技术领域
[0001] 本
发明涉及
半导体技术领域，具体涉及一种三维LED外延结构及其制备方法。
背景技术
[0002] GaN基LED作为新型的节能
光源，有望为全球多达15亿的人口送去光明，但它要想全面替代普通照明，真正的走进千家万户，还需要进一步降低成本，提高发光强度及
发光效率。这些都需要以新型的高性能GaN基LED外延结构研发为
基础，因而开展GaN基新型LED外延结构研究具有重要意义。
[0003] 近年来，GaN基LED已经完全实现了产业化
进程，但到目前为止，产业化的LED外延结构大都是以二维GaN
薄膜为基础，而随着对大功率，高
亮度及白光LED需求的日益加大，也暴露出越来越多的问题：
[0004] 第一，由于与衬底具有较大的晶格失配和热失配系数，生长的GaN中存在的大量位错形成非
辐射复合中心，从而抑制内
量子效率。第二，GaN基半导体材料中存在的较强压
电极化现象，使InGaN/GaN多
量子阱有源区内形成了内建
电场，产生了量子限制斯塔克效应，即，使得InGaN/GaN量子阱能带发生倾斜，导致
电子和空穴发生空间分离，降低电子-空穴波函数的交叠，载流子复合几率减小，降低
内量子效率。第三，由于俄歇复合，载流子
泄漏，载流子局域，空穴注入效率低等原因，随着注入
电流的增大，其发光效率会大幅下降，即所谓的效率骤降问题。第四，由于存在由于各功能层间存在全反射，GaN基薄膜LED的光提取效率仍然较低。第五，薄膜LED发光
波长比较单一，很难直接实现单结构的全彩色发光。
[0005] 为此，中国
专利文献CN104112802A公开了一种AlGaInP发光
二极管外延片，其结构为：在
图案化后的n-GaAs衬底上
外延生长n-GaAs
纳米棒核层，然后在n-GaAs纳米棒
侧壁上依次外延生长n-InAlP限制层、(AlxGa1-x)0.5In0.5P/(AlyGa1-y)0.5In0.5P多量子阱有源层、p-InAlP限制层、p-GaP
覆盖层。其制备方法是：采用金属有机
化学气相沉积(MOCVD)的方法在n-GaAs衬底上外延生长各层。上述外延片结构加强了载流子的限制且可抑制载流子在界面处的复合几率和散射几率。LED有源区层生长在纳米棒圆柱形表面，增加了发光面积，可以大大提高发光效率。半导体纳米棒的非平面的几何形状可增加光提取效率，且根据量子约束效应，通过改变纳米棒直径，可以实现多色发光。然而，上述结构采用了成本更高的图形化衬底，同时这种结构及其制备主要适合于GaAs基红光LED，其多色发光只能通过改变纳米棒的直径来实现，不能在单根纳米棒上实现多色发光，因而很难实现LED的白光发射。
发明内容
[0006] 为此，本发明所要解决的是现有LED外延结构制备成本高、难于实现多色发光、白光发射的问题。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
[0008] 本发明所述的一种三维LED外延结构，包括衬底以及层叠设置在所述衬底上的多孔SiNx层；还包括形成在所述SiNx层孔隙中的n型GaN纳米棒阵列，依次层叠包覆在所述GaN纳米棒阵列每个表面上的多量子阱层和P型GaN层。
[0009] 可选地，所述SiNx层为非晶态SiNx层，厚度为5nm～15nm，孔径为50nm～300nm。
[0010] 可选地，所述GaN纳米棒阵列为Si掺杂的GaN纳米棒阵列，高度为2μm～3μm，直径为50nm～300nm。
[0011] 可选地，所述GaN纳米棒阵列具有纳米尺寸的(0001)极性面和/或(1-101)半极性面和/或(1-100)非极性面。
[0012] 可选地，所述多量子阱层为InGaN/GaN多量子阱层，InGaN阱层厚度为2nm～5nm，GaN垒层厚度为10nm～15nm，周期为5～10。
[0013] 可选地，所述多量子阱层具有纳米尺寸的(0001)极性面和/或(1-101)半极性面和/或(1-100)非极性面。
[0014] 可选地，还包括直接形成在所述衬底上的AlN层，厚度为0nm～5nm；所述P型GaN层为Mg掺杂的P型GaN层，厚度为30nm～100nm。
[0015] 本发明所述的三维LED外延结构的制备方法，包括如下步骤：
[0016] S1、在衬底上形成多孔SiNx层；
[0017] S2、在所述SiNx层孔洞中形成n型GaN纳米棒阵列；
[0018] S3、在所述GaN纳米棒阵列每个表面上形成多量子阱层；
[0019] S4、在所述多量子阱层上形成P型GaN层。
[0020] 可选地，所述步骤S1之前还包括在所述衬底上形成AlN层的步骤。
[0021] 可选地，所述步骤S1中，所述SiNx层的生长方法为：
硅源为SiH4、氮源为NH4、载气为H2，生长
温度为980℃～1040℃，压
力为133mbar生长100s～200s；关闭硅源，在NH4氛围下
退火400s～600s；
[0022] 所述步骤S2中，所述GaN纳米棒阵列的生长方法为：以TMGa为镓源、SiH4为硅源、NH3为氮源、H2为载气，生长温度为1020℃～1070℃，压力为600mbar，Ⅴ/Ⅲ比为10～200，生长3600s-4800s；
[0023] 所述步骤S3中，所述多量子阱层的生长方法为：以TEGa作为镓源，NH3作为氮源，N2作为载气，生长温度为800℃～860℃，反应室压力为400mbar，生长30s-60s，得到GaN垒层；以TEGa为镓源、TMIn为铟源、NH3为氮源、N2为载气，生长温度为720℃～780℃，反应室压力为
400mbar，生长30s-60s，得到InGaN阱层；
[0024] 所述步骤S4中，所述P型GaN层的生长方法为：以TEGa作为镓源、NH3作为氮源、H2作为载气，生长温度为800℃～860℃，反应室压力为400mbar，生长30-60s。
[0025] 本发明的上述技术方案相比
现有技术具有以下优点：
[0026] 1、本发明
实施例所述的一种三维LED外延结构，包括衬底以及层叠设置在所述衬底上的多孔SiNx层；还包括形成在所述SiNx层孔隙中的n型GaN纳米棒阵列，依次层叠包覆在所述GaN纳米棒阵列每个表面上的多量子阱层和P型GaN层。所述GaN纳米棒阵列与包覆其每个表面的多量子阱层、P型GaN层构成三维
核壳结构，
比表面积大，相比薄膜材料，在相同的电流
密度下可以产生更多的
光子数，提高了所述LED外延结构的内量子效率。同时，所述GaN纳米棒的生长无需图形化的衬底，工艺成本低。
[0027] 2、本发明实施例所述的一种三维LED外延结构，所述GaN纳米棒阵列及其核—壳结构具有纳米尺寸的(0001)极性面和/或(1-101)半极性面和/或(1-100)非极性面，可以有效遏制斯塔克效应，减小极化电场，提升电子-空穴复合几率，提高LED外延结构的内量子效率。
[0028] 3、本发明实施例所述的一种三维LED外延结构，所述多孔SiNx层不但能够作为所述GaN纳米棒阵列的生长模板，还能够有效降低该结构的位错密度及位错的继续生长，从而减少有源区的非辐射复合中心，提高LED外延结构的内量子效率。
[0029] 4、本发明实施例所述的一种三维LED外延结构，所述GaN纳米棒阵列良好的周期性结构还可以进一步增强LED外延结构的光提取效率。
[0030] 5、本发明实施例所述的一种三维LED外延结构，所述InGaN/GaN多量子阱层作为发光的有源区，具有(0001)极性面，(1-101)半极性面和(1-100)非极性面，这些不同的面具有不同的In含量及阱厚，能够直接实现全彩色发光。
[0031] 6、本发明实施例所述的三维LED外延结构的制备方法，包括如下步骤：S1、在衬底上形成多孔SiNx层；S2、在所述SiNx层孔洞中形成n型GaN纳米棒阵列；S3、在所述GaN纳米棒阵列每个表面上形成多量子阱层；S4、在所述多量子阱层上形成P型GaN层。所述三维LED外延结构的制备方法简单易实施，不但工艺成本低，而且能够有效保证产品良率。
附图说明
[0032] 为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
[0033] 图1是本发明实施例所述的LED外延结构结构示意图；
[0034] 图中附图标记表示为：1-衬底、2-AlN层、3-SiNx层、4-GaN纳米棒阵列、5-多量子阱层、6-P型GaN层。
具体实施方式
[0035] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
[0036] 本发明可以以许多不同的形式实施，而不应该被理解为限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将把本发明的构思充分传达给本领域技术人员，本发明将仅由
权利要求来限定。在附图中，为了清晰起见，会夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。应当理解的是，当元件例如层、区域或
基板被称作“形成在”或“设置在”另一元件“上”时，该元件可以直接设置在所述另一元件上，或者也可以存在中间元件。
相反，当元件被称作“直接形成在”或“直接设置在”另一元件上时，不存在中间元件。
[0037] 实施例
[0038] 本实施例提供一种三维LED外延结构，如图1所示，包括衬底1以及层叠设置在衬底1上的多孔SiNx层3；还包括形成在SiNx层孔隙中的n型GaN纳米棒阵列4，依次层叠包覆在GaN纳米棒阵列4每个表面上的多量子阱层5和P型GaN层6。
[0039] GaN纳米棒阵列4与其每个外表面上的多量子阱层5、P型GaN层6构成的三维核—壳结构，比表面积大。相比薄膜材料，在相同的电流密度下可以产生更多的光子数，提高了LED外延结构的内量子效率。
[0040] 多孔SiNx层3不但能够作为GaN纳米棒阵列4的生长模板，还能够有效降低该结构的位错密度及位错的继续生长，从而减少有源区的非辐射复合中心，提高LED外延结构的内量子效率。
[0041] GaN纳米棒阵列4良好的周期性结构还可以进一步增强LED外延结构的光提取效率。
[0042] 作为本发明的一个实施例，本实施例中，LED外延结构还包括直接形成在衬底1上的AlN层2，厚度为2nm；AlN层2熔点高、表面活性低，作为
缓冲层能够有效提高形成在其上的SiNx层3的膜层
质量。作为本发明的可变换实施例，AlN层2厚度还可以为0nm～5nm，均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。
[0043] 作为本发明的一个实施例，本实施例中，SiNx层3为非晶态SiNx层，厚度为10nm，孔径为100nm。作为本发明的可变换实施例，SiNx层3厚度还可以为5nm～15nm，孔径还可以为50nm～300nm，均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。
[0044] 作为本发明的一个实施例，本实施例中，GaN纳米棒阵列4为Si掺杂的GaN纳米棒阵列，高度为2.5μm，直径为100nm。作为本发明的可变换实施例，GaN纳米棒阵列4高度还可以为2μm～3μm，直径还可以为50nm～300nm，均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。
[0045] 作为本发明的一个实施例，本实施例中，多量子阱层5为InGaN/GaN多量子阱层，InGaN阱层厚度为4nm，GaN垒层厚度为12nm，周期为8；作为本发明的可变换实施例，多量子阱层5中，InGaN阱层厚度还可以为2nm～5nm，GaN垒层厚度还可以为10nm～15nm，周期为5～10均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。
[0046] 作为本发明的一个实施例，本实施例中，GaN纳米棒阵列4具有纳米尺寸的(0001)极性面、(1-101)半极性面、(1-100)非极性面；多量子阱层5具有纳米尺寸的(0001)极性面和/或(1-101)半极性面和/或(1-100)非极性面。GaN纳米棒阵列4包覆每个外表面上的多量子阱层5、P型GaN层6构成的三维核—壳结构具有纳米尺寸的(0001)极性面和/或(1-101)半极性面和/或(1-100)非极性面，可以有效遏制斯塔克效应，减小极化电场，提升电子-空穴复合几率，提高LED外延结构的内量子效率。
[0047] InGaN/GaN多量子阱层5作为发光的有源区，具有(0001)极性面，(1-101)半极性面和(1-100)非极性面，这些不同的面具有不同的In含量及阱厚，能够直接实现全彩色发光。
[0048] 作为本发明的一个实施例，本实施例中，P型GaN层6为Mg掺杂的P型GaN层，厚度为60nm；作为本发明的可变换实施例，厚度还可以为30nm～100nm，均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。
[0049] 三维LED外延结构的制备方法，包括如下步骤：
[0050] S1、在衬底1上形成层叠设置的AlN层2、多孔SiNx层3。
[0051] 衬底1选用商用蓝
宝石衬底，以NH3为氮源、H2为载气，在温度为1050℃、压力为100mbar条件下氮化90s，在衬底1上形成AlN层2。
[0052] 以SiH4为硅源、NH4为氮源、H2为载气，生长温度为980℃～1040℃，压力为133mbar生长100s～200s；关闭硅源，在NH4氛围下退火400s～600s，得到多孔SiNx层3。作为本发明的一个实施例，本实施例中，生长温度为1000℃、生长时间为150s，退火时间为500s。
[0053] S2、在SiNx层3孔洞中形成n型GaN纳米棒阵列4；
[0054] 具体为：以TMGa为镓源、SiH4为硅源、NH3为氮源、H2为载气，生长温度为1020℃～1070℃，压力为600mbar，Ⅴ/Ⅲ比为10～200，生长3600s-4800s。
[0055] 作为本发明的一个实施例，本实施例中，生长温度为1000℃、生长时间为4000s。
[0056] S3、在GaN纳米棒阵列4的各个外表面上形成多量子阱层5；
[0057] 具体为：以TEGa作为镓源，NH3作为氮源，N2作为载气，生长温度为800℃～860℃，反应室压力为400mbar，生长30s-60s，得到GaN垒层；作为本发明的一个实施例，本实施例中，生长温度为830℃、生长时间为50s。
[0058] 以TEGa为镓源、TMIn为铟源、NH3为氮源、N2为载气，生长温度为720℃～780℃，反应室压力为400mbar，生长30s-60s，得到InGaN阱层；作为本发明的一个实施例，本实施例中，生长温度为750℃、生长时间为50s。
[0059] S4、在多量子阱层5上形成P型GaN层6。
[0060] 具体为：以TEGa作为镓源、NH3作为氮源、H2作为载气，生长温度为800℃～860℃，反应室压力为400mbar，生长30s-60s；作为本发明的一个实施例，本实施例中，生长温度为830℃、生长时间为50s。
[0061] 三维LED外延结构的制备方法简单易实施，不但工艺成本低，而且能够有效保证产品良率。
[0062] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
