基于c面Al2O3衬底的N面Ⅲ族氮化物的发光二极管的制作方法

本发明属于微电子器件技术领域，特别涉及一种基于c面al2o3衬底的n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。有人说白炽灯照亮了20世纪，led则会照亮21世纪。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，由于在n面极性的ⅲ族氮化物薄膜内，本身存在着一定密度的反型畴，故可以用n面极性ⅲ族氮化物薄膜制作新型的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。利用上述理论，可以用mocvd技术生长得到n面ⅲ族氮化物薄膜，用于制作新型的无量子阱结构的led。

目前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，而量子阱结构，如ingan/gan量子阱，需要生长多层薄膜，生长步骤繁多，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n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。

本发明的技术思路是：利用反型畴具有良好发光特性的特点，来替代量子阱发光，利用包含有反型畴的n面ⅲ族氮化物制作不包含量子阱结构的led，其实现方案如下：

1.一种基于c面al2o3衬底的n面ⅲ族氮化物的发光二极管，自下而上包括：c面al2o3衬底层、高温aln成核层、发光层和电极，其特征在于：发光层为一层n面ⅲ族氮化物层。

上述薄膜，其特征在于：所述的高温aln成核层的厚度为20-50nm。

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

上述薄膜，其特征在于：n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n面ⅲ族氮化物的发光二极管的制备方法，包括如下步骤：

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，在mocvd反应室压力达到为20-760torr条件下，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)高温氮化：

将热处理后的衬底置于温度为1000-1100℃的反应室，通入流量为3000-4000sccm的氨气，持续3-5min进行氮化；

3)生长高温aln成核层：

在氮化后的衬底上采用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20-40sccm的铝源，生长厚度为20-50nm的高温aln成核层；

4)生长n面n型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面n型ⅲ族氮化物层，再采用光刻工艺刻蚀掉部分n型ⅲ族氮化物层至高温aln成核层；

5)生长n面p型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n面p型ⅲ族氮化物层，之后将反应室温度维持为850℃，在h2气氛下，退火10min；

6)沉积电极；

采用溅射金属的方法分别在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.传统led的发光层为量子阱结构，需要生长多层ⅲ族氮化物薄膜，本发明的led发光层为一层n面ⅲ族氮化物层，利用n面ⅲ族氮化物薄膜内的反型畴发光，即本发明利用反型畴代替量子阱结构发光，简化了器件结构。

2.本发明由于结构简单，因而减小了工艺流程，缩短了制作周期。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明结构的生长过程示意图。

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、高温aln成核层、n面ⅲ族氮化物层和电极。该高温aln成核层位于c面al2o3衬底层之上，其厚度为20-50nm；该n面ⅲ族氮化物层位于高温aln成核层之上，其厚度为700-2000nm；该n面ⅲ族氮化物层包括n面n型ⅲ族氮化物层和n面p型ⅲ族氮化物层，其中，n面p型ⅲ族氮化物层位于n面n型ⅲ族氮化物层的右边；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n面ⅲ族氮化物层，采用gan或aln或algan材料，用于作为发光层，发不同颜色的光。

参照图2，本发明给出制备基于c面al2o3衬底的n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n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反应室压力为20torr，将衬底加热到温度为900℃，对衬底基片进行5min的热处理。

步骤2，高温氮化。

将热处理后的衬底置于温度为1000℃的反应室，通入流量为3000sccm的氨气，持续3min进行氮化。

步骤3，生长高温aln成核层，如图2(a)。

在氮化后的衬底上采用mocvd工艺在反应室温度为950℃的条件下，同时通入流量为3000sccm的氨气和流量为20sccm的铝源，在保持压力为20torr的条件下生长厚度为20nm的高温aln成核层。

步骤4，生长n面n型gan层。

4a)在aln成核层上采用mocvd工艺在反应室温度为950℃的条件下，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，在保持压力为20torr的条件下生长厚度为700nm的n面n型gan层，如图2(b)；

4b)采用光刻工艺刻蚀掉部分n型gan层至高温aln成核层，如图2(c)。

步骤5，生长n面p型gan层，如图2(d)。

在n型gan层被刻蚀掉的地方采用mocvd工艺在反应室温度为950℃的条件下，同时通入流量为2500sccm的氨气，流量为150sccm的镓源和流量为100sccm的镁源，在保持压力为20torr的条件下生长厚度为700nm的n面p型gan层，之后将反应室温度维持为850℃，在h2气氛下，退火10min。

步骤6，沉积电极，如图2(e)。

采用溅射金属的方法分别在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n面aln的极紫外发光二极管led。

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反应室压力为200torr，将衬底加热到温度为1000℃，对衬底基片进行7min的热处理。

步骤二，高温氮化。

将热处理后的衬底置于温度为1050℃的反应室，通入流量为3500sccm的氨气，持续4min进行氮化。

步骤三，生长高温aln成核层，如图2(a)。

在氮化后的衬底上采用mocvd工艺在反应室温度为1050℃的条件下，同时通入流量为3500sccm的氨气和流量为30sccm的铝源，在保持压力为200torr的条件下生长厚度为40nm的高温aln成核层。

步骤四，生长n面n型aln层。

4.1)在aln成核层上采用mocvd工艺在反应室温度为1050℃的条件下，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，在保持压力为200torr的条件下生长厚度为1200nm的n面n型aln层，如图2(b)；

4.2)再采用光刻工艺刻蚀掉部分n型aln层至高温aln成核层，如图2(c)。

步骤五，生长n面p型aln层，如图2(d)。

在n型aln层被刻蚀掉的地方采用mocvd工艺在反应室温度为1050℃的条件下，同时通入流量为3000sccm的氨气，流量为200sccm的铝源和流量为150sccm的镁源，在保持压力为200torr的条件下生长厚度为1200nm的n面p型aln层，之后将反应室温度维持为850℃，在h2气氛下，退火10min。

步骤六，沉积电极，如图2(e)。

采用溅射金属的方法分别在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n面al0.43ga0.57n的深紫外发光二极管。

步骤a，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反应室压力为760torr，将衬底加热到温度为1200℃，对衬底基片进行10min的热处理。

步骤b，将热处理后的衬底置于温度为1100℃的反应室，通入流量为4000sccm的氨气，持续5min进行氮化，完成高温氮化。

步骤c，在氮化后的衬底上采用mocvd工艺在反应室温度为1100℃的条件下，同时通入流量为4000sccm的氨气和流量为40sccm的铝源，在保持压力为760torr的条件下生长厚度为50nm的高温aln成核层，如图2(a)。

步骤d，在aln成核层上采用mocvd工艺在反应室温度为1100℃的条件下，同时通入流量为3500sccm的氨气，流量为250sccm的铝源，流量为250sccm的镓源和流量为20sccm的硅源，在保持压力为760torr的条件下生长厚度为2000nm的n面n型al0.43ga0.57n层，如图2(b)；再采用光刻工艺刻蚀掉部分n型algan层至高温aln成核层，如图2(c)。

步骤e，在n型aln层被刻蚀掉的地方采用mocvd工艺在反应室温度为1100℃的条件下，同时通入流量为3500sccm的氨气，流量为250sccm的铝源，流量为250sccm的镓源和流量为180sccm的镁源，在保持压力为760torr的条件下生长厚度为2000nm的n面p型al0.43ga0.57n层；之后将反应室温度维持为850℃，在h2气氛下，退火10min，如图2(d)。

步骤f，采用溅射金属的方法分别在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，如图2(e)。

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。