CN107845708A - 一种深紫外发光二极管外延片、芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种深紫外发光二极管芯片，包括深紫外发光二极管外延片、设置在所述N型AlxGa1‑xN层上方的N电极、设置在所述P型AlxGa1‑xN层上方的激光器(DBR)、设置在所述激光器上方的P型电极，所述深紫外发光二极管外延片包括衬底、设置在所述衬底上的低温AlN成核层、设置在所述低温AlN成核层上的高温AlN本征层、设置在所述高温AlN本征层上的本征AlxGa1‑xN层、设置在所述本征AlxGa1‑xN层上的N型AlxGa1‑xN层、设置在所述N型AlxGa1‑xN层上的AlyGa1‑yN/AlzGa1‑zN多量子阱层、设置在所述AlyGa1‑yN/AlzGa1‑zN多量子阱层上的P型AluGa1‑uN电子阻挡层、设置在所述P型AluGa1‑uN电子阻挡层上的P型AlxGa1‑xN层。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种发光二极管外延片、芯片及其制备方法。
背景技术
相比于传统的紫外发光技术，如紫外线低压汞灯，基于半导体AlGaN材料的紫外发光二极管具有多方面的优势，具体如：寿命长，可高达5万小时以上；无须预热时间，反应速度很快(约在9-10秒)；发光谱线纯净，一般发光峰的FWHM可控制在15nm以内；体积小，可靠性高，容易制成极小或阵列式器件；适合批量生产；为固体光源，无须用到汞等对环境极不友好的材料，是一种绿色污染的新型紫外光源。因此，AlGaN基半导体深紫外发光二极管在很多领域有着重大的应用潜力，如固化、医疗卫生、杀菌消毒、通过紫外线激发荧光粉获取高品质白光等。
然而，目前AlGaN基紫外发光二极管的发光效率还比较低，特别是波长短于320nm的紫外发光二极管(UV-LED)的发光效率普遍在1％以下，内量子效率普遍低于10％。造成上述现象的主要原因有几个方面：第一，由于材料的晶体质量所引起的，AlGaN材料的缺陷密度较高，造成内量子效率的低下；第二，是由器件制备工艺和电极材料选择导致的。在LED的器件典型制备过程中，都需要用到刻蚀以制备电极，而刻蚀往往会给AlGaN材料带来损伤，众所周知，对于GaN材料，刻蚀损伤造成的N空位以浅能级施主出现，反而使得费米能级向导带靠近，从而比较容易获得欧姆接触电极。不同于GaN材料，AlGaN材料，特别是高Al组分的AlGaN材料在等离子刻蚀后，N空位不再是浅能级施主，而是作为深能级缺陷存在，会使费米能级远离导带，从而使得欧姆接触电极的制备比较困难，导致AlGaN基LED的开启电压增加；第三，大多数材料对于紫外线特别是深紫外线存在强烈吸收，目前在AlGaN基LED普遍使用的Ti/Al/Ti/Au等电极材料正是如此，同时，由于AlGaN材料的掺杂效率较低，因此，一般电极尺寸相对较大，从而使得LED的出光效率进一步降低。
对于上述由于器件制备工艺和电极材料选择引起的问题，目前仍未有相应的系统解决方案，一般仍然采用刻蚀后直接蒸镀电极的方式，而电极材料也普遍为Ti/Al/Ti/Au等。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种改善了芯片制备过程中刻蚀所带来的材料损伤并提高了深紫外发光二极管的出光效率的发光二极管外延片和芯片。
本发明采用的技术方案：一种深紫外发光二极管外延片，包括衬底、设置在所述衬底上的低温AlN成核层、设置在所述低温AlN成核层上的高温AlN本征层、设置在所述高温AlN本征层上的本征AlxGa1-xN层、设置在所述本征AlxGa1-xN层上的N型AlxGa1-xN层、设置在所述N型AlxGa1-xN层上的AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层、设置在所述AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层上的P型AluGa1-uN电子阻挡层、设置在所述P型AluGa1-uN电子阻挡层上的P型AlxGa1-xN层。
本发明采用的技术方案：一种深紫外发光二极管芯片，包括如上所述的深紫外发光二极管外延片、设置在所述N型AlxGa1-xN层上方的N电极、设置在所述P型AlxGa1-xN层上方的激光器(DBR)、设置在所述激光器上方的P型电极。
本发明采用的技术方案：一种深紫外发光二极管芯片的制备方法，包括如下步骤：步骤S1：在衬底上，利用MOCVD工艺，将所述衬底的温度降低为600℃，生长低温AlN成核层，所述衬底为蓝宝石、碳化硅或AlN；步骤S2：在所述低温AlN成核层上，将生长温度升高到1300℃，生长高温AlN本征层；步骤S3：在所述高温AlN本征层上，将生长温度保持在1150℃，生长本征AlxGa1-xN层；步骤S4：在所述本征AlxGa1-xN层上，生长温度保持在1150℃，生长N型AlxGa1-xN层；步骤S5：在所述N型AlxGa1-xN层上，将生长温度降至在1050℃，生长AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层；步骤S6：将生长温度保持在1050℃，在所述AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层上生长P型AluGa1-uN电子阻挡层；步骤S7：将生长温度保持在1050℃，在所述P型AluGa1- uN电子阻挡层上生长P型AlxGa1-xN层，形成所述深紫外发光二极管外延片；步骤S8：将所述深紫外发光二极管外延片放置于内有氮气和氨气的MOCVD反应腔或CVD反应腔内进行反应，其中N2：NH3＝200:1(摩尔比)，反应腔压强为500Torr，反应腔内用来放置衬底的石墨基座温度为800摄氏度，保持0.2h；步骤S9：在所述深紫外发光二极管外延片上光刻出N型区台面图案，再采用ICP或者RIE工艺从顶部刻蚀至所述深紫外发光二极管外延片的N型AlxGa1-xN层；步骤S10：取出所述深紫外发光二极管外延片，采用电子束蒸发工艺在P型电极图形区沉积具有高紫外光反射性的DBR；步骤S11：在所述深紫外发光二极管外延片的N型AlxGa1-xN层上沉积N型电极；步骤S12：在所述深紫外发光二极管外延片的P型AlxGa1-xN层上沉积P型电极。
本技术方案的效果是：本发明解决了由于刻蚀所带来的AlGaN材料的损伤以及由此造成的欧姆接触制备困难的问题；同时，通过采用高紫外光反射性材料作为电极，降低电极的吸光，提高AlGaN基紫外发光二极管的出光效率。
附图说明
图1所示为本发明第一实施例提供的一种深紫外发光二极管外延片的结构示意图。
图2所示为本发明第二实施例提供的一种深紫外发光二极管芯片的结构示意图。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明提供的一种深紫外发光二极管装置包括衬底、设置在该衬底上的低温AlN成核层、设置在该低温AlN成核层上的高温AlN本征层、设置在该高温AlN本征层上的本征AlxGa1-xN层、设置在该本征AlxGa1-xN层上的N型AlxGa1-xN层、设置在该N型AlxGa1-xN层上的AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层、设置在该AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层上的P型AluGa1-uN电子阻挡层、设置在该P型AluGa1-uN电子阻挡层上的P型AlxGa1-xN层。
该衬底为蓝宝石、碳化硅或AlN。
该低温AlN成核层的厚度为20nm；
该高温AlN本征层的厚度为0.3-100微米。
该本征AlxGa1-xN层的Al组分为0-100％，厚度为0.1-10微米。
该N型AlxGa1-xN层的Al组分为0-100％，厚度为0.1-10微米。
该AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层的Al组分为0-100％，厚度为1-500nm。该AlyGa1- yN/AlzGa1-zN多量子阱层的势垒层厚度为12nm，势阱层厚度为3nm，量子阱的周期为10个。
该P型AluGa1-uN电子阻挡层的Al组分为0-100％，厚度为1-200nm。
该P型AlxGa1-xN层的厚度为50-500nm。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供一种深紫外发光二极管外延片，包括：衬底101，设置在衬底101上的低温AlN成核层102，设置在低温AlN成核层102上的高温AlN本征层103，设置在高温AlN本征层103上的本征AlxGa1-xN层104，设置在本征AlxGa1-xN层104上的N型AlxGa1-xN层105，设置在N型AlxGa1-xN层105上的AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层106、设置在AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层106上的P型AluGa1-uN电子阻挡层107、设置在P型AluGa1-uN电子阻挡层107上的P型AlxGa1-xN层108。
本实施例中，衬底101为蓝宝石、碳化硅或AlN；低温AlN成核层102的厚度为20nm；高温AlN本征层103的厚度在0.3-100微米之间，优选地，厚度为1000nm；本征AlxGa1-xN层104的Al组分为0-100％，厚度在0.1-10微米之间，优选地，厚度为300nm；N型AlxGa1-xN层105的Al组分为0-100％，厚度在0.1-10微米之间，优选地，厚度为2500nm；AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层106的Al组分为0-100％，厚度在1-500nm之间，优选地，多量子阱层势垒层厚度为12nm，势阱层厚度为3nm，量子阱的周期为6个；P型AluGa1-uN电子阻挡层107的Al组分为0-100％，厚度在1-200nm之间，优选地，厚度为20nm；P型AlxGa1-xN层108的厚度在1-200nm之间，优选地，厚度为100nm。
实施例2：
如图2所示，本实施例提供一种高效深紫外发光二极管芯片，包括实施例1的外延片，在外延片的N型AlxGa1-xN层105上方设有N电极109，在外延片的P型AlxGa1-xN层108上方设有高紫外光反射性的DBR110，在DBR110上方设有P型电极111。
实施例3：
本实施例提供一种高效深紫外发光二极管外延片芯片的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)在蓝宝石的衬底上，利用MOCVD工艺，将衬底温度降低为600℃，生长厚度为20nm的低温AlN成核层；衬底还可以采用碳化硅或AlN；
(2)在低温AlN成核层上，将生长温度升高到1300℃，生长厚度为1000nm的高温AlN本征层；
(3)在高温AlN本征层上，将生长温度保持在1150℃，生长厚度为300nm的本征AlxGa1-xN层；
(3)在本征AlxGa1-xN层上，生长温度保持在1150℃，生长厚度为2500nm的N型AlxGa1-xN层，N型AlxGa1-xN层为Si掺杂浓度在1019cm-3的Al0.55Ga0.45N层；
(4)在N型AlxGa1-xN层上，将生长温度降至在1050℃，生长AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层，AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层具体为Al0.5Ga0.5N/Al0.3Ga0.7N多量子阱层，Al0.5Ga0.5N势垒层厚度为12nm，Al0.3Ga0.7N势阱层厚度为3nm，量子阱的周期为6个；
(5)将生长温度保持在1050℃，在AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层上，生长厚度为20nm的P型AluGa1-uN电子阻挡层，P型AluGa1-uN电子阻挡层为P型Al0.6Ga0.4N电子阻挡层；
(6)将生长温度保持在1050℃，在P型AluGa1-uN电子阻挡层上生长厚度为100nm的P型AlxGa1-xN层，形成高效深紫外发光二极管外延片；
(7)将外延片放置于气氛为氮气和氨气的MOCVD反应腔或CVD反应腔内进行反应，其中N2：NH3＝200:1(摩尔比)，反应腔压强为500Torr，反应腔内用来放置衬底的石墨基座温度为800摄氏度，保持0.2h；
(8)在高效深紫外发光二极管外延片上光刻出N型区台面图案，再采用ICP或者RIE工艺从顶部刻蚀至高效深紫外发光二极管外延片的N型AlxGa1-xN层；
(9)取出外延片，采用电子束蒸发工艺在P型电极图形区沉积具有高紫外光反射性的DBR，所述DBR的金属薄膜厚度为10～500nm；
(10)在外延片的N型AlxGa1-xN层上沉积N型电极；
(11)在外延片的P型AlxGa1-xN层上沉积P型电极。
使用本发明实施例3提供的深紫外光二极管芯片制作高效深紫外发光二极管外延片时，需用PECVD沉积200nm的二氧化硅钝化层，然后光刻出倒装焊点金属沉积图形，用RIE工艺刻蚀掉焊点金属沉积图形区域上的二氧化硅钝化层，再在该区域上用热蒸发工艺沉积2微米厚AuSn焊料，完成器件制作。
在N型AlGaN材料的刻蚀过程中，Al的溢出速度快于Ga和N，容易造成N空位缺陷和受主型Al阳离子空位缺陷。针对N空位缺陷，本发明通过在合适条件下在N2+NH3气氛退火，可部分消除；在此基础上，选择采用具有高紫外光反射性的DBR材料，可将大部分紫外光反射回去。
本发明解决了在芯片制备过程中由于刻蚀所带来的AlGaN材料的损伤以及由此造成的欧姆接触制备困难的问题；同时，在此基础上，通过采用高紫外光反射性材料作为电极，降低电极的吸光，提高AlGaN基紫外发光二极管的出光效率。本发明引入了可操作性和重复性较强的消除刻蚀损伤的新工艺，使得电极材料的选取范围扩大，制备获得欧姆接触的难度相应降低。
以上仅为本发明的较佳实施例，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 (10)
1.一种深紫外发光二极管外延片，其特征在于，包括衬底、设置在所述衬底上的低温AlN成核层、设置在所述低温AlN成核层上的高温AlN本征层、设置在所述高温AlN本征层上的本征AlxGa1-xN层、设置在所述本征AlxGa1-xN层上的N型AlxGa1-xN层、设置在所述N型AlxGa1-xN层上的AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层、设置在所述AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层上的P型AluGa1-uN电子阻挡层、设置在所述P型AluGa1-uN电子阻挡层上的P型AlxGa1-xN层。
2.如权利要求1所述的深紫外发光二极管外延片，其特征在于：所述衬底为蓝宝石、碳化硅或AlN；所述低温AlN成核层的厚度为20nm；所述高温AlN本征层的厚度为0.3-100微米；所述本征AlxGa1-xN层的Al组分为0-100％，厚度为0.1-10微米；所述N型AlxGa1-xN层的Al组分为0-100％，厚度为0.1-10微米；所述AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层的Al组分为0-100％，厚度为1-500nm；所述P型AluGa1-uN电子阻挡层的Al组分为0-100％，厚度为1-200nm；所述P型AlxGa1-xN层的厚度为50-500nm。
3.如权利要求2所述的深紫外发光二极管外延片，其特征在于：所述高温AlN本征层的厚度为1000nm，所述本征AlxGa1-xN层的厚度为300nm，所述N型AlxGa1-xN层的厚度为2500nm，所述AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层的势垒层厚度为12nm，势阱层厚度为3nm，量子阱的周期为10个，所述P型AluGa1-uN电子阻挡层的厚度为20nm，所述P型AlxGa1-xN层的厚度为100nm。
4.如权利要求2所述的深紫外发光二极管外延片，其特征在于：所述高温AlN本征层的厚度为1000nm，所述本征AlxGa1-xN层的厚度为300nm，所述N型AlxGa1-xN层的厚度为2500nm，所述AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层的势垒层厚度为12nm，势阱层厚度为3nm，量子阱的周期为6个，所述P型AluGa1-uN电子阻挡层的厚度为20nm，所述P型AlxGa1-xN层的厚度为100nm。
5.一种深紫外发光二极管芯片，其特征在于，包括如权利要求1至4所述的深紫外发光二极管外延片、设置在所述N型AlxGa1-xN层上方的N电极、设置在所述P型AlxGa1-xN层上方的激光器(DBR)、设置在所述激光器上方的P型电极。
6.一种深紫外发光二极管芯片的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：在衬底上，利用MOCVD工艺，将所述衬底的温度降低为600℃，生长低温AlN成核层，所述衬底为蓝宝石、碳化硅或AlN；
步骤S2：在所述低温AlN成核层上，将生长温度升高到1300℃，生长高温AlN本征层；
步骤S3：在所述高温AlN本征层上，将生长温度保持在1150℃，生长本征AlxGa1-xN层；
步骤S4：在所述本征AlxGa1-xN层上，生长温度保持在1150℃，生长N型AlxGa1-xN层；
步骤S5：在所述N型AlxGa1-xN层上，将生长温度降至在1050℃，生长AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层；
步骤S6：将生长温度保持在1050℃，在所述AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层上生长P型AluGa1-uN电子阻挡层；
步骤S7：将生长温度保持在1050℃，在所述P型AluGa1-uN电子阻挡层上生长P型AlxGa1-xN层，形成所述深紫外发光二极管外延片；
步骤S8：将所述深紫外发光二极管外延片放置于内有氮气和氨气的MOCVD反应腔或CVD反应腔内进行反应，其中N2：NH3＝200:1(摩尔比)，反应腔压强为500Torr，反应腔内用来放置衬底的石墨基座温度为800摄氏度，保持0.2h；
步骤S9：在所述深紫外发光二极管外延片上光刻出N型区台面图案，再采用ICP或者RIE工艺从顶部刻蚀至所述深紫外发光二极管外延片的N型AlxGa1-xN层；
步骤S10：取出所述深紫外发光二极管外延片，采用电子束蒸发工艺在P型电极图形区沉积具有高紫外光反射性的DBR；
步骤S11：在所述深紫外发光二极管外延片的N型AlxGa1-xN层上沉积N型电极；
步骤S12：在所述深紫外发光二极管外延片的P型AlxGa1-xN层上沉积P型电极。
7.如权利要求6所述的深紫外发光二极管芯片的制备方法，其特征在于：所述低温AlN成核层的厚度为20nm，所述高温AlN本征层的厚度为1000nm，所述本征AlxGa1-xN层的厚度为300nm；所述N型AlxGa1-xN层的生长厚度为2500nm；所述P型AluGa1-uN电子阻挡层的厚度为20nm，所述P型AlxGa1-xN层的厚度为100nm。
8.如权利要求7所述的深紫外发光二极管芯片的制备方法，其特征在于：所述N型AlxGa1-xN层为Si掺杂浓度在1019cm-3的Al0.55Ga0.45N层，所述P型AluGa1-uN电子阻挡层为P型Al0.6Ga0.4N电子阻挡层。
9.如权利要求6所述的深紫外发光二极管芯片的制备方法，其特征在于：所述AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层为Al0.5Ga0.5N/Al0.3Ga0.7N多量子阱层，Al0.5Ga0.5N势垒层厚度为12nm，Al0.3Ga0.7N势阱层厚度为3nm，量子阱的周期为6个。
10.如权利要求6所述的深紫外发光二极管芯片的制备方法，其特征在于：所述DBR的金属薄膜厚度为10～500nm。
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