CN105161583A - 氮化嫁基紫外半导体发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体发光技术领域，具体涉及氮化嫁基紫外半导体发光二极管及其制作方法；包括依次层叠设置的蓝宝石衬底层、氮化嫁缓冲层、非掺杂氮化嫁层、N型氮化嫁层、多个周期对的AlGaN/InGaN多量子阱层、P型铝镓氮层、P型氮化镓层及渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层，所述渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层为组分均匀渐变的(AlxIn1-x)yGa1-yN四元合金层；本发明可减少对紫外光的吸收，提高发光效率，并且禁带宽度逐渐减少，同时降低了元器件的工作电压，延长了元器件的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光技术领域，具体涉及氮化嫁基紫外半导体发光二极管及其制作方法。
背景技术
氮化嫁基紫外光半导体发光二极管，发光波长理论上在200nm-400nm的波段范围内，相对于蓝绿光而言，禁带宽度大且光子能量强。在传统氮化嫁基蓝绿光半导体发光二极管外延结构中，为使得其更好的与ITO电流扩展层结合，会在外延结构的最上层表面生长一层，用以降低表面接触引起的电压升高问题。但由于InGaN材料本身的禁带宽度决定了其对于波长在400nm以下的紫外光具有强烈的吸收作用，并且制造掺杂Mg的P型InGaN层时，使用的低温掺杂Mg工艺，会造成大量缺陷，对于高能量的光子吸收作用明显降低外量子效率。
发明内容
本发明为了解决上述现有的技术缺点，提供一种氮化嫁基紫外半导体发光二极管及其制作方法，其可减少对紫外光的吸收，提高发光效率，并且禁带宽度逐渐减少，同时降低了元器件的工作电压，延长了元器件的使用寿命。
为实现上述目的，本发明提供一种氮化嫁基紫外半导体发光二极管，包括依次层叠设置的蓝宝石衬底层、氮化嫁缓冲层、非掺杂氮化嫁层、N型氮化嫁层、多个周期对的AlGaN/InGaN多量子阱层、P型铝镓氮层、P型氮化镓层及渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层，所述渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层为组分均匀渐变的(AlxIn1-x)yGa1-yN四元合金层。
具体的，所述多个周期对的AlGaN/InGaN多量子阱层至少为5个周期对。
进一步的，所述渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层为非掺杂的晶体结构；所述渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层中铝组分含量和铟组分含量在生长过程中始终均匀渐变，并且是铝组分含量逐渐变小，铟组分含量逐渐变大。
在本发明中，所述渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层在开始生长时铝的组分含量x1的数值为x1＝1，在渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层生长结束时铝的组分含量x2的数值为x2＝0.5-1中的任何值；所述在渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层从开始生长到生长结束时，铝铟的组分含量y的数值为y＝0.1-0.3中的任何值。
进一步的，所述渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层的厚度h与结束生长时铝的组分含量x的关系为：h＝10(3-2x2)。
在本发明中，氮化嫁基紫外半导体发光二极管的制作方法，包括以下步骤：
步骤(1)、将蓝宝石图形衬底放置在石墨盘上并送入MOCVD反应腔中，加热至1000～1200℃对蓝宝石衬底进行5-15min的热处理；将温度降至500-600摄氏度之间，并将反应腔的压强控制在300—650torr之间，此时在蓝宝石衬底层上生长一层厚度为10-50nm的氮化镓缓冲层；
步骤(2)、将反应腔内的温度调升至1000-1100摄氏度之间，并将反应腔的压强控制在100-400torr之间，此时在氮化镓缓冲层上生长一层厚度在1000—3000nm非掺杂氮化镓层；
步骤(3)、反应腔内的温度保持在1000-1100摄氏度之间，并将反应腔的压强控制在100-500torr之间，在非掺杂氮化镓层上面生长一层厚度在1000-4000nm之间的N型掺杂氮化镓层，掺杂源为单质硅，掺杂浓度为在1E18—1E19cm-3之间；
步骤(4)、在N型掺杂氮化镓层之上生长周期对至少为5对的AlGaN/InGaN多量子阱结构作为有源层，阱层厚度为1-3nm，垒层厚度为8-12nm，其中的阱层生长温度范围在600-800摄氏度之间，阱层铟镓氮中的铟含量组分数值在0-0.1内，垒层生长温度范围在850-950摄氏度之间，垒层中铟含量组分数值在0.1—0.3内；
步骤(5)、当反应腔内的温度在800—950摄氏度之间，压强在100-700Torr时，在有源层之上生长出厚度在50—300nm之间的P型AlGaN电子阻挡层，P型AlGaN电子阻挡层的掺杂源为金属镁，掺杂浓度为1E20-1E21cm-3，其中铝含量组分数值在0.1-0.3之间；
步骤(6)、当反应腔内的温度在850-950摄氏度之间时，在P型AlGaN电子阻挡层上面生长出一层厚度为50-150nm的P型GaN层，掺杂源为金属镁，掺杂浓度3E20-2E21cm-3之间；
步骤(7)、在P型GaN层之上生长渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层(AlxIn1-x)yGa1-yN。
进一步的，所述步骤(1)中氮化镓缓冲层的生长温度为550摄氏度，压强为500torr，氮化镓缓冲层的厚度为25nm；
所述步骤(2)中非掺杂氮化镓层的生长温度为1050摄氏度，压强为200torr,非掺杂氮化镓层的厚度为2000nm；
所述步骤(3)中N型掺杂氮化镓层的生长温度为1050摄氏度,压强为200torr，N型掺杂氮化镓层厚度为2500nm；
所述步骤(4)中AlGaN/InGaN多量子阱结构阱层生长温度为730摄氏度，垒层的生长温度为900摄氏度，阱层厚度为2nm，垒层厚度为10nm，压强为300torr；
所述步骤(5)中P型AlGaN电子阻挡层生长温度为920摄氏度，压强为250Torr，所述P型AlGaN电子阻挡层的厚度为150nm；
所述步骤(6)中P型GaN层生长温度为900摄氏度，生长压强为200torr，生成的厚度为100nm；
所述步骤(7)中渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层(AlxIn1-x)yGa1-yN生成完成后铝的组分含量x＝1；铝铟的组分含量y＝0.1,得出(AlxIn1-x)yGa1-yN为(Al0.1In0.9)0.1Ga0.9N，所述渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层生成完成后的厚度h为10nm。
进一步的，所述步骤(7)中渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层(AlxIn1-x)yGa1-yN生成完成后铝的组分含量x＝0.5；铝铟的组分含量y＝0.3,得出(AlxIn1-x)yGa1-yN为(Al0.5In0.5)0.3Ga0.7N，所述渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层生成完成后的厚度h为20nm。
进一步的，所述步骤(7)中渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层(AlxIn1-x)yGa1-yN生长完成后铝的组分含量x＝0.7；铝铟的组分含量y＝0.2,得出(AlxIn1-x)yGa1-yN为(Al0.7In0.3)0.2Ga0.8N，所述渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层生成完成后的厚度h为16nm。
本发明具有以下有益效果：本发明在外延结构的最上层引入禁带宽度逐渐减少的渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层，由于在渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层加入铝，使渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层的禁带宽度加大，边界吸收值左移，从而减少了对紫外光的吸收，同时，由于采用非掺杂的工艺，消除了掺杂Mg所造成的大量缺陷，提高了发光效率；此外，由于铝元素的加入，禁带宽度逐渐加大，消除了发光二极管外延结构与ITO材料不匹配所产生的肖特基势垒问题，从而降低了器件的工作电压，提高了器件的寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明氮化嫁基紫外半导体发光二极管结构剖面结构示意图；
图2为本发明多个周期对的AlGaN/InGaN多量子阱层剖面结构示意图。
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，所描述的实施例仅仅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作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。
参见图1、图2所示：
实施例一：
氮化嫁基紫外半导体发光二极管的制作方法，包括以下步骤：
步骤(1)、将蓝宝石图形衬底10放置在石墨盘上并送入MOCVD反应腔中，加热至1000～1200℃对蓝宝石衬底进行5-15min的热处理；将温度降至500-600摄氏度之间，并将反应腔的压强控制在300—650torr之间，此时在蓝宝石衬底层上生长一层厚度为10-50nm的氮化镓缓冲层11；作为优选的一种实施方式，氮化镓缓冲层的生长温度为550摄氏度，压强为500torr，氮化镓缓冲层的厚度为25nm；
步骤(2)、将反应腔内的温度调升至1000-1100摄氏度之间，并将反应腔的压强控制在100-400torr之间，此时在氮化镓缓冲层上生长一层厚度在1000—3000nm非掺杂氮化镓层12；作为优选的一种实施方式，非掺杂氮化镓层的生长温度为1050摄氏度，压强为200torr,非掺杂氮化镓层的厚度为2000nm；
步骤(3)、反应腔内的温度保持在1000-1100摄氏度之间，并将反应腔的压强控制在100-500torr之间，在非掺杂氮化镓层上面生长一层厚度在1000-4000nm之间的N型掺杂氮化镓层13，掺杂源为单质硅，掺杂浓度为在1E18—1E19cm-3之间；作为优选的一种实施方式，N型掺杂氮化镓层的生长温度为1050摄氏度,压强为200torr，N型掺杂氮化镓层厚度为2500nm；
步骤(4)、在N型掺杂氮化镓层之上生长周期对至少为5对的AlGaN/InGaN多量子阱结构14作为有源层，阱层铟镓氮14-1厚度为1-3nm，垒层铝镓氮14-2厚度为8-12nm，其中的阱层生长温度范围在600-800摄氏度之间，阱层铟镓氮中的铟含量组分数值在0-0.1内，垒层生长温度范围在850-950摄氏度之间，垒层中铟含量组分数值在0.1—0.3内；作为优选的一种实施方式，AlGaN/InGaN多量子阱结构阱层生长温度为730摄氏度，垒层的生长温度为900摄氏度，阱层厚度为2nm，垒层厚度为10nm，压强为300torr；
步骤(5)、当反应腔内的温度在800—950摄氏度之间，压强在100-700Torr时，在有源层之上生长出厚度在50—300nm之间的P型AlGaN电子阻挡层15，P型AlGaN电子阻挡层15的掺杂源为金属镁，掺杂浓度为1E20-1E21cm-3，其中铝含量组分数值在0.1-0.3之间；作为优选的一种实施方式，P型AlGaN电子阻挡层生长温度为920摄氏度，压强为250Torr，所述P型AlGaN电子阻挡层的厚度为150nm；
步骤(6)、当反应腔内的温度在850-950摄氏度之间时，在P型AlGaN电子阻挡层上面生长出一层厚度为50-150nm的P型GaN层16，掺杂源为金属镁，掺杂浓度3E20-2E21cm-3之间；作为优选的一种实施方式，P型GaN层生长温度为900摄氏度，生长压强为200torr，生成的厚度为100nm。
步骤(7)、在P型GaN层之上生长渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层(AlxIn1-x)yGa1-yN。
在本实施例中，渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层17(AlxIn1-x)yGa1-yN生成完成后铝的组分含量x＝1；铝铟的组分含量y＝0.1,得出(AlxIn1-x)yGa1-yN为(Al0.1In0.9)0.1Ga0.9N，根据渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层的厚度h与结束生长时铝的组分含量x的关系为：h＝10(3-2x2)，所述渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层生成完成后的厚度h为10nm。
实施例二：
本实施例中氮化嫁基紫外半导体发光二极管的制作方法与实施例一中步骤(1)到步骤(7)相同，在本实施例中，渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层(AlxIn1-x)yGa1-yN生成完成后铝的组分含量x＝0.5；铝铟的组分含量y＝0.3,得出(AlxIn1-x)yGa1-yN为(Al0.5In0.5)0.3Ga0.7N，根据渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层的厚度h与结束生长时铝的组分含量x的关系为：h＝10(3-2x2)，所述渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层生成完成后的厚度h为20nm。
实施例三：
本实施例中氮化嫁基紫外半导体发光二极管的制作方法与实施例一中步骤(1)到步骤(7)相同，在本实施例中，渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层(AlxIn1-x)yGa1-yN生长完成后铝的组分含量x＝0.7；铝铟的组分含量y＝0.2,得出(AlxIn1-x)yGa1-yN为(Al0.7In0.3)0.2Ga0.8N，根据渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层的厚度h与结束生长时铝的组分含量x的关系为：h＝10(3-2x2)，所述渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层生成完成后的厚度h为16nm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.氮化嫁基紫外半导体发光二极管，其特征在于：包括依次层叠设置的蓝宝石衬底层、氮化嫁缓冲层、非掺杂氮化嫁层、N型氮化嫁层、多个周期对的AlGaN/InGaN多量子阱层、P型铝镓氮层、P型氮化镓层及渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层，所述渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层为组分均匀渐变的(AlxIn1-x)yGa1-yN四元合金层。
2.根据权利要求1所述氮化嫁基紫外半导体发光二极管，其特征在于：所述多个周期对的AlGaN/InGaN多量子阱层至少为5个周期对。
3.根据权利要求2所述氮化嫁基紫外半导体发光二极管，其特征在于：所述渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层为非掺杂的晶体结构；所述渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层中铝组分含量和铟组分含量在生长过程中始终均匀渐变，并且是铝组分含量逐渐变小，铟组分含量逐渐变大。
4.根据权利要求3所述氮化嫁基紫外半导体发光二极管，其特征在于：所述渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层在开始生长时铝的组分含量x1的数值为x1＝1，在渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层生长结束时铝的组分含量x2的数值为x2＝0.5-1中的任何值；所述在渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层从开始生长到生长结束时，铝铟的组分含量y的数值为y＝0.1-0.3中的任何值。
5.根据权利要求4所述氮化嫁基紫外半导体发光二极管，其特征在于：所述渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层的厚度h与结束生长时铝的组分含量x的关系为：h＝10(3-2x2)。
6.制作权利要求5所述的氮化嫁基紫外半导体发光二极管的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)、将蓝宝石图形衬底放置在石墨盘上并送入MOCVD反应腔中，加热至1000～1200℃对蓝宝石衬底进行5-15min的热处理；将温度降至500-600摄氏度之间，并将反应腔的压强控制在300—650torr之间，此时在蓝宝石衬底层上生长一层厚度为10-50nm的氮化镓缓冲层；
步骤(2)、将反应腔内的温度调升至1000-1100摄氏度之间，并将反应腔的压强控制在100-400torr之间，此时在氮化镓缓冲层上生长一层厚度在1000—3000nm非掺杂氮化镓层；
步骤(3)、反应腔内的温度保持在1000-1100摄氏度之间，并将反应腔的压强控制在100-500torr之间，在非掺杂氮化镓层上面生长一层厚度在1000-4000nm之间的N型掺杂氮化镓层，掺杂源为单质硅，掺杂浓度为在1E18—1E19cm-3之间；
步骤(4)、在N型掺杂氮化镓层之上生长周期对至少为5对的AlGaN/InGaN多量子阱结构作为有源层，阱层厚度为1-3nm，垒层厚度为8-12nm，其中的阱层生长温度范围在600-800摄氏度之间，阱层铟镓氮中的铟含量组分数值在0-0.1内，垒层生长温度范围在850-950摄氏度之间，垒层中铟含量组分数值在0.1—0.3内；
步骤(5)、当反应腔内的温度在800—950摄氏度之间，压强在100-700Torr时，在有源层之上生长出厚度在50—300nm之间的P型AlGaN电子阻挡层，P型AlGaN电子阻挡层的掺杂源为金属镁，掺杂浓度为1E20-1E21cm-3，其中铝含量组分数值在0.1-0.3之间；
步骤(6)、当反应腔内的温度在850-950摄氏度之间时，在P型AlGaN电子阻挡层上面生长出一层厚度为50-150nm的P型GaN层，掺杂源为金属镁，掺杂浓度3E20-2E21cm-3之间；
步骤(7)、在P型GaN层之上生长渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层(AlxIn1-x)yGa1-yN。
7.根据权利要求6所述的氮化嫁基紫外半导体发光二极管制作方法，其特征在于：
所述步骤(1)中氮化镓缓冲层的生长温度为550摄氏度，压强为500torr，氮化镓缓冲层的厚度为25nm；
所述步骤(2)中非掺杂氮化镓层的生长温度为1050摄氏度，压强为200torr,非掺杂氮化镓层的厚度为2000nm；
所述步骤(3)中N型掺杂氮化镓层的生长温度为1050摄氏度,压强为200torr，N型掺杂氮化镓层厚度为2500nm；
所述步骤(4)中AlGaN/InGaN多量子阱结构阱层生长温度为730摄氏度，垒层的生长温度为900摄氏度，阱层厚度为2nm，垒层厚度为10nm，压强为300torr；
所述步骤(5)中P型AlGaN电子阻挡层生长温度为920摄氏度，压强为250Torr，所述P型AlGaN电子阻挡层的厚度为150nm；
所述步骤(6)中P型GaN层生长温度为900摄氏度，生长压强为200torr，生成的厚度为100nm；
所述步骤(7)中渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层(AlxIn1-x)yGa1-yN生成完成后铝的组分含量x＝1；铝铟的组分含量y＝0.1,得出(AlxIn1-x)yGa1-yN为(Al0.1In0.9)0.1Ga0.9N，所述渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层生成完成后的厚度h为10nm。
8.根据权利要求6所述的氮化嫁基紫外半导体发光二极管制作方法，其特征在于：所述步骤(7)中渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层(AlxIn1-x)yGa1-yN生成完成后铝的组分含量x＝0.5；铝铟的组分含量y＝0.3,得出(AlxIn1-x)yGa1-yN为(Al0.5In0.5)0.3Ga0.7N，所述渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层生成完成后的厚度h为20nm。
9.根据权利要求6所述的氮化嫁基紫外半导体发光二极管制作方法，其特征在于：所述步骤(7)中渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层(AlxIn1-x)yGa1-yN生长完成后铝的组分含量x＝0.7；铝铟的组分含量y＝0.2,得出(AlxIn1-x)yGa1-yN为(Al0.7In0.3)0.2Ga0.8N，所述渐变非掺杂铝镓铟氮表面接触层生成完成后的厚度h为16nm。
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|---|---|---|---|---|
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