具有非极性、半极性面的图形蓝宝石衬底、可见光通信光源及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于非极性、半极性面的可见光通信光源及相应的图形蓝宝石衬底，选取一蓝宝石衬底加工出光栅状条形图案；在刻蚀工艺中讲台阶侧壁的角度进行优化，优化下一步的生长面角度；在此图形化蓝宝石衬底设计阻挡层，采用氧化硅薄膜作为外延阻挡层；利用化学气相外延法依次生长GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、电子阻挡层、p型GaN层，并公开了其生长方法。本发明专利技术利用非/半极性面在Ⅲ族氮化物极化调控上的优势减弱量子限制斯托克效应的影响，增加电子‑空穴波函数在实空间上的交叠，提高载流子的辐射复合占比和速率，该方法适用于利用非极性、半极性面技术有效提高可见光通信性能。

Sapphire substrate with nonpolar and semi-polar surface, visible light source and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
具有非极性、半极性面的图形蓝宝石衬底、可见光通信光源及其制备方法
本专利技术涉及一种具有非极性、半极性面的图形蓝宝石衬底、可见光通信光源及其制备方法，属于可见光通信领域。
技术介绍
目前在c面蓝宝石外延的GaN基LED的调制带宽只有十几兆赫兹(MHz)到几十兆赫兹，这从根本上制约着可见光通信集成芯片的通信速率。LED的调制带宽主要由RC时间常数和载流子辐射复合寿命决定，通过减小LED的尺寸，可以有效降低结电容和减小RC时间常数，从而提高LED的调制带宽,然而这种方法同时也会降低LED的光输出功率；提高LED调制带宽的另一个方法是降低载流子辐射复合寿命，已有研究表明LED的调制带宽与电流密度的关系接近线性关系，随着电流密度增大，载流子的复合寿命逐渐降低，但是当电流密度过大时，LED会出现Droop效应，制约着调制带宽的进一步提高。另一方面，尽管InGaN基多量子阱可见光探测器已经取得了一些进展，但要实现大规模的商业化，仍然面临着一些挑战性的问题，例如外延层材料质量差、高背景载流子浓度和光吸收不足等问题，目前InGaN基探测器仍然存在响应速度慢等问题，器件性能水平与商用的硅基光电探测器还有比较大的差距，这些问题制约着可见光通信集成芯片通信速率进一步的提高。因此，开发高效率、低功耗、高调制带宽的LED光源势在必行。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有非极性、半极性面的图形蓝宝石衬底，可以降低量子限制斯塔克效应、提高发光效率。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种具有非极性、半极性面的图形蓝宝石衬底，其特征在于：所述蓝宝石衬底在r面上刻有台阶状光栅图形结构，在台阶的顶面、一侧侧壁及与该侧壁相连的底面上沉积有外延阻挡层。外延阻挡层能有效的抑制GaN成核层的形成，从而在后续的外延中抑制了该区域的生长。其中非极性面是指蓝宝石的a面，半极性面是指蓝宝石的m面。优选的，所述台阶未沉积有外延阻挡层的侧壁角度与生长面角度重合。优选的，所述台阶侧壁与台阶底部的夹角为75.09°±5％。蓝宝石台阶的侧壁选择75.09°的(0001)面方向，特别适合进行C面GaN的生长。优选的，所述外延阻挡层为氧化硅、三氧化二铝或氮化硅。优选的，所述外延阻挡层厚度为200-500nm。优选的，所述光栅图形结构的宽度为1μm-5μm，周期为2μm-10μm。本专利技术还公开了一种具有非极性、半极性面的可见光通信光源，其结构自下而上包括：一r面蓝宝石衬底；一生长在r面蓝宝石衬底上的外延阻挡层；一生长在外延阻挡层上的GaN缓冲层；一生长在GaN缓冲层上的n型GaN层；一生长在n型GaN层上的InxGa1-xN/GaN多量子阱层；一生长在InxGa1-xN/GaN多量子阱层上的p型GaN层；还包括p型电极和n型电极；所述蓝宝石衬底为上述的图形蓝宝石衬底。优选的，所述InxGa1-xN/GaN多量子阱层的周期数为10～15个，所述x范围：0≤x≤0.8，发光波长在365～600nm范围，p型GaN层的厚度300～500nm，n型GaN层的厚度1.5～3μm。本专利技术还公开了上述具有非极性、半极性面的可见光通信光源的制备方法，其步骤包括：(1)选用r面蓝宝石衬底，采用PECVD技术在蓝宝石衬底上生长一介质层SiO2；(2)在上述基片上旋涂一层反转光刻胶，将光栅光刻图形结构显影在光刻胶上；(3)利用电子束蒸发技术，蒸镀一层Ni金属膜作为掩膜，将镀膜后的样品置于丙酮溶液中浸泡，并辅以超声清洗，将未曝光区域的Ni层随着光刻胶层一并去除；(4)采用RIE技术，以金属Ni光栅为掩膜，通入CHF3和O2的混合气体，各向异性刻蚀氧化硅介质层，将光栅结构转移至氧化硅介质薄膜层上，此时的光栅结构与原有设计模板的规格一致；(5)采用ICP技术，以介质层光栅为掩模，通入Cl2和Ar的混合气体，各向异性刻蚀蓝宝石形成台阶状结构，刻蚀过程中将台阶侧壁的角度优化至生长面角度；(6)采用PECVD技术生长一层外延阻挡层，在上述蓝宝石台阶的顶面、一侧侧壁及与该侧壁相连的底面上形成外延阻挡层；(7)采用金属有机物化学气相沉积设备，在台阶状的蓝宝石衬底的与生长面角度相同的侧壁上进行选择性外延，沿着蓝宝石侧壁进行C面GaN的生长，经过2-3μm的生长后GaN层合并成膜；(8)采用金属有机化合物化学气相沉积法外延后续的缓冲GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、电子阻挡层、p型GaN层；(9)在上述外延片上旋涂光刻胶以作紫外曝光用；(10)金属电极层采用PVD设备溅射Ni\Au膜，将镀膜后的样品中丙酮溶液中浸泡5分钟左右，并辅以超声清洗，将未曝光区域的Ni/Au层随着光刻胶层一并去除；(11)采用快速退火炉进行高温热处理，氧气环境下退火，形成欧姆接触，获得非极性、半极性面的可见光通信光源。优选的，步骤(7)中采用两步法生长GaN层，具体为：先采用低温生长GaN层，温度范围500-650℃，镓源流量设置为70-80sccm，氨气流量设置为5000-15000sccm；再采用高温生长剩余厚度的GaN层，镓源流量和氨气流量为低温生长阶段的2-3倍，在低温生长GaN层外延表面超过台阶顶面500nm-2μm的空间范围内切换为高温外延工艺，高温生长GaN层的镓源流量设置为190-230sccm，氨气流量设置为25000-35000sccm。优选的，高温生长GaN层的过程中，在载气中加入100-1000sccm的硅烷。本专利技术通过控制蓝宝石台阶的倾斜角度，使得台阶侧壁的角度优化至生长面角度，特别适合进行C面GaN的生长。外延阻挡层仅沉积在台阶的顶面、一侧侧壁及与该侧壁相连的底面上，在蓝宝石台阶顶面和底面上都形成了三角形的空隙，这有利于阻隔位错的延伸以及减少多晶的形成。本专利技术利用非/半极性面在Ⅲ族氮化物极化调控上的优势减弱量子限制斯托克效应的影响，增加电子-空穴波函数在实空间上的交叠，提高载流子的辐射复合占比和速率，得到高调制带宽、低结电容的光源。该方法适用于利用非极性、半极性面技术有效提高可见光通信性能。蓝宝石台阶的侧壁形成75.09°的(0001)面方向。由于在GaN生长中(0001)方向蓝宝石特别适合进行C面GaN的生长。基于常规C面GaN的MOCVD外延技术，通过优化生长工艺，增加载气流量和V-III比可以得到沿着75.09°生长的C面GaN。这里特别需要强调，在蓝宝石台阶的顶面与底面上容易形成其他晶面的GaN成核。在GaN材料外延中，由于C面是外延速率最慢的面，所以为了抑制在台阶顶面和底面上形成其他晶面的GaN，通过在顶面与底面沉积200-500nm厚度的氧化硅阻挡层以达到抑制GaN生长的目的。这里氧化硅阻挡层的厚度主要取决于台阶的宽度与间隙。例如：在1微米宽度与1微米周期的台阶上则适宜采用200nm厚度的氧化硅层。随着台阶宽度与周期的增加，氧化硅层的厚度需要逐渐增加以获得更好的外延效果。台阶的宽度与间隙需要根据期间结构进行优化，例如采用较小的宽度与周期，则可以减少外延薄膜的表面粗糙度。而采用较大的宽度与周期则会导致GaN薄膜表面的起伏增大，为了后续器件的制备，可能需要对GaN薄膜表面进行物理化学抛光，从而形成平整的表面。在生长过程中，采用两步法以得到较高质量的GaN薄膜。首先采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有非极性、半极性面的图形蓝宝石衬底，其特征在于：所述蓝宝石衬底在r面上刻有台阶状光栅图形结构，在台阶的顶面、一侧侧壁及与该侧壁相连的底面上沉积有外延阻挡层。

【技术特征摘要】
1.一种具有非极性、半极性面的图形蓝宝石衬底，其特征在于：所述蓝宝石衬底在r面上刻有台阶状光栅图形结构，在台阶的顶面、一侧侧壁及与该侧壁相连的底面上沉积有外延阻挡层。2.根据权利要求1所述的图形蓝宝石衬底，其特征在于：所述台阶未沉积有外延阻挡层的侧壁角度与生长面角度重合。3.根据权利要求2所述的图形蓝宝石衬底，其特征在于：所述台阶侧壁与台阶底部的夹角为75.09°±5％。4.根据权利要求1-3中任一项所述的图形蓝宝石衬底，其特征在于：所述外延阻挡层为氧化硅、三氧化二铝或氮化硅，所述外延阻挡层厚度为200-500nm。5.根据权利要求4所述的图形蓝宝石衬底，其特征在于：所述光栅图形台阶的底部宽度为1μm-5μm，周期为2μm-10μm，台阶高度为500nm-2μm。6.一种具有非极性、半极性面的可见光通信光源，其结构自下而上包括：一r面蓝宝石衬底；一生长在r面蓝宝石衬底上的外延阻挡层；一生长在外延阻挡层上的GaN缓冲层；一生长在GaN缓冲层上的n型GaN层；一生长在n型GaN层上的InxGa1-xN/GaN多量子阱层；一生长在InxGa1-xN/GaN多量子阱层上的p型GaN层；还包括p型电极和n型电极；其特征在于：所述蓝宝石衬底为权利要求1-6所述的图形蓝宝石衬底。7.根据权利要求6所述的可见光通信光源，其特征在于：所述InxGa1-xN/GaN多量子阱层的周期数为10～15个，所述x范围：0≤x≤0.8，发光波长在365～600nm范围，p型GaN层的厚度300～500nm，n型GaN层的厚度1.5～3μm。8.权利要求6或7所述的具有非极性、半极性面的可见光通信光源的制备方法，其步骤包括：(1)选用r面蓝宝石衬底，采用PECVD技术在蓝宝石衬底上生长一介质层SiO2；(2)在上述基片上旋涂一层反转光刻胶，将光栅光刻图形结构显影在光刻胶上；(3)利用电子束蒸发技术，蒸镀一层Ni金属膜作为掩膜，将镀膜后的样品置于丙酮溶液中浸泡，并辅以超声清洗，将未曝光区域的Ni层随着光刻胶层一并去除；(4)采用R...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶涛，智婷，刘斌，谢自力，陈鹏，陈敦军，修向前，赵红，张荣，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32