CN103137805A - 用于光电微型传感器的宽谱紫外发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于光电微型传感器的宽谱紫外发光二极管及其制作方法，采用不同铝组分的多量子阱结构作为有源区。本发明在结构中设计了AlGaN/AlN超晶格缓冲层，实现由蓝宝石衬底到n型AlGaN势垒层的应力释放，为材料的质量提供保障。因为在较低铝组分的AlGaN中才能形成良好的p型欧姆接触，所以有源层的结构也是采取先生长高铝组分的AlGaN层，再依次生长低铝组分的AlGaN层。p型Ni/Au欧姆电极大面积覆盖p型GaN欧姆接触层来实现电流的均匀传输。本发明提供的紫外发光二极管结构，其有源层的多个量子阱由不同铝组分的AlGaN材料构成，从而可以提高其光谱宽度，实现连续波段的紫外光源。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光器件技术领域，特别是一种新型宽谱紫外发光二极管芯片结构，可为紫外光电传感器提供较宽连续光谱，可以用在水质监测、医疗检测等领域。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是以半导体PN结为基本单元的新一代固体发光器件，其利用空间电荷区内电子与空穴的复合产生光子达到发光效应。现有的发光二极管(LED)多以量子阱或多量子阱为有源区来束缚电子空穴对从而达到较高的发光效率。以GaN为代表的III-N基发光二极管作为一种新型的固体光源，具有低功耗、发光效率高、寿命长等特点。其中紫外发光二极管(UV-LED)主要是利用高铝(Al)组分的AlGaN构成宽带隙多量子阱结构。
金属有机物化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)方法是利用金属有机物三甲基镓(trimethylgallium)和三甲基铝(trimethyalluminum)作为三族元素Ga和Al的源，并用氨气(NH3)作为五族元素N的源，生长薄膜时，将载流气体氢气(H2)通过有机金属反应源的容器时，将反应源的饱和蒸气带至反应腔中与其它反应气体混合，然后在被加热的基板上面发生化学反应促成薄膜的成长。
近年来由于材料生长水平的提高，MOCVD技术的发展，已经可以生产较高光电转换效率的紫外(UV)以及深紫外(DUV)发光二极管(LED)，其在生物医疗、水质监测、防伪技术、计算机存储等领域都有着非常广泛的应用。传统的发光二极管(LED)的有源区都是同一种材料作为量子阱结构，即发出单色的较窄半峰宽的的光。然而在许多特殊领域，紫外探测需要连续多个波段峰值光源，那么就需要提供多个紫外发光二极管(UV-LED)。但是这样在一些需要把元器件微型化的设备中，多个UV-LED的布局将占据一定的体积，这样常常会遇到技术瓶颈，并且制造成本也会增加。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于光电微型传感器的宽谱紫外发光二极管，利用有源区不同铝组分的量子阱层，能够在同一个发光二极管芯片上同时提供从波长250nm到300nm连续宽谱紫外光源。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：一种用于光电微型传感器的宽谱紫外发光二极管，其结构沿Ga面生长方向由下至上依次为：蓝宝石衬底、AlN缓冲层、AlGaN/AlN超晶格缓冲层、硅掺杂的n型AlGaN势垒层、有源区-AlGaN多量子阱层、镁掺杂的p型AlGaN势垒层、镁掺杂p型GaN欧姆接触层，从硅掺杂的n型AlGaN势垒层引出n型欧姆接触电极Ti/Al/Ti/Au层，从镁掺杂p型GaN欧姆接触层引出p型欧姆电极Ni/Au层，所述有源区-AlGaN多量子阱层为铝组分不同的多量子阱结构。
作为本发明优选的技术方案，所述有源区-AlGaN多量子阱层包括周期性的量子垒/量子阱，沿Ga面生长方向铝组分分别为：势垒层0.75、量子阱0.62、势垒层0.75、量子阱0.53、势垒层0.65、量子阱0.47、势垒层0.60、量子阱0.41、势垒层0.55、量子阱0.325、势垒层0.44。
作为本发明优选的技术方案，所述有源区-AlGaN多量子阱层的势垒层和量子阱的厚度分别为3nm和12nm。
作为本发明优选的技术方案，所述宽谱紫外发光二极管采取背出光方式。
作为本发明优选的技术方案，所述p型金属电极Ni/Au层覆盖镁掺杂p型GaN欧姆接触层的面积达2/3以上。
作为本发明优选的技术方案，所述p型金属电极Ni/Au层中Ni/Au的厚度分别为5nm/5nm。
作为本发明优选的技术方案，所述AlN缓冲层厚度为10～15nm；AlGaN/AlN的超晶格缓冲层的周期数为5，Al组分为0.7，其中每个周期的Al0.7Ga0.3N和AlN分别生长5～7nm和5～7nm；n型AlGaN势垒层厚度为2～3μm，其中Al组分为0.8；p型AlGaN势垒层中铝的组分为0.5，厚度为50nm；p型GaN欧姆接触层厚度为100nm；n型Ti/Al/Ti/Au欧姆电极层中Ti/Al/Ti/Au的厚度分别为30nm/80nm/30nm/100nm。
本发明还提供了一种用于光电微型传感器的宽谱紫外发光二极管的制作方法，其步骤包括：
A、在蓝宝石衬底上用MOCVD方法生长AlN缓冲层；
B、在AlN缓冲层上生长AlGaN/AlN超晶格缓冲层；
C、在AlGaN/AlN超晶格缓冲层上生长硅掺杂的n型AlGaN势垒层；
D、在n型AlGaN势垒层上生长不同铝组分的有源区-AlGaN多量子阱层；
E、在有源区-AlGaN多量子阱层上生长镁掺杂的p型AlGaN势垒层；
F、在p型AlGaN势垒层上生长镁掺杂的p型GaN欧姆接触层；
G、在镁掺杂的p型GaN欧姆接触层上进行光刻，刻蚀出电池台面，露出硅掺杂的n型AlGaN势垒层，然后蒸镀n型欧姆接触电极Ti/Al/Ti/Au层。
H、在p型GaN欧姆接触层上蒸镀p型Ni/Au欧姆电极。
作为本发明优选的技术方案，其步骤包括：
A、在蓝宝石衬底上用MOCVD方法生长10～15nm的AlN缓冲层；
B、在AlN缓冲层上生长5个周期的Al0.7Ga0.3N/AlN的超晶格缓冲层，其中每个周期的Al0.7Ga0.3N和AlN分别生长5～7nm和5～7nm；
C、在Al0.7Ga0.3N/AlN的超晶格缓冲层上生长硅掺杂的n型Al0.8Ga0.2N势垒层，控制Al0.8Ga0.2N中Al的组分为0.8，硅掺杂的n型Al0.8Ga0.2N势垒层的厚度的控制在2-3μm；
D、在硅掺杂的n型Al0.8Ga0.2N势垒层上生长有源区-AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层，从底面开始分别生长：铝组分为0.75的势垒层厚度为12nm，铝组分为0.62的量子阱层厚度为3nm，铝组分为0.75的势垒层厚度为12nm，铝组分为0.53的量子阱层厚度为3nm，铝组分为0.65的势垒层厚度为12nm，铝组分为0.47的量子阱层厚度为3nm，铝组分为0.60的势垒层厚度为12nm，铝组分为0.41的量子阱层厚度为3nm，铝组分为0.55的势垒层厚度为12nm，铝组分为0.325的量子阱层厚度为3nm，铝组分为0.44的势垒层厚度为12nm；
E、在有源区-AlGaN多量子阱层上生长镁掺杂的p型AlGaN势垒层，p型AlGaN势垒层中铝的组分为0.5，生长厚度为50nm；
F、在p型AlGaN势垒层上生长镁掺杂的p型GaN欧姆接触层，生长厚度为100nm；
G、在p型GaN欧姆接触层上进行光刻，刻蚀出电池台面，露出硅掺杂的n型AlGaN势垒层，使用物理气相沉积法蒸镀n型Ti/Al/Ti/Au欧姆电极层，Ti/Al/Ti/Au的蒸镀厚度分别为30nm/80nm/30nm/100nm；
H、在p型GaN欧姆接触层上蒸镀p型Ni/Au欧姆电极，Ni/Au的蒸镀厚度分别为5nm/5nm。
本发明在结构中设计了AlGaN/AlN超晶格缓冲层，从而实现由蓝宝石衬底到n型AlGaN势垒层的应力释放，为材料的质量提供保障。因为在较低组分的AlGaN中才能形成良好的p型欧姆接触，所以有源层的结构也是采取先生长高组分的AlGaN层，再依次生长低组分的AlGaN层。p型Ni/Au欧姆电极大面积覆盖p型GaN欧姆接触层来实现电流的均匀传输。与现有技术相比，本发明提供的紫外发光二极管结构，其有源层的多个量子阱由不同铝组分的AlGaN材料构成，从而可以提高其光谱宽度，实现连续波段的紫外光源。
附图说明
图1为本发明宽谱紫外发光二极管的结构剖面示意图。
图2为本发明宽谱紫外发光二极管的结构俯视图。
图3为本发明宽谱紫外发光二极管的J-V曲线图。
图4为本发明宽谱紫外发光二极管的发光谱。
图5为本发明宽谱紫外发光二极管制作方法工艺流程图。
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
具体实施方式
实施例1
参见图1和图2，本宽谱紫外发光二极管结构由下至上依次为：蓝宝石衬底1；厚度为10nm的AlN缓冲层2；5个周期的Al0.7Ga0.3N/AlN超晶格缓冲层3，其中每个周期的Al0.7Ga0.3N和AlN分别生长5nm和5nm；厚度为2μm的硅掺杂的n型Al0.8Ga0.2N势垒层4；
有源区-AlGaN多量子阱层5，铝组分为0.75的势垒层厚度为12nm，铝组分为0.62的量子阱层厚度为3nm，铝组分为0.75的势垒层厚度为12nm，铝组分为0.53的量子阱层厚度为3nm，铝组分为0.65的势垒层厚度为12nm，铝组分为0.47的量子阱层厚度为3nm，铝组分为0.60的势垒层厚度为12nm，铝组分为0.41的量子阱层厚度为3nm，铝组分为0.55的势垒层厚度为12nm，铝组分为0.325的量子阱层厚度为3nm，铝组分为0.44的势垒层厚度为12nm；
厚度为50nm的镁掺杂的p型Al0.5Ga0.5N势垒层6；厚度为100nm的镁掺杂p型GaN欧姆接触层；从n型AlGaN势垒层4引出n型欧姆接触电极Ti/Al/Ti/Au层8，其中Ti/Al/Ti/Au的厚度分别为30nm/80nm/30nm/100nm；从p型GaN欧姆接触层7引出p型欧姆电极Ni/Au层9，其中Ni/Au的厚度分别为5/5nm。
实施例2
本实施例结构与实施例1结构基本相同，其区别在于：AlN缓冲层2厚度为15nm；AlGaN/AlN的超晶格缓冲层3每个周期的Al0.7Ga0.3N和AlN分别生长7nm和7nm；n型AlGaN势垒层4厚度为3μm。
实施例3
本实施例结构与实施例1结构基本相同，其区别在于：AlN缓冲层2厚度为12nm；AlGaN/AlN的超晶格缓冲层3每个周期的Al0.7Ga0.3N和AlN分别生长6nm和6nm；n型AlGaN势垒层4厚度为2.5μm。
本实施例的J-V曲线图参见图3，本实施例在3V时才开始产生明显的漏电流，主要是通过空间电荷区的复合电流；通过观察对数曲线lnJ和V的斜率，可以看出本发明有效抑制了常见的紫外LED在有源区产生的隧穿漏电流；本实施例的开启电压在4V以后。这些说明本实施例的结构合理，减少了漏电流对器件的影响，能增加电子空穴在有源区的复合，最终提高器件的发光效率。
图4为本实施例的发光谱。可以看出本实施例产生的连续的、带有五个明显波峰(对应于五个量子阱)的发光谱，光谱范围可以达到从250-300nm。之所以在波长较短的地方发光强度弱是因为高铝组分的量子阱内有较大的极化场强，导致电子空穴的复合数量降低。
实施例4
参见图5，本宽谱紫外发光二极管的制作方法，其步骤包括：
A、在蓝宝石衬底1上用MOCVD方法生长10nm的AlN缓冲层2；
B、在AlN缓冲层2上生长5个周期的Al0.7Ga0.3N/AlN的超晶格缓冲层3，其中每个周期的Al0.7Ga0.3N和AlN分别生长5nm和5nm；
C、在Al0.7Ga0.3N/AlN的超晶格缓冲层3上生长硅掺杂的n型Al0.8Ga0.2N势垒层4，硅掺杂的n型Al0.8Ga0.2N势垒层4的厚度的控制在2μm；
D、在硅掺杂的n型Al0.8Ga0.2N势垒层4上生长有源区-AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层5，从底面开始分别生长：铝组分为0.75的势垒层厚度为12nm，铝组分为0.62的量子阱层厚度为3nm，铝组分为0.75的势垒层厚度为12nm，铝组分为0.53的量子阱层厚度为3nm，铝组分为0.65的势垒层厚度为12nm，铝组分为0.47的量子阱层厚度为3nm，铝组分为0.60的势垒层厚度为12nm，铝组分为0.41的量子阱层厚度为3nm，铝组分为0.55的势垒层厚度为12nm，铝组分为0.325的量子阱层厚度为3nm，铝组分为0.44的势垒层厚度为12nm；
E、在有源区-AlGaN多量子阱层5上生长镁掺杂的p型AlGaN势垒层6，p型AlGaN势垒层6中铝的组分为0.5，生长厚度为50nm；
F、在p型AlGaN势垒层6上生长镁掺杂的p型GaN欧姆接触层7，生长厚度为100nm；
G、在p型GaN欧姆接触层7上进行光刻，刻蚀出电池台面，露出硅掺杂的n型AlGaN势垒层4，使用物理气相沉积法蒸镀n型Ti/Al/Ti/Au欧姆电极层8，Ti/Al/Ti/Au的蒸镀厚度分别为30nm/80nm/30nm/100nm；
H、在p型GaN欧姆接触层7上蒸镀p型Ni/Au欧姆电极9，Ni/Au的蒸镀厚度分别为5nm/5nm。
实施例5
本实施例结构与实施例4步骤基本相同，其区别在于：
步骤A中生长15nm的AlN缓冲层2；
步骤B中每个周期的Al0.7Ga0.3N和AlN分别生长7nm和7nm；
步骤C中硅掺杂的n型Al0.8Ga0.2N势垒层4的厚度的控制在3μm。
实施例6
本实施例结构与实施例4步骤基本相同，其区别在于：
步骤A中生长12nm的AlN缓冲层2；
步骤B中每个周期的Al0.7Ga0.3N和AlN分别生长6nm和6nm；
步骤C中硅掺杂的n型Al0.8Ga0.2N势垒层4的厚度的控制在2.5μm。
Claims (9)
1.一种用于光电微型传感器的宽谱紫外发光二极管，其结构沿Ga面的生长方向由下至上依次为：蓝宝石衬底(1)、AlN缓冲层(2)、AlGaN/AlN超晶格缓冲层(3)、硅掺杂的n型AlGaN势垒层(4)、有源区-AlGaN多量子阱层(5)、镁掺杂的p型AlGaN势垒层(6)、镁掺杂p型GaN欧姆接触层(7)、从硅掺杂的n型AlGaN势垒层(4)引出n型欧姆接触电极Ti/Al/Ti/Au层(8)、从镁掺杂p型GaN欧姆接触层(7)引出p型欧姆电极Ni/Au层(9)、其中有源区-AlGaN多量子阱层(5)为铝组分不同的多量子阱结构。
2.根据权利要求1所述的宽谱紫外发光二极管，其特征在于：所述有源区-AlGaN多量子阱层(5)包括周期性的量子垒/量子阱，沿Ga面生长方向铝组分分别为：势垒层0.75、阱层0.62、势垒层0.75、阱层0.53、势垒层0.65、阱层0.47、势垒层0.60、阱层0.41、势垒层0.55、阱层0.325、势垒层0.44。
3.根据权利要求2所述的宽谱紫外发光二极管，其特征在于：所述有源区-AlGaN多量子阱层(5)的势垒层和量子阱的厚度分别为3nm和12nm。
4.根据权利要求1或2或3所述的宽谱紫外发光二极管，其特征在于：所述宽谱紫外发光二极管采取背出光方式。
5.根据权利要求1或2或3所述的宽谱紫外发光二极管，其特征在于：所述p型金属电极Ni/Au层(9)覆盖镁掺杂p型GaN欧姆接触层(7)的面积达2/3以上。
6.根据权利要求5所述的宽谱紫外发光二极管，其特征在于：所述p型金属电极Ni/Au层(9)中Ni/Au的厚度分别为5nm/5nm。
7.根据权利要求6所述的宽谱紫外发光二极管，其特征在于：所述AlN缓冲层(2)厚度为10～15nm；AlGaN/AlN的超晶格缓冲层(3)的周期数为5，Al组分为0.7，其中每个周期的Al0.7Ga0.3N和AlN分别生长5～7nm和5～7nm；n型AlGaN势垒层(4)厚度为2～3μm，其中Al组分为0.8；p型AlGaN势垒层(6)中铝的组分为0.5，厚度为50nm；p型GaN欧姆接触层(7)厚度为100nm；n型Ti/Al/Ti/Au欧姆电极层(8)中Ti/Al/Ti/Au的厚度分别为30nm/80nm/30nm/100nm。
8.一种权利要求1至7中任一项所述的用于光电微型传感器的宽谱紫外发光二极管的制作方法，其步骤包括：
A、在蓝宝石衬底(1)上用MOCVD方法生长AlN缓冲层(2)；
B、在AlN缓冲层(2)上生长AlGaN/AlN超晶格缓冲层(3)；
C、在AlGaN/AlN超晶格缓冲层(3)上生长硅掺杂的n型AlGaN势垒层(4)；
D、在n型AlGaN势垒层(4)上生长不同铝组分的有源区-AlGaN多量子阱层(5)；
E、在有源区-AlGaN多量子阱层(5)上生长镁掺杂的p型AlGaN势垒层(6)；
F、在p型AlGaN势垒层(6)上生长镁掺杂的p型GaN欧姆接触层(7)；
G、在镁掺杂的p型GaN欧姆接触层(7)上进行光刻，刻蚀出电池台面，露出硅掺杂的n型AlGaN势垒层(4)，然后蒸镀n型欧姆接触电极Ti/Al/Ti/Au层(8)。
H、在p型GaN欧姆接触层(7)上蒸镀p型Ni/Au欧姆电极(9)。
9.根据权利要求8所述的宽谱紫外发光二极管的制作方法，其特征在于：其步骤包括：
A、在蓝宝石衬底(1)上用MOCVD方法生长10～15nm的AlN缓冲层(2)；
B、在AlN缓冲层(2)上生长5个周期的Al0.7Ga0.3N/AlN的超晶格缓冲层(3)，其中每个周期的Al0.7Ga0.3N和AlN分别生长5～7nm和5～7nm；
C、在Al0.7Ga0.3N/AlN的超晶格缓冲层(3)上生长硅掺杂的n型Al0.8Ga0.2N势垒层(4)，控制Al0.8Ga0.2N中Al的组分为0.8，硅掺杂的n型Al0.8Ga0.2N势垒层(4)的厚度的控制在2～3μm；
D、在硅掺杂的n型Al0.8Ga0.2N势垒层(4)上生长有源区-AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层(5)，从底面开始分别生长：铝组分为0.75的势垒层厚度为12nm，铝组分为0.62的量子阱层厚度为3nm，铝组分为0.75的势垒层厚度为12nm，铝组分为0.53的量子阱层厚度为3nm，铝组分为0.65的势垒层厚度为12nm，铝组分为0.47的量子阱层厚度为3nm，铝组分为0.60的势垒层厚度为12nm，铝组分为0.41的量子阱层厚度为3nm，铝组分为0.55的势垒层厚度为12nm，铝组分为0.325的量子阱层厚度为3nm，铝组分为0.44的势垒层厚度为12nm；
E、在有源区-AlGaN多量子阱层(5)上生长镁掺杂的p型AlGaN势垒层(6)，p型AlGaN势垒层(6)中铝的组分为0.5，生长厚度为50nm；
F、在p型AlGaN势垒层(6)上生长镁掺杂的p型GaN欧姆接触层(7)，生长厚度为100nm；
G、在p型GaN欧姆接触层(7)上进行光刻，刻蚀出电池台面，露出硅掺杂的n型AlGaN势垒层(4)，使用物理气相沉积法蒸镀n型Ti/Al/Ti/Au欧姆电极层(8)，Ti/Al/Ti/Au的蒸镀厚度分别为30nm/80nm/30nm/100nm；
H、在p型GaN欧姆接触层(7)上蒸镀p型Ni/Au欧姆电极(9)，Ni/Au的蒸镀厚度分别为5nm/5nm。
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