CN111092367A - 深紫外半导体发光二极管的外延结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深紫外半导体发光二极管的外延结构的制备方法，包括以下步骤：(1)在磁控溅射系统中，对衬底进行热处理，等离子清洗；(2)通过控制铝靶和/或硅靶的轰击功率、反应室气压及气体流量比在衬底上依次生长N型过渡层、N型下限制层、下波导层、下势垒层、多量子阱层、上势垒层、上波导层、P型上限制层及P型重掺杂层；(3)通过光刻工艺在衬底下表面制备N面电极，在P型重掺杂层上表面制备P面电极；通过本发明中的制备方法制得的半导体结构具有较宽的光谱和一定输出功率，使得半导体发光二极管具有较高的亮度。

Description

深紫外半导体发光二极管的外延结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子技术领域，更具体的说是涉及一种深紫外半导体发光二极管的外延结构及制备方法。
背景技术
目前，AlN(氮化铝)作为已知直接带隙中能带(6.2eV)最宽的半导体材料，其带隙对应波长210nm深紫外波长处。因为半导体发光二极管有源区结构中，量子阱外的包裹层比量子阱层应具有更宽带隙的材料作为势垒层和波导层，所以AlN作为量子阱，目前还没有合适的垒层和波导层材料。目前为止，还没有接近波长210nm深紫外半导体发光二极管出现。而非半导体的深紫外半导体发光二极管体积大、笨重、昂贵，不利于相关应用及产品的进步与发展。
因此，如何研制一种紫外半导体发光二极管的外延结构及其制备方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种深紫外半导体发光二极管的外延结构及其制备方法，包括以下步骤：
(1)在磁控溅射系统中，对衬底进行热处理，等离子清洗；
(2)通过控制靶材的轰击功率、反应室气压及气体流量比在衬底上依次生长N型过渡层、N型下限制层、下波导层、下势垒层、多量子阱层、上势垒层、上波导层、P型上限制层及P型重掺杂层；
(3)在衬底下表面设置N面电极，通过光刻工艺在P型重掺杂层上表面设置P面电极。
本发明的有益效果：本发明中的制备方法简单易操作，实现难度小，适用于大工业化生产，通过本发明中的制备方法制得的半导体结构具有一定输出功率，使得半导体发光二极管具有较高的亮度。
优选地，步骤(1)中，所述热处理时间为5-20min，热处理温度为100-200℃，氩气流量30sccm。
优选地，所述步骤(1)中，等离子清洗的功率为30-80W，清洗时间5-10min。
优选地，所述步骤(2)中，控制靶材的轰击功率、反应室气压及气体流程的具体操作为：
生长N型过渡层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为8/1-4/1，反应室内压力控制在0.6-0.8Pa；硅靶的功率控制在30-60W；
生长N型下限制层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为4/1-5/1，反应室内压力控制在0.5-0.6Pa；硅靶的功率控制在30-60W；
生长下波导层：铝靶功率控制在100-200W，氩气与氮气流量比为5/1-6/1，反应室内压力控制在0.35-0.5Pa；硅靶的功率控制在30-60W；
生长下势垒层：铝靶功率控制在50-150W，氩气与氮气流量比为6/1-7/1，反应室内压力控制在0.5-0.6Pa；硅靶的功率控制在30-60W；
生长多量子阱层：铝靶功率控制在50-150W，氩气与氮气流量比为7/1-8/1，反应室内压力控制在0.5-0.8Pa；
生长上势垒层：铝靶功率控制在50-150W，氩气与氮气流量比为7/1-6/1，反应室内压力控制在0.5-0.6Pa；
生长上势垒层：铝靶功率控制在50-150W，氩气与氮气流量比为7/1-6/1，反应室内压力控制在0.5-0.6Pa；
生长上波导层：铝靶功率控制在100-200W，氩气与氮气流量比为6/1-5/1，反应室内压力控制在0.35-0.5Pa；硅靶的功率控制在30-60W；
生长P型上限制层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为5/1-4/1，反应室内压力控制在0.5-0.6Pa；硅靶的功率控制在30-60W；
生长P型重掺杂层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为4/1-8/1，反应室内压力控制在0.6-0.8Pa；镁靶的功率控制在30-60W。
优选地，步骤(2)中，
所述N型过渡层的生长时间为25-35min，生长温度为150-300℃；
所述N型下限制层的生长时间为40-60min，生长温度为150-300℃；
所述下波导层的生长时间为25-40min，生长温度为150-300℃；
所述下势垒层的生长时间为2-6min，生长温度为150-300℃；
所述量子阱层的生长时间为1-3min，生长温度为150-300℃；
所述势垒层的生长时间为1-3min，生长温度为150-300℃
所述上势垒层的生长时间为2-6min，生长温度为150-300℃；
所述上波导层的生长时间为25-40min，生长温度为150-300℃；
所述P型上限制层的生长时间为40-60min，生长温度为150-300℃；
所述P型重掺杂层的生长时间为30-40min，生长温度为150-300℃。
本发明还提供了一种深紫外半导体发光二极管的外延结构，包括：
衬底，所述衬底为厚度300-700μm厚的N型衬底；
在所述衬底上表面依次生长的N型过渡层、N型下限制层、下波导层、下势垒层、多量子阱层、上势垒层、上波导层、P型上限制层及P型重掺杂层；
在所述P型重掺杂层上表面设置的P面电极；
及在所述衬底下表面设置的N面电极。
本发明的有益效果：本发明中中的结构使得半导体二极管可以具有宽的输出光谱和一定输出功率，使得半导体激光器具有较高的亮度，且本发明中的结构简单。
优选地，N型衬底为单晶硅片、氮化铝片、碳化硅片、砷化镓片或氮化镓片。
优选地，所述N型过渡层的厚度为100-500nm，材料为AlxNy，其中，x/y＝1-0.45。
优选地，所述N型下限制层的厚度为1.2-3μm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.45-0.3；所述P型上限制层的厚度为1.2-3μm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.6-1.1。
优选地，所述下波导层的厚度为0.1-0.8μm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.55-0.7；所述上波导层的厚度为0.1-0.8μm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.7-0.55。
优选地，所述多量子阱层个数是1-10个，每个多量子阱层由多个单量子阱层和垒层构成；所述单量子阱厚度3-15nm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.9-1；所述垒层的厚度为10-15nm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.85-0.8；垒层由量子阱层个数决定，量子阱个数减一个。
优选地，所述下势垒层的厚度为30-80nm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.8-0.9；所述上势垒层的厚度为30-80nm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.9-0.8。
优选地，所述P型重掺杂层的厚度为200-500nm，材料为AlxNy，其中，x/y＝1.1-1.5，C原子掺杂(0.8-3)×1020个/cm3。
采用上述的有益效果：对于AlxNy材料结构，通过控制x和y的比值可以实现具有比AlN单晶材料更宽的带隙，形成势阱层结构，从而实现低阈值、高亮度、和高的温度特性。
优选地，N面电极及P面电极均为由厚度为50nm的钛层及厚度300nm的金层组成。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的激光器外延结构结构示意图；
图2附图为本发明提供的实施例1中的光谱图；
图3附图为本发明提供的实施例1中的电流功率曲线；
图4附图为本发明提供的实施例2中的光谱图；
图5附图为本发明提供的实施例2中的电流功率曲线；
其中，1-N面电极，2-N型衬底，3-N型过渡层，4-N型下限制层，5-下波导层，6-下势垒层，7-多量子阱层，8-上势垒层，9-上波导层，10-P型上限制层，11-P型重掺杂层，12-P面电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
波长为210nm深紫外半导体激光器的外延结构：包括N型单晶衬底2(厚度为300μm)；在衬底上表面依次生长的N型过渡层3(厚度为300nm，AlxNy材料中的x/y＝1-0.45，x/y值随厚度递减)、N型下限制层4(厚度为1.2μm，AlxNy材料中的x/y＝0.45)、下波导层5(厚度为0.25μm，AlxNy材料中的x/y＝0.55)、下势垒层6(厚度为30nm，AlxNy材料中的x/y＝0.8)、多量子阱层7(5个单量子阱层，每个量子阱厚度为6.8nm，量子阱层材料为AlxNy，其中的x/y值分别为1、0.98、0.96、0.94、0.92，4个单层垒层，每个垒层厚度为10nm，材料为AlxNy，x/y值为0.85)、上势垒层8(厚度为30nm，AlxNy材料中的x/y＝0.9)、上波导层9(厚度为0.25μm，AlxNy材料中的x/y＝0.7)、P型上限制层10(厚度为1.2μm，AlxNy材料中的x/y＝0.45)及P型重掺杂层11(厚度为300nm，AlxNy材料中的x/y值从0.45到1.1随厚度递增)；
在P型重掺杂层11上表面制备的P面电极12；
及在N型衬底2下表面制备的N面电极。
上述深紫外半导体激光器的外延结构的制备方法：
(1)在磁控溅射系统中，在100℃的条件下，对衬底进行热处理5min；在功率为30W，氩气流量30sccm的条件下进行等离子清洗5min。；
(2)通过控制铝靶和/或硅靶的轰击功率、反应室气压及气体流量比在衬底上依次生长N型过渡层、N型下限制层、下波导层、下势垒层、多量子阱层、上势垒层、上波导层、P型上限制层及P型重掺杂层；
其中，
过渡层3沉积：铝靶溅射控制在150W，氩气与氮气流量比由6/1随时间变化至8/1，反应室内压力控制在0.6Pa范围内，生长时间25min，反应室内温度150℃，Si靶溅射功率控制在30W；
下限制层4生长：铝靶溅射控制在150W，氩气与氮气流量比控制在7.5/1，反应室内压力控制在0.5Pa范围内，生长时间40min，反应室内温度150℃，Si靶功率控制在30W；
下波导层5生长：铝靶溅射控制在150W，氩气与氮气流量比控制在6/1，反应室内压力控制在0.4Pa范围内，生长时间8min，反应室内温度150℃；
下势垒层6生长：铝靶溅射控制在80W，氩气与氮气流量比控制在7/1，反应室内压力控制在0.5Pa范围内，生长时间5min，反应室内温度150℃；
多量子阱层7生长：铝靶溅射控制在80W，氩气与氮气流量比分别控制控制在7.2/1、7.4/1、7.6/1、7.8/1、8/1，反应室内压力控制在0.66Pa，单量子阱层生长时间2min，反应室内温度150℃，势垒层生长的铝靶功率控制在80W，氩气与氮气流量比控制在6/1，反应室内压力控制在0.66Pa范围内，生长时间2min，反应室内温度150℃；
上势垒层8生长：铝靶溅射控制在80W，氩气与氮气流量比控制在7/1，反应室内压力控制在0.5Pa范围内，生长时间5min，反应室内温度150℃；
上波导层9生长：铝靶溅射控制在150W，氩气与氮气流量比控制在6/1，反应室内压力控制在0.4Pa范围内，生长时间8min，反应室内温度150℃；
上限制层10生长：铝靶溅射控制在150W，氩气与氮气流量比控制在7.5/1，反应室内压力控制在0.5Pa范围内，生长时间40min，反应室内温度150℃，镁靶溅射功率控制在30W；
重掺杂层11生长：铝靶溅射功率控制在150W，氩气与氮气流量比由6/1随时间变化至8/1，反应室内压力控制在0.6Pa范围内，薄膜沉积时间30min，镁靶溅射功率控制在80W。
(3)通过光刻工艺在衬底下表面设置N面电极，在P型重掺杂层上表面设置P面电极。
由附图2中可以看出在波长206-220nm附近处表现出最高亮度及较宽的自发辐射光谱。
由附图3中可以看出在上述结构及工艺制备方法条件下实现了大于310mA的发光二极管的电流工作状态，实现了深紫外半导体发光二极管的正常出光和工作。
实施例2
波长为210nm深紫外半导体激光器的外延结构：包括N型单晶衬底2(厚度为300μm)；在衬底上表面依次生长的N型过渡层3(厚度为300nm，AlxNy材料中的x/y＝1-0.45，x/y值随厚度递减)、N型下限制层4(厚度为1.2μm，AlxNy材料中的x/y＝0.45)、下波导层5(厚度为0.500μm，AlxNy材料中的x/y＝0.55)、下势垒层6(厚度为30nm，AlxNy材料中的x/y＝0.8)、多量子阱层7(5个单量子阱层，每个单量子阱层厚度为6.8nm，量子阱层材料为AlxNy，其中的x/y值分别为1、0.98、0.96、0.94、0.92；4个单层垒层，每个单层垒层厚度为10nm，材料为AlxNy，x/y值为0.85)、上势垒层8(厚度为30nm，AlxNy材料中的x/y＝0.9)、上波导层9(厚度为0.500μm，AlxNy材料中的x/y＝0.7)、P型上限制层10(厚度为1.2μm，AlxNy材料中的x/y＝0.45)及P型重掺杂层11(厚度为300nm，AlxNy材料中的x/y值从0.45到1.1随厚度递增)；
在P型重掺杂层11上表面制备的P面电极12；
及在N型衬底2下表面制备的N面电极。
上述深紫外半导体激光器的外延结构的制备方法：
(1)在磁控溅射系统中，在100℃的条件下，对衬底进行热处理5min；在功率为30W，氩气流量30sccm的条件下进行等离子清洗5min。；
(2)通过控制铝靶和/或硅靶的轰击功率、反应室气压及气体流量比在衬底上依次生长N型过渡层、N型下限制层、下波导层、下势垒层、多量子阱层、上势垒层、上波导层、P型上限制层及P型重掺杂层；
其中，
过渡层3沉积：铝靶溅射控制在150W，氩气与氮气流量比由6/1随时间变化至8/1，反应室内压力控制在0.6Pa范围内，生长时间25min，反应室内温度150℃，Si靶溅射功率控制在30W；
下限制层4生长：铝靶溅射控制在150W，氩气与氮气流量比控制在7.5/1，反应室内压力控制在0.5Pa范围内，生长时间40min，反应室内温度150℃，Si靶功率控制在30W；
下波导层5生长：铝靶溅射控制在150W，氩气与氮气流量比控制在6/1，反应室内压力控制在0.4Pa范围内，生长时间16min，反应室内温度150℃；
下势垒层6生长：铝靶溅射控制在80W，氩气与氮气流量比控制在7/1，反应室内压力控制在0.5Pa范围内，生长时间5min，反应室内温度150℃；
多量子阱层7生长：铝靶溅射控制在80W，氩气与氮气流量比分别控制控制在7.2/1、7.4/1、7.6/1、7.8/1、8/1，反应室内压力控制在0.66Pa，单量子阱层生长时间2min，反应室内温度150℃，势垒层生长的铝靶功率控制在80W，氩气与氮气流量比控制在6/1，反应室内压力控制在0.66Pa范围内，生长时间2min，反应室内温度150℃；
上势垒层8生长：铝靶溅射控制在80W，氩气与氮气流量比控制在7/1，反应室内压力控制在0.5Pa范围内，生长时间5min，反应室内温度150℃；
上波导层9生长：铝靶溅射控制在150W，氩气与氮气流量比控制在6/1，反应室内压力控制在0.4Pa范围内，生长时间16min，反应室内温度150℃；
上限制层10生长：铝靶溅射控制在150W，氩气与氮气流量比控制在7.5/1，反应室内压力控制在0.5Pa范围内，生长时间40min，反应室内温度150℃，镁靶溅射功率控制在30W；
重掺杂层11生长：铝靶溅射功率控制在150W，氩气与氮气流量比由6/1随时间变化至8/1，反应室内压力控制在0.6Pa范围内，薄膜沉积时间30min，镁靶溅射功率控制在80W。
(3)通过光刻工艺在衬底下表面设置N面电极，在P型重掺杂层上表面设置P面电极。
由附图4中可以看出，仅仅改变上、下波导厚度(波导层厚度由0.25μm增加至0.5μm，上、下波导层厚度可以不同)，二极管器件工作波长范围由14nm增宽至17nm，工作光谱范围明显增宽。
由附图5中可以看出在上述结构及工艺制备方法条件下实现了大于350mA的发光二极管的电流工作状态，实现了深紫外半导体发光二极管的正常出光和工作。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种深紫外半导体发光二极管的外延结构及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在磁控溅射系统中，对衬底进行热处理，然后等离子清洗，备用；
(2)通过控制靶材的轰击功率、反应室气压及气体流量比在衬底上依次生长N型过渡层、N型下限制层、下波导层、下势垒层、多量子阱层、上势垒层、上波导层、P型上限制层及P型重掺杂层；
(3)在衬底下表面设置N面电极，通过光刻工艺在P型重掺杂层上表面设置P面电极。
2.根据权利要求1所述的一种深紫外半导体发光二极管的外延结构及其制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述热处理时间为5-20min，热处理温度为150-300℃，氩气流量为30sccm；等离子清洗的功率为30-80W，清洗时间为5-10min。
3.根据权利要求1所述的一种深紫外半导体发光二极管的外延结构及其制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，控制靶材的轰击功率、反应室气压及气体流程的具体操作为：
生长N型过渡层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为8/1-4/1，反应室内压力控制在0.6-0.8Pa，硅靶的功率控制在30-60W；
生长N型下限制层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为4/1-5/1，反应室内压力控制在0.5-0.6Pa，硅靶的功率控制在30-60W；
生长下波导层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为5/1-6/1，反应室内压力控制在0.35-0.5Pa，硅靶的功率控制在30-60W；
生长下势垒层：铝靶功率控制在180-300W，氩气与氮气流量比为6/1-7/1，反应室内压力控制在0.5-0.6Pa，硅靶的功率控制在30-60W；
生长多量子阱层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为7/1-8/1，反应室内压力控制在0.8-0.6Pa；
生长上势垒层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为7/1-6/1，反应室内压力控制在0.5-0.7Pa；
生长上波导层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为6/1-5/1，反应室内压力控制在0.35-0.5Pa，硅靶的功率控制在30-60W；
生长P型上限制层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为5/1-4/1，反应室内压力控制在0.5-0.6Pa，硅靶的功率控制在30-60W；
生长P型重掺杂层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为4/1-8/1，反应室内压力控制在0.6-0.8Pa，镁靶的功率控制在30-60W。
4.根据权利要求3所述的一种深紫外半导体激光器的外延结构及其制备方法，其特征在于，步骤(2)中，
所述N型过渡层的生长时间为25-35min，生长温度为150-300℃；
所述N型下限制层的生长时间为40-60min，生长温度为150-300℃；
所述下波导层的生长时间为25-40min，生长温度为150-300℃；
所述下势垒层的生长时间为2-6min，生长温度为150-300℃；
所述量子阱层的生长时间为1-3min，生长温度为150-300℃；
所述势垒层的生长时间为1-4min，生长温度为150-300℃
所述上势垒层的生长时间为2-6min，生长温度为150-300℃；
所述上波导层的生长时间为25-40min，生长温度为150-300℃；
所述P型上限制层的生长时间为40-60min，生长温度为150-300℃；
所述P型重掺杂层的生长时间为30-40min，生长温度为150-300℃。
5.一种波长为210nm深紫外半导体发光二极管的外延结构，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底为N型单晶衬底；
在所述衬底上表面依次生长的N型过渡层、N型下限制层、下波导层、下势垒层、多量子阱层、上势垒层、上波导层、P型上限制层及P型重掺杂层；
在所述P型重掺杂层上表面设置的P面电极；
及在所述衬底下表面设置的N面电极。
6.根据权利要求5所述一种深紫外半导体发光二极管的外延结构，其特征在于，所述N型过渡层的厚度为100-500nm，材料为AlxNy，其中，x/y＝1-0.45，x/y值随厚度增加而递减。
7.根据权利要求5所述一种深紫外半导体发光二极管的外延结构，其特征在于，所述N型下限制层的厚度为1.2-3μm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.45-0.3；所述P型上限制层的厚度为1.2-3μm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.6-1。
8.根据权利要求5所述一种深紫外半导体发光二极管的外延结构，其特征在于，所述下波导层的厚度为0.1-0.8μm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.55-0.7；所述上波导层的厚度为0.1-0.8μm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.7-0.55。
9.根据权利要求5所述一种深紫外半导体发光二极管的外延结构，其特征在于，所述下势垒层的厚度为30-80nm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.8-0.9；所述上势垒层的厚度为30-80nm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.9-0.8。
10.根据权利要求5所述一种深紫外半导体发光二极管的外延结构，其特征在于，所述多量子阱层个数是1-10个，每个多量子阱层由多个单量子阱层和垒层构成；所述量子阱厚度3-15nm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.9-1；所述垒层的厚度为10-15nm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.85-0.8；
所述P型重掺杂层的厚度为200-500nm，材料为AlxNy，其中，x/y＝1.1-1.5。
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