CN105047779B - 基于Si衬底上黄光LED材料及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Si衬底上黄光LED材料及其制作方法。其生长步骤是:1)将Si衬底置于MOCVD反应室中进行热处理;2)在热处理后的衬底上生长厚度为10‑200nm的低温成核层;3)在成核层之上生长厚度为0.2‑100μm,Si掺杂浓度为5×1017cm‑3~3×1019cm‑3,C掺杂浓度为1×1017cm‑3~1×1019cm‑3的高温n型GaN有源层;4)在有源层之上生长厚度为0.01‑10μm,Mg掺杂浓度为1×1017cm‑3~3×1019cm‑3的高温p型GaN层。本发明具有工艺简单,成本低,发光效率高的优点,可用于制作c面GaN黄光发光二极管。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域,涉及一种半导体材料,可用于制作GaN黄光LED产品。
技术背景
Ш-V族氮化物半导体材料具有直接带隙、热导率高、电子饱和迁移率高、发光效率高、耐高温和抗辐射等优点,在光电子及微电子领域都取得了巨大的进步。在短波长蓝光—紫外光发光器件、微波器件和大功率半导体器件等方面有巨大的应用前景,通过调节In的组分,理论上讲,可以实现对可见光波长的全覆盖。
2014年Jianli Zhang等人提出了在Si衬底上生长InGaN基黄光LED全结构的方案,参见High brightness InGaN-based yellow light-emitting diodes with strainmodulation layers grown on Si substrate,Applied Physics A,(2014)114:1049–1053。该方案采用InGaN/GaN量子阱作为有源区,由于黄光需要较高的In组分,高的In组分需要低的生长温度,同时高的In组分会在材料中产生较大的应力,这会退化GaN的结晶质量,退化器件性能。而且InGaN量子阱的生长工艺复杂,生长效率低,成本高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足,提供一种基于Si衬底上黄光LED材料及其制作方法,以简化工艺复杂度,提高生长效率,降低成本,提高LED器件性能。
实现本发明目的技术关键是:采用MOCVD的方法,通过引入C掺杂,使C元素替换N元素形成深能级,提供复合能级,C杂质可以通过C源引入,也可以通过控制工艺利用MOCVD中的C杂质实现。
一.本发明基于Si衬底上黄光LED材料,自上而下分别为p型GaN层,有源层,成核层和Si衬底,其特征在于有源层使用C掺杂和Si掺杂形成的n型GaN层,以在GaN中引入C的深能级,为发黄光的电子、空穴提供复合平台。
进一步,C掺杂的浓度为1×1017cm-3~1×1019cm-3。Si掺杂的浓度为5×1017cm-3~3×1019cm-3。
进一步,p型GaN层的厚度为0.01-10μm。
进一步,n型GaN层的厚度为0.2-100μm。
二.本发明基于Si衬底上黄光LED材料的制作方法,包括如下步骤:
(1)将Si衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中,并向反应室通入氢气与氨气的混合气体,对衬底进行热处理,反应室的真空度小于2×10-2Torr,衬底加热温度为830-1150℃,时间为5-10min,反应室压力为30-700Torr;
(2)在Si衬底上生长厚度为10-200nm,温度为530-720℃的低温成核层;
(3)在低温成核层之上生长厚度为0.2-100μm,C掺杂浓度为1×1017cm-3~1×1019cm-3Si掺杂的浓度为5×1017cm-3~3×1019cm-3,温度为850-1100℃的高温n型GaN有源层;
(4)在n型GaN有源层之上生长厚度为0.01-10μm,Mg掺杂浓度为1×1017cm-3~3×1019cm-3,温度为850-1100℃的高温p型GaN层。
本发明由于采用Si衬底和C掺杂和Si掺杂的n型GaN作为有源层,与现有技术相比具有如下优点:
1.避免了传统LED结果中的InGaN量子阱生长,简化了工艺步骤,提高了生长效率。
2.避免了InGaN的存在引起材料晶格失配大的问题,提高了材料的质量,从而提高LED器件的性能。
3.利用Si衬底扩散到有源层的Si作为Si源,利用MOCVD中的Ga源中的C作为C源,降低了生产成本。
本发明的技术方案和效果可通过以下附图和实施例进一步说明。
附图说明
图1是本发明基于Si衬底上黄光LED材料结构示意图;
图2为本发明制作基于Si衬底上黄光LED材料的流程图。
具体实施方式
参照图1,本发明的黄光LED材料设有四层,其中第一层为衬底,采用Si;第二层为成核层,采用厚度为10-200nm的AlN;第三层为有源层,采用厚度为0.2-100μm的C掺杂和Si掺杂的n型GaN层,其中C掺杂的浓度为1×1017cm-3~1×1019cm-3,Si掺杂的浓度为5×1017cm-3~3×1019cm-3,由于在GaN中引入了C掺杂,因此在GaN中会形成深能级,为发黄光的电子、空穴提供了复合的平台;第四层为p型GaN层,采用厚度为0.01-10μm,掺杂浓度为1×1017cm-3~3×1019cm-3的Mg掺杂GaN。
参照图2,本发明制作基于Si衬底上黄光LED材料的方法,给出如下三种实施例:
实施例1,制作C掺杂浓度为1×1018cm-3、Si掺杂浓度为3×1018cm-3的n型GaN有源层的LED材料。
步骤1,对衬底基片进行热处理。
将Si衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中,并向反应室通入氢气与氨气的混合气体,在反应室的真空度小于2×10-2Torr,衬底加热温度为1000℃,时间为7min,反应室压力为45Torr的条件下,对衬底基片进行热处理。
步骤2,生长AlN成核层。
将热处理后的衬底基片温度降低为600℃,向反应室通入流量为5μmol/min的铝源、流量为1200sccm氢气和流量为1200sccm的氨气,在保持压力为45Torr的条件下生长厚度为25nm的低温AlN成核层。
步骤3,生长C掺杂和Si掺杂的n型GaN有源层。
向反应室通入流量为30μmol/min的镓源、流量为1200sccm氢气和流量为1500sccm的氨气,保持反应室压力为45Torr,温度为985℃,取C掺杂浓度为1×1018cm-3,Si掺杂浓度为3×1018cm-3,在低温AlN成核层上生长厚度为3μm的n型GaN有源层。
步骤4,生长p型GaN层。
将已经生长了C掺杂和Si掺杂的n型GaN层基片温度保持在985℃,向反应室通入流量为30μmol/min的镓源、流量为1200sccm氢气,流量为1500sccm的氨气和流量为10μmol/min的Mg源,保持压力为45Torr,温度为985℃,生长厚度为200nm的p型GaN层,形成c面GaN材料,并从MOCVD反应室中取出。
实施例2,制作C掺杂浓度为1×1017cm-3、Si掺杂浓度为5×1017cm-3的n型GaN有源层的LED材料。
本实例的实现步骤如下:
步骤A,将Si衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中,并向反应室通入氢气与氨气的混合气体,在反应室的真空度小于2×10-2Torr,衬底加热温度830℃,时间为5min,反应室压力为30Torr的条件下,对衬底基片进行热处理。
步骤B,将热处理后的衬底基片温度降低为530℃,向反应室通入流量为5μmol/min的铝源、流量为1000sccm氢气和流量为1000sccm的氨气,在保持压力为20Torr的条件下生长厚度为10nm的低温AlN成核层。
步骤C,向反应室通入流量为5μmol/min的镓源、流量为1000sccm氢气和流量为1000sccm的氨气,保持压力为30Torr,温度为850℃,取C掺杂浓度为1×1017cm-3、Si掺杂浓度为5×1017cm-3,在低温AlN成核层上生长厚度为200nm的n型GaN有源层。
步骤D,将已经生长了C掺杂和Si掺杂的n型GaN层基片温度保持在850℃,向反应室通入流量为5μmol/min的镓源、流量为1000sccm氢气和流量为1000sccm的氨气,5μmol/min的Mg源,保持压力为30Torr,生长厚度为10nm的p型GaN层,形成c面GaN材料,并从MOCVD反应室中取出。
实施例3,制作C掺杂浓度为1×1019cm-3、Si掺杂浓度为3×1019cm-3的n型GaN有源层的LED材料。
本实例的实现步骤如下:
步骤一,对衬底基片进行热处理。
将Si衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中,并向反应室通入氢气与氨气的混合气体,进行热处理,其工艺条件如下:
反应室的真空度:小于2×10-2Torr;
衬底加热温度:1150℃;
氮化时间:10min;
反应室压力:700Torr。
步骤二,生长AlN成核层。
在热处理后的衬底基片上生长厚度为200nm的低温AlN成核层,其工艺条件如下:
反应室温度:720℃;
反应室压力:700Torr;
铝源流量:100μmol/min;
氢气流量:10000sccm;
氨气流量:10000sccm。
步骤三,生长C掺杂和Si掺杂的n型GaN有源层。
在低温AlN成核层上生长厚度为100μm的n型GaN有源层,其工艺条件如下:
反应室温度:1100℃;
反应室压力:700Torr;
镓源流量:100μmol/min;
氢气流量:10000sccm;
氨气流量:10000sccm;
C掺杂浓度:1×1019cm-3;
Si掺杂的浓度:3×1019cm-3。
步骤四,生长p型GaN层。
在C掺杂和Si掺杂的n型GaN有源层上生长厚度为10μm的p型GaN层,形成c面GaN材料,其工艺条件为:
基片温度:1100℃;
反应室压力:700Torr;
镓源流量:100μmol/min;
氢气流量:10000sccm;
氨气流量:10000sccm;
Mg源流量:100μmol/min。
步骤五,将形成的c面GaN材料从MOCVD反应室中取出。
以上实施例仅用于对本发明的说明,不构成对本发明的限制。对于本领域的专业人员来说,在了解本发明内容和原理后,能够在不背离本发明的原理和范围的情况下,根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变,但是这些基于本发明的修正和改变仍受本发明的权利要求保护。
Claims (5)
1.一种基于Si衬底的黄光LED结构,自上而下分别为p型GaN层,有源层,成核层和Si衬底,其特征在于有源区使用C掺杂和Si掺杂的n型GaN层,以在GaN中引入C的深能级,为发黄光的电子、空穴提供复合平台。
2.根据权利要求1所述的基于Si衬底的黄光LED结构,其特征在于C掺杂的浓度为1×1017cm-3~1×1019cm-3,Si掺杂的浓度为5×1017cm-3~3×1019cm-3。
3.根据权利要求1所述的基于Si衬底的黄光LED结构,其特征在于p型GaN层的厚度为0.01-10μm。
4.根据权利要求1所述的基于Si衬底的黄光LED结构,其特征在于有源层的厚度为0.2-100μm。
5.一种基于Si衬底的黄光LED结构的制作方法,包括如下步骤:
(1)将Si衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中,向反应室通入氢气与氨气的混合气体,对衬底进行热处理,保持反应室的真空度小于2×10-2Torr,衬底加热温度为830-1150℃,时间为5-10min,反应室压力为30-700Torr;
(2)在Si衬底上生长厚度为10-200nm,温度为530-720℃的低温成核层;
(3)在低温成核层之上生长厚度为0.2-100μm,Si掺杂浓度为5×1017cm-3~3×1019cm-3,C掺杂浓度为1×1017cm-3~1×1019cm-3,温度为850-1100℃的高温n型GaN有源层;
(4)在n型GaN有源层之上生长厚度为0.01-10μm,Mg掺杂浓度为1×1017cm-3~3×1019cm-3,温度为850-1100℃的高温p型GaN层。
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