CN105720147A - 一种倒装近深紫外发光二极管的外延结构及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种倒装近紫外发光二极管的外延结构及制备方法，该倒装近紫外发光二极管的外延结构上从下到上依次为：衬底、AlN溅射层、非掺杂AlxGa1-xN层、n型AlyGa1-yN层、多量子阱InuGa1-uN/AlvGa1-vN层、p型AlwGa1-wN层、p型AlzGa1-zN层以及p型GaN接触层，其中，x、y、z、u以及v的取值范围都为0.001～0.500，w的取值范围为0.100～0.500。由于底层没有GaN层，该外延结构可以有效地减少外延材料本身对近紫外光的自吸收，提高倒装近紫外发光二极管的光提取效率。此外，使用AlN溅射层可以显著提高外延结构的晶体质量，达到提高近倒装近紫外发光二极管内量子效率的目的。

Description

一种倒装近深紫外发光二极管的外延结构及制备方法
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其是一种倒装近紫外发光二极管的外延结构及其制备方法。
背景技术
氮化镓(以下简称GaN)基近紫外发光二极管(NearUltravioletLightEmittingDiode)，由于其具有寿命长、预热时间短、光谱纯净(发光峰的半波宽在15nm以内)、体积小、可靠性高等优势，被认为是取代紫外线低压汞灯等含汞光源的最佳光源。因此，其已在固化、油墨印刷、钞票鉴伪等方面有着广泛的应用。
但是，近紫外发光二极管在固化、油墨印刷方面的应用要求该发光二极管具备高紫外能量密度，故在这些应用中，一般都是使用近紫外发光二极管的阵列。近紫外发光二极管阵列的能量密度主要由两方面决定：1、单颗近紫外发光二极管的能量；2、近紫外发光二极管阵列的密度。利用倒装芯片(Flip-Chip)结构，近紫外发光二极管可以制成高密度倒装芯片COB阵列(FCCOB)。由于阵列密度高，近紫外FCCOB阵列除了具有超高的紫外能量密度以外还具有倒装芯片可靠性高，散热好的优势。但目前近紫外发光二极管外延结构中普遍存在的GaN对近紫外光的自吸收作用限制了倒装近紫外发光二极管效率的提升。
发明内容
为了克服以上缺点，本专利提供的无GaN外延结构可以提高倒装近紫外发光二极管的发光效率20％以上。利用其制得的近紫外高密度FCCOB阵列比传统的近紫外垂直结构芯片COB(ChiponBoard，板上芯片)阵列的能量密度高30％以上。
本发明提供的技术方案如下：
一种倒装近紫外发光二极管的外延结构，该外延结构从下到上依次为：衬底、AlN(氮化铝)溅射层、非掺杂AlxGa1-xN(氮化镓铝)层、n型AlyGa1-yN层、多量子阱InuGa1-uN(氮化镓铟)/AlvGa1-vN层、p型AlwGa1-wN层、p型AlzGa1-zN层以及p型GaN接触层，其中，所述x、y、z、u以及v的取值范围都为0.001～0.500，所述w的取值范围为0.100～0.500。
进一步优选地，所述衬底为蓝宝石衬底或碳化硅衬底或图形化的蓝宝石衬底或图形化的碳化硅衬底。
进一步优选地，所述AlN溅射层是在溅射设备中进行，其他层在金属有机物化学气相沉积(Metal-organicChemicalVaporDeposition，MOCVD)、分子束外延(MolecularBeamEpitaxy，MBE)或者氢化物气相外延(HydrideVaporPhaseEpitaxy，HVPE)中进行。
和/或，
所述AlN溅射层的厚度范围为1～1000nm。
进一步优选地，所述AlxGa1-xN缓冲层的厚度范围为1～1000nm、生长温度范围为800～1200℃(摄氏度)，且所述AlxGa1-xN缓冲层中Al组分x范围为0.01～0.99，；
和/或，
所述非掺杂AlyGa1-yN层的厚度范围为0.1～10um、生长温度为800～1200℃，且所述非掺杂AlyGa1-yN层中Al组分y的范围为0.01～0.99。
进一步优选地，所述非掺杂AlxGa1-xN层的厚度范围为0.1～10um、生长温度范围为800～1200℃，且非掺杂AlxGa1-xN层中Al组分x范围为0.001～0.500；
和/或，
所述n型AlyGa1-yN层的厚度范围为0.1-10um、生长温度为800～1200℃，且所述n型AlyGa1-yN层中Al组分y的范围为0.001～0.500。
进一步优选地，在所述多量子阱InuGa1-uN/AlvGa1-vN层中：势阱层InuGa1-uN的厚度范围为1～10nm、势垒层AlvGa1-vN的厚度范围为4～40nm以及多量子阱的周期数为1～20。
和/或，
在所述多量子阱InuGa1-uN/AlvGa1-vN层中：所述多量子阱InuGa1-uN/AlvGa1-vN层的生长温度范围为800～1200℃，所述势阱层InuGa1-uN中In组分u的范围为0.001～0.500，所述势垒层AlvGa1-vN的Al组分v的范围为0.001～0.500。
进一步优选地，所述p型AlwGa1-wN层中掺杂浓度范围为1E18～1E21cm-3Mg或Be元素，其中包含的Al组分w的范围为0.2～0.99；且所述p型AlwGa1-wN层的厚度范围为1～100nm、生长温度范围为800～1200℃；
和/或，
所述P型AlzGa1-zN层中掺杂浓度范围为1E18～1E21cm-3的Mg或Be元素，其中包含的Al组分m的范围为0.01-0.99；且所述P型AlmGa1-mN层的厚度范围为10～1000nm，生长温度范围为800～1200℃；
和/或，
所述p型GaN接触层中掺杂浓度范围为1E18～1E21cm-3的Mg或Be元素，且所述P型GaN接触层的厚度范围为1～100nm，生长温度为400～1200℃。
本发明还提供了一种倒装近紫外发光二极管外延结构的制备方法，应用于上述外延结构，所述倒装近紫外发光二极管外延结构的制备方法包括以下步骤：
S10在衬底上溅射一层AlN得到AlN溅射层；
S11在所述AlN溅射层上生长非掺杂AlxGa1-xN层，所述x的取值范围为0.001～0.500；
S12在所述非掺杂AlxGa1-xN层上生长n-型AlyGa1-yN层，所述y的取值范围为0.001～0.500；
S13在所述n型AlyGa1-yN层上生长多量子阱InuGa1-uN/AlvGa1-vN层，所述u和v的取值范围都为0.001～0.500；
S14在所述多量子阱InuGa1-uN/AlvGa1-vN层上生长p型AlwGa1-wN层，所述w的取值范围为0.200-0.500；
S15在所述p型AlwGa1-wN层上生长p型AlmGa1-mN层，所述m的取值范围为0.001～0.500；
S16在所述p型AlmGa1-mN层上生长p型GaN接触层。
本发明提供的倒装近紫外发光二极管的外延结构及制备方法具有如下优势：
在本发明中，该倒装近紫外发光二极管的外延结构在衬底依次进行：AlN溅射层、生长非掺杂AlxGa1-xN层、生长n型AlyGa1-yN层、生长多量子阱InuGa1-uN/AlvGa1-vN层、生长p型AlwGa1-wN层、生长p型AlzGa1-zN层以及生长p型GaN接触层，完成近紫外发光二极管外延结构的制备。
基于该外延结构通过倒装芯片的制备方法可以得到倒装近紫外发光二极管芯片，在该倒装近紫外发光二极管中，由于无GaN层对近紫外光的自吸收，对比其他外延结构，基于本发明外延结构制得的倒装近紫外发光二极管芯片光效可以提高20％以上。
而对比常规的垂直结构芯片，倒装结构芯片可以极大地芯片阵列密度，提高近紫外光的能量密度。利用本发明外延结构制得的倒装近紫外发光二极管可以制得倒装芯片高密度cob阵列。对比垂直结构芯片制得的同类产品，该产品紫外能量密度可以提高30％以上。
附图说明
图1为本发明中倒装近紫外发光二极管外延结构示意图；
图2为本发明中倒装近紫外发光二极管外延结构制备方法流程图；
图3为本发明中倒装紫外芯片结构示意图
图4为本发明中倒装紫外芯片中包含N电极焊盘和P电极焊盘的结构示意图。
附图标记：
1-衬底，2-AlN溅射层，3-非掺杂AlxGa1-xN层，4-n型AlyGa1-yN层，5-多量子阱InuGa1-uN/AlvGa1-vN层，6-p型AlwGa1-wN层，7-P型AlmGa1-mN层，8-p型GaN接触层，9为金属反射层，10为金属保护层，11为N电极焊盘，12为P电极焊盘。
具体实施方式
下面参照附图，结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。其中，图1为本发明中倒装近紫外发光二极管外延结构示意图，图2为本发明中倒装近紫外发光二极管外延结构制备方法流程图。
实例一：
(1)选用2inch(英寸)图形蓝宝石衬底1，在溅射设备中加热到700℃后，进行AlN溅射层2的溅射，溅射厚度50nm；
(2)衬底溅射好AlN溅射层2后经过清洗，在MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)中，以NH3、TMAl、TMGa为原料，在1000℃条件下生长厚度为0.5um的非掺杂Al0.05Ga0.95N层3。
(3)在MOCVD中，在非掺杂Al0.05Ga0.95N层3上，以NH3、TMAl、TMGa、SiH4为原料(SiH4掺杂浓度为5E18cm-3)，在1000℃条件下生长厚度为3um的n型Al0.05Ga0.95N层4。
(4)在MOCVD中，在n型Al0.05Ga0.95N层4上，以NH3、TMAl、TMGa为原料，在800℃条件下周期生长多量子阱In0.01Ga0.99N/Al0.1Ga0.9N层5。其中，In0.01Ga0.99N的厚度为3nm，Al0.1Ga0.9N的厚度为10nm，且生长周期为5。
(5)在MOCVD中，在多量子阱In0.01Ga0.99N/Al0.1Ga0.9N层5上，以NH3、TMAl、TMGa、CP2Mg为原料(Mg的掺杂浓度为5E19cm-3)，在900℃条件下生长厚度为40nm的p型Al0.2Ga0.8N层6。
(7)在MOCVD中，在p型Al0.2Ga0.8N层6上，以NH3、TMAl、TMGa、CP2Mg为原料(Mg的掺杂浓度为5E18cm-3)，在900℃的条件下生长厚度为60nm的p型Al0.05Ga0.95N层7。
(8)在MOCVD中，在p型Al0.05Ga0.95N层7上，以NH3、TMGa、Cp2Mg为原料(Mg的掺杂浓度为1E19cm-3)，在900℃的条件下生长厚度为2nm的p型GaN接触层8，得到本实施例中提供的倒装近紫外发光二极管外延结构，如图1所示。
实例二：
(1)选用4inch图形碳化硅衬底1，在溅射设备中在加热到700℃后，进行AlN溅射层2的溅射，溅射厚度10nm；
(2)衬底溅射好AlN溅射层2后经过清洗，在MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)中，以NH3、TMAl、TMGa为原料，在1000℃条件下生长厚度为1.5um的非掺杂Al0.1Ga0.9N层3。
(3)在MOCVD中，在非掺杂Al0.1Ga0.9N层3上，以NH3、TMAl、TMGa、SiH4为原料(SiH4掺杂浓度为5E18cm-3)，在1000℃条件下生长厚度为3um的n型Al0.05Ga0.95N层4。
(4)在MOCVD中，在n型Al0.1Ga0.9N层4上，以NH3、TMAl、TMGa为原料，在800℃条件下周期生长多量子阱In0.05Ga0.99N/Al0.2Ga0.8N层5。其中，In0.05Ga0.99N的厚度为3nm，Al0.2Ga0.8N的厚度为10nm，且生长周期为10。
(5)在MOCVD中，在多量子阱In0.05Ga0.99N/Al0.2Ga0.8N层5上，以NH3、TMAl、TMGa、CP2Mg为原料(Mg的掺杂浓度为5E19cm-3)，在900℃条件下生长厚度为40nm的p型Al0.3Ga0.7N层6。
(7)在MOCVD中，在p型Al0.2Ga0.8N层6上，以NH3、TMAl、TMGa、CP2Mg为原料(Mg的掺杂浓度为5E18cm-3)，在900℃的条件下生长厚度为60nm的p型Al0.1Ga0.9N层7。
(8)在MOCVD中，在p型Al0.1Ga0.9N层7上，以NH3、TMGa、Cp2Mg为原料(Mg的掺杂浓度为1E19cm-3)，在900℃的条件下生长厚度为2nm的p型GaN接触层8，得到该实施例提供的倒装近紫外发光二极管外延结构，如图1所示。
另外，参照申请号为201410835818.5的中国专利中提供的倒装LED芯片制备方法，基于上述实施方式中得到的倒装近紫外发光二极管外延结构，我们可以制备得到如图3和图4所示的倒装紫外芯片，其中，1为蓝宝石衬底，2为AlN溅射层、非掺杂Al0.1Ga0.9N层和n型Al0.05Ga0.95N层，3为多量子阱In0.05Ga0.99N/Al0.2Ga0.8N层，4为p型Al0.2Ga0.8N层和p型GaN接触层5为金属反射层，6为金属保护层，7为N电极孔，8为N电极槽，9为N型欧姆接触金属层，10为钝化层，11为N电极焊盘，12为P电极焊盘。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种倒装近紫外发光二极管的外延结构，其特征在于，所述外延结构从下到上依次为：衬底、AlN溅射层、非掺杂AlxGa1-xN层、n型AlyGa1-yN层、多量子阱InuGa1-uN/AlvGa1-vN层、p型AlwGa1-wN层、p型AlzGa1-zN层以及p型GaN接触层，其中，所述x、y、z、u以及v的取值范围都为0.001～0.500，所述w的取值范围为0.100～0.500。
2.如权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述AlN溅射层在磁控溅射设备中制得，所述非掺杂AlxGa1-xN层、n型AlyGa1-yN层、多量子阱InuGa1-uN/AlvGa1-vN层、p型AlwGa1-wN层、p型AlzGa1-zN层以及p型GaN接触层分别在金属有机物化学气相沉积、分子束外延或者氢化物气相外延中制得。
3.如权利要求1或2所述的外延结构，其特征在于，所述AlN溅射层的厚度范围为1～1000nm。
4.如权利要求1或2所述的外延结构，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底或碳化硅衬底或图形化的蓝宝石衬底或图形化的碳化硅衬底。
5.如权利要求1或2所述的外延结构，其特征在于，
所述非掺杂AlxGa1-xN层的厚度范围为0.1～10um、生长温度范围为800～1200℃，且非掺杂AlxGa1-xN层中Al组分x范围为0.001～0.500；
和/或，
所述n型AlyGa1-yN层的厚度范围为0.1-10um、生长温度为800～1200℃，且所述n型AlyGa1-yN层中Al组分y的范围为0.001～0.500。
6.如权利要求1或2所述的外延结构，其特征在于，在所述多量子阱InuGa1-uN/AlvGa1-vN层中：势阱层InuGa1-uN的厚度范围为1～10nm、势垒层AlvGa1-vN的厚度范围为4～40nm、多量子阱的周期数为1～20。
7.如权利要求1或2所述的外延结构，其特征在于，在所述多量子阱InuGa1-uN/AlvGa1-vN层中：所述多量子阱InuGa1-uN/AlvGa1-vN层的生长温度范围为800～1200℃，所述势阱层InuGa1-uN中In组分u的范围为0.001～0.500，所述势垒层AlvGa1-vN的Al组分v的范围为0.001～0.500。
8.如权利要求1或2所述的外延结构，其特征在于，所述p型AlwGa1-wN层中掺杂浓度范围为1E18～1E21cm-3Mg或Be元素，其中包含的Al组分w的范围为0.100～0.500；且所述p型AlwGa1-wN层的厚度范围为1～100nm、生长温度范围为800～1200℃；
和/或，
所述p型AlzGa1-zN层中掺杂浓度范围为1E18～1E21cm-3的Mg或Be元素，其中包含的Al组分m的范围为0.001～0.500；且所述p型AlmGa1-mN层的厚度范围为10～1000nm，生长温度范围为800～1200℃。
9.如权利要求1或2所述的外延结构，其特征在于，所述p型GaN接触层中掺杂浓度范围为1E18-1E21cm-3的Mg或Be元素，且所述p型GaN接触层的厚度范围为1～100nm，生长温度为400～1200℃。
10.一种倒装近紫外发光二极管外延结构制备方法，其特征在于，所述倒装近紫外发光二极管外延结构制备方法应用于如权利要求1-9任意一项所述的外延结构，所述倒装近紫外发光二极管外延结构制备方法包括以下步骤：
S10在衬底上溅射一层AlN得到AlN溅射层；
S11在所述AlN溅射层上生长非掺杂AlxGa1-xN层，所述x的取值范围为0.001～0.500；
S12在所述非掺杂AlxGa1-xN层上生长n型AlyGa1-yN层，所述y的取值范围为0.001～0.500；
S13在所述n型AlyGa1-yN层上生长多量子阱InuGa1-uN/AlvGa1-vN层，所述u和v的取值范围都为0.001～0.500；
S14在所述多量子阱InuGa1-uN/AlvGa1-vN层上生长p型AlwGa1-wN层，所述w的取值范围为0.100-0.500；
S15在所述p型AlwGa1-wN层上生长p型AlmGa1-mN层，所述m的取值范围为0.001～0.500；
S16在所述p型AlmGa1-mN层上生长p型GaN接触层。
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