CN106910805A - 基于m面LiAlO2衬底的m面Ⅲ族氮化物的发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于m面LiAlO2衬底的m面Ⅲ族氮化物的发光二极管，主要解决现有LED生长步骤多，工艺周期长的问题。其包括：m面LiAlO2衬底层、GaN缓冲层、发光层和电极，其中GaN缓冲层与发光层之间设有SiN掩膜层，该SiN掩膜层表面设有通过光刻工艺形成的数根条纹，发光层为一层m面Ⅲ族氮化物层，该Ⅲ族氮化物采用GaN或AlN或AlGaN，分别发紫外光、极紫外光和深紫外光。本发明利用SiN掩膜层控制m面Ⅲ族氮化物层内的反型畴密度，利用反型畴的发光特点发光，相比于传统LED器件，本发明的器件结构和制作流程更为简化，工艺周期缩短，可用于照明，显示屏和背光源。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件领域，特别涉及一种基于m面LiAlO2衬底的m面Ⅲ族氮化物的发光二极管，可用于照明，显示屏和背光源的各种光学应用。
技术背景
有人说白炽灯照亮了20世纪，发光二极管LED则会照亮21世纪。LED由于其效率高，寿命长，节能环保等优点，使得LED照明飞速发展。氮化物作为直接带隙半导体，且具有较大的禁带宽度，通过调节材料中各组分的比例禁带宽度可以在0.7ev到6.2ev之间变化，其发光波长覆盖了从红外到极紫外的波段范围，在LED应用中获得了广泛使用。其中，Ⅲ族氮化物半导体材料是最常用的制备LED的材料，如AlN基、GaN基、InN基等半导体材料。纤锌矿结构的Ⅲ族氮化物半导体材料通常有一个平行于晶胞的c轴(0001)方向的极性轴，由于沿着极性轴方向不存在中心反转对称性，因此由极性方向的不同可分为N面Ⅲ族氮化物材料和金属面Ⅲ族氮化物材料。N面Ⅲ族氮化物和金属面Ⅲ族氮化物的界面处，称为反型畴IDB。
P.J.Schuck等人在2001年研究了GaN内反型畴的光学特性，即反型畴的发光强度超过体Ga N面区域一个数量级，据此，该研究认为反型畴可以看做是一个高效辐射复合中心，理论上可以将反型畴看做量子阱，且具有一定密度的反型畴的GaN薄膜，可以用于制作LED而不需要生长量子阱结构，这样大大减少了工艺步骤。基于上述结论，具有一定密度的反型畴的Ⅲ族氮化物薄膜，可以制作发光颜色不同的LED。
金属有机化合物化学气相沉淀MOCVD技术是目前使用最多的Ⅲ族氮化物半导体外延技术。通过MOCVD工艺在m面LiAlO2衬底上得到的Ⅲ族氮化物层是非极性m面的。横向外延过生长ELOG技术是生长m面Ⅲ族氮化物时常用的技术，即在衬底上预先淀积一层掩膜层，然后生长Ⅲ族氮化物，Ⅲ族氮化物首先从窗口区向上生长，窗口区长满后接着横向生长，最后在掩膜区上方合并。在生长m面Ⅲ族氮化物时使用SiN做掩膜层，相邻窗口区之间的掩膜区上面合并的Ⅲ族氮化物，由于其左右两面极性不同，因而在左右两面合并处会产生反型畴。利用上述理论，用MOCVD技术可以得到包含有反型畴的m面Ⅲ族氮化物层，用于制作新型LED。
目前基于m面LiAlO2衬底的LED器件的发光依靠阱层/垒层量子阱结构内的载流子辐射复合，其结构包括衬底层、缓冲层、n型Ⅲ族氮化物层、量子阱层和p型Ⅲ族氮化物层，其中量子阱层包括多层Ⅲ族氮化物阱层和Ⅲ族氮化物垒层，需要生长多层Ⅲ族氮化物层，使得传统LED制作流程繁琐，工艺周期长。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于m面LiAlO2衬底的m面Ⅲ族氮化物的发光二极管，以简化器件结构和制作流程，缩短工艺周期。
本发明的技术思路是：生长m面Ⅲ族氮化物时，在衬底上预先淀积一层掩膜层，然后生长Ⅲ族氮化物，可以得到包含反型畴的m面Ⅲ族氮化物层，将SiN掩膜层的窗口区设计为条纹形状，通过改变条纹的宽度和间距可以得到包含不同密度的反型畴的Ⅲ族氮化物层，利用反型畴具有良好发光特性的特点，来替代量子阱结构发光，利用具有反型畴的m面Ⅲ族氮化物，可以制作不包含量子阱结构的LED，其实现方案如下：
1.一种基于m面LiAlO2衬底的m面Ⅲ族氮化物的发光二极管，包括：m面LiAlO2衬底层、GaN缓冲层、发光层和电极，其特征在于：在GaN缓冲层和发光层之间设有一层SiN掩膜层，其中SiN掩膜层的表面设有通过光刻工艺形成的数根条纹，发光层为一层m面Ⅲ族氮化物层。
上述薄膜，其特征在于：所述的GaN缓冲层的厚度为30-50nm。
上述薄膜，其特征在于：所述的SiN掩膜层的厚度为20-50nm，SiN掩膜层表面的每一根条纹宽度均为5-50nm，条纹间距为5-50nm。
上述薄膜，其特征在于：所述的m面Ⅲ族氮化物层的厚度为700-2000nm。
上述薄膜，其特征在于：m面Ⅲ族氮化物层，采用GaN或AlN或AlGaN。
2.一种基于m面LiAlO2衬底的m面Ⅲ族氮化物的发光二极管的制备方法，包括如下步骤：
1)将m面LiAlO2衬底置于金属有机化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低到小于2×10-2Torr；再向反应室通入氢气，使MOCVD反应室压力升到20-760Torr，将衬底加热到1000℃，并保持10-30min，完成对衬底基片的热处理；
2)将热处理后的衬底基片置于温度为1000-1100℃的反应室，通入流量为3000-4000sccm的氨气，持续10-20min进行氮化；
3)将反应室温度降为950-1050℃，同时通入流量为3000-4000sccm的氨气和流量为100-200sccm的镓源，采用MOCVD工艺在氮化后的衬底上，生长厚度为30-50nm的GaN缓冲层；
4)采用MOCVD工艺在GaN缓冲层上生长厚度为20-50nm的SiN掩膜层，再采用光刻工艺按照5-50nm的间距刻蚀掉部分SiN掩膜层至GaN缓冲层，形成数根宽度为5-50nm的SiN条纹图形；
5)在SiN条纹图形和GaN缓冲层上采用MOCVD工艺生长厚度为700-2000nm的n型m面Ⅲ族氮化物层，再采用光刻工艺刻蚀掉部分n型Ⅲ族氮化物层；
6)在n型Ⅲ族氮化物层被刻蚀掉的地方采用MOCVD工艺生长厚度为700-2000nm的p型m面Ⅲ族氮化物层，再将反应室温度维持为850℃，在H2气氛下退火；
7)采用溅射金属的方法分别在n型Ⅲ族氮化物层上沉积n型电极，在p型Ⅲ族氮化物层沉积p型电极，完成发光二极管器件的制作。
本发明具有如下优点：
1.本发明由于使用刻蚀有条纹形状的SiN掩膜层来控制m面Ⅲ族氮化物层内的反型畴密度，并使用包含有反型畴的m面Ⅲ族氮化物层作为LED器件的发光层，相比于传统LED的发光层包括多层Ⅲ族氮化物阱层和Ⅲ族氮化物垒层量子阱结构，其简化了器件结构。
2.本发明由于发光层只需要生长一层m面Ⅲ族氮化物层，相比于传统LED的量子阱需要生长多层Ⅲ族氮化物层，其极大减少了工艺流程。
3.本发明由于结构简单，因而减少了工艺流程，与传统LED的制作周期相比本发明LED的制作周期缩短了。
附图说明
图1是本发明的LED器件结构示意图；
图2是本发明制作LED器件的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1，本发明的器件结构包括：m面LiAlO2衬底层、GaN缓冲层、SiN掩膜层、m面Ⅲ族氮化物层和电极。该GaN缓冲层位于m面LiAlO2衬底层之上，其厚度为30-50nm；该SiN掩膜层位于GaN缓冲层之上，表面设有通过光刻工艺形成的数根条纹，每一根条纹宽度均为5-50nm，该SiN掩膜层的厚度为20-50nm；该m面Ⅲ族氮化物层位于SiN掩膜层之上，其厚度为700-2000nm；该m面Ⅲ族氮化物层包括n型m面Ⅲ族氮化物层和p型m面Ⅲ族氮化物层，其中，p型m面Ⅲ族氮化物层位于n型m面Ⅲ族氮化物层的右边；电极包括n型电极和p型电极，分别位于n型Ⅲ族氮化物层和p型Ⅲ族氮化物层之上。
该m面Ⅲ族氮化物层，采用GaN或AlN或AlGaN材料，用于作为发光层，发不同颜色的光，当采用GaN时，LED发紫外光，当采用AlN时，LED发极紫外光，当采用AlGaN时，LED发深紫外光。
参照图2，本发明给出制备基于m面LiAlO2衬底的m面Ⅲ族氮化物的发光二极管的三种实施例。
实施例1，制备一种基于m面LiAlO2衬底的m面GaN的紫外发光二极管。
步骤1，将m面LiAlO2衬底置于金属有机化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低到小于2×10-2Torr；再向反应室通入氢气，使MOCVD反应室压力升到20Torr，将衬底加热到800℃，对衬底基片进行10min的热处理。
步骤2，将热处理后的衬底置于温度为1000℃的反应室，通入流量为3000sccm的氨气，持续10min进行氮化。
步骤3，采用MOCVD工艺在反应室温度为950℃、压力为20Torr的条件下，同时通入流量为3000sccm的氨气和流量为100sccm的镓源，在氮化后的衬底上生长厚度为30nm的GaN缓冲层，如图2(a)。
步骤4，在GaN缓冲层上采用MOCVD工艺保持反应室温度为950℃，同时通入流量为3000sccm的氨气和流量为10sccm的硅源，在保持压力为20Torr的条件下生长厚度为20nm的SiN掩膜层，如图2(b)。
步骤5，在SiN掩膜层上采用光刻工艺按照5nm的间距刻蚀掉部分SiN掩膜层至GaN缓冲层，形成数根宽度为5nm的SiN条纹图形，如图2(c)。
步骤6，在SiN条纹图形和GaN缓冲层上采用MOCVD工艺在反应室温度为950℃的条件下，同时通入流量为2500sccm的氨气，流量为150sccm的镓源和流量为10sccm的硅源，在保持压力为20Torr的条件下生长厚度为700nm的n型m面GaN层，如图2(d)。
步骤7，在n型m面GaN层上采用光刻工艺刻蚀掉部分n型GaN层至GaN缓冲层，如图2(e)。
步骤8，在n型GaN层被刻蚀掉的地方采用MOCVD工艺保持反应室温度为950℃，压力为20Torr，同时通入流量为2500sccm的氨气，流量为150sccm的镓源和流量为100sccm的镁源，生长厚度为700nm的m面p型GaN层；之后将反应室温度维持为850℃，再在H2气氛下退火10min，如图2(f)。
步骤9，采用溅射金属的方法在分别在n型GaN层上沉积n型电极，在p型GaN层沉积p型电极，完成对紫外LED器件的制作，如图2(g)。
实施例2，制备发光波长为200nm的基于m面LiAlO2衬底的m面AlN的极紫外发光二极管LED。
步骤一，热处理。
将m面LiAlO2衬底置于金属有机化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低到小于2×10-2Torr；再向反应室通入氢气，使MOCVD反应室压力为200Torr，将衬底温度升到900℃，对衬底基片进行20min的热处理。
步骤二，高温氮化。
将热处理后的衬底置于温度为1050℃的反应室，通入流量为3500sccm的氨气，持续15min进行氮化。
步骤三，生长GaN缓冲层，如图2(a)。
在氮化后的衬底上采用MOCVD工艺在反应室温度为1000℃、压力为200Torr的条件下，同时通入流量为3500sccm的氨气和流量为150sccm的镓源，生长厚度为40nm的GaN缓冲层。
步骤四，生长SiN掩膜层，如图2(b)。
保持反应室温度为1000℃，保持压力为200Torr，同时通入流量为3500sccm的氨气和流量为15sccm的硅源，在GaN缓冲层上采用MOCVD工艺生长厚度为30nm的SiN掩膜层。
步骤五，刻蚀SiN条纹图形，如图2(c)。
在SiN掩膜层上采用光刻工艺按照20nm的间距刻蚀掉部分SiN掩膜层至GaN缓冲层，形成数根宽度为20nm的SiN条纹图形。
步骤六，生长n型m面AlN层，如图2(d)。
将反应室温度升为1050℃，同时通入流量为3000sccm的氨气，流量为200sccm的铝源和流量为15sccm的硅源，在保持压力为200Torr的条件下，采用MOCVD工艺在SiN条纹图形和GaN缓冲层上生长厚度为1200nm的n型m面AlN层。
步骤七，在n型m面AlN层上采用光刻工艺刻蚀掉部分n型AlN层至GaN缓冲层，如图2(e)。
步骤六，生长m面p型AlN层，如图2(f)。
保持反应室温度为1050℃，保持压力为200Torr，同时通入氨气、铝源和镁源，采用MOCVD工艺在n型AlN层被刻蚀掉的地方生长厚度为1200nm的m面p型AlN层，其中氨气的流量为3000sccm，铝源的流量为200sccm，镁源的流量为150sccm，之后将反应室温度降为850℃，再在H2气氛下退火15min。
步骤七，采用溅射金属的方法分别在n型AlN层上沉积n型电极，在p型AlN层沉积p型电极，完成极紫外LED器件的制作，如图2(g)。
实施例3，制备发光波长为280nm的基于m面LiAlO2衬底的m面Al0.43Ga0.57N的深紫外发光二极管。
步骤A，将m面LiAlO2衬底置于金属有机化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低到小于2×10-2Torr；再向反应室通入氢气，使MOCVD反应室压力为760Torr，将衬底加热到1000℃，对衬底基片进行30min的热处理。
步骤B，将热处理后的衬底置于温度为1100℃的反应室，通入流量为4000sccm的氨气，持续20min进行氮化，完成高温氮化。
步骤C，保持反应室温度降为1050℃，同时通入流量为4000sccm的氨气和流量为200sccm的镓源，在保持压力为760Torr的条件下，在氮化后的衬底上采用MOCVD工艺生长厚度为50nm的GaN缓冲层，如图2(a)。
步骤D，将反应室温度升为1100℃、压力设为760Torr，同时通入流量为4000sccm的氨气和流量为20sccm的硅源，采用MOCVD工艺在GaN缓冲层上生长厚度为50nm的SiN掩膜层，如图2(b)。
步骤E，在SiN掩膜层上采用光刻工艺按照50nm的间距刻蚀掉部分SiN掩膜层至GaN缓冲层，形成数根宽度为50nm的SiN条纹图形，如图2(c)。
步骤F，保持反应室温度为1100℃，压力为760Torr，同时通入氨气、铝源、镓源和硅源，采用MOCVD工艺在SiN条纹图形和GaN缓冲层上生长厚度为2000nm的n型m面Al0.43Ga0.57N层，其中氨气的流量为3500sccm，铝源的流量为250sccm，镓源的流量为250sccm，硅源的流量为20sccm，如图2(d)。
步骤G，在n型m面AlGaN层上采用光刻工艺刻蚀掉部分n型AlGaN层至GaN缓冲层，如图2(e)。
步骤H，保持反应室温度为1100℃，压力为760Torr，同时通入流量为3500sccm的氨气，流量为250sccm的铝源，流量为250sccm的镓源和流量为180sccm的镁源，采用MOCVD工艺在n型AlGaN层被刻蚀掉的地方生长厚度为2000nm的p型m面Al0.43Ga0.57N层；之后将反应室温度维持为850℃，再在H2气氛下退火15min，如图2(f)。
步骤I，采用溅射金属的方法分别在n型AlGaN层上沉积n型电极，在p型AlGaN层沉积p型电极，完成深紫外LED器件的制作，如图2(g)。
以上描述仅是本发明的三个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明的原理、结构的情况下，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思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于m面LiAlO2衬底的m面Ⅲ族氮化物的发光二极管，包括：m面LiAlO2衬底层、GaN缓冲层、发光层和电极，其特征在于：在GaN缓冲层与发光层之间设有SiN掩膜层，该SiN掩膜层的表面设有通过光刻工艺形成的数根条纹；发光层为一层m面Ⅲ族氮化物层。
2.根据权利要求1所述的薄膜，其特征在于：所述的GaN缓冲层的厚度为30-50nm。
3.根据权利要求1所述的薄膜，其特征在于：所述的SiN掩膜层的厚度为20-50nm，SiN掩膜层表面的每一根条纹宽度均为5-50nm，条纹间距为5-50nm。
4.根据权利要求1所述的薄膜，其特征在于：所述的m面Ⅲ族氮化物层的厚度为700-2000nm。
5.根据权利要求1所述的薄膜，其特征在于：m面Ⅲ族氮化物层，采用GaN或AlN或AlGaN。
6.一种基于m面LiAlO2衬底的m面Ⅲ族氮化物的发光二极管的制备方法，包括如下步骤：
1)将m面LiAlO2衬底置于金属有机化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低到小于2×10-2Torr；再向反应室通入氢气，使MOCVD反应室压力升到20-760Torr，将衬底加热到1000℃，并保持10-30min，完成对衬底基片的热处理；
2)将热处理后的衬底基片置于温度为1000-1100℃的反应室，通入流量为3000-4000sccm的氨气，持续10-20min进行氮化；
3)将反应室温度降为950-1050℃，同时通入流量为3000-4000sccm的氨气和流量为100-200sccm的镓源，采用MOCVD工艺在氮化后的衬底上，生长厚度为30-50nm的GaN缓冲层；
4)采用MOCVD工艺在GaN缓冲层上生长厚度为20-50nm的SiN掩膜层，再采用光刻工艺按照5-50nm的间距刻蚀掉部分SiN掩膜层至GaN缓冲层，形成数根宽度为5-50nm的SiN条纹图形；
5)在SiN条纹图形和GaN缓冲层上采用MOCVD工艺生长厚度为700-2000nm的n型m面Ⅲ族氮化物层，再采用光刻工艺刻蚀掉部分n型Ⅲ族氮化物层；
6)在n型Ⅲ族氮化物层被刻蚀掉的地方采用MOCVD工艺生长厚度为700-2000nm的p型m面Ⅲ族氮化物层，再将反应室温度维持为850℃，在H2气氛下退火；
7)采用溅射金属的方法分别在n型Ⅲ族氮化物层上沉积n型电极，在p型Ⅲ族氮化物层沉积p型电极，完成发光二极管器件的制作。
7.根据权利要求6所述的方法，其中步骤3)中采用MOCVD工艺生长GaN缓冲层，其工艺条件如下：
反应室压力为20-760Torr，
温度为950-1050℃，
氨气流量为3000-4000sccm。
镓源流量为100-200sccm。
8.根据权利要求6所述的方法，其中步骤4)中采用MOCVD工艺生长SiN掩膜层，其工艺条件如下：
反应室压力为20-760Torr，
温度为950-1100℃，
氨气流量为3000-4000sccm，
硅源流量为10-20sccm。
9.根据权利要求6所述的方法，其中步骤5)中采用MOCVD工艺生长n型m面N面Ⅲ族氮化物层，其工艺条件如下：
反应室压力为20-760Torr，
温度为950-1100℃，
氨气流量为2500-3500sccm，
Ⅲ族元素源流量为150-250sccm，
硅源流量为10-20sccm。
10.根据权利要求6所述的方法，其中步骤6)中采用MOCVD工艺生长p型m面Ⅲ族氮化物层，其工艺条件如下：
反应室压力为20-760Torr，
温度为950-1100℃，
氨气流量为2500-3500sccm，
Ⅲ族元素源流量为150-250sccm，
镁源流量为100-180sccm。
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