CN111180557A - 一种新型紫外发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于p‑Si/n‑AlxGayIn2‑x‑yO3异质结紫外发光二极管及制备方法，属于半导体技术领域，本发明器件制作工艺简单，n‑AlxGayIn2‑x‑yO3层生长工艺成熟，成本低，易于实施，可以大规模推广。该异质结的紫外发光二极管主要包括p‑Si层、介质层、n‑AlxGayIn2‑x‑yO3和金属电极，其是在P型Si衬底上生长一层介质层，再生长n‑AlxGayIn2‑x‑yO3薄膜形成异质pN结；本发明制备的p‑Si/n‑AlxGayIn2‑x‑yO3异质pN结紫外发光二极管利用p‑Si作为空穴注入源，大大提高了空穴的浓度，且抑制了载流子在间接带隙的p‑Si区复合发光，具有较好的发光性能、以及较低的阈值电压，并且其发光强度很高。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管器件结构及其制备方法，特别涉及一种新型p-Si/n-AlxGayIn2-x-yO3异质结紫外发光二极管及其制备方法，属于半导体发光二极管领域。
背景技术
基于三族元素半导体材料的紫外发光二极管(UVLED)在杀菌消毒、聚合物固化、生化探测、非视距通讯及特种照明灯领域有着广阔的应用。UVLED有着无汞环保、小巧便携、低功耗、低电压等许多优势，据估计其相关市场规模可高达数十亿美元，因而近年来受到越来越多的关注和重视。对于基于氮化物的紫外(UV)LED，随着Al组分的增加，可实现达到UVC光谱范围的较短波长(<280nm)，但p型掺杂问题变得更加严重，导致空穴注入效率非常低。目前，所有基于AlGaN的LED均采用p型GaN作为其空穴注入源，根据接触层的需要，p型GaN的厚度通常为100-200nm，由于GaN和AlGaN之间的晶格失配，P型GaN的质量会劣化，进一步降低了p型GaN中的空穴浓度。另外p型GaN会强烈吸收量子阱有源区发出的紫外光，降低紫外LED的光功率。另一方面，n型氮化物可以达到相当高的电子浓度，从而导致有源区内电子与空穴浓度严重不平衡。为了提高高Al含量的AlGaN材料中的自由孔浓度，研究人员开发了极化掺杂方法，目的是增强电导率。另一种提高空穴浓度的方法需要使用纳米线，尽管如此，这些方法都只是提高LED量子阱中自由空穴浓度的增量措施，没有从根本上提高空穴的浓度。
另外，由于晶格的失配，GaN在Si上的外延具有挑战性。两种材料之间直接进行晶圆键合，由于晶格参数的差异，会导致界面质量差且界面态密度很高，广泛的实践证明想要得到所需质量的Si/GaN结是不可行的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种p-Si/n-AlxGayIn2-x-yO3异质结紫外发光二极管及其制备方法，其目的是为了提高空穴的浓度，克服紫外发光二极管空穴注入低的问题。
本发明专利的优势有：
1.p-Si空穴浓度可控，且可以通过成熟的半导体掺杂工艺，如扩散、离子注入等，得到高的空穴浓度；
2.Si作为一种间接带隙半导体材料，抑制了载流子在p-Si层复合发光，驱使载流子到n-AlxGayIn2-x-yO3侧复合发光，而n-AlxGayIn2-x-yO3为直接带隙半导体材料，其复合发光概率大大增加，因此有利获得高功率的紫外LED；
3n-AlxGayIn2-x-yO3的禁带宽度可以通过调节Al、Ga和In组分来调节，从而调节p-Si/n-AlxGayIn2-x-yO3异质结紫外发光二极管的发光波长。
4.n-AlxGayIn2-x-yO3可以通过相对简单的材料方法制备，可以制备大面积器件，且AlxGayIn2-x-yO3较易获得n型材料。
本发明提供一种p-Si/AlxGayIn2-x-yO3异质结紫外发光二极管，从下至上依次包括p电极，p-Si衬底、介质层、n-AlxGayIn2-x-yO3层和n电极，其异质结是在P型Si衬底上生长一层介质层薄膜，再生长n-AlxGayIn2-x-yO3薄膜形成的。
优选的方案，所述新型p-Si/n-AlxGayIn2-x-yO3异质结紫外发光二极管的尺寸为10～1000μm。
优选的方案，所述的介质层为SiO2、MgF2、MgO、ZrO2、Al2O3中一种或者几种组合。
优选的方案，所述介质层通过磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积法、金属有机化学物化学气相沉淀、分子束外延、原子层沉积中的一种获得，所述介质层薄膜厚度为1～50nm。
优选的方案，所述p，n电极是由金、铜、镍、银、铝、铬、铂的一种或者几种组合，p电极在p-Si衬底的底部，n电极在AlxGayIn2-x-yO3的表面。
优选的方案，所述的n-AlxGayIn2-x-yO3材料中Al、Ga、In各元素的组分可以通过调节原材料的组分和生长过程的条件参数，包括气压、温度等来实现，从而调节发光二极管的发射波长。
本发明还提供一种所述p-Si/n-AlxGayIn2-x-yO3异质结紫外发光二极管的制备方法，包括如下步骤：
(1)在P-Si衬底上依次生长介质层、n-AlxGayIn2-x-yO3层，得到p-Si/n-AlxGayIn2-x- yO3异质结结构；
(2)对步骤(1)获得的结构进行光刻，用光刻胶覆盖住p-Si衬底底面，露出设计的p电极区域；
(3)对步骤(2)获得的结构中裸露区域制作p电极；
(4)对步骤(3)获得的结构进行光刻，用光刻胶覆盖住n-AlxGayIn2-x-yO3表面，露出设计的n电极区域；
(5)对步骤(4)获得的结构中裸露区域制作n电极；
(6)去除光刻胶，完成p-Si/n-AlxGayIn2-x-yO3异质结紫外发光二极管的制作。
优选的方案，步骤(1)所述p-Si由高硼掺杂的SOI衬底通过湿法刻蚀得到。
优选的方案，步骤(1)中p-Si层的厚度为20～2000nm、介质层的厚度为1～50nm、n-AlxGayIn2-x-yO3层的厚度为10～5000nm。
优选的方案，步骤(1)中所述介质层是通过磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积法、金属有机化学物化学气相沉淀、分子束外延、原子层沉积中的一种得到，在p-Si表面上得到该薄膜。
优选的方案，步骤(1)中所述n-AlxGayIn2-x-yO3是通过磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积法、金属有机化学物化学气相沉淀、分子束外延、原子层沉积中的一种得到，制作温度为300～2000K。
优选的方案，步骤(3)、(5)中所述电极为金、铜、镍、银、铝、铬、铂、钛的一种或者几种组合；
本发明的上述方案有如下的有益效果：
一、提高空穴浓度，改善量子阱中电子与空穴浓度之间的不平衡。通过P-Si作为空穴注入源，由于可以使用硼原子将Si掺杂到P型Si中，即使部分的自由空穴会注入到氮化物多量子阱中，电子与空穴浓度的不平衡可以有效改善；
二、解决晶格失配问题。采用超薄氧化物界面异质结构，插入一层超薄氧化物，将两个半导体层物理隔离，可以避免由于晶格失配或晶体取向失调而导致的界面缺陷；
三、提高电致发光强度。经过厚度优化的氧化物薄膜介于两层半导体之间，能有效限制载流子的注入以及抑制界面层的形成，进而提高了整个二极管的电致发光强度；
附图说明
图1为在硅衬底上依次生长介质层，n-AlxGayIn2-x-yO3层对应的结构示意图；
图2为做上p电极后的侧视图；
图3为做上p、n电极后的侧视图；
附图标记说明:
1、p-Si；2、介质层；3、n-AlxGayIn2-x-yO3层；4、p型电极；5、n型电极；
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，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。
下面结合附图和实施例对本发明方案作进一步的阐述。
实施例1
本实施例提供一种异质结紫外发光二极管及其制备方法，包括以下步骤：(1)将高硼掺杂的SOI衬底清洗干净并吹干，并通过湿法刻蚀得到P-Si层1，p-Si层1的厚度为200μm，p-Si通过B掺杂，其掺杂浓度为5×1021cm-3；
(2)在P-Si层1上通过原子层沉积得到介质层薄膜2,为MgF2，其厚度为5nm；
(3)在介质层薄膜2MgF2上通过磁控溅射得到n-GaxIn2-xO3层3,厚度为200nm，使P-Si和n-GaxIn2-xO3形成异质结。磁控溅射靶材为In靶，Ga2O3靶材(99.99％)，溅射功率和压强为80W和2Pa，溅射温度为300℃，溅射厚度为约200nm；所生长n-AlxGayIn2-x-yO3活性层对应带边波长为365nm，组分x值约为0.4；
(4)对步骤(3)获得的结构进行光刻，用光刻胶覆盖住p-Si层1底面，露出设计的p电极区域；
(5)在p-Si层1无介质层的一端用电子束蒸发法制备60nm厚的金，然后剥离光刻胶，得到p电极；
(6)对步骤(5)获得的结构进行光刻，用光刻胶覆盖住n-GaxIn2-xO3层表面，露出设计的n电极区域；
(7)在n-GaxIn2-xO3层3上采用电子束蒸发法制备200nm/400nm/400nm厚的钛/铝/金金属，然后剥离光刻胶，得到n型电极，完成发光波长在365nm左右的p-Si/n-GaxIn2-xO异质结紫外发光二极管的制作。
实施例2
本实施例提供一种异质结紫外发光二极管及其制备方法，包括以下步骤：
(1)将高硼掺杂的SOI衬底清洗干净并吹干，并通过湿法刻蚀得到P-Si层1，p-Si层1的厚度为300μm，p-Si通过B掺杂，其掺杂浓度为5×1020cm-3；
(2)在P-Si层1上通过等离子体增强化学气相沉积方法得到介质层薄膜2,为SiO2，其厚度为8nm；
(3)在介质层薄膜2SiO2上通过磁控溅射得到n-GaxIn2-xO3层3,厚度为200nm，
使P-Si和n-GaxIn2-xO3形成异质结。磁控溅射靶材为In靶，Ga2O3靶材(99.99％)，溅射功率和压强为40W和2Pa，溅射温度为300℃，溅射厚度为约200nm；所生长n-GaxIn2-xO3活性层对应带边波长为280nm，组分x值约为0.85；
(4)对步骤(3)获得的结构进行光刻，用光刻胶覆盖住p-Si层1底面，露出设计的p电极区域；
(5)在p-Si层1无介质层的一端用电子束蒸发法制备60nm厚的金，然后剥离光刻胶，得到p电极；
(6)对步骤(5)获得的结构进行光刻，用光刻胶覆盖住n-GaxIn2-xO3层表面，露出设计的n电极区域；
(7)在n-GaxIn2-xO3层3上采用热蒸发法制备200nm/400nm/400nm厚的钛/铝/金金属，然后剥离光刻胶，得到n型电极，完成发光波长在280nm左右的p-Si/n-GaxIn2-xO异质结紫外发光二极管的制作。
实施例3
本实施例提供一种异质结紫外发光二极管及其制备方法，包括以下步骤：
(1)将高硼掺杂的SOI衬底清洗干净并吹干，并通过湿法刻蚀得到P-Si层1，p-Si层1的厚度为200μm，p-Si通过B掺杂，其掺杂浓度为5×1021cm-3；
(2)在P-Si层1上通过原子层沉积得到介质层薄膜2,为MgO，其厚度为3nm；
(3)在介质层薄膜2MgO上通过磁控溅射得到n-AlxGa2-xO3层3,厚度为200nm，使P-Si和n-AlxGa2-xO3形成异质结。磁控溅射靶材为Al靶，Ga2O3靶材(99.99％)，溅射功率和压强为30W和2Pa，溅射温度为400℃，溅射厚度为约200nm；所生长n-AlxGa2-xO3活性层对应带边波长为244nm，组分x值约为0.1；
(4)对步骤(3)获得的结构进行光刻，用光刻胶覆盖住p-Si层1底面，露出设计的p电极区域；
(5)在p-Si层1无介质层的一端用电子束蒸发法制备60nm厚的金，然后剥离光刻胶，得到p电极；
(6)对步骤(5)获得的结构进行光刻，用光刻胶覆盖住n-AlxGa2-xO3层表面，露出设计的n电极区域；
(7)在n-AlxGa2-xO3层3上采用电子束蒸发法制备200nm/400nm/400nm厚的钛/铝/金金属，然后剥离光刻胶，得到n型电极，完成发光波长在365nm左右的p-Si/n-AlxGa2-xO3异质结紫外发光二极管的制作。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (15)
1.一种新型紫外发光二极管及其制备方法，其特征在于，所述紫外发光二极管从下至上依次包括p型电极、p-Si衬底、介质层、n-AlxGayIn2-x-yO3层，n型电极。
2.根据权利要求1所述一种新型紫外发光二极管及其制备方法，其特征在于，采用p-Si/n-AlxGayIn2-x-yO3作为异质结，所述异质结的p-Si材料为衬底，组成异质结的n-AlxGayIn2-x-yO3材料通过磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积法、金属有机化学物化学气相沉淀、分子束外延、原子层沉积中的一种在p-Si衬底上得到。
3.根据权利要求1所述一种新型紫外发光二极管及其制备方法，其特征在于，采用p-Si/n-AlxGayIn2-x-yO3作为异质结，其中x的数值范围是0-2。
4.根据权利要求1所述一种新型紫外发光二极管及其制备方法，其特征在于，采用p-Si/n-AlxGayIn2-x-yO33作为异质结，其中n-AlxGayIn2-x-yO3的制作温度为300K-2000K。
5.根据权利要求1所述一种新型紫外发光二极管及其制备方法，其特征在于，采用p-Si/n-AlxGayIn2-x-yO3作为异质结，其中n-AlxGayIn2-x-yO3的掺杂元素为Si、p、As中的一种。
6.根据权利要求1所述一种新型紫外发光二极管及其制备方法，其特征在于，采用p-Si/n-AlxGayIn2-x-yO3作为异质结，其中n-AlxGayIn2-x-yO3的厚度为10nm-5000nm。
7.根据权利要求1所述一种新型紫外发光二极管及其制备方法，其特征在于，采用p-Si/n-AlxGayIn2-x-yO3作为异质结，其中p-Si的掺杂浓度为3×1016～5×1021cm-3。
8.根据权利要求1所述一种新型紫外发光二极管及其制备方法，其特征在于，采用p-Si/n-AlxGayIn2-x-yO3作为异质结，其中p-Si的晶向为(110)、(111)和(001)中的一种。
9.根据权利要求1所述一种新型紫外发光二极管及其制备方法，其特征在于，采用p-Si/n-AlxGayIn2-x-yO3作为异质结，其中P-Si的厚度为20-2000nm。
10.根据权利要求1所述一种新型紫外发光二极管及其制备方法，其特征在于，采用p-Si/n-AlxGayIn2-x-yO3作为异质结，其中n型电极是金、铜、镍、银、铝、铬、铂的一种或者几种组合。
11.根据权利要求1所述一种新型紫外发光二极管及其制备方法，其特征在于，所述介质层为SiO2、MgF2、MgO、ZrO2、Al2O3中一种或者几种组合。
12.根据权利要求1所述一种新型紫外发光二极管及其制备方法，其特征在于，其中介质层的厚度为1nm-50nm。
13.根据权利要求1所述一种新型紫外发光二极管及其制备方法，其特征在于，其中介质层通过磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积法、金属有机化学物化学气相沉淀、分子束外延、原子层沉积中的一种得到。
14.根据权利要求1所述一种新型紫外发光二极管及其制备方法，其特征在于，其中p型电极和n型电极是金、铜、镍、银、铝、铬、铂、钛的一种或者几种组合。
15.根据权利要求1～12中任意一项所述一种新型紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在p-Si衬底上依次生长介质层、n-AlxGayIn2-x-yO3层，得到p-Si/n-AlxGayIn2-x-yO3异质结构；
(2)对步骤(1)获得的结构进行光刻，用光刻胶覆盖住p-Si衬底底面，露出设计的p型电极区域；
(3)对步骤(2)获得的结构中裸露区域制作p电极；
(4)对步骤(3)获得的结构进行光刻，用光刻胶覆盖住n-AlxGayIn2-x-yO3表面，露出设计的n电极区域；
(5)对步骤(4)获得的结构中裸露区域制作n型电极；
(6)去除光刻胶，完成p-Si/n-AlxGayIn2-x-yO3异质结紫外发光二极管的制作。
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