CN103337574A - 一种半导体紫外光源器件 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种半导体固态紫外光源器件，所述器件的外延结构包括：一N型AlGaN层，一P型AlGaN层，和一包裹在所述N型AlGaN层和所述P型AlGaN层中的AlGaN/AlGaN多量子阱发光区，所述外延结构的外延生长面是

面，形成在衬底上，其中，所述衬底为M-面蓝宝石衬底，该蓝宝石衬底表面有微米或亚微米尺寸的蓝宝石凸起。本发明通过调整AlInGaN材料的外延生长方向，降低发光区多量子阱中的极化电场，减少量子垒、阱的能带边倾斜，降低紫外LED的正向工作电压，提高量子阱的发光效率。

Description

一种半导体紫外光源器件

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，特别涉及一种半导体固态紫外光源器件的外延结构。

背景技术

III族氮化物AlInGaN材料的能带宽度从0.7eV到6.2eV连续可调，是制作半导体固态紫外发光二极管(LED)主要材料体系。AlInGaN半导体紫外LED较传统紫外线光源有着无公害、体积小、寿命长、效率高、反应快、波长可调、光功率密度大、应用产品设计灵活等多方优点，故其在多种应用场合逐渐发挥着重要角色。高功率365nm LED可望取代高压汞灯（I₂线，365nm）成为下一代高效紫外固化光源；高功率深紫外LED（波长<290nm）则肯定会取代低压汞灯（253.7nm线）成为下一代紫外消毒的主要光源；其它波段的紫外LED也都在特定的应用场合有着显著的应用前景，如：297nm紫外LED能增加人体维生素D3的合成和钙的吸收，311nm紫外LED可以在医疗上如皮肤病治疗中有着广泛应用。

目前的紫外LED(峰值波长λp<350nm)的外延结构基本都是基于Zhang等人的设计：先是在C-面（（0001））蓝宝石上外延一高质量的AlN基底，然后是一套AlN/AlGaN超晶格以进一步降低AlN基底材料中的穿透位错密度和预备应力过渡到随后的厚膜N-型AlGaN电子提供层，其后是AlGaN/AlGaN多量子阱(MQW)发光区，随后是p-型AlGaN电子阻挡层和p-型GaN欧姆电极接触层。(参见：J.P.Zhang et al,Milliwatt power deep ultraviolet light-emitting diodesover sapphire with emission at278nm,APPLIED PHYSICS LETTERS81,4910(2002)；J.P.Zhang et al,AlGaN-based280nm light-emitting diodes withcontinuous-wave power exceeding1mW at25mA，APPLIED PHYSICS LETTERS85,5532(2004)；J.P.Zhang et al,Crack-free thick AlGaN grown on sapphire usingAlN/AlGaN superlattices for strain management,APPLIED PHYSICS LETTERS80,3542(2002)；J.P.Zhang et al,AlGaN Deep-Ultraviolet Light-Emitting Diodes,Japanese Journal of Applied Physics44,7250(2005))。

可见，现有技术中紫外LED的外延一般是沿着c方向([0001])进行。AlInGaN材料在c方向上存在着最大的自极化和压电极化现象，c平面异质界面存在大量的界面电荷，面密度可以超过10¹³/cm²，产生超过1MV/cm的极化电场强度，严重改变异质结的能带结构。具体到发光区多量子阱来说，垒中的极化电场阻碍了电子和空穴向量子阱的注入，使得LED的工作电压升高。阱中的极化电场导致注入阱中的电子和空穴在空间上分离，导致发光效率下降波长红移。这些都是现有紫外LED的缺点。

发明内容

本发明针对现有紫外LED发光效率低、工作电压高的问题，提出一种半导体紫外光源器件，其采用如下技术方案予以实现：

一种半导体固态紫外光源器件，所述器件的外延结构包括：一N型AlGaN层，一P型AlGaN层，和一包裹在所述N型AlGaN层和所述P型AlGaN层中的AlGaN/AlGaN多量子阱发光区，所述外延结构的外延生长面是

面，形成在衬底上，其中，所述衬底为M-面

蓝宝石衬底，该衬底表面有微米或亚微米尺寸的蓝宝石凸起。

进一步地，所述蓝宝石凸起呈准半椭球状。

进一步地，所述准半椭球状凸起的长轴平行于所述M-面蓝宝石的A晶向

可选地，所述准半椭球状凸起的长轴平行于所述M-面蓝宝石的C晶向

进一步地，所述蓝宝石凸起的长轴长500-3000nm,短轴长250-1500nm，高250-1500nm。

进一步地，所述蓝宝石凸起在所述蓝宝石表面呈二维随机分布。

可选地，所述蓝宝石凸起在所述蓝宝石表面呈二维点阵分布。

进一步地，所述蓝宝石凸起具有二维面密度1×10⁷–5×10⁸cm^-2。

进一步地，所述蓝宝石衬底被剥离。

进一步地，所述衬底为M-面AlN、GaN、SiC衬底，该衬底表面有微米或亚微米尺寸的M-面AlN、GaN、SiC凸起，所述外延结构的生长面为M面

面。结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

本发明通过调整AlInGaN材料的外延生长方向，降低发光区多量子阱中的极化电场，减少量子垒、阱的能带边倾斜，降低紫外LED的正向工作电压，提高量子阱的发光效率。

附图说明

图1-1本发明实施例中外延在M-面蓝宝石上的

面GaN外延层的光学显微照片；

图1-2本发明实施例中外延在M-面蓝宝石上的

面AlN外延层的光学显微照片；

图2M-面蓝宝石上的

面AlN、GaN外延层的X射线2θ-ω衍射曲线图；

图3-1M-面蓝宝石上的

面AlN外延层的X射线ω摇摆曲线图；

图3-2M-面蓝宝石上的

面GaN外延层的X射线ω摇摆曲线图；

图4为一M-面蓝宝石上的面AlN外延层对紫外-可见光的透射谱；

图5-1为按照本发明一实施例在M-面蓝宝石上设施的蓝宝石凸起示意图；

图5-2为按照本发明实施例在M-面蓝宝石上设施的蓝宝石凸起鸟瞰示意图；

图6示意了本发明实施例紫外LED外延层状结构示意图；

图7示意了本发明实施例紫外LED外延层状结构示意图。

具体实施方式

本发明实现思想如下：AlInGaN紫外LED包含很多异质界面，在异质界面处，III族元素组份发生突变，导致很多材料、物理参数如晶格常数、压电常数及极化常数等发生突变。异质界面的合理处理是得到高效率紫外LED的关键。其一，要避免异质界面处产生缺陷，如位错。其二，要充分考虑到材料的极化现象，配置好合理的界面极化电荷密度。最好的消除或减少异质界面极化电荷的方式就是形成非极性面或半极性面的异质界面。本发明在多次试验过程中发现在M-面蓝宝石上形成半极性面

GaN，AlN，AlGaN等三族氮化物异质结来实现具有较小极化电场的紫外LED，其异质界面的缺陷可通过M-面蓝宝石上形成的蓝宝石微米或亚微米凸起来消除或减少。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

在本发明的实施例中，外延结构通过外延技术如金属有机物化学气相淀积（MOCVD），分子束外延（MBE），及氢化物气相外延（HVPE）来实现。优选地，可以使用MOCVD技术，以氢气作为载气，三甲基铝（TMAl）作为铝源，三甲基镓（TMGa）作为镓源，氨气（NH₃）作为氮源，在M-面蓝宝石衬底上外延形成半极性的三族氮化物。

在本发明实施例中，非极性面GaN外延层的形成过程如下所述。首先将衬底M-面蓝宝石装入MOCVD反应室，在1020℃的温度下用氢气处理5分钟，然后降温至610℃，打开TMAl源和NH₃源，生长20nm的低温成核层AlN，生长压力是50乇。然后升高温度到1100℃，外延100nm的AlN缓冲层，再降低温度到1000℃，打开TMGa源，生长所需厚度的GaN层。

非极性面AlN外延层的形成过程类似：首先将衬底M-面蓝宝石装入MOCVD反应室，在1020℃的温度下用氢气处理5分钟，然后降温至610℃，生长20nm的低温成核层AlN，生长压力是50乇。然后升高温度到1100℃，外延100nm的AlN缓冲层，再升温到1300℃生长所需厚度的AlN层。

另外，非极性面AlGaN外延层的形成过程也类似：首先将衬底M-面蓝宝石装入MOCVD反应室，在1020℃的温度下用氢气处理5分钟，然后降温至610℃，生长20nm的低温成核层AlN，生长压力是50乇。然后升高温度到1100℃，外延100nm的AlN缓冲层，再同时打开TMAl和TMGa，外延生长所需厚度所需组份的AlGaN层，组份和生长速率由TMAl和TMGa的摩尔流量控制。

图1-1，图1-2分别是按上述实施例形成的约1μm厚的

面GaN和AlN薄膜的干涉光学显微镜照片。GaN膜的表面在普通光学显微镜下显得非常平整，在干涉光学显微镜下可以看到沿蓝宝石A晶向

拉长的晶粒特征。

面的AlN薄膜表面发现三角浅坑缺陷，该缺陷密度和大小随着Al组份的下降快速变小至消失。

图2显示的是上述AlN、GaN外延层的X射线2θ-ω衍射曲线，获得AlN和GaN的

面衍射峰和蓝宝石的

面衍射峰，以此证明得到的是半极性面

面的AlN和GaN薄膜。细致测试表明，AlN、GaN的

面，并未严格平行于衬底蓝宝石的M-面

二者存在一个约0.1-0.2度的微小夹角。该夹角的存在会缓解氮化物和蓝宝石在这两个面内的晶格失配。

通过X-射线ω摇摆曲线测试发现

面AlN和GaN材料在面内质量呈各向异性，结果见图3-1和3-2。对上述GaN薄膜，当入射X-射线光斑平行于M-面蓝宝石的<0001>晶向时，

摇摆曲线半高宽为747arcsec；当入射光斑平行于M-面蓝宝石的

时，

摇摆曲线半高宽为1813arcsec，说明材料沿蓝宝石<0001>方向质量更好。现有文献中，在M-面蓝宝石衬底上生长的半极性面GaN，其

摇摆曲线半高宽为一般为1400-1500arcsec左右(参见文献：T.J.Baker,et al,Characterization of planar semipolar galliumnitride films on sapphire substrate,Jpn.J.Appl.Phys.45,L154(2006).)。对上述AlN薄膜，当入射X-射线光斑平行于M-面蓝宝石的<0001>晶向时，

摇摆曲线半高宽为982arcsec；当入射光斑平行于M-面蓝宝石的

时，

摇摆曲线半高宽为1858arcsec，同样说明AlN材料沿蓝宝石<0001>方向质量更好。

图4显示的是上述

面AlN薄膜对紫外-可见光的透射谱曲线，在所关心的波段里，该AlN膜具有相当好的透光性。

以上分析也表明了，M-面上外延生长的

面GaN、AlN材料质量相当，如果能再进一步提高其质量，半极性面

面的GaN、AlGaN、AlN材料合适制作紫外LED。

现有技术采用C-面（(0001)）蓝宝石外延C-面氮化物来制作紫外和可见光LED。为了提高C-面氮化物LED的质量，在C-面蓝宝石外延面上刻制图形，以提高氮化物的材料质量，其图形安排呈六角对称性，以适应C-面氮化物在面内的六角对称性。

本发明通过安排M-面蓝宝石外延面上的蓝宝石凸起，提高半极性面

GaN、AlGaN、AlN外延材料的质量。如图5-1所示的M-面蓝宝石衬底10，其表面具有至少一个蓝宝石凸起101（图5-1右上角的图为蓝宝石凸起101的侧面结构示意图）。凸起101的形成可以利用已有技术制作，这里只加以简述。先于M-面蓝宝石表面通过半导体光刻工艺形成图形化掩模，将具有掩模的蓝宝石置于等离子体刻蚀机内应用适用的等离子体去刻蚀蓝宝石，没有掩模处的蓝宝石材料被刻蚀掉，掩模下面的蓝宝石得到保护或部分保护（视掩模厚度和刻蚀时间而定）。一般而言，掩模正中心或掩模最厚处下方的蓝宝石得到最多的保护，愈靠近掩模边沿，蓝宝石得到的保护愈小，从而刻蚀得愈多。刻蚀工艺完成后，蓝宝石表面形成凸起，凸起中心最高，表面呈光滑曲面。

按照本发明，凸起101呈类或准半椭球形状，具有长轴长L，短轴长W和高H（见图5-1，），L的范围是500-3000nm,W的范围是250-1500nm，H的范围是250-1500nm。

M-面蓝宝石10可以具有多个蓝宝石凸起101，例如，具有二维面密度1×10⁷–5×10⁸cm^-2。这些凸起可以呈随机分布，也可以呈有规律的二维点阵分布。在某些实施例中该二维点阵是平行四边形点阵，具有点阵基矢a₁、a₂，基矢夹角2θ。点阵基矢及其夹角的选择以满足上述凸起的尺寸和密度为基准。

优选地，凸起101具有一定的方向性。例如，在一些实施例中，凸起101的长轴平行于M-面蓝宝石的A晶向

在另一些实施例中，凸起101的长轴平行于M-面蓝宝石的C晶向

这些特定方向使得III族氮化物外延层在具有凸起的蓝宝石表面上外延更容易合拢。图5-2的鸟瞰图示意的是一M-面蓝宝石衬底10，具有长轴平行蓝宝石A晶向的凸起101，凸起的大小和密度都只是示意性的。

以上所描述的衬底10都是指M-面的蓝宝石衬底，当然，其它具有六角对称晶胞的半导体材料如M-面的AlN，GaN，SiC也可以适用作为衬底10。当使用M面的AlN，GaN，或SiC作为衬底10时，由于衬底和AlGaN外延结构的晶格失配更小，AlGaN深紫外LED外延结构更倾向于拥有M面，即

生长面，此时，衬底凸起101可以是由和衬底相同的材料，或者不同的材料，如电介质材料SiO₂形成。

一般而言，非极性面

和半极性面

AlN，AlGaN和GaN材料容易具有高密度（例如1-2×10⁵cm^-1）的堆垛层错，这些层错一般平躺在C面里，此外，还容易具有高达1×10¹⁰cm^-2的位错，这些位错一般与C面有夹角。凸起101可以阻断这些层错和位错，提高非极性面、半极性面AlN，AlGaN和GaN材料质量，实现高效率的紫外LED。

图6示意的是一紫外LED外延结构实施例。本实施例紫外LED形成在具有凸起101的M-面衬底10，衬底10的材料优选蓝宝石，或者AlN，GaN和SiC（凸起101优选和衬底材质相同）。在衬底10上形成一外延基板21，优选是外延形成的AlN外延层，或者高Al组份的AlGaN外延层。外延基板21的厚度优选地是3至10μm，充分厚于凸起101的高度H，且外延基板21的表面是连续平整的外延面。在外延基板之上是各N-型AlGaN层30，31和32。这三层AlGaN的显著区别是层31是N-型欧姆接触层，需要有优良的导电性，优选地掺Si（施主）浓度高于3×10¹⁸cm^-3，如5×10¹⁸cm^-3，其厚度最少是2μm，以便有着很好的导电性和材料质量。为了提高层31的材料质量，可以在层31和外延基板21之间插入有应力控制机制层30，可以是AlGaN/AlGaN或者AlN/AlGaN多层材料或超晶格材料。在层31之上可以有一低掺Si的AlGaN层32，其中Si杂质（施主）浓度在3×10¹⁷cm^-3至8×10¹⁷cm^-3。

层32之上是发光区多量子阱40，一般包含3-13对AlGaN/AlGaN多量子阱，阱、垒的组份设计合理以得到所需要的紫外光,波长范围在365-230nm。在一些实施例中的紫外LED的多量子阱可以发出230nm至350nm任一波段的紫外线，量子垒的Al组份在20%-85%，量子阱的Al组份在5%-70%，量子垒、阱中可以含有不高于1%的In组份。

在发光区多量子阱40之后有电子阻挡层P型（掺Mg）AlGaN51和空穴注入层P型AlGaN52，随后是P型欧姆接触层重掺Mg的GaN60。P型和N型欧姆接触820和810分别形成在层60和层31上。P型欧姆接触820之上是P型接触电极垫821，N型欧姆接触810之上是N型接触电极垫811。

图6示意的紫外LED实施例也可以利用现有工艺，将衬底10剥离，使得外延结构倒贴到基底70上去（见图7）。基底70含有P型电极72和N型电极71，分别通过金属连接823和813和P-型接触电极垫821及N型接触电极垫811形成欧姆接触。衬底10剥离后，在外延基板21表面形成了空洞101’，有利于提高出光效率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种半导体固态紫外光源器件，所述器件的外延结构包括：一N型AlGaN层，一P型AlGaN层，和一包裹在所述N型AlGaN层和所述P型AlGaN层中的AlGaN/AlGaN多量子阱发光区，所述外延结构的外延生长面是

面，形成在衬底上，其特征在于，所述衬底为M-面

蓝宝石衬底，该衬底表面有微米或亚微米尺寸的蓝宝石凸起。

2.如权利要求1所述的半导体固态紫外光源器件，其特征在于，所述蓝宝石凸起呈准半椭球状。

3.如权利要求2所述的半导体固态紫外光源器件，其特征在于，所述准半椭球状凸起的长轴平行于所述M-面蓝宝石的A晶向

4.如权利要求2所述的半导体固态紫外光源器件，其特征在于，所述准半椭球状凸起的长轴平行于所述M-面蓝宝石的C晶向

5.如权利要求2-4任一项所述的半导体固态紫外光源器件，其特征在于，所述蓝宝石凸起的长轴长500-3000nm,短轴长250-1500nm，高250-1500nm。

6.如权利要求4所述的半导体固态紫外光源器件，其特征在于，所述蓝宝石凸起在所述蓝宝石表面呈二维随机分布。

7.如权利要求4所述的半导体固态紫外光源器件，其特征在于，所述蓝宝石凸起在所述蓝宝石表面呈二维点阵分布。

8.如权利要求6所述的半导体固态紫外光源器件，其特征在于，所述蓝宝石凸起具有二维面密度1×10⁷–5×10⁸cm^-2。

9.如权利要求1所述的半导体固态紫外光源器件，其特征在于，所述蓝宝石衬底被剥离。

10.如权利要求1所述的半导体固态紫外光源器件，所述衬底为M-面AlN、GaN、SiC衬底，该衬底表面有微米或亚微米尺寸的M-面AlN、GaN、SiC凸起，所述外延结构的生长面为M面

面。

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