CN111341893B - 一种AlGaN基二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种AlGaN基二极管，包括：在衬底上依次外延生长的AlN层、有源层与P型层，其中，所述P型层的边缘区域经向下刻蚀直至AlN层内，形成第一台面，所述第一台面上外延生长有N型层。通过本公开提供的AlGaN基二极管，可以降低器件制备的难度。
Description
技术领域
本公开涉及二极管技术领域，特别涉及一种AlGaN基二极管及其制备方法。
背景技术
AlGaN基二极管有着广泛的应用，例如AlGaN基紫外发光二极管(light emittingdiode,LED)和AlGaN基激光二极管(laser diode,LD)在水和空气净化、消毒杀菌、医疗诊断、精密加工、非视距通讯等领域具有广泛的应用前景，引发了国际上广泛的研究兴趣。
然而，传统的AlGaN基二极管的结构为在N型层上外延生长有源层，然后在有源层上外延生长P型层，这种结构使得传统的AlGaN基二极管存在一定的缺陷。例如：对于AlGaN基紫外LED，随着发光波长变短、有源层中的Al组分相应增大，材料生长以及器件制备的难度不断增大，并且发光功率和效率逐渐降低，深紫外(200～280纳米)LED的外量子效率约在10％以下。对于常规的法布里帕罗(Fabry-Perot,F-P)腔LD，AlGaN基深紫外LD大部分仍停留在光泵浦的水平，电泵浦深紫外LD的最短激射波长为271.8纳米。
可以看出，现有的AlGaN基二极管的结构制约了高效紫外LED和LD，核心问题在于高质量AlGaN材料的外延制备，高Al组分AlGaN材料很难生长，造成其中存在高达1010平方厘米的位错密度，在有源层产生大量的非辐射复合中心，降低器件的内量子效率，并且对于传统的AlGaN基电泵浦紫外LD，需要外延生长N型和P型AlGaN层作为电流注入和光限制层。随着LD波长的减小，为保证足够的光学限制，对应的AlGaN层的Al组分很高或者厚度要求很大，使得AlGaN基LD很难实现深紫外波段的激射。因此，如何对现有的AlGaN基二极管的结构进行改进，以降低AlGaN基二极管的制备难度，成为一项亟待解决的技术问题。
发明内容
本公开的目的是提供一种AlGaN基二极管及其制备方法，以降低AlGaN基二极管的制备难度。
为实现上述目的，本公开实施例提供一种AlGaN基二极管，包括：
在衬底上依次外延生长的AlN层、有源层与P型层，其中，所述P型层的边缘区域经向下刻蚀直至AlN层内，形成第一台面，所述第一台面上外延生长有N型层。
此外，本公开实施例还提供一种AlGaN基二极管的制备方法，所述方法包括：
在衬底上依次外延生长AlN层、有源层和P型层；
对所述P型层的边缘向下进行刻蚀，直至AlN层内，形成第一台面；
在所述第一台面上外延生长N型层。
可以看出，本公开提供的AlGaN基二极管，可以直接在低位错密度的AlN层上生长有源层，以实现其高晶体质量和高内量子效率，并通过选区外延技术在发光二极管的台面侧壁生长N型层，实现量子阱区域的电流注入，进一步地，还可以在发光二极管基础上制备激光二极管。因此，本公开通过避免大厚度低质量的高Al组分AlGaN材料的外延生长，降低了AlGaN基二极管的制备难度，并且提高了有源层的内量子效率和器件的光学效率，实现了高性能AlGaN基紫外LED和LD。
附图说明
为了更清楚地说明本公开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公开中记载的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本公开实施方式中一种AlGaN基发光二极管的剖面图；
图2是本公开实施方式中一种AlGaN基发光二极管的制备方法流程示意图；
图3是本公开实施方式中一种AlGaN基发光二极管的外延层的剖面示意图；
图4是本公开实施方式中完成AlGaN基发光二极管第一台面制备的剖面图；
图5是本公开实施方式中完成AlGaN基发光二极管第二台面制备的剖面图；
图6是本公开实施方式中完成N型层外延的剖面图；
图7是本公开实施方式中完成N型和P型电极制备的剖面图；
图8是本公开实施方式中一种AlGaN基激光二极管的剖面图；
图9是本公开实施方式中一种AlGaN基激光二极管的俯视图。
附图标记说明：
1-衬底；2-AlN层；3-有源层；4-P型层；5-第一台面；6-第二台面；7-N型层；8-N型电极；9-P型电极；10-绝缘层；11-谐振腔。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式，对本公开的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本公开而不用于限制本公开的范围，在阅读了本公开之后，本领域技术人员对本公开的各种等价形式的修改均落入本公开所附权利要求所限定的范围内。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本公开的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本公开。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
本公开实施方式中提供的一种AlGaN基二极管，可以包括：
在衬底上依次外延生长的AlN层、有源层与P型层，其中，所述P型层的边缘区域经向下刻蚀直至AlN层内，形成台面，所述台面上外延生长有N型层。
在一些实施方式中，所述N型层与所述P型层的材料为在AlN、GaN及AlGaN中的任意一种材料或任意多种材料的组合中，进行掺杂后得到的掺杂半导体材料；其中，所述N型层的材料的掺杂元素可以为Si，掺杂浓度大于等于1016且小于等于1022；所述P型层的材料的掺杂元素为Mg，掺杂浓度大于等于1016且小于等于1022。
在一些实施方式中，所述N型层的厚度大于等于50纳米且小于等于2微米；所述P型层的厚度大于等于50纳米且小于等于1微米；所述AlN层的厚度大于等于500纳米且小于等于3微米。
在一些实施方式中，所述有源层的材料为AlN、GaN与AlGaN中的任意一种或多种。
在一些实施方式中，所述衬底的材料为蓝宝石、AlN、SiC、Ga2O3、玻璃中的任意一种。
在一些实施方式中，所述有源层包括量子阱层，所述量子阱层包括阱层和垒层，所述垒层的Al组分比所述阱层的Al组分高出预定值，所述预定值大于等于0.1且小于等于0.15。所述量子阱层的厚度大于等于50纳米且小于等于200纳米。
在一些实施方式中，N型层和P型层上分别制备有N型电极和P型电极。
在一些实施方式中，所述二极管还可以包括谐振腔，所述谐振腔位于所述衬底的背面，所述谐振腔与所述衬底相垂直，以得到激光二极管。
此外，参考图2所示，本公开还提供一种AlGaN基二极管的制备方法，所述方法可以包括：
S1：在衬底上依次外延生长AlN层、有源层和P型层。
在本实施方式中，外延方法可以为金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、超高真空化学气相沉积(UHVCVD)、常压及减压外延(ATM&RP Epi)中的任意一种。此外，在外延中，AlN层2在LED中作为模板层，并且AlN层2可以包括AlN成核层，用于降低位错密度以及补偿热失配引起的AlN外延层中的应变。
S2：对所述P型层的边缘向下进行刻蚀，直至AlN层内，形成第一台面。
在本实施方式中，可以采用干法刻蚀，也可以采用湿法刻蚀。
S3：在所述第一台面上外延生长N型层。
在本实施方式中，通过在所述第一台面的侧壁制备图形化掩膜，外延生长所述N型层；其中，所述图形化的工艺为光刻、纳米压印、或自组装中的任意一种；所述掩膜的材质为SiO2、Si3N4、Al2O3或W中的任意一种。所述掩膜的材质可以为SiO2、Si3N4、Al2O3或W等金属薄膜中的任意一种，掩膜的制备方法可以为PECVD、ALD、PVD、磁控溅射等方法中的任意一种。
在一些实施方式中，所述方法还可以包括：
S4：沿所述第一台面的侧壁刻蚀所述P型层的边缘，直至所述有源层的上表面，形成第二台面；所述第二台面用于分隔所述P型层与N型层。
S5：在所述N型层与所述P型层的上表面分别制备N型电极和P型电极。
S6：将绝缘层覆盖于所述二极管的上表面，并在所述N型电极与所述P型电极处开设电极窗口。
其中，绝缘层10的材料可以为SiO2，还可以为Si3N4、Al2O3、HfO2等材料。
在一些实施方式中，所述方法还可以包括：
S7：在所述衬底的背面制备谐振腔，所述谐振腔与所述衬底相垂直，以得到激光二极管。其中，谐振腔的制备方法可以为激光辅助解理，还可以为干法刻蚀、湿法刻蚀、自然解理等方法中的任意一种。
下面结合图1，通过一个具体的实施例来进一步地介绍本公开提供的AlGaN基二极管。图1所示的AlGaN基二极管包括：
在衬底1上依次外延生长的AlN层2、有源层3与P型层4，其中，所述P型层4的两侧经向下刻蚀直至AlN层2内，形成第一台面5，沿所述第一台面5的侧壁刻蚀所述P型层4的两侧，直至所述有源层3的上表面，形成第二台面6，在所述第一台面5上外延生长N型层7，所述第二台面6用于分隔所述P型层4与所述N型层7。
具体的，衬底1可以为c面蓝宝石衬底。
AlN层2的厚度为1.4微米。
P型层4包括P型Al0.6Ga0.4N层和P型GaN层，通过该P-GaN/P-AlGaN异质结来提高空穴注入效率和改善P型欧姆接触，P型Al0.6Ga0.4N层和P型GaN层的厚度分别为500纳米和20纳米。
有源层3可以包括5个周期的Al0.4Ga0.6N/Al0.5Ga0.5N的量子阱层，对应LED的波长为280纳米，有源层3上外延生长P型Al0.65Ga0.35N电子阻挡层；量子阱层和电子阻挡层的厚度分别为100纳米和50纳米。
第一台面5的长和宽为300微米。
第二台面6的长和宽为250微米。
n型层7的材料为Al0.6Ga0.4N，厚度为200纳米。
N型电极8为Ti/Al/Ti/Au金属材料，P型电极9为Ni/Au金属材料，以实现金属(N型电极和P型电极)与半导体层(N型层和P型层)的欧姆接触，
参考图3至图7，为本公开提供的AlGaN基二极管的制备过程。
其中，图3是本公开实施方式中一种AlGaN基发光二极管的外延层的剖面示意图，具体的，利用MOCVD在衬底1上由下往上依次生长AlN层2、有源层3和P型层4，其中AlN层2在LED中作为模板层。图4是本公开实施方式中完成AlGaN基发光二极管第一台面制备的剖面图；具体的，使用SiO2为掩膜，干法刻蚀P型层4、有源层3，直至AlN层2的中上部位置，形成第一台面5。图5是本公开实施方式中完成AlGaN基发光二极管第二台面制备的剖面图。图6是本公开实施方式中完成N型层外延的剖面图；具体的，使用SiO2为掩膜，采用光刻工艺对掩膜进行图形化处理，在未被掩蔽的区域进行选区外延，完成N型层7的外延生长。图7是本公开实施方式中完成N型和P型电极制备的剖面图，具体的，在N型层7和P型层4上分别沉积电极材料并剥离、退火，制备出N型电极8和P型电极9。参考图1所示，最后使用PECVD方法沉积绝缘层10，并采用光刻工艺并湿法刻蚀绝缘层10，以开出N型电极窗口和P型电极窗口，露出部分N型电极8和P型电极9。
进一步的，结合图8和图9可知，在衬底1的背面利用激光辅助解理制作两个相互平行的腔面形成谐振腔11，即为激光二极管。具体的，有源层上生长有Al0.5Ga0.5N波导层，波导层的厚度为120纳米。
综上所述，本公开提供的AlGaN基二极管，可以直接在低位错密度的AlN层上生长有源层，以实现其高晶体质量和高内量子效率，并通过选区外延技术在发光二极管的台面侧壁生长N型层，实现量子阱区域的电流注入，进一步地，还可以在发光二极管基础上制备激光二极管。因此，本公开通过避免大厚度低质量的高Al组分AlGaN材料的外延生长，降低了AlGaN基二极管的制备难度，并且提高了有源层的内量子效率和器件的光学效率，实现了高性能AlGaN基紫外LED和LD。
本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。
以上所述仅为本公开的几个实施方式，虽然本公开所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本公开的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本公开。任何本公开所属技术领域的技术人员，在不脱离本公开所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本公开的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种AlGaN基二极管，其特征在于，包括：
在衬底上依次外延生长的AlN层、有源层与P型层，其中，所述AlN层上直接生长有有源层，所述P型层的边缘区域经向下刻蚀直至AlN层内，形成第一台面，所述第一台面上外延生长有N型层。
2.根据权利要求1所述二极管，其特征在于，还包括：
第二台面，所述第二台面通过沿所述第一台面的侧壁，将所述P型层的边缘区域刻蚀至所述有源层的上表面得到，所述第二台面用于分隔所述N型层与P型层。
3.根据权利要求1所述二极管，其特征在于，所述N型层与所述P型层的材料为在AlN、GaN及AlGaN中的任意一种材料或任意多种材料的组合中，进行掺杂后得到的掺杂半导体材料；其中，所述N型层的材料的掺杂元素为Si，掺杂浓度大于等于1016且小于等于1022；所述P型层的材料的掺杂元素为Mg，掺杂浓度大于等于1016且小于等于1022。
4.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述N型层的厚度大于等于50纳米且小于等于2微米；所述P型层的厚度大于等于50纳米且小于等于1微米；所述AlN层的厚度大于等于500纳米且小于等于3微米。
5.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述有源层包括量子阱层，所述量子阱层包括阱层和垒层，所述垒层的Al组分比所述阱层的Al组分高出预定值，所述预定值大于等于0.1且小于等于0.15。
6.根据权利要求5所述的二极管，其特征在于，所述量子阱层的厚度大于等于50纳米且小于等于200纳米。
7.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述二极管还包括：
谐振腔，所述谐振腔位于所述衬底的背面，所述谐振腔与所述衬底相垂直，以得到激光二极管。
8.一种AlGaN基二极管的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上依次外延生长AlN层、有源层和P型层，其中，所述AlN层上直接生长有有源层；
对所述P型层的边缘向下进行刻蚀，直至AlN层内，形成第一台面；
在所述第一台面上外延生长N型层。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，还包括：
沿所述第一台面的侧壁刻蚀所述P型层的边缘，直至所述有源层的上表面，形成第二台面；所述第二台面用于分隔所述P型层与N型层。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，还包括：
在所述N型层与所述P型层的上表面分别制备N型电极和P型电极；
将绝缘层覆盖于所述二极管的上表面，并在所述N型电极与所述P型电极处开设电极窗口。
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