[发明专利]基于Si衬底上黄光LED材料及其制作方法

说明书

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 strain modulation 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