CN105161582B - 一种采用mocvd技术制备深紫外led的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种采用MOCVD技术制备深紫外LED方法，其特点是：在AlN和n‑AlGaN接触层之间插入20至30周期其Al组分随生长周期数增加依次降低的超晶格应力调控层，以降低穿透位错密度和生长无龟裂高晶体质量的AlGaN外延层；采用Si、In共掺杂方法生长具有高电导率的n‑AlInGaN接触层；采用非对称单量子阱有源区结构，使AlGaN材料的极化特性随Al含量增加而增强，极化电场对LED量子阱结构能带的调制使阱区能带发生倾斜，而非对称阱可以增加电子和空穴的波函数的交叠，从而提高LED发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子技术领域，一种近紫外发光二极管的制作方法，尤其涉及一种采用MOCVD(金属有机化合物气相外延)技术制备具有阱宽渐变电流扩展层的深紫外LED的方法。
背景技术
GaN基UV-LED是目前替代汞激发紫外光源的唯一固态光源解决方案，AlInGaN半导体紫外光源原则上可以取代现有的UVA(315-400nm)，UVB(280-315nm)，UVC(200-280nm)光源。UV-LED近几年市场份额逐年递增、潜力巨大，在照明、杀菌、医疗、印刷、生化检测、高密度的信息储存和保密通讯等领域具有重大应用价值。美国、日本、欧洲等国家都投入巨大研发力量，以求占据行业的制高点。从目前市场显示结果来看，UVA波段LED占整个紫外波段市场份额的90％，而UV A波段LED总量的60％以上用于固化，固化广泛用于各行各业，涵括电子、光子、生物、医学等领域。日本日亚公司推出了365nm的紫外半导体光源，其应用范围迅速扩展到工业用紫外固化、光触媒以及紫外光刻领域。但是目前365nm左右的紫外光源仅有日本、美国等少数几家公司能够生产，且价格昂贵。UV LED光源研究在国内已有一定的开展，北京大学、中科院半导体所、厦门大学及国内一些企业如青岛杰生、西安中为、鸿利光电均积累了一定的基础。总体来看，欧美日本占据着UV LED产业的主导地位；国内由于紫外LED制作技术要求高，难度大，许多欲进入这一领域的企业望而却步，紫外LED在我国市场也尚未完全打开。高Al组分AlGaN在蓝宝石上一般表现为张应力，这将导致AlGaN材料位错密度的增加甚至开裂。因为在紫外LED中，有源区中In组分的降低将导致局域化效应的减弱，位错对发光的影响将增加。低的位错密度和压应力是高质量AlGaN器件结构的需求。AlN衬底上生长AlGaN提供了这种可行性。美国、日本和德国的一些公司已经开展了AlN衬底及其器件的研究。美国Crystal IS公司2012年报道了他们在104cm-2的位错密度的的AlN衬底上制备波长290nm的紫外LED，内量子效率达到65％。Nitride crystal公司也报道了他们的AlN衬底以及生长得到紫外LED的优良性能。对于高Al组分的AlGaN而言，掺杂也是一个及其严重的问题。随着Al组分的增加，材料的C,O非故意掺杂严重，杂质补偿的效应明显，同时杂质的激活能也随着AlGaN带隙增加而增加。这种效应不但对p型起作用，对n型掺杂也同样起作用。Al组分为0.45的AlGaN中Mg的激活能达到400meV，而AlN中更达到630meV。美国德州大学的江红星等人利用Si，In共掺的方法部分解决了高Al组分n型掺杂的问题，而p型掺杂则使用了AlGaN/GaN超晶格的方法，利用极化效应引起的能带弯曲使得费米能级进入部分价带而得到空穴浓度的增加。2010年，美国Notre Dame大学Simon等人则在N面AlGaN上生长渐变的超晶格结构，Ga面的极化电荷大于N面的极化电荷，极化电场引起的能带弯曲使得费米能级进入价带，形成较高浓度的空穴气体。本发明通过设计新型的LED应力调控层结构，在AlN缓冲层和n-AlInGaN接触层之间生长Al组分渐变的n-AlGaN/AlN超晶格有效减少高Al组分外延层的应力；同时设计有源区结构采用非对称单量子阱，提高复合发光效率，进而实现提高深紫外LED发光效率的目的。
发明内容
本发明提供一种采用MOCVD技术制备深紫外LED的方法。通过设计新型的LED应力调控层结构，在AlN缓冲层和n-AlInGaN接触层之间生长Al组分渐变的n-AlGaN/AlN超晶格有效减少高Al组分外延层的应力；同时设计有源区结构采用非对称单量子阱，提高复合发光效率，进而实现提高深紫外LED发光效率的目的。
一种采用MOCVD技术制备深紫外LED的方法，其LED外延结构从下向上的顺序的依次为：图形化蓝宝石衬底、低温AlN成核层、高温AlN层、多周期AlGaN/AlN超晶格应力调控层；n+-AlInGaN接触层、n-AlGaN电流扩展层、非对称单量子阱有源区、p-AlGaN电子阻挡层、p-AlGaN限制层以及p-GaN接触层。本发明方法包括以下步骤：
步骤一，在MOCVD(金属有机化合物气相外延)反应室中,将Al2O3衬底在1080℃-1100℃、反应室压力100torr、H2(氢气)气氛下，处理5-10分钟，然后降低温度，在500℃-800℃、反应室压力75-100torr、H2气氛下，V/III摩尔比为300-1000；生长20-50纳米厚的低温AlN缓冲层；
步骤二，在1000-1500℃、反应室压力75-100torr、H2气氛下，V/III摩尔比为300-1000；生长300微米厚的高温AlN层；
步骤三，在1000-1500℃、反应室压力75-100torr、H2气氛下，V/III摩尔比为300-1000；生长Al组分渐变的多周期AlxGa1-xN/AlN(5nm/5nm)超晶格应力调控层，其结构：周期数为30，其中Al组分x随着超晶格生长周期数的增加从100％线性递减至71％；
步骤四，在1000-1200℃、反应室压力75-100torr、H2气氛下，V/III摩尔比为300-1000；生长1微米厚的n-Al0.55In0.01Ga0.44N接触层；采用Si、In共掺的方法获得高电导率的n型层；
步骤五，在1000-1500℃、反应室压力75-100torr、H2气氛下，V/III摩尔比为300-1000；生长100-200纳米厚的n-Al0.5Ga0.5N电流扩展层；Si掺杂浓度为1018-1019cm-3；
步骤六，在1000-1200℃下，反应室压力为75-100torr，在氢气(H2)气氛下，V/III摩尔比为300-1000；生长非对称单量子阱有源区，其结构为15nm厚的Al0.45Ga0.55N垒、5nm厚的Al0.42Ga0.58N阱和8nm Al0.45Ga0.55N垒。
步骤七，在1000-1500℃下，反应室压力为75-100torr，在氢气(H2)气氛下，V/III摩尔比为300-1000其上生长10nm的Al0.6Ga0.4N电子阻挡层。
步骤八，在1000-1500℃下，反应室压力为75-100torr，在氢气(H2)气氛下，V/III摩尔比为300-1000，生长50nm厚的p-Al0.5Ga0.5N限制层和50nm厚的p-GaN接触层；Mg掺杂浓度为1017-1018cm-3。
附图说明
图1是本发明实施例1中一种采用MOCVD技术制备深紫外LED的竖直剖面视图；其中，101：图形化Al2O3衬底，102：低温AlN缓冲层，103：高温AlN缓冲层,104：AlGaN/AlN超晶格应力调控层,105:n-AlInGaN接触层，106:n-AlGaN电流扩展层，107:非对称单量子阱有源区，108:Al0.6Ga0.4N电子阻挡层，109:p-AlGaN限制层，110:p-GaN接触层。
图2是本发明中一种采用MOCVD技术制备深紫外LED的制备流程图及调控要素(材料、工艺环境、参数等)示意图。
具体实施方式
本本发明提供一种采用MOCVD(金属有机化合物气相外延)技术制备深紫外LED的方法。通过设计新型的LED应力调控层结构，在AlN缓冲层和n-AlInGaN接触层之间生长Al组分渐变的n-AlGaN/AlN超晶格有效减少高Al组分外延层的应力；同时设计非对称单量子阱有源区结构，提高复合发光效率，进一步提高深紫外LED发光效率。
实施例1
使用Aixtron公司,紧耦合垂直反应室MOCVD生长系统。在LED外延片结构的生长过程中，使用三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)作为III族源，氨气(NH3)作为V族源，硅烷(SiH4)作为n型掺杂源，二茂镁(Cp2Mg)作为p型掺杂源。首先在金属有机化合物气相外延反应室中将Al2O3衬底在氢气气氛下，1080℃-1100℃下反应室压力100torr，处理5-10分钟，然后降低温度，然后在500℃-800℃，反应室压力75-100torr，在氢气(H2)气氛下，V/III摩尔比为300-1000；生长20-50纳米厚的低温AlN缓冲层；在1000-1500℃下，反应室压力为75-100torr，在氢气(H2)气氛下，V/III摩尔比为300-1000；生长300微米厚高温AlN层；
在1000-1500℃下，反应室压力为75-100torr，在氢气(H2)气氛下，V/III摩尔比为300-1000；生长30个周期的AlxGa1-xN/AlN(5nm/5nm)超晶格,Al组分x随着超晶格生长周期数的增加从100％线性递减至71％；Al组分依次为：100％、99％、98％、97％、96％、95％、94％、93％、92％、91％、90％、89％、88％、87％、86％、85％、84％、83％、82％、81％、80％、79％、78％、77％、76％、75％、74％、73％、72％、71％；在1000-1200℃下，反应室压力为75-100torr，在氢气(H2)气氛下，V/III摩尔比为300-1000；生长1微米厚n-Al0.55In0.01Ga0.44N接触层；Si掺杂浓度为1018-1019cm-3；在1000-1500℃下，反应室压力为75-100torr，在氢气(H2)气氛下，V/III摩尔比为300-1000；生长100-200纳米厚n-Al0.5Ga0.5N电流扩展层；Si掺杂浓度为1018-1019cm-3；在1000-1200℃下，反应室压力为75-100torr，在氢气(H2)气氛下，V/III摩尔比为300-1000；生长非对称单量子阱有源区,其结构为15nm厚的Al0.45Ga0.55N垒、5nm厚的Al0.42Ga0.58N阱和8nm Al0.45Ga0.55N垒。在1000-1500℃下，反应室压力为75-100torr，在氢气(H2)气氛下，V/III摩尔比为300-1000其上生长10nm的Al0.6Ga0.4N电子阻挡层。在1000-1500℃下，反应室压力为75-100torr，在氢气(H2)气氛下，V/III摩尔比为300-1000，生长50nm厚的p-Al0.5Ga0.5N限制层和50nm厚的p-GaN接触层，Mg掺杂浓度为1017-1018cm-3。
以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其描述较为具体和详细，其目的在于使本领域的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，因此不能仅以此来限定本发明的专利范围，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，即凡依据本发明所揭示的精神所作的变化，仍应涵盖在本发明的专利范围内。
Claims (3)
1.一种采用MOCVD技术制备深紫外LED的方法，其LED外延结构从下向上的顺序依次为：图形化蓝宝石衬底、低温AlN成核层、高温AlN层、多周期AlGaN/AlN超晶格应力调控层；n-AlInGaN接触层、n-AlGaN电流扩展层、非对称单量子阱有源区、p-AlGaN电子阻挡层、p-AlGaN限制层以及p-GaN接触层；所述方法包括以下步骤：
步骤一，在MOCVD（金属有机化合物气相外延）反应室中，将Al2O3衬底在1080℃-1100℃、反应室压力100torr、H2（氢气）气氛下，处理5-10分钟，然后降低温度，在500℃-800℃、反应室压力75-100torr、H2气氛下，V/III摩尔比为300-1000；生长20-50纳米厚的低温AlN缓冲层；
步骤二，在1000-1500℃、反应室压力75-100torr、H2气氛下，V/III摩尔比为300-1000；生长300微米厚的高温AlN层；
步骤三，在1000-1500℃、反应室压力75-100torr、H2气氛下，V/III摩尔比为300-1000；生长Al组分渐变的多周期AlxGa1-xN/AlN超晶格应力调控层；
步骤四，在1000-1200℃、反应室压力75-100torr、H2气氛下，V/III摩尔比为300-1000；生长1微米厚的n-Al0.55In0.01Ga0.44N接触层；
步骤五，在1000-1500℃、反应室压力75-100torr、H2气氛下，V/III摩尔比为300-1000；生长100-200纳米厚的n-Al0.5Ga0.5N电流扩展层；Si掺杂浓度为1018-1019cm-3；
步骤六，在1000-1200℃、反应室压力75-100torr、H2气氛下，V/III摩尔比为300-1000；生长非对称单量子阱有源区：
步骤七，在1000-1500℃、反应室压力75-100torr、H2气氛下，V/III摩尔比为300-1000，生长10nm的Al0.6Ga0.4N电子阻挡层；
步骤八，在1000-1500℃下、反应室压力75-100torr、H2气氛下，V/III摩尔比为300-1000，生长50nm厚的p-Al0.5Ga0.5N限制层和50nm厚的p-GaN接触层；Mg掺杂浓度为1017-1018cm-3；
所述Al组分渐变的多周期AlxGa1-xN/AlN超晶格应力调控层，其结构：周期数为30个，其中Al组分x随着超晶格生长周期数的增加从100%线性递减至71%；
所述非对称单量子阱有源区，其结构为15nm厚的Al0.45Ga0.55N垒、5nm厚的Al0.42Ga0.58N阱和8nm Al0.45Ga0.55N垒。
2.根据权利要求1所述的一种采用MOCVD技术制备深紫外LED的方法，其特征在于：所述n-AlInGaN接触层，采用Si、In共掺杂的方法获得高电导率的n型层。
3.根据权利要求1所述的一种采用MOCVD技术制备深紫外LED的方法，其特征在于：所述LED外延片结构生长过程中，以三甲基镓，三甲基铝、三甲基铟作为III族源，氨气作为V族源，以硅烷作为n型掺杂源，二茂镁作为p型掺杂源。
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