氮化镓基发光二极管及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种氮化镓半导体薄膜、氮化镓基发光二极管及相应的制备方法，其中氮化镓半导体薄膜的制备方法中采用双离子源分别轰击含镓靶材和衬底来制备，并且在主离子源中充入氩气，产生氩离子束轰击所述含镓靶材，产生溅射粒子沉积在衬底上；在辅离子源中充入氨气或者氮气，产生氮离子束轰击衬底表面，其中氮离子与沉积在衬底表面的溅射粒子结合，生成氮化镓半导体薄膜。本发明专利技术通过主离子源生成氩离子束轰击含镓靶材，辅离子源生成的氮离子通过化学反应生成氮化镓，并以浅层注入方式直接给衬底表面补充氮离子，能够有效地提高氮化镓半导体薄膜中氮元素的含量，克服氮元素和镓元素的配比误差，且制得的薄膜厚度均匀、精度高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及离子束
，尤其涉及一种氮化镓半导体薄膜和制备方法，以及一种氮化镓基发光二极管和制备方法。
技术介绍
薄膜材料可分为：超导薄膜、导电薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、电阻薄膜以及光学薄膜、光电薄膜、压电薄膜、热电薄膜、铁电薄膜和磁性薄膜等等，已经成为许多尖端技术和新兴技术的基本材料。氮化铝(AlN)和氮化镓(GaN)等III族元素氮化物薄膜成为了继第一代镉(Ge)、硅(Si)半导体和第二代砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)化合物半导体之后的第三代半导体材料的代表。这种氮化物薄膜按用途可分为无定型薄膜、单晶薄膜、无规取向的多晶薄膜和高速择优取向的多晶薄膜。氮化物薄膜具有高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率、高的抗辐射能力和宽的禁带宽度的特性。并且因为氮化物薄膜具有宽能隙直接能带结构、高效率可见和紫外光发射的特性，是制作蓝绿发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的理想材料，在短波长光发射、光显示器件以及全色光器件方面具有很好的应用前景。尤其是氮化铝具有高热导、高硬度以及良好的介电性质、声学性质和化学稳定性，在短波光发射和光探测、表面声学、压电器件等光电子和微电子器件方面得到广泛应用。发光二极管(LED)作为一种注入型的电致发光的半导体器件，通过电子在能带间跃迁产生光。氮化镓能够与其它氮化物构成三元或四元化合物，例如氮化铟和氮化铝，这种氮化镓半导体薄膜材料可以通过改变IIIA族元素的比例，使发光波长涵盖红外光到紫外光的范围。具体地，氮化镓薄膜材料具备从1.9eV(如InGaN)到6.2eV(如AlGaN)之间连续可调的直接宽带隙，从而在理论可覆盖从红光至紫外光在内的整个可见光谱，使得氮化镓基LED迅速发展。目前具有使用价值的氮化镓基的LED大多通过金属有机物气相外延(MOVPE)、分子束外延(MBE)和氢化物气相外延(HVPE)制备。但是常用的、高温真空环境制备工艺获得的氮化镓半导体薄膜表面容易具有结构损伤，在均一性和粗糙度等综合性能上都有待提高。并且薄膜存在镓元素与氮元素配比误差，其中氮元素缺失较多。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，针对现有方法制备的氮化镓半导体薄膜中存在的上述不足，提供一种氮化镓半导体薄膜及制备方法，以及一种氮化镓基发光二极管及制备方法。为了解决上述技术问题，本专利技术第一方面，提供了一种氮化镓半导体薄膜的制备方法，采用双离子源分别轰击含镓靶材和衬底来制备，其中：在主离子源中充入氩气，产生氩离子束轰击所述含镓靶材，产生溅射粒子沉积在衬底上；在辅离子源中充入氨气或者氮气，产生氮离子束轰击衬底表面，其中氮离子与沉积在衬底表面的溅射粒子结合，生成氮化镓半导体薄膜。在根据本专利技术所述的氮化镓半导体薄膜的制备方法中，所述含镓靶材为镓铝靶材、镓铟靶材、镓镁靶材或镓硅靶材。在根据本专利技术所述的氮化镓半导体薄膜的制备方法中，所述制备方法中氮离子与溅射粒子的到达速率比为0.01～0.3。在根据本专利技术所述的氮化镓半导体薄膜的制备方法中，所述主离子源的离子能量为200～1000eV，束流密度为0.2～0.8mA/cm2；所述辅离子源的离子能量为200～700eV，束流密度为0.2～0.6mA/cm2。本专利技术第二方面，提供了一种氮化镓半导体薄膜，采用如前所述的氮化镓半导体薄膜的制备方法制得。本专利技术第三方面，提供了一种氮化镓基发光二极管的制备方法，至少包括：第一氮化镓薄膜制备步骤，选取第一靶材，使用如前所述的氮化镓半导体薄膜的制备方法在衬底上沉积第一氮化镓薄膜；再使用氮离子束轰击第一氮化镓薄膜进行氮离子浅层注入；多量子阱发光层制备步骤，依次选取镓铝靶材、镓铟靶材和镓铝靶材，分别使用如前所述的氮化镓半导体薄膜的制备方法在所述第一氮化镓薄膜上沉积AlGaN薄膜、InGaN薄膜和AlGaN薄膜，生成夹层结构的多量子阱发光层；第二氮化镓薄膜制备步骤，选取第二靶材，使用如前所述的氮化镓半导体薄膜的制备方法在所述多量子阱发光层上沉积第二氮化镓薄膜；再使用氮离子束轰击第二氮化镓薄膜进行氮离子浅层注入；其中，所述第一氮化镓薄膜为掺杂硅的p-GaN薄膜，所述第二氮化镓薄膜为掺杂镁的n-GaN薄膜；或者所述第一氮化镓薄膜为掺杂镁的n-GaN薄膜，所述第二氮化镓薄膜为掺杂硅的p-GaN薄膜。在根据本专利技术所述的氮化镓基发光二极管的制备方法中，所述氮化镓基发光二极管为垂直结构发光二极管，所述制备方法包括：1)提供衬底，并提供金靶材、镓硅靶材、镓铝靶材、镓铟靶材、镓镁靶材和二氧化硅靶材；2)选取金靶材，利用图形化的P电极光刻胶作为掩膜，使用离子束溅射沉积方法在衬底上沉积P电极金薄膜；3)选取镓硅靶材，由主离子源产生氩离子束轰击镓硅靶材，辅离子源产生氮离子束轰击P电极金薄膜表面，在所述P电极金薄膜上沉积掺杂硅的p-GaN薄膜；再使用离子能量为200～400eV，束流密度为0.2～0.4mA/cm2的氮离子束轰击p-GaN薄膜进行氮离子浅层注入；4)依次选取镓铝靶材、镓铟靶材和镓铝靶材，采用主离子源产生氩离子束轰击靶材，辅离子源产生氮离子束轰击工件表面的方法，在所述p-GaN薄膜上沉积AlGaN薄膜、InGaN薄膜和AlGaN薄膜，生成夹层结构的多量子阱发光层；5)选取镓镁靶材，由主离子源产生氩离子束轰击镓镁靶材，辅离子源产生氮离子束轰击多量子阱发光层表面，在所述多量子阱发光层上沉积掺杂镁的n-GaN薄膜；再使用离子能量为200～400eV，束流密度为0.2～0.4mA/cm2的氮离子束轰击n-GaN薄膜进行氮离子浅层注入；6)选取金靶材，利用图形化的N电极光刻胶作为掩膜，使用离子束溅射沉积方法在所述n-GaN薄膜上沉积N电极金薄膜；7)选取二氧化硅靶材，利用图形化的保护层光刻胶作为掩膜，使用离子束溅射沉积方法在所述n-GaN薄膜上沉积二氧化硅纯化保护层。在根据本专利技术所述的氮化镓基发光二极管的制备方法中，所述氮化镓基发光二极管为正装结构发光二极管，所述制备方法包括：1)提供衬底，并提供镓靶材、镓镁靶材、镓铝靶材、镓铟靶材、镓硅靶材、镍金靶材、金靶材和二氧化硅靶材；2)选取镓靶材，利用图形化的缓冲层光刻胶作为掩膜，由主离子源产生氩离子束轰击镓靶材，辅离子源产生氮离子束轰击衬底表面，在衬底上沉积GaN缓冲层；3)选取镓镁靶材，由主离子源产生氩离子束轰击镓镁靶材，辅离子源产生氮离子束轰击GaN缓冲层表面，利用图形化的光刻胶作为掩膜，在所述GaN缓冲层上沉积掺杂镁的台阶状n-GaN薄膜；再使用离子能量为200～400eV，束流密度为0.2～0.4mA/cm2的氮离子束轰击n-GaN薄膜进行氮离子浅层注入；4)依次选取镓铝靶材、镓铟靶材和镓铝靶材，利用图形化的多量子阱光刻胶作为掩膜，采用主离子源产生氩离子束轰击靶材，辅离子源产生氮离子束轰击工件表面的方法，在所述n-GaN薄膜的上台阶面上沉积AlGaN薄膜、InGaN薄膜和AlGaN薄膜，生成夹层结构的多量子阱发光层；5)选取镓硅靶材，由主离子源产生氩离子束轰击镓硅靶材，辅离子源产生氮离子束轰击多量子阱发光层表面，在所述多量子阱发光层上沉积掺杂硅的p-GaN薄膜；再使用离子能量为200～400eV，束流密度为0.2～0.4mA/cm2的氮离子束轰击p-GaN薄膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化镓半导体薄膜的制备方法，其特征在于，采用双离子源分别轰击含镓靶材和衬底来制备，其中：在主离子源中充入氩气，产生氩离子束轰击所述含镓靶材，产生溅射粒子沉积在衬底上；在辅离子源中充入氨气或者氮气，产生氮离子束轰击衬底表面，其中氮离子与沉积在衬底表面的溅射粒子结合，生成氮化镓半导体薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种氮化镓半导体薄膜的制备方法，其特征在于，采用双离子源分别轰击含镓靶材和衬底来制备，其中：在主离子源中充入氩气，产生氩离子束轰击所述含镓靶材，产生溅射粒子沉积在衬底上；在辅离子源中充入氨气或者氮气，产生氮离子束轰击衬底表面，其中氮离子与沉积在衬底表面的溅射粒子结合，生成氮化镓半导体薄膜。2.根据权利要求1所述的氮化镓半导体薄膜的制备方法，其特征在于，所述含镓靶材为镓铝靶材、镓铟靶材、镓镁靶材或镓硅靶材。3.根据权利要求1或2所述的氮化镓半导体薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法中氮离子与溅射粒子的到达速率比为0.01～0.3。4.根据权利要求1或2所述的氮化镓半导体薄膜的制备方法，其特征在于，所述主离子源的离子能量为200～1000eV，束流密度为0.2～0.8mA/cm2；所述辅离子源的离子能量为200～700eV，束流密度为0.2～0.6mA/cm2。5.一种氮化镓半导体薄膜，其特征在于，采用权利要求1-4中任意一项所述的氮化镓半导体薄膜的制备方法制得。6.一种氮化镓基发光二极管的制备方法，其特征在于，至少包括：第一氮化镓薄膜制备步骤，选取第一靶材，使用权利要求1所述的氮化镓半导体薄膜的制备方法在衬底上沉积第一氮化镓薄膜；再使用氮离子束轰击第一氮化镓薄膜进行氮离子浅层注入；多量子阱发光层制备步骤，依次选取镓铝靶材、镓铟靶材和镓铝靶材，分别使用权利要求1所述的氮化镓半导体薄膜的制备方法在所述第一氮化镓薄膜上沉积AlGaN薄膜、InGaN薄膜和AlGaN薄膜，生成夹层结构的多量子阱发光层；第二氮化镓薄膜制备步骤，选取第二靶材，使用权利要求1所述的氮化镓半导体薄膜的制备方法在所述多量子阱发光层上沉积第二氮化镓薄膜；再使用氮离子束轰击第二氮化镓薄膜进行氮离子浅层注入；其中，所述第一氮化镓薄膜为掺杂硅的p-GaN薄膜，所述第二氮化镓薄膜为掺杂镁的n-GaN薄膜；或者所述第一氮化镓薄膜为掺杂镁的n-GaN薄膜，所述第二氮化镓薄膜为掺杂硅的p-GaN薄膜。7.根据权利要求6所述的氮化镓基发光二极管的制备方法，其特征在于，所述氮化镓基发光二极管为垂直结构发光二极管，所述制备方法包括：1)提供衬底，并提供金靶材、镓硅靶材、镓铝靶材、镓铟靶材、镓镁靶材和二氧化硅靶材；2)选取金靶材，利用图形化的P电极光刻胶作为掩膜，使用离子束溅射沉积方法在衬底上沉积P电极金薄膜；3)选取镓硅靶材，由主离子源产生氩离子束轰击镓硅靶材，辅离子源产生氮离子束轰击P电极金薄膜表面，在所述P电极金薄膜上沉积掺杂硅的p-GaN薄膜；再使用离子能量为200～400eV，束流密度为0.2～0.4mA/cm2的氮离子束轰击p-GaN薄膜进行氮离子浅层注入；4)依次选取镓铝靶材、镓铟靶材和镓铝靶材，采用主离子源产生氩离子束轰击靶材，辅离子源产生氮离子束轰击工件表面的方法，在所述p-GaN薄膜上沉积AlGaN薄膜、InGaN薄膜和AlGaN薄膜，生成夹层结构的多量子阱发光层；5)选取镓镁靶材，由主离子源产生氩离子束轰击镓镁靶材，辅离子源产生氮离子束轰击多量子阱发光层表面，在所述多量子阱发光层上沉积掺杂镁的n-GaN薄膜；再使用离子能量为200～400eV，束流密度为0.2～0.4mA/cm2的氮离子束轰击n-GaN薄膜进行氮离子浅层注入；6)选取金靶材，利用图形化的N电极光刻胶作为掩膜，使用离子束溅射沉积方法在所述n-GaN薄膜上沉积N电极金薄膜；7)选取二氧化硅靶材，利用图形化的保护层光刻胶作为掩膜，使用离子束溅射沉积方法在所述n-GaN薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：刁克明，
申请(专利权)人：北京埃德万斯离子束技术研究所股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11