CN108922947A - 一种基于多孔外延模板的紫外发光二极管及其制作方法 - Google Patents

一种基于多孔外延模板的紫外发光二极管及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体微电子技术领域，具体为公开了一种基于多孔外延模板的高效紫外发光二极管及其制作方法。该发明是通过电化学腐蚀、光电化学腐蚀、光催化腐蚀或金属催化腐蚀获得多孔外延模板，然后在此模板上外延LED结构。通过这种方法不但能提高外延层有源区的材料质量，释放外延层应力，提高内量子效率，还能通过多孔结构降低光的内部反射提高出光效率，同时相对于传统图形衬底外延技术，该外延模板制备方法更加简单，外延层合并更容易。

Description

一种基于多孔外延模板的紫外发光二极管及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体微电子领域，特别涉及紫外发光二极管(UV LED)的外延结构设计领域。
背景技术
基于三族氮化物的UV LED具有体积小、调制频率高、低电压以及潜在的高效率等特点，特别是与传统紫外光源相比对环境无污染，使得其在杀菌消毒、空气水的净化、医疗美容、聚合物固化、生化探测、非视距通讯等领域有着广泛的应用前景。
目前，蓝宝石是UV LED的主流衬底。由于蓝宝石和氮化物外延层之间存在很大的晶格失配和热失配，异质外延层中会产生大量的位错和较大的应力，导致高密度非辐射复合中心以及严重的量子限制斯塔克效应，会降低UV LED内量子效率。此外，随着UV LED的发光波长减小，发光从TE模向TM模转化，对于生长于c面蓝宝石上的UV LED来说，TE模和TM模极化光分别主要在垂直和水平方向传播，由于各外延层界面和蓝宝石界面处存在严重的放射，大部分的光被限制在UV LED内部损失掉，因此UV LED光提取效率非常低，极大的限制了UV LED性能的提高，因此，改善外延层设计对提高有源区材料质量，释放外延层应力，提高紫外发光二极管出光效率具有重要意义。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提出一种基于多孔外延模板的紫外发光二极管及其制作方法，通过设计新型的结构和制作方法，达到提高外延层有源区的材料质量和内量子效率，释放外延层应力，减少光的内部散射，提高出光效率的目的。
(二)技术方案
本发明提供了一种紫外发光二极管，该紫外发光二极管的结构依次包括：衬底(11)、模板层(12)、多孔层(13)、n型AlGaN层(14)、有源区(15)、电子阻挡层(16)、p型层(17)；所述n型AlGaN层台面(14)有n型欧姆电极(19)，p型层(17)上有p型欧姆电极(18)。
可选地，衬底11材料为蓝宝石、碳化硅、氮化铝或氧化镓中的一种。
可选地，多孔层13、n型层14、电子阻挡层16的禁带宽度大于所述有源区15的禁带宽度。
可选地，多孔层13是由多孔转变层1301腐蚀成多孔外延模板层130，而后对多孔外延模板层130进行高温处理制得。
可选地，多孔转变层1301的材料为AlxInyGa1-x-yN，其厚度为0.1-5μm。
可选地，n型欧姆电极为Ti/Al/Ti/Au或Cr/Al/Ti/Au金属和p型欧姆电极为Ni/Au、Ni/Ag或Cr/Pt/Au金属中的一种。
本发明还提供了一种高效紫外发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在衬底上依次生长缓冲层衬底11、模板层12、多孔转变层1301；
步骤2：将所述多孔转变层1301腐蚀成多孔外延模板层130，并对所述多孔外延模板层130进行高温处理得到多孔层13；
步骤3：在多孔层13上生长n型AlGaN层14，并在所述n型AlGaN层14的部分表面依次生长有源区15、电子阻挡层16及p型层17；
步骤4：将获得的外延片进行部分刻蚀，制备出n型台面；
步骤5：在所述未被有源区15覆盖的n型台面上制备n型欧姆电极18。
步骤6：在p型层17上制备p型欧姆电极18；
可选地，通过电化学腐蚀或光电化学腐蚀多孔转变层1301获得多孔外延模板层130。
可选地，通过光催化腐蚀或金属催化腐蚀多孔转变层1301获得多孔外延模板层130。
可选地，所述腐蚀所用电解质溶液为酸性、碱性溶液以及它们与其他盐溶液的混合液。
(三)有益效果
本发明通过设计多孔结构的AlxInyGa1-x-yN外延层，提高了外延层有源区的材料质量，释放了外延层应力，提高了内量子效率，该多孔结构还能降低光的内反射进而提高出光效率。同时这种方法相对于传统图形衬底外延技术，外延模板制备方法更加简单，外延层合并更容易。
附图说明
图1为本发明中紫外发光二极管的截面结构示意图；
图2为发明中紫外发光二极管的制备方法流程图；
图3为本发明中紫外发光二极管的多孔外延模板的截面结构和俯视示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1所示为本发明中基于多孔模板的紫外发光二极管的外延结构示意图，从图中可以看出该结构从下至上依次包括：衬底11、模板层12、多孔层13、n型AlGaN层14、有源区15、电子阻挡层16、p型层17；所述n型AlGaN层台面14有n型欧姆电极19，p型层17上有p型欧姆电极18。
图2所示为本发明一种基于多孔外延模板的紫外发光二极管的制作流程图，主要包括以下步骤：
步骤1，生长多孔转变层1301：
该多孔转变层1301的材料为AlxInyGa1-x-yN，采用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)的方法，在模板层122之上外延硅掺杂的n型，其厚度为0.1-5μm，硅掺杂浓度1015-1020cm-3。
步骤2，制备多孔层13：
图3所示为本发明所公开基于多孔外延模板的高效紫外发光二极管的多孔外延模板的截面和俯视结构示意图，如图3所示，该多孔外延模板包括：衬底11、模板层12及多孔层13。
衬底11，该衬底11的材料为蓝宝石、碳化硅、氮化铝或氧化镓中的一种。
模板层12，其采用MOCVD的方法生长在衬底11上，其厚度为0.1-10μm。具体地，模板层12分为两层：第一层是低温成核层121，其生长温度500-800℃，厚度为5-1000nm；第二层是高温模板层122，其生长温度为1000-1400℃，其厚度为500-5000nm；其中低温成核层121在高温模板层122和衬底11之间。
多孔层13，其是通过对具有多孔结构的多孔外延模板层130进行高温处理制得的，本发明实施方式制备多孔外延模板层130的方法有两种：
a)通过电化学腐蚀或光电化学腐蚀n型多孔转变层1301(或非掺杂型多孔转变层1301)的方法制得多孔外延模板层130，其中孔径大小为10-500nm；
b)在模板层12之上外延n或p型掺杂或者非掺杂多孔转变层1301，其厚度为0.1-5μm，通过光催化腐蚀或金属催化腐蚀的方法将多孔转变层1301腐蚀成多孔外延模板层130，其中孔径大小为10-500nm；
需要说明的是，上述a)、b)两种方法腐蚀所用电解质溶液可以是碱性、酸性溶液以及它们与其他盐溶液的混合液，比如KOH、AZ400K、NaOH、HNO3、HF、H2SO4、HCl、H2C2O4、H3PO4等。另外，电化学腐蚀、光电化学腐蚀所用的电源为直流电源，腐蚀电压5-100V；多孔外延模板层130在H2或N2气氛下经过高温过程，多孔外延模板层130的孔隙会发生形变，通过控制多孔外延模板层130的孔的形态尺寸和高温过程的温度，可以获得具有不同形态空隙的多孔层13，如多孔层131和132，高温过程的温度为500-1200℃。
步骤3，生长紫外发光二极管外延层：
3.1，n型AlGaN层14，其采用MOCVD的方生法长在多孔层13之上，其厚度为0.1-5μm，生长温度为800-1200℃；
3.2，具有一个或多量子阱的有源区15，其采用MOCVD的方生法生长在n型AlGaN层14之上，其材料为AlxGa1-xN/AlyGa1-yN基材料，其中0≤x<y≤1，单层量子阱和量子垒的厚度分别是1-10nm/5-20nm，包含1-10个量子阱；
3.3，电子阻挡层16，其采用MOCVD的方式生长在有源区15之上，其材料为高Al组分p型掺杂AlGaN材料(Al组分高于量子垒)，目的是阻挡电子过冲，其厚度为10-500nm；
3.4，p型层17为AlxGa1-xN(0≤x<1)层，其生长在电子阻挡层16上，厚度为1nm-1000nm，其空穴浓度为1017-1019cm-3。
步骤4，刻蚀制备n型台面：
刻蚀方法可采用ICP或者RIE，从外延片顶部p型层17部分刻蚀至n型层14中，刻蚀后台面低于n型层14顶部100-800nm。
步骤5，制备电极，具体包括：
5.1，在n型层台面光刻出n型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在电极图形区沉积n型电极金属，形成n型电极19，n型电极19与台面刻蚀侧壁距离为20μm，并在氮气气氛，500-1200℃下，快速热退火10-300s，形成欧姆接触；
5.2，在未被刻蚀的p型层17上光刻出p型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在电极图形区沉积p型电极金属，形成p型电极18，为了尽可能增加电极和接触层之间的面积，同时考虑工艺难度，p型电极18的边缘距离p型层17边缘5-50μm，优选10μm，并在空气气氛，500-1200℃下，快速热退火10-300s，形成欧姆接触；采用所述结构的紫外发光二极管的发光波长范围在200nm-365nm之间。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种紫外发光二极管，其特征在于，该紫外发光二极管的结构依次包括：衬底(11)、模板层(12)、多孔层(13)、n型AlGaN层(14)、有源区(15)、电子阻挡层(16)、p型层(17)；所述n型AlGaN层台面(14)有n型欧姆电极(19)，p型层(17)上有p型欧姆电极(18)。
2.根据权利要求1所述的紫外发光二极管，其特征在于，所述衬底(11)材料为蓝宝石、碳化硅、氮化铝或氧化镓中的一种。
3.根据权利要求1所述的紫外发光二极管，其特征在于，所述多孔层(13)、n型层(14)、电子阻挡层(16)的禁带宽度大于所述有源区(15)的禁带宽度。
4.根据权利要求1所述的紫外发光二极管，其特征在于，所述多孔层(13)是由多孔转变层(1301)腐蚀成多孔外延模板层(130)，而后对多孔外延模板层(130)进行高温处理制得。
5.根据权利要求4所述的紫外发光二极管，其特征在于，所述多孔转变层(1301)的材料为AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0＜x+y＜1，其厚度为0.1-5μm。
6.根据权利要求1所述的紫外发光二极管，其特征在于，所述n型欧姆电极为Ti/Al/Ti/Au或Cr/Al/Ti/Au金属和p型欧姆电极为Ni/Au、Ni/Ag、Cr/Pt/Au金属中的一种。
7.一种紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在衬底上依次生长缓冲层衬底(11)、模板层(12)、多孔转变层(1301)；
步骤2：将所述多孔转变层(1301)腐蚀成多孔外延模板层(130)，并对所述多孔外延模板层(130)进行高温处理得到多孔层(13)；
步骤3：在多孔层(13)上生长n型AlGaN层(14)，并在所述n型AlGaN层(14)的部分表面依次生长有源区(15)、电子阻挡层(16)及p型层(17)；
步骤4：将获得的外延片进行部分刻蚀，制备出n型台面；
步骤5：在所述未被有源区(15)覆盖的n型台面上制备n型欧姆电极(19)；
步骤6：在p型层(17)上制备p型欧姆电极(18)。
8.根据权利要求7所述的紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，通过电化学腐蚀或光电化学腐蚀多孔转变层(1301)获得所述多孔外延模板层(130)。
9.根据权利要求7所述的紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，通过光催化腐蚀或金属催化腐蚀多孔转变层(1301)获得所述多孔外延模板层(130)。
10.根据权利要求8或9所述的紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，所述腐蚀所用电解质溶液为酸性、碱性溶液以及它们与其他盐溶液的混合液。
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