基于c面Al2O3衬底的c面Ⅲ族氮化物的发光二极管的制作方法

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种基于c面al2o3衬底的c面ⅲ族氮化物的发光二极管，可用于照明，显示屏和背光源的各种光学应用。

技术背景

发光二极管led由于其效率高，寿命长，节能环保等优点，使得led照明飞速发展。氮化物作为直接带隙半导体，同时具有较大的禁带宽度，通过调节材料中各组分的比例禁带宽度可以在0.7ev到6.2ev之间变化，覆盖了从红外到极紫外的波段范围，在led应用中获得了广泛使用。其中，ⅲ族氮化物半导体材料是最常用的制备led的材料，如aln基、gan基、inn基等半导体材料。纤锌矿结构的ⅲ族氮化物半导体材料通常有一个平行于晶胞的c轴(0001)方向的极性轴，由于沿着极性轴方向不存在中心反转对称性，因此c面ⅲ族氮化物由极性方向的不同可分为n面ⅲ族氮化物材料和金属面ⅲ族氮化物材料。n面ⅲ族氮化物和金属面ⅲ族氮化物的交界处，称为反型畴idb。

p.j.schuck等人在2001年研究了gan内反型畴的光学特性，即反型畴的发光强度超过体gan面区域一个数量级，据此，该研究认为反型畴可以看做是一个高效辐射复合中心，理论上可以将反型畴看做量子阱，且具有一定密度的反型畴的gan薄膜，可以用于制作led而不需要生长量子阱结构，这样大大减少了工艺步骤。基于上述结论，具有一定密度的反型畴的ⅲ族氮化物薄膜，可以制作发光颜色不同的led。

金属有机化合物化学气相沉淀mocvd技术是目前使用最多的ⅲ族氮化物半导体外延技术。通过mocvd工艺在c面al2o3衬底上外延生长的ⅲ族氮化物薄膜一般具有金属面极性。2008年nicholasa.fichtenbaum在博士论文中提到，使用mocvd生长机理在c面al2o3衬底上生长gan，使用高温氮化处理步骤后，获得的是n面极性的gan材料；而使用低温氮化处理步骤后，获得的是ga面极性的gan材料。2015年林志宇在博士论文中指出，氮化处理以及高温aln成核层生长过程中高的氨气流量是n面gan材料生长方法的主要特征。利用上述理论，在生长c面ⅲ族氮化物时，使用sin做掩膜层将衬底的不同区域进行不同的氮化处理，可以在衬底上同时生长n面极性和金属面极性的ⅲ族氮化物，在两个不同极性面的交界处，会有反型畴产生。将sin掩膜层的窗口区设计为圆环形状，改变圆环的环宽和间距，则可得到不同密度的反型畴的ⅲ族氮化物薄膜，可用于制作新型的无量子阱结构的led器件。

目前基于al2o3衬底的led器件的发光依靠阱层/垒层量子阱结构内的载流子辐射复合，其结构自下而上包括衬底层、成核层、n型ⅲ族氮化物层、量子阱层和p型ⅲ族氮化物层，其中量子阱层包括多层ⅲ族氮化物阱层和ⅲ族氮化物垒层，其结构十分复杂，且制备过程需要在衬底上先生长n型ⅲ族氮化物，再生长量子阱结构，再生长p型ⅲ族氮化物，使得传统led制作流程繁琐，工艺周期长。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于c面al2o3衬底的c面ⅲ族氮化物的发光二极管，以简化器件结构和制作流程，缩短工艺周期。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

1.一种基于c面al2o3衬底的c面ⅲ族氮化物的发光二极管，包括：c面al2o3衬底层、aln成核层、发光层和电极，其特征在于：aln成核层由ⅴ/ⅲ比为15000-23000的高aln圆环和ⅴ/ⅲ比为800-1200的低aln圆环相间组成，发光层为一层c面ⅲ族氮化物层，该ⅲ族氮化物层由n面圆环和金属面圆环相间组成。

上述薄膜，其特征在于：所述的aln成核层的厚度为20-40nm，且高aln圆环与低aln圆环的环宽均为5-50nm，两者之间的间距为5-50nm。

上述薄膜，其特征在于：所述的c面ⅲ族氮化物薄膜的厚度为700-2000nm。

上述薄膜，其特征在于：所述的n面圆环和金属面圆环的环宽均为5-50nm，两者之间的间距为5-50nm。

上述薄膜，其特征在于：c面ⅲ族氮化物层，采用gan，aln和algan中的任意一种。

2.一种基于c面al2o3衬底的c面ⅲ族氮化物的发光二极管的制备方法，包括：

1)热处理：

将c面al2o3衬底置于金属有机化学气相淀积mocvd反应室中，将反应室的真空度降低到小于2×10^-2torr；再向反应室通入氢气，使mocvd反应室压力升为20-760torr，将衬底加热到温度为900-1200℃，并保持5-10min，完成对衬底基片的热处理；

2)生长sin掩膜层：

2a)采用mocvd工艺在反应室温度为950-1100℃的条件下，同时通入流量为3000-4000sccm的氨气和流量为10-20sccm的硅源，在热处理后的衬底上生长厚度为20-40nm的sin掩膜层；

2b)采用光刻工艺按照5-50nm的间距刻蚀掉部分sin掩膜层至al2o3衬底，形成数个环宽为5-50nm的sin圆环图形；

3)生长高aln圆环：

3a)采用mocvd工艺在反应室温度为1000-1100℃的条件下通入流量为3000-4000sccm的氨气，持续3-5min进行氮化；

3b)将反应室温度降为950-1100℃，同时通入流量为3000-4000sccm的氨气和流量为10-20sccm的铝源，即ⅴ/ⅲ比为15000-23000，在al2o3衬底上生长厚度为20-40nm的高aln圆环，高aln圆环的环宽为5-50nm；

4)生长sin掩膜层：

4a)采用mocvd工艺保持反应室温度为950-1100℃，同时通入流量为3000-4000sccm的氨气和流量为10-20sccm的硅源，在2)中的sin掩膜层以及高aln圆环上生长厚度为20-40nm的sin掩膜层；

4b)采用光刻工艺按照5-50nm的间距刻蚀掉部分sin掩膜层至al2o3衬底，形成数个环宽为5-50nm的sin圆环图形，刻蚀形状和位置与2)中未刻蚀部分相同；

5)生长低aln圆环：

5a)采用mocvd工艺在反应室温度为1000-1100℃的条件下通入流量为300-400sccm的氨气，持续3-5min进行氮化；

5b)将反应室温度降为950-1100℃，同时通入流量为300-400sccm的氨气和流量为20-40sccm的铝源，即ⅴ/ⅲ比为800-1200，在al2o3衬底上生长环宽为5-50nm的低aln圆环，其厚度与3)中高aln圆环厚度相同；

5c)采用光刻工艺去除sin掩膜；

6)生长n型c面ⅲ族氮化物层：

在aln成核层上采用mocvd工艺生长厚度为700-2000nm的n型c面ⅲ族氮化物层，再采用光刻工艺刻蚀掉部分n型ⅲ族氮化物层至aln成核层；

7)生长p型c面ⅲ族氮化物层：

在n型ⅲ族氮化物层被刻蚀掉的地方采用mocvd工艺生长厚度为700-2000nm的p型c面ⅲ族氮化物层；再将反应室温度降为850℃，在h2气氛下退火；

8)沉积电极：

采用金属溅射的方法分别在n型ⅲ族氮化物层上沉积n型电极，在p型ⅲ族氮化物层沉积p型电极，完成器件制作。

本发明具有如下优点：

1.本发明由于利用圆环的结构增加了n面ⅲ族氮化物与金属面ⅲ族氮化物的交界面，从而增加了反型畴的密度；同时由于利用一层包含n面圆环和金属面圆环的c面ⅲ族氮化物层代替传统led的量子阱结构发光，简化了器件结构。

2.本发明的发光层由于只需生长一层由n面圆环和金属面圆环相间组成c面ⅲ族氮化物层，相比传统led的发光层需要生长多层ⅲ族氮化物层作为量子阱的阱层和垒层，减少了工艺流程。

3.本发明由于器件简化了结构，因而减少了工艺流程，缩短了制作周期。

附图说明

图1是本发明器件的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明制备图1器件的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1，本发明的器件结构包括：c面al2o3衬底层、aln成核层、c面ⅲ族氮化物层和电极。该aln成核层位于c面al2o3衬底层之上，该aln成核层由ⅴ/ⅲ比为15000-23000的高aln圆环和ⅴ/ⅲ比为800-1200的低aln圆环相间组成，该aln成核层的厚度为20-40nm，该高aln圆环和低aln圆环的环宽均为5-50nm；该c面ⅲ族氮化物层位于aln成核层之上，该ⅲ族氮化物层包括n型ⅲ族氮化物层和p型ⅲ族氮化物层，其中，n型ⅲ族氮化物层和p型ⅲ族氮化物层的厚度均为700-2000nm，p型ⅲ族氮化物层位于n型ⅲ族氮化物层的右边，该n型ⅲ族氮化物层由n型n面圆环和n型金属面圆环相间组成，该n型n面圆环和n型金属面圆环的环宽均为5-50nm，该p型ⅲ族氮化物层由p型n面圆环和p型金属面圆环相间组成，该p型n面圆环和p型金属面圆环的环宽均为5-50nm；电极包括n型电极和p型电极，分别位于n型ⅲ族氮化物层和p型ⅲ族氮化物层之上。

该c面ⅲ族氮化物层，采用gan或aln或algan材料作为发光源，发不同颜色的光，当采用gan时，发光层发紫外光；当采用aln时，发光层发极紫外光；当采用algan时，发光层发深紫外光。

参照图2，所述c面ⅲ族氮化物层包括n型n面圆环、n型金属面圆环、p型n面圆环和p型金属面圆环，圆环环宽均相同；

参照图3，本发明给出制备基于c面al2o3衬底的c面ⅲ族氮化物的发光二极管的三种实施例。

实施例1，制备一种基于c面al2o3衬底的c面gan的紫外发光二极管。

步骤1，热处理。

将c面al2o3衬底置于金属有机化学气相淀积mocvd反应室中，将反应室的真空度降低到小于2×10^-2torr；再向反应室通入氢气，使mocvd反应室压力升为20torr，将衬底加热到900℃，维持5min，完成对衬底的热处理。

步骤2，生长sin掩膜层。

2a)采用mocvd工艺将反应室温度设为950℃，压力设为20torr，同时通入流量为3000sccm的氨气和流量为10sccm的硅源，在热处理后的衬底上生长厚度为20nm的sin掩膜层；

2b)采用光刻工艺按照5nm的间距刻蚀刻蚀掉部分sin掩膜层至al2o3衬底，形成数个环宽为5nm的sin圆环图形；

步骤3，生长高aln圆环。

3a)采用mocvd工艺将反应室温度升为1000℃，通入流量为3000sccm的氨气，持续3min对al2o3衬底进行氮化处理；

3b)采用mocvd工艺将反应室温度降为950℃，保持压力为20torr，同时通入流量为3000sccm的氨气和流量为10sccm的铝源，即ⅴ/ⅲ比为23000，在al2o3衬底上生长厚度为20nm的高aln圆环，高aln圆环的环宽为5nm。

步骤4，生长sin掩膜层。

4a)保持反应室温度为950℃，压力为20torr，同时通入流量为3000sccm的氨气和流量为10sccm的硅源，采用mocvd工艺在步骤2中的sin掩膜层和高aln圆环上生长厚度为20nm的sin掩膜层；

4b)采用光刻工艺按照5nm的环宽间距刻蚀刻蚀掉部分sin掩膜层至al2o3衬底，形成数个环宽为5nm的sin圆环图形，刻蚀形状和位置与步骤2中未刻蚀部分相同。

步骤5，生长低aln圆环。

5a)采用mocvd工艺将反应室温度升为1000℃，通入流量为300sccm的氨气，对al2o3衬底进行3min的氮化处理；

5b)将反应室温度降为950℃，保持压力为20torr，同时通入流量为300sccm的氨气和流量为20sccm的铝源，即ⅴ/ⅲ比为1200，再采用mocvd工艺在al2o3衬底上生长厚度为20nm的低aln圆环，低aln圆环的环宽为5nm；

5c)采用光刻工艺去除sin掩膜。

步骤6，生长n型c面gan层。

6a)保持反应室温度为950℃、压力为20torr，同时通入流量为2500sccm的氨气，流量为150sccm的镓源和流量为10sccm的硅源，再采用mocvd工艺在aln成核层上生长厚度为700nm的n型c面gan层；

6b)采用光刻工艺刻蚀掉部分n型gan层至aln成核层。

步骤7，生长p型c面gan层。

采用mocvd工艺保持反应室温度为950℃，压力为20torr，同时通入氨气、镓源和镁源，在n型gan层被刻蚀掉的地方生长厚度为700nm的p型c面gan层，其中，氨气的流量为2500sccm，镓源的流量为150sccm，镁源的流量为100sccm；再将反应室温度维持为850℃，在h2气氛下，退火10min。

步骤8，沉积电极。

采用金属溅射的方法分别在n型gan层上沉积n型电极，在p型gan层沉积p型电极，完成对紫外led器件的制作。

实施例2，制备发光波长为200nm的基于c面al2o3衬底的c面aln的极紫外发光二极管。

步骤一，热处理。

将c面al2o3衬底置于金属有机化学气相淀积mocvd反应室中，将反应室的真空度降低到小于2×10^-2torr；再向反应室通入氢气，使mocvd反应室压力升为200torr，将衬底加热到1000℃，对衬底进行7min的热处理。

步骤二，生长sin掩膜层。

2.1)采用mocvd工艺控制反应室温度为1000℃、压力为200torr，同时通入流量为3500sccm的氨气和流量为15sccm的硅源，在热处理后的衬底上生长厚度为30nm的sin掩膜层；

2.2)采用光刻工艺按照20nm的环宽间距刻蚀刻蚀掉部分sin掩膜层至al2o3衬底，形成数个环宽为20nm的sin圆环图形；

步骤三，生长高aln圆环。

3.1)采用mocvd工艺将反应室温度升为1050℃，通入流量为3500sccm的氨气，持续4min对al2o3衬底进行氮化处理；

3.2)在反应室温度降为1000℃、压力为200torr的条件下，同时通入流量为3500sccm的氨气和流量为15sccm的铝源，即ⅴ/ⅲ比为18000，采用mocvd工艺在al2o3衬底上生长厚度为30nm的高aln圆环，高aln圆环的环宽为20nm。

步骤四，生长sin掩膜层。

4.1)采用mocvd工艺保持反应室温度为1000℃，压力为200torr，同时通入流量为3500sccm的氨气和流量为15sccm的硅源，在步骤二中的sin掩膜层以及高aln圆环上生长厚度为30nm的sin掩膜层；

4.2)采用光刻工艺按照20nm的环宽间距刻蚀刻蚀掉部分sin掩膜层至al2o3衬底，形成数个环宽为20nm的sin圆环图形，刻蚀形状和位置与步骤二中未刻蚀部分相同；

步骤五，生长低aln圆环。

5.1)采用mocvd工艺将反应室温度升为1050℃，通入流量为350sccm的氨气，持续4min，对al2o3衬底进行氮化处理；

5.2)将反应室温度降为1000℃，反应室压力保持200torr，同时通入流量为350sccm的氨气和流量为30sccm的铝源，即ⅴ/ⅲ比为900，采用mocvd工艺在al2o3衬底上生长厚度为30nm的低aln圆环，低aln圆环的环宽为20nm；

5.3)采用光刻工艺去掉sin掩膜。

步骤六，生长n型c面aln层。

6.1)保持反应室温度为1000℃，压力为200torr，同时通入流量为3000sccm的氨气，流量为200sccm的铝源和流量为15sccm的硅源，采用mocvd工艺在aln成核层上生长厚度为1000nm的n型c面aln层；

6.2)采用光刻工艺刻蚀掉部分n型aln层至aln成核层。

步骤七，生长p型c面aln层。

采用mocvd工艺维持反应室温度为1000℃、压力为200tor，同时通入氨气、铝源和镁源，在n型aln层被刻蚀掉的地方生长厚度为1000nm的p型c面aln层，其中氨气的流量为3000sccm，铝源的流量为200sccm，镁源的流量为150sccm；再将反应室温度降为850℃，在h2气氛下，退火10min。

步骤八，沉积电极。

采用金属溅射的方法分别在n型aln层上沉积n型电极，在p型aln层沉积p型电极，完成极紫外led器件的制作。

实施例3，制备发光波长为280nm的基于c面al2o3衬底的c面al0.43ga0.57n的深紫外发光二极管。

步骤a，热处理。

将c面al2o3衬底置于金属有机化学气相淀积mocvd反应室中，将反应室的真空度降低到小于2×10^-2torr；再向反应室通入氢气，使mocvd反应室压力升到760torr，将衬底温度加热到1200℃，对衬底进行10min的热处理。

步骤b，生长sin掩膜层。

b1)将反应室温度降为1100℃，维持反应室压力为760torr，同时通入流量为4000sccm的氨气和流量为20sccm的硅源，采用mocvd工艺在al2o3衬底上生长厚度为40nm的sin掩膜层；

b2)采用光刻工艺按照50nm的环宽间距刻蚀刻蚀掉部分sin掩膜层至al2o3衬底，形成数个环宽为50nm的sin圆环图形；

步骤c，生长高aln圆环。

c1)采用mocvd工艺将反应室温度升为1100℃，通入流量为4000sccm的氨气，对al2o3衬底进行5min的氮化处理；

c2)维持反应室温度为1100℃、压力为760torr，同时通入流量为4000sccm的氨气和流量为20sccm的铝源，即ⅴ/ⅲ比为15000，采用mocvd工艺在al2o3衬底上生长厚度为40nm的高aln圆环，高aln圆环的环宽为50nm。

步骤d，生长sin掩膜层。

d1)采用mocvd工艺保持反应室温度为1100℃，保持压力为760torr，同时通入流量为4000sccm的氨气和流量为20sccm的硅源，在步骤b中的sin掩膜层以及高aln圆环上生长厚度为40nm的sin掩膜层；

d2)采用光刻工艺按照50nm的环宽间距刻蚀刻蚀掉部分sin掩膜层至al2o3衬底，形成数个环宽为50nm的sin圆环图形，刻蚀形状和位置与步骤b中未刻蚀部分相同；

步骤e，生长低aln圆环。

e1)采用mocvd工艺将反应室温度升为1100℃，通入流量为400sccm的氨气，持续5min，对al2o3衬底进行氮化处理；

e2)维持反应室温度为1100℃、反应室压力为760torr，同时通入流量为400sccm的氨气和流量为40sccm的铝源，即ⅴ/ⅲ比为800，采用mocvd工艺在al2o3衬底上生长厚度为40nm的低aln圆环，低aln圆环的环宽为50nm；

e3)采用光刻工艺去掉sin掩膜。

步骤f，生长n型c面algan层。

f1)保持反应室温度为1100℃，压力为760torr，同时通入氨气、铝源、镓源和硅源，采用mocvd工艺在aln成核层上生长厚度为2000nm的n型c面algan层，其中氨气的流量为3500sccm，铝源的流量为250sccm，镓源的流量为250sccm，硅源的流量为20sccm；

f2)采用光刻工艺刻蚀掉部分n型algan层至aln成核层。

步骤g，生长p型c面algan层。

采用mocvd工艺在反应室温度为1100℃，压力为760torr的的条件下，同时通入氨气、铝源、镓源和镁源，在n型algan层被刻蚀掉的地方生长厚度为2000nm的p型c面aln层，其中氨气的流量为3500sccm，铝源的流量为250sccm，镓源的流量为250sccm，镁源的流量为180sccm；再将反应室温度降为850℃，在h2气氛下，退火10min。

步骤h，沉积电极。

采用金属溅射的方法分别在n型algan层上沉积n型电极，在p型algan层沉积p型电极，完成深紫外led器件的制作。

以上描述仅是本发明的三个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明的原理、结构的情况下，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思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。