CN106025025A - 一种提高深紫外led发光性能的外延生长方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高深紫外LED发光性能的外延生长方法，属于半导体光电子领域。本发明从下至上依次生长方法步骤为：1）处理衬底；2）生长低温AlN缓冲层；3）生长AlN应力控制层；4）生长高温AlN层；5）生长N型AlGaN接触层；6）生长AlxGa1‑xN/AlyGa1‑yN多量子阱有源层；7）生长P型AlGaN电子阻挡层；8）生长P型AlGaN限制层；9）生长P型GaN接触层。同现有技术相比，本发明方法能改善AlN和AlGaN材料的晶体质量和表面形貌，显著提高深紫外LED器件的发光性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子领域，特别是提高深紫外LED发光性能的外延生长方法。
背景技术
基于高质量的高Al组分AlGaN外延薄膜的深紫外LED可以广泛应用在消毒杀菌、水和食品处理、生化检测、信息储存、雷达探测和保密通讯等领域，市场潜力和应用前景十分巨大。而高晶体质量的AlN和AlGaN材料是制备上述高性能深紫外LED的核心基础。
目前高质量的AlN单晶衬底价格昂贵、制备难度高。因此，现有技术中，国际研究者选择在蓝宝石衬底上采用金属有机物化学气相沉积制备高质量的AlN薄膜，往往选择两步法或脉冲法技术。
Al-N键能为2.88eV(Ga-N键能为1.93eV)，是III族氮化物中最高的，所以Al原子键合后很难脱附，在生长表面迁移所需要的激活能很高。因此，上述两步法制备中，AlN外延生长主要表现为三维岛状模式，表面粗糙，岛合并容易产生位错和晶界，导致位错密度很大，严重影响AlGaN基紫外电器件的性能。另外，由于AlN与蓝宝石衬底之间还存在较高的热失配与晶格失配，加剧了晶体质量的恶化。
中国专利公告号为CN105296948A的“一种提高GaN基LED 光电性能的外延生长方法”，利用直流磁控反应溅射法在异质衬底上制备AlN薄膜，作为GaN外延生长的缓冲层，改变了GaN外延生长模式，能显著降低材料的位错密度，提高GaN材料的晶体质量，从而改善LED器件的发光效率、漏电和抗静电能力等光电性能。该发明方法适用于蓝绿光LED外延结构，然而对于深紫外LED外延结构，因为GaN外延层（光吸收范围0-365nm）会严重吸收深紫外光，所以必须在衬底上生长AlN和高Al组分的AlGaN作为模板。而如果直接用磁控反应溅射法制备的AlN薄膜作为AlN外延生长的缓冲层，会带来严重的应力问题，导致外延层龟裂。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种提高深紫外LED发光性能的外延生长方法。它能改善AlN和AlGaN材料的晶体质量和表面形貌，显著提高深紫外LED器件的发光性能。
为了达到上述发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现：
一种提高深紫外LED发光性能的外延生长方法，其从下至上依次生长方法步骤为：
1）处理衬底：
采用磁控溅射方法在异质衬底上溅射厚度为10-100nm的AlN薄膜，作为AlN外延生长的缓冲层。
2）生长低温AlN缓冲层：
控制生长温度为500-900℃，反应室压力为50-200mbar，Ⅴ/Ⅲ比为100-5000，生长厚度为10-50nm的低温AlN缓冲层。
3）生长AlN应力控制层：
控制生长温度为900-1200℃，反应室压力为50-200mbar，Ⅴ/Ⅲ比为100-5000，生长厚度为0.1-1μm的AlN应力控制层。
4）生长高温AlN层：
控制生长温度为1000-1400℃，反应室压力为20-100mbar，Ⅴ/Ⅲ比为10-1000，生长厚度为1-5μm的高温AlN层。
5）生长N型AlGaN接触层：
控制生长温度为900-1200℃，反应室压力为50-200mbar，生长厚度为1-5μm的N型AlGaN接触层，Al组分为0-1，Si 掺杂浓度为1E18 cm-3 ~2E19cm-3。
6）生长AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层：
控制生长温度为900-1200℃，反应室压力为50-200mbar，交替生长厚度为2-6nm的AlxGa1-xN势阱层(0<x<1)和厚度为5-15nm的AlyGa1-yN势垒层(0<y<1,x<y)，多量子阱周期数1-10。
7）生长P型AlGaN电子阻挡层：
控制生长温度为800-1200℃，反应室压力为50-200mbar，生长厚度为10-50nm的P型AlGaN电子阻挡层，Al组分为0-1，Mg掺杂浓度为5E18 cm-3 ~1E20cm-3。
8）生长P型AlGaN限制层：
控制生长温度为800-1200℃，反应室压力为50-200mbar，生长厚度为10-200nm的P型AlGaN限制层，Al组分为0-1，Mg掺杂浓度为5E18 cm-3 ~1E20cm-3。
9）生长P型GaN接触层：
控制生长温度为800-1100℃，反应室压力为100-400mbar，生长厚度为10-200nm的P型GaN接触层，Mg掺杂浓度为5E18 cm-3 ~5E20cm-3。
在上述提高深紫外LED发光性能的外延生长方法中，所述异质衬底采用蓝宝石Al2O3、硅Si、碳化硅SiC或者氧化锌ZnO。
本发明由于采用了上述方法，同现有技术相比具有如下优点：
本发明外延生长方法，是通过采用磁控溅射方法在所述异质衬底上溅射一层和后续生长AlN模板材料晶格匹配的AlN薄膜作为缓冲层，减小了晶格失配，再在处理后的衬底上继续生长低温AlN缓冲层、低温AlN应力控制层和生长高温AlN层，可明显改善AlN和AlGaN材料的晶体质量和表面形貌。同时本发明方法也解决了处理衬底后直接生长AlN外延层带来的龟裂难题和生长GaN薄膜带来的吸光问题。实验证明，本发明方法可以显著提高深紫外LED器件的发光性能。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
附图说明
图1是本发明生长方法的流程图；
图2是本发明生长方法在衬底上溅射和不溅射AlN薄膜所生长的AlN模板的XRD(102)面的摇摆曲线比较图；
图3是本发明生长方法在衬底上溅射和不溅射AlN薄膜所生长的深紫外LED的电致发光谱比较图。
具体实施方式
参看图1，本发明提高深紫外LED发光性能的外延生长方法，从下至上依次生长方法步骤为：
1）处理衬底：
采用磁控溅射方法在异质衬底上溅射厚度为10-100nm的AlN薄膜，作为AlN外延生长的缓冲层。异质衬底采用蓝宝石Al2O3、硅Si、碳化硅SiC或者氧化锌ZnO。
2）生长低温AlN缓冲层：
控制生长温度为500-900℃，反应室压力为50-200mbar，Ⅴ/Ⅲ比为100-5000，生长厚度为10-50nm的低温AlN缓冲层。
3）生长AlN应力控制层：
控制生长温度为900-1200℃，反应室压力为50-200mbar，Ⅴ/Ⅲ比为100-5000，生长厚度为0.1-1μm的AlN应力控制层。
4）生长高温AlN层：
控制生长温度为1000-1400℃，反应室压力为20-100mbar，Ⅴ/Ⅲ比为10-1000，生长厚度为1-5μm的高温AlN层。
5）生长N型AlGaN接触层：
控制生长温度为900-1200℃，反应室压力为50-200mbar，生长厚度为1-5μm的N型AlGaN接触层，Al组分为0-1，Si 掺杂浓度为1E18 cm-3 ~2E19cm-3。
6）生长AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层：
控制生长温度为900-1200℃，反应室压力为50-200mbar，交替生长厚度为2-6nm的AlxGa1-xN势阱层(0<x<1)和厚度为5-15nm的AlyGa1-yN势垒层(0<y<1,x<y)，多量子阱周期数1-10。
7）生长P型AlGaN电子阻挡层：
控制生长温度为800-1200℃，反应室压力为50-200mbar，生长厚度为10-50nm的P型AlGaN电子阻挡层，Al组分为0-1，Mg掺杂浓度为5E18 cm-3 ~1E20cm-3。
8）生长P型AlGaN限制层：
控制生长温度为800-1200℃，反应室压力为50-200mbar，生长厚度为10-200nm的P型AlGaN限制层，Al组分为0-1，Mg掺杂浓度为5E18 cm-3 ~1E20cm-3。
9）生长P型GaN接触层：
控制生长温度为800-1100℃，反应室压力为100-400mbar，生长厚度为10-200nm的P型GaN接触层，Mg掺杂浓度为5E18 cm-3 ~5E20cm-3。
实施例一：
采用磁控溅射方法在平面蓝宝石衬底上溅射厚度10nm的AlN薄膜，然后控制生长温度为500℃，反应室压力为50mbar，Ⅴ/Ⅲ比为100，生长厚度为10nm的低温AlN缓冲层。接着控制生长温度为900℃，反应室压力为50mbar，Ⅴ/Ⅲ比为100，生长厚度为0.1μm的AlN应力控制层。最后在其上分别生长高温AlN层、N型AlGaN接触层、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层、P型AlGaN电子阻挡层、P型AlGaN限制层和P型GaN接触层。
参看图2，利用X射线衍射摇摆曲线半高宽来表征AlN外延薄膜的晶体质量。结果发现，采用本发明生长方法处理衬底和不处理衬底所生长的样品的XRD(102)面半高宽分别为560arcsec和780arcsec，晶体质量明显提高。参看图3，利用电致发光来表征深紫外LED的发光性能。结果发现，采用本发明的生长方法在衬底上溅射AlN薄膜所生长的深紫外LED和不溅射AlN薄膜所生长的样品相比，发光波长都在280nm左右，发光强度数值从9000增加到12500，而且峰位在320nm的寄生杂质峰明显减弱，说明溅射AlN薄膜所生长的深紫外LED发光性能明显提高。
实施例二：
采用磁控溅射方法在平面蓝宝石衬底上溅射厚度100nm的AlN薄膜，然后控制生长温度为900℃，反应室压力为200mbar，Ⅴ/Ⅲ比为5000，生长厚度为50nm的低温AlN缓冲层。接着控制生长温度为1200℃，反应室压力为200mbar，Ⅴ/Ⅲ比为5000，生长厚度为1μm的AlN应力控制层。最后在其上分别生长高温AlN层、N型AlGaN接触层、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层、P型AlGaN电子阻挡层、P型AlGaN限制层和P型GaN接触层。
实施例三：
采用磁控溅射方法在平面蓝宝石衬底上溅射厚度30nm的AlN薄膜，然后控制生长温度为800℃，反应室压力为100mbar，Ⅴ/Ⅲ比为1000，生长厚度为30nm的低温AlN缓冲层。接着控制生长温度为1100℃，反应室压力为100mbar，Ⅴ/Ⅲ比为1000，生长厚度为0.5μm的AlN应力控制层。最后在其上分别生长高温AlN层、N型AlGaN接触层、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层、P型AlGaN电子阻挡层、P型AlGaN限制层和P型GaN接触层。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；凡属于按照本技术方案进行显而易见的修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案，均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种提高深紫外LED发光性能的外延生长方法，其从下至上依次生长方法步骤为：
1）处理衬底：
采用磁控溅射方法在异质衬底上溅射厚度为10-100nm的AlN薄膜，作为AlN外延生长的缓冲层；
2）生长低温AlN缓冲层：
控制生长温度为500-900℃，反应室压力为50-200mbar，Ⅴ/Ⅲ比为100-5000，生长厚度为10-50nm的低温AlN缓冲层；
3）生长AlN应力控制层：
控制生长温度为900-1200℃，反应室压力为50-200mbar，Ⅴ/Ⅲ比为100-5000，生长厚度为0.1-1μm的AlN应力控制层；
4）生长高温AlN层：
控制生长温度为1000-1400℃，反应室压力为20-100mbar，Ⅴ/Ⅲ比为10-1000，生长厚度为1-5μm的高温AlN层；
5）生长N型AlGaN接触层：
控制生长温度为900-1200℃，反应室压力为50-200mbar，生长厚度为1-5μm的N型AlGaN接触层，Al组分为0-1，Si 掺杂浓度为1E18 cm-3 ~2E19cm-3；
6）生长AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层：
控制生长温度为900-1200℃，反应室压力为50-200mbar，交替生长厚度为2-6nm的AlxGa1-xN势阱层(0<x<1)和厚度为5-15nm的AlyGa1-yN势垒层(0<y<1,x<y)，多量子阱周期数1-10；
7）生长P型AlGaN电子阻挡层：
控制生长温度为800-1200℃，反应室压力为50-200mbar，生长厚度为10-50nm的P型AlGaN电子阻挡层，Al组分为0-1，Mg掺杂浓度为5E18 cm-3 ~1E20cm-3；
8）生长P型AlGaN限制层：
控制生长温度为800-1200℃，反应室压力为50-200mbar，生长厚度为10-200nm的P型AlGaN限制层，Al组分为0-1，Mg掺杂浓度为5E18 cm-3 ~1E20cm-3；
9）生长P型GaN接触层：
控制生长温度为800-1100℃，反应室压力为100-400mbar，生长厚度为10-200nm的P型GaN接触层，Mg掺杂浓度为5E18 cm-3 ~5E20cm-3。
2.根据权利要求1所述提高深紫外LED发光性能的外延生长方法，其特征在于，所述异质衬底采用蓝宝石Al2O3、硅Si、碳化硅SiC或者氧化锌ZnO。
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