CN110518099A - 一种高效发光二极管及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效发光二极管结构及制作方法，主要解决现有p型区中Mg的离化率和空穴迁移率低，量子阱中载流子限域性差的问题。其自下而上包括：衬底(1)、高温AlN成核层(2)和n型Ga2O3层(3)，n型Ga2O3层的上面设有电极(6)和工作区层(4)，该工作区层包含六个周期的多量子阱垒层，每个周期包含一个AlxGa1‑xN量子阱层和一个量子垒层，工作区层的上面设有p型层(5)和电极(6)。该量子垒层和p型层使用BN材料制备，消除了多量子阱垒层间量子限制斯塔克效应，提高了p型层中Mg的离化率和空穴迁移率，增强了量子阱中空穴和电子的限域性，可用来制做高效率的紫外和深紫外发光设备。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种高效发光二极管，可用来制做高效率的紫外和深紫外发光设备。
技术背景
由于AlGaN材料发光波长可短至200nm，故成为制作紫外和深紫外发光二极管的重要材料，可广泛应用于水净化、生物制剂检测、杀菌、医药等方面。
目前常见的紫外发光二极管在c面蓝宝石衬底上生长，结构包含n型GaN层、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱垒层和AlGaN制备的p型层，通过电子和空穴在量子阱中复合来实现发光。由于使用AlGaN材料制作多量子阱垒层，使得多量子阱垒层中AlxGa1-xN量子阱层和AlyGa1-yN量子垒层之间的Al组分存在差异，通过这种差异将LED器件的电子和空穴限制在量子阱中产生辐射复合，但是，差异过大会引起显著的量子限制斯塔克效应，差异过小会引起载流子在量子阱中较差的限域性，所以现有的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱垒层不能在减弱量子限制斯塔克效应的同时增强量子阱中载流子的限域性。同时，AlGaN制备的p型层中Mg的离化率和空穴迁移率会随着Al组分的增加而降低，Mg离化率和空穴迁移率的降低均会导致深紫外发光二极管发光效率降低。
发明内容
本发明的目的在于针对传统发光二极管的不足，提出一种高效发光二极管及制作方法，以在提高载流子在量子阱中限域性的同时提升p型层中Mg的离化率和空穴迁移率，提高器件发光效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
1.一种高效发光二极管，自下而上包括：衬底、高温AlN成核层和n型Ga2O3层，n型Ga2O3层的上面设有电极和工作区层，工作区层的上面设有p型层和电极，该工作区层包含六个周期的多量子阱垒层，每个周期包含一个AlxGa1-xN量子阱层和一个量子垒层，其特征在于：
所述量子垒层采用BN材料制备，以提高量子阱层和量子垒层间的势垒高度，增强量子阱层中空穴和电子的限域性；
所述p型层采用BN材料，以提高p型层中Mg的离化率和空穴迁移率。
进一步，其特征在于：AlN成核层的厚度为20-50nm；n型Ga2O3层的厚度为 2000-4500nm；BN P型层的厚度为100-300nm。
进一步，其特征在于：每个AlxGa1-xN量子阱层的厚度为1-3nm，Al的调整范围分为0.6-1；每个BN量子垒层的厚度为12-18nm。
进一步，其特征在于：衬底材料为体氮化镓，碳化硅或蓝宝石。
2.一种高效发光二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)对衬底进行加热和高温氮化的预处理：
2)在氮化后的衬底上采用MOCVD工艺生长厚度为20-50nm的高温AlN成核层；
3)在AlN成核层上采用MOCVD工艺生长厚度为2000-4500nm的n型Ga2O3层；
4)在n型GaN层上采用MOCVD工艺生长六个周期的AlxGa1-xN/BN多量子阱垒层形成工作区层，其中每个AlxGa1-xN量子阱层的厚度为1-3nm，Al含量x的调整范围为 0.6-1，每个BN量子垒层的厚度为12-18nm；
5)在AlxGa1-xN/BN多量子阱垒层上采用MOCVD工艺生长厚度为100-300nm的p型 BN层，并进行5min退火；
6)将P型BN层和工作区层的部分区域刻蚀至n型Ga2O3层，再采用溅射金属的方法分别在n型Ga2O3层上沉积n型电极，在p型层上沉积p型电极，完成对发光二极管的制作。
本发明由于量子垒层和p型层均采用BN材料制备，与传统的LED相比，具有如下优点：
1.能消除多量子阱垒层间量子限制斯塔克效应，有效提高量子阱层与量子垒层间的势垒高度及量子阱当中载流子的浓度，增强量子阱中空穴和电子的限域性。
2.能提高p型层中Mg的离化率和空穴迁移率，提高空穴的输运效率。
3.上述两点均可提高量子阱中载流子的辐射复合，由于载流子的辐射复合的提高，从而使器件的各项性能指标均有极大的提升。
附图说明
图1是本发明高效发光二极管的结构图；
图2是本发明制作图1二极管的流程示意图；
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：衬底层1、高温AlN成核层2、n型Ga2O3层3、工作区层4、p型层5和电极6。其中高温AlN成核层2位于体氮化镓衬底层1之上，其厚度为20-50nm；该n型Ga2O3层3位于高温AlN成核层2之上，其厚度为2000-4500nm；电极6和工作区层4位于n型Ga2O3层3之上，其中工作区层4包含六个周期的多量子阱垒层，每个周期包含一个AlxGa1- xN量子阱层和一个量子垒层，每个AlxGa1-xN量子阱层的厚度为1-3nm， Al的调整范围分为0.6-1，每个BN量子垒层的厚度为12-18nm，BN P型层5位于工作区层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Ga2O3层3和BN p型层5之上。该AlxGa1-xN/BN工作区层4中的Al含量的参数x的调整范围为 0.6-1，不同Al含量的量子阱可制备出发光波长范围为235nm-287nm的LED。
参照图2，本发明给出制备基于BN,GaO,AlGaN的高效发光二极管给出如下三种实施例。
实施例1，制备一种发光波长为287nm的发光二极管。
步骤一，选用体氮化镓衬底，并对其进行预处理。
1a)对所选衬底进行清洗：将衬底先放入HF酸或HCl酸中超声波清洗5-10min，然后放入丙酮溶液中超声波清洗5-10min，再使用无水乙醇溶液超声清洗5-10min，再用去离子水超声清洗5-10min，最后用氮气吹干；
1b)将清洗后的衬底，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3×10-2Torr，向反应室通入氢气，在反应室压力达到为25Torr条件下，将衬底加热到温度为900℃，并保持10min，完成对衬底基片的热处理；
1c)将反应室温度调整为1000℃，通入流量为3500sccm的氮源，持续3min进行氮化，完成氮化。
步骤二，生长高温AlN层,如图2a。
设置反应室温度为950℃，反应室压力为20Torr，同时通入流量为3000sccm的氮源和流量为20sccm的铝源，采用MOCVD工艺在氮化后的氮化镓衬底上生长厚度为 20nm的高温AlN成核层。
步骤三，生长n型Ga2O3层，如图2b。
保持反应室温度为950℃，反应室压力为20Torr，同时通入流量为2500sccm的氧源、流量为150sccm的镓源和流量为10sccm的硅源这三种气体，采用MOCVD工艺在高温AlN成核层之上生长厚度为2000nm的n型Ga2O3层。
步骤四，生长Al0.6Ga0.4N/BN多量子阱垒结构的工作区层，如图2(c)。
4a)在反应室温度为950℃、压力为20Torr的条件下，通入流量为1000sccm的氮源；
4b)通入流量为180sccm的镓源、流量为120sccm的铝源，在n型Ga2O3层上生长一层厚度为2nm的Al0.6Ga0.4N量子阱层，再保持硼源流量为1000sccm，在Al0.6Ga0.4N 阱层上生长一层厚度为18nm的BN量子垒层，每个量子阱层和其上面的量子垒层组成一个周期，共生长六个周期。
步骤五，生长p型层，如图2(d)。
保持反应室温度为950℃，压力为20Torr，同时通入流量为2500sccm的氮源，流量为100sccm的镁源和流量为2500sccm的硼源，在Al0.6Ga0.4N/BN多量子阱垒结构工作区层的上方采用MOCVD工艺生长100nm厚的P型BN层。
步骤六，淀积电极，如图2(e)。
将反应室温度维持在950℃，在H2气氛下，进行退火5min，将p型层和工作区层部分区域刻蚀至n型Ga2O3层，再采用溅射金属的方法分别在n型Ga2O3层上沉积n 型电极，在p型层沉积p型电极，完成对波长为287nm的紫外LED器件的制作。
实施例2，制备一种发光波长为261nm的发光二极管。
步骤1，选用碳化硅衬底，并对其进行预处理。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤一相同。
步骤2，生长高温AlN层,如图2(a)。
在氮化后的碳化硅衬底上采用MOCVD工艺在反应室温度为1200℃且MOCVD反应室压力达到为340Torr的条件下，同时通入流量为3500sccm的氮源和流量为30sccm 的铝源，生长厚度为30nm的高温AlN成核层。
步骤3，生长n型Ga2O3层，如图2(b)。
将反应室温度为1300℃的条件下，同时通入流量为2700sccm的氧源，流量为160sccm的镓源和流量为15sccm的硅源，在保持压力为40Torr的条件下，采用MOCVD 工艺在AlN成核层上生长厚度为2800nm的n型Ga2O3层。
步骤4，在n型Ga2O3层上，采用MOCVD工艺生长Al0.8Ga0.2N/BN多量子阱垒结构的工作区层，如图2(c)。
4.1)在反应室温度为1000℃、压力为40Torr的条件下，通入流量为2000sccm 的氮源；
4.2)保持镓源流量为45sccm，铝源流量为150sccm，生长1nm的Al0.8Ga0.2N阱层，再保持硼源流量为2200sccm，在Al0.8Ga0.2N阱层上生长14nm的BN垒层，每个阱层和垒层组成一个周期的Al0.8Ga0.2N/BN量子阱；
4.3)重复4.2)共生长6个周期的Al0.8Ga0.2N/BN量子阱，构成工作区层。
步骤5，保持反应室温度为1000℃、压力为40Torr，同时通入流量2700sccm的氨气、流量为2700sccm的硼源和流量为180sccm的镁源；在Al0.8Ga0.2N/BN多量子阱垒结构工作区层的上方生长200nm厚的P型BN层，如图2(d)。
步骤6，淀积电极，如图2(e)。
6.1)将反应室温度维持在950℃，在H2气氛下，进行退火5min；
6.2)将p型层和工作区层部分区域刻蚀至n型Ga2O3层，再采用溅射金属的方法分别在n型Ga2O3层上沉积n型电极，在p型层沉积p型电极，完成对波长为261nm 的紫外LED器件的制作。
实施例3，制备一种发光波长为233nm的发光二极管。
步骤A，选用蓝宝石衬底，并对其进行预处理。
本步进行的具体实施与实施例1的步骤一相同。
步骤B，采用MOCVD工艺生长高温AlN层,如图2(a)。
设置反应室温度为1300℃，反应室压力为400Torr，同时向反应通入流量为4000sccm的氮源和流量为40sccm的铝源，在氮化后的蓝宝石衬底上生长厚度为50nm 的高温AlN成核层。
步骤C，采用MOCVD工艺生长n型Ga2O3层，如图2(b)。
将反应室温度升至1500℃，将压力降为60Torr，并同时通入流量为3000sccm的氧源，流量为180sccm的镓源和流量为20sccm的硅源，在AlN成核层上生长厚度为 4500nm的n型Ga2O3层。
步骤D，在n型Ga2O3层上采用MOCVD工艺生长AlN/BN多量子阱垒结构的工作区层，如图2(c)。
D1)将反应室温度降为1100℃，保持压力为60Torr，同时通入流量为3000sccm 的氮源，流量为10sccm的镓源和流量为200sccm的铝源，在n型Ga2O3层上生长一层厚度为2nm的AlN阱层；
D2)保持反应室温度、压力和氮源流量，停止镓源和铝源的通入，同时通入流量为3000sccm的硼源，在AlN阱层上生长一层厚度为18nm的BN垒层；
D3)重复D2)共生长6个周期的AlN/BN量子阱，构成工作区层。
步骤E，在AlN/BN多量子阱垒结构工作区层的上方采用MOCVD工艺生长p型层，即保持反应室温度为1100℃、压力为60Torr、硼源流量为3000sccm，再同时通入流量为3000sccm的氨气和流量为300sccm的镁源，在工作区层的上方生长300nm的BN 作为P型层，如图2(d)。
步骤F，淀积电极，如图2(e)。
F1)将反应室温度维持在950℃，在H2气氛下，进行退火5min，再将p型层和工作区层部分区域刻蚀至n型Ga2O3层；
F2)采用溅射金属的方法分别在n型Ga2O3层上沉积n型电极，在p型层沉积p 型电极，完成对波长为233nm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)
1.一种高效发光二极管，自下而上包括：衬底(1)、高温AlN成核层(2)和n型Ga2O3层(3)，n型Ga2O3层(3)的上面设有电极(6)和工作区层(4)，工作区层(4)的上面设有p型层(5)和电极(6)，该工作区层(4)包含六个周期的多量子阱垒层，每个周期包含一个AlxGa1-xN量子阱层和一个量子垒层，其特征在于：
所述量子垒层采用BN材料制备，以提高量子阱层和量子垒层间的势垒高度，增强量子阱层中空穴和电子的限域性；
所述p型层(5)采用BN材料，以提高p型层中Mg的离化率和空穴迁移率。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：
所述高温AlN成核层(2)的厚度为20-50nm；
所述n型Ga2O3层(3)的厚度为2000-4500nm；
所述BN P型层(6)的厚度为100-300nm。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：
每个AlxGa1-xN量子阱层的厚度为1-3nm，Al的调整范围分为0.6-1；
每个BN量子垒层的厚度为12-18nm。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述衬底(1)材料为体氮化镓，碳化硅或蓝宝石。
5.一种高效发光二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)对衬底进行加热和高温氮化的预处理：
2)在氮化后的衬底上采用MOCVD工艺生长厚度为20-50nm的高温AlN成核层；
3)在AlN成核层上采用MOCVD工艺生长厚度为2000-4500nm的n型Ga2O3层；
4)在n型GaN层上采用MOCVD工艺生长六个周期的AlxGa1-xN/BN多量子阱垒层形成工作区层，其中每个AlxGa1-xN量子阱层的厚度为1-3nm，Al含量x的调整范围为0.6-1，每个BN量子垒层的厚度为12-18nm；
5)在AlxGa1-xN/BN多量子阱垒层上采用MOCVD工艺生长厚度为100-300nm的p型BN层，并进行5min退火；
6)将P型BN层和工作区层的部分区域刻蚀至n型Ga2O3层，再采用溅射金属的方法分别在n型Ga2O3层上沉积n型电极，在p型层上沉积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，1)对衬底进行加热和高温氮化的预处理，其实现如下：
1a)对所选衬底进行清洗：将衬底先放入HF酸或HCl酸中超声波清洗5-10min，然后放入丙酮溶液中超声波清洗5-10min，再使用无水乙醇溶液超声清洗5-10min，再用去离子水超声清洗5-10min，最后用氮气吹干；
1b)将清洗后的衬底，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3×10-2Torr，向反应室通入氢气，在反应室压力达到为25Torr条件下，将衬底加热到温度为900℃，并保持10min，完成对衬底基片的热处理；
1c)将反应室温度调整为1000℃，通入流量为3500sccm的氮源，持续3min进行氮化，完成氮化。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，2)中采用MOCVD工艺生长高温AlN成核层，其参数设置如下：
反应室温度为950-1300℃，
保持反应室压力为20-400Torr，
向反应室中同时通入流量为3000-4000sccm的氨气和流量为20-40sccm的铝源。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，3)中采用的MOCVD工艺生长n型Ga2O3层，其参数设置如下：
反应室温度为950-1500℃；
保持反应室压力为20-60Torr；
向反应室同时通入流量为2500-3000sccm的氧气、流量为150-180sccm的镓源和流量为10-20sccm的硅源这三种气体。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，4)采用MOCVD工艺生长AlxGa1-xN/BN多量子阱垒层，其参数设置如下：
反应室温度为950-1100℃；
保持反应室压力为20-60Torr；
向反应室中同时通入流量为1000-3000sccm的氮源、流量为1000-3000sccm的硼源、流量为10-180sccm的镓源和流量为120-200sccm的铝源这四种气体。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，5)采用MOCVD工艺生长p型BN层，其参数设置如下：
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2500-3000sccm的氮源、流量为2500-3000sccm的硼源和流量为100-300sccm的镁源这三种气体。
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