CN110137314B - 基于铁电极化效应的紫外发光二极管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于铁电极化效应的紫外发光二极管及制备方法，主要解决传统LED发光效率低的问题。其自下而上包括：硅衬底层(1)、高温AlN成核层(2)、n型AlxGa1‑xN层(3)、AlxGa1‑xN/AlyGa1‑yN多量子阱(4)、p型AlxGa1‑xN(5)和电极(6)，该n型AlxGa1‑xN层上设有n型电极(6)，该p型AlxGa1‑xN上部分区域设有铁电材料Pb(Zr,Ti)O3层(7)，未被铁电材料Pb(Zr,Ti)O3层覆盖的p型AlxGa1‑xN层(5)表面设有P型电极(6)。本发明提高了发光效率，可用来制备高效率的紫外和深紫外发光器件。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种紫外发光二极管，可用来制备高效率的紫外和深紫外发光器件。
技术背景
III族氮化物如GaN、InGaN、AlGaN等半导体材料，理论上可以用来制备光谱范围从红外光到紫外光的发光二极管和激光二极。III族氮化物基紫光和紫外发光二极管由于具有无毒、不产生臭氧、开关速度快、光谱窄和寿命长等优点，使其在卫生消毒、固化、光刻、防伪检测、医疗诊断和水净化等领域具有广阔的应用前景。
虽然，目前GaN基可见光技术已经非常成熟，但相比之下，III族氮化物基紫光和紫外存在一些瓶颈。尽管在AlGaN材料的制作过程中取得了巨大的进展，但在AlGaN中如何提高空穴电导率仍是一个巨大的挑战。导致空穴电导率低的主要原因之一是AlGaN中Mg的离化率低，因此，在AlGaN中如何提高Mg的离化率已成为在紫外光电器件领域广泛应用的一个具有挑战性的课题。
目前广泛使用的紫外发光二极管的制备方法是在n型AlGaN材料上制作量子阱，之后生长均匀掺杂的p型AlGaN，通过电子和空穴在量子阱中复合来实现发光。但是这种方法由于p型AlGaN中Al组分的增加，Mg的离化愈加困难，导致空穴载流子浓度低，很难在量子阱中完成高效的复合过程，因而得到的LED发光效率较低。
发明内容
本发明的目的在于针对传统LED的不足，提出一种基于铁电极化效应的紫外发光二极管及制备方法，以提高Mg的离化率，增大空穴的浓度，提高器件发光效率。
为实现上述目的，本发明基于铁电极化效应的紫外发光二极管，自下而上包括：硅衬底层1、高温AlN成核层2、n型AlxGa1-xN层3、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层4、p型AlxGa1-xN层5和电极6，该n型AlxGa1-xN层上设有n型电极6，其特征在于p型AlxGa1-xN 5上部分区域设有铁电材料Pb(Zr,Ti)O3层7，可提高p型AlxGa1-xN层中Mg的离化率，增加P型AlxGa1-xN层空穴的浓度，提高发光效率，未被铁电材料Pb(Zr,Ti)O3层7覆盖的p型AlxGa1-xN层表面淀积P型电极6。
为实现上述目的，本发明基于铁电极化效应的紫外发光二极管的制备方法，包括如下步骤：
1)热处理：
将硅衬底经过清洗之后，置于MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低到小于2×10-2Torr；再向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到50-760Torr条件下，将衬底加热到温度为900-1200℃，并保持5-10min，完成对衬底基片的热处理；
2)生长高温AlN层：
在热处理后的衬底上采用MOCVD工艺生长厚度为10-45nm的高温AlN成核层；
3)生长n型AlxGa1-xN层：
在高温AlN成核层上采用MOCVD工艺生长厚度为500-2500nm的n型AlxGa1-xN层，Al含量x的调整范围为0-0.75；
4)生长AxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱结构：
4a)在n型AlxGa1-xN层上采用MOCVD工艺生长6个周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱，每个周期的单层AlxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层的厚度分别为5-35nm和8-50nm，Al含量x和y的调整范围分别为0-0.65和0.1-0.75；
4b)采用光刻工艺刻蚀掉部分多量子阱至n型AlxGa1-xN层；
5)生长p型AlxGa1-xN层：
在多量子阱结构的表面生长厚度为200-600nm的p型AlxGa1-xN层，Al含量x的调整范围为0-0.75，之后将反应室温度维持在850-950℃，在H2气氛下，退火5-10min；
6)淀积Pb(Zr,Ti)O3层：
采用掩模工艺在p型AlxGa1-xN层在表面部分区域采用PLD工艺淀积厚度为3-30nm的Pb(Zr,Ti)O3层，淀积温度为450-550℃，激光功率为1×104-9×105W/cm2。
7)淀积电极：
采用溅射金属的方法分别在n型AlxGa1-xN层上沉积n型电极，在p型AlxGa1-xN层表面沉积p型电极，完成对发光二极管的制作。
与传统LED的制备方法相比，本发明具有如下优点：
本发明的发光二极管由于在p型层上淀积了Pb(Zr,Ti)O3层，利用Pb(Zr,Ti)O3层材料的铁电极化效应，提高了Mg的离化率，使得P型AlxGa1-xN层中空穴浓度增大，从而提高了器件的发光效率。
附图说明
图1是本发明基于铁电极化效应的紫外发光二极管结构图；
图2是本发明制作基于铁电极化效应的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：硅衬底层1、高温AlN成核层2、n型AlxGa1-xN层3、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱4、p型AlxGa1-xN层5、电极6和铁电材料Pb(Zr,Ti)O3层7。其中高温AlN成核层2位于硅衬底层1之上，其厚度为10-45nm；该n型AlxGa1-xN层3位于高温AlN成核层2之上，其厚度为500-2500nm；该AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱结构4位于n型AlxGa1-xN层3之上，共六个周期，即AlxGa1-xN单层和AlyGa1-yN单层组成一个周期，每个周期有两层，六个周期共生长十二层，总厚度为78-510nm；p型AlxGa1-xN层5位于AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱4之上，其厚度为200-600nm；铁电材料Pb(Zr,Ti)O3层7位于p型AlxGa1-xN层5部分区域之上，其厚度为3-30nm，n型电极6位于n型AlxGa1-xN层3之上，p型电极6位于p型AlxGa1-xN层5之上。
该AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱结构4中的Al含量的参数x和y的调整范围分别为0-0.65和0.1-0.75，不同Al含量的量子阱可制备出发光波长不同的LED。
参照图2，本发明给出制备基于铁电极化效应的紫外发光二极管的三种实施例。
实施例1，制备一种发光波长为270nm的基于铁电极化效应的深紫外发光二极管
步骤一，热处理。
将硅衬底经过清洗之后，置于MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低至2×10- 2Torr；
向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到为50Torr条件下，将衬底加热到温度为950℃，并保持15min，完成对衬底基片的热处理。
步骤二，生长高温AlN层,如图2(a)。
在氮化后的衬底上采用MOCVD工艺在反应室温度为1200℃的条件下，同时通入流量为2500sccm的氨气和流量为25sccm的铝源，生长厚度为10nm的高温AlN成核层。
步骤三，生长n型Al0.7Ga0.3N层，如图2(b)。
在AlN成核层上采用MOCVD工艺在反应室温度为950℃的条件下，同时通入流量为2500sccm的氨气，流量为80sccm的镓源，流量为400sccm的铝源和流量为20sccm的硅源这四种气体，在保持压力为30Torr的条件下生长厚度为500nm的n型Al0.7Ga0.3N层。
步骤四，生长Al0.6Ga0.4N/Al0.7Ga0.3N多量子阱结构。
4a)在n型Al0.7Ga0.3N层上采用MOCVD工艺，在保持反应室温度为950℃，压力为20Torr的条件下生长六个周期的Al0.6Ga0.4N/Al0.7Ga0.3N量子阱，每个周期的单层Al0.6Ga0.4N阱层和Al0.7Ga0.3N垒层的厚度分别为5nm和10nm，其中生长过程中氮源的流量保持在1200sccm，且在生长Al0.6Ga0.4N阱层时保持镓源流量为80sccm，铝源流量为220sccm；在生长Al0.7Ga0.3N垒层时保持镓源流量为80sccm，铝源流量为400sccm，如图2(c)；
4b)采用光刻工艺刻蚀掉部分多量子阱至n型Al0.7Ga0.3N层,如图2(d)。
步骤五，生长p型Al0.7Ga0.3N层。
在量子阱表面采用MOCVD工艺，保持反应室温度为950℃，同时通入流量为1500sccm的氨气，流量为60sccm的镓源，流量为400sccm的铝源和流量为80sccm的镁源，在压力为20Torr的条件下生长厚度为600nm的p型Al0.7Ga0.3N层，之后将反应室温度维持在850℃，在H2气氛下，退火10min，如图2(e)。
步骤六,淀积Pb(Zr,Ti)O3层：
采用掩模工艺在p型Al0.7Ga0.3N层表面部分区域采用PLD工艺淀积厚度为30nm的Pb(Zr,Ti)O3层，淀积温度为550℃,激光功率为9×105W/cm2，如图2(f)；
步骤七，淀积电极，如图2(g)
采用溅射金属的方法分别在n型Al0.7Ga0.3N层上沉积n型电极，在p型Al0.7Ga0.3N层沉积p型电极，完成波长为270nm的深紫外LED器件制作。
实施例2，制备一种发光波长为300nm的基于铁电极化效应的紫外发光二极管。
步骤1，将硅衬底经过清洗之后，置于MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低至2×10-2Torr，并向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到为760Torr条件下，将衬底加热到温度为1200℃，并保持4min，完成对衬底基片的热处理。
步骤2，在热处理后的衬底上采用MOCVD工艺在反应室温度为1100℃的条件下，同时通入流量为4000sccm的氨气和流量为30sccm的铝源，生长厚度为30nm的高温AlN成核层，如图2(a)。
步骤3，在AlN成核层上采用MOCVD工艺在反应室温度为1100℃的条件下，同时通入流量为3000sccm的氨气，流量为60sccm的镓源，流量为220sccm的铝源和流量为40sccm的硅源，在保持压力为60Torr的条件下生长厚度为1500nm的n型Al0.6Ga0.4N层。如图2(b)。
步骤4，生长Al0.5Ga0.5N/Al0.6Ga0.4N多量子阱结构。
4.1)在n型GaN层上采用MOCVD工艺在反应室温度为1100℃的条件下，保持压力为20Torr的条件下生长六个周期的Al0.5Ga0.5N/Al0.6Ga0.4N量子阱，每个周期的单层Al0.5Ga0.5N阱层和Al0.6Ga0.4N垒层的厚度分别为20nm和40nm，其中生长过程中氮源的流量保持在1350sccm，且生长Al0.5Ga0.5N阱层时保持镓源流量为58sccm，铝源流量为160sccm，生长Al0.6Ga0.4N垒层时保持流量为60sccm的镓源，流量为360sccm的铝源，如图2(c)；
4.2)采用光刻工艺刻蚀掉部分多量子阱至n型Al0.6Ga0.4N层,如图2(d)。
步骤5，在被刻蚀掉的量子阱表面采用MOCVD工艺在反应室温度为1100℃的条件下，同时通入流量为3000sccm的氨气，流量为60sccm的镓源，流量为360sccm的铝源和流量为120sccm的镁源，在保持压力为60Torr的条件下生长厚度为750nm的p型GaN层；之后将反应室温度维持在950℃，在H2气氛下，退火5min，如图2(e)。
步骤6,将掩模工艺和PLD工艺相结合结合，设反应室淀积温度为500℃,激光功率为3×105W/cm2，在p型Al0.6Ga0.4N层表面部分区域淀积厚度为20nm的Pb(Zr,Ti)O3层，如图2(f)。
步骤7，采用溅射金属的方法分别在n型Al0.6Ga0.4N层上沉积n型电极，在p型Al0.6Ga0.4N层沉积p型电极，完成波长为300nm的紫外LED器件制作，如图2(g)。
实施例3，制备一种发光波长为365nm的基于铁电极化效应的紫外发光二极管。
步骤A，对衬底基片进行热处理。
先将硅衬底经过清洗之后，置于MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低至2×10- 2Torr；再向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到为400Torr条件下，将衬底加热到温度为1000℃，并保持8min，完成对衬底基片的热处理。
步骤B，热处理后的衬底上生长高温AlN层,如图2(a)。
在热处理后的衬底上采用MOCVD工艺在反应室温度为950℃的条件下，同时通入流量为4500sccm的氨气和流量为50sccm的铝源，生长厚度为45nm的高温AlN成核层。
步骤C，在AlN成核层生长n型Al0.1Ga0.9N层，如图2(b)。
采用MOCVD工艺，保持反应室温度为1000℃，压力为40Torr，同时向反应室通入流量为2800sccm的氨气，流量为160sccm的镓源，流量为120sccm的铝源和流量为15sccm的硅源这四种气体，在AlN成核层上生长厚度为2500nm的n型Al0.1Ga0.9N层。
步骤D，n型Al0.1Ga0.9N层上生长GaN/Al0.1Ga0.9N多量子阱结构。
D1)采用MOCVD工艺，在保持反应室温度为1000℃，保持压力为40Torr的的条件下，生长六个周期的GaN/Al0.1Ga0.9N量子阱，每个周期的单层GaN阱层和Al0.1Ga0.9N垒层的厚度分别为35nm和50nm，其中生长过程中氮源的流量保持在1500sccm，且生长GaN阱层时保持镓源流量为72sccm，在n型GaN层上生长Al0.1Ga0.9N垒层时保持镓源流量为80sccm，铝源流量为152sccm，如图2(c)；
D2)采用光刻工艺刻蚀掉部分多量子阱至n型Al0.1Ga0.9N层,如图2(d)。
步骤E，在量子阱表面生长p型Al0.1Ga0.9N层。
采用MOCVD工艺，设置反应室温度为1000℃的条件下，同时通入流量为2800sccm的氨气，流量为50sccm的镓源，流量为100sccm的铝源和流量为100sccm的镁源这四种气体，保持压力为40Torr的，在量子阱表面生长厚度为720nm的p型Al0.1Ga0.9N层；之后将反应室温度维持在900℃，在H2气氛下，退火8min，如图2(e)。
步骤F,采用掩模工艺在p型Al0.1Ga0.9N层表面部分区域采用PLD工艺淀积厚度为5nm的Pb(Zr,Ti)O3层，淀积温度为450℃,激光功率为1×104W/cm2，如图2(f)；
步骤G，采用溅射金属的方法分别在n型Al0.1Ga0.9N层上沉积n型电极，在p型Al0.1Ga0.9N层沉积p型电极，如图2(g)，完成对波长为365nm的紫外LED器件的制作。
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)
1.一种基于铁电极化效应的紫外发光二极管，自下而上包括：硅层(1)、高温AlN成核层(2)、n型AlxGa1-xN层(3)、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱(4)、p型AlxGa1-xN(5)和电极(6)，该n型AlxGa1-xN层(3)上设有n型电极(6)，其特征在于：p型AlxGa1-xN(5)上部分区域设有铁电材料Pb(Zr,Ti)O3层(7)，用于提高p型AlxGa1-xN层中Mg的离化率，增加P型AlxGa1-xN层空穴的浓度，未被铁电材料Pb(Zr,Ti)O3层(7)覆盖的p型AlxGa1-xN层(5)表面设有P型电极(6)。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：
所述的高温AlN成核层(2)的厚度为10-45nm；
所述的n型AlxGa1-xN层(3)的厚度为500-2500nm。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱(4)周期数为6，每个周期的单层AlxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层的厚度分别为5-35nm和8-50nm 。 .
4.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AlxGa1-xN层(5)的厚度为200-600nm；
所述的Pb(Zr,Ti)O3层(7)的厚度为3-30nm。
5.一种基于铁电极化效应的紫外发光二极管及制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)热处理：
将硅衬底经过清洗之后，置于MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低到小于2×10- 2Torr；再向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到50-760Torr条件下，将衬底加热到温度为950-1200℃，并保持4-15min，完成对衬底基片的热处理；
2)生长高温AlN层：
在热处理后的衬底上采用MOCVD工艺生长厚度为10-45nm的高温AlN成核层；
3)生长n型AlxGa1-xN层：
在AlN成核层上采用MOCVD工艺生长厚度为500-2500nm的n型AlxGa1-xN层,Al含量x的调整范围为0-0.75；
4)生长AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱结构：
4a)在n型AlxGa1-xN层上采用MOCVD工艺生长6个周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱，每个周期的单层AlxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层的厚度分别为5-35nm和8-50nm，Al含量x和y的调整范围分别为0-0.65和0.1-0.75；
4b)采用光刻工艺刻蚀掉部分多量子阱至n型AlxGa1-xN层；
5)生长p型AlxGa1-xN层：
在量子阱表面生长厚度为200-600nm的p型AlxGa1-xN层，Al含量x的调整范围为0-0.75，之后将反应室温度维持在850-950℃，在H2气氛下，退火5-10min；
6)淀积Pb(Zr,Ti)O3层：
采用掩模工艺在p型AlxGa1-xN层表面部分区域使用PLD工艺淀积厚度为3-30nm的Pb(Zr,Ti)O3层，淀积温度为450-550℃，激光功率为1×104-9×105W/cm2；
7)淀积电极：
采用溅射金属的方法分别在n型AlxGa1-xN层上沉积n型电极，在p型AlxGa1-xN层沉积p型电极，完成对发光二极管的制作。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2)中采用的MOCVD工艺，是对反应室设置如下条件参数：
反应室温度为950-1200℃，
向反应室中同时通入流量为2500-4500sccm的氨气和流量为25-50sccm的铝源。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤3)中采用的MOCVD工艺，是对反应室设置如下条件参数：
反应室温度为950-1100℃，
保持反应室压力为30-50Torr，
向反应室同时通入流量为2500-3000sccm的氨气、流量为50-80sccm的镓源、流量为0-400sccm的铝源和流量为20-50sccm的硅源这四种气体。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤4a)中采用的MOCVD工艺，是对反应室设置如下条件参数：
反应室温度为950-1150℃，
保持反应室压力为20-80Torr，
向反应室中同时通入流量为1200-1500sccm的氮源、流量为50-80sccm的镓源和流量为0-400sccm的铝源这三种气体。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤5)采用的MOCVD工艺，是对反应室设置如下条件参数：
反应室温度为950-1100℃，
保持反应室压力为20-60Torr，
向反应室同时通入流量为1500-3000sccm的氨气、流量为50-80sccm的镓源、流量为100-400sccm的铝源和流量为80-120sccm的镁源这四种气体。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤6)采用的MOCVD工艺，是对反应室设置如下条件参数：
反应室温度为450-550℃，
激光功率为1×104-9×105W/cm2。
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