CN105098017B - 基于c面蓝宝石衬底上N面黄光LED结构及其制作方法 - Google Patents

基于c面蓝宝石衬底上N面黄光LED结构及其制作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105098017B
CN105098017B CN201510510551.7A CN201510510551A CN105098017B CN 105098017 B CN105098017 B CN 105098017B CN 201510510551 A CN201510510551 A CN 201510510551A CN 105098017 B CN105098017 B CN 105098017B
Authority
CN
China
Prior art keywords
faces
layer
sapphire substrates
yellow light
gan
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.)
Active
Application number
CN201510510551.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105098017A (zh
Inventor
许晟瑞
郝跃
任泽阳
张进成
李培咸
姜腾
蒋仁渊
牛牧童
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xidian University
Original Assignee
Xidian University
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xidian University filed Critical Xidian University
Priority to CN201510510551.7A priority Critical patent/CN105098017B/zh
Publication of CN105098017A publication Critical patent/CN105098017A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105098017B publication Critical patent/CN105098017B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system containing nitrogen
    • H01L33/325—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system containing nitrogen characterised by the doping materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
    • H01L33/007—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于c面蓝宝石衬底上N面黄光LED材料及其制作方法。其生长步骤是：1)对c面蓝宝石进行热处理；2)在热处理后衬底上生长厚度为10‑200nm的低温成核层；3)在成核层上生长厚度为0.2‑100μm，Si掺杂浓度为5×1017cm‑3～5×1019cm‑3，C掺杂浓度为1×1017cm‑3～4×1019cm‑3的高温n型GaN有源层；4)在有源层上生长厚度为5‑200nm的AlGaN阻挡层；5)在阻挡层上生长厚度为0.01‑10μm，Mg掺杂浓度为1×1017cm‑3～5×1019cm‑3的高温p型GaN层。本发明工艺简单，成本低，可用于制作N面GaN黄光发光二极管。

Description

基于c面蓝宝石衬底上N面黄光LED结构及其制作方法
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及一种半导体材料，可用于制作GaN黄光LED产品。
技术背景
氮化镓具有直接带隙、热导率高、电子饱和迁移率高、发光效率高、耐高温和抗辐射等优点，在短波长蓝光—紫外光发光器件、微波器件和大功率半导体器件等方面有巨大的应用前景。理论上讲，通过调节氮化镓中的In的组分，可实现对可见光波长的全覆盖。
2007年S.Keller等人提出了使用MOCVD方法在蓝宝石衬底上生长N面InGaN/GaN量子阱结构的方案，参见Growth and characterization of N-polar InGaN/GaNmultiquantum wells，Applied physics letters，90.19(2007):1908。该方案中量子阱的生长工艺复杂，生长效率低，导致制作成本高，而且InGaN/GaN界面会因为晶格失配产生较大的应力，导致GaN的结晶质量退化，应用于器件中会影响器件的性能。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于c面蓝宝石衬底上N面黄光LED结构及其制作方法，以简化工艺复杂度，提高生长效率，降低成本，提高LED器件性能。
实现本发明目的技术关键是：采用MOCVD的方法，通过引入C掺杂，使C元素替换N元素形成深能级，提供复合能级，C杂质可以通过C源引入，也可以通过控制工艺利用MOCVD中的C杂质实现。
一.本发明基于c面蓝宝石衬底上N面黄光LED材料，自上而下分别为p型GaN层，有源层，AlGaN阻挡层，成核层和c面蓝宝石衬底，其特征在于有源层使用C掺杂和Si掺杂的n型N面GaN层，以在GaN中引入C的深能级，为发黄光的电子、空穴提供复合平台。
进一步，C掺杂的浓度为1×1017cm-3～4×1019cm-3，Si掺杂的浓度为5×1017cm-3～5×1019cm-3。
进一步，p型GaN层的厚度为0.01-10μm。
进一步，AlGaN阻挡层的厚度为5-200nm。
进一步，n型GaN层的厚度为0.2-100μm。
二.本发明基于c面蓝宝石衬底上N面黄光LED结构的制作方法，包括如下步骤：
(1)将c面蓝宝石衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，并向反应室通入氢气与氨气的混合气体，对衬底进行热处理，反应室的真空度小于2×10-2Torr，衬底加热温度为850-1170℃，时间为5-30min，反应室压力为20-750Torr；
(2)在蓝宝石衬底上生长厚度为10-200nm，温度为480-680℃的低温成核层；
(3)在低温成核层之上生长厚度为0.2-100μm，Si掺杂浓度为5×1017cm-3～5×1019cm-3，C掺杂浓度为1×1017cm-3～4×1019cm-3，温度为870-1120℃的高温n型N面GaN有源层；
(4)在n型N面GaN有源层上生长厚度为5-200nm，温度为950-1200℃的高温AlGaN阻挡层；
(5)在AlGaN阻挡层之上生长厚度为0.01-10μm，Mg掺杂浓度为1×1017cm-3～5×1019cm-3，温度为870-1120℃的高温p型N面GaN层。
本发明由于采用C掺杂和Si掺杂的n型N面GaN作为有源层，与现有技术相比具有如下优点：
1.避免了传统LED结果中的InGaN量子阱生长，不仅简化了工艺步骤，而且提高了生长效率。
2.避免了InGaN的存在引起材料晶格失配大的问题，提高了材料的质量，从而提高LED器件的性能。
3.可以直接利用MOCVD中的Ga源中的C作为C源，降低了生产成本。
本发明的技术方案和效果可通过以下附图和实施例进一步说明。
附图说明
图1是本发明基于c面蓝宝石衬底上N面黄光LED结构结构示意图；
图2为本发明制作基于c面蓝宝石衬底上N面黄光LED结构的流程图。
具体实施方式
参照图1，本发明的黄光LED材料的结构设有四层，其中第一层为衬底，采用c面蓝宝石；第二层为成核层，采用厚度为10-200nm的AlN；第三层为有源层，采用厚度为0.2-100μm的C掺杂和Si掺杂的n型N面GaN层，其中C掺杂的浓度为1×1017cm-3～4×1019cm-3，Si掺杂的浓度为5×1017cm-3～5×1019cm-3，由于在GaN中引入了C掺杂，因此在GaN中会形成深能级，为发黄光的电子、空穴提供了复合的平台；第四层为厚度为5-200nm的AlGaN阻挡层；第五层为p型GaN层，采用厚度为0.01-10μm，掺杂浓度为1×1017cm-3～5×1019cm-3的Mg掺杂N面GaN。
参照图2，本发明制作基于c面蓝宝石衬底上N面黄光LED结构的方法，给出如下三种实施例：
实施例1，制作C掺杂浓度为1×1018cm-3、Si掺杂浓度为2×1018cm-3的n型N面GaN有源层的LED结构。
步骤1，对衬底基片进行热处理。
将c面蓝宝石衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，并向反应室通入氢气与氨气的混合气体，在反应室的真空度小于2×10-2Torr，衬底加热温度为1050℃，时间为8min，反应室压力为35Torr的条件下，对衬底基片进行热处理。
步骤2，生长AlN成核层。
将热处理后的衬底基片温度降低为580℃，向反应室通入流量为4μmol/min的铝源、流量为1200sccm氢气和流量，5000sccm的氨气，在保持压力，40Torr的条件下生长厚度为20nm的低温AlN成核层。
步骤3，生长C掺杂和Si掺杂的n型N面GaN有源层。
向反应室通入流量为15μmol/min的镓源、流量为1200sccm氢气和流量，10000sccm的氨气，保持反应室压力为35Torr，温度为1050℃，取C掺杂浓度为1×1018cm-3，Si掺杂浓度为2×1018cm-3，在低温AlN成核层上生长厚度为3μm的n型N面GaN有源层。
步骤4，生长AlGaN阻挡层。
向反应室通入流量为3μmol/min的铝源、12μmol/min的镓源、流量为1200sccm氢气和流量为10000sccm的氨气，保持压力为35Torr，温度为1050℃，在n型N面GaN有源层上生长厚度为10nm的AlGaN阻挡层。
步骤5，生长p型N面GaN层。
将已经生长了AlGaN阻挡层的基片温度保持在1000℃，向反应室通入流量为15μmol/min的镓源、流量为1200sccm氢气，流量为10000sccm的氨气和流量为9μmol/min的Mg源，保持压力为35Torr，温度，980℃，生长厚度为200nm的p型N面GaN层，形成N面GaN材料，并从MOCVD反应室中取出。
实施例2，制作C掺杂浓度为1×1017cm-3、Si掺杂浓度为5×1017cm-3的n型N面GaN有源层的LED结构。
本实例的实现步骤如下：
步骤A，将c面蓝宝石衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，并向反应室通入氢气与氨气的混合气体，在反应室的真空度小于2×10-2Torr，衬底加热温度为850℃，时间为5min，反应室压力为20Torr的条件下，对衬底基片进行热处理。
步骤B，将热处理后的衬底基片温度降低为480℃，向反应室通入流量为3μmol/min的铝源、流量为1000sccm氢气和流量为8000sccm的氨气，在保持压力为20Torr的条件下生长厚度为10nm的低温AlN成核层。
步骤C，向反应室通入流量为3μmol/min的镓源、流量为1000sccm氢气和流量为8000sccm的氨气，保持压力为20Torr，温度为870℃，取C掺杂浓度为1×1017cm-3、Si掺杂浓度为5×1017cm-3，在低温AlN成核层上生长厚度为200nm的n型N面GaN有源层。
步骤D,向反应室通入流量为2μmol/min的铝源、8μmol/min的镓源、流量为1200sccm氢气和流量为10000sccm的氨气，保持压力为20Torr，温度为950℃，在n型N面GaN有源层上生长厚度为5nm的AlGaN阻挡层。
步骤E，将已经生长了AlGaN阻挡层的基片温度保持在870℃，向反应室通入流量为3μmol/min的镓源、流量为1000sccm氢气和流量为8000sccm的氨气，4μmol/min的Mg源，保持压力为20Torr，生长厚度为10nm的p型N面GaN层，形成N面GaN材料，并从MOCVD反应室中取出。
实施例3，制作C掺杂浓度为4×1019cm-3、Si掺杂浓度为5×1019cm-3的n型N面GaN有源层的LED结构。
本实例的实现步骤如下：
步骤一，对衬底基片进行热处理。
将c面蓝宝石衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，并向反应室通入氢气与氨气的混合气体，进行热处理。热处理的工艺条件如下：
反应室的真空度：小于2×10-2Torr；
衬底加热温度：1170℃；
氮化时间：30min；
反应室压力：750Torr。
步骤二，生长AlN成核层。
在热处理后的衬底基片上生长厚度为200nm的低温AlN成核层。工艺条件如下：
反应室温度：680℃；
反应室压力：750Torr；
铝源流量：50μmol/min；
氢气流量：10000sccm；
氨气流量：50000sccm。
步骤三，生长C掺杂和Si掺杂的n型N面GaN有源层。
在低温AlN成核层上生长厚度为100μm的n型N面GaN有源层，其工艺条件如下：
反应室温度：1120℃；
反应室压力：750Torr；
镓源流量：50μmol/min；
氢气流量：10000sccm；
氨气流量：50000sccm；
C掺杂浓度：4×1019cm-3；
Si掺杂的浓度：5×1019cm-3。
步骤四，生长AlGaN阻挡层。
在n型N面GaN有源层上生长厚度为200nm的AlGaN阻挡层。工艺条件如下：
铝源流量：50μmol/min；
镓源流量：50μmol/min；
氢气流量：10000sccm；
氨气流量：50000sccm；
反应室压力：750Torr；
基片温度：1200℃；
生长厚度：200nm。
步骤五，生长p型N面GaN层。
在C掺杂和Si掺杂的n型N面GaN有源层上生长厚度为10μm的p型N面GaN层，形成N面GaN材料，工艺条件如下：
基片温度：1120℃；
反应室压力：750Torr；
镓源流量：50μmol/min；
氢气流量：10000sccm；
氨气流量：50000sccm；
Mg源流量：100μmol/min。
步骤六，将形成的N面GaN材料从MOCVD反应室中取出。
以上实施例仅用于对本发明的说明，不构成对本发明的限制。对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，能够在不背离本发明的原理和范围的情况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明的修正和改变仍受本发明的权利要求保护。

Claims (6)

1.一种基于c面蓝宝石衬底上N面黄光LED结构，自上而下分别为p型GaN层，AlGaN阻挡层，有源层，成核层和c面蓝宝石衬底，其特征在于有源区使用C掺杂和Si掺杂的n型N面GaN层，以在GaN中引入C的深能级，为发黄光的电子、空穴提供复合平台。
2.根据权利要求1所述的基于c面蓝宝石衬底上N面黄光LED结构，其特征在于C掺杂的浓度为1×1017cm-3～4×1019cm-3，Si掺杂的浓度为5×1017cm-3～5×1019cm-3。
3.根据权利要求1所述的基于c面蓝宝石衬底上N面黄光LED结构，其特征在于p型GaN层的厚度为0.01-10μm。
4.根据权利要求1所述的基于c面蓝宝石衬底上N面黄光LED结构，其特征在于AlGaN阻挡层的厚度为5-200nm。
5.根据权利要求1所述的基于c面蓝宝石衬底上N面黄光LED结构，其特征在于有源层的厚度为0.2-100μm。
6.一种基于c面蓝宝石衬底上N面黄光LED结构的制作方法，包括如下步骤：
(1)将c面蓝宝石衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，并向反应室通入氢气与氨气的混合气体，对衬底进行热处理，保持反应室的真空度小于2×10-2Torr，衬底加热温度为850-1170℃，时间为5-30min，反应室压力为20-750Torr；
(2)在c面蓝宝石衬底上生长厚度为10-200nm，温度为480-680℃的低温成核层；
(3)在低温成核层之上生长厚度为0.2-100μm，Si掺杂浓度为5×1017cm-3～5×1019cm-3，C掺杂浓度为1×1017cm-3～4×1019cm-3，温度为870-1120℃的高温n型N面GaN有源层；
(4)在n型N面GaN有源层上生长厚度为5-200nm，温度为950-1200℃的高温AlGaN阻挡层；
(5)在AlGaN阻挡层上生长厚度为0.01-10μm，Mg掺杂浓度为1×1017cm-3～5×1019cm-3，温度为870-1120℃的高温p型N面GaN层。
CN201510510551.7A 2015-08-18 2015-08-18 基于c面蓝宝石衬底上N面黄光LED结构及其制作方法 Active CN105098017B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510510551.7A CN105098017B (zh) 2015-08-18 2015-08-18 基于c面蓝宝石衬底上N面黄光LED结构及其制作方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510510551.7A CN105098017B (zh) 2015-08-18 2015-08-18 基于c面蓝宝石衬底上N面黄光LED结构及其制作方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105098017A CN105098017A (zh) 2015-11-25
CN105098017B true CN105098017B (zh) 2018-03-06

Family

ID=54578032

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510510551.7A Active CN105098017B (zh) 2015-08-18 2015-08-18 基于c面蓝宝石衬底上N面黄光LED结构及其制作方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105098017B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107134512B (zh) * 2017-03-31 2019-03-08 西安电子科技大学 基于c面Al2O3衬底的N面Ⅲ族氮化物的发光二极管
CN106910805B (zh) * 2017-03-31 2019-05-03 西安电子科技大学 基于m面LiAlO2衬底的m面Ⅲ族氮化物的发光二极管
CN107146831B (zh) * 2017-03-31 2019-05-07 西安电子科技大学 基于r面Al2O3衬底的a面Ⅲ族氮化物的发光二极管
CN107068813B (zh) * 2017-03-31 2019-03-08 西安电子科技大学 基于c面Al2O3衬底的c面Ⅲ族氮化物的发光二极管
CN107068812B (zh) * 2017-03-31 2019-02-19 西安电子科技大学 基于c面SiC衬底的c面Ⅲ族氮化物的发光二极管

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1608310A (zh) * 2001-10-22 2005-04-20 耶鲁大学 超掺杂半导体材料的方法以及超掺杂的半导体材料和器件
CN102832241A (zh) * 2012-09-14 2012-12-19 电子科技大学 一种具有横向p-n结复合缓冲层结构的氮化镓基异质结场效应晶体管
CN103430295A (zh) * 2011-05-17 2013-12-04 先进动力设备技术研究协会 半导体元件及其制造方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6437833A (en) * 1987-08-03 1989-02-08 Nippon Mining Co Semi-insulating gaas single crystal
JP2003209114A (ja) * 2002-01-10 2003-07-25 Japan Science & Technology Corp シリコン結晶中の遷移金属不純物のゲッタリング方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1608310A (zh) * 2001-10-22 2005-04-20 耶鲁大学 超掺杂半导体材料的方法以及超掺杂的半导体材料和器件
CN103430295A (zh) * 2011-05-17 2013-12-04 先进动力设备技术研究协会 半导体元件及其制造方法
CN102832241A (zh) * 2012-09-14 2012-12-19 电子科技大学 一种具有横向p-n结复合缓冲层结构的氮化镓基异质结场效应晶体管

Also Published As

Publication number Publication date
CN105098017A (zh) 2015-11-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4189386B2 (ja) 窒化物半導体結晶層の成長方法および窒化物半導体発光素子の製法
CN105098017B (zh) 基于c面蓝宝石衬底上N面黄光LED结构及其制作方法
AU2008203209A1 (en) Buried contact devices for nitride-base films and manufacture thereof
CN103887378B (zh) 一种高光效紫外led的外延生长方法
EP3107128B1 (en) Preparation method of a non-polar blue led epitaxial wafer based on lao substrate
CN108878606A (zh) 基于超晶格结构和δ掺杂的高效发光二极管及制备方法
CN106159048B (zh) 一种发光二极管外延片及其生长方法
US20110003420A1 (en) Fabrication method of gallium nitride-based compound semiconductor
CN108899403A (zh) 基于ScAlN/AlGaN超晶格p型层的高效发光二极管及制备方法
CN109411576A (zh) 基于h-BN/p-AlGaN超晶格的高效深紫外发光二极管
JP2002170776A (ja) 低転位バッファーおよびその製造方法ならびに低転位バッファーを備えた素子
CN105140365B (zh) 基于c面蓝宝石衬底上Ga极性黄光LED结构及其制作方法
WO2017181710A1 (zh) 一种紫外发光二极管外延结构及其制备方法
CN105047779B (zh) 基于Si衬底上黄光LED材料及其制作方法
CN101901756B (zh) 基于c面Al2O3衬底上极性c面GaN薄膜的MOCVD生长方法
CN105098016B (zh) 基于γ面LiAlO2衬底上黄光LED材料及其制作方法
CN105720154B (zh) 一种led外延片及其制造方法
CN105679898B (zh) 具有翘曲调节结构层的led外延结构及其生长方法
JP4781028B2 (ja) Ｉｉｉ族窒化物半導体積層体及びｉｉｉ族窒化物半導体発光素子の製造方法
CN105118902A (zh) 基于m面SiC衬底上黄光LED材料及其制作方法
CN108281514A (zh) 一种发光二极管外延片的制备方法
CN103681986A (zh) 一种氮化镓基发光二极管外延片及其制备方法
CN105070801B (zh) 非Si掺杂无InGaN黄光LED材料及其制作方法
CN105161588A (zh) 基于r面蓝宝石衬底上黄光LED材料及其制作方法
JP2007103955A (ja) 窒化物半導体素子および窒化物半導体結晶層の成長方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant