CN109545919B - n型AlGaN层调制掺杂的高效紫外发光二极管及制备方法 - Google Patents

n型AlGaN层调制掺杂的高效紫外发光二极管及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种AlGaN层调制掺杂的高效紫外发光二极管及其制备方法，主要解决现有紫外发光二极管电流拥堵的问题。其自下而上包括：磁控溅射AlN的c面蓝宝石衬底层(1)、u型AlxGa1‑xN层(2)、n型AlxGa1‑xN层(3)、InyGa1‑yN/AlzGa1‑zN多量子阱层(4)、p型GaN层(5)和电极(6)，其中n型AlxGa1‑xN层(3)采用由AlxGa1‑xN层和GaN层按照10‑60的周期交替生长的n‑AlxGa1‑ xN层和u‑GaN层组成的调制掺杂结构。本发明提高了器件的电导率，缓解了电流拥堵效应，从而提高了器件的发光效率，可用于紫外和深紫外发光设备中。

Description

n型AlGaN层调制掺杂的高效紫外发光二极管及制备方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种高效横向发光二极管，可用于紫外和深紫外发光设备中。
技术背景
横向发光二极管电流扩展效果是影响其性能的重要因素。严重的电流拥堵会导致发光二极管器件可靠性降低、散热能力差和寿命短等不良后果，从而影响了做成的发光二极管的效率，故减小电流拥堵一直是发光二极管设计和制作时的重要目标。
目前常见的发光二极管包括红光发光二极管、黄光发光二极管、绿光发光二极管、蓝光发光二极管、紫光发光二极管和紫外发光二极管等，其中紫外发光二极管结构通常包括蓝宝石衬底、u型AlGaN层、n型AlGaN层、多量子阱层、p型层和电极，其n型AlGaN层常采用均匀掺杂的方式，掺杂浓度也较高，这种方法会导致材料电子迁移率较低、电阻率较大，不利于电流的横向扩展，导致电流在量子阱层分布不均匀，使得电流在部分区域严重拥堵而其他部分分布不足，因而做成的紫外发光二极管效率不高。
发明内容
本发明的目的在于针对传统发光二极管的不足，提出一种n型AlGaN层调制掺杂的高效紫外发光二极管及制备方法，以减小电流拥堵，提高器件发光效率。
为实现上述目的，本发明的n型AlGaN层调制掺杂的高效紫外发光二极管，自下而上包括：磁控溅射AlN的c面蓝宝石衬底层、u型AlxGa1-xN层、n型AlxGa1-xN层、InyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层、p型GaN层和电极，其特征在于：n型AlxGa1-xN层采用n-AlxGa1-xN/u-GaN调制掺杂结构，以增加电子迁移率，提高器件发光效率。
作为优选，所述的n-AlxGa1-xN/u-GaN调制掺杂结构由AlxGa1-xN层和GaN层交替生长，每个AlxGa1-xN层和它上面的GaN层组合起来为一个10-60的周期，AlxGa1-xN层和GaN层厚度分别为5-25nm和3-20nm，厚度为480-2700nm，AlxGa1-xN掺杂浓度范围为6×1017cm-1-6×1018cm-1，GaN为非故意掺杂，Al含量x的调整范围为0.05-0.2。
为实现上述目的，本发明制备n型AlGaN层调制掺杂的高效紫外发光二极管的方法，包括如下步骤：
1)对衬底进行加热预处理；
2)在预处理后的衬底上利用MOCVD设备生长1000-4000nm的u型AlxGa1-xN层；
3)在u型AlxGa1-xN层上利用MOCVD设备生长n-AlxGa1-xN/u-GaN构成的调制掺杂层：
在u型AlxGa1-xN层上按10-60周期交替生长厚度为5-25nm的n-AlxGa1-xN层和厚度为3-20nm的u-GaN层，n-AlxGa1-xN层的掺杂浓度范围为6×1017cm-1-6×1018cm-1，Al含量x的调整范围为0.05-0.2，u-GaN层为非故意掺杂；
4)在交替生长后最上层的u-GaN层上利用MOCVD设备生长3-8个周期的InyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层，每个周期的单层InyGa1-yN阱层和AlzGa1-zN垒层的厚度分别为1-8nm和8-25nm，In含量x的调整范围为0-0.12，Al含量y的调整范围为0-0.2；
5)在多量子阱最上层的AlzGa1-zN势垒层上利用MOCVD设备生长厚度为100-300nm的p型GaN层，之后将反应室温度维持在750-850℃，在N2气氛下，退火5-10min；
6)在p型GaN上采用干法刻蚀直到n-AlxGa1-xN层暴露出来；
7)采用溅射金属的方法分别在n-AlxGa1-xN层上沉积n型电极，在p型GaN层沉积p型电极，完成对发光二极管的制作。
本发明与传统发光二极管相比，由于使用n-AlxGa1-xN/u-GaN调制掺杂层，减小了电流拥堵，提高了材料的电子迁移率和器件的发光效率。
附图说明
图1是本发明n型AlGaN层调制掺杂的高效紫外发光二极管的结构示意图；
图2是本发明制作n型AlGaN层调制掺杂的高效紫外发光二极管的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1，本发明的器件结构包括：磁控溅射AlN的c面蓝宝石衬底层1、u型AlxGa1- xN层2、n-AlxGa1-xN/u-GaN调制掺杂层3、InyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层4、p型GaN层5和电极6。其中u型AlxGa1-xN层2位于磁控溅射AlN的c面蓝宝石衬底层1之上，其厚度为1000-4000nm；该n-AlxGa1-xN/u-GaN调制掺杂层3位于u型AlxGa1-xN层2之上，它为按10-60周期交替生长的n-AlxGa1-xN层和u-GaN层，其中n-AlxGa1-xN层的厚度为5-25nm，掺杂浓度范围为6×1017cm-1-6×1018cm-1，Al含量x的调整范围为0.05-0.2；u-GaN层的厚度为3-20nm，为非故意掺杂；该InyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层4位于n-AlxGa1-xN/u-GaN层3之上，它为按3-8周期交替生长的厚度为1-8nm的InyGa1-yN层和厚度为8-25nm的AlzGa1-zN层；p型GaN层5位于InyGa1- yN/AlzGa1-zN多量子阱4之上，其厚度为100-300nm；电极6包括n型电极和p型电极，分别位于n型AlxGa1-xN层3和p型GaN层5之上。
InyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层4中In含量y的调整范围为0-0.12，Al含量z的调整范围为0-0.2不同的In组分可以得到不同波长的紫外发光二极管。
参照图2，本发明给出制备n型AlGaN层调制掺杂的高效紫外发光二极管的三种种实施例。
实施例1，制备一种发光波长为365nm的紫外发光二极管。
步骤一，对衬底进行预处理。
将磁控溅射AlN的c面蓝宝石衬底经过清洗之后，置于金属有机化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低至120Torr；向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到为150Torr条件下，将衬底加热到温度为1300℃，并保持10min，完成对衬底基片的热处理。
步骤二，生长u型Al0.1Ga0.9N层,如图2(a)。
将预处理后的衬底置于MOCVD设备中，设置其反应室温度为1100℃，同时通入流量为25000sccm的氨气、流量为200sccm的镓源和流量为170sccm的铝源，压力保持为300Torr，在预处理后的衬底上生长厚度为3μm的u型Al0.1Ga0.9N。
步骤三，生长n-Al0.1Ga0.9N/u-GaN调制掺杂层，如图2(b)。
在u型Al0.1Ga0.9N层上利用MOCVD设备在反应室温度为1100℃的条件下，保持压力为300Torr的条件下交替生长四十个周期的n-Al0.1Ga0.9N/u-GaN调制掺杂层，每个周期的单层n-Al0.1Ga0.9N和u-GaN的厚度分别为15nm和10nm，其中生长过程中氨气的流量保持在30000sccm，且在生长掺杂浓度为1×1018cm-1的n-Al0.1Ga0.9N时，同时通入流量为170sccm的铝源、流量为4sccm的硅源和流量为340sccm的镓源；在生长u-GaN时保持镓源的流量为340sccm。
步骤四，生长GaN/Al0.2Ga0.8N多量子阱结构,如图2(c)。
在交替生长n-Al0.1Ga0.9N/u-GaN层的最上层u-GaN上利用MOCVD设备在反应室生长八个周期的GaN/Al0.2Ga0.8N量子阱，每个周期的单层GaN阱层和Al0.2Ga0.8N垒层的厚度分别为4nm和15nm，其中生长过程中氮源的流量保持在30000sccm，镓源流量保持为93sccm，温度为800℃，压力为400Torr；在生长Al0.2Ga0.8N垒层时保持镓源流量为415sccm，铝源流量为120sccm，温度为900℃，压力为200Torr。
步骤五，生长p型GaN层，如图2(d)。
在GaN/Al0.08Ga0.92N量子阱最上层的Al0.2Ga0.8N势垒层上利用MOCVD设备在反应室温度为980℃，压力为150Torr的条件下，同时通入流量为35000sccm的氨气，流量为38sccm的镓源和流量为1800sccm的镁源，生长厚度为200nm的p型GaN层；之后将反应室温度维持在750℃，在N2气氛下，退火10min；
步骤六，干法刻蚀，如图2(e)
在p型GaN上采用干法刻蚀，刻蚀面积为4mil×3mil,刻蚀直到n-AlxGa1-xN层暴露出来。
步骤七，淀积电极，如图2(f)
采用溅射金属的方法分别在n-Al0.1Ga0.9N上沉积n型电极，在p型GaN层沉积p型电极，完成对发光波长为365nm的紫外发光二极管制作。
实施例2，制备发光波长为400nm的紫外发光二极管
步骤1，对衬底进行预处理。
将磁控溅射AlN的c面蓝宝石衬底经过清洗之后，置于金属有机化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低至110Torr；向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到为120Torr条件下，将衬底加热到温度为1200℃，并保持10min，完成对衬底基片的热处理。
步骤2，生长u型Al0.05Ga0.95N层，如图2(a)。
在预处理后的衬底上利用MOCVD设备生长厚度为4μm的u型Al0.05Ga0.95N层，其工艺条件如下：
反应室温度为1000℃、压力为350Torr，氨气流量为30000sccm，镓源流量为100sccm铝源流量为85sccm。
步骤3，生长n-Al0.05Ga0.95N/u-GaN调制掺杂层，如图2(b)。
在u型Al0.05Ga0.95N层上利用MOCVD设备交替生长六十个周期的n-Al0.05Ga0.95N/u-GaN调制掺杂层，每个周期的单层n-Al0.05Ga0.95N和u-GaN的厚度分别为5nm和3nm，其工艺条件如下：
反应室温度为1000℃的条件下，保持压力为250Torr；
在生长过程中氨气的流量保持在25000sccm，且在生长掺杂浓度为6×1017cm-1的n-Al0.05Ga0.95N时，其铝源的流量为85sccm、硅源的流量为2sccm和镓源的流量为300sccm；
在生长u-GaN时，保持镓源的流量为300sccm。
步骤4，生长In0.12Ga0.88N/GaN多量子阱结构,如图2(c)。
在交替生长n-Al0.05Ga0.95N/u-GaN调制掺杂层的最上层u-GaN上利用MOCVD设备在反应室生长三个周期的In0.12Ga0.88N/GaN量子阱，每个周期的单层In0.12Ga0.88N阱层和GaN垒层的厚度分别为1nm和8nm，其生长的工艺条件如下：
氮源的流量保持在25000sccm；
在生长In0.12Ga0.88N阱层时，保持镓源流量为85sccm，铟源流量为480sccm，温度为820℃，压力为380Torr；
在生长GaN垒层时，保持镓源流量为400sccm，温度为920℃，压力为220Torr。
步骤5，生长p型GaN层，如图2(d)。
5.1)在In0.12Ga0.88N/GaN多量子阱的最上层GaN势垒层上利用MOCVD设备生长厚度为300nm的p型GaN层，其工艺条件如下：
反应室温度为1000℃、压力为200Torr的条件；
氨气流量为40000sccm，镓源流量为35sccm，镁源流量为2000sccm；
5.2)将反应室温度维持在780℃，，在N2气氛下，退火10min。
步骤6，干法刻蚀，如图2(e)。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤六相同。
步骤7，淀积电极，如图2(f)。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤七相同。
实施例3，制备一种发光波长为383nm的紫外发光二极管。
步骤A，对衬底进行预处理。
将磁控溅射AlN的c面蓝宝石衬底经过清洗之后，置于金属有机化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低至120Torr；向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到为140Torr条件下，将衬底加热到温度为1150℃，并保持10min，完成对衬底基片的热处理。
步骤B，生长u型Al0.2Ga0.8N层，如图2(a)。
在预处理后的衬底上利用MOCVD设备在反应室温度为1050℃、压力为330Torr，氨气流量为28000sccm，镓源流量为265sccm铝源流量为300sccm的工艺条件下生长厚度为1μm的u型Al0.2Ga0.8N层。
步骤C，生长n-Al0.2Ga0.8N/u-GaN调制掺杂层，如图2(b)。
在u型Al0.2Ga0.8N层上利用MOCVD设备在反应室温度为1050℃，压力为350Torr，氨气流量保持在28000sccm的条件下，交替生长五十个周期的n-Al0.2Ga0.8N/u-GaN调制掺杂层；
每个周期的单层n-Al0.2Ga0.8N厚度为25nm，掺杂浓度6×1018cm-1，其同时通入的铝源的流量为300sccm、硅源的流量为6sccm和镓源的流量为350sccm；
每个周期的单层u-GaN的厚度为20nm，其通入的镓源流量为350sccm。
步骤D，生长In0.06Ga0.94N/Al0.02Ga0.98N多量子阱结构,如图2(c)。
在交替生长n-Al0.15Ga0.85N/u-GaN调制掺杂层的最上层u-GaN上利用MOCVD设备在氨气流量保持在28000sccm的条件下，交替生长五个周期的In0.06Ga0.94N/Al0.02Ga0.98N量子阱；
每个周期的单层In0.06Ga0.94N阱层的厚度为8nm，生长时通入的镓源流量为100sccm，铟源流量为240sccm，温度为850℃，压力为350Torr；
每个周期的单层Al0.02Ga0.98N垒层的厚度为25nm，镓源流量为450sccm，铝源流量为20sccm，温度为950℃，压力为250Torr。
步骤E，生长p型GaN层，如图2(d)。
在In0.06Ga0.94N/Al0.02Ga0.98N多量子阱的最上层Al0.02Ga0.98N势垒层上利用MOCVD设备在反应室温度为950℃，压力为250Torr的条件下，生长厚度为250nm的p型GaN层，其中氨气流量为45000sccm，镓源流量为45sccm，镁源流量为2200sccm，之后将反应室温度维持在850℃，在N2气氛下，退火10min。
步骤F，干法刻蚀，如图2(e)。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤六相同。
步骤G，淀积电极，如图2(f)。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤七相同。
以上描述仅是本发明的三个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明的原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种n型AlGaN层调制掺杂的高效紫外发光二极管，自下而上包括：磁控溅射AlN的c面蓝宝石衬底层(1)、u型AlxGa1-xN层(2)、n型AlxGa1-xN层(3)、InyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层(4)、p型GaN层(5)和电极(6)，其特征在于：n型AlxGa1-xN层(3)采用n-AlxGa1-xN/u-GaN调制掺杂结构，以增加电子迁移率，提高器件发光效率。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述的n-AlxGa1-xN/u-GaN调制掺杂结构(3)由AlxGa1-xN层和GaN层交替生长，每个AlxGa1-xN层和它上面的GaN层组合起来为一个10-60的周期，AlxGa1-xN层和GaN层厚度分别为5-25nm和3-20nm，厚度为480-2700nm，AlxGa1- xN掺杂浓度范围为6×1017cm-1-6×1018cm-1，GaN为非故意掺杂，Al含量x的调整范围为0.05-0.2。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述的u型AlxGa1-xN层(2)的厚度为1000-4000nm。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述的InyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层(4)的周期数为3-8，每个周期的单层InyGa1-yN阱层和AlzGa1-zN垒层的厚度分别为1-8nm和8-25nm，In含量y的调整范围为0-0.12，Al含量z的调整范围为0-0.2。
5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述的p型GaN层(5)的厚度为100-300nm。
6.一种n型AlGaN层调制掺杂的高效紫外发光二极管的制备方法，包括如下步骤：
1)对衬底进行加热预处理；
2)在预处理后的衬底上利用MOCVD设备生长1000-4000nm的u型AlxGa1-xN层；
3)在u型AlxGa1-xN层上利用MOCVD设备生长n-AlxGa1-xN/u-GaN构成的调制掺杂层：
在u型AlxGa1-xN层上按10-60周期交替生长厚度为5-25nm的n-AlxGa1-xN层和厚度为3-20nm的u-GaN层，n-AlxGa1-xN层的掺杂浓度范围为6×1017cm-1-6×1018cm-1，Al含量x的调整范围为0.05-0.2，u-GaN层为非故意掺杂；
4)在交替生长后最上层的u-GaN层上利用MOCVD设备生长3-8个周期的InyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层，每个周期的单层InyGa1-yN阱层和AlzGa1-zN垒层的厚度分别为1-8nm和8-25nm，In含量y的调整范围为0-0.12，Al含量z的调整范围为0-0.2；
5)在多量子阱最上层的AlzGa1-zN势垒层上利用MOCVD设备生长厚度为100-300nm的p型GaN层，之后将反应室温度维持在750-850℃，在N2气氛下，退火5-10min；
6)在p型GaN上采用干法刻蚀直到n-AlxGa1-xN层暴露出来；
7)采用溅射金属的方法分别在n-AlxGa1-xN层上沉积n型电极，在p型GaN层沉积p型电极，完成对发光二极管的制作。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2)中利用MOCVD设备生长u型AlxGa1-xN层，其工艺条件如下：
反应室温度为1050-1100℃，
保持反应室压力为250-350Torr，
向反应室中同时通入流量为25000-30000sccm的氨气，流量为100-265sccm的镓源和流量为85-300sccm的铝源。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤3)中利用MOCVD设备生长n-AlxGa1-xN/u-GaN构成的调制掺杂层，其工艺条件如下：
反应室温度为1050-1100℃，
保持反应室压力为250-350Torr，
向反应室同时通入流量为25000-30000sccm的氨气、流量为2-6sccm的硅源、流量为300-350sccm的镓源和流量为85-300sccm的铝源。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤4)中利用MOCVD设备生长InyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层，其工艺条件如下：
生长InyGa1-yN阱层时反应室温度为800-850℃，反应室压力为350-400Torr，流量为85-1000sccm的镓源，流量为240-480sccm的铟源，
生长AlzGa1-zN垒层时反应室温度为900-950℃，反应室压力为200-250Torr，流量为400-450sccm的镓源，流量为20-120sccm的铝源，
向反应室中同时通入流量为25000-30000sccm的氮源。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤5)中利用MOCVD设备生长p型GaN层，其工艺条件如下：
反应室温度为950-1100℃，
保持反应室压力为150-250Torr，
向反应室同时通入流量为35000-45000sccm的氨气，流量为1800-2200sccm的镁源，流量为35-45sccm的镓源。
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