CN101976713A - 一种基于同质外延制备高效光电子器件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于同质外延制备高效光电子器件的方法,属于光电子器件的制备领域。本发明在氮化镓同质自支撑(厚膜)衬底上,沉积有机或无机介质材料作为刻蚀掩膜;随后采用光刻和刻蚀的方法在掩膜上开出具有几何形状的窗口,利用物理、化学等刻蚀方法将掩膜上的几何图形转移至同质自支撑(厚膜)衬底,并使图形区域和被掩膜保护的区域具有一定的高度差;用金属有机物化学气相沉积法、分子束外延或氢化物气相外延法在已经做好图形的衬底上进行同质外延GaN基LED、LD器件结构。采用本发明可有效的防止同质自支撑(厚膜)GaN衬底的翘曲形变,从而有效提高光电子器件的效率。

Description

一种基于同质外延制备高效光电子器件的方法
技术领域
本发明涉及基于同质外延方法制备高效、大功率氮化镓基发光二极管(LED)和蓝光激光器(LD)等光电子学器件的方法,属于光电子器件的制备领域。
背景技术
GaN基氮化物半导体发光二极管(LED),以其较高的理论光电转化效率和在恶劣工作条件下的稳定性,得到了科研领域以及工商业的广泛重视,引起了人们极大的兴趣。GaN基LED是目前世界各国发展半导体固态照明、推动世界性照明革命的关键性光源。另外,作为照明光源,它的体积小重量轻等优势较以往的照明光源更有优势。发展高亮度LED适应了我国当前构建节约型社会的基本国策。此外,GaN基光电子学、电子学器件在光存储、紫外光探测和日盲探测、生物医药的分析以及导弹预警、制导、紫外通讯等众多民生、军事领域有广泛应用。
尽管目前的GaN基光电器件已经成功实现商业化,但其性能还没有达到理论预测的最高水平,还有很大的提升空间。贯穿位错被半导体材料研究领域认为是器件中的非辐射复合中心,严重影响器件的光电性能,被成为“发光杀手”(Nakamura,Shuji.Science,Vol.281,p956)。由于目前大部分的氮化物光电器件的制备都基于在蓝宝石衬底上的两步生长法,这种异质外延方法成功的生长出了不开裂的GaN薄膜,但其缺点也是十分明显的,在释放应力的同时不可避免的在器件结构中引入了大量的贯穿位错等缺陷。
用于同质外延的自支撑单晶氮化镓(GaN)衬底是近年来被公认的提高GaN基器件性能的最佳解决方案。同质外延避免了衬底和外延层之间失配带来的位错,可以大大降低器件中的位错密度。现有技术制备得到的氮化镓厚膜自支撑或氮化镓/蓝宝石复合衬底(以下称复合衬底)在应用于LED器件的制备过程中,尚存在一些问题。这主要由于衬底制备过程中,样品各个部分应力释放不均匀导致的样品翘曲和开裂等问题。在一股蓝宝石衬底(或Si、SiC衬底)上生长的薄膜GaN材料受到的是来自于衬底的压应力(或张应力),这个压应力的测定值高达-1.2Gpa(1.0Gpa)。在这些异质衬底上,当GaN生长到一定厚度时,由于应力的作用会引起样品的翘曲。样品的翘曲对外延LED器件结构的过程影响非常大,主要表现为样品弯曲的几何形状破坏了化学反应容器中气流场、温度场的均匀性。这将导致LED器件的大规模工业化生产受到影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的方法,用于在同质自支撑(或在Si、SiC等衬底上外延的厚膜,以下简称厚膜)GaN衬底上制备光电子器件结构,采用这种方法可以有效的防止同质自支撑(厚膜)GaN衬底的翘曲形变对LED外延过程的影响,可有效提高LED、LD器件的效率。
本发明的技术方案是:
在得到的氮化镓同质自支撑(厚膜)衬底样品上,沉积有机或无机介质材料作为刻蚀掩膜。采用光刻和刻蚀的方法在上述掩膜上开出具有几何形状的窗口,利用物理、化学等刻蚀方法将掩膜上的几何图形转移至同质自支撑(厚膜)衬底,并使图形区域和被掩膜保护的区域具有一定的高度差。用金属有机物化学气相沉积法(MOVPE)、分子束外延(MBE)或氢化物气相外延法(HVPE)在已经做好图形的衬底上进行同质外延GaN基LED、LD器件结构。
上述氮化镓同质自支撑(厚膜)衬底包括利用氢化物气相外延法(HVPE)、氨热法(Ammonthermal)、高压合成法或其他方法生长得到薄膜和体材料。
上述有机或无机介质材料包括通过旋涂法得到的光刻胶薄膜或者利用溅射或等离子体增强化学气相沉积法沉积的SiO2、SiON、SiNx或阳极氧化铝等在物理、化学刻蚀过程中与GaN选择比较高的材料作。
上述SiO2、SiON、SiNx或阳极氧化铝掩膜层厚度一股为200nm~10μm。
上述生长窗口可以是条形、圆形、三角形等几何图形,其尺寸和图形之间的间距应该是微米量级。图1是条形掩膜的图形,图3是正六边形掩膜的图形。
上述物理、化学等刻蚀方法包括诱导耦合等离子体(ICP)、反应离子刻蚀(RIE)或光电化学腐蚀等方法。刻蚀结束后,若掩膜材料为SiO2、SiON或SiNx等无机介质薄膜,则该薄膜可以保留,作为同质外延过程中的掩膜,使同质外延具有悬臂外延的效果。
上述以金属有机物化学气相沉积法(MOVPE)、分子束外延(MBE)或氢化物气相外延法(HVPE)为基础的同质外延过程主要包括在高温(1000-1100℃)下生长的非掺GaN外延层、n型GaN层、InGaN/GaN量子阱有源区和p型GaN层等LED和LD的器件结构。
本发明在同质自支撑(厚膜)GaN衬底上制备LED、LD器件结构过程中采用图形刻蚀和同质外延技术。由于图形刻蚀技术能够将生长面以开槽的方式分割开,能够有效的释放衬底内部在制备过程中积聚的应力和应变。悬臂同质外延和侧向外延(ELOG)技术能够使生长得到的器件质量大幅提高,从而提高器件的光电转化效率。采用本发明得到的GaN基LED、LD器件结构,具有应力释放均匀,光电转换效率高,工艺简单,适于大规模工业生产的特点。
附图说明
图1是本发明ELOG掩膜和窗口区形状和尺寸的结构图;
图2是利用本发明制备的LED器件样品结构示意图;
图3是正六边形ELOG窗口区形状的掩膜结构图。
具体实施方式
下面通过实例对本发明做进一步说明。需要注意的是,公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明,但是本领域的技术人员可以理解:在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内,各种替换和修改都是可能的。因此,本发明不应局限于实施例所公开的内容,本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
具体实施例如下:
如图2所示,本实施例在制备过程中需在同质自支撑(厚膜)GaN衬底1上制备掩膜层2,经过刻蚀后在同质自支撑(厚膜)GaN衬底1形成具有一定深度的窗口区3。在此之后,利用MOVPE法在带有图形3和掩膜2的同质自支撑(厚膜)GaN衬底1上进行同质生长,得到悬臂外延非掺杂GaN层5。最后,在悬臂外延非掺杂GaN层5上依次生长n型Si掺杂GaN层6、InGaN/GaN量子阱有源区7和p型Mg掺杂GaN层8。主要过程如下:
1、在同质自支撑(厚膜)GaN衬底1上用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积1~5μm厚的SiO2薄膜2;
2、在步骤1的基础上,用光刻和氢氟酸(HF)化学腐蚀的方法在SiO2掩膜2上表面开出5μm宽的长条形型窗口,图形窗口之间掩膜的宽度为5μm,如图1所示。此过程结束后,整个同质自支撑(厚膜)GaN衬底1表面都均匀分布这样的条形掩膜;或窗口的基本单元图形为如图3所示,生长窗口为边长20μm的正六边形,相邻正六边形之间的最短距离为20μm。整个掩膜图形由此基本单元向横、纵两个方向重复布满整个生长区域。
3、在步骤2的基础上,用感应耦合等离子体刻蚀法(ICP)将SiO2掩膜2上的图形转移至同质自支撑(厚膜)GaN衬底1上,并刻蚀一定的深度,形成刻蚀图形区3,该区深度约为1~20μm,如图2(b)所示;
4、在步骤3的基础上,用普通的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备,氢气(H2)氛下,升温到1040℃并以三甲基镓和氨气为源生长非掺杂的悬臂外延GaN层4,由于表面张力的差异造成GaN在SiO2材料表面不浸润从而难以成核的特性,生长过程中在SiO2材料表面难以生成GaN的结晶,此过程结束后的结构如图2(c)所示;
5、在步骤4的基础上,把温度保持在1040℃,以硅烷(SiH4)为掺杂源,每小时1800nm生长n型Si掺杂层5。该层的主要作用为制备发光器件过程中金属电极的欧姆,接触掺杂浓度为1×1018cm-3,厚度为1500nm;
6、在步骤5的基础上,把温度降为700~900℃,生长LED结构的InGaN/GaN量子阱有源层6,其中包括InGaN阱层和GaN垒层,该区域总厚度为约为100nm;
7、在步骤6的基础上,把温度升至1000℃左右,以二茂镁为掺杂源,生长LED的p型Mg掺杂层7,掺杂浓度为1×1018cm-3,厚度为200nm,整个器件的结构如图2(d)所示。

Claims (7)

1.一种光电子器件的制备方法,其步骤包括:
1)在氮化镓同质自支撑衬底上,沉积有机或无机介质材料作为刻蚀掩膜;
2)采用光刻和刻蚀的方法在上述掩膜上开出具有几何形状的窗口;
3)将掩膜上的几何图形转移至同质自支撑衬底,并使图形区域和被掩膜保护的区域具有一定的高度差;
4)在上述做好图形的衬底上进行同质外延GaN生长,得到悬臂外延非掺杂GaN层;
5)在悬臂外延非掺杂GaN层上依次生长n型GaN层、量子阱有源区和p型GaN层,得到GaN基LED、LD器件结构。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤1)中,氮化镓同质自支撑衬底包括:利用氢化物气相外延法、氨热法、高压合成法或其他方法生长得到薄膜和体材料。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤1)中,有机或无机介质材料包括通过旋涂法得到的光刻胶薄膜或者利用溅射或等离子体增强化学气相沉积法沉积的SiO2、SiON、SiNx或阳极氧化铝等在物理、化学刻蚀过程中与GaN选择比较高的材料作。
4.如权利要求3所述的方法,其特征在于,上述SiO2、SiON、SiNx或阳极氧化铝材料层厚度为200nm~10μm。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤2)中,具有几何形状的窗口是条形、圆形、三角形等任意图形,其尺寸和图形之间的间距为微米量级。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤3)中,采用物理、化学等刻蚀方法将掩膜上的几何图形转移至同质自支撑衬底,该刻蚀方法包括诱导耦合等离子体、反应离子刻蚀或光电化学腐蚀等方法。
7.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤4)和步骤5)中,用金属有机物化学气相沉积法、分子束外延或氢化物气相外延法进行同质外延GaN生长,包括在高温1000-1100℃下生长的非掺GaN外延层、n型GaN层、InGaN/GaN量子阱有源区和p型GaN层。
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