CN112670383B - 一种紫外光电器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紫外光电器件及其制备方法，制备方法包括：采用沉积方法在大倾角蓝宝石衬底上沉积200nm‑4μm的AlN材料；将AlN材料放置于高温热退火炉中进行高温热退火处理，在完成高温热退火后，将蓝宝石衬底放置于MOCVD设备中生长紫外光电器件结构，其中，紫外光电器件结构包括但不限于紫外LED结构和紫外光电探测器结构。本发明实施例通过采用大倾角蓝宝石衬底进行外延生长后高温热退火得到锯齿状宏台阶，锯齿状宏台阶能够将注入到量子阱中的载流子限制在宏台阶褶皱处，从而能够避免遇上位错发生而非辐射复合，进而能够有效地提高紫外光电器件的发光效率和光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种紫外光电器件及其制备方法。
背景技术
紫外光电器件在杀菌消毒、特殊通信、火灾监测、导弹预警等领域有着广阔的应用前景。由于用于制备紫外光电器件的AlGaN材料位错密度偏高，当前的紫外光电普遍存在着发光效率/光电转换效率低、寿命短等问题。其主要原因在于当位错贯穿紫外光电器件有源区中的量子阱时，会成为载流子的非辐射复合中心，从而降低电子与空穴的辐射复合效率，进而影响器件的发光/载流子收集效率。同时，偏高的位错密度也会影响器件的可靠性，造成紫外光电器件寿命的缩短。如何降低载流子发生非辐射复合的概率，是提高紫外光电器件工作性能的关键。
当前的技术方法是单方面关注于如何降低AlGaN材料当中的位错密度。由于缺乏AlGaN体材料衬底，AlGaN材料只能生长于蓝宝石或者AlN/蓝宝石模板等异质衬底上。异质外延中的晶格失配与热失配导致AlGaN材料的位错密度居高不下。即使通过纳米图形化衬底、高低温交替生长等技术方法，材料中的位错密度依然高于108cm-2。仅仅寄希望于如何降低材料的位错密度，难以使得紫外光电器件的性能有突破性的提高。
发明内容
本发明提供一种紫外光电器件及其制备方法，以解决现有的紫外光电器件的发光效率和光电转换效率较低的技术问题。
本发明的第一实施例提供了一种紫外光电器件制备方法，包括：
在大倾角蓝宝石衬底上采用沉积方法沉积厚度为200nm-4μm的AlN材料，，得到第一晶片；
将第一晶片放置于高温热退火炉中进行高温热退火处理，得到具有锯齿状宏台阶界面的第二晶片；所述高温热退火的条件为：1400℃-1900℃、氮气/氩气或者氨气气氛环境，且所述高温退火的时间为0.5h-10h；
在完成高温热退火后，将所述第二晶片放置于MOCVD设备中生长紫外光电器件结构，其中，所述紫外光电器件结构包括但不限于紫外LED结构和紫外光电探测器结构；所述紫外光电器件结构包括但不限于500nm厚的AlN层、1.5微米厚的硅掺杂n型AlxGa1-xN、5个周期的量子阱AlxGa1-xN/AlyGa1-yN、20nm的电子阻挡层AlxGa1-xN和100nm的镁掺杂p型AlxGa1- xN；所述紫外光电探测器结构包括但不限于500nm厚的AlN层、1～2微米厚的硅掺杂n型AlxGa1-xN、100～500nm厚的非故意掺杂AlxGa1-xN和100nm的镁掺杂p型AlxGa1-xN。
进一步的，所述蓝宝石衬底的倾角范围为1°-4°，所述倾角为偏离c面的角度。
进一步的，所述沉积方法包括但不限于金属有机化学气相沉积方法、氢化物气相外延方法(HVPE)和磁控溅射沉积方法。
本发明的另一实施例提供了一种紫外光电器件，所述紫外光电器件由上述的紫外光电器件制备方法制备而成。
本发明实施例采用大倾角衬底外延生长结合高温热退火，制备出锯齿形宏台阶界面，能够有效引导位错弯曲湮没，从而能够促进位错的运动与湮没，降低材料的位错密度。进一步地，本发明实施例通过锯齿状宏台阶能够将注入到量子阱中的载流子限制在宏台阶褶皱处，从而能够避免遇上位错发生而非辐射复合，进而能够有效地提高紫外光电器件的发光效率和光电转换效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种紫外光电器件制备方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的锯齿状宏台阶的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的载流子局域化示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
请参阅图1-3，本发明的第一实施例。本发明的第一实施例提供了如图1所示的一种紫外光电器件制备方法，包括：
S1、采用沉积方法在偏离c面大于0.2°的大倾角蓝宝石衬底上沉积厚度为200nm-4μm的AlN材料，得到第一晶片；
S2、将第一晶片放置于高温退火炉中进行高温热退火处理，得到具有锯齿状宏台阶界面的第二晶片；
S3、在完成高温热退火后，将第二晶片放置于MOCVD设备中生长紫外光电器件结构，其中，紫外光电器件结构包括但不限于紫外LED结构和紫外光电探测器结构。
本发明实施例的蓝宝石衬底为大倾角蓝宝石衬底，通过采用大倾角蓝宝石衬底进行外延生长，能够在外延生长中形成较大宽度的锯齿状宏台阶，从而能够通过锯齿状宏台阶提供更多的生长侧面，以产生更大的侧向镜像力，引导位错弯曲。当两个方向不同的位错相遇时会发生融合湮没，从而达到降低材料位错密度的效果。
本发明实施例在采用大倾角蓝宝石衬底进行外延生长的基础上，将样品放置超高温环境中进行热退火，能够使晶格位置重新调整，有利于促进位错产生运动，从而能够增加位错发生湮没的概率，降低材料的位错密度。
基于上述方案，本发明实施例能够将材料位错密度降低至107cm-2以下。请参阅图2-3，本发明实施例利用大倾角蓝宝石衬底形成的锯齿状宏台阶，在生长紫外光电器件有源区时，锯齿状宏台阶褶皱处的AlGaN材料相比其他区域具有更低的Al组分，根据低Al组分AlGaN与台阶其他地方的高Al组分AlGaN之间存在的势垒，形成三维量子阱，将载流子限制在锯齿状台阶褶皱处，从而能够有效降低其遇到位错发生非辐射复合的概率，进而能够有效提高紫外LED的发光效率和紫外光电探测器的光电转换效率。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，蓝宝石衬底的衬底角度范围为1°-4°。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，沉积方法包括但不限于金属有机化学气相沉积方法、氢化物气相外延方法和磁控溅射沉积方法。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，高温热退火的条件为：1400℃-1900℃、氮气/氩气或者氨气气氛环境，且高温退火的时间为0.5h-10h。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，紫外LED结构包括但不限于于500nm厚的AlN层、1.5微米厚的硅掺杂n型AlxGa1-xN、5个周期的量子阱AlxGa1-xN/AlyGa1-yN、20nm的电子阻挡层AlxGa1-xN和100nm的镁掺杂p型AlxGa1-xN。
需要说明的是，在本发明实施例中，AlxGa1-xN(0≤x<1)，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN(0≤x<y<1)，AlxGa1-xN(0≤x<1)，AlxGa1-xN(0≤x<1)。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，紫外光电探测器结构包括但不限于500nm厚的AlN层、1～2微米厚的硅掺杂n型AlxGa1-xN、100～500nm厚的非故意掺杂AlxGa1-xN和100nm的镁掺杂p型AlxGa1-xN。
需要说明的是，在本发明实施例中，AlxGa1-xN(0≤x<1)，AlxGa1-xN(0≤x<1)，AlxGa1-xN(0≤x<1)。
本发明的第二实施例：
S21、选取c偏m面1°的蓝宝石衬底，将蓝宝石衬底放置于MOCVD设备反应腔内，将温度升高至1200℃，在蓝宝石衬底上沉积一层300nm厚的AlN层，将温度降至室温；
S22、将蓝宝书衬底从MOCVD设备反应腔内取出，放置于高温退火炉中；
S23、往高温退火炉中通入氮气作为保护气氛，气体流量1L/min；
S24、将温度升高至1700℃，并在1700℃环境下保持1小时后降至室温；
S25、将退火后的样品重新放入MOCVD设备反应腔内，在1200℃下沉积500nm厚的AlN层，接着沉积1.5微米厚的Si掺杂n型Al0.6Ga0.4N层，沉积5个周期的Al0.41Ga0.59N/Al0.5Ga0.5N量子阱，其中Al0.41Ga0.59N层厚2nm，Al0.5Ga0.5N层厚10nm，连续迭代5个周期；紧接着在量子阱上沉积一层20nm的电子阻挡层Al0.6Ga0.4N，最后沉积一层100nm厚的Mg掺杂p型Al0.38Ga0.62N。
可选的，还可在p型Al0.38Ga0.62N上层沉积一层8nm的Mg掺杂p型GaN层作为电极接触层，最终制备得到深紫外LED晶圆片。
本发明的第三实施例：
S31、选取c偏m面4°的蓝宝石衬底。将蓝宝石衬底放置于HVPE设备反应腔内；将温度升高至1350℃，在蓝宝石衬底上沉积一层1μm厚的AlN层，后将温度降至室温；
S32、将蓝宝石衬底从MOCVD设备反应腔内取出，放置于高温退火炉中。
S33、往高温退火炉中通入氨气作为保护气氛，气体流量3L/min；
S34、将温度升高至1600℃，并在1600℃下保持3小时后降至室温；
S35、将退火后的样品重新放入MOCVD设备反应腔内，在1250℃下沉积500nm厚的AlN层，接着沉积1.5微米厚的Si掺杂n型Al0.6Ga0.4N层，接着沉积5个周期的Al0.41Ga0.59N/Al0.5Ga0.5N量子阱，其中Al0.41Ga0.59N层厚3nm，Al0.5Ga0.5N层厚9nm，连续迭代5个周期；紧接着在量子阱上沉积一层20nm的电子阻挡层Al0.6Ga0.4N，最后沉积一层100nm厚的Mg掺杂p型Al0.38Ga0.62N。
可选的，在p型Al0.38Ga0.62N上层沉积一层10nm的Mg掺杂p型GaN层作为电极接触层，最终制备得到深紫外LED晶圆片。
本发明的第四实施例：
S41、选取c偏a面2°的蓝宝石衬底，将蓝宝石衬底放置于磁控溅射反应腔内，将温度升高至350℃，在蓝宝石衬底上沉积一层300nm厚的AlN层，后将温度降至室温；
S42、将蓝宝石衬底从磁控溅射反应腔内取出，放置于高温退火炉中；
S43、往高温退火炉中通入氢气作为保护气氛，气体流量1L/min。
S44、将温度升高至1800℃，并在1800℃下保持0.5小时后降至室温；
S45、将退火后的样品放入MOCVD设备反应腔内，在1250℃下沉积300nm厚的AlN层，接着沉积1微米厚的Si掺杂n型Al0.6Ga0.4N层，接着沉积200nm厚的非故意掺杂Al0.4Ga0.6N层，最后在非故意掺杂层上沉积一层80nm厚的Mg掺杂p型Al0.4Ga0.6N。
可选的，在p型Al0.38Ga0.62N上层沉积一层8nm的Mg掺杂p型GaN层作为电极接触层，最终制备得到深紫外光电探测器晶圆片。
本发明的第五实施例提供了一种紫外光电器件，紫外光电器件由上述的紫外光电器件制备方法制备而成。
本发明实施例的紫外光电器件包括锯齿状宏台阶，在生长紫外光电器件有源区时，锯齿状宏台阶褶皱处的AlGaN材料相比其他区域具有更低的Al组分，根据低Al组分AlGaN与台阶其他地方的高Al组分AlGaN之间存在的势垒，形成三维量子阱，将载流子限制在锯齿状台阶褶皱处，从而能够有效降低其遇到位错发生非辐射复合的概率，进而能够有效提高紫外LED的发光效率和紫外光电探测器的光电转换效率。
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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种紫外光电器件制备方法，其特征在于，包括：
在大倾角蓝宝石衬底上采用沉积方法沉积厚度为200nm-4μm的AlN材料，得到第一晶片；
将所述第一晶片放置于高温退火炉中进行高温热退火处理，得到具有锯齿状宏台阶界面的第二晶片；所述高温热退火的条件为：1400℃-1900℃、氮气/氩气或者氨气气氛环境，且所述高温退火的时间为0.5h-10h；
在完成高温热退火后，将所述第二晶片放置于MOCVD设备中生长紫外光电器件结构，其中，所述紫外光电器件结构包括紫外LED结构和紫外光电探测器结构；所述紫外光电器件结构包括500nm厚的AlN层、1.5微米厚的硅掺杂n型AlxGa1-xN、5个周期的量子阱AlxGa1-xN/AlyGa1-yN、20nm的电子阻挡层AlxGa1-xN和100nm的镁掺杂p型AlxGa1-xN；所述紫外光电探测器结构包括500nm厚的AlN层、1～2微米厚的硅掺杂n型AlxGa1-xN、100～500nm厚的非故意掺杂AlxGa1-xN和100nm的镁掺杂p型AlxGa1-xN；大倾角蓝宝石衬底形成的锯齿状宏台阶褶皱处的AlGaN材料相比其他区域的AlGaN材料具有更低的Al组分，根据锯齿状宏台阶褶皱处的低Al组分AlGaN与其他区域的高Al组分AlGaN之间存在的势垒，形成三维量子阱。
2.如权利要求1所述的紫外光电器件制备方法，其特征在于，所述大倾角蓝宝石衬底的倾角范围为1°-4°，所述倾角指的是偏离c面的角度。
3.如权利要求1所述的紫外光电器件制备方法，其特征在于，所述沉积方法包括金属有机化学气相沉积方法、氢化物气相外延方法和磁控溅射沉积方法。
4.一种紫外光电器件，其特征在于，所述紫外光电器件由权利要求1-3任一项的紫外光电器件制备方法制备而成。
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