CN110137321A - 基于体氮化铝衬底的垂直结构紫外发光二极管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了体氮化铝衬底的垂直结构高效发光二极管及制备方法，主要解决传统LED位错密度高，电流拥挤效应严重，器件发光效率低的问题。其包括：n型AlN层(1)、AlxGa1‑xN/AlyGa1‑yN多量子阱层(2)、p型AlN层(3)、n型电极(4)和p型电极(5)，其特征在于：n型AlN层(1)、AlxGa1‑xN/AlyGa1‑yN多量子阱层(2)和p型AlN层(3)自下而上分布，n型电极(4)设在n型AlN层(1)的下表面，p型电极(5)设在p型AlN层(3)的上表面，形成垂直层间结构，以消除电流拥挤效应。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，特别涉及一种基于体氮化铝衬底的垂直结构紫外发光二极管，可用于紫外和深紫外发光设备中。
技术背景
氮化镓基紫外发光二极管UV LEDs在杀菌、消毒、水和空气等方面可以广泛应用，由于其应用尚未商业化，因此制备高效的紫外发光二极管具有重要的技术意义。传统的氮化镓基紫外发光二极管一般采用金属有机化学气相淀积MOCVD的方式在蓝宝石衬底上进行生长，然而，GaN外延层与蓝宝石衬底在晶格参数和热膨胀系数方面存在巨大差异。这些差异导致外延层在生长过程中会产生高密度的错位。高密度位错会显著降低发光二极管的内量子效率，导致UV LEDs性能较低。
另一方面，目前广泛使用的紫外发光二极管的制备方法是先在衬底上生长n型GaN层，再在n型GaN层之后制作量子阱，并进行刻蚀直到n型GaN层，接着生长均匀掺杂的p型GaN层，最后在n型GaN层的上表面沉积n型电极，在p型GaN层的上表面沉积p型电极，这种结构由于为横向结构，因而存在严重的电流拥挤的问题，影响了发光二极管的量子效率。
发明内容
本发明的目的在于针对传统发光二极管的不足，提出一种基于体氮化铝衬底的垂直结构紫外发光二极管及制备方法，以降低位错密度，消除电流拥挤效应，提高器件发光效率。
为实现上述目的，本发明的紫外发光二极管，一种基于体氮化铝衬底的垂直结构紫外发光二极管，包括：n型AlN层1、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层2、p型AlN层3、n型电极4和p型电极，其特征在于：n型AlN层1、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层2和p型AlN层3自下而上分布，n型电极4设在n型AlN层1的下表面，p型电极5设在p型AlN层3的上表面，形成垂直层间结构，以消除电流拥挤效应，提高器件发光效率。
为实现上述目的，基于体氮化铝衬底的垂直结构的紫外发光二极管及制备方法，包括如下步骤：
1)对体氮化铝衬底进行加热预处理；
2)在体氮化铝衬底上生长n型AlN层,其厚度为1200-3500nm；
3)在n型AlN层上采用MOCVD工艺生长五个周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层，每个周期的单层AlxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层的厚度分别为5-20nm和10-40nm，Al含量x和y的调整范围分别为0-0.8和0-1；
4)在AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱上生长厚度为120-300nm的p型AlN层，之后将反应室温度维持在800-1000℃，在H2气氛下，退火5-10min；
5)采用湿法腐蚀技术,对体氮化铝衬底背面一侧进行腐蚀，直到n型AlN层暴露出来。
6)采用溅射金属的方法分别在n型AlN层下表面淀积n型电极，在p型AlN层上表面淀积p型电极，完成对发光二极管的制作。
与传统发光二极管相比，本发明具有如下优点：
传统的发光二极管采用横向结构，电流拥挤效应严重，本发明制作的发光二极管，n型AlN层1、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层2和p型AlN层3自下而上分布，n型电极4设在n型AlN层1的下表面，p型电极5设在p型AlN层3的上表面，形成垂直层间结构，以消除电流拥挤效应，提高器件发光效率。
附图说明
图1是本发明基于体氮化铝衬底的垂直结构紫外发光二极管的结构示意图；
图2是本发明制作基于体氮化铝衬底的垂直结构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：、n型AlN层1、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层2、p型AlN层3、n型电极4和p型电极5。其中n型AlN层1厚度的为1200-3500nm；该AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层2位于n型AlN层1之上，即AlxGa1-xN层和AlyGa1-yN层交替生长，每个AlxGa1-xN层和它上面的AlyGa1-yN层组合起来为一个周期，共五个周期，每个的AlxGa1-xN层和AlyGa1-yN层的厚度分别为5-20nm和10-40nm；p型AlN层3位于AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱2之上，其厚度为120-300nm；电极包括n型电极4位于n型AlN层1的下表面，p型电极5位于p型AlN层3的上表面。
该AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱结构中的Al含量x和y的调整范围分别为0-0.8和0-1，不同Al含量的量子阱可制备出发光波长不同的发光二极管。
参照图2，本发明给出制备基于体氮化铝衬底的垂直结构的紫外发光二极管及制备的三种实施例。
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。
将氮化铝衬底经过清洗之后，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900℃，并保持5min，完成对衬底基片的热处理。
步骤二，生长n型AlN层。
在体氮化铝衬底上采用MOCVD工艺在反应室温度为950℃的条件下，同时通入流量为2500sccm的氨气、流量为30μmol/min的铝源和流量为30sccm的硅源这三种气体，在保持压力为20Torr的条件下，生长厚度为1200nm的n型AlN层，如图2(a)。
步骤三，生长GaN/Al0.1Ga0.9N多量子阱结构。
在n型AlN层上采用MOCVD工艺在反应室温度为980℃的条件下，保持压力为20Torr的条件下生长五个周期的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5nm和15nm，其中生长过程中氮源的流量保持在1000sccm，且在生长GaN阱层时保持镓源流量为50sccm；在生长Al0.1Ga0.9N垒层时保持镓源流量为80sccm，铝源流量为120sccm，如图2(b)；
步骤四，生长p型AlN层。
在量子阱表面采用MOCVD工艺在反应室温度为980℃的条件下，同时通入流量为4000sccm的氨气，流量为50μmol/min的铝源和流量为300sccm的镁源，在保持压力为20Torr的条件下生长厚度为200nm的p型AlN层，之后将反应室温度维持在860℃，在H2气氛下，退火10min，如图2(c)。
步骤五，体氮化铝衬底剥离。
采用湿法腐蚀技术,对体氮化铝衬底背面一侧进行腐蚀，直到n型AlN层暴露出来，如图2(d)。
步骤六，淀积电极。
采用溅射金属的方法分别在n型AlN层下表面沉积n型电极，在p型AlN层上表面沉积p型电极，完成对深紫外发光二极管的制作，如图2(e)。
实施例2，制备发光波长为300nm的紫外发光二极管。
步骤1，对衬底进行预处理。
将清洗之后的体氮化铝衬底，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2×10-2Torr；向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到为750Torr条件下，将衬底加热到温度为1060℃，并保持3min，完成对衬底基片的热处理。
步骤2，生长n型AlN层,如图2(a)。
调节反应室温度为1050℃，并同时通入流量为3000sccm的氨气，50μmol/min的铝源和流量为40sccm硅源，在保持压力为60Torr的条件下在体氮化铝衬底上采用MOCVD工艺在的条件下，生长厚度为3500nm的AlN；
步骤3，生长Al 0.35Ga0.65N/Al0.55Ga0.45N多量子阱结构，如图2(b)。
在n型AlN层上采用MOCVD工艺在反应室温度为1100℃的条件下，保持压力为45Torr的条件下生长五个周期的Al 0.35Ga0.65N/Al0.55Ga0.45N量子阱，每个周期的单层Al0.35Ga0.65N阱层和Al0.55Ga0.45N垒层的厚度分别为10nm和25nm，其中生长过程中氮源的流量保持在1100sccm，且生长Al0.35Ga0.65N阱层时保持镓源流量为47sccm，铝源流量为150sccm，生长Al0.55Ga0.45N垒层时保持镓源流量为42sccm，铝源流量为180sccm。
步骤4，生长p型AlN层，如图2(c)。
在量子阱表面采用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35μmol/min的铝源和流量为220sccm的镁源，在保持压力为60Torr的条件下生长厚度为300nm的AlN层，之后将反应室温度维持在950℃，在H2气氛下，退火5min。
步骤五，体氮化铝衬底剥离，如图2(d)：
采用湿法腐蚀技术,对体氮化铝衬底背面一侧进行腐蚀，直到n型AlN层暴露出来。
步骤6，淀积电极，如图2(e)。
采用溅射金属的方法分别在n型AlN层下表面沉积n型电极，在p型AlN层上表面沉积p型电极，完成对深紫外发光二极管的制作。
实施例3，制备一种发光波长为225nm的AlN发光二极管。
步骤A，预处理。
将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2×10-2Torr；
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4min，完成对衬底基片的热处理。
步骤B，生长n型AlN层,如图2(a)。
在体氮化铝衬底上采用MOCVD工艺在反应室温度为1000℃的条件下，同时通入流量为2000sccm的氨气，流量为10μmol/min的铝源，调整硅源流量为20sccm，在保持压力为40Torr的条件下生长厚度为2000nm的AlN层。
步骤C，生长Al0.8Ga0.2N/AlN多量子阱结构，如图(b)。
C1)在n型AlN层上采用MOCVD工艺生长厚度为20nm的Al0.8Ga0.2N阱层，其工艺参数是：反应室温度为1250℃，压力为60Torr，氮源的流量为1200sccm，镓源流量为40sccm，铝源流量为200sccm；
C2)在Al0.8Ga0.2N阱层上采用MOCVD工艺生长厚度为40nm的AlN垒层，其工艺参数是：反应室温度为1250℃，压力为60Torr，氮源的流量为1200sccm，铝源流量为200sccm；
C3)将C1和C2工艺过程再重复进行4次，每个Al0.8Ga0.2N阱层和它上面的AlN垒层组合起来为一个周期，总共生长5个周期。
步骤D，生长p型AlN层,如图2(c)。
D1)在量子阱表面采用MOCVD工艺在保持压力为40Torr的条件下生长厚度为120nm的p型AlN层；
其工艺参数是：反应室温度为1000℃，同时通入的三种气体为氨气，铝源和镁源，其中氨气的流量为2800sccm，铝源的流量为25μmol/min和镁源的流量为100sccm；
D2)将反应室温度维持在900℃，在H2气氛下，退火8min。
步骤E，体氮化铝衬底剥离，如图2(d)。
采用湿法腐蚀技术,对体氮化铝衬底背面一侧进行腐蚀，直到n型AlN层暴露出来。
步骤F，淀积电极，如图2(e)。
采用溅射金属的方法分别在n型AlN层下表面沉积n型电极，在p型AlN层上表面沉积p型电极，完成对紫外发光二极管的制作。
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 (9)
1.一种基于体氮化铝衬底的垂直结构紫外发光二极管，包括：n型AlN层(1)、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层(2)、p型AlN层(3)、n型电极(4)和p型电极(5)，其特征在于：n型AlN层(1)、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层(2)和p型AlN层(3)自下而上分布，n型电极(4)设在n型AlN层(1)的下表面，p型电极(5)设在p型AlN层(3)的上表面，形成垂直层间结构，以消除电流拥挤效应，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：n型AlN层(1)的厚度为1200-3500nm。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层(2)的周期数为5，每个周期的单层AlxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层的厚度分别为5-20nm和10-40nm，Al含量x和y的调整范围分别为0-0.8和0-1。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：p型AlN层(3)的厚度为120-300nm。
5.一种基于体氮化镓衬底的垂直结构紫外发光二极管的制备方法，包括如下步骤：
1)对体氮化铝衬底进行加热预处理；
2)在体氮化铝衬底上生长n型AlN层,其厚度为1200-3500nm；
3)在n型AlN层上采用MOCVD工艺生长五个周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层，每个周期的单层AlxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层的厚度分别为5-20nm和10-40nm，Al含量x和y的调整范围分别为0-0.8和0-1；
4)在AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱上生长厚度为120-300nm的p型AlN层，之后将反应室温度维持在800-1000℃，在H2气氛下，退火5-10min；
5)采用湿法腐蚀技术,对体氮化铝衬底背面一侧进行腐蚀，直到n型AlN层暴露出来；
6)采用溅射金属的方法分别在n型AlN层下表面淀积n型电极，在p型AlN层上表面淀积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1)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860-1060℃，
保持反应室压力为30-850Torr。
7.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850-1050℃，
保持反应室压力为20-60Torr，
向反应室同时通入流量为2000-3000sccm的氨气、流量为10-50μmol/min的铝源、和流量为10-40sccm的硅源这三种气体。
8.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950-1250℃，
保持反应室压力为20-60Torr，
向反应室中同时通入流量为1000-1200sccm的氮源、流量为40-80sccm的镓源和流量为120-200sccm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4)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2500-4000sccm的氨气、20-50μmol/min的铝源和流量为100-300sccm的镁源这三种气体。
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