[发明专利]GaN基垂直LED结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种GaN基垂直LED结构及其制备方法。其中，GaN基垂直LED结构，包括：衬底，为透明、导电、与GaN晶格失配度在1％～15％的宽禁带半导体材料；依次外延于衬底之上的缓冲层、n型GaN层、多量子阱发光层、p型GaN层以及反射膜；以及p/n电极，分别位于反射膜的上方、衬底的背面。实现了直接在衬底上外延生长垂直结构LED，仅通过一次外延即可获得大注入电流密度、高亮、垂直LED结构，为垂直结构LED的制备提供了工艺简单、有效降低时间成本的技术路线，完全能够满足通用照明低成本、高性能、高成品率的大规模生产要求，在保证性能要求的同时有助于实现量产。

技术领域

本公开属于半导体技术领域，涉及一种GaN基垂直LED结构及其制备方法。

背景技术

近年来，GaN基III-V族化合物半导体材料由于具有从1.19eV(InN)到6.12eV(AlN)之间连续可调的直接带隙，从理论上覆盖了从红光至紫外光在内的整个可见光谱，在光电应用方面具有巨大的前景。其中以GaN基发光二极管(LED)为代表的固态照明技术具有体积小、冷光源、响应时间短、发光效率高、节能、使用寿命长等优势，已成为照明领域的主力。但是要实现全面推广GaN基LED在照明领域的应用，还需要进一步优化GaN基LED的性能，而性能的优化主要侧重于提高流明效率、减少热损耗、减少散热等方面。

GaN基垂直LED结构具有良好的电流扩展能力，能够有效实现高效率电注入，同时减少了由于电荷分布不均匀引起的热效应，降低了器件热损耗，提高了散热性能，从而实现更高的流明效率和更长的寿命，因此作为一种具有潜力的照明器件。目前实现GaN基垂直LED结构的难点在于无法直接在衬底上外延垂直LED结构。

现有技术中，实现GaN基垂直结构LED的技术路线主要有如下三种：一、采用蓝宝石、SiC衬底异质外延GaN基LED后，通过激光剥离或机械研磨等方法去除衬底以实现氮化物薄膜的转移，这种方法通过至少一次的键合工艺实现发光薄膜的转移，存在成品率较低，激光剥离的设备成本高，机械研磨的耗时成本高等缺陷，且都造成了衬底材料的浪费；二、引入牺牲层，通过牺牲层的去除实现衬底的剥离，再将发光层转移到其他支撑衬底上，这种方法中牺牲层的去除、发光层的转移和二次键合技术降低了时间效率和成品率；三、在金属、低阻Si等导电衬底上直接外延生长氮化物材料，但这种方法中由于上述导电衬底与GaN晶格失配较大，在其上外延的氮化物薄膜质量较差，导致LED的性能欠佳。因此，亟需提出一种可以直接外延生长GaN基垂直LED结构的工艺，且该工艺能够满足通用照明低成本、高性能、高成品率的大规模生产要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种GaN基垂直LED结构及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种GaN基垂直LED结构，包括：衬底，为透明、导电、与GaN晶格失配度在1％～15％的宽禁带半导体材料；依次外延于衬底之上的缓冲层、n型GaN层、多量子阱发光层、p型GaN层以及反射膜；以及p/n电极，分别位于反射膜的上方、衬底的背面。

在本公开的一些实施例中，衬底的材料为β-Ga₂O₃。

在本公开的一些实施例中，缓冲层的材料为：GaN或AlN；和/或缓冲层的厚度介于2nm～50nm之间。

在本公开的一些实施例中，n型GaN层采用掺杂Si元素获得，掺杂浓度介于10¹⁸cm^-3～10²⁰cm^-3之间；和/或n型GaN层的厚度介于2μm～6μm之间。

在本公开的一些实施例中，多量子阱发光层的材料为：InxGaN/GaN，其中X的值为12～18，并且InGaN层的厚度介于2nm～3nm之间；GaN层的厚度介于10nm～12nm之间。