CN110364600A - 一种紫外发光二极管外延结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紫外发光二极管外延结构及其制作方法，所述外延结构包括依次设于衬底上的AlN层、过渡层、N型AlzGa1‑zN(0.01＜z＜0.99)层、有源层、阻挡层和P型AlGaN层，所述过渡层由若干个周期的AlN/AluGa1‑uN(0.01＜u＜0.99)超晶格结构组成。本发明通过在AlN层和N型AlzGa1‑zN层之间形成一层过渡层，以将晶格失配产生的应力在过渡层逐步释放，从而避免AlN层发生龟裂问题，AlN层的质量得到提升，位错和缺陷会大幅减少，从而提升外延结构的晶体质量，进而改善发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种紫外发光二极管外延结构及其制作方法。
背景技术
AlGaN半导体材料具有很宽的直接带隙，禁带宽度从3.4～6.2eV连续可调，使其光响应波段覆盖从近紫外(UVA)到深紫外(UVC)。相比于传统紫外光源，如汞灯和氙灯，紫外LED具有无汞污染、波长可控、体积小、耗电低、寿命长等优点，在高显色指数白光照明、防伪识别、紫外聚合物固化、杀菌消毒、医疗卫生、水与空气净化、高密度光学数据存贮等领域都有着广阔的应用前景和巨大的市场需求。
相较于成熟的GaN基蓝光外延结构，紫外发光二极管外延结构的发光效率普遍偏低，且发光效率随波长的减小急剧下降。如何制备结晶质量好、发光功率高的紫外发光二极管外延结构，是当前急需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种紫外发光二极管外延结构，晶体质量好，发光效率高。
本发明还提供了一种紫外发光二极管外延结构的制作方法，工艺简单，成本低，便于大规模生产。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种紫外发光二极管外延结构，包括依次设于衬底上的AlN层、过渡层、N型AlzGa1-zN(0.01＜z＜0.99)层、有源层、阻挡层和P型AlGaN层，所述过渡层由若干个周期的AlN/AluGa1-uN(0.01＜u＜0.99)超晶格结构组成。
作为上述方案的改进，所述AlN/AluGa1-uN晶格结构中，z＜u＜0.8；每个AlN/AluGa1-uN超晶格结构的厚度为2～10nm；所述过渡层的厚度为200～400nm。
作为上述方案的改进，每个AlN/AluGa1-uN超晶格结构中AlN的厚度为1～5nm，AluGa1-uN的厚度为1～5nm。
作为上述方案的改进，所述有源层由若干个周期的量子阱结构组成，所述量子阱结构包括AlxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层，0＜x＜0.5，y比x大20％以上；
所述AlxGa1-xN阱层的厚度为3～8nm，所述AlyGa1-yN垒层的厚度为4～10nm。
作为上述方案的改进，所述阻挡层为P型AlwGa1-wN层，w比x大20％以上。
相应地，本发明还提供了一种紫外发光二极管外延结构的制作方法，包括以下步骤：
一、在衬底上形成AlN层；
二、在AlN层上形成过渡层，所述过渡层由若干个周期的AlN/AluGa1-uN(0.01＜u＜0.99)超晶格结构组成；
三、在所述过渡层上依次形成N型AlzGa1-zN(0.01＜z＜0.99)层、有源层、阻挡层和P型AlGaN层。
作为上述方案的改进，在完成步骤(一)之后，将温度调整为1000～1400℃，生长压力调整为40～60torr，生长厚度为200～400nm的过渡层，所述过渡层包括若干个周期的AlN/AluGa1-uN超晶格结构，其中，每个AlN/AluGa1-uN超晶格结构的厚度为2～10nm，AlN/AluGa1-uN超晶格结构中AlN的厚度为1～5nm，AluGa1-uN的厚度为1～5nm。
作为上述方案的改进，在步骤(一)之前，将衬底放入MOCVD设备中，在1000～1200℃条件下烘烤7～15分钟；
步骤(一)中，将温度调整为1000～1400℃，生长压力调整为40～60torr，在衬底上形成一层厚度为2～4μm的AlN层。
作为上述方案的改进，在完成步骤(二)之后，将温度调整为900～1300℃，生长压力调整为40～60torr，在过渡层上形成一层厚度为1～2μm的N型AlzGa1-zN(0.01＜z＜0.99)层；
将温度调整为800～1000℃，生长压力调整为180～250torr，在有源层上形成一层厚度为10～40nm的P型AlwGa1-wN阻挡层，w＝0.2～0.7；
将温度调整为900～1300℃，生长压力调整为80～130torr，在阻挡层上形成一层厚度为10～40nm的P型AlGaN层，Mg的掺杂浓度为1E18～2E22 atom/cm3。
作为上述方案的改进，在步骤(二)中，在形成N型AlGaN层之后，形成阻挡层之前，将温度调整为900～1200℃，生长压力调整为80～130torr，在N型AlGaN层上生长3～5个周期的量子阱结构，所述量子阱结构包括AlxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层，0＜x＜0.5，0.2＜y＜1，每个量子阱结构中AlxGa1-xN阱层的厚度为3～8nm，AlyGa1-yN垒层的厚度为4～10nm。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明提供的一种紫外发光二极管外延结构，包括依次设于衬底上的AlN层、过渡层、N型AlzGa1-zN(0.01＜z＜0.99)层、有源层、阻挡层和P型AlGaN层，所述过渡层由若干个周期的AlN/AluGa1-uN(0.01＜u＜0.99)超晶格结构组成。本发明通过在AlN层和N型AlzGa1-zN层之间形成一层过渡层，以将晶格失配产生的应力在过渡层逐步释放，从而避免AlN层发生龟裂问题，AlN层的质量得到提升，位错和缺陷会大幅减少，从而提升外延结构的晶体质量，进而改善发光效率。另外，更低的外延材料位错和缺陷意味着更少的光子俘获中心，有利于更多的紫外光能够穿越外延结构向外出光，提高了出光效率，同时降低了光子被俘获后产生的总热量，对紫光LED器件的性能有极大提升。
每个AlN/AluGa1-uN超晶格结构的厚度为2～10nm，由于其厚度是几个原子层的厚度，因此AlN/AluGa1-uN超晶格结构对应力释放和降低位错效果最佳。
附图说明
图1是本发明外延结构的结构示意图。
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，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
参见图1，本发明提供的一种紫外发光二极管外延结构，包括依次设于衬底10上的AlN层20、过渡层30、N型AlzGa1-zN(0.01＜z＜0.99)层40、有源层50、阻挡层60和P型AlGaN层70。
本发明衬底10的材料可以为蓝宝石、碳化硅或硅，也可以为其他半导体材料。优选的，本发明的衬底10为蓝宝石衬底。
本发明AlN层20由AlN制成，作为外延结构的基材材料，其作用是为后续生长的N型AlzGa1-zN层40、有源层50和P型AlGaN层70做准备。由于AlN的能级在III/V族体系中是最大的，对LED的吸光是最小的，采用AlN作为基础材料有效提高外延结构的出光效率。
优选的，AlN层20的厚度是2～4μm。若AlN层20的厚度小于2μm，则不能完全释放衬底与AlN材料的应力失配，影响AlN材料的晶体质量；若厚度太厚，则浪费时间和材料。
由于AlN层20和N型AlzGa1-zN层40之间存在较大的晶格差异，若直接在AlN层上生长N型AlzGa1-zN层，会因应力聚集在两种材料界面导致龟裂的问题。本发明在AlN层20和N型AlzGa1-zN层40之间形成一层过渡层30，以将晶格失配产生的应力在过渡层30逐步释放，从而避免AlN层发生龟裂问题，AlN层的质量得到提升，位错和缺陷会大幅减少，从而提升外延结构的晶体质量，进而改善发光效率。另外，更低的外延材料位错和缺陷意味着更少的光子俘获中心，有利于更多的紫外光能够穿越外延结构向外出光，提高了出光效率，同时降低了光子被俘获后产生的总热量，对紫光LED器件的性能有极大提升。
优选的，所述过渡层的厚度为200～400nm。若过渡层的厚度小于200nm，则不能很好地释放应力和降低错位，若厚度太厚，则浪费时间和材料。
由于AlN/AluGa1-uN超晶格结构能够很好地释放AlN材料与N型AlzGa1-zN之间的应力，另外AlN/AluGa1-uN超晶格结构能弯转位错线，从而达到提高晶体质量的目的。具体的，所述过渡层30由若干个周期的AlN/AluGa1-uN(0.01＜u＜0.99)超晶格结构组成。
所述AlN/AluGa1-uN超晶格结构中，z＜u＜0.8。若u大于0.8，则过渡层不能很好释放应力，若u小于z，则会产生吸光效应，不利于光传出外延表面。
所述AlN/AluGa1-uN超晶格结构中AlN的厚度为1～5nm，AluGa1-uN的厚度为1～5nm。优选的，每个AlN/AluGa1-uN超晶格结构的厚度为2～10nm，由于其厚度是几个原子层的厚度，因此AlN/AluGa1-uN超晶格结构对应力释放和降低位错效果最佳。
为了提高有源层50的出光效率，本发明对有源层的结构做了特殊设计。所述有源层50由3～5个周期的量子阱结构组成，所述量子阱结构包括AlxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层，0＜x＜0.5，0.2＜y＜1。
需要说明的是，太少的量子阱不能完全限制电子和空穴对，影响亮度；由于空穴的迁移距离有限，太多的量子阱周期数不会提升亮度，但时间和原材料成本增加。
由于外延结构的发光波长由量子阱结构中的x决定，目前市场紫外LED芯片的紫光波长分布在260～365nm左右，对应的Al组分为0～50％，即0＜x＜0.5。为了更好的限制电子空穴对在量子阱结构中的发光，y需要比x大20％以上。
所述AlxGa1-xN阱层的厚度为3～8nm，所述AlyGa1-yN垒层的厚度为4～10nm。若AlyGa1-yN垒层的厚度太薄不利于束缚电子空穴对，太厚不利于空穴的迁移。
本发明的N型AlzGa1-zN(0.01＜z＜0.99)层40用于提供电子，P型AlGaN层70用于提供空穴。为了提高外延结构的出光效率，所述N型AlzGa1-zN(0.01＜z＜0.99)层的厚度为1～2μm，Si掺杂浓度为5E18atom/cm3；所述P型AlGaN的厚度为10～40nm。所述P型AlzGa1-zN层中Mg掺杂浓度为1E18～2E22atom/cm3。
为了将更多的电子束量子阱结构内，提高有源层复合效率，提升亮度。本发明在有源层50和P型AlGaN层70之间设置了阻挡层60。为了能到得到良好的电流阻挡效果，所述阻挡层60为P型AlwGa1-wN层，阻挡层中Al的含量要比阱层中Al的含量多20％，即w＝0.2～0.7。
本发明的电子阻挡层利用该层高势磊来阻挡电子向P型AlGaN层70迁移。优选的，所述阻挡层的厚度为30～60nm。
相应地，本发明还提供了一种紫外发光二极管外延结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、在衬底上形成AlN层；
需要说明的是，在衬底上形成AlN层上时，为了能够形成晶体质量好的外延结构，本发明需要采用高温来处理衬底。具体的，将衬底放入MOCVD设备中，在1000～1200℃条件下烘烤7～15分钟。
处理完衬底后，将温度调整为1000～1400℃，生长压力调整为40～60torr，在衬底上形成一层厚度为2～4μm的AlN层。
二、在AlN层上形成过渡层；
在完成步骤(一)之后，将温度调整为1000～1400℃，生长压力调整为40～60torr，生长厚度为200～400nm的过渡层。具体的，所述过渡层包括若干个周期的AlN/AluGa1-uN超晶格结构，其中，每个AlN/AluGa1-uN超晶格结构的厚度为1～3nm，AlN/AluGa1-uN超晶格结构中AlN的厚度为0.01～0.1μm，AluGa1-uN的厚度为0.01～0.1μm。
三、在所述过渡层上依次形成N型AlGaN层、有源层、阻挡层和P型AlGaN层；
在完成步骤(二)之后，将温度调整为900～1300℃，生长压力调整为40～60torr，在过渡层上形成一层厚度为1～2μm的N型AlzGa1-zN(0.01＜z＜0.99)层；
将温度调整为900～1200℃，生长压力调整为80～130torr，在N型AlGaN层上生长3～5个周期的量子阱结构，所述量子阱结构包括AlxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层，0＜x＜0.5，0.2＜y＜1，每个量子阱结构中AlxGa1-xN阱层的厚度为4～10nm，AlyGa1-yN垒层的厚度为4～10nm；
将温度调整为800～1000℃，生长压力调整为180～250torr，在有源层上形成一层厚度为10～40nm的P型AlwGa1-wN阻挡层，w＝0.5～0.9，Mg的掺杂浓度为5E18 atom/cm3。
将温度调整为900～1300℃，生长压力调整为80～130torr，在阻挡层上形成一层厚度为10～40nm的P型AlGaN层，Mg的掺杂浓度为1E18～2E22 atom/cm3。
下面将以具体实施例来进一步阐述本发明
实施例1
一种紫外发光二极管外延结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
将衬底放入MOCVD设备中，在1050℃条件下烘烤10分钟；
处理完衬底后，将温度调整为1250℃，生长压力调整为50torr，在衬底上形成一层厚度为2μm的AlN层；
保持温度为1250℃，生长压力为50torr，生长厚度为400nm的过渡层，所述过渡层包括100个周期的AlN/AluGa1-uN超晶格结构，其中，每个AlN/AluGa1-uN(u＝0.6)超晶格结构中AlN的厚度为2nm，AluGa1-uN的厚度为2nm；
将温度调整为1100℃，生长压力为50torr，在过渡层上形成一层厚度为2μm的N型AlzGa1-zN(z＝0.1)层，Si掺杂浓度为5E18atom/cm3；
将温度调整为1050℃，生长压力为100torr，在N型AlzGa1-zN层上生长5个周期的量子阱结构，所述量子阱结构包括AlxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层，x＝0.45，y＝0.6，每个量子阱结构中AlxGa1-xN阱层的厚度为3nm，AlyGa1-yN垒层的厚度为9nm；
将温度调整为1000℃，生长压力为100torr，在有源层上形成一层厚度为30nm的P型AlwGa1-wN阻挡层，w＝0.7；
将温度调整为950℃，生长压力调整为200torr，在阻挡层上形成一层厚度为20nm的P型AlGaN层。
实施例2
一种紫外发光二极管外延结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
将衬底放入MOCVD设备中，在1050℃条件下烘烤10分钟；
处理完衬底后，将温度调整为1250℃，生长压力调整为50torr，在衬底上形成一层厚度为2μm的AlN层；
保持温度为1250℃，生长压力为50torr，生长厚度为300nm的过渡层，所述过渡层包括60个周期的AlN/AluGa1-uN超晶格结构，其中，每个AlN/AluGa1-uN(u＝0.6)超晶格结构中AlN的厚度为3nm，AluGa1-uN的厚度为2nm；
将温度调整为1100℃，生长压力为50torr，在过渡层上形成一层厚度为2μm的N型AlzGa1-zN(z＝0.1)层，Si掺杂浓度为5E18atom/cm3；
将温度调整为1050℃，生长压力为100torr，在N型AlzGa1-zN层上生长5个周期的量子阱结构，所述量子阱结构包括AlxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层，x＝0.45，y＝0.6，每个量子阱结构中AlxGa1-xN阱层的厚度为3nm，AlyGa1-yN垒层的厚度为9nm；
将温度调整为1000℃，生长压力为100torr，在有源层上形成一层厚度为30nm的P型AlwGa1-wN阻挡层，w＝0.7；
将温度调整为950℃，生长压力调整为200torr，在阻挡层上形成一层厚度为20nm的P型AlGaN层。
实施例3
一种紫外发光二极管外延结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
将衬底放入MOCVD设备中，在1050℃条件下烘烤10分钟；
处理完衬底后，将温度调整为1250℃，生长压力调整为50torr，在衬底上形成一层厚度为2μm的AlN层；
保持温度为1250℃，生长压力为50torr，生长厚度为210nm的过渡层，所述过渡层包括30个周期的AlN/AluGa1-uN超晶格结构，其中，每个AlN/AluGa1-uN(u＝0.6)超晶格结构中AlN的厚度为3nm，AluGa1-uN的厚度为4nm；
将温度调整为1100℃，生长压力为50torr，在过渡层上形成一层厚度为2μm的N型AlzGa1-zN(z＝0.1)层，Si掺杂浓度为5E18atom/cm3；
将温度调整为1050℃，生长压力为100torr，在N型AlzGa1-zN层上生长5个周期的量子阱结构，所述量子阱结构包括AlxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层，x＝0.45，y＝0.6，每个量子阱结构中AlxGa1-xN阱层的厚度为3nm，AlyGa1-yN垒层的厚度为9nm；
将温度调整为1000℃，生长压力为100torr，在有源层上形成一层厚度为30nm的P型AlwGa1-wN阻挡层，w＝0.7；
将温度调整为950℃，生长压力调整为200torr，在阻挡层上形成一层厚度为20nm的P型AlGaN层。
对比例1
一种紫外发光二极管外延结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
将衬底放入MOCVD设备中，在1050℃条件下烘烤10分钟；
处理完衬底后，将温度调整为1250℃，生长压力调整为50torr，在衬底上形成一层厚度为2μm的AlN层；
将温度调整为1100℃，生长压力为50torr，在过渡层上形成一层厚度为2μm的N型AlzGa1-zN(z＝0.1)层，Si掺杂浓度为5E18atom/cm3；
将温度调整为1050℃，生长压力为100torr，在N型AlzGa1-zN层上生长5个周期的量子阱结构，所述量子阱结构包括AlxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层，x＝0.45，y＝0.6，每个量子阱结构中AlxGa1-xN阱层的厚度为3nm，AlyGa1-yN垒层的厚度为9nm；
将温度调整为1000℃，生长压力为100torr，在有源层上形成一层厚度为30nm的P型AlwGa1-wN阻挡层，w＝0.7；
将温度调整为950℃，生长压力调整为200torr，在阻挡层上形成一层厚度为20nm的P型AlGaN层。
采用实施例1和对比例1的制作方法制作出相同尺寸的芯片，进行光电测试，结果如下表：
| ID | 波长/nm | 电压/V | 亮度/mW |
| 对比例1 | 280.09 | 6.31 | 12.98 |
| 实施例1 | 280.13 | 6.30 | 20.24 |
| 实施例2 | 280.13 | 6.29 | 20.12 |
| 实施例3 | 280.13 | 6.31 | 20.05 |
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种紫外发光二极管外延结构，其特征在于，包括依次设于衬底上的AlN层、过渡层、N型AlzGa1-zN(0.01＜z＜0.99)层、有源层、阻挡层和P型AlGaN层，所述过渡层由若干个周期的AlN/AluGa1-uN(0.01＜u＜0.99)超晶格结构组成。
2.如权利要求1所述的紫外发光二极管外延结构，其特征在于，所述AlN/AluGa1-uN晶格结构中，z＜u＜0.8；每个AlN/AluGa1-uN超晶格结构的厚度为2～10nm；所述过渡层的厚度为200～400nm。
3.如权利要求2所述的紫外发光二极管外延结构，其特征在于，每个AlN/AluGa1-uN超晶格结构中AlN的厚度为1～5nm，AluGa1-uN的厚度为1～5nm。
4.如权利要求1所述的紫外发光二极管外延结构，其特征在于，所述有源层由若干个周期的量子阱结构组成，所述量子阱结构包括AlxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层，0＜x＜0.5，y比x大20％以上；
所述AlxGa1-xN阱层的厚度为3～8nm，所述AlyGa1-yN垒层的厚度为4～10nm。
5.如权利要求4所述的紫外发光二极管外延结构，其特征在于，所述阻挡层为P型AlwGa1-wN层，w比x大20％以上。
6.一种如权利要求1～5任一项所述紫外发光二极管外延结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、在衬底上形成AlN层；
二、在AlN层上形成过渡层，所述过渡层由若干个周期的AlN/AluGa1-uN(0.01＜u＜0.99)超晶格结构组成；
三、在所述过渡层上依次形成N型AlzGa1-zN(0.01＜z＜0.99)层、有源层、阻挡层和P型AlGaN层。
7.如权利要求6所述的紫外发光二极管外延结构的制作方法，其特征在于，在完成步骤(一)之后，将温度调整为1000～1400℃，生长压力调整为40～60torr，生长厚度为200～400nm的过渡层，所述过渡层包括若干个周期的AlN/AluGa1-uN超晶格结构，其中，每个AlN/AluGa1-uN超晶格结构的厚度为2～10nm，AlN/AluGa1-uN超晶格结构中AlN的厚度为1～5nm，AluGa1-uN的厚度为1～5nm。
8.如权利要求6所述的紫外发光二极管外延结构的制作方法，其特征在于，
在步骤(一)之前，将衬底放入MOCVD设备中，在1000～1200℃条件下烘烤7～15分钟；
步骤(一)中，将温度调整为1000～1400℃，生长压力调整为40～60torr，在衬底上形成一层厚度为2～4μm的AlN层。
9.如权利要求6所述的紫外发光二极管外延结构的制作方法，其特征在于，在完成步骤(二)之后，将温度调整为900～1300℃，生长压力调整为40～60torr，在过渡层上形成一层厚度为1～2μm的N型AlzGa1-zN(0.01＜z＜0.99)层；
将温度调整为800～1000℃，生长压力调整为180～250torr，在有源层上形成一层厚度为10～40nm的P型AlwGa1-wN阻挡层，w＝0.2～0.7；
将温度调整为900～1300℃，生长压力调整为80～130torr，在阻挡层上形成一层厚度为10～40nm的P型AlGaN层，Mg的掺杂浓度为1E18～2E22 atom/cm3。
10.如权利要求9所述的紫外发光二极管外延结构的制作方法，其特征在于，在步骤(二)中，在形成N型AlGaN层之后，形成阻挡层之前，将温度调整为900～1200℃，生长压力调整为80～130torr，在N型AlGaN层上生长3～5个周期的量子阱结构，所述量子阱结构包括AlxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层，0＜x＜0.5，0.2＜y＜1，每个量子阱结构中AlxGa1-xN阱层的厚度为3～8nm，AlyGa1-yN垒层的厚度为4～10nm。
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