CN117317077A - AlGaN基紫外发光器件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种AlGaN基紫外发光器件的制备方法，包括：操作S1：在衬底上制备平坦的AlN模板；操作S2：在所述AlN模板上，生长具有六方凸台表面形貌的恢复层；操作S3：在所述恢复层上三维模式生长AlGaN得到具有岛状凸起的3D‑AlGaN层；操作S4：在所述3D‑AlGaN层上二维模式生长n型AlGaN得到2D‑AlGaN层；以及操作S5：在所述2D‑AlGaN层生长紫外发光器件的功能层，完成紫外发光器件的制备。同时还提供一种通过上述制备方法制备而成的AlGaN基紫外发光器件。
Description
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，尤其涉及一种AlGaN基紫外发光器件及制备方法。
背景技术
基于AlGaN材料的紫外发光器件在杀菌消毒、生化检测、日盲通信等领域有着广阔的应用前景，如何获得高效率的AlGaN基紫外发光器件是学术界和产业界关注的焦点。其中，n型AlGaN层的薄膜质量对器件量子效率有重要影响。n型AlGaN需要生长一定厚度进行电流扩展。目前生长n型AlGaN薄膜主要基于AlN模板或AlN衬底，但由于AlGaN与AlN有晶格失配，AlGaN具有一定压应力。随着厚度增加，这种压应力不断积累，使得n型AlGaN薄膜内部容易新增位错释放压应力，使得n型AlGaN薄膜质量变差。另外，n型AlGaN的压应力会增加发光器件的p侧空穴注入势垒，使得空穴注入变困难，影响器件注入效率和量子效率。
为解决上述压应力问题，通常采用在AlN和n型AlGaN中间插入AlN/AlGaN超晶格或Al组分梯度变化的AlGaN层来调整应力。但这种生长方式对应力调控作用有限，在生长一定厚度的n型AlGaN时仍然会产生应力积累并部分释放导致位错增值。而且，采用上述方式生长的n型AlGaN的Al组分一般不能低于60％。过低的Al组分使得AlGaN应力过大导致表面粗糙，且薄膜质量较差。但较高A组分的n型AlGaN层会增加接触电阻，使得器件工作电压较高。
发明内容
基于上述问题，本公开提供了一种AlGaN基紫外发光器件及制备方法，以缓解现有技术中的上述技术问题。
(一)技术方案
本公开的一个方面，提供一种AlGaN基紫外发光器件的制备方法，包括操作S1-操作S5，如下：
操作S1：在衬底上制备平坦的AlN模板；
操作S2：在所述AlN模板上，生长具有六方凸台表面形貌的恢复层；
操作S3：在所述恢复层上三维模式生长AlGaN得到具有岛状凸起的3D-AlGaN层；
操作S4：在所述3D-AlGaN层上二维模式生长n型AlGaN得到2D-AlGaN层；以及
操作S5：在所述2D-AlGaN层生长紫外发光器件的功能层，完成紫外发光器件的制备。
可选地，衬底的制备材料选自蓝宝石、SiC；所述恢复层的制备材料选自AlN或AlGaN。
可选地，六方凸台为底面是六边形，顶面平坦的凸起结构，所述六方凸台宽度尺寸大于10nm，高度大于5nm，密度大于105cm-2。
可选地，3D-AlGaN层被构造成用于应力释放，产生位错；所述3D-AlGaN层厚度小于等于3μm，掺杂Si元素或者不掺杂Si元素。
可选地，2D-AlGaN层被构造成用于位错湮灭，以进一步释放应力，提高薄膜质量，改善表面形貌，2D-AlGaN层厚度为1～10μm；掺杂元素为Si，掺杂浓度为1017cm-3～1021cm-3。
可选地，紫外发光器件包括紫外发光二极管或紫外激光二极管。
可选地，所述紫外发光二极管的功能层自下至上包括：单量子阱或多量子阱结构层，电子阻挡层，pAlGaN空穴传输层，p型接触层；
所述紫外激光二极管的功能层自下至上包括：下波导层，单量子阱或多量子阱结构层，上波导层，电子阻挡层，pAlGaN光限制层，p型接触层。
可选地，制备平坦的AlN模板的工艺选自磁控溅射、MOCVD、HVPE或MBE。
可选地，当采用磁控溅射工艺时，在衬底上采用磁控溅射获得10nm～2μm厚的AlN层；再将溅射好的AlN层进行高温氮气退火；当采用MOCVD、HVPE或MBE工艺时，在衬底上采用MOCVD或MBE技术生长表面平整的高质量AlN薄膜得到AlN模板，厚度为100nm～4μm。
本公开的另一方面，提供一种AlGaN基紫外发光器件，采用以上任一项所述的制备方法制备而成，所述自外发光器件自下而上包括：衬底；AlN模板；恢复层，制备材料选自AlN或AlGaN，具有六方凸台表面形貌；3D-AlGaN层，被构造成基于所述六方凸台表面形貌形成于具有岛状凸起的3D-AlGaN层；2D-AlGaN层，被构造成制备于3D-AlGaN层上并填充于岛状凸起之间以形成平整表面；以及紫外发光器件的功能层，述紫外发光器件包括紫外发光二极管或紫外激光二极管。
(二)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开AlGaN基紫外发光器件及制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)其中的n型AlGaN经过岛间合并后转化为二维平面生长，形成原子级平整表面，位错大幅湮灭，显著改善n型AlGaN薄膜质量；
(2)AlGaN基紫外发光器件具有高弛豫度，显著提高了光电性能。
附图说明
图1为本公开实施例的AlGaN基紫外发光器件的制备方法的流程图；
图2为公开实施例1的恢复层的制备过程及结构示意图；
图3为本公开实施例1的AlGaN基紫外发光二极管的外延结构示意图；
图4为本公开实施例2的恢复层的制备过程及结构示意图；
图5为本公开实施例2的AlGaN基紫外激光二极管的外延结构示意图。
具体实施方式
本公开提供了一种AlGaN基紫外发光器件及制备方法，首先在AlN模板上生长AlN或AlGaN薄层，使其表面带有一定密度的六方凸台。在生长AlGaN过程中，AlGaN先在六方凸台上成核生长，此时AlGaN成三维岛状生长，使得表面粗化，应力获得充分释放，但此过程生成较多位错。然后n型AlGaN经过岛间合并后转化为二维平面生长，形成原子级平整表面，位错大幅湮灭，显著改善n型AlGaN薄膜质量。最后在其上生长紫外发光器件结构，获得高弛豫度AlGaN基紫外发光器件，并提高其光电性能。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种AlGaN基紫外发光器件的制备方法，结合图1和图2-图5所示，所述AlGaN基紫外发光器件的制备方法，包括：
操作S1：在衬底上制备平坦的AlN模板；
操作S2：在所述AlN模板上，生长具有六方凸台表面形貌的恢复层；
操作S3：在所述恢复层上三维模式生长AlGaN得到具有岛状凸起的3D-AlGaN层；
操作S4：在所述3D-AlGaN层上二维模式生长n型AlGaN得到2D-AlGaN层；以及
操作S5：在所述2D-AlGaN层生长紫外发光器件的功能层，完成紫外发光器件的制备。
根据本公开实施例，衬底的制备材料选自蓝宝石、SiC；所述恢复层的制备材料选自AlN或AlGaN。
根据本公开实施例，六方凸台为底面是六边形，顶面平坦的凸起结构，所述六方凸台宽度尺寸大于10nm，高度大于5nm，密度大于105cm-2。
根据本公开实施例，3D-AlGaN层被构造成用于应力释放，产生位错；所述3D-AlGaN层厚度小于等于3μm，掺杂Si元素或者不掺杂Si元素。
根据本公开实施例，2D-AlGaN层被构造成用于位错湮灭，以进一步释放应力，提高薄膜质量，改善表面形貌，2D-AlGaN层厚度为1～10μm；掺杂元素为Si，掺杂浓度为1017cm-3～1021cm-3。
根据本公开实施例，紫外发光器件包括紫外发光二极管或紫外激光二极管。
根据本公开实施例，制备平坦的AlN模板的工艺选自磁控溅射、MOCVD、HVPE或MBE。当采用磁控溅射工艺时，在衬底上采用磁控溅射获得10nm～2μm厚的AlN层；再将溅射好的AlN层进行高温氮气退火；当采用MOCVD、HVPE或MBE工艺时，在衬底上采用MOCVD或MBE技术生长表面平整的高质量AlN薄膜得到AlN模板，厚度为100nm～4μm，；并可选择性地进行高温氮气退火以进一步提升AlN薄膜质量。
根据本公开实施例，紫外发光二极管的功能层自下至上包括：单量子阱或多量子阱结构层，电子阻挡层，pAlGaN空穴传输层，p型接触层；
根据本公开实施例，紫外激光二极管的功能层自下至上包括：下波导层，单量子阱或多量子阱结构层，上波导层，电子阻挡层，pAlGaN光限制层，p型接触层。
本公开的另一方面，提供一种AlGaN基紫外发光器件，采用以上所述的制备方法制备而成，所述紫外发光器件自下而上包括：
衬底；
AlN模板；
恢复层，制备材料选自AlN或AlGaN，具有六方凸台表面形貌；
3D-AlGaN层，被构造成基于所述六方凸台表面形貌形成于具有岛状凸起的3D-AlGaN层；
2D-AlGaN层，被构造成制备于3D-AlGaN层上并填充于岛状凸起之间以形成平整表面；以及
紫外发光器件的功能层，述紫外发光器件包括紫外发光二极管或紫外激光二极管。
实施例1
以制备紫外发光二极管为例进行说明，结合图1、图2和图3所示，高弛豫度AlGaN基紫外发光二极管生长方法的核心思路，主要分为三个部分：一是在AlN模板上生长表面具有一定密度六方凸台的AlN薄膜；二是采用先三维岛状生长AlGaN使其粗化且应力释放，再进行岛间合并并转为二维生长n型AlGaN，获得高质量n型AlGaN厚膜；三是继续生长紫外发光二极管各层结构。具体包括：
首先，在c面蓝宝石衬底上采用磁控溅射获得10～2μm厚的AlN层，所选用高纯Al靶材(99.9999at％)，衬底温度范围500℃～750℃，气氛为氮气，氮气流量控制在50～500sccm，射频溅射功率范围从500～3000W，AlN薄膜的沉积速率在0.1～1nm/s。
将溅射好的AlN模板面对面的放入退火炉中进行高温退火处理，抑制AlN分解。退火时间为1～20h，温度范围控制在1600℃～1800℃，气氛为氮气。
进一步地，将制备好的AlN/蓝宝石模板转移至MOCVD腔室，对模板表面进行氮化处理，温度为1100～1300℃，气氛为氢气+氨气，压力不高于100mbar，用于获得平整的表面。
进一步地，用较低的V/III比准同质外延AlN，厚度为200～1500nm，V/III为1～100，温度为1100～1300℃，压力为20～100mbar，用以获得具有六方凸台的AlN表面。
进一步地，进行AlGaN的三维生长。依据设计的Al组分来优化温度、V/III和厚度，使得表面成岛状生长。温度范围为1000～1150℃，生长压力不高于100mbar，厚度优选为500～3000nm。
进一步地，进行n型AlGaN的岛间合并及二维生长。依据设计的Al组分来优化温度、V/III和厚度，使岛间合并转为二维生长，最终获得表面平整的n型AlGaN厚膜。生长温度范围为1000～1150℃，生长压力不高于100mbar，厚度优选为1～5μm。过厚的AlGaN薄膜在生长时容易产生裂纹。
接下来生长紫外激光发光二极管结构，其结构如图3所示，各层Al组分的高/低关系用颜色的深/浅示出，例如按Al组分的大小各层排序为：AlN模板>恢复层>3D-AlGaN、2D-nAlGaN层、pAlGaN空穴传输层>量子阱有源层，具体组分则须经过仿真各波段的器件结构来确定。
首先，外延uAlxGa1-xN/AlyGa1-yN单量子阱或多量子阱结构，其中0≤x＜y≤1；每个周期内阱和垒的厚度为1～5nm/5～15nm，包含1～5个周期结构。量子垒可以掺Si，也可以不掺Si。
进一步地，外延电子阻挡层，厚度优选为5～50nm，Al组分须高于量子垒，目的是阻挡电子泄漏。
进一步地，外延pAlGaN空穴传输层，该层可以为单一Al组分层或Al组分渐变层，优选为单一Al组分层，厚度优选为10～200nm。掺杂剂为Mg，掺杂浓度为1017～1021cm-3或1018～1020cm-3。
进一步地，外延p型接触层，厚度优选为3～20nm，用以做P型电极的欧姆接触。该层可为pAlGaN层、pGaN层、pAlGaN/nAlGaN隧穿结结构。
本公开实施例的方案主要通过在AlN模板上生长一层AlN，使其表面形成一定密度的六方凸台来诱导AlGaN快速实现三维岛状生长，释放压应力。然后继续进行n型AlGaN的二维生长，并通过岛间合并转为二维生长，在此过程中位错合并湮灭，并进一步释放应力，实现表面平整的高质量的高弛豫度AlGaN外延薄膜，并在此基础上外延紫外发光二极管器件结构。
实施例2
提供一种高弛豫度的AlGaN基紫外激光二极管的生长方法，结合图1、图4、图5所示，核心思路主要分为三个部分：一是在AlN模板上生长表面具有一定密度六方凸台的AlGaN薄膜；二是采用先三维岛状生长AlGaN使其粗化且应力释放，再进行岛间合并并转为二维生长n型AlGaN，获得高质量n型AlGaN厚膜；三是继续生长紫外激光二极管各层结构。具体包括：
首先，在c面蓝宝石衬底上采用MOCVD技术生长表面平整的高质量AlN薄膜得到MO-AlN，其厚度为100nm～4μm。
进一步地，在AlN模板上直接生长AlGaN，厚度为200～1500nm，V/III为100～5000，温度为1000～1150℃，压力为20～100mbar，用以获得具有六方凸台的AlGaN表面。
进一步地，进行AlGaN的三维生长。依据设计的Al组分来优化温度、V/III和厚度，使得表面成岛装生长。温度范围为1000～1150℃，生长压力不高于100mbar，厚度优选为500～3000nm。
进一步地，进行n型AlGaN生长，实现岛间合并及二维生长。依据设计的Al组分来优化温度、V/III和厚度，使岛间合并转为二维生长，位错湮灭，最终获得表面平整的高质量n型AlGaN厚膜。生长温度范围为1000～1150℃，生长压力不高于100mbar，厚度优选为1～5μm。过厚的AlGaN薄膜在生长时容易产生裂纹。
接着外延紫外激光二极管结构，其结构如图5所示，各层Al组分的高/低关系用颜色的深/浅示出，例如按Al组分的大小各层排序为：AlN模板≥电子阻挡层>pAlGaN光限制层≥AlGaN恢复层、3D-AlGaN层、2D-nAlGaN光限制层>uAlGaN上波导层、下波导层≥量子阱有源区，具体组分则须经过仿真各激射波段的器件结构来确定。具体包括：
第一步，外延uAlzGa1-zN下波导层，其厚度优选为30～200nm，Al组分须低于上述n型AlGaN层用以提供光限制；不引入掺杂剂可以降低激光谐振的损耗。
进一步地，外延uAlxGa1-xN/uAlyGa1-yN单量子阱或多量子阱结构，其中0≤x＜y≤z；每个周期内阱和垒的厚度为1～5nm/5～15nm，包含1～5个周期结构。
进一步地，外延uAlzGa1-zN上波导层，其组分与厚度与下波导层保持一致，用以提高光限制因子；
进一步地，外延电子阻挡层，厚度优选为10～30nm，Al组分须高于波导层，目的是阻挡电子泄漏。
进一步地，外延pAlGaN光限制层，该层优选为Al组分渐变层，厚度优选为200～600nm。可以进行p型掺杂，也可不掺。掺杂剂为Mg，掺杂浓度为1017～1021cm-3，或1018～1021cm-3，利用组分渐变产生的空间极化电荷改善Mg的空穴激活效果。
进一步地，外延p型接触层，厚度优选为3～20nm，用以做P型电极的欧姆接触。该层可为pAlGaN层、pGaN层、pAlGaN/nAlGaN隧穿结结构。
本公开实施例的方案主要通过在AlN模板上生长一层AlGaN，使其表面形成一定密度的六方凸台来诱导后续AlGaN的三维岛状生长，释放压应力。然后继续进行n型AlGaN生长，并通过岛间合并转为二维生长，在此过程中位错合并湮灭，并进一步释放应力，实现表面平整的高质量的高弛豫度AlGaN外延薄膜，并在此基础上外延紫外激光二极管器件结构。
根据本公开实施例，文中所涉及的外延方法包括MOCVD、HVPE或MBE等。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开AlGaN基紫外发光器件及制备方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种AlGaN基紫外发光器件及制备方法，首先在AlN模板上生长AlN或AlGaN薄层，使其表面带有一定密度的六方岛。在生长AlGaN过程中，AlGaN先在六方岛上成核生长，此时AlGaN成三维岛状生长，使得表面粗化，应力获得充分释放，但此过程生成较多位错。然后n型AlGaN经过岛间合并后转化为二维平面生长，形成原子级平整表面，位错大幅湮灭，显著改善n型AlGaN薄膜质量。最后在其上生长紫外发光器件结构，获得高弛豫度AlGaN基紫外发光器件，并提高其光电性能。
还需要说明的是，以上为本公开提供的不同实施例。这些实施例是用于说明本公开的技术内容，而非用于限制本公开的权利保护范围。一实施例的一特征可通过合适的修饰、置换、组合、分离以应用于其他实施例。
应注意的是，在本文中，除了特别指明的之外，具备“一”元件不限于具备单一的该元件，而可具备一或更多的该元件。
此外，在本文中，除了特别指明的之外，“第一”、“第二”等序数，只是用于区别具有相同名称的多个元件，并不表示它们之间存在位阶、层级、执行顺序、或制程顺序。一“第一”元件与一“第二”元件可能一起出现在同一构件中，或分别出现在不同构件中。序数较大的一元件的存在不必然表示序数较小的另一元件的存在。
在本文中，除了特别指明的之外，所谓的特征甲“或”(or)或“及/或”(and/or)特征乙，是指甲单独存在、乙单独存在、或甲与乙同时存在；所谓的特征甲“及”(and)或“与”(and)或“且”(and)特征乙，是指甲与乙同时存在；所谓的“包括”、“包含”、“具有”、“含有”，是指包括但不限于此。
此外，在本文中，所谓的“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、或“之间”等用语，只是用于描述多个元件之间的相对位置，并在解释上可推广成包括平移、旋转、或镜像的情形。此外，在本文中，除了特别指明的之外，“一元件在另一元件上”或类似叙述不必然表示该元件接触该另一元件。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、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AlGaN基紫外发光器件的制备方法，包括：
操作S1：在衬底上制备平坦的AlN模板；
操作S2：在所述AlN模板上，生长具有六方凸台表面形貌的恢复层；
操作S3：在所述恢复层上三维模式生长AlGaN得到具有岛状凸起的3D-AlGaN层；
操作S4：在所述3D-AlGaN层上二维模式生长n型AlGaN得到2D-AlGaN层；以及
操作S5：在所述2D-AlGaN层生长紫外发光器件的功能层，完成紫外发光器件的制备。
2.根据权利要求1所述的制备方法，所述衬底的制备材料选自蓝宝石、SiC；所述恢复层的制备材料选自AlN或AlGaN。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，所述六方凸台为底面是六边形，顶面平坦的凸起结构，所述六方凸台宽度尺寸大于10nm，高度大于5nm，密度大于105cm-2。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，所述3D-AlGaN层被构造成用于应力释放，产生位错；所述3D-AlGaN层厚度小于等于3μm，掺杂Si元素或者不掺杂Si元素。
5.根据权利要求4所述的制备方法，所述2D-AlGaN层被构造成用于位错湮灭，以进一步释放应力，提高薄膜质量，改善表面形貌，2D-AlGaN层厚度为1～10μm；掺杂元素为Si，掺杂浓度为1017cm-3～1021cm-3。
6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，所述紫外发光器件包括紫外发光二极管或紫外激光二极管。
7.根据权利要求1或2所述的制备方法，操作S1中，制备平坦的AlN模板的工艺选自磁控溅射、MOCVD、HVPE或MBE。
8.根据权利要求7所述的制备方法，当采用磁控溅射工艺时，在衬底上采用磁控溅射获得10nm～2μm厚的AlN层；再将溅射好的AlN层进行高温氮气退火；当采用MOCVD、HVPE或MBE工艺时，在衬底上采用MOCVD或MBE技术生长表面平整的高质量AlN薄膜得到AlN模板，厚度为100nm～4μm。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其中，
所述紫外发光二极管的功能层自下至上包括：单量子阱或多量子阱结构层，电子阻挡层，pAlGaN空穴传输层，p型接触层；
所述紫外激光二极管的功能层自下至上包括：下波导层，单量子阱或多量子阱结构层，上波导层，电子阻挡层，pAlGaN光限制层，p型接触层。
10.一种AlGaN基紫外发光器件，采用权利要求1-9任一项所述的制备方法制备而成，所述自外发光器件自下而上包括：
衬底；
AlN模板；
恢复层，制备材料选自AlN或AlGaN，具有六方凸台表面形貌；
3D-AlGaN层，被构造成基于所述六方凸台表面形貌形成于具有岛状凸起的3D-AlGaN层；
2D-AlGaN层，被构造成制备于3D-AlGaN层上并填充于岛状凸起之间以形成平整表面；以及
紫外发光器件的功能层，述紫外发光器件包括紫外发光二极管或紫外激光二极管。
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