CN108538972A - 一种图形化Si衬底上非极性紫外LED及其制备与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于LED技术领域，公开了一种图形化Si衬底上非极性紫外LED及其制备与应用。图形化Si衬底上非极性紫外LED包括图形化Si衬底以及非极性紫外LED；图形化Si衬底上设有若干凹槽，所述凹槽的纵截面中一侧壁为竖直的侧壁，凹槽的纵截面为倒三角形或倒梯形；所述凹槽的横截面为四边形。本发明将Si衬底进行图形化，图形化Si衬底含有Si(111)，有利于制备高质量的非极性GaN薄膜，图形化Si衬底上非极性紫外LED具有缺陷密度低、结晶质量好，器件性能好等特点，可广泛应用于LED、LD、太阳能电池等领域。
Description
技术领域
本发明属于LED的技术领域，具体涉及一种图形化Si衬底上非极性紫外LED及其制备与应用。本发明的图形化Si衬底上非极性紫外LED用于太阳能电池、发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、光电探测器的领域。
背景技术
发光二极管(LED)作为一种新型固体照明光源和绿色光源，具有高效、节能、环保以及接近100的显色指数等优异性能，这些优异性能使得LED逐渐取代白炽灯等传统光源在市场上的应用。我国于2003年开始了半导体照明计划，用来促进国内半导体照明产业的迅速发展。随着GaN技术的快速发展，LED光效和寿命的增加，半导体照明必将彻底取代传统光源，走向世界的每一个角落。在GaN LED年场值达亿美元的市场规模中，其中应用在固态照明和液晶电视领域的份额最大，应用在固态照明和液晶电视领域的份额最大，而固态照明和液晶电视都是使用白光。目前，使用最为广泛的白光LED制作方法是利用蓝光管芯去激发黄光荧光粉，再利用其中的黄光和蓝光相混合，从而发出白光。但是，这种方法产生的白光，具有的色彩还原性不好而且Ra相对偏低。因此，紫外LED应运而生，其可激发三基色荧光粉制备白光LED，这种方法使得发出的白光特性只受荧光粉的影响，颜色稳定性更高，且具备更高的LOP，可以获得显色指数更高，色彩还原性更好的白光，为新一代半导体照明的发展提供了方向。紫外LED除了在实现白光照明方面有潜在的应用，在其他领域的应用也非常广泛，并且附加值非常高。紫外光一共分为三个波段：UV-A(400-320nm)波段、UV-B(320-280nm)波段和UV-C(280-200nm)波段。紫外光主要应用还有水净化、分解气体、医疗工具的消毒、固化、光刻、文件认证和防伪检测、光疗和医疗诊断等领域。
尽管紫外LED拥有诸多优良的特性，但是相对于目前已经非常成熟的蓝光LED来说，其技术仍然处于快速发展时期，紫外LED的整体性能相比于蓝光LED较低，特别是波长低于370nm的UV-LED，其器件的发光效率仍然很低，限制了商品化的应用。紫外器件发光效率低的主要原因在于Ⅲ族氮化物材料量子阱的自发极化和压电场明显强于其他半导体材料，而对于紫外LED来说，为了实现更短波长的发射，多量子阱所使用的Ⅲ族氮化物材料必须采用更高的Al含量，其结果导致压电电场变得更强。Ⅲ族氮化物由于量子限制斯塔克效应引起的较强的压电场，使得半导体的价带和导带发生弯曲，导致电子和空穴对的空间分离。这样一来，辐射复合的概率降低，最终导致发光效率的减少。减少量子限制斯塔克效应的主要办法是采用生长非极性GaN材料来制备LED器件，这种办法的优点是可以彻底消除量子阱内的压电极性，使电子和空穴对的复合效率变得非常高，但缺点也非常明显，就是非极性衬底的价钱非常昂贵，且不易获得。
因此，要提高紫外LED的发光效率、实现紫外LED大规模商业化应用，最根本的办法就是在低成本、大尺寸衬底上研发非极性GaN基紫外LED。当前进行GaN单晶生长的方式有三类：氢化物气相外延法(HVPE)、金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)和分子束外延法(MBE)。HVPE技术生长的材料点缺陷密度较高，普遍高于采用MOCVD和MBE技术生长的材料；MBE技术生长温度低、生长速度慢，因此，均不适用于紫外LED的商业化生产。而采用MOCVD方法生长的GaN薄膜，具有较快的生长速率，良好的平整性，很高的结晶质量，并且工艺重复性好，适合进行量产，目前已成为商业化LED生产应用最为广泛的外延技术。
目前，MOCVD制备非极性GaN薄膜的衬底的主要有r面蓝宝石、LiAlO2、SiC、Si等。其中Si衬底相较其他衬底来说，有以下几个优点：(1)衬底本身的价格比目前使用的蓝宝石和SiC衬底等便宜很多，有利于降低成本；(2)Si衬底可提供比蓝宝石和SiC衬底尺寸更大的衬底以提高的利用率，从而提高管芯产率；(3)Si衬底工艺成熟，且在衬底上制作的器件很容易和目前的工艺器件集成；(4)Si衬底是导电衬底，电极可以从管芯的两侧引出，制备垂直器件。因而，Si衬底上外延紫外LED是推动其商业化应用的最佳选择。在Si的众多晶面中，Si(111)面是外延GaN的最匹配晶面，但与Si(111)面平行的GaN面是(0001)晶面，为极性面，而采用MOCVD直接在Si的其它晶面如(112)面上外延非极性GaN，由于较大的晶格失配会在GaN外延层中造成高的位错密度，难以得到高质量的GaN外延层。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种图形化Si衬底上非极性紫外LED及其制备方法。本发明在图形化Si衬底上外延生长非极性紫外LED，其中非极性GaN薄膜具有缺陷密度低、结晶质量好等特点。
本发明的另一目的在于提供上述图形化Si衬底上非极性紫外LED的应用。本发明的图形化Si衬底上非极性紫外LED可广泛应用于LED、激光器、光电探测器、太阳能电池等领域。
本发明的目的采用以下技术方案实现：
图形化Si衬底上非极性紫外LED，包括图形化Si衬底以及非极性紫外LED；图形化Si衬底上设有若干凹槽，所述凹槽的纵截面中一侧壁为竖直的侧壁，凹槽的纵截面为倒三角形或倒梯形。
所述图形化Si衬底是指在Si的非(111)晶面上进行图形化处理，Si的非(111)晶面形成若干(111)晶面；所述图形化Si衬底为图形化Si(112)晶面、图形化Si(100)晶面、图形化Si(1-10)晶面，图形化后形成若干(111)晶面。
图形化Si衬底上非极性紫外LED，由下到上依次包括图形化Si衬底，预铺Al层、AlN层、AlGaN层、u-GaN层、n-GaN层、量子阱层和p-GaN层；图形化Si衬底上设有若干凹槽，凹槽的纵截面为倒三角形或倒梯形。所述凹槽的纵截面中一侧壁为竖直的侧壁即有一边与铅垂线平行。所述凹槽的横截面为四边形。
所述图形化Si衬底是指在Si的非(111)晶面上进行图形化处理，Si的非(111)晶面形成若干(111)晶面；所述图形化Si衬底为图形化Si(112)晶面、图形化Si(100)晶面或图形化Si(1-10)晶面的衬底，图形化后形成若干(111)晶面。
所述凹槽中有一面为Si(111)晶面，即与竖直侧壁相对的侧壁面。
所述量子阱层为InGaN/GaN量子阱层。
所述凹槽与凹槽间的距离为1～5μm；凹槽的横截面为四边形，优选为长方形，宽为2～10μm，长为10～100μm，凹槽的纵截面中竖直侧壁的长度为1～4.9μm。
所述预铺Al层的厚度为1-1.5nm；非极性AlN薄膜层(AlN层)的厚度为100-300nm；非极性AlGaN薄膜层(AlGaN层)的厚度为400-900nm；非极性非掺杂GaN层(u-GaN层)的厚度为800-1000nm；所述非极性n型掺杂GaN层(n-GaN层)的厚度为2000-4000nm；所述非极性InGaN/GaN量子阱层(量子阱层)为5-10个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为2-5nm；GaN垒层的厚度为5-15nm；所述非极性p型掺杂GaN薄膜(p-GaN层)的厚度为200-400nm。
所述图形化Si衬底上非极性紫外LED的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Si衬底进行图形化处理，获得图形化Si衬底，图形化Si衬底上设有若干凹槽，凹槽中有一面为Si(111)晶面；在图形化处理时，是以非(111)晶面(如：(112)面、(100)或(1-10)面)为外延面；
(2)在图形化衬底上依次生长预铺Al层、AlN层、AlGaN层、u-GaN层、n-GaN层、量子阱层和p-GaN层。
所述预铺Al层沿着凹槽中(111)晶面生长。
步骤(1)中所述图形化处理是指采用KOH溶液腐蚀Si衬底，使得Si衬底的非(111)晶面腐蚀出若干(111)晶面。
步骤(2)中各层的具体制备步骤为：
(a)将图形化Si衬底转移到MOCVD中，在衬底上低温外延一层预铺Al层，抑制界面反应：衬底温度为800-980℃，反应室压力为40-70Torr，石墨盘转速为1000-1200r/min，三甲基铝(TMAl)的流量为200-300sccm；
(b)在步骤(a)得到的预铺Al层上生长一层的非极性AlN成核层(AlN层)：衬底温度为900-1000℃，反应室压力为40-70Torr，石墨盘转速为1000-1200r/min，TMAl的流量为200-400sccm，氨气(NH3)的流量为5-20slm；
(c)在步骤(b)得到的非极性AlN薄膜上生长非极性AlGaN薄膜层：衬底温度为1000-1200℃，反应室压力为50-100Torr，石墨盘转速为1000-1200r/min，TMAl的流量为200-400sccm，三甲基镓(TMGa)的流量为50-200sccm，NH3的流量为5-20slm；
(d)在步骤(c)得到的非极性AlGaN薄膜上生长非极性非掺杂GaN(u-GaN)层，工艺条件为：衬底温度为900-1200℃，反应室压力为200Torr，TMGa的流量为200-500sccm，NH3的流量为10-30slm；
(e)在步骤(d)得到的非极性u-GaN上生长非极性n型掺杂GaN薄膜(n-GaN层)，工艺条件为：衬底温度为900-1200℃，反应室压力为200Torr，通入TMGa、NH3、SiH4，TMGa的流量为200-500sccm，SiH4的流量为100-150sccm，NH3的流量为10-30slm；掺杂电子浓度1.0×1017-1.0×1019cm-3；
(f)在步骤(e)得到的非极性n型掺杂GaN薄膜生长非极性InGaN/GaN量子阱，工艺条件为：垒层，衬底温度为750-850℃，反应室压力为200Torr，通入三乙基镓(TEGa)与NH3，TEGa的流量为200-500sccm，NH3的流量为10-30slm，厚度为5-15nm；阱层，衬底温度为750-850℃，反应室压力为200Torr，通入TEGa、TMIn与NH3，TEGa的流量为200-500sccm，TMIn的流量为10-100sccm，NH3的流量为10-50slm，厚度为2-5nm；垒阱层重复生长5-10个周期，第一层与最后一层均为垒层；
(g)在步骤(f)得到的非极性InGaN/GaN量子阱生长非极性p型掺杂GaN薄膜(p-GaN层)，工艺条件为：衬底温度为900-1200℃，反应室压力为200Torr，通入TMGa、CP2Mg与NH3，TMGa的流量为200-500sccm，CP2Mg的流量为200-300sccm，NH3的流量为10-30slm；掺杂空穴浓度1.0×1016-4.0×1018cm-3。
所述预铺Al层的厚度为1-1.5nm；非极性AlN薄膜层的厚度为100-300nm；非极性AlGaN薄膜层的厚度为400-900nm；非极性非掺杂GaN层的厚度为800-1000nm；所述非极性n型掺杂GaN层的厚度为2000-4000nm；所述非极性InGaN/GaN量子阱层为5-10个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为2-5nm；GaN垒层的厚度为5-15nm；所述非极性p型掺杂GaN薄膜的厚度为200-400nm。
步骤(1)中图形化Si衬底具体通过以下步骤得到：在Si衬底上镀SiO2膜，然后在衬底镀SiO2膜的一面进行光刻显影，光刻图案为多个四边形，优选为长方形，相邻长方形的间距为1～5μm；将光刻显影的Si衬底进行刻蚀，SiO2膜刻蚀完，再将刻蚀后的Si衬底放入KOH溶液中腐蚀，清洗，吹干，获得图形化Si衬底。KOH溶液的质量浓度为40％。
所述图形化Si衬底上非极性紫外LED用于制造薄膜外延及薄膜器件，特别是量子阱结构的LED、激光器、光电探测器、太阳能电池。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明对Si衬底(非(111)晶面，如：(112))进行了图形化处理，用湿法碱腐的方法在Si衬底(非(111)晶面，如：(112))内腐蚀出Si的(111)面，为后续非极性GaN的生长提供优化生长面；然后使用MOCVD生长LED外延层，由于晶面匹配关系，外延层会优先在腐蚀出的Si(111)面进行生长，但与衬底(112)晶面平行的GaN晶面为非极性的(1-100)面；在外延生长过程中，缺陷的生长方向是沿着GaN(0001)面，而不沿着(1-100)面，因此生长的非极性GaN具有较高的晶体质量。本发明有利于制备高质量的非极性GaN薄膜，具有缺陷密度低、结晶质量好等特点，可广泛应用于LED、LD、太阳能电池等领域。
附图说明
图1为本发明的图形化Si衬底上非极性紫外LED的结构示意图；
图2为本发明的图形化Si衬底的俯视示意图(a)及正视示意图(b)；
图3为实施例1中图形化Si衬底制备的工艺流程图；
图4为实施例1制备的紫外LED外延片(图形化Si衬底上非极性紫外LED)的电致发光图谱；右上角的图为紫外LED外延片的发光图；
图5为利用实施例1的图形化Si衬底上非极性紫外LED制备的紫外LED芯片的光功率电流曲线；
图6为利用实施例1的图形化Si衬底上非极性紫外LED制备的紫外LED芯片的的电压电流曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明的图形化Si衬底上非极性紫外LED的结构示意图如图1所示，由下到上依次包括图形化Si衬底1，预铺Al层2、AlN层3、AlGaN层4、u-GaN层5、n-GaN层6、量子阱层7和p-GaN层8；
所述图形化Si衬底是指在Si的非(111)晶面上进行图形化处理，Si的非(111)晶面形成若干(111)晶面；所述图形化Si衬底为图形化Si(112)晶面、图形化Si(100)晶面或图形化Si(1-10)晶面，图形化后形成若干(111)晶面。即图形化Si衬底上设有若干凹槽，凹槽的纵截面为倒三角形或倒梯形。所述凹槽的纵截面中一侧壁为竖直的侧壁即有一边与铅垂线平行。所述凹槽的横截面为四边形，优选为长方形。所述凹槽中有一面为Si(111)晶面，即与竖直侧壁相对的侧壁面。
本发明的图形化Si衬底的俯视示意图(a)及正视示意图(b)如图2所示。若干凹槽排列分布。
所述量子阱层为InGaN/GaN量子阱。
所述凹槽与凹槽间的距离为1～5μm；凹槽的横截面为四边形，优选为长方形，宽为2～10μm，长为10～100μm，凹槽的纵截面中竖直侧壁的长度为1～4.9μm。
所述预铺Al层的厚度为1-1.5nm；非极性AlN薄膜层(AlN层)的厚度为100-300nm；非极性AlGaN薄膜层(AlGaN层)的厚度为400-900nm；非极性非掺杂GaN层(u-GaN层)的厚度为800-1000nm；所述非极性n型掺杂GaN层(n-GaN层)的厚度为2000-4000nm；所述非极性InGaN/GaN量子阱层(量子阱层)为5-10个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为2-5nm；GaN垒层的厚度为5-15nm；所述非极性p型掺杂GaN薄膜(p-GaN层)的厚度为200-400nm。
实施例1
本实施例的生长在图形化Si(112)衬底上外延生长的非极性紫外LED依次包括图形化Si(112)衬底、预铺Al层、AlN层、AlGaN层、u-GaN层、n-GaN层、量子阱层、p-GaN。
生长在图形化Si(112)衬底上外延生长的非极性紫外LED的制备方法，包括以下步骤：
1)将Si(112)衬底用PECVD镀SiO2膜500nm，将镀SiO2膜的衬底面进行光刻显影，掩模版图案为5μm×100μm的长方形，相邻长方形的间距(相邻长方形的相邻边距离)为3μm，光刻时将长方形的长边对准Si衬底的标记边；将光刻显影后的Si(112)衬底进行ICP刻蚀，在衬底表面刻蚀出5μm×100μm的长方形窗口，刻蚀深度为500nm；将刻蚀后的Si(112)衬底放入质量浓度为40％的KOH溶液中腐蚀10min，腐蚀温度为40℃；将衬底放入乙醇中洗涤10分钟，去除表面有机物；将放入去离子水中室温下超声清洗10分钟，去除衬底表面粘污颗粒；清洗后的Si(112)衬底用高纯干燥氮气吹干；图形化Si衬底制备的工艺流程图如图3所示；
2)将图形化Si衬底转移到MOCVD中，在衬底上低温外延一层厚度为1nm的预铺Al层(Al层附在凹槽的非垂直侧壁上即Si(111)面上)，抑制界面反应：衬底温度为900℃，反应室压力为50Torr，石墨盘转速为1200r/min，TMAl的流量为250sccm；
3)在步骤(2)得到的预铺Al层上生长一层厚度为300nm的非极性AlN成核层：衬底温度为1000℃，反应室压力为50Torr，石墨盘转速为1200r/min，TMAl的流量为350sccm，NH3的流量为15slm；
4)在步骤(3)得到的非极性AlN薄膜上生长700nm的非极性AlGaN薄膜层：衬底温度1200℃，反应室压力为50Torr，石墨盘转速为1200r/min，TMAl的流量为350sccm，TMGa的流量为100sccm，NH3的流量为15slm；
5)在步骤(4)得到的非极性AlGaN薄膜上生长1000nm的非极性非掺杂GaN层，工艺条件为：衬底温度为1100℃，反应室压力为200Torr，石墨盘转速为1200r/min，TMGa的流量为400sccm，NH3的流量为20slm；
6)在步骤(5)得到的非极性非掺杂GaN层上生长3000nm的非极性n型掺杂GaN薄膜，工艺条件为：衬底温度为1100℃，反应室压力为200Torr，通入TMGa、NH3和SiH4，TMGa的流量为400sccm，SiH4的流量为120sccm，NH3的流量为20slm；掺杂电子浓度5.0×1018cm-3；
7)在步骤(6)得到的非极性n型掺杂GaN薄膜生长非极性InGaN/GaN量子阱，工艺条件为：垒层，衬底温度为800℃，反应室压力为200Torr，通入TEGa与NH3，TEGa的流量为400sccm，NH3的流量为25slm，厚度为10nm；阱层，衬底温度为800℃，反应室压力为200Torr，通入TEGa、TMIn与NH3，TEGa的流量为400sccm，TMIn的流量为50sccm，NH3的流量为30slm，厚度为4nm，垒阱层重复生长9个周期，第一层与最后一层均为垒层；
8)在步骤(7)得到的非极性InGaN/GaN量子阱生长350nm的非极性p型掺杂GaN薄膜，工艺条件为：衬底温度为950℃，反应室压力为200Torr，通入TMGa、CP2Mg与NH3，TMGa的流量为250sccm，CP2Mg的流量为200sccm，NH3的流量为20slm，掺杂空穴浓度8.0×1017cm-3。
将本实施例制备的外延片进行电致发光测试，如图4所示，发光主波长在395nm,为紫外光；图4为实施例1制备的紫外LED外延片(图形化Si衬底上非极性紫外LED)的电致发光图谱。
将本实施例制备的外延片制备成紫外LED芯片，其电学性能如光功率-电流及电压-电流性能如图5和6所示。图5为利用实施例1的图形化Si衬底上非极性紫外LED制备的紫外LED芯片的光功率电流曲线；图6为利用实施例1的图形化Si衬底上非极性紫外LED制备的紫外LED芯片的的电压电流曲线。
实施例2
生长在图形化Si(112)衬底上外延生长的非极性紫外LED的制备方法，包括以下步骤：
1)将Si(112)衬底用PECVD镀SiO2膜1000nm，将镀SiO2膜的衬底面进行光刻显影，掩模版图案为3μm×50μm的长方形，长方形相邻间距为5μm，光刻时将长方形的长边对准Si衬底的标记边；将光刻显影后的Si(112)衬底进行ICP刻蚀，在衬底表面刻蚀出3μm×50μm的长方形窗口，刻蚀深度为1000nm(SiO2膜刻蚀完全)；将刻蚀后的Si(112)衬底放入质量浓度为40％的KOH溶液中腐蚀5min，腐蚀温度为40℃；将衬底放入乙醇中洗涤10分钟，去除表面有机物；将放入去离子水中室温下超声清洗10分钟，去除衬底表面粘污颗粒；清洗后的Si(112)衬底用高纯干燥氮气吹干；
2)将进行过处理的Si(112)衬底转移到MOCVD中，在衬底上低温外延一层厚度为1nm的预铺Al层，抑制界面反应：衬底温度为900℃，反应室压力为50Torr，石墨盘转速为1200r/min，TMAl的流量为250sccm；
3)在步骤(2)得到的预铺Al层基础上和生长一层厚度为300nm的非极性AlN成核层：衬底温度为1000℃，反应室压力为50Torr，石墨盘转速为1200r/min，TMAl的流量为350sccm，NH3的流量为15slm；
4)在步骤(3)得到的非极性AlN薄膜上生长700nm的非极性AlGaN薄膜层：衬底温度1200℃，反应室压力为50Torr，石墨盘转速为1200r/min，TMAl的流量为350sccm，TMGa的流量为100sccm，NH3的流量为15slm；
5)在步骤(4)得到的非极性AlGaN薄膜上生长1000nm的非极性非掺杂GaN层，工艺条件为：衬底温度为1100℃，反应室压力为200Torr，石墨盘转速为1200r/min，TMGa的流量为400sccm，NH3的流量为20slm；
6)在步骤(5)得到的非极性非掺杂GaN基础上生长3000nm的非极性n型掺杂GaN薄膜，工艺条件为：衬底温度为1100℃，反应室压力为200Torr，通入TMGa、NH3和SiH4，TMGa的流量为400sccm，SiH4的流量为120sccm，NH3的流量为20slm，掺杂电子浓度5.0×1018cm-3；
7)在步骤(6)得到的非极性n型掺杂GaN薄膜生长非极性InGaN/GaN量子阱，工艺条件为：垒层，衬底温度为800℃，反应室压力为200Torr，通入TEGa与NH3，TEGa的流量为400sccm，NH3的流量为25slm，厚度为10nm；阱层，衬底温度为800℃，反应室压力为200Torr，通入TEGa、TMIn与NH3，TEGa的流量为400sccm，TMIn的流量为50sccm，NH3的流量为30slm，厚度为4nm，垒阱层重复生长9个周期，第一层与最后一层均为垒层；
8)在步骤(7)得到的非极性InGaN/GaN量子阱生长350nm的非极性p型掺杂GaN薄膜，工艺条件为：衬底温度为950℃，反应室压力为200Torr，通入TMGa、CP2Mg与NH3，TMGa的流量为250sccm，CP2Mg的流量为200sccm，NH3的流量为20slm；掺杂空穴浓度8.0×1017cm-3。
本实施例制备的在图形化Si(112)衬底上外延生长的非极性紫外LED具有非常好光电性能，测试数据与实施例1相近，在此不再赘述。
本发明将衬底进行图形化处理的目的是为了在Si衬底(非(111)晶面，如：(112))上腐蚀出(111)晶面，从而在Si(112)衬底上外延出低维高质量非极性GaN薄膜。因为(112)面上直接外延非极性GaN薄膜是非常困难，并且GaN质量及其不好。所以将(112)衬底进行图形化处理，在(112)衬底腐蚀出(111)面，(111)为GaN的易生长面，因此GaN会在图形化衬底的凹槽里的(111)侧壁面上生长，但是其正向生长面为非极性面。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.图形化Si衬底上非极性紫外LED，其特征在于：包括图形化Si衬底以及非极性紫外LED；图形化Si衬底上设有若干凹槽，所述凹槽的纵截面中一侧壁为竖直的侧壁，凹槽的纵截面为倒三角形或倒梯形。
2.根据权利要求1所述图形化Si衬底上非极性紫外LED，其特征在于：所述凹槽中有一面为Si(111)晶面，即与竖直侧壁相对的侧壁面；所述凹槽的横截面为四边形。
3.根据权利要求1所述图形化Si衬底上非极性紫外LED，其特征在于：所述图形化Si衬底为图形化Si(112)晶面、图形化Si(100)晶面、图形化Si(1-10)晶面的衬底。
4.根据权利要求1～3任一项所述图形化Si衬底上非极性紫外LED，其特征在于：由下到上依次包括图形化Si衬底，预铺Al层、AlN层、AlGaN层、u-GaN层、n-GaN层、量子阱层和p-GaN层。
5.根据权利要求4所述图形化Si衬底上非极性紫外LED，其特征在于：所述量子阱层为InGaN/GaN量子阱。
6.根据权利要求4所述图形化Si衬底上非极性紫外LED，其特征在于：所述凹槽与凹槽间的距离为1～5μm；凹槽的横截面为长方形，宽为2～10μm，长为10～100μm，凹槽的纵截面中竖直侧壁的长度为1～4.9μm。
7.根据权利要求4所述图形化Si衬底上非极性紫外LED，其特征在于：所述预铺Al层的厚度为1-1.5nm；AlN层的厚度为100-300nm；AlGaN层的厚度为400-900nm；u-GaN层的厚度为800-1000nm；n-GaN层的厚度为2000-4000nm；量子阱层为5-10个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为2-5nm；GaN垒层的厚度为5-15nm；p-GaN层的厚度为200-400nm。
8.根据权利要求1～4任一项所述图形化Si衬底上非极性紫外LED的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将Si衬底进行图形化处理，获得图形化Si衬底，图形化Si衬底上设有若干凹槽，凹槽中有一面为Si(111)晶面；在图形化处理时，是以非(111)晶面为外延面；
(2)在图形化衬底上依次生长预铺Al层、AlN层、AlGaN层、u-GaN层、n-GaN层、量子阱和p-GaN层。
9.根据权利要求8所述图形化Si衬底上非极性紫外LED的制备方法，其特征在于：步骤(2)中各层的具体制备步骤为：
(a)将图形化Si衬底转移到MOCVD中，在衬底上低温外延一层预铺Al层，抑制界面反应：衬底温度为800-980℃，反应室压力为40-70Torr，三甲基铝的流量为200-300sccm；
(b)在步骤(a)得到的预铺Al层上生长AlN层：衬底温度为900-1000℃，反应室压力为40-70Torr，TMAl的流量为200-400sccm，氨气的流量为5-20slm；
(c)在步骤(b)得到的AlN层上生长AlGaN层：衬底温度为1000-1200℃，反应室压力为50-100Torr，TMAl的流量为200-400sccm，三甲基镓的流量为50-200sccm，NH3的流量为5-20slm；
(d)在步骤(c)得到的AlGaN层上生长u-GaN层，工艺条件为：衬底温度为900-1200℃，TMGa的流量为200-500sccm，NH3的流量为10-30slm；
(e)在步骤(d)得到的u-GaN上生长n-GaN层，工艺条件为：衬底温度为900-1200℃，通入TMGa、NH3、SiH4，TMGa的流量为200-500sccm，SiH4的流量为100-150sccm，NH3的流量为10-30slm；掺杂电子浓度1.0×1017-1.0×1019cm-3；
(f)在步骤(e)得到的n-GaN层上生长InGaN/GaN量子阱，工艺条件为：垒层，衬底温度为750-850℃，通入TEGa与NH3，TEGa的流量为200-500sccm，NH3的流量为10-30slm，厚度为5-15nm；阱层，衬底温度为750-850℃，反应室压力为200Torr，通入TEGa、TMIn与NH3，TEGa的流量为200-500sccm，TMIn的流量为10-100sccm，NH3的流量为10-50slm，厚度为2-5nm；垒阱层重复生长5-10个周期，第一层与最后一层均为垒层；
(g)在步骤(f)得到的InGaN/GaN量子阱生长p-GaN层，工艺条件为：衬底温度为900-1200℃，通入TMGa、CP2Mg与NH3，TMGa的流量为200-500sccm，CP2Mg的流量为200-300sccm，NH3的流量为10-30slm；掺杂空穴浓度1.0×1016-4.0×1018cm-3。
10.根据权利要求1～4任一项所述图形化Si衬底上非极性紫外LED的应用，其特征在于：所述图形化Si衬底上非极性紫外LED用于量子阱结构的LED、激光器、光电探测器和/或太阳能电池领域。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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