CN105140365B - 基于c面蓝宝石衬底上Ga极性黄光LED结构及其制作方法 - Google Patents

基于c面蓝宝石衬底上Ga极性黄光LED结构及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于c面蓝宝石衬底上Ga极性黄光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Ga极性GaN黄光发光二极管。

Description

基于c面蓝宝石衬底上Ga极性黄光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
Ш-V族氮化物半导体材料在光电子和微电子领域都取得了巨大的进步。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In的组分，可以实现对可见光波长的全覆盖。
2014年，Chunhua Du等人提出了在c面蓝宝石衬底上生长黄绿光InGaN/GaN量子阱结构的方案，参见Enhancing the quantum efficiency of InGaN yellow-green light-emitting diodes by growth interruption，Applied Physics Letters,2014,105(7):071108-071108-4。该方案中较高的In组分需要较低的生长温度，同时，在InGaN和GaN之间存在较大的应力，导致GaN的结晶质量降低，器件性能退化，而且InGaN/GaN的生长工艺复杂，生长效率低，制作成本高。
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Ga极性黄光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Ga极性黄光LED结构，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Ga极性黄光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7-15min，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Ga极性GaN有源层；
(4)在n型Ga极性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Ga极性GaN层。
本发明由于采用C掺杂和Si掺杂的n型Ga极性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，简化了工艺步骤，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Ga极性黄光LED结构的结构示意图；
图2为本发明制作基于c面蓝宝石衬底上Ga极性黄光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Ga极性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Ga极性GaN。
参照图2，本发明制作基于c面蓝宝石衬底上Ga极性黄光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Ga极性GaN有源层的LED材料。
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10min，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5μmol/min的铝源、流量为1200sccm氢气和流量，2400sccm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Ga极性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，3000sccm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Ga极性GaN有源层。
步骤4，生长AlGaN阻挡层。
向反应室通入流量为5μmol/min的铝源、12μmol/min的镓源、流量为1200sccm氢气和流量为2500sccm的氨气，保持压力为35Torr，温度为1050℃，在n型Ga极性GaN有源层上生长厚度为10nm的AlGaN阻挡层。
步骤5，生长p型Ga极性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3000sccm的氨气和流量为9μmol/min的Mg源，保持压力为35Torr，温度为980℃，生长厚度为200nm的p型Ga极性GaN层，形成Ga极性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Ga极性GaN有源层的LED材料。
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7min，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2000sccm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2000sccm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Ga极性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2500sccm的氨气，保持压力为20Torr，温度为950℃，在n型Ga极性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2000sccm的氨气，4μmol/min的Mg源，保持压力为20Torr，生长厚度为10nm的p型Ga极性GaN层，形成Ga极性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Ga极性GaN有源层的LED材料。
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，其工艺条件是：
反应室的真空度小于2×10-2Torr；
衬底加热温度为1170℃；
氮化时间为15min；
反应室压力为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，其工艺条件为：
反应室温度为680℃；
反应室压力为750Torr；
铝源流量为50μmol/min；
氢气流量为10000sccm；
氨气流量为18000sccm。
步骤三，生长C掺杂和Si掺杂的n型Ga极性GaN有源层。
在低温AlN成核层上生长厚度为100μm的n型Ga极性GaN有源层，其工艺条件为：
反应室温度为1120℃；
反应室压力为750Torr；
镓源流量为50μmol/min；
氢气流量为10000sccm；
氨气流量为18000sccm；
C掺杂浓度为4×1019cm-3；
Si掺杂的浓度为5×1019cm-3。
步骤四，生长AlGaN阻挡层。
在n型Ga极性GaN有源层上生长厚度为200nm的AlGaN阻挡层，其工艺条件为：
铝源流量为50μmol/min；
镓源流量为50μmol/min；
氢气流量为10000sccm；
氨气流量为18000sccm；
反应室压力为750Torr；
基片温度为1200℃；
生长厚度为200nm。
步骤五，生长p型Ga极性GaN层。
在C掺杂和Si掺杂的n型Ga极性GaN有源层上生长厚度为10μm的p型Ga极性GaN层，形成Ga极性GaN材料，其工艺条件为：
基片温度为1120℃；
反应室压力为750Torr；
镓源流量为50μmol/min；
氢气流量为10000sccm；
氨气流量为18000sccm；
Mg源流量为100μmol/min。
步骤六，将形成的Ga极性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Ga极性黄光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Ga极性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Ga极性黄光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Ga极性黄光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Ga极性黄光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Ga极性黄光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Ga极性黄光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7-15min，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Ga极性GaN有源层；
(4)在n型Ga极性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Ga极性GaN层。
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