CN112331751A - 一种深紫外led外延片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种深紫外LED外延片，属于半导体光电子技术领域，包括LED外延片上设置于衬底和电子阻挡层之间的缓冲层，所述缓冲层为多层宽禁带直接带隙半导体设置构成多层子缓冲层，不同层宽禁带直接带隙半导体的带隙能不全相同。本发明还提供了一种深紫外LED外延片制造方法。本发明基于简单的多缓冲层结构，使得工艺简单可控，可在常规深紫外LED外延结构加工工艺上进行改进，便于实际推广和应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种深紫外LED外延片及其制造方法，属于半导体光电子技术领域。
背景技术
传统杀菌消毒紫外灯为汞灯，具有诸多应用问题，如：汞有毒，且留存在环境中难以去除。另外，汞灯体积大，应用场景有比较大的限制，同时汞灯易碎，也是使用领域扩展的障碍。
而深紫外LED具有体积小、寿命长、无毒等优点，能够非常有效地杀灭细菌，对炭疽孢子，大肠杆菌，流感，疟疾等病毒具有高速高效灭杀的功能，被广泛用于表面、空气、水杀菌等。同时，由于深紫外UVC波段属于日盲波段，且传输距离短，所以在军事领域上用于短距离强抗干扰通信。
AlGaN材料由于其禁带宽度大、发光波长可控等优势，成为了人们制备紫外 LED的首选材料。
然而本发明的发明人发现：AlGaN基紫外LED目前仍然面临着严重的困难，一方面高质量的 AlGaN 材料制备较为困难，由于AlGaN材料与衬底之间具有较大的晶格失配和热失配，导致薄膜中产生大量裂纹以及位错，严重影响晶体质量及器件的制备；另一方面，由于AlGaN 材料具有较大的自发极化强度，将导致材料中存在更多的极化电荷。这些极化电荷将会在 AlGaN量子阱有源区中引入较强的极化电场，导致量子阱区域能带弯曲，导带电子和价带空穴的波函数产生空间分离，从而使电子和空穴的辐射复合效率降低，器件发光减弱。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种深紫外LED外延片及其制造方法，该深紫外LED外延片基于简单的多缓冲层结构，该深紫外LED外延片制造方法工艺简单可控，由此可在常规深紫外LED外延结构加工工艺上进行改进，便于实际推广和应用。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种深紫外LED外延片，包括LED外延片上设置于衬底和电子阻挡层之间的缓冲层，所述缓冲层为多层宽禁带直接带隙半导体设置构成多层子缓冲层，不同层宽禁带直接带隙半导体的带隙能不全相同。
所述多层宽禁带直接带隙半导体中，任意上层宽禁带直接带隙半导体的带隙能不高于下层宽禁带直接带隙半导体的带隙能。
所述最底层子缓冲层生长厚度为50~1000nm，任意其他层生长厚度为100~5000nm。
所述衬底为蓝宝石、硅、碳化硅、氧化锌或石墨烯。
本发明还提供一种深紫外LED外延片制造方法，在LED外延片的衬底或AlN层之上生长缓冲层，所述缓冲层采用层叠生长多层子缓冲层得到，多层子缓冲层为物质组成种类相同、金属含量不同的宽禁带直接带隙半导体。
所述宽禁带直接带隙半导体为AlxGa1-xN。
所述多层子缓冲层中，任意上层子缓冲层的金属含量不高于下层子缓冲层的金属含量。
所述多层子缓冲层中，最底层生长温度低于任意其他层生长温度，且任意上层生长温度不低于相对下层生长温度；所述多层子缓冲层中，最底层生长厚度小于任意其他层生长厚度，且任意上层生长厚度不小于相对下层生长厚度。
所述多层宽禁带直接带隙半导体中，由底向上V/III比逐层减小，且均为100~5000。
所述宽禁带直接带隙半导体的生长设备为金属有机化学气相沉积设备、分子束外延设备或氢化物气相外延设备。
本发明的有益效果在于：基于简单的多缓冲层结构，使得工艺简单可控，可在常规深紫外LED外延结构加工工艺上进行改进，便于实际推广和应用。
附图说明
图1是本发明一种实施方式的结构示意图；
图2是图1中缓冲层的组成示意图。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
如图1所示的一种深紫外LED外延片，包括LED外延片上设置于衬底和电子阻挡层之间的缓冲层，缓冲层为多层宽禁带直接带隙半导体设置构成多层子缓冲层，不同层宽禁带直接带隙半导体的带隙能不全相同。
多层宽禁带直接带隙半导体中，任意上层宽禁带直接带隙半导体的带隙能不高于下层宽禁带直接带隙半导体的带隙能。
本发明还提供一种深紫外LED外延片制造方法，在LED外延片的衬底或AlN层之上生长缓冲层，所述缓冲层采用层叠生长多层子缓冲层得到，多层子缓冲层为物质组成种类相同、金属含量不同的宽禁带直接带隙半导体。
多层子缓冲层中，任意上层子缓冲层的金属含量不高于下层子缓冲层的金属含量。
宽禁带直接带隙半导体为AlxGa1-xN。
多层子缓冲层中，最底层生长温度低于任意其他层生长温度，且任意上层生长温度不低于相对下层生长温度。
多层子缓冲层中，最底层生长厚度小于任意其他层生长厚度，且任意上层生长厚度不小于相对下层生长厚度。
最底层子缓冲层生长厚度为50~1000nm，任意其他层生长厚度为100~5000nm。
多层宽禁带直接带隙半导体中，由底向上V/III比逐层减小，且均为100~5000。
宽禁带直接带隙半导体的生长设备为金属有机化学气相沉积设备（MOCVD）、分子束外延设备（MBE）或氢化物气相外延设备（HVPE）。
缓冲层生长于衬底上。
衬底为蓝宝石、硅、碳化硅、氧化锌或石墨烯。
实施例1
采用上述方案，深紫外LED外延片包括衬底以及自衬底向上依次层叠设置的AlN层、缓冲层、非掺杂层、N型掺杂层、多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层，其中，所述缓冲层包括层叠设置的第一子缓冲层、第二子缓冲层以及第三子缓冲层，依次为AlxGa1- xN、AlyGa1-yN、AlzGa1-zN，且1>x≥y≥z>0。
采用如下步骤制造：
①将c面蓝宝石衬底放置于MOCVD反应室中的载盘上，在1000～1200℃下高温处理5～10min，清除衬底表面杂质。
②控制温度为1350℃，通入Al源和氨气，在衬底上生长3000nmAlN层；
③控制温度为1100℃，V/III为3000，通入Al源、Ga源以及氨气，在AlN层上生长第一缓冲层AlxGa1-xN，x=0.85，厚度为300nm；
④控制温度为1200℃，V/III为2000，通入Al源、Ga源以及氨气，在第一缓冲层上生长第二缓冲层AlyGa1-yN，y=0.75，厚度为500nm；
⑤保持温度不变，减小V/III至850，通入Al源、Ga源以及氨气，在第二缓冲层上生长第三缓冲层AlzGa1-zN，z=0.6，厚度为1000nm；
⑥在1000～1300℃条件下，向反应室中通入Al源、Ga源、氨气和硅烷SiH4，生长N型掺杂层，厚度为2～3μm。
⑦在1050～1200℃条件下，向反应室中通入Al源、Ga源以及氨气，生长5~7个周期的多量子阱结构。其中，垒层厚度为10～15nm，阱层厚度为3～5nm。
⑧在1050～1100℃条件下，向反应室中通入Al源、Ga源以及氨气，生长电子阻挡层，厚度为20～40nm。
⑨在950～1050℃条件下，向反应室中通入Al源，Ga源，氨气和Mg源，在电子阻挡层上生长P型AlGaN层，厚度为20nm。
⑩在950℃条件下，向反应室中通入Ga源、氨气和Mg源，生长P型GaN层，厚度为200nm，Mg的掺杂浓度为2×1020cm-3。
⑪降温至800℃，氮气气氛下退火40min，得到深紫外LED外延结构。
实施例2
采用上述方案，深紫外LED外延片包括衬底以及自衬底向上依次层叠设置的AlN层、缓冲层、非掺杂层、N型掺杂层、多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层，其中，所述缓冲层包括层叠设置的第一子缓冲层、第二子缓冲层、第三子缓冲层及第四子缓冲层，依次为AlwGa1-wN、AlxGa1-xN、AlyGa1-yN、AlzGa1-zN，且1>w≥x≥y≥z>0。
采用如下步骤制造：
①将c面蓝宝石衬底放置于MOCVD反应室中的载盘上，在1000～1200℃下高温处理5～10min，清除衬底表面杂质。
②控制温度为1350℃，通入Al源和氨气，在衬底上生长3000nmAlN层；
③控制温度为1100℃，V/III为3500，通入Al源、Ga源以及氨气，在AlN层上生长第一缓冲层AlwGa1-wN，w=0.85，厚度为400nm；
④控制温度为1150℃，V/III为3000，通入Al源、Ga源以及氨气，在AlN层上生长第二缓冲层AlxGa1-xN，x=0.80，厚度为500nm；
⑤控制温度为1200℃，V/III为2000，通入Al源、Ga源以及氨气，在第一缓冲层上生长第三缓冲层AlyGa1-yN，y=0.75，厚度为650nm；
⑥保持温度不变，减小V/III至900，通入Al源、Ga源以及氨气，在第二缓冲层上生长第四缓冲层AlzGa1-zN，z=0.6，厚度为1100nm；
⑦在1000～1300℃条件下，向反应室中通入Al源、Ga源、氨气和硅烷SiH4，生长N型掺杂层，厚度为2～3μm。
⑧在1050～1200℃条件下，向反应室中通入Al源、Ga源和氨气，生长5~7个周期的多量子阱结构。其中，垒层厚度为10～15nm，阱层厚度为3～5nm。
⑨在1050～1100℃条件下，向反应室中通入Al源、Ga源和氨气，生长电子阻挡层，厚度为20～40nm。
⑩在950～1050℃条件下，向反应室中通入Al源，Ga源，氨气和Mg源，在电子阻挡层上生长P型AlGaN层，厚度为20nm。
⑪在950℃条件下，向反应室中通入Ga源、氨气和Mg源，生长P型GaN层，厚度为200nm，Mg的掺杂浓度为2×1020cm-3。
⑫降温至800℃，氮气气氛下退火40min，得到深紫外LED外延结构。
实施例3
采用上述方案，深紫外LED外延片包括衬底以及自衬底向上依次层叠设置的AlN层、缓冲层、非掺杂层、N型掺杂层、多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层，其中，所述缓冲层包括层叠设置的第一子缓冲层、第二子缓冲层以及第三子缓冲层，依次为AlxGa1- xN、AlyGa1-yN、AlzGa1-zN，且1>x≥y≥z>0。
采用如下步骤制造：
①将c面蓝宝石衬底放置于MOCVD反应室中的载盘上，在1000～1200℃下高温处理5～10min，清除衬底表面杂质。
②控制温度为1350℃，通入Al源和氨气，在衬底上生长3000nmAlN层；
③控制温度为1150℃，V/III为2800，通入Al源、Ga源以及氨气，在AlN层上生长第一缓冲层AlxGa1-xN，x=0.85，厚度为300nm；
④控制温度为1200℃，V/III为1500，通入Al源、Ga源以及氨气，在第一缓冲层上生长第二缓冲层AlyGa1-yN，y=0.75，厚度为800nm；
⑤保持温度不变，减小V/III至550，通入Al源、Ga源以及氨气，在第二缓冲层上生长第三缓冲层AlzGa1-zN，z=0.6，厚度为1200nm；
⑥在1000～1300℃条件下，向反应室中通入Al源、Ga源、氨气和硅烷SiH4，生长N型掺杂层，厚度为2～3μm。
⑦在1050～1200℃条件下，向反应室中通入Al源、Ga源和氨气，生长5~7个周期多量子阱结构。其中，垒层厚度为10～15nm，阱层厚度为3～5nm。
⑧在1050～1100℃条件下，向反应室中通入Al源、Ga源和氨气，生长电子阻挡层，厚度为20～40nm。
⑨在950～1050℃条件下，向反应室中通入Al源，Ga源，氨气和Mg源，在电子阻挡层上生长P型AlGaN层，厚度为20nm。
⑩在950℃条件下，向反应室中通入Ga源、氨气和Mg源，生长P型GaN层，厚度为200nm，Mg的掺杂浓度为2×1020cm-3。
⑪降温至800℃，氮气气氛下退火40min，得到深紫外LED外延结构。
实施例4
采用上述方案，深紫外LED外延片包括衬底以及自衬底向上依次层叠设置的AlN层、缓冲层、非掺杂层、N型掺杂层、多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层，其中，所述缓冲层包括层叠设置的第一子缓冲层、第二子缓冲层以及第三子缓冲层，依次为AlxGa1- xN、AlyGa1-yN、AlzGa1-zN，且1>x≥y≥z>0。
采用如下步骤制造：
①将c面蓝宝石衬底放置于MOCVD反应室中的载盘上，在1000～1200℃下高温处理5～10min，清除衬底表面杂质。
②控制温度为1350℃，通入Al源和氨气，在衬底上生长3000nmAlN层；
③控制温度为1150℃，V/III为2800，通入Al源、Ga源和氨气，在AlN层上生长第一缓冲层AlxGa1-xN，x=0.75，厚度为300nm；
④控制温度为1200℃，V/III为1500，通入Al源、Ga源和氨气，在第一缓冲层上生长第二缓冲层AlyGa1-yN，y=0.65，厚度为1000nm；
⑤保持温度不变，减小V/III至550，通入Al源、Ga源和氨气，在第二缓冲层上生长第三缓冲层AlzGa1-zN，z=0.5，厚度为1000nm；
⑥在1000～1300℃条件下，向反应室中通入Al源、Ga源、氨气和硅烷SiH4，生长N型掺杂层，厚度为2～3μm。
⑦在1050～1200℃条件下，向反应室中通入Al源、Ga源和氨气，生长5~7个周期多量子阱结构。其中，垒层厚度为10～15nm，阱层厚度为3～5nm。
⑧在1050～1100℃条件下，向反应室中通入Al源、Ga源和氨气，生长电子阻挡层，厚度为20～40nm。
⑨在950～1050℃条件下，向反应室中通入Al源，Ga源，氨气和Mg源，在电子阻挡层上生长P型AlGaN层，厚度为20nm。
⑩在950℃条件下，向反应室中通入Ga源、氨气和Mg源，生长P型GaN层，厚度为200nm，Mg的掺杂浓度为2×1020cm-3。
⑪降温至800℃，氮气气氛下退火40min，得到深紫外LED外延结构。
可见，本发明提供的技术方案具有如下效果：
(1).缓冲层生长温度的逐步提高，Al原子的表面迁移能力提高，缓冲层生长初期岛的密度降低，尺寸增大，这样得到的缓冲层的表面会更为光滑，也会提高后续生长时的原子表面迁移能力，提高成核岛的尺寸，减小由于岛的合并引入张应力的情况，同时也有利于降低位错密度，提高晶体质量，这些均有利于面内压应力的积累，减少裂纹。
(2).缓冲层厚度的增加，一些位错会逐渐弯曲合并，使得缓冲层中延伸至N型掺杂层薄膜中的位错密度降低，薄膜受到的张应力也逐渐减小，更有力于压应力的积累，因此，可以减少表面裂纹以及提高晶体质量；
(3).有效使得后续外延层所受到的面内压应力增大，外延层中的TE 模的比例也随之提高，从而出光强度也将有所提高；
(4).使AlGaN材料中产生大量的面内压应力，使价带中的重空穴带和轻空穴带上移，而自旋耦合劈裂带则下移，增加量子阱中电子和空穴的波函数交叠，极大的提高电子和空穴的复合效率，从而提高发光效率。
Claims (10)
1.一种深紫外LED外延片，包括LED外延片上设置于衬底和电子阻挡层之间的缓冲层，其特征在于：所述缓冲层为多层宽禁带直接带隙半导体设置构成多层子缓冲层，不同层宽禁带直接带隙半导体的带隙能不全相同。
2.如权利要求1所述的深紫外LED外延片，其特征在于：所述多层宽禁带直接带隙半导体中，任意上层宽禁带直接带隙半导体的带隙能不高于下层宽禁带直接带隙半导体的带隙能。
3.如权利要求1所述的深紫外LED外延片，其特征在于：所述最底层子缓冲层生长厚度为50~1000nm，任意其他层生长厚度为100~5000nm。
4.如权利要求1所述的深紫外LED外延片，其特征在于：所述衬底为蓝宝石、硅、碳化硅、氧化锌或石墨烯。
5.一种深紫外LED外延片制造方法，在LED外延片的衬底或AlN层之上生长缓冲层，其特征在于：所述缓冲层采用层叠生长多层子缓冲层得到，多层子缓冲层为物质组成种类相同、金属含量不同的宽禁带直接带隙半导体。
6.如权利要求1所述的深紫外LED外延片或权利要求5所述的深紫外LED外延片制造方法，其特征在于：所述宽禁带直接带隙半导体为AlxGa1-xN。
7.如权利要求5所述的深紫外LED外延片，其特征在于：所述多层子缓冲层中，任意上层子缓冲层的金属含量不高于下层子缓冲层的金属含量。
8.如权利要求5所述的深紫外LED外延片，其特征在于：所述多层子缓冲层中，最底层生长温度低于任意其他层生长温度，且任意上层生长温度不低于相对下层生长温度；所述多层子缓冲层中，最底层生长厚度小于任意其他层生长厚度，且任意上层生长厚度不小于相对下层生长厚度。
9.如权利要求5所述的深紫外LED外延片，其特征在于：所述多层宽禁带直接带隙半导体中，由底向上V/III比逐层减小，且均为100~5000。
10.如权利要求5所述的深紫外LED外延片，其特征在于：所述宽禁带直接带隙半导体的生长设备为金属有机化学气相沉积设备、分子束外延设备或氢化物气相外延设备。
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