CN114823998A - 一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片及其制备方法 - Google Patents

一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片及其制备方法，属于半导体发光器件技术领域。该芯片由衬底、AlN模板层、组分渐变AlxGa1‑ xN极化诱导n型掺杂层、有源区发光层、组分渐变AlyGa1‑yN极化诱导p型掺杂层、p电极和n电极组成，电极层由热蒸镀方法制备，其余各层通过MOCVD方法制备。本发明通过组分渐变AlGaN来实现AlGaN材料的高载流子浓度极化诱导n型和p型掺杂，有利于提高AlGaN基紫外LED的发光性能；采用组分渐变AlyGa1‑yN极化诱导p型掺杂层可以消除传统紫外LED结构中p‑GaN层对有源区紫外光的吸收，实现AlGaN基紫外LED的高效发光。

Description

一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体发光器件技术领域，具体涉及一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片及其制备方法。
背景技术
随着III族氮化物半导体LED技术的不断发展，其市场应用前景也在不断扩大，特别是AlGaN基紫外LED，在空气净化、消毒杀菌等领域具有较大应用潜力。AlGaN作为直接带隙半导体材料，通过调控Al组分，其禁带宽度在3.4～6.2eV之间连续可调，发光波长覆盖范围为365～200nm，是制备紫外LED的理想材料。与紫外汞灯、氙灯等传统紫外光源相比，AlGaN基紫外LED具有高效节能、安全环保、可靠耐用、体积小等优点。然而，目前AlGaN基紫外LED的发光效率较低，大多在10％以下，而且随着波长变短其发光效率呈指数函数下降。AlGaN材料通常通过Mg受主掺杂实现p型，而AlGaN材料中Mg受主激活能较大且会随Al组分增加而线性增大(从GaN材料的150meV增加至AlN材料的600meV)。高的Mg受主激活能使得AlGaN材料p型掺杂困难，即其空穴浓度较低，这是导致AlGaN基紫外LED发光效率低的重要原因之一。同时，随着AlGaN材料Al组分的增加，材料中Si施主的激活能也会逐渐增大(从GaN的约20meV增加至AlN的约250meV)。因此，对于短波长AlGaN基紫外LED，其结构中高Al组分AlGaN的p型掺杂和n型掺杂都将十分困难，这也使得短波长AlGaN基紫外LED的发光效率更加难以提高。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述AlGaN基紫外LED发光效率低的问题，从提高AlGaN材料p型和n型载流子浓度及外延层结晶质量、简化器件制作工艺和改善器件性能等方面综合考虑，提出一种具有双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片结构及其制备方法。该紫外LED器件结构中，通过组分渐变AlGaN来实现AlGaN材料的高载流子浓度极化诱导n型和p型掺杂，有利于提高AlGaN基紫外LED的发光性能，尤其是短波长AlGaN基紫外LED。
本发明的技术方案是：
本发明所设计的一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片(见附图1和附图说明)，其特征在于：其从下至上依次由衬底1、AlN模板层2、组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层3、有源区发光层4、组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层5组成；在组分渐变AlyGa1- yN极化诱导p型掺杂层5上设置有p电极6，将有源区发光层4、组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层5进行刻蚀，露出组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层3，并对组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层3进行一定深度地刻蚀，然后在剩余的组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层3上设置有n电极7；本发明采用组分渐变AlGaN来实现AlGaN材料的高载流子浓度极化诱导n型和p型掺杂，有利于提高AlGaN基紫外LED的发光性能；并且采用与双极化诱导掺杂层组分匹配的AlGaN材料作为有源区发光层，该芯片可以采用氮极性AlGaN材料或金属极性AlGaN材料进行制备。
如上所述的一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片，其特征在于：衬底1可以是蓝宝石衬底、SiC衬底、Si衬底、AlN衬底或者其它可用于氮化物外延生长的单晶衬底。
衬底1上各层材料的极性可由衬底的类型或衬底表面预处理工艺进行调控，如在碳面SiC衬底上可获得氮极性AlGaN基紫外LED，而在硅面SiC衬底上可获得金属极性AlGaN基紫外LED；在经过高温氮化处理的蓝宝石及Si衬底(温度≥900℃，处理时间在10s～10min之间)上可获得氮极性AlGaN基紫外LED，在经过低温氮化处理的蓝宝石及Si衬底上(温度≤700℃，处理时间在10s～10min之间)能获得金属极性AlGaN基紫外LED；在金属极性AlN衬底上能获得金属极性AlGaN基紫外LED，在氮极性AlN衬底上能获得氮极性AlGaN基紫外LED。
如上所述的一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片，其特征在于：组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层3沿外延生长方向其Al组分从x1渐变至x2，0≤x1≤1，0≤x2≤1，厚度为10～200nm；组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层5沿外延生长方向其Al组分从y1渐变至y2，0≤y1≤1，0≤y2≤1，其厚度为10～200nm。
如上所述的一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片，其特征在于：有源区发光层4为Alz1Ga1-z1N单层或多对Alz2Ga1-z2N/Alz3Ga1-z3N量子阱构成，其中Alz1Ga1-z1N单层的厚度为1～10nm，0＜z1＜1；Alz2Ga1-z2N/Alz3Ga1-z3N量子阱的对数为1～20对，0＜z2＜z3＜1，Alz3Ga1-z3N厚度为1～10nm，Alz2Ga1-z2N厚度为5～15nm。
如上所述的一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片，其特征在于：该芯片可以为氮极性AlGaN基紫外LED，即在碳面SiC衬底、在经过高温氮化处理的蓝宝石及Si衬底(温度≥900℃，处理时间在10s～10min之间)和氮极性AlN衬底1上，AlN模板层2、组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层3、有源区发光层4、组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层5均沿
Figure BDA0003649160790000031
方向生长；对于氮极性AlGaN基紫外LED，组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层3要求渐变组分x1＞x2，组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层5要求渐变组分y1＜y2，且对于有源区发光层Alz1Ga1-z1N单层要求Al组分z1≤x2和z1≤y1，对于有源区发光层多对Alz2Ga1-z2N/Alz3Ga1-z3N量子阱要求Al组分z2＜z3≤x2和z2＜z3≤y1。
如上所述的一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片，其特征在于：该芯片可以为金属极性AlGaN基紫外LED，即在硅面SiC衬底、在经过低温氮化处理的蓝宝石及Si衬底上(温度≤700℃，处理时间在10s～10min之间)和金属极性AlN衬底1上，AlN模板层2、组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层3、有源区发光层4、组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层5均沿[0001]方向生长；对于金属极性AlGaN基紫外LED，组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层3要求渐变组分x1＜x2，组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层5要求渐变组分y1＞y2，且对于有源区发光层Alz1Ga1-z1N单层要求Al组分z1≤x2和z1≤y1，对于有源区发光层多对Alz2Ga1-z2N/Alz3Ga1-z3N量子阱要求Al组分z2＜z3≤x2和z2＜z3≤y1。
如上所述的一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片，其特征在于：AlN模板层2厚度为100nm～5μm。
一种如上所述的双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片的制备方法，其步骤如下：
(1)采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)方法在衬底1上依次外延生长AlN模板层2、组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层3、有源区发光层4、组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层5；其中AlN模板层2的生长温度为1000～1200℃，生长压力为100～400mbar，厚度为100～5000nm，生长源为三甲基铝和高纯氨气；组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层3的生长温度为1000～1200℃，生长压力为100～400mbar，厚度为10～200nm，生长源为三甲基铝、三甲基镓和高纯氨气，掺杂源为硅烷，掺杂浓度为1017～1021/cm3，其组分渐变可通过在生长过程中渐变源流量等方法实现，比如实现Al组分渐变升高可通过在生长过程中线性增加三甲基铝流量，同时线性减少三甲基镓流量(或三甲基铝流量不变，而线性减少三甲基镓流量，对应实施例情形)；反之实现Al组分渐变降低可通过在生长过程中线性减少三甲基铝流量，同时线性增加三甲基镓流量(或三甲基铝流量不变，而线性增加三甲基镓流量，对应实施例情形)；有源区发光层4的生长温度为1000～1200℃，生长压力为100～400mbar，厚度为5～15nm，生长源为三甲基铝、三甲基镓和高纯氨气；组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层5的生长温度为1000～1200℃，生长压力为100～400mbar，厚度为10～200nm，生长源为三甲基铝、三甲基镓和高纯氨气，掺杂源为二茂镁，掺杂浓度为1017～1021/cm3，其组分渐变可通过在生长过程中渐变源流量等方法实现，比如实现Al组分渐变升高可通过在生长过程中线性增加三甲基铝流量，同时线性减少三甲基镓流量(或三甲基铝流量不变，而线性减少三甲基镓流量，对应实施例情形)；反之实现Al组分渐变降低可通过在生长过程中线性减少三甲基铝流量，同时线性增加三甲基镓流量(或三甲基铝流量不变，而线性增加三甲基镓流量，对应实施例情形)；
(2)组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层5上表面一侧的区域通过ICP方法刻蚀至组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层3，得到露出的组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层3台面；在组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层5上制备p电极6(厚度30～120nm)，在露出的组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层3台面上制备n电极7(厚度60～300nm)；p电极的材料可以是Au、Pt等单层材料，Ni-Au、Ni-Pt等二元合金复合材料或Ni-Pt-Au等三元复合材料，n电极的材料可以是Ti-Au等二元合金复合材料、Ti-Al-Au等三元合金复合材料或者Ti-Al-Ni-Au、Ti-Al-Ti-Au等四元合金复合材料；对衬底1进行抛光减薄处理，再进行裂片得到AlGaN基紫外LED芯片。
本发明的效果和益处：①通过组分渐变AlGaN来实现AlGaN材料的高载流子浓度极化诱导n型和p型掺杂，有利于提高AlGaN基紫外LED的发光性能；②组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层可有效缓解有源区与模板层间晶格失配，降低失配位错密度；③组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层提供空穴的同时，可有效阻挡电子从有源区溢出，无需额外生长固定组分AlGaN电子阻挡层，可简化LED制作工艺；④采用组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层可以消除传统紫外LED结构中p-GaN层对有源区紫外光的吸收。因此，本发明方法可实现AlGaN基紫外LED的高效发光。
附图说明
图1：本发明所述双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED的结构示意图。
图2：实施例1制备的双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED能带结构示意图，组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层5可作为电子阻挡层，有效阻挡电子溢出，同时其对空穴注入无阻挡作用；而且组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层3可作为空穴阻挡层，有效阻挡空穴溢出，同时其对电子注入无阻挡作用。
图3：实施例1制备的双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED与传统固定组分掺杂层的AlGaN基紫外LED在驱动电流为20mA下的发光谱对比图。
图中标识，1为衬底，2为AlN模板层，3为组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层，4为有源区发光层，5为组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层，6为p电极，7为n电极。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
实施例1：
1、采用MOCVD方法，在商用带有4°斜切角的碳面SiC衬底外延制备具有双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED结构，如图1所示。具体结构如下：在4°斜切的碳面SiC衬底1上依次制备氮极性AlN模板层2(厚度为500nm)、组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层3(Al组分从x1＝0.8线性渐变至x2＝0.6，厚度为100nm，掺杂浓度为5×1018/cm3，生长过程中保持氨气流量与三甲基铝流量不变，三甲基镓源流量从15.7μmol/min线性增加至29.9μmol/min，生长时间为900s、有源区发光层4(Al0.5Ga0.5N层厚度为4nm，该层未掺杂)、组分渐变AlyGa1- yN极化诱导p型掺杂层5(Al组分从y1＝0.6线性渐变至y2＝0.8，厚度为100nm，掺杂浓度为2×1019/cm3，生长过程中保持氨气流量与三甲基铝流量不变，三甲基镓源流量从29.9μmol/min线性减少至15.7μmol/min，生长时间为900s。生长源为三甲基铝、三甲基镓和高纯氨气，以H2为载气，利用硅烷和二茂镁分别进行n型和p型掺杂，除氮极性AlN模板层2生长温度为1120℃外，其余各层生长温度为1100℃，各层生长压力为100mbar，器件各层具体生长参数见表1。
表1：实施例1中双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED的各层生长参数
Figure BDA0003649160790000051
Figure BDA0003649160790000061
附注：TMGa代表三甲基镓；TMAl代表三甲基铝；Cp2Mg代表二茂镁；SiH4代表硅烷；NH3代表高纯氨气。
2、在组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层5上表面一侧的区域通过ICP刻蚀方法(使用气体流量比为1:9的氯化硼和氯气，极板功率为100W)刻蚀至组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层3，得到露出的组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层3台面；采用热蒸镀方法在露出的组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层3台面上制备材料为Ti/Al/Ti/Au的n电极7(厚度为260nm，每一层厚度分别为40nm、150nm、20nm、50nm，蒸发源分别为Ti金属、Al金属和Au金属，蒸发速率分别为是3.6nm/min、4.8nm/min、2.4nm/min)，之后采用热蒸镀方法在未刻蚀的组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层5上制备材料为Ni-Au二元合金的p电极6(厚度为60nm，Ni层厚度为30nm，Au层厚度为30nm，蒸发源分别为Ni金属和Au金属，蒸发速率分别为是3.6nm/min、2.4nm/min)，从而得到双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片，电极的具体制备工艺见表2。最后对衬底1进行抛光减薄处理，再进行裂片得到AlGaN基紫外LED芯片。
表2：器件电极制备工艺参数
Figure BDA0003649160790000062
Figure BDA0003649160790000071
3、图2为实施例1制备的双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED的能带结构图，从能带图可以看到，组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层可作为电子阻挡层，有效阻挡电子溢出，同时其对空穴注入无阻挡作用；而且组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层可作为空穴阻挡层，有效阻挡空穴溢出，同时其对电子注入无阻挡作用。
4、图3所示为实施例1中所制备的双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED与传统固定组分掺杂层的AlGaN基紫外LED在驱动电流为20mA下的电致发光谱对比图。传统固定组分掺杂层的AlGaN基紫外LED结构中，除n型AlGaN电子提供层和p型AlGaN空穴提供层采用固定组分n型Al0.7Ga0.3N和p型Al0.7Ga0.3N外，其余结构以及掺杂层的掺杂浓度和厚度均与双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED保持一致。从图3可以看到，两种紫外LED的发光波长均在280nm附近，但本发明制备的双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED的发光强度远高于传统固定组分掺杂层的AlGaN基紫外LED，从结果可以看出本发明方案的优越性。

Claims (7)

1.一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片，其特征在于：从下至上依次由衬底(1)、AlN模板层(2)、组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层(3)、有源区发光层(4)、组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层(5)组成；在组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层(5)上设置有p电极(6)，将有源区发光层(4)、组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层(5)进行刻蚀，露出组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层(3)，并对组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层(3)进行一定深度地刻蚀，然后在剩余的组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层(3)上设置有n电极(7)；衬底(1)是蓝宝石衬底、SiC衬底、Si衬底或AlN衬底。
2.如权利要求1所述的一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片，其特征在于：组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层(3)沿外延生长方向其Al组分从x1渐变至x2，0≤x1≤1，0≤x2≤1，厚度为10～200nm；组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层(5)沿外延生长方向其Al组分从y1渐变至y2，0≤y1≤1，0≤y2≤1，其厚度为10～200nm；有源区发光层(4)为Alz1Ga1-z1N单层或多对Alz2Ga1-z2N/Alz3Ga1-z3N量子阱构成，其中Alz1Ga1-z1N单层的厚度为1～10nm，0＜z1＜1；Alz2Ga1-z2N/Alz3Ga1-z3N量子阱的对数为1～20对，0＜z2＜z3＜1，Alz3Ga1-z3N厚度为1～10nm，Alz2Ga1-z2N厚度为5～15nm。
3.如权利要求2所述的一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片，其特征在于：芯片为氮极性AlGaN基紫外LED，衬底(1)为碳面SiC衬底、经过高温氮化处理的蓝宝石或Si衬底、氮极性AlN衬底之一，AlN模板层(2)、组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层(3)、有源区发光层(4)、组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层(5)均沿
Figure FDA0003649160780000011
方向生长；其中x1＞x2，y1＜y2，z1≤x2和z1≤y1，z2＜z3≤x2和z2＜z3≤y1。
4.如权利要求2所述的一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片，其特征在于：芯片为金属极性AlGaN基紫外LED，衬底(1)为硅面SiC衬底、经过低温氮化处理的蓝宝石或Si衬底、金属极性AlN衬底之一，AlN模板层(2)、组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层(3)、有源区发光层(4)、组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层(5)均沿[0001]方向生长；其中x1＜x2，y1＞y2，z1≤x2和z1≤y1，z2＜z3≤x2和z2＜z3≤y1。
5.如权利要求1所述的一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片，其特征在于：AlN模板层(2)厚度为100nm～5μm，p电极(6)的厚度为30～120nm，n电极(7)的厚度为60～300nm。
6.如权利要求1所述的一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片，其特征在于：p电极(6)的材料是Au、Pt、Ni-Au、Ni-Pt或Ni-Pt-Au所示的一元、二元或三元合金材料，n电极(7)的材料是Ti-Au、Ti-Al-Au、Ti-Al-Ni-Au、Ti-Al-Ti-Au所示的二元、三元或四元合金材料。
7.权利要求1所述的一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片的制备方法，其步骤如下：
1)采用金属有机化合物化学气相沉积方法在衬底(1)上依次外延生长AlN模板层(2)、组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层(3)、有源区发光层(4)、组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层(5)；其中AlN模板层(2)的生长温度为1000～1200℃，生长压力为100～400mbar，生长源为三甲基铝和高纯氨气；组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层(3)的生长温度为1000～1200℃，生长压力为100～400mbar，生长源为三甲基铝、三甲基镓和高纯氨气，掺杂源为硅烷，掺杂浓度为1017～1021/cm3；有源区发光层(4)的生长温度为1000～1200℃，生长压力为100～400mbar，生长源为三甲基铝、三甲基镓和高纯氨气；组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层(5)的生长温度为1000～1200℃，生长压力为100～400mbar，生长源为三甲基铝、三甲基镓和高纯氨气，掺杂源为二茂镁，掺杂浓度为1017～1021/cm3；
2)组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层(5)上表面一侧的区域通过ICP方法刻蚀至组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层(3)，得到露出的组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层(3)台面；在组分渐变AlyGa1-yN极化诱导p型掺杂层(5)上采用热蒸镀方法制备p电极(6)，在露出的组分渐变AlxGa1-xN极化诱导n型掺杂层(3)台面上采用热蒸镀方法制备n电极(7)；最后对衬底(1)进行抛光减薄处理，再进行裂片得到AlGaN基紫外LED芯片。
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