制造具有平坦表面的三维氮化镓结构的方法和使用具有平坦表面的三维氮化镓(GaN)柱状物结构的发光二极管(LED)技术

提出了制造具有平坦表面的三维氮化镓(GaN)柱状物结构的方法。在提供衬底之后，所述方法在衬底的上表面上生长GaN膜、并且在GaN膜的上表面中形成腔体。使用激光烧蚀、离子注入、喷砂或干法刻蚀工艺形成所述腔体。然后湿法刻蚀GaN膜上表面中的腔体，形成延伸到GaN膜中的平坦侧壁。更明显地，将腔体形成于c‑平面GaN上表面中，并且在m‑平面或a‑平面族中与c平面垂直地形成平坦侧壁。提出了使用具有平坦表面的三维GaN柱状物结构来制造发光二极管(LED)的方法。所述方法形成多个GaN柱状物结构，每一个具有n‑掺杂GaN(n‑GaN)和与c‑平面垂直的平坦侧壁，形成在m‑平面或a‑平面族中。在n‑GaN柱状物侧壁上形成多量子阱(MQW)层，并且在MQW层上形成p‑掺杂GaN(p‑GaN)层。在第一衬底上沉积多个GaN柱状物结构，其中n‑掺杂GaN柱状物侧壁与第一衬底的上表面平行地对准。每一个GaN柱状物结构的第一端部与第一金属层相连。对每一个GaN柱状物结构的第二端部进行刻蚀以暴露n‑GaN柱状物的第二端部并与第二金属层相连。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制造具有平坦表面的三维氮化镓结构的方法和使用具有平坦表面的三维氮化镓(GaN)柱状物结构的发光二极管(LED)
本专利技术总体涉及发光二极管(LED)制造工艺，并且更具体地涉及制造具有平坦表面的三维(3D)氮化镓结构的方法。本专利技术总体涉及发光二极管(LED)制造工艺，并且更具体地涉及制造供LED中使用的具有平坦表面的三维(3D)氮化镓结构的方法。
技术介绍
图1是平面氮化镓LED的部分截面图(现有技术)。由于氮化镓的良好带隙和直接能带结构，氮化镓(GaN)广泛用于LED应用，并且大多数制造遵循如Nguyen, X.L.>Nguyen,Τ.N.N.、Chau, V.T.和 Dang, M.C 在 Adv.Nat.Sci:Nanosc1.Nanotechnol.1,025015 (2010)的 “The fabrication of GaN-based light emitting diodes (LEDs) ” 中提到的平面金属有机化学气相沉积(MOCVD)顺序，如下:I)将具有Si掺杂的厚n-GaN沉积到蓝宝石衬底上；2)形成多量子阱(MQW)层，所述MQW层包括交替的InGaN和AlGaN薄层；以及3)用Mg掺杂形成薄p-GaN层。这种技术的限制之一是由于在形成足够高质量材料时遇到的困难，导致用于器件的GaN的生产成本高。这些困难主要源于生长工艺，所述生长工艺典型地在分子束外延(MBE)或M0CVD)反应器中，在非常高的温度(例如，超过1000摄氏度)下，在具有不同热膨胀系数(CTE)的衬底上进行。CTE的差异可能导致穿透位错的形成，所述穿透位错不利地影响器件性能和可靠性。此外，膜应力限制了在GaN膜中可以合并的掺杂剂的量，这进而限制了可实现的发射特性的范围。因此，需要针对给定面积的生长衬底来改善缺陷密度并且增加可以产生LED发光的器件表面积的量。图2A至2C是具有纹理表面的LED器件的部分截面图(现有技术)。图2A示出了平面LED，图2B示出了倒装芯片LED，以及图2C示出了纹理模板LED。平面LED结构的一个其他考虑是GaN的高折射率，这限制了可以发射至窄角锥的光的量。逃逸锥外部的光内反射，减小了器件的效率。已经设计了多种方式来提高平面器件上的封装层的粗糙度，作为允许更多光逃逸的手段，例如参见Fujii, T.等人的“Increase in the extractionefficiency of GaN-based light-emitting diodes via surface roughening，，，AppliedPhysics Letters84,855 (2004)以及Lee,H.C.等人的“Effect of the surface texturingshapes fabricated using dry etching on the extraction efficiency of verticallight-emitting diodes”，Solid-State Electronics52,1193-1196 (2008)的干法刻蚀纹理化研究。也已经按照类似的方式使用了纳米结构表面涂层来提取内反射(Kang，J.W.等人的“Improved Light Extraction of GaN-Based Green Light-Emitting Diodes with anAntireflection Layer of ZnO Nanorod Arrays，，，Electrochem.Solid-State Lett.14,H120-H123(2011)。图3A和3B分别描述了 GaN微棒LED结构和从微棒LED阵列制造的器件(现有技术)。减轻平面器件制造问题的一种方法是使用GaN纳米线或微棒(微棒)。可以利用适当的壳体结构在高温下制造这种结构，以形成从生长衬底收获、并且使用介电电泳(即e-场)工艺沉积的p-QW-nLED。GaN微棒提供非平面模板用于量子阱(QW)结构的外延生长，通常是是以六边形或三角形棒的形式。偏离平面应该提供更有效率的光提取。微棒和纳米线的直径典型地足够小，使得显著地减小了穿透位错密度，增加了内量子效率(IQE)和寿命。通过控制GaN微棒的结晶朝向，可使用不平坦或半平坦平面来进行器件制造，从而减小量子约束斯塔克斯效应(QCSE)，所述QCSE效应进而可以带来IQE的改善。多个研究组已经在不同成功程度上从事GaN纳米线的研发。UNM研究员已经研发了产生高质量GaN纳米线的一种方法，并且使用从模板化的衬底的MOCVD外延生长(S.D.Hersee 等人的“The controlled growth of GaN nanowires，，，Nano Letters6,1808(2006))。这种工艺产生具有恒定直径和六边形横截面的良好纳米线，具有(1100)族的侧壁朝向。然而，生长局限于每小时2微米。已经使用各种催化剂研发了其他基于VLS的生长工艺，得到的纳米线和纳米棒生产和制造成LED器件。VLS-生长的GaN纳米线的结晶朝向可能是非理想的，因为存在生长的竞争优选轴朝向(依赖于温度的a轴和c轴)、竞争相位(闪锌矿和纤维锌矿)，并且得到的纳米线可能具有非均匀侧壁朝向。这会影响用于器件制造的e-场散布GaN纳米线的均匀性。如果可以制造具有均匀侧壁朝向和最小位错密度的GaN LED，这是有利的。
技术实现思路
根据本专利技术，提出了一种制造具有平坦表面的三维氮化镓(GaN)柱状物结构的方法，所述方法包括:提供衬底；在衬底的上表面上生长GaN膜；在GaN膜的上表面中形成腔体；在GaN膜上表面中湿法刻蚀腔体；以及形成延伸至GaN膜中的平坦侧壁。根据本专利技术，提出了一种氮化镓(GaN)三维(3D)结构，包括:GaN柱状物；以及在从包括m-平面和a-平面侧壁的组中选择的平面中形成的柱状物侧壁。根据本专利技术，提出了一种氮化镓(GaN)三维(3D)阵列，包括:具有上表面的衬底；在GaN膜中形成的开口的蜂窝状结构；以及每一个开口具有从包括m-平面和a_平面侧壁的组中选择的平面中形成的侧壁。根据本专利技术，提出了一种使用具有平坦表面的三维氮化镓(GaN)柱状物结构制造发光二极管(LED)的方法，所述方法包括形成多个GaN柱状物结构，每一个GaN柱状物结构如下形成:形成具有第一端部、第二端部和与C-平面垂直的平坦侧壁的η-掺杂GaN(n-GaN)柱状物，所述端部的至少一个形成在c_平面中，并且所述平坦侧壁在从包括m-平面和a平面族的组中选择的平面中形成；在n-GaN柱状物侧壁上形成多量子阱(MQW)层；在MQW层上形成P-掺杂GaN (p-GaN)层；在第一衬底上沉积多个GaN柱状物结构，η-掺杂GaN柱状物侧壁与第一衬底的上表面平行地对准；将每一个GaN柱状物结构的第一端部与第一金属层相连以形成第一电极；刻蚀每一个GaN柱状物结构的第二端部以暴露n-GaN柱状物第二端部；以及将每一个GaN柱状物结构的第二端部与第二金属层相连以形成第二电极。根据本专利技术，提出了一种使用具有平坦表面的三维氮化镓(GaN)柱状物结构制造发光二极管(LED)的方法，所述方法包括:在衬底上生长η-掺杂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造具有平坦表面的三维氮化镓(GaN)柱状物结构的方法，所述方法包括：提供衬底；在衬底的上表面上生长GaN膜；在GaN膜的上表面中形成腔体；在GaN膜上表面中湿法刻蚀腔体；以及形成延伸至GaN膜中的平坦侧壁。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.12.27 US 13/337,843;2012.02.06 US 13/367,1201.一种制造具有平坦表面的三维氮化镓(GaN)柱状物结构的方法，所述方法包括: 提供衬底； 在衬底的上表面上生长GaN膜； 在GaN膜的上表面中形成腔体； 在GaN膜上表面中湿法刻蚀腔体；以及 形成延伸至GaN膜中的平坦侧壁。2.根据权利要求1所述的方法，其中在GaN膜的上表面中形成腔体包括:使用从激光烧蚀、离子注入、喷砂和干法刻蚀组成的组中选择的工艺来形成腔体。3.根据权利要求1所述的方法，其中在GaN膜的上表面中形成腔体包括:在C-平面上表面中形成腔体，并且 其中形成延伸至GaN膜中的平坦侧壁包括:在从m-平面和a_平面族组成的组中选择的平面中形成与C-平面垂直的侧壁。4.根据权利要求1所述的方法，其中在GaN膜上表面中湿法刻蚀腔体包括: 去除响应于形成腔体而损坏的GaN材料；以及 响应于遇到GaN膜中的C-平面、m-平面和a_平面而停止GaN材料的去除。5.根据权利要求1所述的方法，其中在GaN膜的上表面中形成腔体包括:在GaN膜中形成沿与C-平面晶带轴对准的方向延伸的腔体阵列；以及 其中形成延伸至GaN膜中的平坦侧壁包括:形成具有在从m-平面和a_平面族中选择的平面中的侧壁表面的多个GaN柱状物。6.根据权利要求5所述的方法，还包括: 在GaN膜的上表面中形成腔体之前，形成掩模，所述掩模包括暴露出GaN膜的上表面的孔阵列； 其中在GaN膜的上表面中形成腔体包括:在由掩模暴露出的GaN上表面的区域中干法刻蚀腔体； 其中在GaN膜中湿法刻蚀腔体包括:将腔体沿所有方向各向异性地延伸到GaN膜中； 其中形成具有平坦侧壁的GaN柱状物包括: 当遇到从m-平面和a-平面族选择的第一平面时，湿法刻蚀工艺减慢；以及形成具有从包括三角形和六边形的组中选择的形状的GaN柱状物，分别来自于第一平面中的多个相连接的侧壁。7.根据权利要求3所述的方法，其中形成延伸到GaN膜中的平坦侧壁包括:响应于湿法刻蚀化学来选择GaN侧壁平面族。8.根据权利要求5所述的方法，其中在GaN膜的上表面中形成腔体包括:将腔体的阵列激光烧蚀到GaN上表面中； 其中在GaN膜中湿法刻蚀腔体包括:将腔体沿所有方向各向异性地延伸到GaN膜中； 其中形成具有平 坦侧壁的GaN柱状物包括: 当遇到从m-平面和a-平面族选择的第一平面时，湿法刻蚀工艺减慢；以及形成具有从包括三角形和六边形的组中选择的形状的GaN柱状物，每一个均来自于第一平面中的多个相连接的侧壁。9.根据权利要求1所述的方法，其中形成延伸到GaN膜中的平坦侧壁包括形成GaN柱状物；并且 所述方法还包括: 将GaN柱状物从衬底分离。10.一种氮化镓(GaN)三维(3D)结构，包括: GaN柱状物；以及 在从m-平面和a-平面侧壁组成的组中选择的平面中形成的柱状物侧壁。11.一种氮化镓(GaN)三维(3D)阵列，包括: 具有上表面的衬底； 在GaN膜中形成的开口的蜂窝状结构；以及 每一个开口具有在从m-平面和a-平面侧壁组成的组中选择的平面中形成的侧壁。12.一种使用具有平坦表面的三维氮化镓(GaN)柱状物结构制造发光二极管(LED)的方法，所述方法包括: 形成多个GaN柱状物结构，每一个GaN柱状物结构如下形成: 形成具有第一端部、第二端部和与C-平面垂直的平坦侧壁的η-掺杂GaN(n-GaN)柱状物，所述端部的至少一个形成在C-平面中，并且所述平坦侧壁形成在从包括m-平面和a平面族的组中选择的平面中； 在n-GaN柱状物侧壁上形成多量子阱(MQW)层； 在MQW层上形成P-掺杂GaN(p-GaN)层； 在第一衬底上沉积多个GaN柱状物结构，其中η-掺杂GaN柱状物侧壁与第一衬底的上表面平行地对准； 将每一个GaN柱状物结构的第一端部与第一金属层相连以形成第一电极； 刻蚀每一个GaN柱状物结构的第二端部以暴露n-GaN柱状物的第二端部；以及 将每一个GaN柱状物结构的第二端部与第二金属层相连以形成第二电极。13.根据权利要求12所述的方法，其中形成η-掺杂GaN柱状物包括: 在第二衬底上生长η-掺杂GaN膜； 在GaN膜的上表面中形成腔体； 在GaN膜上表面中湿法刻蚀腔体； 形成延伸到GaN膜中的平坦侧壁，所述平坦侧壁垂直于与GaN上表面对准的c_平面；以...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·艾伯特·克劳德尔，战长青，保罗·J·舒勒，
申请(专利权)人：夏普株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP