CN101009346A - 硅衬底上生长的非极性a面氮化物薄膜及其制法和用途 - Google Patents
硅衬底上生长的非极性a面氮化物薄膜及其制法和用途 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101009346A CN101009346A CNA2006100112943A CN200610011294A CN101009346A CN 101009346 A CN101009346 A CN 101009346A CN A2006100112943 A CNA2006100112943 A CN A2006100112943A CN 200610011294 A CN200610011294 A CN 200610011294A CN 101009346 A CN101009346 A CN 101009346A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- thickness
- gan
- type
- ingaaln
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Led Devices (AREA)
Abstract
本发明涉及一种硅衬底上生长的非极性(1120)A面氮化物薄膜，包括一硅衬底、依次生长在其上的金属层、InGaAlN初始生长层和第一InGaAlN缓冲层，其特征在于：所述的硅衬底为采用(100)面、(110)面或偏角的Si衬底。该硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜可以应用于发光二极管、激光器、太阳能电池等领域。在其上依据不同的器件应用生长相应的器件外延结构，例如生长和制备的发光二极管和激光器，并进一步利用成熟的硅工艺，制备对应的双面电极器件或采用剥离工艺的器件。与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明可以有效提高非极性GaN基材料的生长质量，降低成本；并大幅简化现有器件工艺，降低成本，以及可以大幅度提高散热效率、发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种Si衬底上生长的非极性(11
0)A面氮化物薄膜，及其制备方法，和在光电子和微电子器件中的用途。
背景技术
以GaN为代表的宽禁带材料，是继Si和GaAs之后的第三代半导体。由于外延技术的突破，在九十年代期间有快速的发展。它之所以受到广泛的高度重视，基于三个方面的原因：首先是制成高亮度蓝光发光管，从而使人类可以获得高重复性、长寿命的全色包括白光光源；第二是能制成短波长激光器，相对于长波激光器而言，束斑尺寸小，可实现高密度数据光存储；第三是其耐高温、高热导、高耐压特性，可发展高温(300～500℃)、高线性、高功率电子器件及紫外探测器。
目前的GaN基材料是由III族元素(Ga，Al，In)和N的结合，因而存在电负性，而使它的单晶具有极性面，即III族元素(Ga，Al，In)面或N面。目前的GaN的外延基本上都生长在(0001)面上，因此极性问题犹为重要。在不同的极性面上的生长，由于III和V族元素的键的排列不同，从而使生长的GaN的缺陷密度、组态不同。更重要的是生长时吸附的杂质原子会有极大的差别，从而对材料的电学和光学特性产生影响。而且，GaN基异质结两侧在自然极化和压电极化上存在着差异，从而使此异质结界面处产生一定浓度的电荷。这些电荷在外延层中产生强度较高的内建电场，使能带弯曲、倾斜，能级位置发生变化，是发光波长产生红移；同时由界面电荷产生的电场还会使正负载流子在空间上分离，电子与空穴波函数的交迭变小，使材料的发光效率大大降低。此外，具有与界面电荷电性相反的载流子被吸引到界面处形成二维电子气或空穴气。由于界面处的极性散射和合金散射强度很大，二维载流子的迁移率会很低；而另一部分被分离开的载流子堆积在样品的表面，影响了表面物理特性。如在Ga面样品表面做欧姆接触，往往很难得到P型的欧姆电极。
如果生长制备出性能良好的非极性GaN，则可以克服上述所存在的问题，大大提高发光二极管的发光效率。
现在生长非极性GaN的一个方向是在蓝宝石R(101
)面上生长(11
0)A面GaN的研究，光荧光的结果表明A面InGaN/GaN量子阱的发光效率比C面的高，发光二极管器件的结果表明A面的发光强度比C面的GaN基蓝光发光二极管强1倍。但是蓝宝石R面与GaN的A面的晶格失配在[0001]GaN方向为1％，在[1
00]GaN方向晶格失配为16％，相差很大，因此在蓝宝石R面上生长的A面GaN存在大量的层错、位错等缺陷，表面粗糙，只有在图形衬底上，通过HVPE方法生长才能得到缺陷密度低、平的表面。
生长非极性GaN的另一个方向是对LiAlO3(100)面上生长M面(1
00)GaN进行了研究，其与GaN的晶格失配只有1％，是很好的低失配衬底，但是LiAlO3的热稳定性差，外延生长的GaN本征载流子浓度高，很难制备P型GaN。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的生长在(0001)面上的GaN基材料(InGaAlN)存在极性问题，而在现有衬底(R面蓝宝石和LiAlO3(100)面)生长非极性GaN基薄膜存在的高缺陷的问题。利用在硅(001)面和(110)面的晶格常数是5.42埃，GaN(11
0)A面一个方向的晶格常数为5.5183埃，另一方向的晶格常数为5.178埃，与硅(001)面的晶格失配分别为1.8％和4.7％，即该特定晶向的硅衬底与GaN的晶格失配较小，是GaN外延生长的良好衬底，从而提供一种在(100)面、(110)面及偏角的硅衬底上生长的非极性(11
0)A面氮化物薄膜，及其制备方法，和在其上生长和制备的发光二极管和激光器，并进一步利用成熟的硅工艺，制备对应的双面电极器件或采用剥离工艺的器件；或将此方法用于其它光电子及微电子器件。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：
本发明提供一种硅衬底上生长的非极性(11
0)A面氮化物薄膜，其结构示意图如图1所示，包括一硅衬底1、依次生长在其上的金属层2、InGaAlN初始生长层3和第一InGaAlN缓冲层4，其特征在于：
所述的硅衬底为采用(100)面、(110)面或偏角的Si衬底；
所述的Si(100)面、(110)面及偏角的衬底为：Si(100)衬底及向各个方向偏角不超过12度，及Si(100)衬底及向各个方向偏角不超过12度的各种图形衬底；Si(110)衬底及向各个方向偏角不超过12度，及Si(110)衬底及向各个方向偏角不超过12度的各种图形衬底；
所述的图形衬底为一维和二维图形的刻蚀(湿法和干法)图形，或者是通过金属、氮化物、氧化物的一维和二维图形掩膜形成的图形衬底；
所述的金属层为In、Ga、Al、Zn等金属淀积而成，厚度为0～100埃；
所述的InGaAlN初始生长层为在异质衬底上外延的过渡层，此过渡层的材料为GaN、AlGaN、InAlN、InAlGaN或这几种合金的组合，即可以是单层结构、超晶格、组分渐变层，厚度为10～2000埃；
所述的第一InGaAlN缓冲层为在InGaAlN初始生长层上外延的过渡层，此过渡层的材料为GaN、AlGaN、InAlN、InAlGaN或这几种合金的组合，即可以是单层结构、超晶格、组分渐变层，厚度为100～40000埃。
本发明提供一种上述硅衬底上生长的非极性(11
0)A面氮化物薄膜的制备方法，包括如下的步骤：
1)在MOCVD反应室中，设定温度为600～1100℃范围，对清洗干净的硅衬底表面进行退火脱附处理，以去除衬底表面的氧化层；
2)利用金属有机源作为金属材料来源，在该(100)面、(110)面或偏角的Si衬底上淀积一金属层，反应室温度范围400～1100℃；
3)在400～1100℃，在上述金属层上外延生长InGaAlN初始生长层；此层材料为GaN、AlGaN、InAlN、InAlGaN或这几种合金的组合，即可以是单层结构、超晶格、组分渐变层，厚度为10～2000埃；
4)在800～1100℃，在上述InGaAlN初始生长层上外延生长第一InGaAlN缓冲层，此层材料为GaN、AlGaN、InAlN、InAlGaN或这几种合金的组合，即可以是单层结构、超晶格、组分渐变层，厚度为100～40000埃，得到本发明的硅衬底上生长的非极性(11
0)A面氮化物薄膜。
本发明提供的硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜可以应用于发光二极管、激光器、太阳能电池等领域。在其上依据不同的器件应用生长相应的器件外延结构，例如生长和制备的发光二极管和激光器，并进一步利用成熟的硅工艺，制备对应的双面电极器件或采用剥离工艺的器件；或将此方法用于其它光电子及微电子器件。
本发明提供一种高发光效率的发光二极管，如图2所示，包括上述硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜，及依次生长在其上的第二InGaAlN缓冲层5、n型InAlGaN层6、发光层7、p型限制层8和p型GaN层9，其特征在于：
所述的第二InGaAlN缓冲层为GaN、AlGaN、InAlN、InAlGaN或这几种合金的组合，即可以是单层结构、超晶格、组分渐变层，厚度为50nm～3μm；
所述的n型InAlGaN层为制备n型欧姆接触的接触层，为GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或这几种合金的组合，厚度为50nm～3μm；
所述的发光层为发光二极管的有源层，此层为由势垒层GaN或InyGa1-yN以及量子阱层InxGa1-xN组成的多量子阱，其中0.05＜x＜0.3，0＜y＜0.15，且y＜x，量子阱的周期数为1～20，其中势垒层厚度为5～20nm，量子阱层厚度为1～10nm；
所述的p型限制层为提高发光效率的载流子限制层，此层为GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或这几种合金的组合，厚度为0～1μm；或者为以上几种合金构成的超晶格，超晶格的周期数为1～20，其中垒层厚度为1～20nm，阱层厚度为1～20nm；
所述的p型GaN层为制备p型欧姆接触的接触层，此层为GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或这几种合金的组合，厚度为20nm～1μm。
上述高发光效率的发光二极管是将本发明的硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜进一步加工制得的：
5)在MOCVD反应室中，利用常规的MOCVD外延生长技术，在400～1100℃，在本发明的硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜上外延生长第二InGaAlN缓冲层；
6)在800～1100℃，在InGaAlN缓冲层上外延生长n型InAlGaN层；
7)在400～900℃，在n型InAlGaN层上外延生长发光层；
8)在600～1000℃，在发光层上外延生长p型限制层；
9)在600～1000℃，在p型限制层上外延生长p型GaN层，得到本发明的高发光效率的发光二极管。
本发明提供一种高发光效率的激光器，如图3所示，包括上述硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜，及依次生长在其上的第二InGaAlN缓冲层5、n型InAlGaN层6、n型限制层10、发光层7、p型限制层8和p型GaN层9，其特征在于：
所述的第二InGaAlN缓冲层为GaN、AlGaN、InAlN、InAlGaN或这几种合金的组合，即可以是单层结构、超晶格、组分渐变层，厚度为50nm～3μm；
所述的n型InAlGaN层为制备n型欧姆接触的接触层，为GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或这几种合金的组合，厚度为50nm～3μm；
所述的n型限制层为提高发光效率的载流子限制层，此层为GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或这几种合金的组合，厚度为100埃～1μm；或者为以上几种合金构成的超晶格，超晶格的周期数为1～20，其中垒层厚度为1～20nm，阱层厚度为1～20nm；
所述的发光层为发光二极管的有源层，此层为由势垒层GaN或InyGa1-yN以及量子阱层InxGa1-xN组成的多量子阱，其中0.05＜x＜0.3，0＜y＜0.15，且y＜x，量子阱的周期数为1～20，其中势垒层厚度为5～20nm，量子阱层厚度为1～10nm；
所述的p型限制层为提高发光效率的载流子限制层，此层为GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或这几种合金的组合，厚度为100埃～1μm；或者为以上几种合金构成的超晶格，超晶格的周期数为1～20，其中垒层厚度为1～20nm，阱层厚度为1～20nm
所述的p型GaN层为制备p型欧姆接触的接触层，此层为GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或这几种合金的组合，厚度为20nm～1μm。
上述高发光效率的激光器是将本发明的硅衬底上生长的非极性(11
0)A面氮化物薄膜进一步加工制得的：
5)在MOCVD反应室中，利用常规的MOCVD外延生长技术，在400～1100℃，在本发明的硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜上外延生长第二InGaAlN缓冲层；
6)在800～1100℃，在InGaAlN缓冲层上外延生长n型InAlGaN层；
7)在600～1000℃，在n型InAlGaN层上外延生长n型限制层；
8)在400～900℃，在n型限制层上外延生长发光层；
9)在600～1000℃，在发光层上外延生长p型限制层；
10)在600～1000℃，在p型限制层上外延生长p型GaN层，得到本发明的高发光效率的激光器。
进一步，利用成熟的硅工艺，将上述发光二极管和激光器进一步制备成对应的双面电极器件。首先在上述发光二极管或激光器的p型GaN表面制备p电极，所述的p电极由多层金属组合而成，常用的电极材料为Ti、Al、Pt、Au、Ni、Cr、Pd、Zn、In、Sn，或这些金属的任意组合，厚度范围0nm～10μm；然后将上述发光二极管或激光器的硅衬底，按照常规的湿法腐蚀、干法刻蚀、机械研磨等方式进行减薄至50μm～原材料厚度，并在该减薄后的硅衬底表面制备n电极，所述的n电极由多层金属组合而成，常用的电极材料为Ti、Al、Pt、Au、Ni、Cr、Pd、Zn、In、Sn，或这些金属的任意组合，厚度范围0nm～10μm；得到对应的双面电极器件。
或是利用成熟的硅工艺，将上述发光二极管和激光器进一步制备成对应的采用剥离工艺的器件。首先在上述发光二极管或激光器的p型GaN表面制备p电极，所述的p电极由多层金属组合而成，常用的电极材料为Ti、Al、Pt、Au、Ni、Cr、Pd、Zn、In、Sn，或这些金属的任意组合，厚度范围0nm～10μm；然后将上述发光二极管或激光器的硅衬底、金属层和InGaAlN初始生长层，按照常规的机械研磨、湿法腐蚀、干法刻蚀等方式剥离去除后，暴露出InGaAlN掺杂层，并在该暴露的InGaAlN掺杂层表面制备n电极，所述的n电极由多层金属组合而成，常用的电极材料为Ti、Al、Pt、Au、Ni、Cr、Pd、Zn、In、Sn，或这些金属的任意组合，厚度范围0nm～10μm；得到对应的采用剥离工艺的器件。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明采用硅衬底上非极性(11
0)A面GaN生长技术应用于发光二极管、激光器、太阳能电池等领域，可以减弱极化效应引起的正负载流子在空间上的分离，增大电子与空穴波函数的交迭，使材料的发光效率大幅度提高；
2、硅衬底热稳定性好，采用其作为生长非极性(11
0)A面GaN的衬底，两者的晶格失配小，并且生长的GaN材料背底掺杂浓度低，可以避免前面所述r面蓝宝石衬底晶格失配大、LiAlO3(100)面衬底热稳定性差所带来的问题，有效提高了非极性GaN基材料的生长质量，降低成本；
3、硅衬底应用广泛，工艺成熟，成本低，采用硅衬底制备非极性A面GaN基发光二极管、激光器、太阳能电池等器件，采用双面电极工艺，可以大幅简化现有器件工艺，降低成本。
4、采用硅衬底制备的非极性A面GaN基发光二极管、激光器类器件，适用于衬底剥离工艺，可以大幅度提高散热效率、发光效率。
附图说明
图1是本发明的硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜的结构示意图；
图2是本发明的高效率发光二极管的结构示意图；
图3是本发明的高效率激光器的结构示意图；
其中，1硅衬底，2金属层，3 InGaAlN初始生长层，4第一InGaAlN缓冲层，5第二InGaAlN缓冲层，6n型InAlGaN层，7发光层，8p型限制层8，9p型GaN层，10n型限制层。
具体实施方式
实施例1、制备硅衬底上生长的非极性(11
0)A面氮化物薄膜
采用硅(100)向(010)方向偏角5度的衬底，硅片厚度300微米，硅片为N型掺杂，低电阻率。将此硅片采用有机溶剂和氢氟酸处理后，送进MOCVD反应室。将反应室升温至1100℃，反应室气氛为氢气，对清洗干净的硅衬底表面退火进行脱附处理，以去除衬底表面的氧化层。反应室温度降至450℃，以氢气为载气，通入三甲基铝，通过三甲基铝的热解反应，在硅衬底表面淀积生长厚度为10埃的Al金属层。反应室升温至500℃，在上述金属层上外延生长InGaAlN初始生长层，此层材料为AlN，厚度为60埃。反应室升温至800℃，在上述InGaAlN初始生长层上外延生长第一InGaAlN缓冲层，此层材料为Al0.1Ga0.9N，厚度为2000埃，得到本发明的硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜1。
实施例2、制备硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜
采用硅(100)向(010)方向偏角12度的图形衬底，硅片表面图形为一维光栅状图形，光栅宽度6微米，高度2微米，间距6微米，采用干法刻蚀方法制备，硅片厚度300微米，硅片为N型掺杂，低电阻率。将此硅片采用有机溶剂和氢氟酸处理后，送进MOCVD反应室。将反应室升温至600℃，反应室气氛为氢气，对清洗干净的硅衬底表面退火进行脱附处理，以去除衬底表面的氧化层。反应室温度降至400℃，以氢气为载气，通入三甲基铝，通过三甲基铝的热解反应，在硅衬底表面淀积生长厚度为100埃的Al金属层。反应室升温至600℃，在上述金属层上外延生长InGaAlN初始生长层，此层材料先生长AlN，厚度为100埃，再生长Al0.2Ga0.8N，厚度为1900埃，总厚度为2000埃。将反应室升温至800℃，在上述InGaAlN初始生长层上外延生长第一InGaAlN缓冲层，此层材料为In0.05Al0.1Ga0.85N，厚度为2000埃，得到本发明的硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜2。
实施例3、制备硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜
采用硅(100)衬底，硅片厚度300微米，硅片为N型掺杂，低电阻率。将此硅片采用有机溶剂和氢氟酸处理后，送进MOCVD反应室。将反应室升温至600℃，反应室气氛为氢气，对清洗干净的硅衬底表面退火进行脱附处理，以去除衬底表面的氧化层。反应室温度降至400℃，直接生长InGaAlN初始生长层，以氢气为载气，通入三甲基铝，通入氨气，通过两者的反应，在硅衬底表面淀积生长厚度为100埃的AlN层；反应室升温至600℃，继续淀积生长厚度为300埃的AlN层；将反应室升温至800℃，再通入三甲基镓，生长Al0.1Ga0.9N，厚度为1000埃。将反应室升温至900℃，在上述InGaAlN初始生长层上外延生长第一InGaAlN缓冲层，此层材料为In0.05Al0.1Ga0.85N，厚度为2000埃，得到本发明的硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜3。
实施例4、制备硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜
采用硅(110)面的衬底，硅片厚度300微米，硅片为N型掺杂，低电阻率。将此硅片采用有机溶剂和氢氟酸处理后，送进MOCVD反应室。将反应室升温至600℃，对清洗干净的硅衬底表面退火进行脱附处理，以去除衬底表面的氧化层。反应室温度降至400℃，在硅衬底表面淀积生长厚度为100埃的In金属层。在400℃，在上述金属层上外延生长InGaAlN初始生长层，此层材料为InAlN，厚度为2000埃。在1100℃，在上述InGaAlN初始生长层上外延生长第一InGaAlN缓冲层，此层材料为InAlN，厚度为40000埃，得到本发明的硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜4。
实施例5、制备硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜
采用硅(110)向(010)方向偏角12度的一维图形衬底，硅片表面图形为一维光栅状图形，光栅宽度8微米，高度1.5微米，间距5微米，采用干法刻蚀方法制备，硅片厚度300微米，硅片为N型掺杂，低电阻率。将此硅片采用有机溶剂和氢氟酸处理后，送进MOCVD反应室。将反应室升温至800℃，对清洗干净的硅衬底表面退火进行脱附处理，以去除衬底表面的氧化层。反应室温度为1100℃，在硅衬底表面淀积生长厚度为40埃的Al金属层。在1100℃，在上述金属层上外延生长InGaAlN初始生长层，此层材料为AlN，厚度为10埃。在900℃，在上述InGaAlN初始生长层上外延生长第一InGaAlN缓冲层，首先生长此层材料为AlN，厚度为60埃；再生长Al0.1Ga0.9N，厚度为1000埃；再将反应室升温至900℃，在上述外延层上生长In0.05Al0.1Ga0.85N，厚度为2000埃，得到本发明的硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜5。
实施例6、制备高发光效率的发光二极管
在MOCVD反应室中，利用常规的MOCVD外延生长技术，在1100℃，在实施例1得到的硅衬底上生长的非极性(11
0)A面氮化物薄膜上外延生长第二InGaAlN缓冲层，此层材料为GaN，厚度为30000埃，硅掺杂浓度5E18cm-3。在800℃，在InGaAlN缓冲层上外延生长n型InAlGaN层，此层材料为GaN，厚度为50nm。在400℃，在n型InAlGaN层上外延生长发光层，此层材料由势垒层GaN和量子阱层In0.1Ga0.9N组成的5个周期的多量子阱，其中势垒层GaN的厚度为10nm，量子阱层In0.1Ga0.9N的厚度为3nm。在900℃，在发光层上外延生长p型限制层，此层为GaN、Al0.1Ga0.9N构成的超晶格，超晶格的周期数为5，其中Al0.1Ga0.9N垒层厚度为10nm，GaN阱层厚度为10nm。在600℃，在p型限制层上外延生长200nm的p型GaN层，镁掺杂浓度为5E20cm-3，得到发光波长为430nm的蓝紫光GaN发光二极管。
实施例07、制备高发光效率的发光二极管
在MOCVD反应室中，利用常规的MOCVD外延生长技术，在400℃，在实施例1得到的硅衬底上生长的非极性(11
0)A面氮化物薄膜上外延生长第二InGaAlN缓冲层，此层材料为In0.05Ga0.95N，厚度为500埃，硅掺杂浓度5E18cm-3。升温至800℃，在第二InGaAlN缓冲层上外延生长n型InAlGaN层，此层材料为GaN，厚度为3μm。降温至900℃，在n型InAlGaN层上外延生长发光层，此层材料由势垒层GaN和量子阱层In0.15Ga0.85N组成的20个周期的多量子阱，其中势垒层GaN的厚度为20nm，量子阱层In0.15Ga0.85N的厚度为2nm。在1000℃，在发光层上外延生长p型限制层，此层为GaN，厚度为100nm。在1000℃，在p型限制层上外延生长100nm的p型GaN层，镁掺杂浓度为5E20cm-3，得到发光波长为400nm的紫光GaN发光二极管。
实施例8、制备高发光效率的发光二极管
在MOCVD反应室中，利用常规的MOCVD外延生长技术，在1000℃，在实施例1得到的硅衬底上生长的非极性(11
0)A面氮化物薄膜上外延生长第二InGaAlN缓冲层，此层材料为Al0.05Ga0.95N，厚度为500埃，硅掺杂浓度5E18cm-3。继续在1000℃，在第二InGaAlN缓冲层上外延生长n型InAlGaN层，此层材料为GaN，厚度为2μm。降温至800℃，在n型InAlGaN层上外延生长发光层，此层材料由势垒层In0.01Ga0.99N和量子阱层In0.15Ga0.85N组成的10个周期的多量子阱，其中势垒层In0.01Ga0.99N的厚度为15nm，量子阱层In0.15Ga0.85N的厚度为2nm。降温至600℃，在发光层上外延生长p型限制层，此层为GaN，厚度为20nm。升温至800℃，在p型限制层上外延生长100nm的p型GaN层，镁掺杂浓度为5E20cm-3，得到发光波长为450nm的蓝光GaN发光二极管。
实施例9、制备高发光效率的激光器
在MOCVD反应室中，利用常规的MOCVD外延生长技术，在1100℃，在实施例1得到的硅衬底上生长的非极性(11
0)A面氮化物薄膜上外延生长第二InGaAlN缓冲层，此层材料为GaN，厚度为30000埃，硅掺杂浓度5E18cm-3。在800℃，在InGaAlN缓冲层上外延生长n型InAlGaN层，此层材料为GaN，厚度为50nm。在800℃，在发光层上外延生长n型限制层，此层为GaN、Al0.1Ga0.9N构成的超晶格，超晶格的周期数为5，其中Al0.1Ga0.9N垒层厚度为10nm，GaN阱层厚度为10nm。在400℃，在n型InAlGaN层上外延生长发光层，此层材料由势垒层GaN和量子阱层In0.1Ga0.9N组成的5个周期的多量子阱，其中势垒层GaN的厚度为10nm，量子阱层In0.1Ga0.9N的厚度为3nm。在900℃，在发光层上外延生长p型限制层，此层为GaN、Al0.1Ga0.9N构成的超晶格，超晶格的周期数为5，其中Al0.1Ga0.9N垒层厚度为10nm，GaN阱层厚度为10nm。在600℃，在p型限制层上外延生长200nm的p型GaN层，镁掺杂浓度为5E20cm-3，得到发光波长为430nm的蓝紫光GaN激光器。
实施例10、制备高发光效率的激光器
在MOCVD反应室中，利用常规的MOCVD外延生长技术，在400℃，在实施例1得到的硅衬底上生长的非极性(11
0)A面氮化物薄膜上外延生长第二InGaAlN缓冲层，此层材料为In0.05Ga0.95N，厚度为500埃，硅掺杂浓度5E18cm-3。升温至800℃，在第二InGaAlN缓冲层上外延生长n型InAlGaN层，此层材料为GaN，厚度为3μm。生长n型限制层，反应室温度1000℃，此层为Al0.1Ga0.9N，厚度为50nm。降温至900℃，在n型InAlGaN层上外延生长发光层，此层材料由势垒层GaN和量子阱层In0.15Ga0.85N组成的20个周期的多量子阱，其中势垒层GaN的厚度为20nm，量子阱层In0.15Ga0.85N的厚度为2nm。在1000℃，在发光层上外延生长p型限制层，此层为GaN，厚度为100nm。在1000℃，在p型限制层上外延生长100nm的p型GaN层，镁掺杂浓度为5E20cm-3，得到发光波长为400nm的紫光GaN激光器。
实施例11、制备高发光效率的激光器
在MOCVD反应室中，利用常规的MOCVD外延生长技术，在1000℃，在实施例1得到的硅衬底上生长的非极性(11
0)A面氮化物薄膜上外延生长第二InGaAlN缓冲层，此层材料为Al0.05Ga0.95N，厚度为500埃，硅掺杂浓度5E18cm-3。继续在1000℃，在第二InGaAlN缓冲层上外延生长n型InAlGaN层，此层材料为GaN，厚度为2μm。生长n型限制层，反应室温度1000℃，此层为GaN、Al0.1Ga0.9N构成的超晶格，超晶格的周期数为5，其中Al0.1Ga0.9N垒层厚度为10nm，GaN阱层厚度为10nm。降温至800℃，在n型InAlGaN层上外延生长发光层，此层材料由势垒层In0.01Ga0.99N和量子阱层In0.15Ga0.85N组成的10个周期的多量子阱，其中势垒层In0.01Ga0.99N的厚度为15nm，量子阱层In0.15Ga0.85N的厚度为2nm。升温至1000℃，在发光层上外延生长p型限制层，此层为Al0.1Ga0.9N，厚度为20nm。降温至800℃，在p型限制层上外延生长100nm的p型GaN层，镁掺杂浓度为5E20cm-3，得到发光波长为450nm的蓝光GaN激光器。
Claims (10)
1、一种硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜，包括一硅衬底、依次生长在其上的金属层、InGaAlN初始生长层和第一InGaAlN缓冲层，其特征在于：所述的硅衬底为采用(100)面、(110)面或偏角的Si衬底。
2、如权利要求1所述的硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜，其特征在于：所述的Si(100)面、(110)面及偏角的衬底包括：Si(100)衬底及向各个方向偏角不超过12度，及Si(100)衬底及向各个方向偏角不超过12度的各种图形衬底；Si(110)衬底及向各个方向偏角不超过12度，及Si(110)衬底及向各个方向偏角不超过12度的各种图形衬底。
3、如权利要求2所述的硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜，其特征在于：所述的图形衬底为一维和二维图形的刻蚀图形，或者是通过金属、氮化物、氧化物的一维和二维图形掩膜形成的图形衬底。
4、如权利要求1所述的硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜，其特征在于：
所述的金属层为In、Ga、Al、Zn金属淀积而成，厚度为0～100埃；
所述的InGaAlN初始生长层为在异质衬底上外延的过渡层，此过渡层的材料为GaN、AlGaN、InAlN、InAlGaN或这几种合金的组合，是单层结构、超晶格、或组分渐变层，厚度为10～2000埃；
所述的第一InGaAlN缓冲层为在InGaAlN初始生长层上外延的过渡层，此过渡层的材料为GaN、AlGaN、InAlN、InAlGaN或这几种合金的组合，是单层结构、超晶格、或组分渐变层，厚度为100～40000埃。
5、一种权利要求1至4之一所述的硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜的制备方法，包括如下的步骤：
1)在MOCVD反应室中，设定温度为600～1100℃范围，对清洗干净的硅衬底表面进行退火脱附处理，以去除衬底表面的氧化层；
2)利用金属有机源作为金属材料来源，在该(100)面、(110)面或偏角的Si衬底上淀积一金属层，反应室温度范围400～1100℃；
3)在400～1100℃，在上述金属层上外延生长InGaAlN初始生长层；此层材料为GaN、AlGaN、InAlN、InAlGaN或这几种合金的组合，是单层结构、超晶格、或组分渐变层，厚度为10～2000埃；
4)在800～1100℃，在上述InGaAlN初始生长层上外延生长第一InGaAlN缓冲层，此层材料为GaN、AlGaN、InAlN、InAlGaN或这几种合金的组合，是单层结构、超晶格、或组分渐变层，厚度为100～40000埃，得到本发明的硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜。
6、一种权利要求1至4之一所述的硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜在发光二极管、激光器、太阳能电池领域的应用。
7、一种高发光效率的发光二极管，包括权利要求1至4之一所述的硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜，及依次生长在其上的第二InGaAlN缓冲层、n型InAlGaN层、发光层、p型限制层和p型GaN层，其特征在于：
所述的第二InGaAlN缓冲层为GaN、AlGaN、InAlN、InAlGaN或这几种合金的组合，厚度为50nm～3μm；
所述的n型InAlGaN层为制备n型欧姆接触的接触层，为GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或这几种合金的组合，厚度为50nm～3μm；
所述的发光层为发光二极管的有源层，此层为由势垒层GaN或InyGa1-yN以及量子阱层InxGa1-xN组成的多量子阱，其中0.05＜x＜0.3，0＜y＜0.15，且y＜x，量子阱的周期数为1～20，其中势垒层厚度为5～20nm，量子阱层厚度为1～10nm；
所述的p型限制层为提高发光效率的载流子限制层，此层为GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或这几种合金的组合，厚度为0～1μm；或者为以上几种合金构成的超晶格，超晶格的周期数为1～20，其中垒层厚度为1～20nm，阱层厚度为1～20nm；
所述的p型GaN层为制备p型欧姆接触的接触层，此层为GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或这几种合金的组合，厚度为20nm～1μm。
8、一种权利要求7所述的高发光效率的发光二极管的制备方法，包括如下的步骤：
5)在MOCVD反应室中，利用常规的MOCVD外延生长技术，在400～1100℃，在权利要求1至4之一所述的硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜上外延生长第二InGaAlN缓冲层；
6)在800～1100℃，在InGaAlN缓冲层上外延生长n型InAlGaN层；
7)在400～900℃，在n型InAlGaN层上外延生长发光层；
8)在600～1000℃，在发光层上外延生长p型限制层；
9)在600～1000℃，在p型限制层上外延生长p型GaN层，得到本发明的高发光效率的发光二极管。
9、一种高发光效率的激光器，包括权利要求1至4之一所述的硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜，及依次生长在其上的第二InGaAlN缓冲层、n型InAlGaN层、n型限制层、发光层、p型限制层和p型GaN层，其特征在于：
所述的第二InGaAlN缓冲层为GaN、AlGaN、InAlN、InAlGaN或这几种合金的组合，厚度为50nm～3μm；
所述的n型InAlGaN层为制备n型欧姆接触的接触层，为GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或这几种合金的组合，厚度为50nm～3μm；
所述的n型限制层为提高发光效率的载流子限制层，此层为GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或这几种合金的组合，厚度为100埃～1μm；或者为以上几种合金构成的超晶格，超晶格的周期数为1～20，其中垒层厚度为1～20nm，阱层厚度为1～20nm；
所述的发光层为发光二极管的有源层，此层为由势垒层GaN或InyGa1-yN以及量子阱层InxGa1-xN组成的多量子阱，其中0.05＜x＜0.3，0＜y＜0.15，且y＜x，量子阱的周期数为1～20，其中势垒层厚度为5～20nm，量子阱层厚度为1～10nm；
所述的p型限制层为提高发光效率的载流子限制层，此层为GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或这几种合金的组合，厚度为100埃～1μm；或者为以上几种合金构成的超晶格，超晶格的周期数为1～20，其中垒层厚度为1～20nm，阱层厚度为1～20nm；
所述的p型GaN层为制备p型欧姆接触的接触层，此层为GaN、InAlN、AlGaN、InAlGaN或这几种合金的组合，厚度为20nm～1μm。
10、一种权利要求9所述的高发光效率的激光器的制备方法，包括如下的步骤：
5)在MOCVD反应室中，利用常规的MOCVD外延生长技术，在400～1100℃，在权利要求1至4之一所述的硅衬底上生长的非极性A面氮化物薄膜上外延生长第二InGaAlN缓冲层；
6)在800～1100℃，在InGaAlN缓冲层上外延生长n型InAlGaN层；
7)在600～1000℃，在n型InAlGaN层上外延生长n型限制层；
8)在400～900℃，在n型限制层上外延生长发光层；
9)在600～1000℃，在发光层上外延生长p型限制层；
10)在600～1000℃，在p型限制层上外延生长p型GaN层，得到本发明的高发光效率的激光器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNA2006100112943A CN101009346A (zh) | 2006-01-27 | 2006-01-27 | 硅衬底上生长的非极性a面氮化物薄膜及其制法和用途 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNA2006100112943A CN101009346A (zh) | 2006-01-27 | 2006-01-27 | 硅衬底上生长的非极性a面氮化物薄膜及其制法和用途 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101009346A true CN101009346A (zh) | 2007-08-01 |
Family
ID=38697601
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNA2006100112943A Pending CN101009346A (zh) | 2006-01-27 | 2006-01-27 | 硅衬底上生长的非极性a面氮化物薄膜及其制法和用途 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101009346A (zh) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101901758A (zh) * | 2010-06-24 | 2010-12-01 | 西安电子科技大学 | 基于m面SiC衬底的非极性m面GaN薄膜的MOCVD生长方法 |
| CN101764054B (zh) * | 2008-12-23 | 2011-11-09 | 宏远有限公司 | 化合物半导体外延芯片及其制造方法 |
| CN102867892A (zh) * | 2012-09-06 | 2013-01-09 | 合肥彩虹蓝光科技有限公司 | 具有In掺杂的低温生长P型GaN外延方法 |
| CN101794815B (zh) * | 2009-02-04 | 2013-06-05 | 富士通株式会社 | 化合物半导体器件及其制造方法 |
| CN103151435A (zh) * | 2013-01-30 | 2013-06-12 | 东南大学 | 一种具有复合势垒的氮化镓基发光二极管 |
| CN103314429A (zh) * | 2010-11-24 | 2013-09-18 | 特兰斯夫公司 | 用于控制异质外延生长的iii族氮化物层的应力的层结构 |
| WO2016023352A1 (zh) * | 2014-08-11 | 2016-02-18 | 厦门市三安光电科技有限公司 | 氮化镓发光二极管及其制作方法 |
| CN106449807A (zh) * | 2016-11-11 | 2017-02-22 | 辽宁工业大学 | 一种光伏电池及其制备方法 |
| US9608160B1 (en) | 2016-02-05 | 2017-03-28 | International Business Machines Corporation | Polarization free gallium nitride-based photonic devices on nanopatterned silicon |
| CN106972346A (zh) * | 2010-03-04 | 2017-07-21 | 加利福尼亚大学董事会 | 在C‑方向错切小于+/‑15度的m‑平面基底上的半极性III‑氮化物光电子装置 |
| CN111463326A (zh) * | 2020-03-12 | 2020-07-28 | 深圳市汇芯通信技术有限公司 | 半导体器件及其制备方法 |
| CN113643962A (zh) * | 2021-10-19 | 2021-11-12 | 江苏第三代半导体研究院有限公司 | 一种氮化镓外延层的制备方法及氮化镓外延片结构 |
| CN115775853A (zh) * | 2023-02-10 | 2023-03-10 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 |
-
2006
- 2006-01-27 CN CNA2006100112943A patent/CN101009346A/zh active Pending
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101764054B (zh) * | 2008-12-23 | 2011-11-09 | 宏远有限公司 | 化合物半导体外延芯片及其制造方法 |
| CN101794815B (zh) * | 2009-02-04 | 2013-06-05 | 富士通株式会社 | 化合物半导体器件及其制造方法 |
| CN106972346A (zh) * | 2010-03-04 | 2017-07-21 | 加利福尼亚大学董事会 | 在C‑方向错切小于+/‑15度的m‑平面基底上的半极性III‑氮化物光电子装置 |
| US11552452B2 (en) | 2010-03-04 | 2023-01-10 | The Regents Of The University Of California | Semi-polar III-nitride optoelectronic devices on m-plane substrates with miscuts less than +/− 15 degrees in the c-direction |
| CN106972346B (zh) * | 2010-03-04 | 2019-12-10 | 加利福尼亚大学董事会 | 在C-方向错切小于+/-15度的m-平面基底上的半极性III-氮化物光电子装置 |
| CN101901758B (zh) * | 2010-06-24 | 2012-05-23 | 西安电子科技大学 | 基于m面SiC衬底的非极性m面GaN薄膜的MOCVD生长方法 |
| CN101901758A (zh) * | 2010-06-24 | 2010-12-01 | 西安电子科技大学 | 基于m面SiC衬底的非极性m面GaN薄膜的MOCVD生长方法 |
| CN103314429A (zh) * | 2010-11-24 | 2013-09-18 | 特兰斯夫公司 | 用于控制异质外延生长的iii族氮化物层的应力的层结构 |
| CN102867892A (zh) * | 2012-09-06 | 2013-01-09 | 合肥彩虹蓝光科技有限公司 | 具有In掺杂的低温生长P型GaN外延方法 |
| CN103151435A (zh) * | 2013-01-30 | 2013-06-12 | 东南大学 | 一种具有复合势垒的氮化镓基发光二极管 |
| CN103151435B (zh) * | 2013-01-30 | 2015-05-06 | 东南大学 | 一种具有复合势垒的氮化镓基发光二极管 |
| WO2016023352A1 (zh) * | 2014-08-11 | 2016-02-18 | 厦门市三安光电科技有限公司 | 氮化镓发光二极管及其制作方法 |
| US9608160B1 (en) | 2016-02-05 | 2017-03-28 | International Business Machines Corporation | Polarization free gallium nitride-based photonic devices on nanopatterned silicon |
| CN106449807B (zh) * | 2016-11-11 | 2018-08-28 | 辽宁工业大学 | 一种光伏电池及其制备方法 |
| CN106449807A (zh) * | 2016-11-11 | 2017-02-22 | 辽宁工业大学 | 一种光伏电池及其制备方法 |
| CN111463326A (zh) * | 2020-03-12 | 2020-07-28 | 深圳市汇芯通信技术有限公司 | 半导体器件及其制备方法 |
| CN113643962A (zh) * | 2021-10-19 | 2021-11-12 | 江苏第三代半导体研究院有限公司 | 一种氮化镓外延层的制备方法及氮化镓外延片结构 |
| CN113643962B (zh) * | 2021-10-19 | 2021-12-10 | 江苏第三代半导体研究院有限公司 | 一种氮化镓外延层的制备方法及氮化镓外延片结构 |
| CN115775853A (zh) * | 2023-02-10 | 2023-03-10 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101009347A (zh) | 硅(102)衬底上生长的非极性a面氮化物薄膜及其制法和用途 | |
| CN101009346A (zh) | 硅衬底上生长的非极性a面氮化物薄膜及其制法和用途 | |
| US7339255B2 (en) | Semiconductor device having bidirectionally inclined toward <1-100> and <11-20> relative to {0001} crystal planes | |
| US8304756B2 (en) | Deep ultraviolet light emitting device and method for fabricating same | |
| US6881602B2 (en) | Gallium nitride-based semiconductor light emitting device and method | |
| US8686396B2 (en) | Non-polar ultraviolet light emitting device and method for fabricating same | |
| US6611004B2 (en) | Gallium nitride based light emitting element | |
| Dadgar et al. | Bright, Crack‐Free InGaN/GaN Light Emitters on Si (111) | |
| US9153648B2 (en) | Semiconductor stacked body, method for manufacturing same, and semiconductor element | |
| JP2008205514A (ja) | Ｉｉｉ−ｖ族窒化物半導体素子 | |
| KR100705886B1 (ko) | 질화물 반도체층 구조물 및 질화물 반도체 레이저 | |
| US9543467B2 (en) | Light emitting device | |
| JP2000031588A (ja) | 半導体素子 | |
| TWI493747B (zh) | 發光二極體及其形成方法 | |
| US8878211B2 (en) | Heterogeneous substrate, nitride-based semiconductor device using same, and manufacturing method thereof | |
| US20120286286A1 (en) | Non-polar nitride-based light emitting device and method for fabricating the same | |
| US20060252165A1 (en) | Electrode structure, semiconductor light-emitting device having the same and method of manufacturing the same | |
| CN116247506B (zh) | 一种高性能氮化镓基激光器及其N型GaN层和生长方法 | |
| EP2290708B1 (en) | Light-emitting element and a production method therefor | |
| JP5314257B2 (ja) | 低欠陥の半導体基板、半導体発光素子、およびそれらの製造方法 | |
| WO2012090254A1 (ja) | ｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層とのオーミック接触用の電極とその製造方法 | |
| CN216450669U (zh) | 外延片及半导体发光器件 | |
| WO2008056632A1 (fr) | Élément électroluminescent semi-conducteur gan | |
| US10763395B2 (en) | Light emitting diode element and method for manufacturing same | |
| KR100793443B1 (ko) | 질화물계 화합물 반도체용 기판 구조체 및 그 제조방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |