CN102185064A - 一种利用多量子阱电子阻挡层增加发光效率的AlGaN基深紫外LED器件及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高AlGaN基深紫外LED器件发光效率的方法。该方法采用多周期的AlGaN量子阱结构作为阻挡电子从有源区逃逸到p-AlGaN势垒屋的电子阻挡层。同普通的单层AlGaN电子阻挡层相比，多重AlGaN量子阱结构的电子阻挡层通过量子干涉效应，可以更有效地降低电子传输到p型层，从而增加电子的注入效率，提高LED器件的发光效率。

Description

一种利用多量子阱电子阻挡层增加发光效率的AlGaN基深紫外LED器件及制作方法

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及半导体器件，特别是一种新型AlGaN基多量子阱深紫外LED器件的实现方法，可用于水处理、医疗与生物医学及白光照明领域。

背景技术

研究、开发半导体深紫外发光二极管(LED)是当今宽带隙半导体光电子器件的研究热点。目前所用的传统紫外光源是气体激光器和汞灯，存在着低效率、体积大、不环保和电压高等缺点。与之相反，半导体紫外光源是一种固态紫外光源，它具有效率高、寿命长、体积小、质量轻、环境友好、电压低等优点，在国防技术、信息科技、生物制药、环境监测、公共卫生等领域具有及其广大的应用前景。紫外波段通常分为A、B、C三个波段，其所对应的波长为：UV-A为400～315nm，UV-B为315～280nm，UV-C为280～100nm。III族氮化物半导体的带隙从InN的0.7eV到GaN的3.4eV，再到AlN的6.2eV，其光学窗口为1.77μm～200nm，覆盖了从近红外到深紫外的波段。因此，利用AlGaN三元合金材料有望开拓几乎全紫外波段的固态紫外光源。目前，基于InGaN合金材料的蓝绿光发射器件已经在固体照明领域取得了巨大的商业成功，随着蓝绿光发射器件的日益成熟，人们的目光开始转向了基于高Al组分AlGaN材料的深紫外波段(250～280nm波段)光发射器件的研究。深紫外波段的发光器件同样具有十分重大的应用价值，据预测，这部分的潜在商业市场价值将与可见光发光二极管相比拟。深紫外LED可以取代目前荧光灯中低压汞蒸汽放电的253.7nm深紫外光，激发高效的荧光粉，从而实现环保型的固体荧光灯。深紫外发光器件不仅可作为新一代高效半导体照明固态光源，而且在分析化学和生物物质结构、生物制剂探测系统、杀菌与消毒、医疗环保、非视距隐蔽战术通讯等民用、军用领域有十分重要的技术应用价值。目前的生化预警系统体积庞大、隐蔽性差和易受攻击而起不到预警效果，因此利用深紫外LED研制成小型紧凑、高可靠性和长寿命的半导体生化预警装置有着重要性和紧迫性。最近，利用深紫外LED来制备水和空气的便携简易净化设备以及医用设备等也已进入实用阶段。这种便携式水净化设备也可用于军备，解决野外作战中饮水问题。深紫外半导体光源在军事非视距隐蔽战术通讯系统中也有广泛应用和重要意义。应用半导体深紫外光发射和探测器进行短途通讯不仅有隐蔽通讯的作用，而且通讯装置体积小、功耗少，基本能满足大部分军事战术通讯的带宽要求。因此，高Al组分AlGaN宽带隙半导体材料不仅是发展新一代固 体白光照明技术的急需，而且它将带动紫外频域半导体高新技术的发展，研究、开发高Al组分AlGaN宽带隙半导体材料与器件是当务之急。

深紫外光LED必须利用高Al组分AlGaN材料作为有源层，以实现载流子辐射复合发射深紫外光，因此获得高质量的高Al组分的AlGaN外延材料是实现高性能深紫外光电器件的关键。目前AlGaN基紫外LED的发光效率还比较低，如图1所示，当发光波长短于360nm时，发光效率就马上急剧下降。

导致高Al组分AlGaN基深紫外LED效率偏低的原因既有氮化物半导体的共性问题，如传统c面器件有源区中的强极化电场，也有高Al组分AlGaN材料特有的问题，如对缺陷极为敏感、易龟裂、低电导性等。其中高Al组分的AlGaN材料的p型电导率低形成电子逃逸问题构成一个很重要的因素。因为LED是一种将电能转换为光能的半导体器件。电光转换过程主要由三步骤构成，首先是电子和空穴的注入和传输到活性区，其次是电子和空穴在活性区的辐射复合发出光子，最后是光从器件表面出来。AlGaN材料施主、受主杂质离化能随Al组分的增加而增大，降低了载流子的浓度，尤其是p型高Al组分的AlGaN材料的空穴浓度极低，同时补偿中心和散射中心的增多造成其迁移率也降低，无法为有源区提供与电子密度相当空穴，导致n型材料提供的电子在进入有源区内时不能及时的与空穴符合产生光子，而很大一部分逃逸出了量子阱有源区，进入了p型材料中，大大降低了整个器件的量子效率。为了改善这个问题，目前的器件都是采用一层100纳米左右的P型高Al组分的AlGaN材料作为量子势垒层，以阻挡电子的逃逸。因为单层势垒的阻挡能力有限，虽说在可见光及UVA波段还能起到很好的电子阻挡效果，但对于UVB\UVC波段，由于p型高Al组分的AlGaN材料的电导率过分低，导致单层的高Al组分AlGaN材料电子阻挡层起的作用十分有限，严重影响了器件量子效率。一种可以增强AlGaN材料电子阻挡层的电子阻挡能力的办法就是增加其厚度，但这会大大降低空穴进入有源区的几率，也会导致量子效率降低。因此提出一种既可以增加AlGaN材料电子阻挡层的电子阻挡能力，又不损害空穴注入到有源区效率的电子阻挡层成为提高Al组分AlGaN基深紫外LED量子效率的关键。

发明内容

本发明目的就是在于解决述己有技术关键问题，提出一种利用高Al组分AlGaN材料多量子阱电子结构的电子阻挡层，其优点是(1)AlGaN多量子阱结构能够通过多次电子在界面处的反射形成量子干涉效应，使电子逃逸率降低到几乎为零；(2)AlGaN多量子阱结构不会损害空穴的注入效率，因为空穴可以通过量子隧穿的方式，注入到有源区中，并且由于极化效应，多量子阱结构可以增加电子阻挡层的空穴浓度，有利于向有源区注入更多的空穴。本发明的另一目的是提供利用多量子阱电子阻挡层增加发光效率的ALGAN基深紫外LED器件的制作方法。

本发明的技术方案为：一种利用多量子阱电子阻挡层增加发光效率的 ALGAN基深紫外LED器件，器件结构包括AlN本征层、n型AlGaN底层、AlGaN多量子阱有源区、Al组分在30-40％的p型AlGaN层和p型GaN帽层，AlGaN多量子阱有源区和Al组分在60-80％的p型AlGaN层之间设有p型AlGaN多量子阱电子阻挡层；运用p型AlGaN多量子阱作为电子阻挡层，其电子阻挡能力要优于传统的单层p型AlGaN电子阻挡层。AlN本征层是脉冲原子沉积法和普通生长方法交替生长的、1000℃以上无掺杂的高温本征层。AlGaN多量子阱有源区为2-10个周期的AlGaN多重量子阱，其势垒层的组分在60-80％之间，其量子阱层的组分在50-70％之间。5个左右周期的p型AlGaN多量子阱，其势垒层的组分在90％以上，厚度在4纳米左右；其量子阱层的组分在60-80％之间，厚度在2纳米左右。Al组分在60-80％的p型AlGaN层的厚度在20-30纳米之间。

一种利用多量子阱电子阻挡层增加发光效率的AlGaN基深紫外LED器件的制作方法，其步骤：I.材料生长步骤：在蓝宝石、碳化硅、AlN等衬底上，利用MOCVD工艺，依次生长AlN本征层、Al组分60％-80％的n型AlGaN底层、Al组分50％-70％的AlGaN多量子阱有源区、Al组分60％-100％的p型AlGaN多量子阱电子阻挡层、Al组分60-80％p型AlGaN层和p型GaN帽层。II.器件制作步骤：1)采用感应耦合等离子刻蚀(ICP)或者反应离子刻蚀(RIE)工艺从顶部p型GaN冒层刻蚀至n型AlGaN层，形成n型AlGaN台面；2)在n型AlGaN台面上光刻出n型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在电极图形区蒸发n型欧姆接触金属，形成n型电极；3)在p型GaN冒层光刻出p型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在电极图形区蒸发p型欧姆接触金属，形成p型电极，完成器件制作。

本发明的优点在于：本发明中的AlGaN多量子阱结构能够通过多次电子在界面处的反射形成量子干涉效应，使电子逃逸率降低到几乎为零；本发明AlGaN多量子阱结构不会损害空穴的注入效率，因为空穴可以通过量子隧穿的方式，注入到有源区中，并且由于极化效应，多量子阱结构可以增加电子阻挡层的空穴浓度，有利于向有源区注入更多的空穴。实验证明，通过同既有的采用单层AlGaN电子阻挡层的深紫外光LED器件对比，采用AlGaN多量子阱结构电子阻挡层的的器件的外部量子效率提高了5倍。

附图说明

图1是本发明器件的剖面结构示意图；

图2是传统采用单层AlGaN电子阻挡层的深紫外光LED器件的能带示意图；

图3是本发明采用AlGaN多量子阱电子阻挡层深紫外光LED器件的能带示意图。

1-p电极，2-p-GaN接触层3-p-AlGaN包层，4-p-AlGaN多重量子阱电子阻挡层，5-p-AlGaN势垒，6-AlGaN多重量子阱，7-n-AlGaN接触层，8-n电极，9-AlN底层，10-衬底，11-AlGaN多重量子阱，12-AlGaN单层 电子阻挡层，13-n型层，14-有源区，15-p型层，横坐标代表距离(纳米)，纵坐标代表AlGaN的Al组分，16-AlGaN多重量子阱，17-AlGaN单层电子阻挡层，18-n型层，19-有源区，20-p型层，横坐标代表距离(纳米)

具体实施方式

本发明器件的制作包括材料生长和器件制作两个步骤。

参照图2，本发明的材料生长步骤如下：

步骤1，在蓝宝石基片上，利用MOCVD工艺，生长低温AlN成核层。

将衬底温度降低为600℃，保持生长压力40Torr，氢气流量为1500sccm，氨气流量为1500sccm，向反应室通入流量为28μmol/min的铝源，生长厚度为20nm的低温AlN成核层。

步骤2，在低温AlN成核层上，生长高温AlN本征层。

将生长温度升高到1100℃，保持生长压力40Torr，氢气流量为1500sccm，氨气流量为1500sccm，向反应室温入流量为28μmol/min的铝源，生长厚度为1000nm的高温AlN成核层。

步骤3，在高温AlN本征层上，生长Si掺杂的n型Al0.8Ga0.2N底层。

生长温度保持在1050℃，保持生长压力110Torr，氢气流量为1500sccm，氨气流量1500sccm，向反在室同时通入流最为60μmol/min的铝源、40μmol/min的镓源以及1-3μmol/min的Si源，生长厚度为2000nm的Si掺杂的Al0.8Ga0.2N层。

步骤4，在n型AlGaN势垒层上，生长多量子阱Al0.7Ga0.3N/Al0.8Ga0.2N有源层。

生长温度保持在1050℃，保持生长压力40Torr，氢气流量为1500sccm，氨气流量1500sccm，向反应室同时进入流量为65μmol/min的铝源和80μmol/min的镓源，生长Al0.7Ga0.3N/Al0.8Ga0.2N多量子阱层。Al0.7Ga0.3N阱层厚度为3nm，Al0.8Ga0.2N势垒层厚度为6nm，量子阱的周期为3个。

步骤5，在多量子阱Al0.7Ga0.3N/Al0.8Ga0.2N层上，生长Al0.9Ga0.3N/Al0.8Ga0.2N的p型AlGaN多量子阱的电子阻挡层。

生长温度保持在1050℃，保持生长压力40Torr，氢气流量为1500sccm，氨气流量1500sccm，向反应室同时通入流量为110mol/min的铝源、80μmol/min的镓源，以及3-5μmol/min的Mg源，生长A的p型All0.9Ga0.3N/Al0.8Ga0.2N多量子阱的电子阻挡层，Al0.8Ga0.2N阱层厚度为2nm，All0.9Ga0.3N势垒层厚度为4nm，量子阱的周期为5个。

步骤6，在p型Al0.9Ga0.3N/Al0.8Ga0.2N多量子阱电子阻挡层上，生长p型Al0.8Ga0.2N层。

生长温度保持在1050℃，保持生长压力40Torr，氢气流量为1500sccm，氨气流1500sccm，向反应室同时通入流量为80μmol/min的铝源、120μ/min的镓源以及3-5mol/min的Mg源，生长厚度为60nm的p型Al0.8Ga0.2N势垒 层。

步骤7，在所述的p型Al0.8Ga0.2N层上，生长p型GaN帽层。

生长温度保持在950℃，保持生长压力40Torr，氢气流量为1500sccm，氨气流量1500sccm，向反应室同时通入流量为65μmol/min的镓源，以及3-5μmol/min的Mg源，生长厚度为60nm的P型GaN帽层。

参照图3，本发明的器件制作步骤如下：

第一步，在p型GaN帽层上采用ICP或者RIE工艺刻蚀台面至n型AlGaN层。

采用电子束蒸发设备淀积厚度约为300nm的SiO2层来作为刻蚀掩模层。由于对AlGaN材料的刻蚀速率较慢，增加该步骤是为了在样片上形成SiO2和光刻胶共同起作用的双层掩模图形，更有利于保护未刻蚀区域表面；

对样片甩正胶，转速为5000转/min，然后再在温度为90℃的烘箱中烘15min，

通过光刻以及显影形成刻蚀所需的图形；

采用ICP干法刻蚀，形成台面，刻蚀时采用的电极功率为550W，偏压为110V，压力为1.5Pa，刻蚀时间为400s；

采用丙酮去除刻蚀后的正胶，然后在BOE中浸泡1min去除Si02掩膜，最后用去离子水清洗干净并用氯气吹干，除去刻蚀后的掩摸层。

第二步，在n型AlGaN层上光刻出n型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在电极图形区蒸发n型欧姆接触金属，形成n型电极。

为了更好地剥离金属，首先在样片上甩黏附剂，转速为8000转/min，时间为30s，在温度为160℃的高温烘箱中烘20min；然后再在该样品上甩正胶，转速为5000转/min，最后在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，光刻获得n型电极图形；

采用等离子体去胶机去除图形区未显影干净的光刻胶薄层，该步骤大大提高了剥离的成品率，而后采用电子束蒸发设备淀积Ti/Al/Ti/Au四层金属；

在丙酮中浸泡40min以上后进有超声处理，然后用氮气吹干。将样片放入到快速退火炉中，首先向退火炉内通入氮气10min左右，然后用氮气气氛下，温度为870℃条件下进行40s的高温退火，形成n型电极。第四步，在P型GaN冒层上光刻出p型电极的图形，电子束蒸发工艺，在电极图形区蒸发P型欧姆接触金属，形成p型电极。

首先在样片上甩黏附剂，甩胶台的转速为8000转/min，时间为30s，将其放入温度为160℃的高温烘箱中烘20min；之后再在该样片上甩正胶，甩胶台的转速为5000转/min，放入温度为80℃的高温烘箱中烘10min，光刻获得p型电极图形；

采用等离子体去胶机去除图形区未显影干净的光刻胶薄层，在p型电极图形上采用电子束蒸发设备蒸发Ni/Au两层金属来作为p型电极；

将进行上述处理的样片放入丙酮中浸泡20min以上后进行超声处理，然后用氮气吹干，之后再将该样片放入到快速退火炉中，在空气气氛下，温度为560℃条件下进行10min的高温退火，形成P型电极，完成器件制作。

Claims (6)

1.一种利用多量子阱电子阻挡层增加发光效率的ALGAN基深紫外发光二极管(LED)器件，器件结构包括AlN本征层、n型AlGaN底层、AlGaN多量子阱有源区、Al组分在30-40％的p型AlGaN层和p型GaN帽层，其特征在于：AlGaN多量子阱有源区和Al组分在60-80％的p型AlGaN层之间设有p型AlGaN多量子阱电子阻挡层；运用p型AlGaN多量子阱作为电子阻挡层，其电子阻挡能力要优于传统的单层p型AlGaN电子阻挡层。

2.根据权利要求1所述一种利用多量子阱电子阻挡层增加发光效率的ALGAN基深紫外LED器件，所述的n型AlGaN底层，是采用AlGaN多量子阱紫外LED器件，其特征在于：AlN本征层是脉冲原子沉积法和普通生长方法交替生长的、1000℃以上无掺杂的高温本征层。

3.根据权利要求1所述一种利用多量子阱电子阻挡层增加发光效率的ALGAN基深紫外LED器件，其特征在于：AlGaN多量子阱有源区为2-10个周期的AlGaN多重量子阱，其势垒层的组分在60-80％之间，其量子阱层的组分在50-70％之间。

4.根据权利要求1所述一种利用多量子阱电子阻挡层增加发光效率的ALGAN基深紫外LED器件，其特征在于：5个左右周期的p型AlGaN多量子阱，其势垒层的组分在90％以上，厚度在4纳米左右；其量子阱层的组分在60-80％之间，厚度在2纳米左右。

5.根据权利要求1所述一种利用多量子阱电子阻挡层增加发光效率的ALGAN基深紫外LED器件，其特征在于：Al组分在60-80％的p型AlGaN层的厚度在20-30纳米之间。

6.一种利用多量子阱电子阻挡层增加发光效率的AlGaN基深紫外LED器件的制作方法，其步骤：

I.材料生长步骤：在蓝宝石、碳化硅、AlN等衬底上，利用MOCVD工艺，依次生长AlN本征层、Al组分60％-80％的n型AlGaN底层、Al组分50％-70％的AlGaN多量子阱有源区、Al组分60％-100％的p型AlGaN多量子阱电子阻挡层、Al组分60-80％p型AlGaN层和p型GaN帽层；

II.器件制作步骤：

1)采用ICP或者RIE工艺从顶部p型GaN冒层刻蚀至n型AlGaN层，形成n型AlGaN台面；

2)在n型AlGaN台面上光刻出n型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在电极图形区蒸发n型欧姆接触金属，形成n型电极；

3)在p型GaN冒层光刻出p型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在电极图形区蒸发p型欧姆接触金属，形成p型电极，完成器件制作。

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