CN1716653A - ZnO－GaN复合衬底GaN发光器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体发光器件及其制备方法技术领域，本发明涉及一种ZnO－GaN复合衬底的GaN发光器件及其制备方法。其特征是器件由衬底、GaN缓冲层，n－GaN下限制层，InGaN多量子阱有源层，p－GaN上限制层，p－GaN盖层等部件构成，衬底由ZnO单晶基底和GaN上包覆层、抗腐蚀的下包覆层构成的复合衬底，在衬底和GaN缓冲层之间还生长一层ZnO剥离层和一层GaN抗分解层。本发明的效果和益处是可提高GaN系器件薄膜材料的质量，改善发光器件的特性，同时易于将器件薄膜材料与衬底分离，复合衬底可以重复使用，器件成本大大降低。
Description
技术领域
本发明属于半导体发光器件及其制备方法技术领域，特别是涉及一种ZnO-GaN复合衬底的GaN发光器件及其制备方法，这种复合衬底是在ZnO单晶基底上包覆有GaN等材料薄膜可重复使用的衬底。
背景技术
GaN蓝色发光管(LED)和激光器(LD)的相继问世，其广阔的应用前景和商业价值引起了国际光电子学界的普遍关注。随着GaN蓝色LED和LD产品的商业化，提高器件的发光效率和输出功率成为人们关心的焦点。典型的GaN蓝色发光器件是由衬底101、GaN缓冲层2，n-GaN下限制层3，InGaN多量子阱有源层4，p-GaN上限制层5，p-GaN盖层6等部件构成。GaN缓冲层2，n-GaN下限制层3，InGaN多量子阱有源层4，p-GaN上限制层5，p-GaN盖层6等部件我们可以统称为器件薄层材料。由于GaN单晶衬底尚未研究开发成功，所以目前生产的GaN发光器件主要是以蓝宝石(Al2O3)为衬底进行GaN系材料外延生长的。而蓝宝石衬底和GaN的晶格失配大，所生长的GaN晶体质量不好。并且蓝宝石热导性能与电导性能均差，影响高功率GaN发光器件工作性能。还有蓝宝石衬底外延片难以解理，制备GaN激光器件(LD)工艺困难。
ZnO与GaN有很多相似之处，都是宽带隙半导体，是纤锌矿结构，更主要的是二者晶格失配和热失配都很小并且有相同的堆垛顺序，且ZnO单晶已研制开发成功，如果以ZnO单晶为衬底可以大大促进GaN的成核及GaN薄膜质量并提高GaN发光器件的各项性能。同时ZnO材料可以用酸溶液完全腐蚀掉，将器件薄膜材料与衬底分离(剥离技术)，从而获得自支撑(free-standing)的GaN系器件薄膜，解决了以蓝宝石为衬底制备GaN发光管难于解理的弊端及大功率GaN发光管的散热问题，容易实现GaN发光器件的倒装工艺。但是目前ZnO单晶衬底非常昂贵，用其制备的GaN发光器件的成本将大大增加。同时由于超过900℃时，ZnO材料会分解，而目前一般通用的，GaN薄膜晶体生长质量较好的MOCVD(金属有机化学气相淀积)方法的生长温度都超过1000℃，因此在ZnO衬底上以通用的MOCVD生长方法是不可能制备出好的GaN发光器件的。
发明内容
本发明的目的就是提供一种用于生长GaN发光器件的可重复利用易于剥离的ZnO-GaN复合衬底及其制备工艺方法，并提供ZnO-GaN复合衬底的GaN发光器件的器件结构及其制备工艺方法，从而克服上述困难，提高GaN薄膜生长质量，改善器件特性，降低器件成本。
本发明的技术方案是：
本发明所设计的ZnO-GaN复合衬底GaN发光器件(见附图1、图2和附图说明)，由衬底101、GaN缓冲层2，n-GaN下限制层3，InGaN多量子阱有源层4，p-GaN上限制层5，p-GaN盖层6等部件构成，其特征是衬底101由ZnO单晶基底01和GaN上包覆层02、抗腐蚀的下包覆层03构成ZnO-GaN复合衬底，在衬底101和GaN缓冲层2之间还生长一层ZnO剥离层04和一层GaN抗分解层05；GaN上包覆层02、抗腐蚀的下包覆层03、ZnO剥离层04和GaN抗分解层05均是在室温～900℃的较低温度下生长的。抗腐蚀的下包覆层03同样可以是低温生长GaN薄膜，可以是Al2O3薄膜、SiO2薄膜、Si3N4薄膜，也可以是其他抗腐蚀材料的薄膜。
本发明的效果和益处：
本发明所设计的ZnO-GaN复合衬底GaN发光器件结构可以将ZnO剥离层04用酸溶液完全腐蚀掉，易于将器件薄膜材料与衬底分离，从而获得自支撑的GaN系器件薄膜。而GaN上包覆层02和抗腐蚀的下包覆层03保护ZnO单晶基底01不被腐蚀，所以这种ZnO-GaN复合衬底可以重复使用，这样即提高了GaN系器件薄膜材料的质量，改善发光器件的特性，同时又使器件的成本大大降低。由于有一层GaN抗分解层05保护ZnO剥离层04，就可以使用一般通用的GaN薄膜MOCVD生长方法(温度一般超过1000℃)生长GaN缓冲层2，n-GaN下限制层3，InGaN多量子阱有源层4，p-GaN上限制层5，p-GaN盖层6等器件结构了。
附图说明
图1 ZnO-GaN复合衬底GaN发光器件衬底结构示意图。
图2 ZnO-GaN复合衬底GaN发光器件结构示意图。
图中部件101为ZnO-GaN复合衬底，01为ZnO单晶基底，02为GaN上包覆层，03为抗腐蚀的下包覆层，04为ZnO剥离层，05为GaN抗分解层，2为GaN缓冲层，3为n-GaN下限制层，4为InGaN多量子阱有源层，5为p-GaN上限制层，6为p-GaN盖层；由ZnO单晶基底01，GaN上包覆层02，抗腐蚀的下包覆层03部件构成复合衬底101。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
实施例1.
全GaN薄膜包覆层ZnO-GaN复合衬底GaN发光器件。这种ZnO-GaN复合衬底GaN发光器件(见附图1、附图2)结构的特征在于抗腐蚀的下包覆层03是GaN薄膜。选取晶体质量合格的单面抛光的(也可以用双面抛光的)ZnO单晶基底01，进行化学清洗处理后，先进行非抛光面(如果选用双面抛光的ZnO单晶基底01，可先任选一面)抗腐蚀的下包覆层03GaN薄膜低温生长，生长是采用电子回旋共振微波等离子体增强金属有机化学汽相沉积外延系统与技术进行的(见ZL 01 1 01424.5号专利)，生长温度为400～700℃，抗腐蚀的下包覆层GaN薄膜03的生长厚度为0.5～5微米。抗腐蚀的下包覆层GaN薄膜03生长好后，将ZnO单晶基底01翻转，生长GaN薄膜上包覆层02，同样采用电子回旋共振微波等离子体增强金属有机化学汽相沉积外延系统与技术进行(见ZL 01 1 01424.5号专利)，生长温度为400～700℃，上包覆层GaN薄膜02的生长厚度为0.5～5微米。此后，进行ZnO剥离层04生长，生长是采用氧化锌生长用低压金属有机化学气相淀积设备及其工艺进行的(见申请号为200410011164.0的申请中专利)，生长温度为400～700℃，ZnO剥离层04生长厚度为1～5微米。然后，再进行GaN抗分解层05生长，也是采用电子回旋共振微波等离子体增强金属有机化学汽相沉积外延系统与技术进行，生长温度为400～700℃，GaN抗分解层05的生长厚度为0.5～5微米。最后，采用一般通用的GaN薄膜MOCVD生长方法生长GaN缓冲层2，n-GaN下限制层3，InGaN多量子阱有源层4，p-GaN上限制层5，p-GaN盖层6，温度一般为1000～1200℃，各层生长的厚度根据具体器件结构和特性要求具体设计。外延片生长好后，采用衬底剥离技术将ZnO-GaN复合衬底101和器件薄膜材料分离，采用酸溶液将ZnO剥离层04完全腐蚀掉即可。这样就获得自支撑的GaN系器件薄膜，同时ZnO-GaN复合衬底101可以回收再用。
实施例2.
Al2O3薄膜下包覆层ZnO-GaN复合衬底GaN发光器件。这种ZnO-GaN复合衬底GaN发光器件(见附图1、附图2)结构的特征在于抗腐蚀的下包覆层03是Al2O3薄膜。这种结构的器件结构和其制备工艺与全GaN薄膜包覆层ZnO-GaN复合衬底GaN发光器件一样，不同之处是抗腐蚀的下包覆层03为Al2O3薄膜，抗腐蚀的下包覆层Al2O3薄膜03的制备可以采用金属有机化学气相淀积(MOCVD)工艺，磁控溅射、电子束蒸发等工艺，只要Al2O3薄膜制备时ZnO单晶基底01温度是室温～900℃即可。
实施例3.
SiO2薄膜下包覆层ZnO-GaN复合衬底GaN发光器件。这种ZnO-GaN复合衬底GaN发光器件(见附图1、附图2)结构的特征在于抗腐蚀的下包覆层03是SiO2薄膜。这种结构的器件结构和其制备工艺与全GaN薄膜包覆层ZnO-GaN复合衬底GaN发光器件一样，不同之处是抗腐蚀的下包覆层03为SiO2薄膜，抗腐蚀的下包覆层SiO2薄膜03的制备可以采用化学气相淀积(CVD)工艺，磁控溅射、电子束蒸发等工艺，只要SiO2薄膜制备时ZnO单晶基底01温度是室温～900℃即可。
实施例4.
Si3N4薄膜下包覆层ZnO-GaN复合衬底GaN发光器件。这种ZnO-GaN复合衬底GaN发光器件(见附图1、附图2)结构的特征在于抗腐蚀的下包覆层03是Si3N4薄膜。这种结构的器件结构和其制备工艺与全GaN薄膜包覆层ZnO-GaN复合衬底GaN发光器件一样，不同之处是抗腐蚀的下包覆层03为Si3N4薄膜，抗腐蚀的下包覆层Si3N4薄膜03的制备可以采用化学气相淀积(CVD)工艺，磁控溅射、电子束蒸发等工艺，只要Si3N4薄膜制备时ZnO单晶基底01温度是室温～900℃即可。
Claims (6)
1.一种ZnO-GaN复合衬底的GaN发光器件及其制备方法，所述一种ZnO-GaN复合衬底的GaN发光器件，是由衬底(101)、GaN缓冲层(2)，n-GaN下限制层(3)，InGaN多量子阱有源层(4)，p-GaN上限制层(5)，p-GaN盖层(6)部件构成，其特征是衬底(101)由ZnO单晶基底(01)和GaN上包覆层(02)、抗腐蚀的下包覆层(03)构成ZnO-GaN复合衬底，在衬底(101)和GaN缓冲层(2)之间生长一层ZnO剥离层(04)和一层GaN抗分解层(05)；GaN上包覆层(02)、抗腐蚀的下包覆层(03)、ZnO剥离层(04)和GaN抗分解层(05)均是室温～900℃的温度下生长的。
2.根据权利要求1所述的全GaN薄膜包覆层ZnO-GaN复合衬底的GaN发光器件，其特征在于抗腐蚀的下包覆层(03)是GaN薄膜；所述的Al2O3薄膜下包覆层ZnO-GaN复合衬底的GaN发光器件，其特征在于抗腐蚀的下包覆层(03)是Al2O3薄膜；所述的SiO2薄膜下包覆层ZnO-GaN复合衬底的GaN发光器件，其特征在于抗腐蚀的下包覆层(03)是SiO2薄膜；所述的Si3N4薄膜下包覆层ZnO-GaN复合衬底的GaN发光器件，其特征在于抗腐蚀的下包覆层(03)是Si3N4薄膜。
3.如根据权利要求2所述的全GaN薄膜包覆层ZnO-GaN复合衬底的GaN发光器件制备工艺方法，其特征是选取晶体质量合格的ZnO单晶基底(01)，进行化学清洗处理后，先进行一面抗腐蚀的下包覆层(03)GaN薄膜低温生长，生长是采用电子回旋共振微波等离子体增强金属有机化学汽相沉积外延系统与技术进行的，生长温度为400～700℃，抗腐蚀的下包覆层GaN薄膜(03)的生长厚度为0.5～5微米；抗腐蚀的下包覆层GaN薄膜(03)生长好后，将ZnO单晶基底(01)翻转，生长GaN上包覆层(02)，同样采用电子回旋共振微波等离子体增强金属有机化学汽相沉积外延系统与技术进行，生长温度为400～700℃，上包覆层GaN薄膜(02)的生长厚度为0.5～5微米；此后，进行ZnO剥离层(04)生长，生长是采用氧化锌生长用低压金属有机化学气相淀积设备及其工艺进行的，生长温度为400～700℃，ZnO剥离层(04)生长厚度为1～5微米；然后，再进行GaN抗分解层(05)生长，也是采用电子回旋共振微波等离子体增强金属有机化学汽相沉积外延系统与技术进行，生长温度为400～700℃，GaN抗分解层(05)的生长厚度为0.5～5微米；最后，采用GaN薄膜MOCVD生长方法生长GaN缓冲层(2)，n-GaN下限制层(3)，InGaN多量子阱有源层(4)，p-GaN上限制层(5)，p-GaN盖层(6)，温度为1000～1200℃，各层生长的厚度根据具体器件结构和特性要求具体设计；外延片生长好后，采用衬底剥离技术将ZnO-GaN复合衬底(101)和器件薄膜材料分离，采用酸溶液将ZnO剥离层04完全腐蚀掉；这样就获得自支撑的GaN系器件薄膜。
4.如根据权利要求2所述的Al2O3薄膜下包覆层ZnO-GaN复合衬底的GaN发光器件制备工艺方法，其制备工艺与全GaN薄膜包覆层ZnO-GaN复合衬底GaN发光器件一样，其特征是抗腐蚀的下包覆层Al2O3薄膜(03)的制备可以采用金属有机化学气相淀积工艺，磁控溅射、电子束蒸发等工艺，Al2O3薄膜制备时ZnO单晶基底(01)温度为室温～900℃。
5.如权利要求2所述的SiO2薄膜下包覆层ZnO-GaN复合衬底的GaN发光器件制备工艺方法，其制备工艺与全GaN薄膜包覆层ZnO-GaN复合衬底GaN发光器件一样，其特征是抗腐蚀的下包覆层SiO2薄膜(03)的制备采用化学气相淀积工艺，磁控溅射、电子束蒸发等工艺，SiO2薄膜制备时ZnO单晶基底(01)温度为室温～900℃。
6.如根据权利要求5所述的Si3N4薄膜下包覆层ZnO-GaN复合衬底的GaN发光器件制备工艺方法，其制备工艺与全GaN薄膜包覆层ZnO-GaN复合衬底GaN发光器件一样，其特征是抗腐蚀的下包覆层Si3N4薄膜(03)的制备采用化学气相淀积工艺，磁控溅射、电子束蒸发等工艺，Si3N4薄膜制备时ZnO单晶基底(01)温度为室温～900℃。
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