CN111816738B - 一种GaN基LED光源及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基LED光源及其制备方法，所述制备方法包括：衬底取样，并用浓磷酸溶液对其表面进行预处理；在衬底上依次沉积GaN缓冲层、p‑GaN势垒层；在p‑GaN势垒层上沉积本征InxGa1‑xN层；在本征InxGa1‑xN层上沉积本征GaN势垒层；在本征GaN势垒层上沉积氧化物介质层；先在氧化物介质层上淀积磁性金属层，再在磁性金属层的中心位置采用紫外光刻技术和湿法刻蚀技术制得一金属台阶图案；在垂直于GaN缓冲层的方向外加一磁场，制得GaN基LED光源。本发明GaN基LED光源体积小、结构紧凑且可在室温下工作，外加的磁场实现了偏振光方向的可控性调控，实用性佳，具有广泛的工业推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种GaN基LED光源及其制备方法。
背景技术
LED光源为发光二极管光源，具有体积小、寿命长、效率高等优点，可连续使用长达10万个小时，LED光源在照明领域的应用越来越广泛。相较于光波长和强度，光的偏振性因包含更多的矢量信息而成为目前的研究重点，并已在民用和工业领域广泛开展，例如图像显示、目标成像和识别、生物医学、通信和遥感等领域。目前，通常采用在光源系统上额外增加偏振片的方式以产生所需要的偏振光，本发明的发明人发现上述偏振光的产生方式会导致整个光源系统无法满足小型化、集成化的设计和使用要求。
目前，半导体器件主要利用载流子电荷运动来传输信息，载流子除带电荷外，还具有另一个自由度-自旋特性，自旋电子器件是通过控制电子自旋方向来实现信号调控的器件。GaN材料作为第三代半导体的代表性材料，因具有自旋-轨道耦合和自旋弛豫特性，可被用于制备在室温下工作的自旋电子器件。因此，如何结合GaN材料、设计或研发一种体积小且偏振可控的GaN基LED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GaN基LED光源及其制备方法，所述GaN基LED光源具有体积小、结构紧凑且偏振方向可调控的优点，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GaN基LED光源的制备方法，包括如下步骤：
衬底取样，并用浓磷酸溶液对所述衬底的表面进行预处理；
在所述衬底的上表面依次沉积GaN缓冲层、p-GaN势垒层；
在所述p-GaN势垒层的上表面沉积本征InxGa1-xN层；
在所述本征InxGa1-xN层的上表面沉积本征GaN势垒层；
在所述本征GaN势垒层的上表面沉积氧化物介质层；
先在所述氧化物介质层的上表面淀积一层磁性金属层，再在所述磁性金属层的中心位置采用紫外光刻技术和湿法刻蚀技术制得一金属台阶图案；
在垂直于所述GaN缓冲层的方向，外加一用于调节光偏振方向的磁场，从而制得GaN基LED光源。
根据本发明的另一方面，提供了一种GaN基LED光源，由本发明的制备方法制得，所述GaN基LED光源包括位于底部的衬底，以及从下至上依次沉积在所述衬底上的GaN缓冲层、p-GaN势垒层、本征InxGa1-xN层、本征GaN势垒层和氧化物介质层，所述氧化物介质层上的中心位置处设有一磁性金属制成的金属台阶图案，且在垂直于所述GaN缓冲层的方向外加有用于调节光偏振方向的磁场。
进一步地，所述GaN缓冲层的厚度为0.1
~ 2 
。
进一步地，所述p-GaN势垒层的厚度为5 nm ~ 20 nm，掺杂浓度为1018 cm-3 ~ 1020cm-3，掺杂元素为Mg。
进一步地，所述本征InxGa1-xN层的厚度为5 nm ~ 30 nm，In组分中x值的变化范围为0.1 ~ 0.6。
进一步地，所述本征GaN势垒层的厚度为5 nm ~ 20 nm。
进一步地，所述氧化物介质层的厚度为1 nm ~10 nm，所述氧化物介质层为Al2O3层、MgO层或SiO2层。
进一步地，所述磁性金属层的厚度为10nm ~100 nm，所述磁性金属层至少包括Fe、Co、Ni中的一种。
进一步地，所述磁场的磁场强度为-1T ~ 1T。
进一步地，所述衬底为硅衬底或蓝宝石衬底。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下的优点：
本发明提供的GaN基LED光源体积小、结构紧凑且可在室温下工作，有助于光源系统满足高集成、小型化的设计和使用要求；外加的磁场实现了偏振光方向的可控性调控，使得本发明提供的GaN基LED光源可作为可见光通讯光源使用，具有较高的信息保密性，可广泛应用于通信、遥感、显示等领域，实用性佳，具有广泛的工业推广价值。
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GaN基LED光源的二维剖面结构示意图；
图中：1、衬底；2、GaN缓冲层；3、p-GaN势垒层；4、本征InxGa1-xN层；5、本征GaN势垒层；6、氧化物介质层；7、磁性金属层；8、磁场。
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GaN基LED光源的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤S1，衬底1取样，并用浓磷酸溶液对衬底1的表面进行预处理，预处理时间5min ~ 10 min。
步骤S2，采用NH3和固态金属Ga作为反应源，在衬底1的上表面采用分子束外延技术生长厚度为0.1 
~ 2 
的GaN缓冲层2，生长温度500oC ~ 750oC，生长时间30 min ~90 min，真空度10-2 Pa ~ 10-4 Pa，NH3流量为100 ml/min ~ 300 ml/min。
步骤S3，采用分子束外延技术在GaN缓冲层2的上表面生长厚度为5 nm ~ 20 nm的p-GaN势垒层3，其中，金属Mg作为掺杂源，生长温度500oC ~ 750oC，生长时间10 min ~ 30min，真空度10-2 Pa ~ 10-4 Pa，NH3流量为100 ml/min ~ 300 ml/min。
步骤S4，采用分子束外延技术在p-GaN势垒层3的上表面生长厚度为5 nm ~ 30 nm的本征InxGa1-xN层4，其中，In组分中x值的变化范围为0.1 ~ 0.6，添加固态In作为反应源，生长温度500oC ~ 750oC，生长时间10 min ~ 30 min，真空度10-2 Pa ~ 10-4 Pa，NH3流量为100 ml/min ~ 300 ml/min。
步骤S5，采用分子束外延技术在本征InxGa1-xN层4的上表面生长厚度为5 nm ~ 20nm的本征GaN势垒层5，生长温度500oC ~ 750oC，生长时间10min ~ 30min，真空度10-2Pa ~10-4 Pa，NH3流量为100 ml/min ~ 300 ml/min。
步骤S6，采用原子层淀积技术在本征GaN势垒层5的上表面淀积厚度为1 nm ~ 10nm的氧化物介质层6，生长温度200oC ~ 400oC，生长时间30 min ~ 90 min，气源为三甲基铝和去离子水（去离子水作为反应前驱体）。
步骤S7，先采用磁控溅射方法在氧化物介质层6的上表面淀积厚度为10 nm ~ 100nm的磁性金属层7，溅射的本底真空度为10-5 Pa ~ 10-7 Pa，溅射气体工作气压为0.1 Pa ~10 Pa，溅射功率为20 W ~ 100 W，溅射时间为30 min ~ 120 min，沉积速率为10 Å/min ~50 Å/min；再采用紫外光刻技术和湿法刻蚀技术在磁性金属层7的中心位置制得一金属台阶图案，如图2所示，其中，腐蚀溶液为98%的H2SO4，腐蚀时间为5 min ~ 10 min。
步骤S8，在垂直于GaN缓冲层2的方向外加用于调节光偏振方向的磁场，磁场强度为-1T ~ 1T，从而制得GaN基LED光源。
本发明上述制备方法制备的GaN基LED光源，如图2所示，包括位于底部的衬底，以及从下至上依次沉积在所述衬底上的GaN缓冲层、p-GaN势垒层、本征InxGa1-xN层、本征GaN势垒层和氧化物介质层，所述氧化物介质层上的中心位置处设有一磁性金属制成的金属台阶图案，且在垂直于所述GaN缓冲层的方向外加有用于调节光偏振方向的磁场。
本发明采用磁性金属层作为自旋注入层，在磁性金属层和本征GaN势垒层之间设置氧化物介质层，利用自旋隧道效应，实现电子自旋注入。由于磁性金属层富集单一自旋特性的电子，在外加电压的作用下，自旋电子从磁性金属层采用隧穿方式注入到本征InxGa1- xN层量子阱中。由于要满足自旋角动量守恒定律，本征InxGa1-xN层中的自旋电子只和p-GaN势垒层注入的具有相反自旋方向的空穴相复合，产生具有特定偏振方向的出射光。在垂直于GaN缓冲层的方向施加一额外磁场，由于自旋极化效应，磁性金属层中的电子自旋方向会发生反转，从而改变发射光的偏振方向，实现了偏振光方向的可控性调控。
实施例1
本实施例提供一种GaN基LED光源的制备方法，包括：
步骤S1，取样蓝宝石衬底1，并用浓磷酸溶液对蓝宝石衬底1的表面进行预处理，预处理时间8 min，并用氮气吹干；
步骤S2，采用NH3和固态金属Ga作为反应源，在蓝宝石衬底1的上表面采用MBE技术生长1 
厚的GaN缓冲层2，生长温度650 oC，生长时间60 min，真空度10-3 Pa，NH3流量为200 ml/min
步骤S3，采用MBE技术在GaN缓冲层2的上表面生长10 nm厚的p-GaN势垒层3，其中，金属Mg作为掺杂源，生长温度650oC，生长时间20 min，真空度10-3 Pa，NH3流量为200 ml/min；
步骤S4，采用MBE技术在p-GaN势垒层3的上表面生长10 nm厚的本征In0.3Ga0.7N层4，添加固态In作为反应源，生长温度650oC，生长时间20 min，真空度10-3 Pa，NH3流量为200ml/min；
步骤S5，采用MBE技术在本征In0.3Ga0.7N层4的上表面生长10 nm厚的本征GaN势垒层5，生长温度650oC，生长时间20 min，真空度10-3 Pa，NH3流量为200 ml/min；
步骤S6，采用ALD技术在本征GaN势垒层5的上表面淀积5 nm厚的Al2O3介质层6，生长温度300oC，生长时间60 min，气源为三甲基铝和去离子水；
步骤S7，先采用磁控溅射方法在Al2O3介质层6的上表面淀积厚度为50 nm的FeCo磁性金属层7，Fe40Co60作为溅射靶材，溅射的本底真空度为10-6 Pa，溅射气体工作气压为1Pa，溅射功率为60 W，溅射时间90 min，沉积速率为30 Å/min；再采用紫外光刻技术和湿法刻蚀技术在FeCo磁性金属层7的中心位置制得一金属台阶图案，如图2所示，其中，腐蚀溶液为98%的H2SO4，腐蚀时间8 min；腐蚀后，采用丙酮去除光刻胶，再用去离子水进行清洗，去除杂质；
步骤S8，在垂直于GaN缓冲层2的方向外加一磁场强度为0.5T的磁场，从而制得GaN基LED光源。
实施例2
本实施例提供一种GaN基LED光源的制备方法，包括：
步骤S1，取样硅衬底1，并用浓磷酸溶液对硅衬底1的表面进行预处理，预处理时间5 min，并用氮气吹干；
步骤S2，采用NH3和固态金属Ga作为反应源，在硅衬底1的上表面采用MBE技术生长0.1
厚的GaN缓冲层2，生长温度500oC，生长时间30 min，真空度10-2 Pa，NH3流量为100ml/min；
步骤S3，采用MBE技术在GaN缓冲层2的上表面生长5 nm厚的p-GaN势垒层3，其中，金属Mg作为掺杂源，生长温度500oC，生长时间10 min，真空度10-2 Pa，NH3流量为100 ml/min；
步骤S4，采用MBE技术在p-GaN势垒层3的上表面生长5 nm厚的本征In0.1Ga0.9N层4，添加固态In作为反应源，生长温度500oC，生长时间10min，真空度10-2 Pa，NH3流量为100ml/min；
步骤S5，采用MBE技术在本征In0.1Ga0.9N层4的上表面生长5 nm厚的本征GaN势垒层5，生长温度500oC，生长时间10min，真空度10-2 Pa，NH3流量为100 ml/min；
步骤S6，采用ALD技术在本征GaN势垒层5的上表面淀积1 nm厚的MgO介质层6，生长温度200oC，生长时间30 min，气源为三甲基铝和去离子水；
步骤S7，先采用磁控溅射方法在MgO介质层6的上表面淀积厚度为10 nm的FeCo磁性金属层7，Fe40Co60作为溅射靶材，溅射本底真空度为10-5 Pa，溅射气体工作气压为0.1Pa，溅射功率为20 W，溅射时间30 min，沉积速率为10 Å/min；再采用紫外光刻技术和湿法刻蚀技术在FeCo磁性金属层7的中心位置制得一金属台阶图案，如图2所示，其中，腐蚀溶液为98%的H2SO4，腐蚀时间5 min，采用丙酮去除光刻胶后再用去离子水清洗；
步骤S8，在垂直于GaN缓冲层2的方向外加一磁场强度为-1T的磁场，从而制得GaN基LED光源。
实施例3
本实施例提供一种GaN基LED光源的制备方法，包括：
步骤S1，取样蓝宝石衬底1，并用浓磷酸溶液对蓝宝石衬底1的表面进行预处理，预处理时间1min，并用氮气吹干；
步骤S2，采用NH3和固态金属Ga作为反应源，在蓝宝石衬底1的上表面采用MBE技术生长2 
厚的GaN缓冲层2，生长温度750oC，生长时间90 min，真空度10-4 Pa，NH3流量为300 ml/min；
步骤S3，采用MBE技术在GaN缓冲层2的上表面生长20 nm厚的p-GaN势垒层3，其中，金属Mg作为掺杂源，生长温度750oC，生长时间30 min，真空度10-4 Pa，NH3流量为300 ml/min；
步骤S4，采用MBE技术在p-GaN势垒层3的上表面生长30 nm厚的本征In0.6Ga0.4N层4，添加固态In作为反应源，生长温度750oC，生长时间30 min，真空度10-4 Pa，NH3流量为300ml/min；
步骤S5，采用MBE技术在本征In0.6Ga0.4N层4的上表面生长20 nm厚的本征GaN势垒层5，生长温度750oC，生长时间30 min，真空度10-4 Pa，NH3流量为300 ml/min；
步骤S6，采用ALD技术在本征GaN势垒层5的上表面淀积10 nm厚的SiO2介质层6，生长温度400oC，生长时间90 min，气源为三甲基铝和去离子水；
步骤S7，先采用磁控溅射方法在SiO2介质层6的上表面淀积厚度为100nm的FeCo磁性金属层7，Fe40Co60作为溅射靶材，溅射本底真空度为10-7 Pa，溅射气体工作气压为10 Pa，溅射功率为100 W，溅射时间120 min，沉积速率为50 Å/min；再采用紫外光刻技术和湿法刻蚀技术在FeCo磁性金属层7的中心位置制得一金属台阶图案，如图2所示，其中，腐蚀溶液为98%的H2SO4，腐蚀时间10 min，采用丙酮去除光刻胶后再用去离子水清洗；
步骤S8，在垂直于GaN缓冲层2的方向外加一磁场强度为1T的磁场，从而制得GaN基LED光源。
本发明上述实施例制备的GaN基LED光源体积小、结构紧凑且可在室温下工作，有助于光源系统满足高集成、小型化的设计和使用要求；外加的磁场实现了偏振光方向的可控性调控，使得本发明提供的GaN基LED光源可作为可见光通讯光源使用，具有较高的信息保密性，可广泛应用于通信、遥感、显示等领域，实用性佳，具有广泛的工业推广价值。
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 (8)
1.一种GaN基LED光源的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
衬底取样，并用浓磷酸溶液对所述衬底的表面进行预处理；
在所述衬底的上表面依次沉积GaN缓冲层、p-GaN势垒层，其中，所述p-GaN势垒层的厚度为5 nm ~ 20 nm，掺杂浓度为1018 cm-3~ 1020 cm-3，掺杂元素为Mg；
在所述p-GaN势垒层的上表面沉积本征InxGa1-xN层，其中，In组分中x值的变化范围为0.1 ~ 0.6；
在所述本征InxGa1-xN层的上表面沉积本征GaN势垒层；
在所述本征GaN势垒层的上表面沉积厚度为1 nm ~10 nm的氧化物介质层，所述氧化物介质层为Al2O3层、MgO层或SiO2层；
先在所述氧化物介质层的上表面淀积一层磁性金属层，再在所述磁性金属层的中心位置采用紫外光刻技术和湿法刻蚀技术制得一金属台阶图案；
在垂直于所述GaN缓冲层的方向，外加一用于调节光偏振方向的磁场，从而制得GaN基LED光源。
2.一种GaN基LED光源，由权利要求1的制备方法制得，其特征在于：所述GaN基LED光源包括位于底部的衬底，以及从下至上依次沉积在所述衬底上的GaN缓冲层、p-GaN势垒层、本征InxGa1-xN层、本征GaN势垒层和厚度为1 nm ~10 nm的氧化物介质层，所述本征InxGa1-xN层中In组分的x值变化范围为0.1 ~ 0.6，所述p-GaN势垒层的厚度为5 nm ~ 20 nm、掺杂浓度为1018 cm-3~ 1020 cm-3、掺杂元素为Mg；所述氧化物介质层为Al2O3层、MgO层或SiO2层，所述氧化物介质层上的中心位置处设有一磁性金属制成的金属台阶图案，且在垂直于所述GaN缓冲层的方向外加有用于调节光偏振方向的磁场。
3.根据权利要求2所述的GaN基LED光源，其特征在于：所述GaN缓冲层的厚度为0.1
~2
。
4.根据权利要求2所述的GaN基LED光源，其特征在于：所述本征InxGa1-xN层的厚度为5nm~ 30 nm。
5.根据权利要求2所述的GaN基LED光源，其特征在于：所述本征GaN势垒层的厚度为5nm ~ 20 nm。
6.根据权利要求2所述的GaN基LED光源，其特征在于：所述磁性金属层的厚度为10 nm~ 100 nm，所述磁性金属层至少包括Fe、Co、Ni中的一种。
7.根据权利要求2所述的GaN基LED光源，其特征在于：所述磁场的磁场强度为-1T ~1T。
8.根据权利要求2所述的GaN基LED光源，其特征在于：所述衬底为硅衬底或蓝宝石衬底。
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