CN111816736B - 一种紫外GaN光源及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紫外GaN光源及其制备方法，属于固体发光器件技术领域，所述制备方法包括：在硅衬底上等间距刻蚀多个圆孔图形，各圆孔图形的深度相同、直径不同；在硅衬底上表面均匀沉积AlN缓冲层；在AlN缓冲层上除去圆孔图形底部的位置，均匀沉积SiO₂介质层；在圆孔图形的底部位置生长与圆孔图形尺寸相匹配的GaN量子点；在GaN量子点、SiO₂介质层的上表面均匀覆盖Si₃N₄钝化层，制得紫外GaN光源。本发明采用限域生长方式进行不同大小的GaN量子点生长，具有GaN量子点大小可控、均匀性好、发光波长可控的优点，且能覆盖UVA到UVC的紫外波段，具有宽光谱的优点，具备广泛的工业推广价值，实用性佳。

Description

一种紫外GaN光源及其制备方法

技术领域

本发明属于固体发光器件技术领域，具体涉及一种紫外GaN光源及其制备方法。

背景技术

紫外光在工业和民用领域具有广泛的应用，比如食品杀菌消毒、集成电路中的光刻技术、介质表面改性和有机涂料固化等都需要各种波长的紫外光辐照处理。传统的紫外光源一般为弧光灯，如汞灯、氙灯和氘灯，但这些弧光灯存在体积大、功耗大、效率低、寿命短等缺点。氮化镓（GaN）因其材料的高频特性是制备紫外光器件的良好材料，GaN发光器件因具有禁带宽、体积小、功耗低、寿命长、易集成的优点而受到广泛关注。本发明的发明人发现利用GaN材料制备的紫外发光器件存在发光波长单一的技术缺陷，无法像传统弧光灯一样释放出不同波长的紫外光，故导致GaN基紫外发光器件的应用范围受到限制。因此，如何设计或研发一种宽光谱的紫外GaN光源，就成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种紫外GaN光源及其制备方法，所述紫外GaN光源具有宽光谱的优点，实用性佳。

本发明的目的，将通过以下技术方案得以实现：

根据本发明的一个方面，提供了一种紫外GaN光源的制备方法，包括如下步骤：

在硅衬底上等间距刻蚀多个圆孔图形，各所述圆孔图形的深度相同、直径不同；

在已刻蚀所述圆孔图形的硅衬底上表面均匀沉积一层AlN缓冲层；

在所述AlN缓冲层上除去所述圆孔图形底部的位置，均匀沉积一层SiO₂介质层；

在所述圆孔图形的底部位置生长GaN量子点，所述GaN量子点的大小与所述圆孔图形的尺寸相匹配；

在所述GaN量子点、所述SiO₂介质层的上表面均匀覆盖一层Si₃N₄钝化层，从而制得紫外GaN光源。

进一步地，在所述AlN缓冲层上除去所述圆孔图形底部的位置，均匀沉积一层SiO₂介质层的步骤中，沿与所述硅衬底法向方向呈30 ^o ~ 60 ^o夹角倾斜溅射SiO₂介质层。

根据本发明的另一方面，提供了一种紫外GaN光源，所述紫外GaN光源由本发明制备方法制备得到，所述紫外GaN光源包括一上表面等间距刻蚀有多个圆孔图形的硅衬底，所述硅衬底上沉积有AlN缓冲层，所述AlN缓冲层上除去所述圆孔图形底部的位置均匀沉积有SiO₂介质层；各所述圆孔图形的底部位置均限域生长一与所述圆孔图形尺寸相匹配的GaN量子点，所述SiO₂介质层及各所述GaN量子点的上表面均匀覆盖有Si₃N₄钝化层。

进一步地，所述圆孔图形的直径为100 nm ~ 500 nm。

进一步地，所述圆孔图形的深度为100 nm ~ 300 nm。

进一步地，所述硅衬底的厚度为100 mm ~ 500 mm。

进一步地，所述AlN缓冲层的厚度为50 nm ~ 500 nm。

进一步地，所述SiO₂介质层的厚度为10 nm ~100 nm。

进一步地，所述GaN量子点的大小为1 nm ~5 nm。

进一步地，所述Si₃N₄钝化层的厚度为20 nm ~200 nm。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下的优点：

本发明采用限域生长方式进行不同大小的GaN量子点生长，可确保GaN量子点发光波长的发光强度均一，具有尺寸大小可控、均匀性好、发光波长可控的优点；限域生长后的GaN量子点大小位于1nm～5nm之间，恰好覆盖UVA（400 nm）到UVC（200 nm）的紫外波段，具有宽光谱的显著优点，具备广泛的工业推广价值，实用性佳。

附图说明

通过阅读下文具体实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出具体实施方式的目的，而并不认为是对发明的限制。在附图中：

图1为本发明制备方法的流程图；

图2为本发明紫外GaN光源的二维剖面结构示意图；

图中：1、硅衬底；2、AlN缓冲层；3、SiO₂介质层；4、Si₃N₄钝化层；5、GaN量子点。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。所述实施例的示例在附图中示出，在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，旨在用于解释本发明，而不构成为对本发明的限制。

本发明提供了一种紫外GaN光源的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤S1，在厚度为100 mm ~ 500 mm的硅衬底上表面等间距（圆心距离相等）刻蚀多个圆孔图形，各所述圆孔图形的深度均相同、均为100 nm ~ 300 nm，各所述圆孔图形的直径不同，直径取值范围为100 nm ~ 500 nm。

步骤S2，在已刻蚀有圆孔图形的所述硅衬底上表面均匀沉积一层AlN缓冲层，其中，所述AlN缓冲层的厚度为50 nm ~ 500 nm。

步骤S3，在所述AlN缓冲层上除去所述圆孔图形底部的位置，沿与所述硅衬底法向方向呈30 ^o ~ 60 ^o夹角均匀沉积一层SiO₂介质层，其中，所述SiO₂介质层的厚度为10 nm ~100 nm。

步骤S4，在各所述圆孔图形的底部位置分别生长一GaN量子点，各所述GaN量子点的大小分别与各所述圆孔图形的尺寸相匹配，其中，所述GaN量子点的大小为1 nm ~ 5 nm。

步骤S5，在各所述GaN量子点、所述SiO₂介质层的上表面均匀覆盖一层Si₃N₄钝化层，其中，所述Si₃N₄钝化层的厚度为20 nm ~ 200 nm，从而制得紫外GaN光源。

在步骤S1前，还包括硅衬底清洗步骤：取样硅衬底，并用标准RCA溶液对硅衬底的表面进行清洗，清洗时间10 min ~ 20 min。

本发明上述制备方法制备的紫外GaN光源，其结构如图2所示，所述紫外GaN光源包括一上表面等间距刻蚀有多个圆孔图形的硅衬底1，所述硅衬底1上沉积有AlN缓冲层2，所述AlN缓冲层2上除去所述圆孔图形底部的位置均匀沉积有SiO₂介质层3；各所述圆孔图形的底部位置均限域生长一与所述圆孔图形尺寸相对应匹配的GaN量子点5，所述SiO₂介质层3及各所述GaN量子点5的上表面均匀覆盖有Si₃N₄钝化层4。

本发明提供的GaN紫外光源利用GaN材料宽禁带的特点，通过电子-空穴复合来产生紫外光辐射。为了克服GaN材料只能辐射出单一波长光、无法形成连续宽光谱紫外光的缺陷，本发明利用限域生长后、大小不等的GaN量子点材料作为发光材料。由于存在尺寸效应，GaN量子点能带会形成很多分立能级，能级分立大小取决于量子点尺寸，尺寸越小，能级分立越大，因此分立能级间距完全可以大于GaN材料的本征禁带宽度，从而可实现GaN紫外光源在紫外波段的宽光谱覆盖。

实施例

一种紫外GaN光源的制备方法，包括：

步骤S1，取样硅衬底1，并用标准RCA溶液对硅衬底1的表面进行清洗，清洗时间15min。

步骤S2，在硅衬底1上旋涂光刻胶，采用光刻技术在硅衬底1的上表面等间距（圆心间距均为1 mm）制备直径为100 nm、150 nm、200 nm 、300 nm的圆形，并采用干法刻蚀技术将各圆形刻蚀成深度均为100 nm的圆孔图形，使得各圆孔图形的底部平面处于同一水平基准线上，可保证不同发光波长的发光强度均一；其中，刻蚀气体采用SF₆，刻蚀气压20 Pa ~100 Pa，气体流量30 ml/min ~ 200 ml/min，刻蚀功率50 W ~ 400W，刻蚀时间1 min ~ 20min。

步骤S3，利用金属有机气相外延技术在硅衬底1的上表面均匀淀积生长50 nm厚的AlN缓冲层2，其中，反应气体源为三甲基铝和氨气，生长温度400^oC ~ 600^oC，生长时间30min ~ 60 min；生长结束后，将硅衬底1热退火10 min ~ 15 min，退火温度500^oC ~ 800^oC。

步骤S4，在已退火的硅衬底1上、沿与硅衬底法向方向呈45^o夹角方向倾斜溅射一层20 nm厚的SiO₂介质层3，其中，溅射靶材采用纯度为99.99%的SiO₂靶，溅射气体为氩气，气体流量10 ml/min ~ 150 ml/min，工作气压1 Pa ~ 20 Pa，溅射时间30 min ~ 60 min。本步骤采用倾斜溅射方式，主要是利用阴影效应使位于圆孔图形底部的AlN缓冲层暴露在外，而在AlN缓冲层上除去圆孔图形底部的位置处均覆盖有SiO₂介质层。

步骤S5，采用MOVPE技术，在各圆孔图形的底部位置（即裸露的AlN缓冲层处）分别外延生长一个GaN量子点5，各GaN量子点5的大小分别与各圆孔图形的尺寸相匹配，即GaN量子点的生长模式为受限式生长，反应气体源为三甲基镓和氨气，生长温度600^oC ~ 800^oC，生长时间5 min ~ 15 min，生长出的各GaN量子点大小为1 nm ~ 5 nm。

步骤S6，采用溅射方式，在SiO₂介质层和各GaN量子点的上表面淀积20 nm厚的Si₃N₄钝化层，其中，溅射靶材选用纯度为99.99%的Si₃N₄靶，溅射气体为氩气，气体流量10ml/min ~ 100ml/min，工作气压1 Pa ~ 20 Pa，溅射时间30 min ~ 60 min。本步骤淀积的Si₃N₄钝化层作为保护层，可有效防止本发明提供的紫外GaN光源器件被外界的水汽氧化，延长使用寿命。

本发明采用限域生长方式进行不同大小的GaN量子点生长，可确保GaN量子点发光波长的发光强度均一，具有尺寸大小可控、均匀性好、发光波长可控的优点；限域生长后的GaN量子点大小位于1 nm ~ 5 nm之间，恰好覆盖UVA（400 nm）到UVC（200 nm）的紫外波段，具有宽光谱的显著优点，具备广泛的工业推广价值，实用性佳。

应该注意的是，上述实施例是对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。因此，应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。在权利要求中，单词“包括”不排除存在未列在权利要求中的数据或步骤。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种紫外GaN光源的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

取样硅衬底，并用标准RCA溶液对所述硅衬底的表面进行清洗；

在所述硅衬底上等间距刻蚀多个圆孔图形，各所述圆孔图形的深度相同、直径不同；

在已刻蚀所述圆孔图形的硅衬底上表面均匀沉积一层AlN缓冲层；

在所述AlN缓冲层上除去所述圆孔图形底部的位置，沿与所述硅衬底法向方向呈30 ^o ~60 ^o夹角方向均匀沉积一层SiO₂介质层；

在所述圆孔图形的底部位置生长GaN量子点，所述GaN量子点的大小与所述圆孔图形的尺寸相匹配；

在所述GaN量子点、所述SiO₂介质层的上表面均匀覆盖一层Si₃N₄钝化层，从而制得紫外GaN光源。

2.一种紫外GaN光源，由权利要求1的制备方法制得，其特征在于：所述紫外GaN光源包括一上表面等间距刻蚀有多个圆孔图形的硅衬底，所述硅衬底上沉积有AlN缓冲层，所述AlN缓冲层上除去所述圆孔图形底部的位置处、沿与所述硅衬底法向方向呈30 ^o ~60 ^o夹角 方向均匀沉积有SiO₂介质层；各所述圆孔图形的底部位置均限域生长一与所述圆孔图形尺寸相匹配的GaN量子点，所述SiO₂介质层及各所述GaN量子点的上表面均匀覆盖有Si₃N₄钝化层。

3.根据权利要求2所述的紫外GaN光源，其特征在于：所述圆孔图形的直径为100 nm ~500 nm。

4.根据权利要求2所述的紫外GaN光源的制备方法，其特征在于：所述圆孔图形的深度为100 nm ~ 300 nm。

5.根据权利要求2所述的紫外GaN光源的制备方法，其特征在于：所述硅衬底的厚度为100

~ 500

。

6.根据权利要求2所述的紫外GaN光源的制备方法，其特征在于：所述AlN缓冲层的厚度为50 nm ~ 500 nm。

7.根据权利要求2所述的紫外GaN光源的制备方法，其特征在于：所述SiO2介质层的厚度为10 nm ~100 nm。

8.根据权利要求2所述的紫外GaN光源的制备方法，其特征在于：所述GaN量子点的大小为1 nm ~5 nm。

9.根据权利要求2所述的紫外GaN光源的制备方法，其特征在于：所述Si3N4钝化层的厚度为20 nm ~200 nm。

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