CN112103376A - 一种新型AlGaN基UV-LED器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种新型AlGaN基UV‑LED器件及其制备方法，包括：衬底、AlN成核层、缓冲层、n‑AlGaN层、AlInGaN多量子阱、p型AlGaN层和p型GaN冒层；在p型GaN冒层处设有窗口区，p型GaN冒层采用纤锌矿氮化硼作为p型层材料。运用BN作为p型层，具有高导电率和对紫外线透明等优点，要优于传统的p型AlGaN层。将纤锌矿结构的氮化硼薄膜作为AlGaN基紫外LED的P型层材料，纤锌矿结构氮化硼的晶格常数与AlGaN材料较为匹配，相互间可以较好地进行异质外延；纤锌矿结构氮化硼的带隙5.46eV，对大部分紫外波段都是透明的。设置窗口区可以有效的提高了光的输出功率以及器件的外量子效率。

Description

一种新型AlGaN基UV-LED器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及到是一种新型AlGaN基UV-LED器件及其制备方法。
背景技术
研究、开发半导体深紫外发光二极管(LED)是当今宽带隙半导体光电子器件的研究热点。目前所用的传统紫外光源是气体激光器和汞灯，存在着低效率、体积大、不环保和电压高等缺点。与之相反，半导体紫外光源是一种固态紫外光源，它具有效率高、寿命长、体积小、质量轻、环境友好、电压低等优点，在国防技术、信息科技、生物制药、环境监测、公共卫生等领域具有及其广大的应用前景。高Al组分AlGaN材料是制备短波长半导体发光器件不可替代的材料体系，无论在民用和军用方面都有重大需求。在民用方面，AlGaN基紫外(UV)光源，具有无汞污染、波长可调、体积小、集成性好、能耗低、寿命长等诸多优势，在杀菌消毒、癌症检测、皮肤病治疗等医疗卫生领域，在二恶英、多氯联苯、农药等污染物快速分解、以及水与空气净化等环保领域，在高显色指数白光照明能源领域，大容量信息传输和存储等信息领域具有广泛应用。
基于高Al组分AlGaN及其低维量子结构材料的半导体UV发光器件的研究始于上世纪90年代，初期主要探索了波长在370-400nm之间的近紫外LED的外延生长和器件研制。随着AlGaN研究的不断进步，高Al组分AlGaN材料质量不断改善，相继有各种更短波长的UV-LED的报导。2005年美国南卡罗来纳州立大学的.Khan等人采用脉冲原子层MOCVD技术，在蓝宝石衬底上首次外延生长出发光波长305nm的UV-LED；随后几年，该研究组相继报导了240-280nm的UV-LED；2006年日本NTT基础研究实验室采用AlN基p-i-n结构，实现了发光波长210nm的深紫外LED。虽然人们通过调节AlGaN材料的Al组分已实现了从210-360nm波段的UV-LED，但是随着LED发光波长变短，AlGaN材料的Al组分相应增大，从材料外延生长到器件制作的难度也随之增大，光输出功率逐渐降低。对于210nm的AlN基LED，在40mA注入电流的发光功率仅为0.02μW，离实用相距很远。近几年，提高发光功率和效率成为国际上UV-LED研究的主要内容。通过研究人员的不懈努力，UV-LED的发光效率有了一定进步和提高，2008年日本理化研究所报导了发光波长227nm的UV-LED，30mA下输出功率0.15mW；2009年该研究所和松下电工合作，实现了波长282nm、输出功率10.6mW的UV-LED。然而，与GaN基蓝光LED相比，目前AlGaN基UV-LED的发光功率和效率还远不能令人们满意，波长短于320nm的UV-LED的发光效率普遍在1％以下。导致高Al组分AlGaN基深紫外LED效率偏低的一个主要原因是高Al组分的AlGaN材料的p型电导率过低。因为LED是一种将电能转换为光能的半导体器件。电光转换过程主要由三步骤构成，首先是电子和空穴的注入和传输到活性区，其次是电子和空穴在活性区的辐射复合发出光子，最后是光从器件表面出来。AlGaN材料施主、受主杂质离化能随Al组分的增加而增大，降低了载流子的浓度，尤其是p型高Al组分的AlGaN材料的空穴浓度极低，同时补偿中心和散射中心的增多造成其迁移率也降低，使得P型AlGaN材料的电导率极低，并无法与金属电极形成良好的欧姆接触，从而不得不采用P型GaN作为最顶上的电极接触层。但由于GaN会强烈吸收紫外线，使得从正面出光的效率很低，因此传统的AlGaN基紫外LED都不得不采用倒装焊的封装形式，让光从底部蓝宝石衬底出射，这增加了芯片的制造的复杂性，增加了成本和降低了良率。因此，如何获得一种能够与AlGaN材料体系匹配，具有良好P型导电率，而且对紫外线透明的P型材料，是目前AlGaN基紫外LED研发的关键问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种新型AlGaN基UV-LED器件及其制备方法，具体技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种新型AlGaN基UV-LED器件，包括：衬底、AlN成核层、缓冲层、n-AlGaN层、AlInGaN多量子阱、p型AlGaN层和p型GaN冒层；在所述p型GaN冒层处设有窗口区，p型GaN冒层采用纤锌矿氮化硼作为p型层材料。
可选的，AlInGaN多量子阱的势垒层组分在20％-100％之间，其量子阱层的组分在0-80％之间。
可选的，p型层的厚度在200-1000纳米，采用Mg掺杂，空穴浓度达到1x1018cm-3以上。
可选的，所述窗口区的形状为梯台型，所述窗口区以所述p型AlGaN层为底面。
可选的，所述窗口区的底部位于p型AlGaN层厚度的四分之三处。
第二方面，本发明实施例提供了一种新型AlGaN基UV-LED器件的制备方法，包括：
在蓝宝石、碳化硅或AlN衬底上，利用MOCVD工艺，依次生长AlN成核层、缓冲层、n-AlGaN层、AlInGaN多量子阱、10％-25％Al组分p型AlGaN层、p型GaN冒层；
采用ICP或者RIE工艺从顶部p型GaN冒层刻蚀至p型AlGaN层，形成窗口；
在衬底的背面光刻出n型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在窗口区蒸发n型欧姆接触金属，形成n型电极；
在p型GaN冒层光刻出p型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在窗口区蒸发p型欧姆接触金属，形成p型电极，完成器件制作。
本发明实施例提供了一种新型AlGaN基UV-LED器件，包括：衬底、AlN成核层、缓冲层、n-AlGaN层、AlInGaN多量子阱、p型AlGaN层和p型GaN冒层；在p型GaN冒层处设有窗口区，p型GaN冒层采用纤锌矿氮化硼作为p型层材料。另一方面，本发明实施例提供一种新型AlGaN基UV-LED器件的制备方法，包括：在蓝宝石、碳化硅或AlN衬底上，利用MOCVD工艺，依次生长AlN成核层、缓冲层、n-AlGaN层、AlInGaN多量子阱、10％-25％Al组分p型AlGaN层、p型GaN冒层；采用ICP或者RIE工艺从顶部p型GaN冒层刻蚀至p型AlGaN层，形成窗口；在衬底的背面光刻出n型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在窗口区蒸发n型欧姆接触金属，形成n型电极；在p型GaN冒层光刻出p型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在窗口区蒸发p型欧姆接触金属，形成p型电极，完成器件制作。
研究表明，运用BN作为p型层，具有高导电率和对紫外线透明等优点，要优于传统的p型AlGaN层。采用纤锌矿结构的氮化硼薄膜作为AlGaN基紫外LED的P型层材料，其优点是(1)纤锌矿结构氮化硼的晶格常数与AlGaN材料较为匹配，两者相互间可以较好地进行异质外延；(2)实验证实，纤锌矿结构氮化硼的带隙是5.46eV，对大部分紫外波段都是透明的；(3)实验证实，Mg掺杂在纤锌矿结构氮化硼中的激活能只有31meV，可以较容易实现1×1018cm-3的空穴浓度，P型BN材料的电阻率可以降到12Ωcm以下。本发明由于先通过刻蚀p-GaN冒层至p型AlGaN势垒层，形成出光窗口，使得发出的紫外光能从顶部辐射出来，再通过湿法刻蚀形成的锥形出射窗口，使得光的出射窗口孔径进一步加大，有效的提高了光的输出功率以及器件的外量子效率。本发明的器件采用了顶部窗口结构，这种窗口结构特别适合于大功率紫外LED器件，这将极大地推进AlGaN基多量子阱UV-LED的实用化进程。
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。
图1是本发明器件的剖面结构示意图；
图2是本发明器件的制作工艺流程图。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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的一部分实施例，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
请参见图1、图2，本发明实施例提供了一种新型AlGaN基UV-LED器件，包括：衬底、AlN成核层、缓冲层、n-AlGaN层、AlInGaN多量子阱、p型AlGaN层和p型GaN冒层；在所述p型GaN冒层处设有窗口区，p型GaN冒层采用纤锌矿氮化硼作为p型层材料。
研究表明，运用BN作为p型层，具有高导电率和对紫外线透明等优点，要优于传统的p型AlGaN层。采用纤锌矿结构的氮化硼薄膜作为AlGaN基紫外LED的P型层材料，其优点是(1)纤锌矿结构氮化硼的晶格常数与AlGaN材料较为匹配，两者相互间可以较好地进行异质外延；(2)实验证实，纤锌矿结构氮化硼的带隙是5.46eV，对大部分紫外波段都是透明的；(3)实验证实，Mg掺杂在纤锌矿结构氮化硼中的激活能只有31meV，可以较容易实现1×1018cm-3的空穴浓度，P型BN材料的电阻率可以降到12Ωcm以下。本发明由于先通过刻蚀p-GaN冒层至p型AlGaN势垒层，形成出光窗口，使得发出的紫外光能从顶部辐射出来，再通过湿法刻蚀形成的锥形出射窗口，使得光的出射窗口孔径进一步加大，有效的提高了光的输出功率以及器件的外量子效率。本发明的器件采用了顶部窗口结构，这种窗口结构特别适合于大功率紫外LED器件，这将极大地推进AlGaN基多量子阱UV-LED的实用化进程。
在一种具体实施方式中，AlInGaN多量子阱的势垒层组分在20％-100％之间，其量子阱层的组分在0-80％之间。
在一种具体实施方式中，p型层的厚度在200-1000纳米，采用Mg掺杂，空穴浓度达到1x1018cm-3以上。
在一种具体实施方式中，所述窗口区的形状为梯台型，所述窗口区以所述p型AlGaN层为底面。
在一种具体实施方式中，所述窗口区的底部位于p型AlGaN层厚度的四分之三处。
第二方面，本发明实施例提供了一种新型AlGaN基UV-LED器件的制备方法，包括：
S110.在蓝宝石、碳化硅或AlN衬底上，依次生长AlN成核层、缓冲层、n-AlGaN层、AlInGaN多量子阱、10％-25％Al组分p型AlGaN层、p型GaN冒层；
S120.采用ICP或者RIE工艺从顶部p型GaN冒层刻蚀至p型AlGaN层，形成窗口；
S130.在衬底的背面光刻出n型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在窗口区蒸发n型欧姆接触金属，形成n型电极；
S140.在p型GaN冒层光刻出p型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在窗口区蒸发p型欧姆接触金属，形成p型电极，完成器件制作。
具体的，步骤1，在SiC基片上，利用MOCVD工艺，生长低温AlN成核层。
将衬底温度降低为600℃，保持生长压力50Torr，氢气流量为1500sccm，氨气流量为1500sccm，向反应室通入流量为28μmol/min的铝源，生长厚度为10nm的低温AlN成核层。
步骤2，在低温AlN成核层上，生长缓冲层。
将生长温度升高到1050℃，保持生长压力50Torr，氢气流量为1500sccm，氨气流量为1500sccm，向反应室通入流量为28μmol/min的铝源，生长厚度为280nm的缓冲层。
步骤3，在缓冲层上，生长n-AlGaN层。
生长温度保持在1050℃，保持生长压力110Torr，氢气流量为1500sccm，氨气流量1500sccm，向反应室同时通入流量为60μmol/min的铝源、70μmol/min的镓源以及1-3μmol/min的Si源，生长厚度为800nm的Si掺杂的n-AlGaN层。
步骤4，在n-AlGaN层上，生长AlInGaN多量子阱。
生长温度保持在1050℃，保持生长压力130Torr，氢气流量为1500sccm，氨气流量1500sccm，向反应室同时通入流量为60μmol/min的铝源和80μmol/min的镓源，生长厚度为2-7nm的AlxGa1-xN势阱层；生长温度保持在1050℃，保持生长压力70Torr，氢气流量为1500sccm，氨气流量1500sccm，向反应室同时通入流量为80μmol/min的铝源，60μmol/min的镓源，生长厚度为2-10nm的AlInGaN多量子阱，量子阱的周期为3-5个。
步骤5，在AlInGaN多量子阱上，生长10％-25％Al组分p型AlGaN层。
生长温度保持在1000℃，保持生长压力100Torr，氢气流量为1500sccm，氨气流量1500sccm，向反应室同时通入流量为90μmol/min的铝源、130μmol/min的镓源以及3-5μmol/min的Mg源，生长厚度为60nm的的p型AlGaN层。
步骤6，在所述的p型AlGaN层上，生长p型GaN冒层。
生长温度保持在950℃，保持生长压力70Torr，氢气流量为1500sccm，氨气流量1500sccm，向反应室同时通入流量为70μmol/min的镓源，以及3-5μmol/min的Mg源，生长厚度为60nm的p型GaN冒层。
步骤7，在p型GaN冒层上光刻出一圆形窗口，采用ICP刻蚀窗口区至p型AlGaN层。
(9a)光刻出光窗口：对样片甩正胶，转速为5000转/min，然后再在90℃的烘箱中烘15min，通过光刻以及显影形成刻蚀所需的出光窗口；
(9b)ICP刻蚀出光窗口：采用ICP干法刻蚀p型GaN层至p型AlGaN势垒层，刻蚀深度为140nm，刻蚀采用的气体为Cl2/BCl3，刻蚀采用的上电极功率为200W，偏压为100V，压力为1Pa，刻蚀时间为200s，形成圆柱体的出光窗口。
步骤8，采用NaOH溶液湿法刻蚀已形成的圆柱体窗口，形成圆锥体的出光窗口区。
将经过二次刻蚀的样片放入到100℃的NaOH溶液中进行湿法刻蚀，时间为4min，出光窗口由圆柱体变为类圆锥体，增大了整个器件的出光窗口。
步骤9，在n型SiC衬底1的背面上光刻出n型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在电极图形区蒸发n型欧姆接触金属，形成n型电极。
(9a)光刻出n型电极图形：为了更好地剥离金属，首先在样片上甩黏附剂，转速为8000转/min，时间为30s，在温度为160℃的高温烘箱中烘20min；然后再在该样片上甩正胶，转速为5000转/min，最后在温度为80℃的高温烘箱中烘10min，光刻获得n型电极图形；
(9b)打底膜：采用DQ-500等离子体去胶机去除图形区未显影干净的光刻胶薄层，该步骤大大提高了剥离的成品率；
(9c)蒸发n型电极金属：采用VPC-1000电子束蒸发设备淀积Ni/Au两层金属；
(9d)剥离n型金属及退火：在丙酮中浸泡40min以上后进行超声处理，然后用氮气吹干；将样片放入到快速退火炉中，首先向退火炉内通入氮气10min左右，然后在氮气气氛下，温度为950℃条件下进行70s的高温退火，形成n型电极。
步骤10，在p型GaN冒层上光刻出p型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在电极图形区蒸发p型欧姆接触金属，形成p型电极。
(10a)光刻出p型电极图形：首先在样片上甩黏附剂，甩胶台的转速为8000转/min，时间为30s，将其放入温度为160℃的高温烘箱中烘20min；之后再在该样片上甩正胶，甩胶台的转速为5000转/min，放入温度为80℃的高温烘箱中烘10min，光刻获得p型电极图形；
(10b)在p型电极图形上采用VPC-1100电子束蒸发设备蒸发Ni/Au两层金属来作为p型电极；
(10c)将进行完上述处理的样片放入丙酮中浸泡20min以上后进行超声处理，然后用氮气吹干，之后再将该样片放入到快速退火炉中，在空气气氛下，温度为560℃条件下进行10min的高温退火，形成p型电极，完成器件制作。
研究表明，运用BN作为p型层，具有高导电率和对紫外线透明等优点，要优于传统的p型AlGaN层。采用纤锌矿结构的氮化硼薄膜作为AlGaN基紫外LED的P型层材料，其优点是(1)纤锌矿结构氮化硼的晶格常数与AlGaN材料较为匹配，两者相互间可以较好地进行异质外延；(2)实验证实，纤锌矿结构氮化硼的带隙是5.46eV，对大部分紫外波段都是透明的；(3)实验证实，Mg掺杂在纤锌矿结构氮化硼中的激活能只有31meV，可以较容易实现1×1018cm-3的空穴浓度，P型BN材料的电阻率可以降到12Ωcm以下。本发明由于先通过刻蚀p-GaN冒层至p型AlGaN势垒层，形成出光窗口，使得发出的紫外光能从顶部辐射出来，再通过湿法刻蚀形成的锥形出射窗口，使得光的出射窗口孔径进一步加大，有效的提高了光的输出功率以及器件的外量子效率。本发明的器件采用了顶部窗口结构，这种窗口结构特别适合于大功率紫外LED器件，这将极大地推进AlGaN基多量子阱UV-LED的实用化进程。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种新型AlGaN基UV-LED器件，其特征在于，包括：衬底、AlN成核层、缓冲层、n-AlGaN层、AlInGaN多量子阱、p型AlGaN层和p型GaN冒层；在所述p型GaN冒层处设有窗口区，p型GaN冒层采用纤锌矿氮化硼作为p型层材料。
2.根据权利要求1所述的新型AlGaN基UV-LED器件，其特征在于，AlInGaN多量子阱的势垒层组分在20％-100％之间，其量子阱层的组分在0-80％之间。
3.根据权利要求1所述的新型AlGaN基UV-LED器件，其特征在于，p型层的厚度在200-1000纳米，采用Mg掺杂，空穴浓度达到1x1018cm-3以上。
4.根据权利要求1所述的新型AlGaN基UV-LED器件，其特征在于，所述窗口区的形状为梯台型，所述窗口区以所述p型AlGaN层为底面。
5.根据权利要求1所述的新型AlGaN基UV-LED器件，其特征在于，所述窗口区的底部位于p型AlGaN层厚度的四分之三处。
6.一种新型AlGaN基UV-LED器件的制备方法，其特征在于，包括：
在蓝宝石、碳化硅或AlN衬底上，利用MOCVD工艺，依次生长AlN成核层、缓冲层、n-AlGaN层、AlInGaN多量子阱、10％-25％Al组分p型AlGaN层、p型GaN冒层；
采用ICP或者RIE工艺从顶部p型GaN冒层刻蚀至p型AlGaN层，形成窗口；
在衬底的背面光刻出n型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在窗口区蒸发n型欧姆接触金属，形成n型电极；
在p型GaN冒层光刻出p型电极的图形，采用电子束蒸发工艺，在窗口区蒸发p型欧姆接触金属，形成p型电极，完成器件制作。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101515615A (zh) * 2009-03-31 2009-08-26 西安电子科技大学 基于SiC衬底的AlGaN基多量子阱uv-LED器件及制作方法
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