CN113782651B - 一种图形化深紫外led外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种图形化深紫外LED外延结构及其制备方法，结构上从上到下依次包括：平片衬底、六方氮化硼成核层、介质层、AlN低温层、AlN高温层、n型AlGaN层、AlxGa1‑xN/AlyGa1‑yN多量子阱有源层、Mg掺杂的p型AlGaN阻挡层、Mg掺杂的p型AlGaN层、Mg掺杂的p型GaN层，所述六方氮化硼成核层和介质层在平片衬底面上交互生长，介质层呈图形化周期排列。本发明采用贴掩膜或者光刻技术在六方氮化硼成核层中制得呈图形化阵列排布的微孔，然后在微孔中沉积介质层，该结构促进AlN材料的横向外延生长。六方氮化硼散热性好，可以大幅提高氮化铝器件的性能，同时六方氮化硼可以释放衬底层与AlN层之间的应力使得AlN易于剥离，能显著减少AlN位错，提高AlN晶体质量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料领域，特别是涉及一种图形化深紫外LED外延结构及其制备方法。
背景技术
随着LED应用的发展，紫外LED的市场需求越来越大，发光波长覆盖210-400nm的紫外LED，具有传统的紫外光源无法比拟的优势。紫外LED不仅可以用在照明领域，同时在生物医疗、防伪鉴定、空气，水质净化、生化检测、高密度信息储存等方面都可替代传统含有毒有害物质的紫外汞灯，在目前的LED背景下，紫外光市场前景非常广阔。
目前，紫外LED外延生长技术还不够成熟，生长高性能紫外LED的材料制备困难，并且p层掺杂难度大，发光区域发光效率低下等限制，导致紫外LED芯片的发光效率不高，制备成本高，难度大，成品率低。
但是由于缺乏适合的衬底，目前仍主要采用异质外延法在蓝宝石和SiC等衬底上生长AlN材料。在异质外延生长过程中，AlN与衬底间的晶格失配和热膨胀系数差异将在外延层中诱导产生缺陷及残余应力，降低AlN的晶体质量。六方氮化硼(h-BN)具有二维平面结构，层间以弱的范德华力相互作用，有望成为异质外延衬底的缓冲层降低AlN外延层与衬底间的强键合作用，降低位错密度并消除残余应力。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于深紫外LED的外延结构及制备方法，能够明显改善紫外LED外延生长材料的结晶质量，提升紫外LED的发光亮度。
为了解决本发明的技术问题，所采取的技术方案为，一种图形化深紫外LED外延结构，结构上从下到上依次包括：平片衬底、六方氮化硼成核层、AlN低温层、AlN高温层、n型AlGaN层、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层、Mg掺杂的p型AlGaN阻挡层、Mg掺杂的p型AlGaN层、Mg掺杂的p型GaN层，所述六方氮化硼成核层上的表面开设有多个贯穿该层的微孔，多个所述的微孔呈图形化周期排列且微孔内沉积的介质材料形成介质层，所述介质层的底部与平片衬底连接，所述六方氮化硼成核层的厚度不大于介质层的厚度，所述AlN低温层与六方氮化硼成核层的连接面上介质层所在的位置处呈开口向下的内凹状。
作为图形化深紫外LED外延结构进一步的改进：
优选的，所述平片衬底的材质为蓝宝石、硅或者碳化硅中的一种。
优选的，所述介质层的材质为SiO2、Si3N4或SixN中的一种，其中0＜x＜1。
优选的，所述六方氮化硼成核层的厚度为1-99nm，所述介质层的厚度为1-100nm，所述六方氮化硼成核层与介质层的厚度差为1-20nm。
优选的，所述微孔呈圆柱形，底部直径为1-500nm，相邻微孔之间的距离相同且为1-500nm。
优选的，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层由AlxGa1-xN量子阱层和AlyGa1-yN量子垒层交替生长而成，发光波长范围为260-280nm，一个AlxGa1-xN量子阱层的厚度为1-10nm，一个AlyGa1-yN量子垒层的厚度为5-20nm，35％<x<55％、35％<y<55％，x<y；一个量子垒层和一个量子阱层为一个生长周期，周期数为2-10。
为解决本发明的技术问题，所采取的另一个技术方案为，一种上述任意意向所述图形化深紫外LED外延结构的制备方法，包括如下步骤：
S1、使用等离子体增强化学的气相沉积法即PECVD，在平片衬底上沉积表面开设有若干微孔的六方氮化硼成核层，所述微孔呈图形化周期排列，在所述微孔内沉积厚度不小于六方氮化硼成核层厚度的介质材料，制得介质层；
S2、置于金属有机物化学气相淀积设备即MOCVD设备中，在六方氮化硼成核层和介质层上生长AlN低温层，所述AlN模板低温层与六方氮化硼成核层相连接，所述AlN低温层与介质层的连接位置处呈开口向下的内凹状；
S3、在AlN模板层上依次生长AlN高温层、n型AlGaN层、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层、Mg掺杂的p型AlGaN阻挡层、Mg掺杂的p型AlGaN层和Mg掺杂的p型GaN层，纯氮气氛围进行退火处理，即制得图形化深紫外LED外延结构。
作为图形化深紫外LED外延结构的制备方法进一步改进：
优选的，步骤S1中所述微孔的制备步骤为：在平片衬底上沉积六方氮化硼，然后通过光刻技术在沉积的六方氮化硼上刻画出图形化周期排列的微孔阵列。
优选的，步骤S3中所述AlN低温层的生长温度为1000-1200℃，生长压力为50-100mbar，通入氨气和三甲基铝作为反应物，V/III摩尔比为2000-4000，工艺时间为500-2000s；或者，步骤S3中所述AlN高温层的生长压力为50-100mbar，通入氨气和三甲基铝作为反应物，V/III摩尔比为100-1000，工艺时间为4000-6000s。
优选的，步骤S3中所述n型AlGaN层的厚度500-1500nm，生长温度为1000-1100℃，生长压力为50-200mbar，该层中Si掺杂浓度1×1017/cm3-9×1018/cm3，Al组分为40-80wt％。
本发明相比现有技术的有益效果在于：
本发明公开了一种图形化图形化深紫外LED外延结构，
本发明在平片衬底上设置六方氮化硼成核层，六方氮化硼是二维原子晶体材料，有助于实现AlN薄膜的准范德华外延生长。在衬底上覆盖掩膜，制备介质层和六方氮化硼交错的图形化周期结构，六方氮化硼存在的区域为窗口区域，介质层存在的区域为掩膜区域。窗口区域的六方氮化硼为后续AlN的生长增加成核位点，而掩膜区域的介质层无法进行AlN的成核生长。因此，AlN的侧向外延能力使得在窗口区域处成核后的后续生长过程中通过合并、成膜最终形成AlN层。另外，六方氮化硼具备散热性好的特点，可以大幅提高氮化铝器件的性能，同时六方氮化硼可以释放衬底层与AlN层之间的应力使得AlN易于剥离。该结构对减少AlN位错，提高AlN晶体质量具有很好的效果。
附图说明
图1是对比例1制得的深紫外LED外延结构的结构图；
图2是对比例2制得的深紫外LED外延结构的结构图；
图3是实施例1制得图形化深紫外LED外延结构时掩膜的示意图的结构图；
图4是实施例1制得图形化深紫外LED外延结构的结构图；
图5是对比例1、2制备的普通深紫外LED外延结构以及实施例1、2制备的图形化深紫外LED外延结构的性能测试图。
附图中标记的含义如下：
1、平片衬底；2、六方氮化硼成核层；3、介质层；4、AlN低温层；5、AlN高温层；6、n型AlGaN层；7、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层；8、Mg掺杂的p型AlGaN阻挡层；9、Mg掺杂的p型AlGaN层；10、Mg掺杂的p型GaN层；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本实施例以高纯氢气或氮气作为载气，以三甲基镓(TMGa)，三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al和N源，用硅烷(SiH4)和二茂镁(Cp2Mg)分别作为n、p型掺杂剂。
对比例1
本发明提供一种制备应用于深紫外LED的外延结构的实施例，如下步骤所述：
(1)将蓝宝石平片衬底作为生长衬底1特殊清洗处理后。
(2)生长AlN低温层4；MOCVD的工艺温度为1100℃，生长压力为60mbar，通入氨气和三甲基铝作为反应物，V/III摩尔比为3000，工艺时间为1000s；
(3)生长高温AlN层5；生长厚度为2.5μm，MOCVD的工艺温度为1300℃，生长压力为50mbar，通入氨气和三甲基铝作为反应物，V/III摩尔比为300，工艺时间为5000s；
(4)生长n型AlGaN层6，生长温度为1060℃，生长厚度为700nm，生长压力为100mbar，该层中Si掺杂浓度5×1018/cm3，Al组分为60wt％。
(5)生长AlxGa1-xN/AlyGa1-yN(x<y)量子阱作为有源层7，MOCVD的工艺温度为1040℃，生长氛围为氮气，生长压力为150mbar，发光波长范围为270nm，其中35％<x<55％、35％<y<55％，x<y；一个量子垒层和一个量子阱层为一个生长周期，量子阱层AlxGa1-xN层和垒层AlyGa1-yN层的厚度分别为3nm和11nm，周期数为6；
(6)生长Mg掺杂的p型AlGaN阻挡层8，生长温度为980℃，生长压力为150mbar，生长厚度为10nm；
(7)生长Mg掺杂的p型AlGaN层9，生长温度为900℃，生长压力为200mbar，生长厚度为25nm；
(8)生长Mg掺杂的p型GaN层10，生长温度为850℃，生长压力为300mbar，生长厚度为50nm；在氮气氛围下，退火30分钟，外延生长过程结束，制得普通深紫外LED外延结构1，结构如图1所示。
对比例2
本发明实施例提供了一种应用于深紫外LED的外延结构及制备方法，具体制备步骤参照对比例1，不同之处在于，在步骤1之后和步骤2之前增设以下步骤：“使用等离子体增强化学的气相沉积法即PECVD，在平片衬底1上沉积六方氮化硼成核层2；
最终制得普通深紫外LED外延结构2，结构如图2所示。
实施例1
本发明实施例提供了一种应用于深紫外LED的外延结构及制备方法，具体制备步骤参照对比例1，不同之处在于，在步骤S2之后和步骤S3之间增设以下步骤：“在平片衬底1上铺设掩膜，所述掩膜呈圆柱状，厚度为10nm，底部的直径为200nm，呈图形化周期排列，相邻圆柱之间的距离为400nm；使用等离子体增强化学的气相沉积法即PECVD，在掩膜及掩膜所在的平片衬底1的窗口区域上沉积六方氮化硼层2，然后揭掉掩膜，在掩膜所在的位置生长材质为SiO2的介质层3，厚度为10nm”；掩膜在平片衬底1上的设置如图3所示。
最终制得图形化深紫外LED外延结构1，结构如图4所示。
实施例2
本发明实施例提供了一种应用于深紫外LED的外延结构及制备方法，具体制备步骤参照对比例1，不同之处在于，在步骤S2之后和步骤S3之间增设以下步骤：“在平片衬底1上铺设掩膜，所述掩膜呈圆柱状，厚度为30nm，底部的直径为300nm，呈图形化周期排列，相邻圆柱之间的距离为300nm；使用等离子体增强化学的气相沉积法即PECVD，在掩膜及掩膜所在的平片衬底1上沉积六方氮化硼层2，然后揭掉掩膜，在掩膜所在的位置生长材质为SiO2的介质层3，厚度为20nm”；
最终制得图形化深紫外LED外延结构2，结构如图4所示。
将对比例1、2制备的普通深紫外LED外延结构，以及实施例1、2制备的图形化深紫外LED外延结构进行性能测试，结果如图5所示，其中图5(a)为对比例1，图5(b)为对比例2，图5(c)为实施例1，图5(d)为实施例2，上面的曲线为102XRC，下面的曲线为002XRC；由图5的测试结果可知，实施例的XRD(002)和(102)面的半高宽较对比例均有明显减小，说明晶体质量改善显著。
本领域的技术人员应理解，以上所述仅为本发明的若干个具体实施方式，而不是全部实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，还可以做出许多变形和改进，所有未超出权利要求所述的变形或改进均应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种图形化深紫外LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述图形化深紫外LED外延结构结构上从下到上依次包括：平片衬底(1)、六方氮化硼成核层(2)、AlN低温层(4)、AlN高温层(5)、n型AlGaN层(6)、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层(7)、Mg掺杂的p型AlGaN阻挡层(8)、Mg掺杂的p型AlGaN层(9)、Mg掺杂的p型GaN层(10)，所述六方氮化硼成核层(2)上的表面开设有多个贯穿该层的微孔，多个所述的微孔呈图形化周期排列且微孔内沉积的介质材料形成介质层(3)，所述介质层(3)的底部与平片衬底(1)连接，所述六方氮化硼成核层(2)的厚度不大于介质层(3)的厚度，所述AlN低温层(4)与六方氮化硼成核层(2)的连接面上介质层(3)所在的位置处呈开口向下的内凹状；
所述介质层(3)的材质为SiO2、Si3N4或SixN中的一种，其中0＜x＜1；
所述六方氮化硼成核层(2)的厚度为1-99nm，所述介质层(3)的厚度为1-100nm，所述六方氮化硼成核层(2)与介质层(3)的厚度差为1-20nm；
所述微孔呈圆柱形，底部直径为1-500nm，相邻微孔之间的距离相同且为1-500nm；
所述图形化深紫外LED外延结构的制备方法包括如下步骤：
S1、使用等离子体增强化学的气相沉积法即PECVD，在平片衬底(1)上沉积表面开设有若干微孔的六方氮化硼成核层(2)，所述微孔呈图形化周期排列，在所述微孔内沉积厚度不小于六方氮化硼成核层(2)厚度的介质材料，制得介质层(3)；
S2、置于金属有机物化学气相淀积设备即MOCVD设备中，在六方氮化硼成核层(2)和介质层(3)上生长AlN低温层(4)，所述AlN模板低温层(4)与六方氮化硼成核层(2)相连接，所述AlN低温层(4)与介质层(3)的连接位置处呈开口向下的内凹状；
S3、在AlN模板层(4)上依次生长AlN高温层(5)、n型AlGaN层(6)、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层(7)、Mg掺杂的p型AlGaN阻挡层(8)、Mg掺杂的p型AlGaN层(9)和Mg掺杂的p型GaN层(10)，纯氮气氛围进行退火处理，即制得图形化深紫外LED外延结构。
2.根据权利要求1所述的图形化深紫外LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述平片衬底(1)的材质为蓝宝石、硅或者碳化硅中的一种。
3.根据权利要求1所述的图形化深紫外LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层(6)由AlxGa1-xN量子阱层和AlyGa1-yN量子垒层交替生长而成，发光波长范围为260-280nm，一个AlxGa1-xN量子阱层的厚度为1-10nm，一个AlyGa1-yN量子垒层的厚度为5-20nm，35％<x<55％、35％<y<55％，x<y；一个量子垒层和一个量子阱层为一个生长周期，周期数为2-10。
4.根据权利要求1所述的图形化深紫外LED外延结构的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述微孔的制备步骤为：在平片衬底(1)上沉积六方氮化硼，然后通过光刻技术在沉积的六方氮化硼上刻画出图形化周期排列的微孔阵列。
5.根据权利要求1所述的图形化深紫外LED外延结构的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述AlN低温层(3)的生长温度为1000-1200℃，生长压力为50-100mbar，通入氨气和三甲基铝作为反应物，V/III摩尔比为2000-4000，工艺时间为500-2000s；或者，步骤S3中所述AlN高温层(4)的生长压力为50-100mbar，通入氨气和三甲基铝作为反应物，V/III摩尔比为100-1000，工艺时间为4000-6000s。
6.根据权利要求1所述的图形化深紫外LED外延结构的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述n型AlGaN层(5)的厚度500-1500nm，生长温度为1000-1100℃，生长压力为50-200mbar，该层中Si掺杂浓度1×1017/cm3-9×1018/cm3，Al组分为40-80wt％。
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