CN105957934A - 一种n-SiC衬底AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED芯片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种n‑SiC衬底AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED芯片及其制备方法，属于半导体发光器件领域。其依次由下电极层、n‑SiC衬底、n‑Alx0Ga1‑x0N导电缓冲层、n‑AlGaN基DBR下反射层、n‑Alx1Ga1‑x1N电流扩展层、AlGaN基极化诱导隧道结、p‑Alx2Ga1‑x2N空穴注入层、AlGaN基量子阱有源区、n‑Alx3Ga1‑x3N电子注入层、n‑AlGaN基DBR上反射层和上电极层构成，0.1≤x0、x1、x2、x3≤0.9。采用与AlGaN晶格更匹配的SiC衬底，改善AlGaN质量，提高内量子效率；利用谐振腔结构，增强TE模偏振光，提高器件光提取效率；通过隧道结实现结构倒置，减弱了极化电场的影响，提高量子阱内载流子复合发光效率。本发明进一步拓展了半导体紫外发光器件的应用范围。
Description
技术领域
本发明属于半导体发光器件领域，具体涉及一种n-SiC衬底AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED芯片及其制备方法。
背景技术
随着GaN(InGaN、AlGaN)基LED研发的不断深入，其技术创新与应用领域不断扩展，市场也越来越宽广，以AlGaN为主要材料的紫外LED逐渐成为科研人员的研究重点。AlGaN是直接带隙半导体材料，通过调节Al组分的含量，其带隙可在3.4eV～6.2eV之间变化，波长覆盖范围为365nm～200nm，涵盖了大部分紫外波段，是制备紫外LED的理想材料。相比于传统紫外光源，AlGaN基紫外LED具有高效节能、安全环保、可靠耐用、体积小等主要优点，随着技术的发展会逐步替代原有的紫外灯产品，具有重要研究意义。但是，目前AlGaN基紫外LED的发光效率较低，大多在10％以下，而且随着波长变短其发光效率呈指数函数下降。主要原因在于：AlGaN材料与蓝宝石衬底之间存在较大的晶格失配，这将在外延膜中产生大量位错，导致器件内量子效率低；高Al组分器件TE模(E⊥c轴)偏振光较弱，光提取效率低；量子阱内极化效应引起强极化电场，导致载流子复合发光效率降低。所以，实现高发光效率AlGaN基紫外LED是至关重要的，这也是未来紫外LED器件一个重要的研究课题之一。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述紫外LED发光效率低问题，从提高外延层结晶质量、简化器件制作工艺和改善器件性能等方面综合考虑，在导电SiC衬底上研制带有隧道结的AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED。该器件结构既可改善AlGaN外延层质量，又可提高器件的光提取效率，并可以利用隧道结实现p-n结倒置结构，从而达到提升器件发光效率的目的。
本发明的技术方案是：
本发明所设计的一种n-SiC衬底AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED芯片(见附图1和附图说明)，其特征在于：其从下至上依次由下电极层11、n-SiC衬底1、n-Alx0Ga1-x0N导电缓冲层2、n-AlGaN基DBR下反射层3、n-Alx1Ga1-x1N电流扩展层4、AlGaN基极化诱导隧道结5、p-Alx2Ga1-x2N空穴注入层6、AlGaN基量子阱有源区7、n-Alx3Ga1-x3N电子注入层8、n-AlGaN基DBR上反射层9和上电极层10构成，其中0.1≤x0、x1、x2、x3≤0.9，电流可在上、下两电极之间垂直于外延层注入器件；本发明采用与AlGaN晶格更匹配的n-SiC作为衬底1，远小于它与蓝宝石衬底之间的晶格失配，这非常有利于改善AlGaN外延层质量，降低位错密度，提高器件内量子效率；利用n-AlGaN基DBR分别作为下反射层3和上反射层9，构成谐振腔结构，增强TE模偏振光，提高器件光提取效率；通过AlGaN基极化诱导隧道结5实现p-n结倒置结构，即LED结构倒序生长，其生长顺序为在下反射层3上依次制备n-Alx1Ga1-x1N电流扩展层4、AlGaN基极化诱导隧道结5、p-Alx2Ga1-x2N空穴注入层6、AlGaN基量子阱有源区7、n-Alx3Ga1-x3N电子注入层8。正向电流可通过n-SiC衬底1导入，依次穿过n-Alx0Ga1-x0N导电缓冲层2、n-AlGaN基DBR下反射层3、n-Alx1Ga1-x1N层电流扩展4，并最终穿过隧道结5进入p-Alx2Ga1-x2N空穴注入层6。与n型电子注入层和p型空穴注入层分别位于有源区下面和上面的常规LED结构相比，p-n结倒置结构可减弱极化电场的影响，提高量子阱内载流子复合发光效率。
如上所述的一种n-SiC衬底AlGaN基垂直导电结构谐振腔紫外LED芯片，采用n-AlGaN基DBR作为上反射层9和下反射层3形成谐振腔；其特征在于：DBR由n-Alx4Ga1-x4N层和n-Alx5Ga1-x5N层交替生长组成(0.1≤x4、x5≤0.9，且x4≠x5)，每层厚度可由公式d＝λ/4n(d为层厚，λ为DBR的中心波长，n为折射率)决定，通过两层组分差和对数可以控制DBR的反射率；其中，上反射层9中DBR的对数为15～20对，反射率为75％～80％；下反射层3中DBR对数为30～50对之间，反射率为95％以上；并且，通过调整谐振腔内各层厚度，可以实现谐振腔的腔模谐振波长、DBR的中心波长、有源区的发光谱峰值波长三者相匹配。
如上所述的一种n-SiC衬底AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED芯片，其特征在于：AlGaN基极化诱导隧道结5由下至上依次由n-Alx6Ga1-x6N层12、Alx7Ga1-x7N极化诱导层13和p-Alx6Ga1-x6N层14构成(见附图2和附图说明，即n-Alx6Ga1-x6N层12位于n-Alx1Ga1-x1N电流扩展层4的上面，p-Alx6Ga1-x6N层14位于p-Alx2Ga1-x2N空穴注入层6的下面)，其中0.1≤x6＜x7≤0.9；由于AlGaN的强极化效应，在Alx7Ga1-x7N极化诱导层13界面两侧将分别产生高密度的二维空穴气和电子气，从而提高了AlGaN基极化诱导隧道结的隧穿几率和隧穿电流。
一种如上所述的n-SiC衬底AlGaN基垂直导电结构谐振腔紫外LED芯片的制备方法，其步骤如下：
(1)在n-SiC衬底1上采用MOCVD方法依次外延生长n-Alx0Ga1-x0N导电缓冲层2(厚度50～100nm)、n-AlGaN基DBR下反射层3(DBR对数在30～50对之间，反射率95％以上，厚度2～3μm)、n-Alx1Ga1-x1N电流扩展层4(厚度200～300nm)、AlGaN基极化诱导隧道结5(p-Alx6Ga1-x6N层14厚度为100～200nm，Alx7Ga1-x7N极化诱导层13厚度为5～15nm，n-Alx6Ga1-x6N层12厚度为100～200nm)、p-Alx2Ga1-x2N空穴注入层6(厚度200～300nm)、AlGaN基量子阱有源区7(量子阱由阱层Alx8Ga1-x8N和垒层Alx9Ga1-x9N交替生长组成，对数在3～5对之间，每个阱层的厚度2～5nm，每个垒层的厚度10～20nm，其中0≤x8＜x9≤0.9)、n-Alx3Ga1-x3N电子注入层8(厚度200～300nm)、n-AlGaN基DBR上反射层9(DBR对数在15～20对之间，反射率控制在75％～80％之间，厚度1～2μm)，从而制备得到AlGaN基谐振腔紫外LED结构；生长源为三甲基铝、三甲基镓和高纯氨气，生长温度为1000～1200℃，生长压强为100～300mbar，并利用硅烷和二茂镁分别进行n型和p型掺杂，掺杂浓度为1017～1020/cm3。
(2)在n-AlGaN基DBR上反射层9上制备上电极层10(厚度30～120nm)，在n-SiC衬底背面制备下电极层11(厚度60～100nm)；电极材料可以是Au、Ni等单质材料或Ni-Au、Ti-Au、Zn-Au、Pt-Au等二元合金材料，也可以是Ti-Pt-Au、Ti-Ni-Au或Ni-Pt-Au等三元合金材料，制备电极的方法可采用热蒸镀、电子束蒸镀或磁控溅射方法。
本发明的效果和益处：本发明采用与AlGaN晶格更匹配的SiC衬底，改善AlGaN质量，提高内量子效率；利用DBR形成谐振腔，提高光提取效率；通过隧道结实现pn结倒置，减弱极化电场影响，提高量子阱内载流子复合发光效率。同时，垂直结构LED可有效避免电流拥堵效应。本发明方法可以获得高效的AlGaN基紫外LED，进一步拓展半导体紫外发光器件的应用范围。
附图说明
图1：本发明所述AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED的结构示意图；
图2：本发明所述AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED结构中的AlGaN基极化诱导隧道结的结构示意图，其中“+”和“-”分别表示界面处形成的正极化电荷与负极化电荷；
图3：实施例1制备的LED的DBR的扫描电子显微镜照片；
图4：实施例1制备的LED的电注入发光谱图；
图5：常规的LED与实施例1制备的LED的光输出强度对比图。
图中标识，1为n-SiC衬底，2为n-Alx0Ga1-x0N导电缓冲层，3为下反射层(n-AlGaN基下DBR)，4为n-Alx1Ga1-x1N电流扩展层，5为AlGaN基极化诱导隧道结，6为p-Alx2Ga1-x2N空穴注入层，7为AlGaN基量子阱有源区，8为n-Alx3Ga1-x3N电子注入层、9为上反射层(n-AlGaN基上DBR)，10为上电极层，11为下电极层，12为n-Alx6Ga1-x6N层，13为Alx7Ga1-x7N极化诱导层，14为p-Alx6Ga1-x6N层。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
实施例1：
1.采用MOCVD方法，在商用n-SiC衬底上一次性外延制备AlGaN基紫外LED结构，如图1所示。具体结构如下：在n-SiC(掺杂浓度为2×1018/cm3)衬底上1依次制备n-Al0.3Ga0.7N导电缓冲层2(厚度80nm)、n-AlGaN基DBR下反射层3(由34nm厚n-Al0.1Ga0.9N层和36nm厚n-Al0.3Ga0.7N层交替生长组成，掺杂浓度分别为2×1018/cm3和4×1018/cm3，对数为30，反射率为95％)、n-Al0.1Ga0.9N层电流扩展层4(掺杂浓度5×1017/cm3，厚度200nm)、AlGaN基极化诱导隧道结5(Al0.3Ga0.7N极化诱导层13厚度10nm，该层未掺杂；n-Al0.1Ga0.9N层12和p-Al0.1Ga0.9N层14厚度均为100nm，掺杂浓度分别为4×1018/cm3和1×1020/cm3)、p-Al0.1Ga0.9N空穴注入层6(掺杂浓度1×1020/cm3，厚度200nm)、AlGaN基量子阱有源区7(量子阱对数为3对，阱层为GaN，厚度2nm；垒层为Al0.1Ga0.9N，厚度10nm)、n-Al0.1Ga0.9N电子注入层8(掺杂浓度2×1018/cm3，厚度200nm)、n-AlGaN基DBR上反射层9(由34nm厚n-Al0.1Ga0.9N层和36nm厚n-Al0.3Ga0.7N层交替生长组成，掺杂浓度分别为2×1018/cm3和4×1018/cm3，对数为15对，反射率为75％)。生长源为三甲基铝、三甲基镓和高纯氨气，利用硅烷和二茂镁分别进行n型和p型掺杂，AlGaN导电缓冲层2生长温度为1100℃，反应压强为100mbar，其他各层生长温度均为1060℃，反应压强为300mbar。器件各层具体生长参数见表1。图3为AlGaN基DBR的扫描电子显微镜照片，可以发现周期性DBR结构形成，且界面特性良好。
2.上、下表面分别采用热蒸镀方法制备Ni/Au电极层10(厚度60nm，Ni层厚度为30nm，Au层厚度为30nm)和Ni电极层11(厚度80nm)，实现垂直结构AlGaN基紫外LED。电极的具体制备工艺见表2。
3.图4所示为器件在不同驱动电流下的电致发光谱，此时器件的下电极连接直流电源的正极，上电极连接负极。在5mA、10mA、15mA、20mA、25mA和30mA的正向电流下，发光谱在360nm处均显示出紫外发射峰。从图5中还可以发现，相比常规LED，谐振腔LED器件其输出光强度较以往提高了2倍。由上面一些数据可以看出本发明方案的优越性和效果。
表1：垂直结构谐振腔紫外LED的各层生长参数
表1附注：TMGa代表三甲基镓；TMAl代表三甲基铝；Cp2Mg代表二茂镁；SiH4代表硅烷；NH3代表高纯氨气。
表2：器件电极制备工艺参数
| 下电极Ni | 上电极第一层Ni | 上电极第二层Au | |
| 蒸发时间(秒) | 80 | 30 | 20 |
| 腔内压力(帕斯卡) | 1.3×10-3 | 1.3×10-3 | 1.3×10-3 |
| 厚度(纳米) | 80 | 30 | 30 |
Claims (5)
1.一种n-SiC衬底AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED芯片，其特征在于：其依次由下电极层(11)、n-SiC衬底(1)、n-Alx0Ga1-x0N导电缓冲层(2)、n-AlGaN基DBR下反射层(3)、n-Alx1Ga1-x1N电流扩展层(4)、AlGaN基极化诱导隧道结(5)、p-Alx2Ga1-x2N空穴注入层(6)、AlGaN基量子阱有源区(7)、n-Alx3Ga1-x3N电子注入层(8)、n-AlGaN基DBR上反射层(9)和上电极层(10)构成，0.1≤x0、x1、x2、x3≤0.9；
其中，n-AlGaN基DBR由n-Alx4Ga1-x4N层和n-Alx5Ga1-x5N层交替生长组成，0.1≤x4、x5≤0.9，且x4≠x5，上反射层(9)中DBR的对数为15～20对，反射率为75％～80％；下反射层(3)中DBR对数为30～50对之间，反射率为95％以上；
AlGaN基极化诱导隧道结(5)由下至上依次由n-Alx6Ga1-x6N层(12)、Alx7Ga1-x7N极化诱导层(13)和p-Alx6Ga1-x6N层(14)构成，其中0.1≤x6＜x7≤0.9；
AlGaN基量子阱有源区(7)由阱层Alx8Ga1-x8N和垒层Alx9Ga1-x9N交替生长组成，对数在3～5对之间，0≤x8＜x9≤0.9。
2.如权利要求1所述的一种n-SiC衬底AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED芯片，其特征在于：n-Alx0Ga1-x0N导电缓冲层(2)的厚度为50～100nm、n-AlGaN基DBR下反射层(3)的厚度为2～3μm、n-Alx1Ga1-x1N电流扩展层(4)的厚度为200～300nm、p-Alx6Ga1-x6N层(14)的厚度为100～200nm、Alx7Ga1-x7N极化诱导层(13)的厚度为5～15nm、n-Alx6Ga1-x6N层(12)的厚度为100～200nm、p-Alx2Ga1-x2N空穴注入层(6)的厚度为200～300nm、AlGaN基量子阱有源区(7)中每个阱层Alx8Ga1-x8N的厚度为2～5nm、每个垒层Alx9Ga1-x9N的厚度为10～20nm、n-Alx3Ga1-x3N电子注入层(8)的厚度为200～300nm、n-AlGaN基DBR上反射层(9)的厚度为1～2μm、上电极层(10)的厚度为30～120nm、下电极层(11)的厚度为60～100nm。
3.如权利要求1所述的一种n-SiC衬底AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED芯片，其特征在于：电极材料是Au、Ni单质材料，Ni-Au、Ti-Au、Zn-Au、Pt-Au二元合金材料，Ti-Pt-Au、Ti-Ni-Au、Ni-Pt-Au三元合金材料中的一种。
4.权利要求1所述的n-SiC衬底AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED芯片的制备方法，其步骤如下：
(1)在n-SiC衬底(1)上采用MOCVD方法依次外延生长n-Alx0Ga1-x0N导电缓冲层(2)、n-AlGaN基DBR下反射层(3)、n-Alx1Ga1-x1N电流扩展层(4)、AlGaN基极化诱导隧道结(5)、p-Alx2Ga1-x2N空穴注入层(6)、AlGaN基量子阱有源区(7)、n-Alx3Ga1-x3N电子注入层(8)、n-AlGaN基DBR上反射层(9)；生长源为三甲基铝、三甲基镓和高纯氨气，生长温度为1000～1200℃，生长压强为100～300mbar，利用硅烷和二茂镁分别进行n型和p型掺杂，掺杂浓度为1017～1020/cm3；
(2)在n-AlGaN基DBR上反射层(9)上制备上电极层(10)，在n-SiC衬底背面制备下电极层(11)，从而制备得到n-SiC衬底AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED芯片。
5.如权利要求4所述的n-SiC衬底AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED芯片的制备方法，其特征在于：制备上电极层(10)和下电极层(11)的方法为热蒸镀、电子束蒸镀或磁控溅射方法。
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