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一種自支撐GaN基發(fā)光器件及其制備方法

文檔序號(hào):6956351閱讀:165來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:一種自支撐GaN基發(fā)光器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種自支撐GaN基發(fā)光器件及其制備方法,屬于半導(dǎo)體發(fā)光器件技術(shù) 領(lǐng)域。
背景技術(shù)
以GaN為代表的寬禁帶III-V族氮化物半導(dǎo)體材料在短波長(zhǎng)發(fā)光器件、短波長(zhǎng)激 光器、光探測(cè)器以及高溫、高頻和大功率電子器件方面有著廣闊的應(yīng)用前景而備受關(guān)注,發(fā) 展十分迅速。典型的GaN基發(fā)光器件是由襯底、GaN緩沖層、η型GaN層、GaN基發(fā)光層、ρ 型GaN層構(gòu)成。其中GaN緩沖層、η型GaN層、GaN基發(fā)光層、ρ型GaN層又統(tǒng)稱為GaN基器 件薄膜材料。由于缺乏GaN體單晶襯底,目前商品化的GaN基發(fā)光器件都是生長(zhǎng)在Al2O3襯 底上或SiC襯底上。而Al2O3襯底與GaN的晶格失配很大,導(dǎo)致生長(zhǎng)的GaN晶體質(zhì)量不好。 同時(shí)Al2O3襯底具有差的導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能,大大影響高功率GaN基發(fā)光器件工作性能。 除Al2O3襯底外,目前用于GaN生長(zhǎng)襯底就是SiC,在市場(chǎng)上的占有率位居第二。由于SiC襯 底優(yōu)異的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能,不需要像Al2O3襯底上功率型GaN基發(fā)光器件采用倒裝焊技 術(shù)解決散熱問(wèn)題,而是采用上下電極結(jié)構(gòu),可以比較好地解決功率型GaN基發(fā)光器件的散 熱問(wèn)題,故在發(fā)展中的半導(dǎo)體照明技術(shù)領(lǐng)域占重要地位。但不足的是,SiC襯底價(jià)格昂貴, 機(jī)械加工性能比較差,這都使器件的生產(chǎn)成本大大上升。在以SiC為襯底生產(chǎn)GaN基發(fā)光 器件的過(guò)程中,由于SiC本身與GaN之間的晶格失配相對(duì)較大,化學(xué)性質(zhì)相差太大,導(dǎo)致兩 者之間不浸潤(rùn),無(wú)法直接生長(zhǎng),目前的解決方法就是在SiC與GaN之間先生長(zhǎng)一層緩沖層, 再在緩沖層上生長(zhǎng)GaN,其中最普遍的是生長(zhǎng)AlN作為緩沖層。ZnO與GaN具有很多相似之處,都是纖鋅礦結(jié)構(gòu),兩者的晶格失配和熱失配很小, 因此在ZnO上生長(zhǎng)GaN,可以獲得高質(zhì)量的GaN外延材料。同時(shí)ZnO可以用酸液完全腐蝕 掉,將器件薄膜材料與襯底分離,獲得自支撐的GaN基器件薄膜,從而實(shí)現(xiàn)SiC襯底重復(fù)使 用,大大降低器件成本。但存在一個(gè)問(wèn)題,超過(guò)1000°C時(shí),ZnO材料會(huì)分解,而目前一般通用 的MOCVD方法生長(zhǎng)GaN薄膜,生長(zhǎng)溫度都超過(guò)1000°C ;另外,都是在NH3、H2氣氛下生長(zhǎng),ZnO 材料易被腐蝕。因此,在ZnO上直接以通用的MOCVD方法生長(zhǎng)GaN是不可能獲得好的GaN 基發(fā)光器件的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種質(zhì)量好、工藝簡(jiǎn)單的自支撐GaN 基發(fā)光器件及其制備方法。本發(fā)明的自支撐GaN基發(fā)光器件,自下而上依次有GaN保護(hù)層、GaN緩沖層、η型 GaN層、GaN基發(fā)光層和ρ型GaN層。自支撐GaN基發(fā)光器件的制備方法先采用分子束外延技術(shù)在SiC襯底上依次生 長(zhǎng)ZnO層和GaN保護(hù)層;然后采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)在GaN保護(hù)層上依次生長(zhǎng) GaN緩沖層、η型GaN層、GaN基發(fā)光層和ρ型GaN層;再用酸液腐蝕去掉ZnO層,將SiC襯底和GaN基器件薄膜分離。具體包括以下步驟1)將經(jīng)清洗處理的SiC襯底放入分子束外延設(shè)備,在400 70(TC溫度,調(diào)節(jié)生長(zhǎng) 室壓力為1 X 10_5Torr 6X 10_5Torr,先以純O2為0源,金屬Si源為反應(yīng)源,生長(zhǎng)厚度為 0. 5 5微米的ZnO層,然后以純N2為N源,金屬( 源為反應(yīng)源,在ZnO層上生長(zhǎng)厚度為 0.5 5微米的GaN保護(hù)層。2)將生長(zhǎng)有ZnO層和GaN保護(hù)層的SiC片放入金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積裝置,以 純NH3為N源,純H2或N2為載氣,在1000 1200°C溫度下依次以三甲基鎵或三乙基鎵為( 源,生長(zhǎng)GaN緩沖層和η型GaN層;以三甲基鎵或三乙基鎵為( 源、以三甲基銦為h源,生 長(zhǎng)GaNAiahN多層作為GaN基發(fā)光層,或者以三甲基鎵或三乙基鎵為( 源、以三甲基鋁為 Al源,生長(zhǎng)GaN/GaAIN多層作為GaN基發(fā)光層;以三甲基鎵或三乙基鎵為( 源、以二茂鎂 為Mg源生長(zhǎng)ρ型GaN層。3)采用酸液腐蝕去掉ZnO層,將SiC襯底剝離,獲得自支撐的GaN基器件。所用的酸液為PH > 4的硝酸、磷酸或者氫氟酸。剝離的SiC襯底可以回收利用。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明方法簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)。制備過(guò)程中由于有一層GaN保護(hù)層覆蓋ZnO層,因此 可以采用通用的金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積方法依次生長(zhǎng)GaN緩沖層、η型GaN層、GaN基發(fā) 光層、P型GaN層。最后用酸液將ZnO層完全腐蝕掉,使SiC襯底與器件薄膜分離,獲得自 支撐的GaN基器件薄膜。ZnO層的插入既提高了 GaN基器件薄膜生長(zhǎng)質(zhì)量,同時(shí)SiC襯底可 以回收重復(fù)使用,大大降低器件的成本。


圖1是本發(fā)明的自支撐GaN基發(fā)光器件結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明制備過(guò)程中各層示意圖。圖中1為SiC襯底、2為SiO層、3為GaN保護(hù)層、4為GaN緩沖層、5為η型GaN 層、6為GaN基發(fā)光層、7為ρ型GaN層。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明。參照?qǐng)D1,本發(fā)明的自支撐GaN基發(fā)光器件,自下而上依次有GaN保護(hù)層3、GaN緩 沖層4、η型GaN層5、GaN基發(fā)光層6和ρ型GaN層7。參照?qǐng)D2,敘述本發(fā)明的自支撐GaN基發(fā)光器件的制備方法。實(shí)施例11)將SiC襯底1進(jìn)行清洗處理后放入分子束外延設(shè)備,襯底溫度加熱至700°C,調(diào) 節(jié)生長(zhǎng)室壓力為IX IO-5Torr,先以純O2 (純度99. 9999% )為0源,金屬Si源為反應(yīng)源,生 長(zhǎng)厚度為5微米的ZnO層2,然后以純隊(duì)(純度99. 9999% )為N源,金屬( 源為反應(yīng)源, 在ZnO層2上生長(zhǎng)厚度為2微米的GaN保護(hù)層3。2)將生長(zhǎng)有ZnO層2和GaN保護(hù)層3的SiC片放入金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積裝 置,采用通用的GaN薄膜金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)方法。以純NH3 (純度99. 9999% ) 為N源,純H2 (純度99. 9999% )為載氣,在1100°C溫度下,以三甲基鎵為( 源生長(zhǎng)厚度為
41微米的GaN緩沖層4和厚度為300納米的η型GaN層5 ;以三甲基鎵為( 源、以三甲基銦 為h源生長(zhǎng)厚度為200納米的GaN/GalnN多層作為GaN基發(fā)光層6 ;以三甲基鎵為fei源、 以二茂鎂為Mg源生長(zhǎng)厚度為300納米的ρ型GaN層7。3)采用硝酸溶液腐蝕去掉ZnO層2,將SiC襯底1和上述制備的GaN基器件薄膜 剝離,獲得自支撐的GaN基器件。同時(shí)回收SiC襯底1可以再利用。實(shí)施例21)將SiC襯底1進(jìn)行清洗處理后放入分子束外延設(shè)備,襯底溫度加熱至400°C,調(diào) 節(jié)生長(zhǎng)室壓力為3X KT5Torr,先以純O2 (純度99. 9999% )為0源,金屬Si源為反應(yīng)源,生 長(zhǎng)厚度為3微米的ZnO層2,然后以純隊(duì)(純度99. 9999% )為N源,金屬( 源為反應(yīng)源, 在ZnO層2上生長(zhǎng)厚度為1微米的GaN保護(hù)層3。2)將生長(zhǎng)有ZnO層2和GaN保護(hù)層3的SiC片放入金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積裝 置,采用通用的GaN薄膜金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)方法。以純NH3 (純度99. 9999% ) 為N源,純H2 (純度99. 9999% )為載氣,在1000°C溫度下,以三乙基鎵為( 源生長(zhǎng)厚度為 1微米的GaN緩沖層4和厚度為200納米的η型GaN層5 ;以三乙基鎵為( 源、以三甲基銦 為h源生長(zhǎng)厚度為80納米的GaN/feJnN多層作為GaN基發(fā)光層6 ;以三乙基鎵為( 源、 以二茂鎂為Mg源生長(zhǎng)厚度為200納米的ρ型GaN層7。3)采用磷酸溶液腐蝕去掉ZnO層2,將SiC襯底1和上述制備的GaN基器件薄膜 剝離,獲得自支撐的GaN基器件。同時(shí)回收SiC襯底1可以再利用。實(shí)施例31)將SiC襯底1進(jìn)行清洗處理后放入分子束外延設(shè)備,襯底溫度加熱至550°C,調(diào) 節(jié)生長(zhǎng)室壓力為5X 10_5Torr,以純仏(純度99. 9999% )為0源,金屬Si源為反應(yīng)源,生長(zhǎng) 厚度為1微米的ZnO層2 ;然后襯底溫度升至600°C,調(diào)節(jié)生長(zhǎng)室壓力為6X 10_5Torr,以純 N2 (純度99. 9999 % )為N源,金屬fei源為反應(yīng)源,在ZnO層2上生長(zhǎng)厚度為4微米的GaN 保護(hù)層3。2)將生長(zhǎng)有ZnO層2和GaN保護(hù)層3的SiC片放入金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積裝 置,采用通用的GaN薄膜金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)方法。以純NH3 (純度99. 9999% ) 為N源,純N2 (純度99. 9999% )為載氣,在1200°C溫度下,以三甲基鎵為( 源生長(zhǎng)厚度為 2微米的GaN緩沖層4和厚度為300納米的η型GaN層5 ;以三甲基鎵為( 源、以三甲基鋁 為Al源生長(zhǎng)厚度為100納米的GaN/GaAIN多層作為GaN基發(fā)光層6 ;以三甲基鎵為( 源、 以二茂鎂為Mg源生長(zhǎng)厚度為300納米的ρ型GaN層7。3)采用氫氟酸溶液腐蝕去掉ZnO層2,將SiC襯底1和上述制備的GaN基器件薄 膜剝離,獲得自支撐的GaN基器件。同時(shí)回收SiC襯底1可以再利用。
權(quán)利要求
1.一種自支撐GaN基發(fā)光器件,其特征是自下而上依次有GaN保護(hù)層(3)、GaN緩沖 層、η型GaN層(5)、GaN基發(fā)光層(6)和ρ型GaN層(7)。
2.制備權(quán)利要求1所述的自支撐GaN基發(fā)光器件的方法,包括以下步驟1)將經(jīng)清洗處理的SiC襯底(1)放入分子束外延設(shè)備,在400 70(TC溫度,調(diào)節(jié)生長(zhǎng) 室壓力為1 X 10_5Torr 6X 10_5Torr,先以純O2為0源,金屬Si源為反應(yīng)源,生長(zhǎng)厚度為 0.5 5微米的ZnO層O),然后以純KSN源,金屬( 源為反應(yīng)源,在ZnO層(2)上生長(zhǎng) 厚度為0. 5 5微米的GaN保護(hù)層(3)。2)將生長(zhǎng)有ZnO層( 和GaN保護(hù)層(3)的SiC片放入金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積裝 置,以純NH3為N源,純H2或N2為載氣,在1000 1200°C溫度下依次以三甲基鎵或三乙基 鎵為( 源,生長(zhǎng)GaN緩沖層(4)和η型GaN層(5);以三甲基鎵或三乙基鎵為( 源、以三 甲基銦為h源,生長(zhǎng)GaN/GalnN多層作為GaN基發(fā)光層(6),或者以三甲基鎵或三乙基鎵為 ( 源、以三甲基鋁為Al源,生長(zhǎng)GaN/GaAIN多層作為GaN基發(fā)光層(6);以三甲基鎵或三乙 基鎵為( 源、以二茂鎂為Mg源生長(zhǎng)ρ型GaN層(7)。3)采用酸液腐蝕去掉ZnO層O),將SiC襯底(1)剝離,獲得自支撐的GaN基器件。
全文摘要
本發(fā)明公開的自支撐GaN基發(fā)光器件,自下而上依次有GaN保護(hù)層、GaN緩沖層、n型GaN層、GaN基發(fā)光層和p型GaN層。其制備方法如下先采用分子束外延技術(shù)在SiC襯底上依次生長(zhǎng)ZnO層和GaN保護(hù)層;然后采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)在GaN保護(hù)層上依次生長(zhǎng)GaN緩沖層、n型GaN層、GaN基發(fā)光層和p型GaN層;再用酸液腐蝕去掉ZnO層,將SiC襯底和GaN基器件薄膜分離。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單,通過(guò)在SiC襯底上先生長(zhǎng)一層ZnO層,有效地提高了GaN基器件薄膜的質(zhì)量;同時(shí)易于將襯底與器件薄膜分離,使SiC襯底可以重復(fù)使用,大大降低器件成本。
文檔編號(hào)H01L33/02GK102110751SQ20101054546
公開日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2010年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月12日
發(fā)明者丁萍, 葉志鎮(zhèn), 張宏海, 潘新花, 黃靖云 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)
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