CN112563380A - Si衬底的AlGaN基深紫外LED外延片及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了Si衬底的AlGaN基深紫外LED外延片及制备方法，所述Si衬底的AlGaN基深紫外LED外延片包括：生长在Si衬底上的低温AlN层、生长在所述低温AlN层上的高温AlN层、生长在所述高温AlN层上的第一AlGaN层、生长在所述第一AlGaN层上的第二AlGaN层、生长在所述第二AlGaN层上的n型掺杂AlGaN层、生长在所述n型掺杂AlGaN层上的AlGaN多量子阱层、生长在所述AlGaN多量子阱层上的电子阻挡层、生长在所述电子阻挡层上的Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层、生长在所述Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层上的p型掺杂GaN层。

Description

Si衬底的AlGaN基深紫外LED外延片及制备方法
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及Si衬底的AlGaN基深紫外LED外延片及制备方法。
背景技术
深紫外光在国防技术、信息科技、生物制药、环境监测、公共卫生、杀菌消毒等领域具有广大的应用前景。目前所用的传统紫外光源是气体激光器和汞灯，存在着体积大、能耗高和污染等缺点。AlGaN基化合物半导体紫外发光二极管(LED)是一种固态紫外光源，具有体积小、效率高、寿命长、环境友好、低能耗和无污染等优点。高Al组分AlGaN材料是制备高性能深紫外LED不可替代的材料体系，无论在民用和军用方面都有重大需求，如在杀菌消毒、癌症检测、皮肤病治疗等医疗卫生领域，AlGaN基紫外光源，具有无汞污染、波长可调、体积小、集成性好、能耗低、寿命长等诸多优势。
近年来，AlGaN基深紫外LED的发展已经取得了一些进展，但其外量子效率低和发光功率低等性能问题仍阻碍着其商业化，而高质量的外延材料是制备高性能深紫外LED的基础。目前高质量的AlGaN材料一般都是通过异质外延方法制作，目前也有采用Si衬底作为AlGaN基深紫外LED的外延衬底，但Si衬底与所外延生长的AlGaN材料之间存在较大的晶格失配。因此，要实现在Si衬底上生长出高质量的AlGaN材料以及高性能的深紫外LED外延片，仍需要克服晶格失配、晶***错、层错等重大缺陷。
发明内容
本发明的目的是Si衬底的AlGaN基深紫外LED外延片及制备方法，旨在解决现有技术中AlGaN基深紫外LED外延片性能有待提高的问题。
本发明实施例提供一种Si衬底的AlGaN基深紫外LED外延片，其包括：生长在Si衬底上的低温AlN层、生长在所述低温AlN层上的高温AlN层、生长在所述高温AlN层上的第一AlGaN层、生长在所述第一AlGaN层上的第二AlGaN层、生长在所述第二AlGaN层上的n型掺杂AlGaN层、生长在所述n型掺杂AlGaN层上的AlGaN多量子阱层、生长在所述AlGaN多量子阱层上的电子阻挡层、生长在所述电子阻挡层上的Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层、生长在所述Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层上的p型掺杂GaN层。
优选的，所述低温AlN层的厚度为50～100nm。
优选的，所述高温AlN层的厚度为200～500nm。
优选的，所述第一AlGaN层的厚度为2～10nm。
优选的，所述第二AlGaN层的厚度为800～2000nm。
优选的，所述n型掺杂AlGaN层的厚度为3～5μm。
优选的，所述AlGaN多量子阱层由7～10个周期的Al0.3Ga0.7N阱层和Al0.5Ga0.5N垒层构成。
优选的，所述Al0.3Ga0.7N阱层的厚度为2～3nm，所述Al0.5Ga0.5N垒层的厚度为10～13nm。
优选的，从靠近Si衬底至远离Si衬底的方向，所述Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层中Al组分的含量从0.4逐渐降低至0，所述Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层的厚度为300～350nm。
本发明实施例提供一种如上所述的AlGaN基深紫外LED外延片的制备方法，其中，包括：
选取Si衬底；
在所述Si衬底上生长低温AlN层；
在所述低温AlN层上生长高温AlN层；
在所述高温AlN层生长第一AlGaN层；
在所述第一AlGaN层上生长第二AlGaN层；
在所述第二AlGaN层上生长n型掺杂AlGaN层；
在所述n型掺杂AlGaN层上生长AlGaN多量子阱层；
在所述AlGaN多量子阱层上生长电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上生长Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层；
在所述Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层上生长p型掺杂GaN层。
本发明实施例提供了Si衬底的AlGaN基深紫外LED外延片及制备方法，所述Si衬底的AlGaN基深紫外LED外延片包括：生长在Si衬底上的低温AlN层、生长在所述低温AlN层上的高温AlN层、生长在所述高温AlN层上的第一AlGaN层、生长在所述第一AlGaN层上的第二AlGaN层、生长在所述第二AlGaN层上的n型掺杂AlGaN层、生长在所述n型掺杂AlGaN层上的AlGaN多量子阱层、生长在所述AlGaN多量子阱层上的电子阻挡层、生长在所述电子阻挡层上的Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层、生长在所述Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层上的p型掺杂GaN层。本发明采用低温AlN层结合高温AlN层，以及非晶态缓冲层技术，降低Si和AlGaN之间的应力；并采用Al组分分段渐变p型AlGaN结构，克服现有技术的不足，获得高性能的AlGaN基深紫外LED。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的Si衬底的AlGaN基深紫外LED外延片的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的Si衬底的AlGaN基深紫外LED外延片的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
本发明实施例提供一种Si衬底的AlGaN基深紫外LED外延片，如图1所示，包括：生长在Si衬底101上的低温AlN层102、生长在所述低温AlN层102上的高温AlN层103、生长在所述高温AlN层103上的第一AlGaN层104、生长在所述第一AlGaN层104上的第二AlGaN层105、生长在所述第二AlGaN层105上的n型掺杂AlGaN层106、生长在所述n型掺杂AlGaN层106上的AlGaN多量子阱层107、生长在所述AlGaN多量子阱层107上的电子阻挡层108、生长在所述电子阻挡层108上的Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层109、生长在所述Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层109上的p型掺杂GaN层110。
由于Si和AlGaN之间存在较大的晶格失配，本发明采用低温结合高温AlN缓冲层，以及非晶态缓冲层技术，降低Si和AlGaN之间的应力；并采用Al组分分段渐变p型AlGaN结构，克服现有技术的不足，获得高性能的AlGaN基深紫外LED。
在一实施例中，所述低温AlN层102的厚度为50～100nm，如75nm。低温AlN层102能够阻止Ga和Si在高温下发生回熔刻蚀反应，低温生长的AlN缓冲层(即低温AlN层102)具有较高的缺陷密度，能够降低位错延伸到高温生长的AlN缓冲层(即高温AlN层103)中。
在一实施例中，所述高温AlN层103的厚度为200～500nm，如350nm。所述低温AlN层102和高温AlN层103均为缓冲层，为后续第一AlGaN层104和第二AlGaN层105的生长提供高质量的模板。
在一实施例中，所述第一AlGaN层104的厚度为2～10nm，如5nm。所述第一AlGaN层104为非晶态缓冲层AlGaN。本发明实施例采用一层薄的非晶态缓冲层AlGaN，非晶态材料能够具有大量的空位缺陷，位错在这一层材料中容易成核。同时，空位缺陷能够促进位错在该缓冲层内滑移，阻止位错穿透至后续的外延层。因此这层大失配缓冲层能够起到应力释放的作用。所述第一AlGaN层104中Al组分是0.7(该组分的含义是指Al占和Al和Ga的总含量的比例)，即所述第一AlGaN层104为Al0.7Ga0.3N层。
在一实施例中，所述第二AlGaN层105的厚度为800～2000nm，如1500nm。所述第二AlGaN层105中Al组分是0.5，即所述第二AlGaN层105为Al0.5Ga0.5N层。所述第一AlGaN层104和第二AlGaN层105可以为后续n型掺杂AlGaN层106的生长提供高质量的材料模板。
在一实施例中，所述n型掺杂AlGaN层106的厚度为3～5μm，如4μm，所述n型掺杂AlGaN层106的作用是为多量子阱层提供电子。
在一实施例中，所述AlGaN多量子阱层107由7～10个周期的Al0.3Ga0.7N阱层和Al0.5Ga0.5N垒层构成(如8个周期)。所述AlGaN多量子阱层107为LED的有源发光层，电子和空穴在该层中进行辐射复合，发出特定波长的光。其中一个周期由一层Al0.3Ga0.7N阱层和一层Al0.5Ga0.5N垒层构成，这样一层Al0.3Ga0.7N阱层和一层Al0.5Ga0.5N垒层重复交替叠层形成多个周期的Al0.3Ga0.7N阱层和Al0.5Ga0.5N垒层。
在一实施例中，所述Al0.3Ga0.7N阱层的厚度为2～3nm，如2.5nm，所述Al0.5Ga0.5N垒层的厚度为10～13nm，如12nm。
所述电子阻挡层108可以防止电流注入时电子溢出，电子不能完全被限制在量子阱里进行辐射复合。所述电子阻挡层108可以是Al0.4Ga0.6N电子阻挡层。所述电子阻挡层108的厚度为20～50nm，如30nm。
在一实施例中，从靠近Si衬底至远离Si衬底的方向，所述Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层109中Al组分的含量从0.4逐渐降低至0(即从Al0.4Ga0.6N降低至Al0Ga1N)，所述Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层109的厚度为300～350nm，如325nm。所述Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层109为多量子阱有源层提供空穴。在深紫外LED器件结构中，电子从n型层注入到多量子阱区，并与从p型区注入的空穴进行复合，因此沿材料生长方向的电子电流密度会逐渐减小，而电子电流溢出到p型层所产生的额外电流则被定义为电子泄漏电流。由于多量子阱和电子阻挡层中的极化电场导致能带发生弯曲，量子垒和传统的电子阻挡层不能有效地阻挡量子阱中的电子，因此导致传统结构深紫外LED有明显的电子泄漏。Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层109注入的电子更有效地被限制在多量子阱中，并且有更多的空穴有效地注入到有源区，从而有效地提高了具有Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层109的深紫外LED的辐射复合效率。
所述p型掺杂GaN层110可以为多量子阱层提供空穴，同时有利于与金属电极形成较好的欧姆接触。所述p型掺杂GaN层110的厚度为300～350nm，如325nm。所述p型掺杂GaN层110中，掺杂元素是Mg，Mg的掺杂浓度为1×1017～5×1018。
本发明实施例提供一种如上所述的AlGaN基深紫外LED外延片的制备方法，如图2所示，其包括步骤S201～S210：
S201、选取Si衬底；
S202、在所述Si衬底上生长低温AlN层；
S203、在所述低温AlN层上生长高温AlN层；
S204、在所述高温AlN层生长第一AlGaN层；
S205、在所述第一AlGaN层上生长第二AlGaN层；
S206、在所述第二AlGaN层上生长n型掺杂AlGaN层；
S207、在所述n型掺杂AlGaN层上生长AlGaN多量子阱层；
S208、在所述AlGaN多量子阱层上生长电子阻挡层；
S209、在所述电子阻挡层上生长Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层；
S210、在所述Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层上生长p型掺杂GaN层在所述步骤S201中，可以选用商用普通的Si衬底。
在所述步骤S202中，在低温AlN层生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法生长低温AlN层，工艺条件为：三甲基铝为Al源，氨气为N源，氢气作为载气，反应室压力为50～300torr，衬底温度为900～1000℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为3000～5000，生长速率为1～2μm/h。
在所述步骤S203中，在高温AlN层生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述低温AlN层上生长高温AlN层，工艺条件为：三甲基铝为Al源，氨气为N源，氢气作为载气，反应室压力为50～300torr，衬底温度为1000～1260℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为3000～5000，生长速率为1～2μm/h。
在所述步骤S204中，在第一AlGaN层生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述高温AlN层上生长第一AlGaN层，工艺条件为：三甲基铝为Al源，三甲基镓为Ga源，氨气为N源，氢气作为载气，反应室压力为50～300torr，衬底温度为600～900℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为3000～5000，生长速率为1～2μm/h。
在所述步骤S205中，在第二AlGaN层生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述第一AlGaN层上生长第二AlGaN层，工艺条件为：三甲基铝为Al源，三甲基镓为Ga源，氨气为N源，反应室压力为50～300torr，衬底温度为1000～1260℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为3000～5000，生长速率为1～2μm/h。
在所述步骤S206中，在n型掺杂AlGaN层外延生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述第二AlGaN层上生长n型掺杂AlGaN层，工艺条件为：三甲基铝为Al源，三甲基镓为Ga源，氨气为N源，反应室压力为50～300torr，衬底温度为1000～1260℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为3000～5000，生长速率为2～4μm/h；所述n型掺杂AlGaN层掺杂有Si，Si掺杂浓度为1×1017～1×1020cm-3。
在所述步骤S207中，在AlGaN多量子阱层外延生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述n型掺杂AlGaN层上生长7～10个周期的Al0.3Ga0.7N阱层/Al0.5Ga0.5N垒层，工艺条件为：三甲基铝为Al源，三甲基镓为Ga源，氨气为N源，反应室压力为50～300torr，衬底温度为1000～1260℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为3000～5000，生长速率为2～4μm/h。
在所述步骤S208中，在电子阻挡层外延生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述AlGaN多量子阱层上生长Al0.4Ga0.6N电子阻挡层，工艺条件为：三甲基铝为Al源，三甲基镓为Ga源，氨气为N源，反应室压力为50～300torr，衬底温度为1000～1260℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为3000～5000，生长速率为2～4μm/h。
在所述步骤S209中，在Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层外延生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述电子阻挡层上生长Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层，工艺条件为：三甲基铝为Al源，三甲基镓为Ga源，氨气为N源，反应室压力为50～300torr，Si衬底温度为1000～1260℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为3000～5000，生长速率为2～4μm/h。
在所述步骤S210中，在p型掺杂GaN层外延生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层上生长p型掺杂GaN层，工艺条件为：三甲基镓为Ga源，氨气为N源，反应室压力为50～300torr，Si衬底温度为1000～1060℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为3000～5000，生长速率为2～4μm/h。
将本发明其中一个实施例制备的生长在Si衬底上的AlGaN基深紫外LED制成芯片：在本实施例制备的生长在Si衬底上的AlGaN基深紫外LED外延片上电子束蒸发电极并退火形成欧姆接触。在Si衬底上制备得到的AlGaN基深紫外LED器件，在50mA的工作电流下，LED器件的光输出功率为3.3mW，开启电压值为5.18V。将本发明另一个实施例制备的生长在Si衬底上的AlGaN基深紫外LED制成芯片：在本实施例制备的生长在Si衬底上的AlGaN基深紫外LED外延片上电子束蒸发电极并退火形成欧姆接触。在Si衬底上制备得到的AlGaN基深紫外LED器件，在50mA的工作电流下，LED器件的光输出功率为3.5mW，开启电压值为5.5V。
本发明实施例采用低温结合高温AlN缓冲层，以及非晶态缓冲层技术，降低Si和AlGaN之间的晶格失配；缓解薄膜中缺陷密度，从而实现高晶体质量AlGaN薄膜及AlGaN基深紫外LED外延片的生长；本发明的制备方法中，采用Al组分分段渐变p型AlGaN结构，有利于克服AlGaN基深紫外LED由于极化效应导致出光效率低的问题，获得高性能的AlGaN基深紫外LED；本发明使用Si作为衬底，衬底容易获得，价格便宜，有利于降低生产成本；本发明的生长工艺独特而简单易行，具有可重复性；本发明可获得高质量且界面光滑的外延层薄膜，进而制备高性能、发光效率高的AlGaN基光电器件，此法简单易行、效果显著、价格低廉。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种Si衬底的AlGaN基深紫外LED外延片，其特征在于，包括：生长在Si衬底上的低温AlN层、生长在所述低温AlN层上的高温AlN层、生长在所述高温AlN层上的第一AlGaN层、生长在所述第一AlGaN层上的第二AlGaN层、生长在所述第二AlGaN层上的n型掺杂AlGaN层、生长在所述n型掺杂AlGaN层上的AlGaN多量子阱层、生长在所述AlGaN多量子阱层上的电子阻挡层、生长在所述电子阻挡层上的Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层、生长在所述Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层上的p型掺杂GaN层。
2.根据权利要求1所述的AlGaN基深紫外LED外延片，其特征在于，所述低温AlN层的厚度为50～100nm。
3.根据权利要求1所述的AlGaN基深紫外LED外延片，其特征在于，所述高温AlN层的厚度为200～500nm。
4.根据权利要求1所述的AlGaN基深紫外LED外延片，其特征在于，所述第一AlGaN层的厚度为2～10nm。
5.根据权利要求1所述的AlGaN基深紫外LED外延片，其特征在于，所述第二AlGaN层的厚度为800～2000nm。
6.根据权利要求1所述的AlGaN基深紫外LED外延片，其特征在于，所述n型掺杂AlGaN层的厚度为3～5μm。
7.根据权利要求1所述的AlGaN基深紫外LED外延片，其特征在于，所述AlGaN多量子阱层由7～10个周期的Al0.3Ga0.7N阱层和Al0.5Ga0.5N垒层构成。
8.根据权利要求7所述的AlGaN基深紫外LED外延片，其特征在于，所述Al0.3Ga0.7N阱层的厚度为2～3nm，所述Al0.5Ga0.5N垒层的厚度为10～13nm。
9.根据权利要求1所述的AlGaN基深紫外LED外延片，其特征在于，从靠近Si衬底至远离Si衬底的方向，所述Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层中Al组分的含量从0.4逐渐降低至0，所述Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层的厚度为300～350nm。
10.一种如权利要求1～9任一项所述的AlGaN基深紫外LED外延片的制备方法，其特征在于，包括：
选取Si衬底；
在所述Si衬底上生长低温AlN层；
在所述低温AlN层上生长高温AlN层；
在所述高温AlN层生长第一AlGaN层；
在所述第一AlGaN层上生长第二AlGaN层；
在所述第二AlGaN层上生长n型掺杂AlGaN层；
在所述n型掺杂AlGaN层上生长AlGaN多量子阱层；
在所述AlGaN多量子阱层上生长电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上生长Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层；
在所述Al组分分段渐变p型掺杂AlGaN层上生长p型掺杂GaN层。
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