CN112802936B - 一种复合型pAlGaN电极接触层、深紫外LED外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合型pAlGaN电极接触层、深紫外LED外延片及其制备方法，属于半导体外延材料结构技术领域，能够改善pGaN对于紫外光吸收比较严重，出光效率低的问题。本发明的复合型pAlGaN电极接触层，包括m+2个子层，至少一个子层由pAlxGa1‑xN/pAlyGa1‑yN交替生长k个循环而成，复合型pAlGaN生长过程中，Mg与Ⅲ族元素摩尔浓度比值为a，其中，m≥1，k≥1，x、y分别为AlxGa1‑xN、pAlyGa1‑yN的Al组分，每个循环中0＜y＜x＜1；x值、y值随子层数的增加而降低，a值随子层数的增加而升高。本发明的复合型pAlGaN电极接触层，使用组分渐变式超晶格结构，能够减少AlGaN晶格失配，减少AlGaN生长位错密度，提高结晶质量，解决pAlGaN的空穴浓度随Al组份增加而降低的问题。
Description
技术领域
本发明属于半导体外延材料结构技术领域，尤其涉及一种复合型pAlGaN电极接触层、深紫外LED外延片及其制备方法。
背景技术
目前，普遍使用pGaN(p型氮化镓)作为深紫外LED(Light Emitting Diode，发光二极管)的p型接触层，但由于GaN(氮化镓)材料对深紫外光(波长为220～280nm)有很强的吸收作用，致使大量的光无法提取出外延材料内部就被pGaN层吸收了，导致深紫外LED的出光效率大幅降低。为了解决GaN材料对于深紫外光的吸收问题，通常采用不断减薄pGaN层的厚度来减少GaN对于深紫外光的吸收，但是随着而来的问题是空穴载流子浓度减少了，无法从根本上解决深紫外光吸收及出光效率低的问题。
pAlGaN(p型氮化镓铝)接触层的深紫外光穿透率可以达到95％以上，是目前已知最好的深紫外p型接触层材料，但是AlGaN(氮化镓铝)材料中Mg(镁)掺杂的并入量与Al(铝)组份密切相关，主要是由于随着Al组份增加Mg的受主激活能几乎线性的增加，导致Mg的受主激活效率降低。Al组份越高，Mg的并入量越低，这就导致p型接触层的接触电阻增大，电压升高，光功率降低，大量电功率转化为热量，也直接导致了深紫外LED寿命的急剧减少。此外，AlGaN基在深紫外LED中Al原子迁移率低，存在较大的晶格失配和热失配，导致AlGaN材料的结晶质量变差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种复合型pAlGaN电极接触层、深紫外LED外延片及其制备方法，以改善pAlGaN存在的晶格失配和热失配的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种复合型pAlGaN电极接触层，包括m+2个子层，至少一个子层由pAlxGa1-xN/pAlyGa1-yN交替生长k个循环而成，复合型pAlGaN生长过程中，Mg与Ⅲ族元素摩尔浓度比值为a，其中，m≥1，k≥1，x、y分别为AlxGa1-xN、pAlyGa1-yN的Al组分，每个循环中0＜y＜x＜1；x值、y值随子层数的增加而降低，a值随子层数的增加而升高。
进一步地或可选地，所述的m+2个子层为：
(1)第一子层，所述第一子层由pAlxGa1-xN/pAlyGa1-yN交替生长s个循环而成，其中，s≥1，每个循环中0＜y＜x＜1；
(2)第m+2子层，所述第m+2子层由pAlxGa1-xN/pAlyGa1-yN交替生长q个循环而成，第m+2子层与电极接触，其中，q≥1，每个循环中0＜y＜20％，且0＜y＜x＜1；
(3)中间子层，所述中间子层位于所述第一子层和第m+2子层之间，中间子层共有m层，每个中间子层由pAlxGa1-xN/pAlyGa1-yN交替生长t个循环而成，其中，t≥1，每个循环中0＜y＜x＜1。
进一步地或可选地，所述第一子层位于中间子层的下方，所述第m+2子层位于中间子层的上方。
进一步地或可选地，复合型pAlGaN生长过程中，同一子层中a值相同。
进一步地或可选地，复合型pAlGaN生长过程中，同一子层pAlxGa1-xN/pAlyGa1-yN交替生长的k个循环中，a值随着循环数的增加而升高。
进一步地或可选地，同一子层pAlxGa1-xN/pAlyGa1-yN交替生长的k个循环中，不同循环中x值相同、y值相同。
进一步地或可选地，同一子层pAlxGa1-xN/pAlyGa1-yN交替生长的k个循环中，不同循环中x值、y值随循环数的增加而降低。
一种深紫外LED外延片，包括上述的复合型pAlGaN电极接触层。
进一步地或可选地，包括衬底、及从下至上依次位于衬底上的AlN层、非掺杂的AlGaN层、掺杂的nAlGaN层、多量子阱有源层、电子阻挡层、所述的复合型pAlGaN电极接触层。
一种深紫外LED外延片的制备方法，用于制备上述的紫外LED外延片，包括如下步骤：
步骤一：在衬底上生长AlN层；
步骤二：使用MOVCD方法生长非掺杂的AlGaN层；
步骤三：生长Si掺杂的nAlGaN层；
步骤四：生长AlxGa1-xN/pAlyGa1-yN多量子阱有源层；
步骤五：生长pAlGaN电子阻挡层；
步骤六：生长所述复合型pAlGaN电极接触层。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益技术效果之一：
1、采用透明的复合型pAlGaN代替pGaN作为深紫外LED芯片的电极接触层，能够提升光提取效率，从根本上解决GaN对深紫外光的吸收，进而提高出光效率。
2、复合型pAlGaN电极接触层，使用组分渐变式超晶格结构，能够减少AlGaN晶格失配，减少AlGaN生长位错密度，提高结晶质量，解决pAlGaN的空穴浓度随Al组份增加而降低的问题。
3、采用Mg掺杂逐渐增加的方式，能够降低表面接触电阻，有利于表面形成欧姆接触，提高光功率，延长深紫外LED的寿命。具体地，Mg掺杂逐步增加，能够提高pAlGaN空穴掺杂浓度，从而降低接触电阻，低的接触电阻会有利于欧姆接触的形成，良好的欧姆接触会降低工作电压，低工作电压会减少芯片发热，更低的发热效率会降低光衰比率达到延长寿命。
附图说明
图1是本发明的深紫外LED外延片的结构图；
图2是本发明的复合型pAlGaN电极接触层的结构图；
图3是本发明的复合型pAlGaN电极接触层Al组分变化、Mg掺杂比例与生长周期关系图(图中左边纵向坐标轴指示的是x、y值，右边纵向坐标轴指示的是a值)。
01-衬底；02-AlN(氮化铝)层；03-非掺杂的AlGaN(氮化镓铝)层；04-掺杂的nAlGaN(n型氮化镓铝)层；05-多量子阱有源层；06-电子阻挡层；07-复合型pAlGaN电极接触层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，实施例的内容不作为对本发明的保护范围的限制。
实施例一
本实施例提供了一种深紫外LED外延片，如图1所示，包括衬底01、及从下至上依次位于衬底01上的AlN层02、非掺杂的AlGaN层03、掺杂的nAlGaN层04、多量子阱有源层05、电子阻挡层06、复合型pAlGaN电极接触层07。
所述衬底01作为基底使用，用于在其上形成LED芯片所需的各个外延层。所述衬底01优选平片蓝宝石衬底，除此之外还可以采用其他材料例如硅衬底、碳化硅衬底，所述衬底01除了采用平片结构外，还可以采用图形化衬底。
所述AlN层02生长于所述衬底01的上面，解决在所述衬底上形成半导体外延层的应力集中、晶格失配问题。所述AlN层02可以使用高温MOCVD(Metal-organic ChemicalVapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)方法在所述衬底上生长，生长温度为1200～1300℃，生长厚度为1～5μm。除此之外还可以采用在已经在衬底上形成有AlN层的AlN模板来实现。
所述非掺杂的AlGaN层03生长于所述AlN层02的上面，非掺杂的AlGaN层03作形核层使用，用于在其上生长AlGaN体系的发光单元。在本具体实施方式中，所述非掺杂的AlGaN层03使用高温MOCVD方法生长非掺杂的AlGaN层03，生长温度为1000～1110℃，生长厚度为200～1000nm，生长Al组分含量为50～70％。
所述掺杂的nAlGaN层04，即n型半导体材料层，作为发光二极管芯片中n型半导体材料使用，形成于所述非掺杂的AlGaN层03的上面。具体地，可以通过Si掺杂nAlGaN层，生长温度为1000～1110℃，生长厚度为1～2μm，Si掺杂浓度为1×1019cm-3。
所述多量子阱有源层05，作为有源层使用，其用于产生所需的光子。所述多量子阱有源层05生长于所述掺杂的nAlGaN层04的上面，具体地，多量子阱有源层05为若干周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱垒层，AlxGa1-xN为垒层，AlyGa1-yN为阱层，周期数量为3～10，其中，0＜y＜1，0＜x＜1，量子阱Al组分为30～50％，即x＝0.3～0.5，垒层厚度为1～5nm，量子垒Al组分为40～60％，即y＝0.4～0.6，阱层厚度为8～15nm。
所述电子阻挡层06，生长于所述多量子阱有源层05的上面，具体地，电子阻挡层06为pAlGaN电子阻挡层，生长温度1000～1110℃，Al组分为60～90％，生长厚度为15～40nm。
所述复合型pAlGaN电极接触层07生长于所述电子阻挡层06的上面，生长温度1000～1110℃，总厚度为20～500nm，其为一种Al组分变化的多子层的超晶格结构，总子层数量为m+2，m≥1，至少一个子层由k个超晶格循环结构组成，k≥1，生长结构为AlxGa1-xN/pAlyGa1-yN，x值、y值分别为AlxGa1-xN、pAlyGa1-yN中的Al组分，每个循环中0＜y＜x＜1；不同子层x值不同，y值不同，且x值、y值随子层数的增加而降低；同一子层不同循环中x值可以相同也可以不同，不同时x值随循环数的增加而降低，同理，同一子层不同循环中y值可以相同也可以不同，不同时y值随循环数的增加而降低。即与电子阻挡层06接触的复合型pAlGaN电极接触层07的子层，x值、y值最大，越往上的子层x值、y值越小，与电极接触的子层x值、y值最小。
此外，复合型pAlGaN生长过程中，Mg与Ⅲ族元素摩尔浓度比值为a，a值随子层数的增加而升高，同一子层的a值可以相同也可以不同，若不同a值随循环数的增加而升高。
Al组分随结构增加而降低，会使Mg的激活能逐步降低，同时提高Mg的掺杂比例，这样会使掺杂浓度从底层至表面逐步升高，先生长高Al组分是为了与电子阻挡层结构晶格更加匹配，但是高Al组分不利于Mg的掺杂与激活，想要形成欧姆接触相对困难，通过逐步降低Al组分的方法达到容易形成欧姆接触的目的。
实施例二
本实施例提供了一种实施例一所述的复合型pAlGaN电极接触层，如图2-3所示，其包括以下m+2个子层：
(1)第一子层pAlxGa1-xN/pAlyGa1-yN交替生长s个循环，其中，s≥1，每个循环中0＜y＜x＜1，阱垒厚度为0.1～20nm，第一子层总厚度为0.1～100nm；
(2)第m+2子层pAlxGa1-xN/pAlyGa1-yN交替生长q个循环，其中，q≥1，每个循环中0＜y＜20％，且0＜y＜x＜1，阱垒厚度为0.1～20nm，第m+2子层总厚度为0.1～100nm；
(3)中间子层，中间子层位于所述第一子层和第m+2子层之间，中间子层共有m层，每个中间子层pAlxGa1-xN/pAlyGa1-yN交替生长t个循环，其中，t≥1，每个循环中0＜y＜x＜1，阱垒厚度为0.1～20nm，每个中间子层总厚度为0.1～100nm；
其中，x值、y值分别为AlxGa1-xN、pAlyGa1-yN的Al组分，且x值、y值随子层数的增加逐渐降低；复合型pAlGaN生长过程中，每个周期中Mg与Ⅲ族元素摩尔浓度比值a，a值随子层数的增加逐渐升高。
复合型pAlGaN电极接触层的子层数自下而上增加，即第一子层生长在电子阻挡层06上，第二子层生长在第一子层上，第三子层生长在第二子层上……第m+2子层生长在第m+1子层上，第m+2子层与电极接触。
不同子层x值不同，y值不同，且x值、y值随子层数的增加而降低；同一子层不同循环中x值可以相同也可以不同，不同时x值随循环数的增加而降低，同理，同一子层不同循环中y值可以相同也可以不同，不同时y值随循环数的增加而降低。
同一子层的a值可以相同也可以不同，若不同a值随循环数的增加而升高。
例如，图3所示的是复合型pAlGaN电极接触层一种生长情况，其中，一共设有六个子层，中间子层为4层(即m＝4)，每个子层pAlxGa1-xN/pAlyGa1-yN均交替生长两个循环，同一子层的两个循环的x值相同、y值相同、a值相同；而不同子层中，a值随子层数的增加线性升高，x值与y值随子层数的增加线性降低。
需要说明的是，上述不同子层中x值、y值随子层数的增加逐渐降低，或同一子层不同循环中x值(y值)随循环数的增加而降低时，x值、y值变化过程可以是线性的，也可以是非线性的；同理，不同子层中a值随子层数的增加逐渐升高，或同一子层不同循环中a值随循环数的增加而升高时，a值变化过程可以是线性的，也可以是非线性的。
实施例三
本实施例提供了一种的深紫外LED外延片的制备方法，用于制备实施例二中所述的LED外延片，包括如下步骤：
步骤一：在衬底01上生长AlN层02。
将衬底清洗干净，然后通过高温MOVCD方法在衬底01上生长AlN层02，生长温度为1200～1300℃，氢气气氛，生长压力为50～200Torr，Ⅴ/Ⅲ比为1000，生长厚度为1～5μm。
步骤二：生长非掺杂的AlGaN层03。
在生长完AlN层02后，使用MOCVD方法在AlN层02上生长非掺杂的AlGaN层，非掺杂的AlGaN层生长温度为1000～1110℃，氢气气氛生长，生长压力50～200Torr，生长Al组分含量50～70％，生长厚度为200～1000nm。
非掺杂的AlGaN层03主要功能为衔接AlN层02与nAlGaN层04，Al组分过高会和nAlGaN层生长存在较大晶格失配，增加位错/裂纹，其组分过低会与AlN层晶格失配较大，因此Al组分选择适中的50～70％。
步骤三：生长掺杂的nAlGaN层04。
在生长完非掺杂的AlGaN层03后，进一步在非掺杂的AlGaN层03上生长掺杂的AlGaN层04，具体地，采用Si进行掺杂，Si掺杂nAlGaN层生长温度1000～1110℃，氢气气氛生长，生长压力50～200Torr，生长厚度为1～2μm，Si掺杂浓度为1×1019cm-3。由于当Si掺杂浓度大于5×1018cm-3，能够为LED提供充足的电子，而当Si掺杂大于2×1019cm-3时，又会降低AlGaN的晶体质量，因此Si掺杂浓度采用1×1019cm-3，既能够保证为LED提供充足的电子，又不会降低AlGaN的晶体质量。
步骤四：生长多量子阱有源层05。
在生长完掺杂的nAlGaN层04后，在掺杂的nAlGaN层04上生长多量子阱有源层05，具体地，多量子阱有源层为AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层，生长温度1000～1110℃，氢气气氛生长，生长压力50～200Torr，量子阱垒为不同组分的AlGaN周期结构，周期数量为3～10，其中量子阱Al组分为30～50％，厚度为1～5nm，量子垒Al组分为40～60％，厚度为8～15nm。
有源层为发光层，阱层Al组分决定发光波长，阱层Al组分的设定根据发光波长的需要进行调节(如波长280nm，需要Al组分约为47％)。垒层组分决定量子阱对电子的限制能力，垒层Al组分比阱层Al组分高10％。阱层过薄会使量子阱内电子不足，阱层过厚又会加剧极化，因此阱层厚度选择1～5nm。垒层过薄会引起电子遂穿，垒层过厚又会增加结构串联电阻，因此垒层厚度选择8～15nm。
步骤五：生长电子阻挡层06。
在生长完多量子阱有源层05后，继续在多量子阱有源层05上生长电子阻挡层，具体对，电子阻挡层为pAlGaN电子阻挡层，生长温度1000～1110℃，氢气气氛生长，生长压力50～200Torr，Al组分60～90％，厚度为15～40nm。
电子阻挡层主要为阻挡量子阱过冲的电子，通过高Al组分产生的能带势垒有效的阻挡电子。电子阻挡层过厚会增加串联电阻，厚度过薄对于电子的阻挡效果变差，因此其厚度选择15～40nm。
步骤六：生长复合型pAlGaN电极接触层07。
基于电子阻挡层06生长基础之上，生长复合型pAlGaN电极接触层，生长温度1000～1110℃，氢气气氛生长，生长压力50～200Torr，总厚度为20～500nm，复合型pAlGaN电极接触层包括以下m+2个子层：
(1)第一子层pAlxGa1-xN/pAlyGa1-yN交替生长s个循环，其中，s≥1，每个循环中0＜y＜x＜1，阱垒厚度为0.1～20nm，第一子层总厚度为0.1～100nm；
(2)第m+2子层pAlxGa1-xN/pAlyGa1-yN交替生长q个循环，其中，q≥1，每个循环中0＜y＜20％，且0＜y＜x＜1，阱垒厚度为0.1～20nm，第m+2子层总厚度为0.1～100nm；
(3)中间子层，中间子层位于所述第一子层和第m+2子层之间，中间子层共有m层，每个中间子层pAlxGa1-xN/pAlyGa1-yN交替生长t个循环，其中，t≥1，每个循环中0＜y＜x＜1，阱垒厚度为0.1～20nm，每个中间子层总厚度为0.1～100nm；
其中，x值、y值分别为AlxGa1-xN、pAlyGa1-yN的Al组分，且x值、y值随子层数的增加逐渐降低；复合型pAlGaN生长过程中，每个周期中Mg与Ⅲ族元素摩尔浓度比值a，a值随子层数的增加逐渐升高。
复合型pAlGaN电极接触层为一种Al组分变化的多子层的超晶格结构，总子层数量为m+2，m≥1，每个子层由k个超晶格循环结构组成，k≥1，生长结构为AlxGa1-xN/pAlyGa1-yN，x值、y值分别为AlxGa1-xN、pAlyGa1-yN中的Al组分，每个循环中0＜y＜x＜1；不同子层x值不同，y值不同，且x值、y值随子层数的增加而降低；同一子层不同循环中x值可以相同也可以不同，不同时x值随循环数的增加而降低，同理，同一子层不同循环中y值可以相同也可以不同，不同时y值随循环数的增加而降低。即与电子阻挡层06接触的复合型pAlGaN电极接触层07的子层，x值、y值最大，越往上的子层x值、y值越小，与电极接触的子层x值、y值最小。
复合型的超晶格结构的pAlGaN可以提高AlGaN晶体质量，并且产生的空穴浓度大幅提高，进而能够大大改善UVB(ultraviolet radiation b，紫外线b波段，波长范围280～320nm，又称为中波红斑效应紫外线)、UVC(ultraviolet radiation c，紫外线c波段，波长范围200～275nm，又称为短波灭菌紫外线)-LED的出光效率，缩短UV(ultraviolet，紫外线)-LED产品的研发周期以及UVC-LED产品市场化进程，并且能够摆脱对于pGaN的依赖，直接制作pAlGaN透明电极接触层，既可以减少工艺步骤，又可以节省成本，是后续深紫外LED结构方面的发展方向。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (3)
1.一种深紫外LED外延片，其特征在于，包括复合型pAlGaN电极接触层，用于形成欧姆接触；
所述复合型pAlGaN电极接触层，包括m+2个子层，其中至少一个子层由pAlxGa1-xN/pAlyGa1-yN交替生长k个循环而成，复合型pAlGaN生长过程中，Mg与III族元素摩尔浓度比值为a，
其中，m≥1，k≥1，x、y分别为pAlxGa1-xN、pAlyGa1-yN的Al组分，每个循环中0<y<x<1；
x值、y值随子层数的增加而降低，a值随子层数的增加而升高；
所述的m+2个子层为：
(1)第一子层，所述第一子层由pAlxGa1-xN/pAlyGa1-yN交替生长s个循环而成，其中，s≥1，每个循环中0<y<x<1；
(2)第m+2子层，所述第m+2子层由pAlxGa1-xN/pAlyGa1-yN交替生长q个循环而成，第m+2子层与电极接触，其中，q≥1，每个循环中0<y<20%，且0<y<x<1；
(3)中间子层，所述中间子层位于所述第一子层和第m+2子层之间，中间子层共有m层，每个中间子层由pAlxGa1-xN/pAlyGa1-yN交替生长t个循环而成，其中，t≥1，每个循环中0<y<x<1；
所述第m+2子层位于中间子层的上方；
复合型pAlGaN生长过程中，同一子层中a值相同；
同一子层pAlxGa1-xN/pAlyGa1-yN交替生长的k个循环中，不同循环中x值相同、y值相同。
2.根据权利要求1所述的深紫外LED外延片，其特征在于，所述LED外延片包括：
衬底、及从下至上依次位于衬底上的AlN层、非掺杂的AlGaN层、掺杂的nAlGaN层、多量子阱有源层、电子阻挡层、所述的复合型pAlGaN电极接触层。
3.一种深紫外LED外延片的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1或2所述的深紫外LED外延片，包括如下步骤：
步骤一：在衬底上生长AlN层；
步骤二：使用MOVCD方法生长非掺杂的AlGaN层；
步骤三：生长Si掺杂的nAlGaN层；
步骤四：生长pAlxGa1-xN/pAlyGa1-yN多量子阱有源层；
步骤五：生长pAlGaN电子阻挡层；
步骤六：生长所述复合型pAlGaN电极接触层。
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