CN116799114A - 一种深紫外发光二极管及其外延生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种深紫外发光二极管及其外延生长方法，深紫外发光二极管包括由下至上层叠设置的衬底、本征层、电子注入层、量子阱有源层、电子阻挡层以及空穴注入层，其中，本征层包括位错过滤层，位错过滤层为多个第一子层和多个第二子层交替形成的超晶格结构，第一子层采用氮化铝硼作为生长材料，第二子层采用氮化铝作为生长材料；本发明通过在衬底与电子注入层之间的本征层内部设置位错过滤层，且位错过滤层为氮化铝硼与氮化铝交替形成的超晶格结构，该超晶格结构与衬底之间形成镜像力效应，从而使本征层与衬底的接触面产生的位错由于镜像力而弯曲，有效的降低了外延层的位错密度，进而提高了深紫外发光二极管的光输出功率。

Description

一种深紫外发光二极管及其外延生长方法
技术领域
本发明涉及半导体光电领域，尤其涉及一种深紫外发光二极管及其外延生长方法。
背景技术
深紫外发光二极管中，AlGaN是一种直接带隙宽禁带半导体材料，其禁带宽度可通过改变Al元素的掺入量(从禁带宽度为3.4eV的GaN到禁带宽度为6.2eV的AlN连续可调)，以实现365nm到200nm光谱范围内的发光，且具有物理化学性质稳定、耐高温、抗辐照等优异性能，是当前制备半导体深紫外光源器件的最佳候选材料。而且，AlGaN基的深紫外发光二极管相比于传统汞灯具有体积小、功耗低、环保安全和集成度高等诸多优势，将有望在未来几年取得突破性进展以及巨大应用，近年来受到越来越多的关注和重视。
然而，目前基于AlGaN材料的深紫外发光二极管主要采用蓝宝石作为异质外延衬底。但蓝宝石与外延材料存在较大晶格常数和热膨胀系数差异，在异质外延生长过程中，由于晶格失配，在材料内部容易形成高密度晶界和位错等缺陷(高达1010cm～2量级)；这些缺陷部分会贯穿到量子阱有源区，产生非辐射复合中心，直接影响了器件的量子效率，进而导致深紫外发光二极管的发光效率降低。
因此，亟需一种深紫外发光二极管及其外延生长方法以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种深紫外发光二极管及其外延生长方法，用于改善现有技术的深紫外发光二极管的发光效率较低的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明首先提供了一种深紫外发光二极管，深紫外发光二极管包括由下至上层叠设置的衬底、本征层、电子注入层、量子阱有源层、电子阻挡层以及空穴注入层；
其中，本征层包括位错过滤层，位错过滤层为多个第一子层和多个第二子层交替形成的超晶格结构，第一子层采用氮化铝硼作为生长材料，第二子层采用氮化铝作为生长材料。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，第一子层中硼组分占比x的取值范围满足1％≤x＜100％。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，在超晶格结构中，第一子层的厚度范围为1nm～50nm，第二子层的厚度范围为1nm～50nm；超晶格结构的超晶格周期数为1～10。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，本征层还包括由下至上层叠设置的低温成核层、缓冲层、位错过滤层以及高温本征层。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，低温成核层的生长温度范围为400摄氏度～800摄氏度；缓冲层的生长温度范围为1000摄氏度～1400摄氏度，位错过滤层的生长温度范围为1200摄氏度～1500摄氏度，高温本征层的生长温度范围为1000摄氏度～1400摄氏度。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，低温成核层、缓冲层、位错过滤层以及高温本征层的生长压力范围均为20～100torr。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，低温成核层的厚度范围为10nm～50nm，缓冲层以及高温本征层的厚度范围均为100nm～1500nm。
相应地，本发明还提供一种深紫外发光二极管的外延生长方法，方法包括：
在一衬底上外延生长本征层；
在本征层上外延生长电子注入层；
在电子注入层上外延生长量子阱有源层；
在量子阱有源层上外延生长电子阻挡层；
在电子阻挡层上外延生长空穴注入层；
其中，本征层包括位错过滤层，位错过滤层为多个第一子层和多个第二子层交替形成的超晶格结构，第一子层采用氮化铝硼作为生长材料，第二子层采用氮化铝作为生长材料。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管的外延生长方法中，在一衬底上外延生长本征层的步骤还包括：
在一衬底上外延生长低温成核层；
在低温成核层上外延生长缓冲层；
在缓冲层上外延生长位错过滤层；
在位错过滤层上外延生长高温本征层。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管的外延生长方法中，低温成核层的生长温度范围为400摄氏度～800摄氏度；缓冲层的生长温度范围为1000摄氏度～1400摄氏度，位错过滤层的生长温度范围为1200摄氏度～1500摄氏度，高温本征层的生长温度范围为1000摄氏度～1400摄氏度。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种深紫外发光二极管及其外延生长方法，深紫外发光二极管包括由下至上层叠设置的衬底、本征层、电子注入层、量子阱有源层、电子阻挡层以及空穴注入层，其中，本征层包括位错过滤层，位错过滤层为多个第一子层和多个第二子层交替形成的超晶格结构，第一子层采用氮化铝硼作为生长材料，第二子层采用氮化铝作为生长材料；本发明通过在衬底与电子注入层之间的本征层内部设置位错过滤层，且位错过滤层为氮化铝硼与氮化铝交替形成的超晶格结构，该超晶格结构与衬底之间形成镜像力效应，从而使本征层与衬底的接触面产生的位错由于镜像力而弯曲，有效的降低了外延层的位错密度，进而提高了深紫外发光二极管的光输出功率。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的深紫外发光二极管的结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的深紫外发光二极管的外延生长方法流程图；
图3为两种不同结构的深紫外发光二极管的光输出功率随电流的变化曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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，均属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图3，本发明提供了一种深紫外发光二极管100及其外延生长方法，深紫外发光二极管100包括由下至上层叠设置的衬底11、本征层12、电子注入层13、量子阱有源层14、电子阻挡层15以及空穴注入层16；
其中，本征层12包括位错过滤层123，位错过滤层123为多个第一子层和多个第二子层交替形成的超晶格结构，第一子层采用氮化铝硼作为生长材料，第二子层采用氮化铝作为生长材料。
本发明通过在衬底11与电子注入层13之间的本征层12内部设置位错过滤层123，且位错过滤层123为氮化铝硼与氮化铝交替形成的超晶格结构，该超晶格结构与衬底11之间形成镜像力效应，从而使本征层12与衬底11的接触面产生的位错由于镜像力而弯曲，有效的降低了外延层的位错密度，进而提高了深紫外发光二极管100的光输出功率。
现结合具体实施例对本申请的技术方案进行描述。
请参阅图1，本发明实施例所提供的深紫外发光二极管100的结构示意图；由图1可知，深紫外发光二极管100包括由下至上层叠设置的衬底11、本征层12、电子注入层13、量子阱有源层14、电子阻挡层15以及空穴注入层16；
其中，本征层12包括位错过滤层123，位错过滤层123为多个第一子层和多个第二子层交替形成的超晶格结构，第一子层采用氮化铝硼作为生长材料，第二子层采用氮化铝作为生长材料。
具体地，衬底11为蓝宝石材料(氧化铝)；蓝宝石材料有许多的优点：首先，蓝宝石材料的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底11。
在本发明实施例中，本征层12还包括由下至上层叠设置的低温成核层121、缓冲层122、位错过滤层123以及高温本征层124。
具体地，低温成核层121的材质为AlN，低温成核层121生长在蓝宝石衬底11的c面上，因为c面与低温成核层121之间的晶格常数失配率小，在c面进行磊晶的技术成熟且稳定。
具体地，低温成核层121的厚度范围为10～50nm，生长温度范围为400～800摄氏度。生长压力范围为20～100torr。
进一步地，由于Al2O3材料的与AlN材料的晶格失配较大，故在生长高温本征层124之间还需要在低温成核层121上生长缓冲层122；其中，缓冲层122的材料为AlN，缓冲层122的厚度范围为10～50nm，生长温度范围为1000摄氏度～1400摄氏度。生长压力范围为20～100torr。
具体地，位错过滤层123为多个第一子层和多个第二子层交替形成的超晶格结构，第一子层采用氮化铝硼作为生长材料，第二子层采用氮化铝作为生长材料。
具体地，超晶格结构是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜，事实上就是特定形式的层状精细复合材料。
进一步地，第一子层中硼组分占比x的取值范围满足1％≤x＜100％；在超晶格结构中，第一子层的厚度范围为1nm～50nm，第二子层的厚度范围为1nm～50nm；超晶格结构的超晶格周期数为1～10。
进一步地，位错过滤层123的生长压力范围为20～100torr。位错过滤层123的生长温度范围为1200摄氏度～1500摄氏度。
具体地，高温本征层124的材质为AlN，高温本征层124的厚度范围为10nm～50nm，生长温度范围为1000～1400摄氏度，生长压力范围为20～100torr。
进一步地，至少一层第一子层与缓冲层122相接触，至少一层第二子层与高温本征层124相接触。
在本发明实施例中，本征层12内部设置的位错过滤层123为氮化铝硼与氮化铝交替形成的超晶格结构，该超晶格结构与衬底11之间形成镜像力效应，从而使本征层12与衬底11的接触面产生的位错由于镜像力而弯曲，有效的降低了外延层的位错密度，进而提高了深紫外发光二极管100的光输出功率。
具体地，电子注入层13的材料为N型掺杂的氮化铝镓材料，掺杂剂为SiH4；其中，电子注入层13中铝元素的组分范围在20％至90％之间，电子注入层13的厚度范围在500nm至4000nm之间，电子注入层13的生长温度的范围在900摄氏度至1200摄氏度之间。
具体地，量子阱有源层14设置于电子注入层13上，量子阱有源层14的生长温度范围在900摄氏度至1200摄氏度之间。
具体地，量子阱有源层14为周期排布的AlGaN多层周期结构，每个周期结构包括势垒层和势阱层，每个势阱层插入在两个相邻的势垒层之间，势垒层和势阱层的材料均为氮化铝镓，势垒层和势阱层的不同之处仅在于铝组分的含量不同；
进一步地，整个量子阱有源层14的周期数大于等于1小于等于10；势阱层的厚度范围为0.5nm～15nm，且势阱层中铝组分的质量百分数范围为15％～70％；势垒层的厚度范围为1nm～20nm，且势垒层中铝组分的质量百分数范围为30％～95％。
在本发明实施例中，量子阱有源层14中的势垒层采用SiH4作为N型掺杂剂，生长压力为20～100torr。
具体地，电子阻挡层15设置于量子阱有源层14上，电子阻挡层15的生长温度范围在700摄氏度至1100摄氏度之间；其中，电子阻挡层15为单层AlGaN结构，电子阻挡层15为P型掺杂的半导体材料，其使用二茂镁作为P型掺杂剂。
进一步地，电子阻挡层15中铝元素占电子阻挡层15的百分比范围在45％至100％之间，电子阻挡层15的厚度范围在1nm至100nm之间。
具体地，空穴注入层16设置于电子阻挡层15上，空穴注入层16的生长温度范围在700摄氏度至1100摄氏度之间；其中，空穴注入层16的材料为P型掺杂的氮化铝镓材料，空穴注入层16中铝组分含量的百分数范围在20％至60％之间，空穴注入层16的厚度范围在1nm至100nm之间，空穴注入层16采用二茂镁作为掺杂剂。
之后，在电子注入层13的台阶结构处设置N型电极17，最后，在空穴注入层16上形成P型电极18。
相应地，本发明还提供一种深紫外发光二极管100的外延生长方法，如图2所示；其中，本实施例中，采用Veeco K465i MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现深紫外发光二极管100外延片的生长。其中，采用高纯H2或高纯N2或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源，三甲基镓(TMGa)及三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂，反应室压力控制在20～100torr。
具体地，上述方法包括：
S10，在一衬底11上外延生长本征层12。
具体地，S10还包括：
首先，在400摄氏度～800摄氏度下，在衬底11上生长低温成核层121，其厚度范围为10nm～50nm，生长压力为20～100torr；
其次，升温至1000摄氏度～1400摄氏度，在低温成核层121上生长缓冲层122，其厚度范围为100nm～1500nm，生长压力范围为20～100torr；
再次，升温至1200摄氏度～1500摄氏度，在缓冲层122上生长位错过滤层123，位错过滤层123中第一子层的厚度范围为1～50nm，第二子层的厚度范围为1～50nm，超晶格的周期为1～10，生长压力为20～100torr。
最后，降温至1000摄氏度～1400摄氏度，在位错过滤层123上生长高温本征层124，其厚度范围为100nm～1500nm，生长压力范围为20～100torr。
S20，在本征层12上外延生长电子注入层13。
具体地，步骤S20还包括：
升温至900摄氏度～1200摄氏度，在本征层12上外延生长电子注入层13，电子注入层13为N型掺杂的AlGaN材料，其Al组分为20％～90％，厚度范围为500nm～4000nm。
S30，在电子注入层13上外延生长量子阱有源层14。
具体地，步骤S30还包括：
降温至900摄氏度～1200摄氏度，在电子注入层13上外延生长量子阱有源层14，其中势阱层的厚度范围为0.5nm～15nm，Al组分为15％～70％；势垒层的整体厚度范围为1～20nm，Al组分为30％～95％；整个量子阱有源层14的周期数大于等于1且小于等于10，势垒层采用SiH4作为N型掺杂剂，生长压力范围为20～100torr。
S40，在量子阱有源层14上外延生长电子阻挡层15。
具体地，步骤S40还包括：
保持温度在700摄氏度～1100摄氏度，在量子阱有源层14上外延生长电子阻挡层15；电子阻挡层15为P型掺杂的AlGaN材料，其厚度范围为1nm～100nm，Al组分为45％-100％，使用二茂镁作为P型掺杂剂。
S50，在电子阻挡层15上外延生长空穴注入层16。
保持温度在700摄氏度～1100摄氏度，在电子阻挡层15上外延生长空穴注入层16；空穴注入层16为P型掺杂的AlGaN材料，其厚度范围为1nm～100nm，Al组分为45％～100％，使用二茂镁作为P型掺杂剂。
之后，在电子注入层13的台阶结构处设置N型电极17，最后，在空穴注入层16上形成P型电极18。
在本发明实施例中，待上述深紫外发光二极管100制备完成后，与现有技术的深紫外发光二极管100进行对比，上述两种深紫外发光二极管100在不同驱动电流(mA)的作用下，分别测试上述两种深紫外发光二极管100对应的光输出功率(mW)。
对比实施例(样品A)：
对比实施例提供的深紫外发光二极管100采用常规工艺制备，其采用传统的AlN外延生长工艺，其膜层结构由下至上依次如下所示：
衬底11，材料为蓝宝石材料；
本征层12，包括由下至上层叠设置的低温成核层121、缓冲层122以及高温本征层124，低温成核层121、缓冲层122以及高温本征层124的材料均为AlN，本征层12的厚度为3000nm；
电子注入层13，材料为N型掺杂的氮化铝镓材料，其中，电子注入层13中的Al组分占电子注入层13的质量百分数为50％，厚度为2500nm；
量子阱有源层14中，周期数为5，势垒层的厚度为10nm且势垒层中Al组分含量为0.55，势阱层的Al组分含量为0.4，势阱层的厚度为5nm；
电子阻挡层15，为单层AlGaN结构，厚度为50nm，Al组分含量为0.6；
空穴注入层16的材料为P型掺杂的氮化铝镓材料，空穴注入层16中铝组分含量为0.4，厚度为50nm，采用二茂镁作为p型掺杂剂。
进一步地，采用常规方法在电子注入层13上均设置相同材料的N型电极17，并在空穴注入层16上均设置相同材料的P型电极18，以构成完整的外延芯片结构，具体工艺在此不做赘述。其中，N型电极17以及P型电极18均为多层复合金属材料。
本发明实施例(样品B)：
本发明实施例采用本发明提供的深紫外发光二极管100的制备方法制备；其中，与实施例1不同的是，本征层12包括由下至上层叠设置的低温成核层121、缓冲层122、位错过滤层123以及高温本征层124，低温成核层121、缓冲层122以及高温本征层124的材料均为AlN，位错过滤层123为多个第一子层和多个第二子层交替形成的超晶格结构，第一子层采用氮化铝硼作为生长材料，第二子层采用氮化铝作为生长材料；
其中，本征层12的总厚度为3000nm；第一子层的厚度为5nm，第二子层的厚度为3nm，第一子层中硼的组分含量为15％，生长的超晶格周期为5个周期，位错过滤层123的总厚度为40nm。
在样品A和样品B生长完成后，通过X射线衍射仪器对样品A和样品B的摇摆曲线进行测试，得出以下结果：
样品A的(002)面和(102)面摇摆曲线的半高宽分别为120/450arcsec，样品B的(002)面和(102)面摇摆曲线的半高宽分别为140/295arcsec。
由以上结果可知，样品B生长的AlN材料薄膜，其(102)面摇摆曲线相比样品A中(102)面摇摆曲线的半高宽降低较为明显。而(102)面摇摆曲线的半高宽和材料内部的刃位错密度有着较大的关联性，其值越低，说明材料内部刃位错密度越低，这对提升深紫外发光二极管100的量子效率很有帮助；
同时，(002)面摇摆曲线代表螺位错，样品B生长的AlN材料薄膜，其(002)面摇摆曲线的半高宽相比样品A中(002)面摇摆曲线的半高宽增加，不会影响深紫外发光二极管100的量子效率。
请参阅图3，图3为两种不同结构的深紫外发光二极管100的光输出功率随电流的变化曲线图；其中，在不同驱动电流(mA)的作用下，分别测试上述两种深紫外发光二极管100的光输出功率(mW)随驱动电流的变化曲线图，如图3所示。
具体地，由图3可知，分别对传统的深紫外发光二极管100(对比实施例的样品A)和本发明的深紫外发光二极管100(本发明实施例的样品B)进行了芯片测试；其中，在注入电流为100mA时，样品A的光输出功率为17.7mw，而样品B的光输出功率为22.0mW；本发明实施例相比对比实施例，在注入电流为100mA时，深紫外发光二极管100对应的光输出功率提升了24.3％。
这是由于本专利提出的工艺可以使得底层产生的位错由于镜像力而弯曲，有效降低了贯穿到量子阱有源层14的位错数量，减少了非辐射复合发光，从而实现了深紫外发光二极管100的量子效率的提升。
综上，区别于现有技术的情况，本发明提供了一种深紫外发光二极管100及其外延生长方法，深紫外发光二极管100包括由下至上层叠设置的衬底11、本征层12、电子注入层13、量子阱有源层14、电子阻挡层15以及空穴注入层16，其中，本征层12包括位错过滤层123，位错过滤层123为多个第一子层和多个第二子层交替形成的超晶格结构，第一子层采用氮化铝硼作为生长材料，第二子层采用氮化铝作为生长材料；本发明通过在衬底11与电子注入层13之间的本征层12内部设置位错过滤层123，且位错过滤层123为氮化铝硼与氮化铝交替形成的超晶格结构，该超晶格结构与衬底11之间形成镜像力效应，从而使本征层12与衬底11的接触面产生的位错由于镜像力而弯曲，有效的降低了外延层的位错密度，进而提高了深紫外发光二极管100的光输出功率。
需要说明的是，以上各实施例均属于同一发明构思，各实施例的描述各有侧重，在个别实施例中描述未详尽之处，可参考其他实施例中的描述。
以上实施例仅表达了本发明的实施方式，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)

1.一种深紫外发光二极管，其特征在于，所述深紫外发光二极管包括由下至上层叠设置的衬底、本征层、电子注入层、量子阱有源层、电子阻挡层以及空穴注入层；
其中，所述本征层包括位错过滤层，所述位错过滤层为多个第一子层和多个第二子层交替形成的超晶格结构，所述第一子层采用氮化铝硼作为生长材料，所述第二子层采用氮化铝作为生长材料。
2.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述第一子层中硼组分占比x的取值范围满足1％≤x＜100％。
3.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，在所述超晶格结构中，所述第一子层的厚度范围为1nm～50nm，所述第二子层的厚度范围为1nm～50nm；所述超晶格结构的超晶格周期数为1～10。
4.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述本征层还包括由下至上层叠设置的低温成核层、缓冲层、所述位错过滤层以及高温本征层。
5.根据权利要求4所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述低温成核层的生长温度范围为400摄氏度～800摄氏度；所述缓冲层的生长温度范围为1000摄氏度～1400摄氏度，所述位错过滤层的生长温度范围为1200摄氏度～1500摄氏度，所述高温本征层的生长温度范围为1000摄氏度～1400摄氏度。
6.根据权利要求4所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述低温成核层、所述缓冲层、所述位错过滤层以及所述高温本征层的生长压力范围均为20～100torr。
7.根据权利要求4所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述低温成核层的厚度范围为10nm～50nm，所述缓冲层以及所述高温本征层的厚度范围均为100nm～1500nm。
8.一种深紫外发光二极管的外延生长方法，其特征在于，所述方法包括：
在一衬底上外延生长本征层；
在所述本征层上外延生长电子注入层；
在所述电子注入层上外延生长量子阱有源层；
在所述量子阱有源层上外延生长电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上外延生长空穴注入层；
其中，所述本征层包括位错过滤层，所述位错过滤层为多个第一子层和多个第二子层交替形成的超晶格结构，所述第一子层采用氮化铝硼作为生长材料，所述第二子层采用氮化铝作为生长材料。
9.根据权利要求8所述的深紫外发光二极管的外延生长方法，其特征在于，所述在一衬底上外延生长本征层的步骤还包括：
在一衬底上外延生长低温成核层；
在所述低温成核层上外延生长缓冲层；
在所述缓冲层上外延生长所述位错过滤层；
在所述位错过滤层上外延生长高温本征层。
10.根据权利要求9所述的深紫外发光二极管的外延生长方法，其特征在于，所述低温成核层的生长温度范围为400摄氏度～800摄氏度；所述缓冲层的生长温度范围为1000摄氏度～1400摄氏度，所述位错过滤层的生长温度范围为1200摄氏度～1500摄氏度，所述高温本征层的生长温度范围为1000摄氏度～1400摄氏度。
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