[发明专利]一种半极性LED外延结构及其制备方法

说明书

本发明提供一种半极性LED外延结构及其制作方法，包括工艺步骤：提供一蓝宝石衬底；在所述蓝宝石衬底上生长半导体底层结构，使得其表面形成纳米V型坑，V型坑的侧面为半极性面，对应(1‑101)晶面族；在所述半导体底层结构的半极性面上生长半导体功能层。本发明不需要选区外延和二次外延；半极性面为(1‑101)晶面族，平滑的导带底和价带顶在倒空间交叠面积很大，辐射复合效率大大增加；通过材料生长工艺调节实现半极性面的裸露，而不受制于衬底几何形状，实现制备半极性面材料，成本低廉；与现有的芯片制程融合度高。

技术领域

本发明涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种半极性LED外延结构及其制备方法。

背景技术

LED是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。目前，极性GaN基LED技术产业化已经20余年，发展至今其性能取得了极大的改善；但是也逐渐显现出了极性LED的性能瓶颈，光电转换效率达到60%之后很难再有大幅的继续提升。目前，普遍认为极性LED器件有难以克服的极化效应，从而影响着LED的发光效率。关于半极性和非极性材料和器件的研究和文献报道近些年非常多，主要存在的问题是在半极性面或者非极性面上生长GaN材料比较困难。

半极性和非极性GaN材料的获得一般有两种常见的方式：一是通过非极性和半极性的蓝宝石获得半极性或者非常GaN薄膜；二是通过切割同质衬底的半极性和非极性面同质外延出相应的器件。第一种技术路线较难获得比较好的材料质量；第二种技术路线虽能获得较高的材料质量，但是成本很高。此外，还有一种工艺相对复杂的技术是通过选区外延来实现半极性面或者非极性面的生长，然后在这些原位生长出来的半极性面上生长制备半极性或者非极性器件；工艺相对复杂，往往需要一些辅助材料和二次外延生长工艺设计。由此来看，半极性和非极性LED路线的主要障碍就在于如何获得高质量材料。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种C面蓝宝石衬底原位生长制备半极性LED外延结构及其制备方法，利用蓝宝石平面或者图形衬底在外延生长过程中可以控制半导体底层结构表面形成纳米V型坑，进而在V型坑的半极性侧面制备半导体功能层，最终获得半极性LED外延结构。

本发明的第一方面，提供一种半极性LED外延结构，该外延结构从下至上依次包括：蓝宝石衬底、半导体底层结构以及半导体功能层，其特征在于：所述半导体底层结构表面具有纳米V型坑，V型坑的侧面为半极性面，对应(1-101)晶面族。

优选地，所述蓝宝石衬底为纳米图形化蓝宝石衬底或者平片蓝宝石衬底。

优选地，所述蓝宝石衬底为纳米图形化蓝宝石衬底，所述纳米V型坑的线径尺寸为100~1000nm。

优选地，所述蓝宝石衬底为平片蓝宝石衬底，所述纳米V型坑的线径尺寸符合正态分布，正态分布的峰值尺寸对应于550±10nm。

优选地，所述半导体底层结构包括缓冲层或uGaN层或nGaN层或前述任意组合。

优选地，所述半导体功能层材料包括GaN系半导体材料。

优选地，所述半导体功能层包括第一半导体功能层和第二半导体功能层，其中第一半导体功能层表面具有纳米V型坑。

本发明的第二方面，还提供一种半极性LED外延结构的制作方法，包括以下工艺步骤：

（1）提供一蓝宝石衬底；

（2）在所述蓝宝石衬底上生长半导体底层结构，使得其表面形成纳米V型坑，V型坑的侧面为半极性面，对应(1-101)晶面族；

（3）在所述半导体底层结构上生长半导体功能层。

优选地，所述蓝宝石衬底为纳米图形化蓝宝石衬底或者平片蓝宝石衬底。

优选地，所述V型坑的密度通过纳米图形化蓝宝石衬底的图形密度来调节。