長(zhǎng)階段；
步驟5:在P型GaN基覆蓋層正面沉積透明導(dǎo)電層，與P型GaN基覆蓋層形成歐姆接觸；步驟6:在透明導(dǎo)電層上制備P型電極，在圖形化掩蔽膜上還開(kāi)口露出GaN層或AlGaN層，并在GaN層或AlGaN層露出處制備η型電極；
上述GaN層與AlGaN層界面處為二維電子氣導(dǎo)電通道。
[0010]本發(fā)明的制作方法，是采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(MOVPE)在硅襯底上生長(zhǎng)GaN層，并在其上方生長(zhǎng)AlGaN層。本發(fā)明在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中能極化誘導(dǎo)出二維電子氣電流通道，其具有極高的面電子密度和低溫電子迀移率，相應(yīng)的電導(dǎo)率也比較高，有利于電流通過(guò)。因此，利用這個(gè)特性，本制作方法將原有的η型GaN電流通道替換為二維電子氣電流通道，極大地降低了橫向?qū)ㄆ骷拇?lián)電阻，提高器件的性能與可靠性。
[0011]優(yōu)選的，所述GaN層采用窄禁帶材料，AlGaN層采用寬禁帶材料；AlGaN層/GaN層材料分別為 AlGaN/GaN、GaAs/AlGaAs、InAlN/ GaN 或 AlGaN/ AlN/GaN，但不限于為上述材料。
[0012]優(yōu)選的，所述GaN層的摻雜方式為非故意摻雜、η型重?fù)诫s和先η型重?fù)诫s后停止摻雜，所述AlGaN層的摻雜方式為非故意摻雜、η型重?fù)诫s，上述摻雜方式能改善二維電子氣導(dǎo)電通道導(dǎo)電特性的情況。
[0013]優(yōu)選的，選擇性外延生長(zhǎng)的η型GaN層、InGaN/GaN有源層和p型GaN基覆蓋層構(gòu)成三維立體結(jié)構(gòu)，所述三維立體結(jié)構(gòu)包括但不限于六角金字塔結(jié)構(gòu)、六角棱柱結(jié)構(gòu)或條形結(jié)構(gòu)，其中條形結(jié)構(gòu)的橫截面為三角形或者梯形結(jié)構(gòu)。
[0014]優(yōu)選的，所述三維立體結(jié)構(gòu)為單個(gè)或多個(gè)，多個(gè)時(shí)則呈陣列型分布。
[0015]優(yōu)選的，所述圖形化掩蔽膜的厚度范圍為I nm-500 nm，所述圖形化掩蔽膜的材料為5102或SiN x，制備圖形化掩蔽膜的方法為PECVD或磁控濺射。
[0016]優(yōu)選的，所述圖形化掩蔽膜的圖形樣式為條紋、周期性多邊形或圓形。
[0017]優(yōu)選的，所述二維電子氣導(dǎo)電通道為單層或多層，為二維電子氣導(dǎo)電通道為多層時(shí)，AlGaN/GaN層呈周期性生長(zhǎng)，即包括M層GaN層和M層AlGaN層。
[0018]一種應(yīng)用所述方法制備的橫向?qū)℅aN基發(fā)光器件，包括由下而上依次生長(zhǎng)的襯底、GaN層以及AlGaN層；其中GaN層與AlGaN層界面處為二維電子氣導(dǎo)電通道；
還包括生長(zhǎng)在AlGaN層上的圖形化掩蔽膜；其中在圖形化掩蔽膜上選擇性開(kāi)口使部分AlGaN層露出；
還包括在圖形化掩蔽膜及露出的AlGaN層上依次選擇性外延生長(zhǎng)η型GaN層、InGaN/GaN有源層及P型GaN基覆蓋層；
還包括沉積在P型GaN基覆蓋層正面的透明導(dǎo)電層，制備在透明導(dǎo)電層上的P型電極，以及制備在露出的GaN層或AlGaN層上的η型電極，通過(guò)在圖形化掩蔽膜上開(kāi)口是GaN層或AlGaN層露出；該透明導(dǎo)電層與P型GaN基覆蓋層形成歐姆接觸。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是:1)本發(fā)明是采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(MOVPE )在硅襯底上生長(zhǎng)GaN層，并在其上方生長(zhǎng)AlGaN層。2 )本發(fā)明在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中能極化誘導(dǎo)出二維電子氣電流通道，其具有極高的面電子密度和低溫電子迀移率，相應(yīng)的電導(dǎo)率也比較高，有利于電流通過(guò)。因此，利用這個(gè)特性，本發(fā)明能將原有的η型GaN電流通道替換為二維電子氣電流通道，極大地降低了橫向?qū)ㄆ骷拇?lián)電阻，提高器件的性能與可靠性。3)本制備方法可通過(guò)優(yōu)化AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)條件，從而提高二維電子氣質(zhì)量，從而制備導(dǎo)電性能更佳的橫向?qū)娏魍ǖ馈?br>【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1提供的單個(gè)獨(dú)立的六角金字塔發(fā)光器件的制備過(guò)程示意圖。
[0021]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1提供的單個(gè)獨(dú)立的六角金字塔發(fā)光器件的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1提供的單個(gè)獨(dú)立的六角金字塔發(fā)光器件的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖4是本發(fā)明實(shí)施例2提供的多個(gè)陣列的六角金字塔發(fā)光器件的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖5是本發(fā)明實(shí)施例2提供的多個(gè)陣列的六角金字塔發(fā)光器件的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖6是本發(fā)明實(shí)施例3提供的單個(gè)獨(dú)立的條形發(fā)光器件的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖7是本發(fā)明實(shí)施例3提供的單個(gè)獨(dú)立的條形發(fā)光器件的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖8是本發(fā)明實(shí)施例4提供的多個(gè)陣列的條形發(fā)光器件的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖9是本發(fā)明實(shí)施例4提供的多個(gè)陣列的條形