CN114566573A - 一种AlGaN基深紫外发光二极管芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种AlGaN基深紫外发光二极管芯片及其制备方法，该芯片依次包括：蓝宝石衬底、AlN缓冲层、未掺杂AlGaN层、N型掺杂AlGaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型掺杂GaN层以及接触层；其中，多量子阱层包括多个周期的量子阱结构，单个周期的量子阱结构包括AlxGa1‑xN阶层与AlyGa1‑yN垒层，其中，x、y为大于0的常数，并且在AlxGa1‑xN阶层与AlyGa1‑yN垒层之间设有InGaN层，以通过InGaN层调控单个周期的量子阱结构中AlGaN的应变状态。本发明能够解决现有技术中只能改善由内部全反射带来的光提取问题，无法从根本上解决深紫外LED量子阱发光区出射光的侧向传播问题。

Description

一种AlGaN基深紫外发光二极管芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及芯片技术领域，特别涉及一种AlGaN基深紫外发光二极管芯片及其制备方法。
背景技术
过去十年中，AlGaN材料因其在紫外光电器件中的巨大应用潜力而备受关注，紫外LED具有光子能量高、波长短、体积小、功耗低、寿命长、环境友好等特点，在高显色指数白光照明、高密度光学数据储存、传感器、平版印刷、空气净化环保等领域具有广泛的应用。
对于AlGaN基LED而言，其发光的效率通常由内量子效率、载流子输入效率和光提出效率三种效率来决定，目前来讲，影响AlGaN基LED的主要因素有高Al组分AlGaN材料外延困难、p型掺杂困难以及光偏振特性独特。
目前AlGaN基紫外LED内量子效率相对蓝绿光发光二极管偏低较多，AlGaN基紫外LED随着Al组分增大，由于AlGaN材料呈现独特的光学各向异性，导致有源区内发出的紫外光难以从传统的沿c轴方向生长的器件表面有效提取出来。此外，由于材料的发光主要取决于能带中导带底至价带顶附近的电子跃迁，能级的跃迁与介电常数有着密切的联系，当Al组分增大，使得带边发光偏振态由正向传播的TE模转变为侧向传播的TM模，进而严重制约了深紫外光的出射。
现有技术中，提高AlGaN基紫外LED的光提取效率研究主要集中于在衬底底部制作分布式布拉格反射镜、外延层表面制备光子晶体周期阵列、外延层中插入金属纳米点阵，利用表面等离子激元调控出射光场等，然而，这些方法只能改善由内部全反射带来的光提取问题，无法从根本上解决深紫外LED量子阱发光区出射光的侧向传播问题。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种AlGaN基深紫外发光二极管芯片及其制备方法，旨在解决背景技术中记载的技术问题。
本发明的一方面提供了一种AlGaN基深紫外发光二极管芯片，所述芯片依次包括：蓝宝石衬底，设于所述蓝宝石衬底之上的AlN缓冲层，设于所述AlN缓冲层之上的未掺杂AlGaN层、设于所述未掺杂AlGaN层之上的N型掺杂AlGaN层，设于所述N型掺杂AlGaN层之上的多量子阱层，设于所述多量子阱层之上的电子阻挡层、设于所述电子阻挡层之上的P型掺杂GaN层以及设于所述P型掺杂GaN层之上的接触层；
其中，所述多量子阱层包括多个周期的量子阱结构，单个周期的所述量子阱结构包括AlxGa1-xN阶层与AlyGa1-yN垒层，其中，x、y为大于0的常数，并且在所述AlxGa1-xN阶层与所述AlyGa1-yN垒层之间设有InGaN层，以通过所述InGaN层调控单个周期的所述量子阱结构中AlGaN的应变状态。
根据上述技术方案的一方面，所述多量子阱层包括5-12个周期的量子阱结构，每个周期的量子阱结构中，所述AlxGa1-xN阶层为阱层，所述AlyGa1-yN垒层为垒层，所述InGaN层为薄插入层。
根据上述技术方案的一方面，所述多量子阱层中单个周期内AlxGa1-xN阱层的厚度为3nm -5nm，生长温度为1000℃-1100℃，生长压力为40Torr-80Torr，其中0<x<0.2。
根据上述技术方案的一方面，AlxGa1-xN阱层中x为0.1。
根据上述技术方案的一方面，所述多量子阱层中单个周期内AlyGa1-yN垒层的厚度在10nm-20nm间，生长温度为1000℃-1200℃，生长压力为40Torr-60Torr，其中0.4<y<0.8。
根据上述技术方案的一方面，所述AlyGa1-yN垒层中y为0.6。
根据上述技术方案的一方面，所述多量子阱层中单个周期内InGaN层的厚度为1nm-2nm，生长温度为1000℃-1100℃，生长压力为50Torr-100Torr，其中，In组分在0-0.1之间。
本发明的另一方面在于提供一种AlGaN基深紫外发光二极管芯片的制备方法，用于制备上述技术方案中所述的AlGaN基深紫外发光二极管芯片，所述制备方法包括：
提供一蓝宝石衬底；
在所述蓝宝石衬底上生长一AlN缓冲层；
在所述AlN缓冲层上生长一未掺杂AlGaN层；
在所述未掺杂AlGaN层上生长一N型掺杂AlGaN层；
在所述N型掺杂AlGaN层上生长多量子阱层；
在所述多量子阱层上生长一电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上生长一P型掺杂GaN层；
以及在所述P型掺杂GaN层上生长一接触层；
其中，所述多量子阱层包括多个周期的量子阱结构，单个周期的所述量子阱结构包括AlxGa1-xN阶层与AlyGa1-yN垒层，其中，x、y为大于0的常数，并且在所述AlxGa1-xN阶层与所述AlyGa1-yN垒层之间设有InGaN层，以通过所述InGaN层调控单个周期的所述量子阱结构中AlGaN的应变状态。
根据上述技术方案的一方面，在所述N型掺杂AlGaN层上生长多量子阱层的步骤，具体包括：
在所述N型掺杂AlGaN层上生长第一周期的量子阱结构，该第一周期的量子阱结构包括AlxGa1-xN阶层与AlyGa1-yN垒层，以及在所述AlxGa1-xN阶层与所述AlyGa1-yN垒层之间插入InGaNInGaN层；
在前一周期上依次生长AlxGa1-xN阶层、InGaN层与AlyGa1-yN垒层作为后一周期的量子阱结构，直至达到预设的5-12个周期。
根据上述技术方案的一方面，在所述N型掺杂AlGaN层上生长多量子阱层的步骤中：
所述多量子阱层的单个周期内AlxGa1-xN阱层的厚度为3nm-5nm，生长温度为1000℃-1100℃，压力范围为40Torr-80Torr，其中0<x<0.2；
所述多量子阱层的单个周期内AlyGa1-yN垒层的厚度为10nm-20nm，生长温度为1000℃-1200℃，生长压力为40Torr-60Torr，其中，0.4<y<0.8；
所述多量子阱层的单个周期内InGaN层的厚度为1nm-2nm，生长温度为1000℃-1100℃，生长压力为50Torr-100Torr之间，其中In组分在0-0.1之间。
与现有技术相比，采用本实施例当中所述的AlGaN基深紫外发光二极管芯片及其制备方法，有益效果在于：通过在多量子阱层中单个周期的量子阱结构内AlxGa1-xN阱层与AlyGa1-yN垒层之间插入InGaN层，能够向量子阱结构施加张应力，使量子阱结构中AlGaN的应变转为压应力状态，进而其晶体场分裂带逐渐往低能方向移动，而重/轻空穴带则往高能方向移动，导致其带边跃迁光偏振特性由侧向传播的TM模转变为沿c轴生长方向传播的TE模占主导，从而有利于提升深紫外LED的正面光提取效率。
附图说明
图1为本发明第一实施例当中AlGaN基深紫外发光二极管芯片的结构示意图；
图2为本发明第一实施例当中多量子阱层的结构示意图；
图3为本发明第二实施例当中AlGaN基深紫外发光二极管芯片制备方法的流程示意图；
附图标记说明：
蓝宝石衬底10、AlN缓冲层20、未掺杂AlGaN层30、N型掺杂AlGaN层40、多量子阱层50、量子阱结构51、AlxGa1-xN阶层510、AlyGa1-yN垒层511、InGaN层512、电子阻挡层60、P型掺杂GaN层70、接触层80；
以下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
实施例一
请结合图1-2，本发明的第一实施例提供了一种AlGaN基深紫外发光二极管芯片，该芯片依次包括：蓝宝石衬底10，设于蓝宝石衬底10之上的AlN缓冲层20，设于AlN缓冲层20之上的未掺杂AlGaN层30、设于未掺杂AlGaN层30之上的N型掺杂AlGaN层40，设于N型掺杂AlGaN层40之上的多量子阱层50，设于多量子阱层50之上的电子阻挡层60、设于电子阻挡层60之上的P型掺杂GaN层70以及设于P型掺杂GaN层70之上的接触层80；
示例而非限定，如图2所示，多量子阱层50包括8个周期的量子阱结构51，单个周期内量子阱结构51包括AlxGa1-xN阶层510与AlyGa1-yN垒层511，其中，x、y为大于0的常数；并且在AlxGa1-xN阶层510与AlyGa1-yN垒层511之间插入设有InGaN层512，在该量子阱结构51中，AlxGa1-xN阶层510为阱层，AlyGa1-yN垒层511为垒层，InGaN层512为薄插入层。
通过在AlxGa1-xN阶层510与AlyGa1-yN垒层511之间插入薄型的InGaN层512，以通过InGaN层512调控单个周期内量子阱结构51中AlGaN的应变状态。而在其它一些实施例当中，多量子阱层50可以为5-12个周期的量子阱结构51。
其中，多量子阱层50中单个周期的量子阱结构51内AlxGa1-xN阱层的生长条件为：生长温度为1000℃-1100℃，生长压力为40Torr-80Torr；其中，Torr为托，压强单位，1Torr即1mmHg，或者，760托=1atm(标准大气压)。每个周期的量子阱结构51内AlxGa1-xN阱层均按照上述生长条件进行生长，在一些可行的实施例中，所生长的AlxGa1-xN阱层的厚度为3nm-5nm。
进一步的，多量子阱层50中单个周期的量子阱结构51内AlyGa1-yN垒层511的生长条件为：生长温度为1000℃-1200℃，生长压力为40Torr-60Torr；每个周期的量子阱结构51内AlyGa1-yN垒层511均按照上述生长条件进行生长，在一些可行的实施例中，所生长的AlyGa1-yN垒层511的厚度为10nm-20nm。
具体而言，AlxGa1-xN阶层510与AlyGa1-yN垒层511中的x、y均为大于0的任意常数。示例而非限定，单个周期的量子阱结构51例如包括Al0.1Ga1-0.1N层与Al0.6Ga1-0.6N层，以及设于Al0.1Ga1-0.1N层与Al0.6Ga1-0.6N层之间的InGaN层512。
在本实施例当中，用于调控单个周期的量子阱结构51中AlGaN的应变状态的InGaN层512的生长条件为：生长温度为1000℃-1100℃，生长压力为50Torr-100Torr，其中，In组分在0-0.1之间；每个周期的量子阱结构51内InGaN层512均按照上述生长条件进行生长，在一些可行的实施例中，InGaN层512的厚度为1nm-2nm。
请参阅表1，表1为多量子阱结构51采用传统结构与本方案结构的发光数据对比表：
表1
Figure RE-252667DEST_PATH_IMAGE001
根据表1可知，在发光波长、正向电压与反向电压均相等的情况下，采用本实施例当中所示的多量子阱层50的结构，电致发光强度（EL intensity）提升约12%，光输出功率（Output power）提升约9.8%。
综上，通过在多量子阱层中单个周期的量子阱结构内AlxGa1-xN阱层与AlyGa1-yN垒层之间插入InGaN层，能够向量子阱结构施加张应力，使量子阱结构中AlGaN的应变转为压应力状态，进而其晶体场分裂带逐渐往低能方向移动，而重/轻空穴带则往高能方向移动，导致其带边跃迁光偏振特性由侧向传播的TM模转变为沿c轴生长方向传播的TE模占主导，从而有利于提升深紫外LED的正面光提取效率。
实施例二
请参阅图3，本发明的第二实施例提供了一种AlGaN基深紫外发光二极管芯片的制备方法，用于制备上述第一实施例当中的AlGaN基深紫外发光二极管芯片，所述制备方法包括步骤S10-S80，其中：
步骤S10，提供一蓝宝石衬底。
步骤S20，在所述蓝宝石衬底上生长一AlN缓冲层。
步骤S30，在所述AlN缓冲层上生长一未掺杂AlGaN层。
步骤S40，在所述未掺杂AlGaN层上生长一N型掺杂AlGaN层。
步骤S50，在所述N型掺杂AlGaN层上生长多量子阱层。
具体而言，在所述N型掺杂AlGaN层上生长第一周期的量子阱结构，该第一周期的量子阱结构包括AlxGa1-xN阶层与AlyGa1-yN垒层，以及在所述AlxGa1-xN阶层与所述AlyGa1-yN垒层之间插入InGaNInGaN层；
在前一周期上依次生长AlxGa1-xN阶层、InGaN层与AlyGa1-yN垒层作为后一周期的量子阱结构，直至达到预设的5-12个周期。单个周期的所述量子阱结构包括AlxGa1-xN阶层与AlyGa1-yN垒层，其中，x、y为大于0的常数，并且在所述AlxGa1-xN阶层与所述AlyGa1-yN垒层之间设有InGaN层，以通过所述InGaN层调控单个周期的所述量子阱结构中AlGaN的应变状态。
其中，所述多量子阱层的单个周期内AlxGa1-xN阱层的厚度为3nm-5nm，生长温度为1000℃-1100℃，压力范围为40Torr-80Torr，其中0<x<0.2；
所述多量子阱层的单个周期内AlyGa1-yN垒层的厚度为10nm-20nm，生长温度为1000℃-1200℃，生长压力为40Torr-60Torr，其中，0.4<y<0.8；
所述多量子阱层的单个周期内InGaN层的厚度为1nm-2nm，生长温度为1000℃-1100℃，生长压力为50Torr-100Torr之间，其中In组分在0-0.1之间。
步骤S60，在所述多量子阱层上生长一电子阻挡层。
步骤S70，在所述电子阻挡层上生长一P型掺杂GaN层。
步骤S80，以及在所述P型掺杂GaN层上生长一接触层。
在本实施例当中，该制备方法的细化步骤包括：
提供一衬底，其多采用以(0001)晶向蓝宝石Al2O3为衬底；
在衬底上通过物理气相沉积生长AlN缓冲层；该AlN缓冲层的生长条件为：生长温度为400-650℃，溅射功率为2000~4000W，压力为1~10torr；该AlN缓冲层的厚度为15nm-50nm；
将AlN缓冲层在金属有机化合物化学气相沉淀的氢气气氛下进行原位退火处理，温度在1000℃-1200℃，压力区间为150Torr-500Torr，时间在5min-10min；
在AlN缓冲层退火完成后，温度调节至1050℃-1200℃，生长厚度在1.0um-3.0um的未掺杂AlGaN层，生长压力为50Torr-100Torr，Al组分为0.3-0.8；
在未掺杂AlGaN层生长完成后，生长一层Si掺杂的N型AlGaN层，厚度为1.0um-3.0um，生长温度为1100℃-1200℃，生长压力为50Torr-100Torr；其中，Si掺杂浓度为1019cm-3-1020cm-3，Al组分为0.2-0.6；
在N型掺杂AlGaN层生长完成后，生长多量子阱层，多量子阱层包括5到12个周期AlxGa1-xN/InGaN/AlyGa1-yN，其中，AlxGa1-xN为阱层，AlyGa1-yN为垒层，InGaN为薄插入层；多量子阱层中单个周期内AlxGa1-xN阱层的厚度为3nm-5nm，生长温度为1000℃-1100℃，生长压力为40Torr与80Torr之间，0<x<0.2；单个周期内AlyGa1-yN垒层的厚度为10nm-20nm，生长温度为1000℃-1200℃，生长压力为40Torr-60Torr，0.4<y<0.8；单个周期内InGaN层的厚度为1nm-2nm，生长温度为1000℃-1100℃，生长压力为50Torr-100Torr，In组分为0-0.1；
在多量子阱层生长完成后，在多量子阱层之上生长一AlGaN电子阻挡层，生长温度为1000℃-1100℃，生长压力为50Torr-100Torr，厚度为20nm-100nm，Al组分为0.1-0.5；
在多量子阱层生长完成后，在电子阻挡层上生长一Mg掺杂的P型掺杂GaN层，厚度为30nm-200nm，生长温度为950℃-1050℃，生长压力为50Torr-300Torr，Mg掺杂浓度为1019cm-3-1020cm-3；
在P型掺杂GaN层生长完成后，在P型掺杂GaN层上生长一AlGaN接触层，厚度为10nm-50nm，生长温度为1000℃-1100℃，生长压力为50Torr-100Torr，Al组分为0.0-0.3；
在上述外延结构生长结束后，降低反应腔温度，并在氮气气氛中退火处理，退火温度为650℃-850℃，退火时间为5min-15min，直至室温外延生长结束。
其中，三甲基铝（TMAl）、三甲基镓或三乙基镓（TMGa或TEGa）、NH3分别作为Ⅲ族源和Ⅴ族源的前驱体，硅烷和二茂镁分别作为N型掺杂剂和P型掺杂剂的前驱体，N2和H2作为载气。
综上，在制备AlGaN基深紫外发光二极管芯片时，通过在多量子阱层中单个周期的量子阱结构内AlxGa1-xN阱层与AlyGa1-yN垒层之间插入InGaN层，能够向量子阱结构施加张应力，使量子阱结构中AlGaN的应变转为压应力状态，进而其晶体场分裂带逐渐往低能方向移动，而重/轻空穴带则往高能方向移动，导致其带边跃迁光偏振特性由侧向传播的TM模转变为沿c轴生长方向传播的TE模占主导，从而有利于提升深紫外LED的正面光提取效率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种AlGaN基深紫外发光二极管芯片，其特征在于，所述芯片依次包括：蓝宝石衬底，设于所述蓝宝石衬底之上的AlN缓冲层，设于所述AlN缓冲层之上的未掺杂AlGaN层、设于所述未掺杂AlGaN层之上的N型掺杂AlGaN层，设于所述N型掺杂AlGaN层之上的多量子阱层，设于所述多量子阱层之上的电子阻挡层、设于所述电子阻挡层之上的P型掺杂GaN层以及设于所述P型掺杂GaN层之上的接触层；
其中，所述多量子阱层包括多个周期的量子阱结构，单个周期的所述量子阱结构包括AlxGa1-xN阶层与AlyGa1-yN垒层，其中，x、y为大于0的常数，并且在所述AlxGa1-xN阶层与所述AlyGa1-yN垒层之间设有InGaN层，以通过所述InGaN层调控单个周期的所述量子阱结构中AlGaN的应变状态。
2.根据权利要求1所述的AlGaN基深紫外发光二极管芯片，其特征在于，所述多量子阱层包括5-12个周期的量子阱结构，每个周期的量子阱结构中，所述AlxGa1-xN阶层为阱层，所述AlyGa1-yN垒层为垒层，所述InGaN层为薄插入层。
3.根据权利要求2所述的AlGaN基深紫外发光二极管芯片，其特征在于，所述多量子阱层中单个周期内AlxGa1-xN阱层的厚度为3nm -5nm，生长温度为1000℃-1100℃，生长压力为40Torr-80Torr，其中0<x<0.2。
4.根据权利要求3所述的AlGaN基深紫外发光二极管芯片，其特征在于，AlxGa1-xN阱层中x为0.1。
5.根据权利要求2所述的AlGaN基深紫外发光二极管芯片，其特征在于，所述多量子阱层中单个周期内AlyGa1-yN垒层的厚度在10nm-20nm间，生长温度为1000℃-1200℃，生长压力为40Torr-60Torr，其中0.4<y<0.8。
6.根据权利要求5所述的AlGaN基深紫外发光二极管芯片，其特征在于，所述AlyGa1-yN垒层中y为0.6。
7.根据权利要求2所述的AlGaN基深紫外发光二极管芯片，其特征在于，所述多量子阱层中单个周期内InGaN层的厚度为1nm-2nm，生长温度为1000℃-1100℃，生长压力为50Torr-100Torr，其中，In组分在0-0.1之间。
8.一种AlGaN基深紫外发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-7任一项所述的AlGaN基深紫外发光二极管芯片，所述制备方法包括：
提供一蓝宝石衬底；
在所述蓝宝石衬底上生长一AlN缓冲层；
在所述AlN缓冲层上生长一未掺杂AlGaN层；
在所述未掺杂AlGaN层上生长一N型掺杂AlGaN层；
在所述N型掺杂AlGaN层上生长多量子阱层；
在所述多量子阱层上生长一电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上生长一P型掺杂GaN层；
以及在所述P型掺杂GaN层上生长一接触层；
其中，所述多量子阱层包括多个周期的量子阱结构，单个周期的所述量子阱结构包括AlxGa1-xN阶层与AlyGa1-yN垒层，其中，x、y为大于0的常数，并且在所述AlxGa1-xN阶层与所述AlyGa1-yN垒层之间设有InGaN层，以通过所述InGaN层调控单个周期的所述量子阱结构中AlGaN的应变状态。
9.根据权利要求8所述的AlGaN基深紫外发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，在所述N型掺杂AlGaN层上生长多量子阱层的步骤，具体包括：
在所述N型掺杂AlGaN层上生长第一周期的量子阱结构，该第一周期的量子阱结构包括AlxGa1-xN阶层与AlyGa1-yN垒层，以及在所述AlxGa1-xN阶层与所述AlyGa1-yN垒层之间插入InGaNInGaN层；
在前一周期上依次生长AlxGa1-xN阶层、InGaN层与AlyGa1-yN垒层作为后一周期的量子阱结构，直至达到预设的5-12个周期。
10.根据权利要求8所述的AlGaN基深紫外发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，在所述N型掺杂AlGaN层上生长多量子阱层的步骤中：
所述多量子阱层的单个周期内AlxGa1-xN阱层的厚度为3nm-5nm，生长温度为1000℃-1100℃，压力范围为40Torr-80Torr，其中0<x<0.2；
所述多量子阱层的单个周期内AlyGa1-yN垒层的厚度为10nm-20nm，生长温度为1000℃-1200℃，生长压力为40Torr-60Torr，其中，0.4<y<0.8；
所述多量子阱层的单个周期内InGaN层的厚度为1nm-2nm，生长温度为1000℃-1100℃，生长压力为50Torr-100Torr之间，其中In组分在0-0.1之间。
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