CN113571617B - 深紫外发光二极管的外延片及其制备方法 - Google Patents
深紫外发光二极管的外延片及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113571617B CN113571617B CN202110601606.0A CN202110601606A CN113571617B CN 113571617 B CN113571617 B CN 113571617B CN 202110601606 A CN202110601606 A CN 202110601606A CN 113571617 B CN113571617 B CN 113571617B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- aln
- aln layer
- epitaxial wafer
- substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 claims abstract description 60
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 54
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 39
- 239000010408 film Substances 0.000 claims abstract description 34
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 claims abstract description 32
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 claims abstract description 31
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims abstract description 26
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 22
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 24
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 19
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 17
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 claims description 13
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 239000000376 reactant Substances 0.000 claims description 10
- JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N trimethylaluminium Chemical compound C[Al](C)C JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 claims description 4
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 29
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 abstract description 6
- 230000001788 irregular Effects 0.000 abstract description 3
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 33
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 14
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 14
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 10
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 8
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 7
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 5
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 4
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 2
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N triethylgallium Chemical compound CC[Ga](CC)CC RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical compound C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/20—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
- H01L33/22—Roughened surfaces, e.g. at the interface between epitaxial layers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/005—Processes
- H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
- H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/005—Processes
- H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
- H01L33/0075—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds comprising nitride compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/16—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular crystal structure or orientation, e.g. polycrystalline, amorphous or porous
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/26—Materials of the light emitting region
- H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
- H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Led Devices (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
本公开提供了一种深紫外发光二极管的外延片及其制备方法，属于光电子制造技术领域。该外延片包括衬底和依次形成在所述衬底上的第一AlN层、第二AlN层、氮原子层、第三AlN层、n型AlGaN层、多量子阱层和p型层，所述第二AlN层的表面粗糙度大于所述第一AlN层的表面粗糙度，所述氮原子层为通过等离子体处理形成于所述第二AlN层上的膜层。本公开实施例能够减少多层AlN薄膜中，因AlN的晶体原子排列不整齐，而导致AlN薄膜的晶体质量差的问题，改善外延片的晶体质量，提高深紫外发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本公开涉及光电子制造技术领域，特别涉及一种深紫外发光二极管的外延片及其制备方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)作为光电子产业中极具影响力的新产品，具有体积小、使用寿命长、颜色丰富多彩、能耗低等特点，广泛应用于照明、显示屏、信号灯、背光源、玩具等领域。LED的核心结构是外延片，外延片的制作对LED的光电特性有着较大的影响。
外延片通常包括n型层、多量子阱层和p型层。深紫外发光二极管是发光波长在200nm至350nm的发光二极管，深紫外发光二极管的外延片中n型层通常为AlGaN层。在生长n型层之前，会先在衬底上生长出AlN薄膜，因此AIN膜层的晶体质量影响着AlGaN层的晶体质量，进而会影响LED的发光效率。
通常在衬底上会依次形成晶格常数逐层增大的多层AlN薄膜，以减少AlN薄膜和AlGaN层之间的位错缺陷。然而，分次形成的多层AlN薄膜中，容易出现AlN的晶体原子排列不整齐的问题，进而导致形成的AlN薄膜的晶体质量较差。
发明内容
本公开实施例提供了一种深紫外发光二极管的外延片及其制备方法，能够减少多层AlN薄膜中，因AlN的晶体原子排列不整齐，而导致AlN薄膜的晶体质量差的问题，改善外延片的晶体质量，提高深紫外发光二极管的发光效率。
所述技术方案如下：
一方面，本公开实施例提供了一种深紫外发光二极管的外延片，所述外延片包括衬底和依次形成在所述衬底上的第一AlN层、第二AlN层、氮原子层、第三AlN层、n型AlGaN层、多量子阱层和p型层，所述第二AlN层的表面粗糙度大于所述第一AlN层的表面粗糙度，所述氮原子层为通过等离子体处理形成于所述第二AlN层上的膜层。
可选地，所述第一AlN层的厚度为1nm至100nm，所述第二AlN层的厚度为1nm至100nm。
可选地，所述第一AlN层的厚度大于所述第二AlN层的厚度。
另一方面，本公开实施例还提供了一种深紫外发光二极管的外延片的制备方法，所述制备方法包括：
提供一衬底；在所述衬底上依次生长第一AlN层和第二AlN层，所述第二AlN层的表面粗糙度大于所述第一AlN层的表面粗糙度；通过等离子体处理在所述第二AlN层上形成氮原子层；在所述氮原子层上依次生长第三AlN层、n型AlGaN层、多量子阱层和p型层。
可选地，所述等离子体处理的工艺参数如下：温度为100℃至600℃，反应气体为氮气，反应气体的通入量为50sccm至200sccm，施加电场为交变电场，电场功率为10W至100W。
可选地，所述第一AlN层在氮气气氛下生长，所述第二AlN层在氢气气氛下生长。
可选地，所述第一AlN层的生长温度为1000℃至1100℃，所述第二AlN层的生长温度为1000℃至1100℃。
可选地，生长所述第一AlN层和所述第二AlN层时，以氨气和三甲基铝作为反应物，且Ⅴ/Ⅲ摩尔比为100至300，工艺时间为30s至100s。
可选地，所述第三AlN层包括至少一层AlN薄膜，生长所述第三AlN层时，以氨气和三甲基铝作为反应物，且Ⅴ/Ⅲ摩尔比为350至3500，工艺时间为500s至5000s，生长温度为1100℃至1300℃。
可选地，所述第一AlN层、所述第二AlN层和所述第三AlN层的生长压力均为50mbar至60mbar。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
通过在衬底上形成第一AlN层和第二AlN层，其中，第一AlN层的粗糙度较低，以提高该AlN层的晶体质量；第二AlN层的表面粗糙度较高，第二AlN层的表面较为粗糙，这样再通过等离子体处理第二AlN层的表面时，第二AlN层上粗糙的表面能提高等离子体处理的轰击效率，从而能在第二AlN层的表面铺上一层氮原子层。这样通过第二AlN层的表面上的氮原子层改变第二AlN层表面的极性，使得后续生长的第三AlN层的晶体原子排列更加整体，从而改善AlN薄膜的晶体质量，减少外延片中的晶体缺陷，以提高深紫外发光二极管的发光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本公开实施例提供的一种深紫外发光二极管的外延片的结构示意图；
图2是本公开实施例提供的一种深紫外发光二极管的外延片的制备方法的流程图；
图3是本公开实施例提供的一种深紫外发光二极管的外延片的制备方法的流程图；
图4是本公开实施例提供的一种深紫外发光二极管的外延片的制备过程示意图；
图5是本公开实施例提供的一种深紫外发光二极管的外延片的制备过程示意图；
图6是本公开实施例提供的一种深紫外发光二极管的外延片的制备过程示意图；
图7是本公开实施例提供的一种深紫外发光二极管的外延片的制备过程示意图；
图8是本公开实施例提供的一种深紫外发光二极管的外延片的制备过程示意图；
图9是本公开实施例提供的一种深紫外发光二极管的外延片的制备过程示意图；
图10是本公开实施例提供的一种深紫外发光二极管的外延片的制备过程示意图；
图11是本公开实施例提供的一种深紫外发光二极管的外延片的制备过程示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
图1是本公开实施例提供的一种深紫外发光二极管的外延片的结构示意图。如图1所示，该外延片包括衬底10和依次形成在衬底10上的第一AlN层21、第二AlN层22、氮原子层30、第三AlN层40、n型AlGaN层50、多量子阱层60和p型层70。
其中，第二AlN层22的表面粗糙度大于第一AlN层21的表面粗糙度，氮原子层30为通过等离子体处理形成于第二AlN层22上的膜层。
通过在衬底10上形成第一AlN层21和第二AlN层22，其中，第一AlN层21的表面粗糙度较低，以提高该AlN层的晶体质量；而形成的第二AlN层22的表面粗糙度较高，第二AlN层22的表面较为粗糙，这样再通过等离子体处理第二AlN层22的表面时，第二AlN层22上粗糙的表面能提高等离子体处理的轰击效率，从而能在第二AlN层22的表面铺上一层氮原子层30。这样通过第二AlN层22的表面上的氮原子层30改变第二AlN层22表面的极性，使得后续生长的第三AlN层40的晶体原子排列更加整体，从而改善AlN薄膜的晶体质量，减少外延片中的晶体缺陷，以提高深紫外发光二极管的发光效率。
可选地，衬底10为蓝宝石衬底10、硅衬底10或碳化硅衬底10。衬底10可以为平片衬底10，也可以为图形化衬底10。
作为示例，本公开实施例中，衬底10为蓝宝石衬底10。蓝宝石衬底10为一种常用衬底10，技术成熟，成本低。具体可以为图形化蓝宝石衬底10或蓝宝石平片衬底10。
本公开实施例中，等离子体处理是指采用通过等离子体轰击的手段在AlN膜层表面覆膜，以对AlN膜层进行一定的物理化学改性的过程。
其中，在等离子体处理时，可以将生长有第一AlN层21、第二AlN层22的衬底10置入物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)设备中进行等离子体处理。
可选地，等离子体处理的工艺参数如下：温度为100℃至600℃、反应气体为氮气、反应气体的通入量为50sccm至200sccm、施加电场为交变电场、电场功率为10W至100W。
在进行等离子体处理时，由于等离子体在沉积表面具有高的反应活性，等离子体处理时热量的需求量较少，因此，可以将温度设置合适的范围内，避免温度过高而消耗能量，且避免温度过低而影响轰击速度。
作为示例，本公开实施例中，等离子体处理时的温度为450℃。
由于本公开实施例中，在第二AlN层22表面形成的是氮原子层30，因此，等离子体处理时，采用氮气作为反应气体。
作为示例，本公开实施例中，反应气体的通入量为150sccm。
作为示例，本公开实施例中，交变电场的电场功率为50W。
可选地，等离子体处理时可以控制压强为5.5mTorr，压强会影响在第二AlN层22表面形成的氮原子层30的质量，通过控制压强处于该值，能使第二AlN层22的表面形成质量较高的氮原子层30，有利于后续第三AlN层40的生长。
可选地，第一AlN层21的厚度大于第二AlN层22的厚度。由于生长的AlN层时，若AlN层的厚度越薄，则生长的AlN层的表面会更加粗糙，若AlN层的厚度越厚，则生长的AlN层的表面会更加平整。所以，通过将第二AlN层22的厚度设置的壁第一AlN层21的厚度小，使第二AlN层22的表面粗超度高于第一AlN层21的表面粗糙度，以便于提高等离子体处理的轰击效率。
可选地，第一AlN层21的厚度为1nm至100nm，第二AlN层22的厚度均为1nm至100nm。第一AlN层21和第二AlN层22的厚度设置的过薄，无法起到AlN膜层应有的缓冲作用；而第一AlN层21和第二AlN层22的厚度设置的过厚，则会增加第一AlN层21和第二AlN层22对于光线的吸收。
作为示例，本公开实施例中，第一AlN层21的厚度为50nm，第二AlN层22的厚度为20nm。
可选地，第三AlN层40包括至少一层AlN薄膜。其中，第三AlN层40中AlN膜层的具体层数可以根据n型AlGaN层50的晶格常数确定，只要满足设置对应层数的AlN膜层后，使AlN薄膜和AlGaN层之间的晶格常数缩减至合适的差值，以减少AlN薄膜和AlGaN层之间的位错缺陷即可。
示例性地，如图1所示，第三AlN层40包括两层AlN薄膜。两层AlN薄膜均采用金属有机化合物化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)的方式生长。
其中，位于氮原子层30上的第一层AlN薄膜为低温缓冲层401，位于低温缓冲层401上的第二层AlN薄膜为高温缓冲层402。
本公开实施例中，n型AlGaN层50的厚度为700nm。
可选地，n型AlGaN层50中硅的掺杂浓度为1017cm-3至1018cm-3。硅的掺杂浓度过高会降低晶体质量，导致缺陷的增加，硅的掺杂浓度过低会降低n型AlGaN层50的电导率。将Si的掺杂浓度控制在这一范围值内，能够使n型AlGaN层50具有较好的晶体质量，同时也具有足够的电导率。
作为示例，在本公开实施例中，n型AlGaN层50中，硅的掺杂浓度为5×1017cm-3。
可选地，多量子阱层60包括3至8个AlxGa1-xN量子阱层601和AlyGa1-yN量子垒层602，其中0＜x＜y＜1。即多量子阱层60包括交替层叠的3至8个周期的AlxGa1-xN量子阱层601和AlyGa1-yN量子垒层602。
作为示例，本公开实施例中，多量子阱层60包括交替层叠的5个周期的AlxGa1-xN量子阱层601和AlyGa1-yN量子垒层602。
可选地，AlxGa1-xN量子阱层601的厚度可以为2nm至4nm。AlyGa1-yN量子垒层602的厚度可以为9nm至14nm。
示例性地，本公开实施例中，AlxGa1-xN量子阱层601的厚度为3nm。AlyGa1-yN量子垒层602的厚度为11nm。
需要说明的是，图1中仅示出了多量子阱层60中的部分结构，并不用于限制AlxGa1-xN量子阱层601和AlyGa1-yN量子垒层602交替层叠的周期数，此外在生长多量子阱层60时，也可以先在n型AlGaN层50上生长AlyGa1-yN量子垒层602。
在本公开实施例中，p型层70包括依次层叠在多量子阱层60上的p型阻挡层701、p型AlGaN层702和p型GaN层703。p型阻挡层701、p型AlGaN层702和p型GaN层703均为Mg掺杂。
示例性地，p型阻挡层701为p型AlGaN阻挡层。
p型AlGaN阻挡层的厚度可以为5nm至15nm。作为示例，本公开实施例中，p型AlGaN阻挡层的厚度为10nm。若p型AlGaN阻挡层的厚度过薄，会降低对电子的阻挡作用，若p型AlGaN阻挡层的厚度过厚，则会增加p型AlGaN阻挡层对光的吸收，从而导致LED的发光效率降低。
在一些示例中，p型AlGaN层702的厚度为20nm至30nm。作为示例，本公开实施例中，p型AlGaN层702的厚度为25nm。
可选地，p型GaN层703的厚度可以为20nm至70nm。作为示例，本公开实施例中，p型GaN层703的厚度为50nm。
图2是本公开实施例提供的一种深紫外发光二极管的外延片的制备方法的流程图。该方法用于制备图1所示的外延片。如图2所示，该制备方法包括：
S11：提供一衬底10。
S12：在衬底10上依次生长第一AlN层21和第二AlN层22。
其中，第二AlN层22的表面粗糙度大于第一AlN层21的表面粗糙度。
S13：通过等离子体处理在第二AlN层22上形成氮原子层30。
S14：在氮原子层30上依次生长第三AlN层40、n型AlGaN层50、多量子阱层60和p型层70。
通过在衬底10上形成第一AlN层21和第二AlN层22，其中，第一AlN层21的表面粗糙度较低，以提高该AlN层的晶体质量；而形成的第二AlN层22的表面粗糙度较高，第二AlN层22的表面较为粗糙，这样再通过等离子体处理第二AlN层22的表面时，第二AlN层22上粗糙的表面能提高等离子体处理的轰击效率，从而能在第二AlN层22的表面铺上一层氮原子层30。这样通过第二AlN层22的表面上的氮原子层30改变第二AlN层22表面的极性，使得后续生长的第三AlN层40的晶体原子排列更加整体，从而改善AlN薄膜的晶体质量，减少外延片中的晶体缺陷，以提高深紫外发光二极管的发光效率。
图3是本公开实施例提供的一种深紫外发光二极管的外延片的制备方法的流程图。该方法用于制造图1所示的外延片。下面结合附图4至附图11对图3提供的制造方法进行详细说明：
S21：提供一衬底10。
可选地，衬底10为蓝宝石衬底10、硅衬底10或碳化硅衬底10。衬底10可以为平片衬底10，也可以为图形化衬底10。
作为示例，本公开实施例中，衬底10为蓝宝石衬底10。蓝宝石衬底10为一种常用衬底10，技术成熟，成本低。具体可以为图形化蓝宝石衬底10或蓝宝石平片衬底10。
在步骤S21中，可以对蓝宝石衬底10进行预处理，将蓝宝石衬底10置于MOCVD反应腔中，对蓝宝石衬底10进行烘烤处理12分钟至18分钟。作为示例，本公开实施例中，对蓝宝石衬底10进行烘烤处理15分钟。
具体地，烘烤温度可以为1000℃至1200℃，烘烤时MOCVD反应腔内的压力可以为100mbar至200mbar。
S22：在衬底10上外延生长第一AlN层21和第二AlN层22。
如图4所示，在衬底10上生长有第一AlN层21和第二AlN层22。第一AlN层21和第二AlN层22均在MOCVD反应腔中生长。
其中，第二AlN层22的表面粗糙度大于第一AlN层21的表面粗糙度。
可选地，第一AlN层21在氮气气氛下生长，第二AlN层22在氢气气氛下生长。也即在生长第一AlN层21时，向反应腔内通入氮气，以提高AlN薄膜的晶体质量，也使第一AlN层21的表面更光滑，降低第一AlN层21的表面粗糙度。
其中，生长第一AlN层21和第二AlN层22时，以氨气和三甲基铝作为反应物，且Ⅴ/Ⅲ摩尔比为100至300，工艺时间为30s至100s。
作为一种示例，本公开实施例中，生长第一AlN层21时，以氨气和三甲基铝作为反应物，且Ⅴ/Ⅲ摩尔比为200，工艺时间为50s，同时，还向反应腔内通入氮气，以形成第一AlN层21。
可选地，第一AlN层21的生长温度为1000℃至1100℃。生长温度会对生长的AlN薄膜产生影响，在这一温度范围下能生长出质量较好的第一AlN层21。
示例性地，本公开实施例中，第一AlN层21的生长温度为1050℃。
可选地，在生长第二AlN层22时，向反应腔内通入氢气，能使第二AlN层22的表面更粗糙，增大第二AlN层22的表面粗糙度。也即，实现控制第一AlN层21的表面粗糙度低于第二AlN层22的表面粗糙度的目的。
示例性地，生长第二AlN层22时，以氨气和三甲基铝作为反应物，且Ⅴ/Ⅲ摩尔比为200，工艺时间为50s，同时，还向反应腔内通入氢气，以形成第二AlN层22。
可选地，第二AlN层22的生长温度为1000℃至1100℃。生长温度会对生长的AlN薄膜产生影响，在这一温度范围下能生长出质量较好的第二AlN层22。
示例性地，本公开实施例中，第二AlN层22的生长温度为1050℃。
可选地，第一AlN层21的厚度大于第二AlN层22的厚度。由于在第一AlN层21上形成的第二AlN层22是用于增大AlN膜层的表面粗糙度，以便于提高等离子体处理的轰击效率而设置的。而表面粗糙度较大又会削弱AlN层的晶体质量，因此，通过限制第二AlN层22的厚度小于第一AlN层21的厚度，以避免因增大AlN膜层的表面粗糙度而导致AlN膜层的晶体质量出现较大程度降低的问题，保证AlN膜层整体的晶体质量。
可选地，第一AlN层21和第二AlN层22的厚度均为1nm至100nm。第一AlN层21和第二AlN层22的厚度设置的过薄，无法起到AlN膜层应有的缓冲作用；而第一AlN层21和第二AlN层22的厚度设置的过厚，则会增加第一AlN层21和第二AlN层22对于光线的吸收。
作为示例，本公开实施例中，第一AlN层21的厚度为50nm，第二AlN层22的厚度为20nm。
S23：通过等离子体处理在第二AlN层22上形成氮原子层30。
如图5所示，在第二AlN层22上通过等离子体处理的方式形成氮原子层30。
其中，在等离子体处理时，可以将生长有第一AlN层21、第二AlN层22的衬底10置入PVD设备中。也即，采用PVD设备进行等离子体处理。
可选地，等离子体处理的工艺参数如下：温度为100℃至600℃、反应气体为氮气、反应气体的通入量为50sccm至200sccm、施加电场为交变电场、电场功率为10W至100W。
在进行等离子体处理时，温度会影响在第二AlN层22表面形成的氮原子层30的质量，而控制温度在100℃至600℃这一温度范围中，第二AlN层22的表面能形成质量较高的氮原子层30，有利于后续第三AlN层40的生长。
在第二AlN层22表面形成的是氮原子层30，因此，等离子体处理时，采用氮气作为反应气体。控制反应气体的通入量为50sccm至200sccm在这一范围中，使第二AlN层22的表面能形成厚度合适，且晶体分布均匀的氮原子层30，有利于后续第三AlN层40的生长。
在进行等离子体处理时，施加电场为交变电场，而在电场功率为10W至100W这一电场功率范围中，第二AlN层22的表面能形成质量较高的氮原子层30，有利于后续第三AlN层40的生长。
作为一种示例，在通过等离子体处理形成氮原子层30时，可以控制温度为450℃，控制通入的反应气体的通入量为150sccm，控制交变电场的电场功率为50W，同时，控制压强为5.5mTorr。
S24：在氮原子层30上生长第三AlN层40。
如图6所示，在氮原子层30上生长有第三AlN层40。
可选地，第三AlN层40包括至少一层AlN薄膜，生长第三AlN层40时，以氨气和三甲基铝作为反应物，且Ⅴ/Ⅲ摩尔比为350至3500，工艺时间为500s至5000s，生长温度为1100℃至1300℃。
其中，第三AlN层40中AlN膜层的具体层数可以根据n型AlGaN层50的晶格常数确定，只要满足设置对应层数的AlN膜层后，使AlN薄膜和AlGaN层之间的晶格常数缩减至合适的差值，以减少AlN薄膜和AlGaN层之间的位错缺陷接口。
示例性地，如图1所示，第三AlN层40包括两层AlN薄膜。两层AlN薄膜均采用MOCVD的方式生长。
其中，位于氮原子层30上的第一层AlN薄膜为低温缓冲层401，位于低温缓冲层401上的第二层AlN薄膜为高温缓冲层402。
作为一种示例，在形成低温缓冲层401时，以氨气和三甲基铝作为反应物，且Ⅴ/Ⅲ摩尔比为3500，工艺时间为500s，生长温度为1100℃，反应腔中压力为60mbar。
作为一种示例，在形成高温缓冲层402时，以氨气和三甲基铝作为反应物，且Ⅴ/Ⅲ摩尔比为350，工艺时间为5000s，生长温度为1300℃，反应腔中压力为50mbar。
S25：在第三AlN层40上生长n型AlGaN层50。
如图7所示，在第三AlN层40上生长有n型AlGaN层50。
可选地，n型AlGaN层50的生长温度为1000℃至1100℃。作为示例，本公开实施例中，n型AlGaN层50的生长温度为1060℃。
可选地，n型AlGaN层50的生长压力可以为80mbar至110mbar。作为示例，本公开实施例中，n型AlGaN层50的生长压力为100mbar。
在生长n型AlGaN层50时，进行硅掺杂，n型AlGaN层50中的硅掺杂浓度可以为1017cm-3至1018cm-3。作为示例，本公开实施例中，n型AlGaN层50中的Si掺杂浓度为5×1017cm-3。
n型AlGaN层50的厚度可以为600nm至800nm，在本公开实施例中，n型AlGaN层50的厚度为700nm。
S26：在n型AlGaN层50上生长多量子阱层60。
如图8所示，在n型AlGaN层50上生长有多量子阱层60
实现时，多量子阱层60可以包括交替层叠的多层AlxGa1-xN量子阱层601和多层AlyGa1-yN量子垒层602，其中0＜x＜y＜1。
可选地，AlxGa1-xN量子阱层601和AlyGa1-yN量子垒层602交替层叠的周期数可以为3至8。示例性地，本公开实施例中，AlxGa1-xN量子阱层601和AlyGa1-yN量子垒层602交替层叠的周期数为5。
需要说明的是，图1中仅示出了多量子阱层60中的部分结构，并不用于限制AlxGa1-xN量子阱层601和AlyGa1-yN量子垒层602交替层叠的周期数，此外在生长多量子阱层60时，也可以先在n型AlGaN层50上生长AlyGa1-yN量子垒层602。
可选地，AlxGa1-xN量子阱层601的厚度可以为2nm至4nm。AlyGa1-yN量子垒层602的厚度可以为9至14nm。
示例性地，本公开实施例中，AlxGa1-xN量子阱层601的厚度为3nm。AlyGa1-yN量子垒层602的厚度为11nm。
在生长完多量子阱层60之后，在多量子阱层60上生长p型层70，在本公开实施例中，p型层70包括依次层叠在多量子阱层60上的p型阻挡层701、p型AlGaN层702和p型GaN层703。p型阻挡层701、p型AlGaN层702和p型GaN层703均为Mg掺杂。p型层70的生长包括如下的步骤S27至S29。
S27：在多量子阱层60上生长p型阻挡层701。
如图9所示，在多量子阱层60上生长有p型阻挡层701。
可选地，p型阻挡层701可以为p型AlGaN阻挡层。
具体地，p型阻挡层701的生长温度可以为960℃至990℃，作为示例，本公开实施例中，p型阻挡层701的生长温度为980℃。
具体地，p型阻挡层701的生长压力可以为100mbar至200mbar。作为示例，本公开实施例中，p型阻挡层701的生长压力为150mbar。
可选地，p型阻挡层701的厚度可以为5nm至15nm。作为示例，本公开实施例中，p型阻挡层701的厚度为10nm。若p型阻挡层701的厚度过薄，会降低对电子的阻挡作用，若p型阻挡层701的厚度过厚，则会增加p型阻挡层701对光的吸收，从而导致LED的发光效率降低。
S28：在p型阻挡层701上生长p型AlGaN层702。
如图10所示，在p型阻挡层701上生长有p型AlGaN层702。
具体地，p型AlGaN层702的生长温度可以为880℃至920℃，作为示例，本公开实施例中，p型AlGaN层702的生长温度为900℃。
具体地，p型AlGaN层702的生长压力可以为180mbar至220mbar。作为示例，本公开实施例中，p型AlGaN层702的生长压力为200mbar。
可选地，p型AlGaN层702的厚度可以为20nm至30nm。作为示例，本公开实施例中，p型AlGaN层702的厚度为25nm。
S29：在p型AlGaN层702上生长p型GaN层703。
如图11所示，在p型AlGaN层702上生长有p型GaN层703。
可选地，p型GaN层703的生长温度可以为800℃至900℃。作为示例，本公开实施例中，p型GaN层703的生长温度为850℃。
可选地，p型GaN层703的生长压力可以为250mbar至350mbar。作为示例，本公开实施例中，p型GaN层703的生长压力为300mbar。
可选地，p型GaN层703的厚度可以为20nm至70nm。作为示例，本公开实施例中，p型GaN层703的厚度为50nm。
在生长p型阻挡层701、p型AlGaN层702和p型GaN层703时，以采用三甲基镓或三乙基镓作为镓源，采用二茂镁进行Mg掺杂。
S30：对外延片进行退火。
可选地，可以在氮气氛围下进行退火30分钟，结束外延片的生长。之后关闭加热系统和给气系统，待反应腔温度降低至室温。
在具体实现时，本公开实施例可以采用高纯H2或/和N2作为载气，采用TEGa或TMGa作为Ga源，TMIn作为In源，SiH4作为n型掺杂剂，TMAl作为铝源，Cp2Mg作为p型掺杂剂。
以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种深紫外发光二极管的外延片，其特征在于，所述外延片包括衬底(10)和依次形成在所述衬底(10)上的第一AlN层(21)、第二AlN层(22)、氮原子层(30)、第三AlN层(40)、n型AlGaN层(50)、多量子阱层(60)和p型层(70)，所述第二AlN层(22)的表面粗糙度大于所述第一AlN层(21)的表面粗糙度，所述氮原子层(30)为通过等离子体处理形成于所述第二AlN层(22)上的膜层。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一AlN层(21)的厚度为1nm至100nm，所述第二AlN层(22)的厚度为1nm至100nm。
3.根据权利要求2所述的外延片，其特征在于，所述第一AlN层(21)的厚度大于所述第二AlN层(22)的厚度。
4.一种深紫外发光二极管的外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长第一AlN层和第二AlN层，所述第二AlN层的表面粗糙度大于所述第一AlN层的表面粗糙度；
通过等离子体处理在所述第二AlN层上形成氮原子层；
在所述氮原子层上依次生长第三AlN层、n型AlGaN层、多量子阱层和p型层。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述等离子体处理的工艺参数如下：
温度为100℃至600℃，反应气体为氮气，反应气体的通入量为50sccm至200sccm，施加电场为交变电场，电场功率为10W至100W。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述第一AlN层在氮气气氛下生长，所述第二AlN层在氢气气氛下生长。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一AlN层的生长温度为1000℃至1100℃，所述第二AlN层的生长温度为1000℃至1100℃。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，生长所述第一AlN层和所述第二AlN层时，以氨气和三甲基铝作为反应物，且Ⅴ/Ⅲ摩尔比为100至300，工艺时间为30s至100s。
9.根据权利要求4至8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第三AlN层包括至少一层AlN薄膜，生长所述第三AlN层时，以氨气和三甲基铝作为反应物，且Ⅴ/Ⅲ摩尔比为350至3500，工艺时间为500s至5000s，生长温度为1100℃至1300℃。
10.根据权利要求4至8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第一AlN层、所述第二AlN层和所述第三AlN层的生长压力均为50mbar至60mbar。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110601606.0A CN113571617B (zh) | 2021-05-31 | 2021-05-31 | 深紫外发光二极管的外延片及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110601606.0A CN113571617B (zh) | 2021-05-31 | 2021-05-31 | 深紫外发光二极管的外延片及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113571617A CN113571617A (zh) | 2021-10-29 |
| CN113571617B true CN113571617B (zh) | 2022-08-12 |
Family
ID=78161671
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110601606.0A Active CN113571617B (zh) | 2021-05-31 | 2021-05-31 | 深紫外发光二极管的外延片及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113571617B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113410350B (zh) * | 2021-06-15 | 2022-08-19 | 厦门士兰明镓化合物半导体有限公司 | 深紫外发光元件及其制备方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105140122A (zh) * | 2015-08-10 | 2015-12-09 | 中国电子科技集团公司第五十五研究所 | 一种改善GaN HEMT器件散热性能的方法 |
| CN107845708A (zh) * | 2017-09-27 | 2018-03-27 | 华中科技大学鄂州工业技术研究院 | 一种深紫外发光二极管外延片、芯片及其制备方法 |
| CN109638117A (zh) * | 2018-11-29 | 2019-04-16 | 华灿光电（浙江）有限公司 | 一种AlN模板、外延片结构及制造方法 |
| CN111916537A (zh) * | 2020-09-24 | 2020-11-10 | 深圳市昂德环球科技有限公司 | 非极性AlGaN基深紫外LED外延片及制备方法 |
-
2021
- 2021-05-31 CN CN202110601606.0A patent/CN113571617B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105140122A (zh) * | 2015-08-10 | 2015-12-09 | 中国电子科技集团公司第五十五研究所 | 一种改善GaN HEMT器件散热性能的方法 |
| CN107845708A (zh) * | 2017-09-27 | 2018-03-27 | 华中科技大学鄂州工业技术研究院 | 一种深紫外发光二极管外延片、芯片及其制备方法 |
| CN109638117A (zh) * | 2018-11-29 | 2019-04-16 | 华灿光电（浙江）有限公司 | 一种AlN模板、外延片结构及制造方法 |
| CN111916537A (zh) * | 2020-09-24 | 2020-11-10 | 深圳市昂德环球科技有限公司 | 非极性AlGaN基深紫外LED外延片及制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113571617A (zh) | 2021-10-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109119515B (zh) | 一种发光二极管外延片及其制造方法 | |
| CN109786527B (zh) | 一种发光二极管外延片及其制造方法 | |
| CN109786513B (zh) | 发光二极管的外延片及其制作方法 | |
| CN113284994B (zh) | 深紫外发光二极管的外延片及其制备方法 | |
| CN112531082B (zh) | 微型发光二极管外延片及其制造方法 | |
| CN113571616B (zh) | AlGaN基深紫外发光二极管的外延片及其制备方法 | |
| CN109994580B (zh) | 发光二极管的外延片及其制作方法 | |
| CN113571617B (zh) | 深紫外发光二极管的外延片及其制备方法 | |
| CN116682909B (zh) | 一种led外延片、制备方法及led芯片 | |
| CN112802929A (zh) | 发光二极管的外延片及其制备方法 | |
| CN112466999B (zh) | 发光二极管的外延片及其制造方法 | |
| CN114784150A (zh) | 深紫外发光二极管的外延片及其制备方法 | |
| CN114447170B (zh) | 提高出光均匀程度的发光二极管外延片及制备方法 | |
| CN113284995A (zh) | 深紫外发光二极管的外延片及其制备方法 | |
| CN112786746B (zh) | 发光二极管的外延片及其制备方法 | |
| CN113013299B (zh) | 发光二极管外延片及其生长方法 | |
| CN113571607B (zh) | 高发光效率的发光二极管外延片及其制造方法 | |
| CN114203871A (zh) | 紫外发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN114843375A (zh) | GaN基发光二极管外延片的制备方法和外延片 | |
| CN112802931A (zh) | 发光二极管的外延片及其制备方法 | |
| CN113161462A (zh) | 发光二极管外延片及其制造方法 | |
| CN112768575A (zh) | 发光二极管的外延片及其制备方法 | |
| CN113571614B (zh) | 深紫外发光二极管的外延片及其制备方法 | |
| CN112786745B (zh) | 发光二极管的外延片及其制备方法 | |
| CN115341194B (zh) | 提高微型发光二极管发光一致性的生长方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |