基于r面Al2O3襯底的a面Ⅲ族氮化物的發光二極管的制作方法

本發明屬于微電子器件領域，特別涉及一種基于r面al2o3襯底的a面ⅲ族氮化物的發光二極管，可用于照明，顯示屏和背光源的各種光學應用。

技術背景

發光二極管led由于其效率高，壽命長，節能環保等優點，使得led照明飛速發展。有人說白熾燈照亮了20世紀，led則會照亮21世紀。氮化物作為直接帶隙半導體，同時具有較大的禁帶寬度，通過調節材料中各組分的比例禁帶寬度可以在0.7ev到6.2ev之間變化，覆蓋了從紅外到極紫外的波段范圍，在led應用中獲得了廣泛使用。其中，ⅲ族氮化物半導體材料是最常用的制備led的材料，如aln基、gan基、inn基等半導體材料。纖鋅礦結構的ⅲ族氮化物半導體材料通常有一個平行于晶胞的c軸(0001)方向的極性軸，由于沿著極性軸方向不存在中心反轉對稱性，因此由極性方向的不同可分為n面ⅲ族氮化物材料和金屬面ⅲ族氮化物材料。n面ⅲ族氮化物和金屬面ⅲ族氮化物的交界處，稱為反型疇idb。

p.j.schuck等人在2001年研究了gan內反型疇的光學特性，即反型疇的發光強度超過體gan面區域一個數量級，據此，該研究認為反型疇可以看做是一個高效輻射復合中心，理論上可以將反型疇看做量子阱，且具有一定密度的反型疇的gan薄膜，可以用于制作led而不需要生長量子阱結構，這樣大大減少了工藝步驟。基于上述結論，具有一定密度的反型疇的ⅲ族氮化物薄膜，可以制作發光顏色不同的led。

金屬有機化合物化學氣相沉淀mocvd技術是目前使用最多的ⅲ族氮化物半導體外延技術。通過mocvd工藝在r面al2o3襯底上可以外延生長非極性a面ⅲ族氮化物薄膜。在生長a面ⅲ族氮化物時，通常采用橫向外延過生長elog技術，即在襯底上預先淀積一層掩膜層，然后生長ⅲ族氮化物，ⅲ族氮化物最開始從窗口區向上生長，在窗口區長滿后接著橫向生長，最后在掩膜區合并。使用sin做掩膜層生長a面ⅲ族氮化物時，相鄰窗口區之間的掩膜區上面合并的ⅲ族氮化物，由于其左右兩面極性不同，因而在左右兩面合并處會產生反型疇。利用上述理論，可以用mocvd技術生長得到包含反型疇的a面ⅲ族氮化物薄膜，用于制作新型的無量子阱結構的led。

目前傳統led器件的發光依靠阱層/壘層量子阱結構內的載流子輻射復合，其結構自下而上包括襯底層、成核層、n型ⅲ族氮化物層、量子阱層和p型ⅲ族氮化物層，其中量子阱層包括多層ⅲ族氮化物阱層和ⅲ族氮化物壘層，其結構十分復雜，且制作過程需要在襯底上先生長n型ⅲ族氮化物，再生長量子阱結構，再生長p型ⅲ族氮化物，使得傳統led制作流程繁瑣，工藝周期長。

技術實現要素：

本發明的目的在于針對上述現有技術的不足，提出一種基于r面al2o3襯底的a面ⅲ族氮化物的發光二極管，以簡化器件結構和制作流程，縮短工藝周期。

本發明的技術思路是：生長a面ⅲ族氮化物時，在襯底上預先淀積一層掩膜層，然后生長ⅲ族氮化物，可以得到包含反型疇的a面ⅲ族氮化物薄膜，將sin掩膜層的窗口區設計為條紋形狀，改變條紋的寬度和間距，從而得到不同密度的反型疇的ⅲ族氮化物薄膜，利用反型疇具有良好發光特性的特點，來替代量子阱發光，利用具有反型疇的a面ⅲ族氮化物制作不包含量子阱結構的led，其實現方案如下：

1.一種基于r面al2o3襯底的a面ⅲ族氮化物的發光二極管，自下而上包括：r面al2o3襯底層、aln成核層、發光層和電極，其特征在于：在aln成核層與發光層之間設有sin掩膜層，該sin掩膜層的表面設有通過光刻工藝形成的數根條紋；aln成核層包括一層溫度為750-900℃的低溫aln成核層和溫度為950-1100℃的高溫aln成核層；發光層為一層a面ⅲ族氮化物層。

上述薄膜，其特征在于：所述的sin掩膜層的厚度為20-50nm，sin掩膜層表面的每一根條紋寬度均為5-50nm，條紋間距為5-50nm。

上述薄膜，其特征在于：所述的高溫aln成核層位于低溫aln成核層之上，每一層的厚度均為20-50nm。

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

上述薄膜，其特征在于：a面ⅲ族氮化物層，采用gan或aln或algan。

2.一種基于r面al2o3襯底的a面ⅲ族氮化物的發光二極管的制備方法，包括如下步驟：

1)將r面al2o3襯底置于金屬有機化學氣相淀積mocvd反應室中，將反應室的真空度降低到小于2×10^-2torr；再向反應室通入氫氣，在mocvd反應室壓力達到為20-760torr條件下，將襯底加熱到溫度為900-1200℃，并保持5-10min，完成對襯底基片的熱處理；

2)將熱處理后的襯底基片置于溫度為1000-1100℃的反應室，通入流量為3000-4000sccm的氨氣，持續3-5min進行氮化；

3)在氮化后的襯底上采用mocvd工藝在反應室溫度降為750-900℃的條件下，同時通入流量為3000-4000sccm的氨氣和流量為20-40sccm的鋁源，生長厚度為20-50nm的低溫aln成核層；再將溫度升到950-1100℃，在低溫aln成核層上生長厚度為20-50nm的高溫aln成核層；

4)在高溫aln成核層上采用mocvd工藝生長厚度為20-50nm的sin掩膜層，再采用光刻工藝按照5-50nm的間距刻蝕掉部分sin掩膜層至高溫aln成核層，形成數根寬度為5-50nm的sin條紋圖形；

5)在sin條紋圖形和高溫aln成核層上采用mocvd工藝生長厚度為700-2000nm的n型a面ⅲ族氮化物層，再采用光刻工藝刻蝕掉部分n型ⅲ族氮化物層至高溫aln成核層；

6)在n型ⅲ族氮化物層被刻蝕掉的地方采用mocvd工藝生長厚度為700-2000nm的p型a面ⅲ族氮化物層，之后將反應室溫度維持為850℃，在h2氣氛下退火；

7)采用濺射金屬的方法分別在n型ⅲ族氮化物層上沉積n型歐姆接觸電極，在p型ⅲ族氮化物層沉積p型歐姆接觸電極，完成發光二極管器件的制作。

本發明具有如下優點：

1.器件結構簡單

傳統led的發光層為量子阱結構，量子阱層包括多層ⅲ族氮化物阱層和ⅲ族氮化物壘層，其結構十分復雜，本發明的led發光層為一層a面ⅲ族氮化物層，簡化了器件結構。

2.工藝流程少

傳統led的量子阱需要生長多層ⅲ族氮化物層，本發明利用a面ⅲ族氮化物薄膜內的反型疇發光，發光層只需要生長一層a面ⅲ族氮化物層，減少了工藝流程。

3.制作周期短

本發明由于結構簡單，因而減少了工藝流程，縮短了制作周期。

附圖說明

圖1是本發明的led器件結構示意圖；

圖2是本發明制作led器件的流程示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明做進一步說明。

參照圖1，本發明的器件結構自下而上包括：r面al2o3襯底層、aln成核層、sin掩膜層、a面ⅲ族氮化物層和電極。該aln成核層位于r面al2o3襯底層之上，其包括一層溫度為750-900℃的低溫aln成核層和溫度為950-1100℃的高溫aln成核層，高溫aln成核層位于低溫aln成核層之上，每一層的厚度均為20-50nm；該sin掩膜層位于高溫aln成核層之上，表面設有通過光刻工藝形成的數根條紋，每一根條紋寬度均為5-50nm，條紋間距為5-50nm，該sin掩膜層的厚度為40-60nm；該a面ⅲ族氮化物層位于sin掩膜層之上，其厚度為700-2000nm；該a面ⅲ族氮化物層包括n型a面ⅲ族氮化物層和p型a面ⅲ族氮化物層，其中，p型a面ⅲ族氮化物層位于n型a面ⅲ族氮化物層的右邊；電極包括n型電極和p型電極，分別位于n型ⅲ族氮化物層和p型ⅲ族氮化物層之上。

該a面ⅲ族氮化物層，采用gan或aln或algan材料，用于作為發光層，發不同顏色的光，當采用gan時，led發紫外光，采用aln時，led發極紫外光，采用algan時，led發深紫外光。

參照圖2，本發明給出制備基于r面al2o3襯底的a面ⅲ族氮化物的發光二極管的三種實施例。

實施例1，制備一種基于r面al2o3襯底的a面gan的紫外發光二極管。

步驟1，熱處理。

將r面al2o3襯底置于金屬有機化學氣相淀積mocvd反應室中，將反應室的真空度降低到小于2×10^-2torr；再向反應室通入氫氣，使mocvd反應室壓力為20torr，將襯底加熱到溫度為900℃，對襯底基片進行5min的熱處理。

步驟2，高溫氮化。

將熱處理后的襯底置于溫度為1000℃的反應室，通入流量為3000sccm的氨氣，持續3min進行氮化。

步驟3，生長aln成核層，如圖2(a)。

在氮化后的襯底上采用mocvd工藝在反應室溫度為750℃的條件下，同時通入流量為3000sccm的氨氣和流量為20sccm的鋁源，在保持壓力為20torr的條件下生長厚度為20nm的低溫aln成核層，再將溫度升到950℃，在低溫aln成核層生長厚度為20nm的高溫aln成核層。

步驟4，生長sin掩膜層。

4a)在高溫aln成核層上采用mocvd工藝在反應室溫度為950℃的條件下，同時通入流量為3000sccm的氨氣和流量為10sccm的硅源，在保持壓力為20torr的條件下生長厚度為20nm的sin掩膜層，如圖2(b)；

4b)在sin掩膜層上采用光刻工藝按照5nm的間距刻蝕掉部分sin掩膜層至高溫aln成核層，形成數根寬度為5nm的sin條紋圖形，如圖2(c)。

步驟5，生長n型a面gan層。

5a)在sin條紋圖形和高溫aln成核層上采用mocvd工藝在反應室溫度為950℃的條件下，同時通入流量為2500sccm的氨氣，流量為150sccm的鎵源和流量為10sccm的硅源，在保持壓力為20torr的條件下生長厚度為700nm的n型a面gan層，如圖2(d)；

5b)在n型a面gan層上采用光刻工藝刻蝕掉部分n型gan層至高溫aln成核層，如圖2(e)。

步驟6，生長p型a面gan層，如圖2(f)。

在n型gan層被刻蝕掉的地方采用mocvd工藝在反應室溫度為950℃的條件下，同時通入流量為2500sccm的氨氣，流量為150sccm的鎵源和流量為100sccm的鎂源，在保持壓力為20torr的條件下生長厚度為700nm的p型a面gan層，之后將反應室溫度維持為850℃，再在h2氣氛下退火10min。

步驟7，沉積電極，如圖2(g)。

采用濺射金屬的方法在分別在n型gan層上沉積n型歐姆接觸電極，在p型gan層沉積p型歐姆接觸電極，完成對紫外led器件的制作。

實施例2，制備發光波長為200nm的基于r面al2o3襯底的a面aln的極紫外發光二極管led。

步驟一，熱處理。

將r面al2o3襯底置于金屬有機化學氣相淀積mocvd反應室中，將反應室的真空度降低到小于2×10^-2torr；再向反應室通入氫氣，使mocvd反應室壓力為200torr，將襯底加熱到溫度為1000℃，對襯底基片進行7min的熱處理。

步驟二，高溫氮化。

將熱處理后的襯底置于溫度為1050℃的反應室，通入流量為3500sccm的氨氣，持續4min進行氮化。

步驟三，生長aln成核層，如圖2(a)。

在氮化后的襯底上采用mocvd工藝在反應室溫度為800℃的條件下，同時通入流量為3500sccm的氨氣和流量為30sccm的鋁源，在保持壓力為200torr的條件下生長厚度為30nm的低溫aln成核層，再將溫度升到1000℃，在低溫aln成核層生長厚度為30nm的高溫aln成核層。

步驟四，生長sin掩膜層。

4.1)在高溫aln成核層上采用mocvd工藝在反應室溫度為1000℃的條件下，同時通入流量為3500sccm的氨氣和流量為15sccm的硅源，在保持壓力為200torr的條件下生長厚度為30nm的sin掩膜層，如圖2(b)；

4.2)在sin掩膜層上采用光刻工藝按照20nm的間距刻蝕掉部分sin掩膜層至高溫aln成核層，形成數根寬度為20nm的sin條紋圖形，如圖2(c)。

步驟五，生長n型a面aln層。

5.1)在sin條紋圖形和高溫aln成核層上采用mocvd工藝在反應室溫度為1050℃的條件下，同時通入氨氣、鋁源和硅源，在保持壓力為200torr的條件下生長厚度為1200nm的n型a面aln層，其中氨氣的流量為3000sccm，鋁源的流量為200sccm，硅源的流量為15sccm，如圖2(d)；

5.2)在n型a面aln層上采用光刻工藝刻蝕掉部分n型aln層至高溫aln成核層，如圖2(e)。

步驟六，生長p型a面aln層，如圖2(f)。

6.1)在n型aln層被刻蝕掉的地方采用mocvd工藝，控制反應室溫度為1050℃，同時通入氨氣、鋁源和鎂源，控制反應室壓力為200torr，生長厚度為1200nm的p型a面aln層，其中氨氣的流量為3000sccm，鋁源的流量為200sccm，鎂源的流量為150sccm；

6.2)將反應室的溫度維持為850℃，壓力維持為200torr，在h2氣氛下退火15min。

步驟七，沉積電極，如圖2(g)。

采用濺射金屬的方法分別在n型aln層上沉積n型歐姆接觸電極，在p型aln層上沉積p型歐姆接觸電極，完成極紫外led器件的制作。

實施例3，制備發光波長為280nm的基于r面al2o3襯底的a面al0.43ga0.57n的深紫外發光二極管。

步驟a，熱處理。

將r面al2o3襯底置于金屬有機化學氣相淀積mocvd反應室中，將反應室的真空度降低到小于2×10^-2torr；再向反應室通入氫氣，控制mocvd反應室壓力為760torr，將襯底加熱到溫度為1200℃，對襯底基片進行10min的熱處理。

步驟b，高溫氮化。

將熱處理后的襯底置于溫度為1100℃的反應室，通入流量為4000sccm的氨氣，持續5min進行氮化，完成高溫氮化。

步驟c，生長aln成核層，如圖2(a)。

c1)在氮化后的襯底上采用mocvd工藝在反應室溫度降為900℃的條件下，同時通入氨氣和鋁源，其中氨氣的流量為4000sccm，鋁源的流量為40sccm，在保持壓力為760torr的條件下生長厚度為50nm的低溫aln成核層；

c2)在低溫aln成核層上采用mocvd工藝在反應室溫度升為1100℃的條件下，同時通入流量為4000sccm氨氣和流量為40sccm的鋁源，生長厚度為50nm的高溫aln成核層。

步驟d，生長sin掩膜層。

d1)在高溫aln成核層上采用mocvd工藝在反應室溫度為1100℃的條件下，同時通入流量為4000sccm的氨氣和流量為20sccm的硅源，控制反應室壓力為760torr，生長厚度為50nm的sin掩膜層，如圖2(b)；

d2)在sin掩膜層上采用光刻工藝按照50nm的間距刻蝕掉部分sin掩膜層至高溫aln成核層，形成數根寬度為50nm的sin條紋圖形，如圖2(c)。

步驟e，生長n型a面algan層。

e1)在sin條紋圖形和高溫aln成核層上采用mocvd工藝，在反應室溫度為1100℃，壓力為760torr的條件下，同時通入流量為3500sccm的氨氣，流量為250sccm的鋁源，流量為250sccm的鎵源和流量為20sccm的硅源，生長厚度為2000nm的n型a面al0.43ga0.57n層，如圖2(d)；

e2)在n型a面algan層上采用光刻工藝刻蝕掉部分n型algan層至高溫aln成核層，如圖2(e)。

步驟f，生長p型a面algan層，如圖2(f)。

在n型algan層被刻蝕掉的地方采用mocvd工藝在反應室溫度為1100℃的條件下，同時通入氨氣、鋁源、鎵源和鎂源，在反應室壓力為760torr的條件下生長厚度為2000nm的p型a面al0.43ga0.57n層，其中，氨氣流量為3500sccm，鋁源流量為250sccm，鎵源流量為250sccm，鎂源流量為180sccm，之后將反應室溫度維持為850℃，再在h2氣氛下退火15min。

步驟g，沉積電極，如圖2(g)。

采用濺射金屬的方法分別在n型algan層上沉積n型歐姆接觸電極，在p型algan層沉積p型歐姆接觸電極，完成深紫外led器件的制作。

以上描述僅是本發明的三個具體實例，不構成對本發明的任何限制，顯然對于本領域的專業人員來說，在了解本發明內容和原理后，都可能在不背離本發明的原理、結構的情況下，進行形式和細節上的各種修正和改變，但是這些基于本發明思想的修正和改變仍在本發明的權利要求保護范圍之內。