CN207868221U - 一种垂直结构p-金刚石/i-SiC/n-金刚石LED - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种垂直结构p‑金刚石/i‑SiC/n‑金刚石LED，包括依次层叠设置的单晶金刚石衬底、p型硼高掺杂金刚石层、i型碳化硅层和n型磷高掺杂金刚石层，所述单晶金刚石衬底向外依次设置欧姆接触电极和保护金属层，所述n型磷高掺杂金刚石层向外依次设置欧姆接触电极和保护金属层,解决了金刚石LED发光效率问题。

Description

一种垂直结构p-金刚石/i-SiC/n-金刚石LED

【技术领域】

本实用新型属于半导体器件技术领域，具体涉及一种垂直结构p-金刚石/i-SiC/n-金刚石LED。

【背景技术】

发光二极管(LED)具有高效率、长寿命、节能和环保等优点，目前广泛应用于指示灯、数码管、显示屏、信号灯和固态照明等领域。作为一种全新的照明技术，LED是利用半导体芯片作为发光材料、直接将电能转换为光能的发光器件。自20世纪60年代世界第一个半导体发光二极管诞生以来，LED照明由于具有寿命长、节能、色彩丰富、安全、环保的特性，被誉为人类照明的第三次革命。2014年诺贝尔物理学奖就授予给了蓝光LED的实用新型者，其所用材料为GaN。目前，LED的研究向着紫外和深紫外延伸。深紫外光是指波长100纳米到280纳米之间的光波，半导体深紫外光源在照明、杀菌、医疗、印刷、生化检测、高密度的信息储存和保密通讯等领域具有重大应用价值。深紫外LED除菌净化功能已日渐被广泛应用在医疗和健康领域，作为新一代紫外杀菌技术，具有无汞、安全环保和广泛的环境适应性等特点，属于物理广谱杀菌，无化学残留特性。与常见的用于照明的LED相比，深紫外LED在材料、工艺和应用方面有明显区别，其要求材料的禁带宽度比较大，氮化镓材料难以胜任，因此需要寻找合适的散热材料。此时，金刚石材料就是最佳的选择。金刚石的禁带宽度为5.5eV，载流子迁移率大，热导率最高，对深紫外到远红外光的透过性好，十分适合制备LED。一般而言，金刚石LED是p-金刚石/i-金刚石/n-金刚石结构，这种情况下，i层的发光波长与n层的吸收波长一致，会影响金刚石的发光效率。因此，需要寻求一种禁带宽度略窄的材料来做有源层，并且由于异质结的存在可以形成势阱，提高复合概率，从而提高发光效率。尽管减少n型磷高掺杂金刚石层的厚度能够减少光吸收，但是无法完全避免。因此，我们从能带结构入手，寻求一种禁带宽度略窄的材料来做有源层，从而稍微降低发光波长，使得n型磷高掺杂金刚石层不吸收i型碳化硅层发出的光，提高发光效率。并且由于异质结的存在可以形成势阱，有利于空穴和电子的积累，提高复合概率，也能提高发光效率。

【实用新型内容】

本实用新型的目的是提供一种垂直结构p-金刚石/i-SiC/n-金刚石LED，以解决金刚石LED发光效率问题。

本实用新型所采取的技术方案是：一种垂直结构p-金刚石/i-SiC/n-金刚石LED，其特征在于，垂直结构LED包括依次层叠设置的单晶金刚石衬底、p型硼高掺杂金刚石层、i型碳化硅层和n型磷高掺杂金刚石层，所述单晶金刚石衬底向外依次设置欧姆接触电极和保护金属层，所述n型磷高掺杂金刚石层向外依次设置欧姆接触电极和保护金属层。

进一步的，i型碳化硅层的厚度为1-100nm，缺陷密度小于10¹⁰cm^-2。

进一步的，p型硼高掺杂金刚石层为硼掺杂层，掺杂浓度NA>10¹⁹cm^-3，厚度为1-10μm。

进一步的，n型磷高掺杂金刚石层为磷掺杂层，掺杂浓度ND>10¹⁹cm^-3，厚度为0.1-2μm。

进一步的，欧姆接触电极为能与金刚石形成碳化物或固溶体的金属。

进一步的，单晶金刚石衬底为重掺杂。

进一步的，单晶金刚石衬底为高温高压衬底或CVD金刚石衬底，取向为(100)方向。

本实用新型具有以下有益效果：提供一种垂直结构p-金刚石/i-SiC/n-金刚石LED，利用碳化硅作有源层，略微改变了发光波长，从而减少n型磷高掺杂金刚石层对光的吸收，同时异质结的存在能够在有源层形成载流子堆积，提高了发光效率。此外，金刚石材料具有优异的导热性能，可以改善器件的散热性能，提高晶体质量，减少窗口材料吸收，提高发光效率。

【附图说明】

图1是本实用新型实施例中垂直结构p-金刚石/i-SiC/n-金刚石LED的示意图。

其中，1.单晶金刚石衬底；2.p型硼高掺杂金刚石层；3.i型碳化硅层；4.n型磷高掺杂金刚石层，5.欧姆接触电极，6.保护金属层。

【具体实施方式】

下面结合附图对本实用新型的结构原理和工作原理做进一步说明。

本实用新型提供了一种垂直结构p-金刚石/i-SiC/n-金刚石LED，包括依次层叠设置的单晶金刚石衬底1、p型硼高掺杂金刚石层2、i型碳化硅层3和n型磷高掺杂金刚石层4，单晶金刚石衬底1向外依次设置欧姆接触电极5和保护金属层6，n型磷高掺杂金刚石层4向外依次设置欧姆接触电极5和保护金属层6。

其中，i型碳化硅层3的厚度为1-100nm，缺陷密度小于10¹⁰cm^-2。i层碳化硅3是LED的有源层，通过MPCVD技术外延生长实现，反应气体变为甲烷、氢气和硅烷，厚度为1-100nm，并且缺陷密度小于10¹⁰cm^-2。

p型硼高掺杂金刚石层2为硼掺杂，通过MPCVD技术外延生长实现，反应气体采用甲烷、氢气和三甲基硼(TMB)，掺杂浓度大于10¹⁹cm^-3，厚度为1-10μm。

n型磷高掺杂金刚石层4为磷掺杂，通过MPCVD外延技术获得，掺杂浓度大于10¹⁹cm^-3，厚度为0.1-2μm。

欧姆接触电极5采用钛、钨为Ti或W等能与金刚石形成碳化物或固溶体的金属，淀积在金刚石表面后，通过高温退火形成良好的欧姆接触。

为了防止氧化，在欧姆电极层上淀积保护金属金6，保护金属层6可以采用Au,Pd,Pt等惰性金属，用于防止欧姆接触电极5氧化，同时便于封装引线；

单晶金刚石衬底1可以是高温高压合成衬底，也可以是CVD合成衬底，还可以是自支撑金刚石薄膜，取向均为(100)方向；单晶金刚石衬底1的形状为矩形、圆形、椭圆形或者其他形状。

n型磷高掺杂金刚石层4上欧姆电极形状为网格形。p型硼高掺杂金刚石层2上欧姆电极为矩形、圆形、椭圆形或者其他形状。

单晶金刚石衬底1为p型重掺杂衬底，直接在背面淀积欧姆接触电极5和保护金属层6。

本实用新型一种垂直结构的p-金刚石/i-SiC/n-金刚石LED的制作方法如下：首先，采用MPCVD方法在单晶金刚石衬底1上依次生长p型硼高掺杂金刚石层2，i型碳化硅层3和n型磷高掺杂金刚石层4；然后，在单晶金刚石衬底1和n型磷高掺杂金刚石层4上分别向外淀积欧姆接触电极5和保护金属层6；最后对整体进行高温退火以形成良好的欧姆接触。

其中，外延生长I型碳化硅层3时，选用气体为CH₄,H₂和SiH₄,气体流量为500sccm,气压为100-130Torr，CH₄与H₂的体积比为0.01％-10％，SiH₄与CH₄的体积比为0.5-1.5，单晶金刚石衬底1温度为850-1050℃。

实施例

如图1，垂直结构p-金刚石/i-SiC/n-金刚石LED，衬底1为高温高压合成的重硼掺杂单晶金刚石，尺寸为3*3*0.3mm³，掺杂浓度为3*10¹⁹cm^-3。

采用MPCVD方法在该衬底表面外延生长1μm p型硼高掺杂金刚石层2，生长条件为：选用气体CH₄、H₂和TMB，气压均为100Torr，气体流量均为500sccm，CH₄与H₂的体积比为0.01％，TMB与CH₄的体积比为80ppm，单晶金刚石衬底1的温度为950℃，最终得到的掺杂浓度为10¹⁹cm^-3。

再采用MPCVD方法在p型硼高掺杂金刚石层2上外延生长50nm本征i型碳化硅层3，生长条件为：选用气体为CH₄,H₂和SiH₄,气压均为100Torr，气体流量均为500sccm，CH₄/H₂＝0.01％，SiH₄/CH₄＝1，单晶金刚石衬底1温度为900℃。

再采用MPCVD方法在i型碳化硅层3上外延生长100nm n型磷高掺杂金刚石层4，生长条件为：选用气体CH₄、H₂和PH₃，气压均为100Torr，气体流量均为500sccm，CH₄与H₂的体积比为0.05％，PH₃与CH₄的体积比为300ppm，单晶金刚石衬底1温度为850℃，掺杂浓度为10¹⁹cm^-3。

在n型磷高掺杂金刚石层4上和单晶金刚石衬底层1背面淀积50nm欧姆接触电极5Ti和100nm采用Au的保护金属层6，在氩气环境中450℃下退火10min形成欧姆接触。

一般而言，金刚石LED是p-金刚石/i-金刚石/n-金刚石结构，这种情况下，i层的发光波长与n层的吸收波长一致，会影响金刚石的发光效率。因此，需要寻求一种禁带宽度略窄的材料来做有源层，并且由于异质结的存在可以形成势阱，提高复合概率，从而提高发光效率。尽管减少n型磷高掺杂金刚石层的厚度能够减少光吸收，但是无法完全避免。因此，我们从能带结构入手，寻求一种禁带宽度略窄的材料来做有源层，从而稍微降低发光波长，使得n型磷高掺杂金刚石层不吸收i型碳化硅层发出的光，提高发光效率。并且由于异质结的存在可以形成势阱，有利于空穴和电子的积累，提高复合概率，也能提高发光效率。

本实用新型采用SiC作为i型层，可以形成势阱，便于电子和空穴的积累，提高发光效率，同时可以稍微增加发光波长，提减少窗口层的吸收，提高出光效率。利用碳化硅作有源层，略微改变了发光波长，从而减少n型磷高掺杂金刚石层对光的吸收，同时异质结的存在能够在有源层形成载流子堆积，提高了发光效率。此外，金刚石材料具有优异的导热性能，可以改善器件的散热性能，提高晶体质量，减少窗口材料吸收，提高发光效率。

Claims (7)

1.一种垂直结构p-金刚石/i-SiC/n-金刚石LED，其特征在于，包括依次层叠设置的单晶金刚石衬底(1)、p型硼高掺杂金刚石层(2)、i型碳化硅层(3)和n型磷高掺杂金刚石层(4)，所述单晶金刚石衬底(1)向外依次设置欧姆接触电极(5)和保护金属层(6)，所述n型磷高掺杂金刚石层(4)向外依次设置欧姆接触电极(5)和保护金属层(6)。

2.如权利要求1所述的一种垂直结构p-金刚石/i-SiC/n-金刚石LED，其特征在于，所述i型碳化硅层(3)的厚度为1-100nm，缺陷密度小于10¹⁰cm^-2。

3.如权利要求1或2所述的一种垂直结构p-金刚石/i-SiC/n-金刚石LED，其特征在于，所述p型硼高掺杂金刚石层(2)为硼掺杂层，掺杂浓度NA>10¹⁹cm^-3，厚度为1-10μm。

4.如权利要求1或2所述的一种垂直结构p-金刚石/i-SiC/n-金刚石LED，其特征在于，所述n型磷高掺杂金刚石层(4)为磷掺杂层，掺杂浓度ND>10¹⁹cm^-3，厚度为0.1-2μm。

5.如权利要求1或2所述的一种垂直结构p-金刚石/i-SiC/n-金刚石LED，其特征在于，所述欧姆接触电极(5)为能与金刚石形成碳化物或固溶体的金属。

6.如权利要求1或2所述的一种垂直结构p-金刚石/i-SiC/n-金刚石LED，其特征在于，所述单晶金刚石衬底(1)为重掺杂。

7.如权利要求1或2所述的一种垂直结构p-金刚石/i-SiC/n-金刚石LED，其特征在于，所述单晶金刚石衬底(1)为高温高压衬底或CVD金刚石衬底，取向为(1 0 0)晶向。