非极性AlGaN基深紫外LED外延片及制备方法与流程

本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及非极性algan基深紫外led外延片及制备方法。

背景技术：

深紫外光在国防技术、信息科技、生物制药、环境监测、公共卫生、杀菌消毒等领域具有广大的应用前景。目前所采用的传统紫外光源是气体激光器和汞灯，但存在体积大、能耗高和污染等缺点。algan基化合物半导体紫外发光二极管(led)是一种固态紫外光源，具有体积小、效率高、寿命长、环境友好、低能耗和无污染等优点。高al组分algan材料是制备高性能深紫外led不可替代的材料体系，无论在民用和军用方面都有重大需求，如在杀菌消毒、癌症检测、皮肤病治疗等医疗卫生领域，algan基紫外光源，具有无汞污染、波长可调、体积小、集成性好、能耗低、寿命长等诸多优势。

常规algan基深紫外led结构大多数是生长在c面蓝宝石衬底上。然而在c面蓝宝石上外延的algan材料一般为c面，c面氮化物材料是极性材料，因此algan基深紫外led中存在极强的极化电场。极化电场来自于沿c轴方向的自发极化和压电极化。这种极化会使得深紫外led的多量子阱区能带弯曲严重，电子和空穴的波函数在空间上分离，这种分离导致有源区内电子空穴的有效的复合几率降低，从而影响algan基led发光效率。同时，极化电场使得载流子输运受阻，最终导致载流子分布不均匀。因此，需要抑制材料内部的极化效应来改善器件的发光性能。

但现有技术中提供的algan基深紫外led外延片各项性能还有待提高。

技术实现要素：

本发明的目的是非极性algan基深紫外led外延片及制备方法，旨在解决现有技术中非极性algan基深紫外led外延片性能有待提高的问题。

本发明实施例提供一种非极性algan基深紫外led外延片，其中，包括：生长在r面蓝宝石衬底上的低温aln层、生长在所述低温aln层上的高温aln层、生长在所述高温aln层上的非掺杂a面algan缓冲层、生长在所述非掺杂a面algan层上的n型掺杂a面algan层、生长在所述n型掺杂a面algan层上的a面algan多量子阱层、生长在所述a面algan多量子阱层上的电子阻挡层、生长在所述电子阻挡层上的p型掺杂algan薄膜。

优选的，所述低温aln层的厚度为5～50nm。

优选的，所述高温aln层的厚度为200～500nm。

优选的，所述非掺杂a面algan缓冲层的厚度为500～1000nm。

优选的，所述n型掺杂a面algan层的厚度为3～5μm。

优选的，所述a面algan多量子阱层由7～10个周期的al0.3ga0.7n阱层和al0.5ga0.5n垒层构成。

优选的，所述al0.3ga0.7n阱层的厚度为2～3nm，所述al0.5ga0.5n垒层的厚度为10～13nm。

优选的，所述电子阻挡层为al0.4ga0.6n电子阻挡层，所述电子阻挡层的厚度为20～50nm。

优选的，所述p型掺杂algan薄膜的厚度为300～350nm。

本发明实施例还提供一种如上所述的非极性algan基深紫外led外延片的制备方法，其中，包括：

选取r面蓝宝石衬底；

在所述r面蓝宝石衬底上低温aln层；

在所述低温aln层上生长高温aln层；

在所述高温aln层上生长非掺杂a面algan缓冲层；

在所述非掺杂a面algan缓冲层上生长n型掺杂a面algan层；

在所述n型掺杂a面algan层上外延生长a面algan多量子阱层；

在所述a面algan多量子阱层上外延生长电子阻挡层；

在所述电子阻挡层上外延生长p型掺杂algan薄膜。

本发明实施例提供了非极性algan基深紫外led外延片及制备方法，所述非极性algan基深紫外led外延片包括：生长在r面蓝宝石衬底上的低温aln层、生长在所述低温aln层上的高温aln层、生长在所述高温aln层上的非掺杂a面algan缓冲层、生长在所述非掺杂a面algan层上的n型掺杂a面algan层、生长在所述n型掺杂a面algan层上的a面algan多量子阱层、生长在所述a面algan多量子阱层上的电子阻挡层、生长在所述电子阻挡层上的p型掺杂algan薄膜，本发明所制备的非极性algan基深紫外led外延片缺陷密度低、结晶质量好，电学、光学性能佳。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的非极性algan基深紫外led外延片的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的非极性algan基深紫外led外延片的制备方法的流程示意图；

图3为本发明实施例制备的非极性algan基深紫外led外延片的电致发光图谱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

本发明实施例提供一种非极性algan基深紫外led外延片，如图1所示，包括：生长在r面蓝宝石衬底101上的低温aln层102、生长在所述低温aln层102上的高温aln层103、生长在所述高温aln层103上的非掺杂a面algan缓冲层104、生长在所述非掺杂a面algan层104上的n型掺杂a面algan层105、生长在所述n型掺杂a面algan层105上的a面algan多量子阱层106、生长在所述a面algan多量子阱层106上的电子阻挡层107、生长在所述电子阻挡层107上的p型掺杂algan薄膜108。

本发明实施例提供的非极性algan基深紫外led外延片，其生长在r面蓝宝石衬底101上，缺陷密度低、结晶质量好，电学、光学性能好。通过在r面蓝宝石衬底上生长非极性algan材料(包含非掺杂a面algan缓冲层和n型掺杂a面algan层)及多量子阱有源层，有效解决极性效应，有效改善了led发光性能。

本发明实施例中，对于极性iii族氮化物材料，其生长方向与材料的极化方向平行，在生长方向存在高达mv/cm数量级的极化电场。该极化电场会使量子阱的能带发生弯曲，导致量子阱处电子与空穴的波函数在空间上发生分离，降低电子与空穴的复合效率，最终使器件的发光效率严重下降，此即所谓的量子限制斯塔克效应(qcse)。而对于非极性iii族氮化物材料，其极化电场的方向与材料的生长方向垂直。因此非极性iii族氮化物材料的能带不会因极化电场的存在而发生弯曲，电子与空穴的波函数在空间上恰好对齐，即不存在qcse。利用此特性正好可以从根本上解决因qcse而导致深紫外led发光效率降低的问题，也在很大程度上缓解深紫外led随着注入电流的增加而出现效率下滑的问题。另一方面，非极性iii族氮化物材料因其自身的特点，当进行p型掺杂时比极性材料更容易激活，更容易实现高空穴浓度的p型材料。

所述r面蓝宝石衬底101可以为r面取向的普通商用衬底。

在一实施例中，所述低温aln层102的厚度为5～50nm。

在一实施例中，所述高温aln层103的厚度为200～500nm。

在一实施例中，所述非掺杂a面algan缓冲层104的厚度为500～1000nm。

在一实施例中，所述n型掺杂a面algan层105的厚度为3～5μm。具体的，所述n型掺杂a面algan层105掺杂有si，si的掺杂浓度可以是1×10¹⁷～1×10²⁰cm^-3。因为在aln上生长与aln晶格失配的algan，会存在大量的缺陷，因此生长一层非掺杂a面algan作为缓冲层，然后再生长n型掺杂a面algan层105。

在一实施例中，所述a面algan多量子阱层106为7～10个周期的al0.3ga0.7n阱层和al0.5ga0.5n垒层。这里的周期是指一层al0.3ga0.7n阱层和一层al0.5ga0.5n垒层交替设置构成一个周期，且一共设置7～10个周期。

在一实施例中，所述al0.3ga0.7n阱层的厚度为2～3nm，所述al0.5ga0.5n垒层的厚度为10～13nm。

在一实施例中，所述电子阻挡层107为al0.4ga0.6n电子阻挡层，所述电子阻挡层107的厚度为20～50nm。为了避免注入的电子无法高效在有源区进行辐射复合，因此在本发明实施例设置所述电子阻挡层。

在一实施例中，所述p型掺杂algan薄膜108的厚度为300～350nm。

本发明实施例还提供一种如上所述的非极性algan基深紫外led外延片的制备方法，如图2所示，其包括：

s201、选取r面蓝宝石衬底；

s202、在所述r面蓝宝石衬底上低温aln层；

s203、在所述低温aln层上生长高温aln层；

s204、在所述高温aln层上生长非掺杂a面algan缓冲层；

s205、在所述非掺杂a面algan缓冲层上生长n型掺杂a面algan层；

s206、在所述n型掺杂a面algan层上外延生长a面algan多量子阱层；

s207、在所述a面algan多量子阱层上外延生长电子阻挡层；

s208、在所述电子阻挡层上外延生长p型掺杂algan薄膜

在所述步骤s202中，先对所述r面蓝宝石衬底进行氮化处理，然后生长低温aln层。具体可采用分子束外延生长方法对r面蓝宝石衬底进行氮化，工艺条件为：衬底温度为700～900℃，氮等离子体功率为300-450w，氮气流量为1～5sccm，氮化时间为10～50分钟；然后再在氮化后的r面蓝宝石衬底上生长低温aln层，工艺条件为：衬底温度为500～700℃，氮等离子体功率为300-450w，氮气流量为1～5sccm，al束流源的温度为1000～1200℃。

在所述步骤s203中，先对所述低温aln层进行氮化处理，然后生长高温aln层。具体可采用分子束生长方法，先对低温aln层进行氮化，工艺条件为：衬底温度为700～900℃，氮等离子体功率为300-450w，氮气流量为1～5sccm，氮化时间为10～50分钟；然后再在氮化后的低温aln层上生长高温aln层，工艺条件为：衬底温度为800～1100℃，氮等离子体功率为300-450w，氮气流量为1～5sccm，al束流源的温度为1000～1200℃。

在所述步骤s204中，先对所述高温aln层进行氮化处理，然后生长非掺杂a面algan缓冲层。具体可采用分子束生长方法，先对高温aln层进行氮化，工艺条件为：衬底温度为700～900℃，氮等离子体功率为300-450w，氮气流量为1～5sccm，氮化时间为10～50分钟；然后再在氮化后的高温aln层上生长非极性a面algan缓冲层，工艺条件为：衬底温度为800～1100℃，氮等离子体功率为300-450w，氮气流量为1～5sccm，al束流源的温度为1000～1200℃。

在所述步骤s205中，先对所述非掺杂a面algan缓冲层进行氮化处理，然后外延生长n型掺杂a面algan层。具体可采用金属有机化学气相沉积法在所述非掺杂a面algan缓冲层上生长n型掺杂a面algan层，工艺条件为：反应室压力为50～300torr，衬底温度为1000～1260℃，束流比ⅴ/ⅲ为3000～5000，生长速率为2～4μm/h；所述n型掺杂algan层掺杂有si，si掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10²⁰cm^-3。

在所述步骤s206中，在所述n型掺杂a面algan层上外延生长a面algan多量子阱层。具体可采用金属有机化学气相沉积法在所述n型掺杂a面algan层上生长7～10个周期的al0.3ga0.7n阱层/al0.5ga0.5n垒层，工艺条件为：反应室压力为50～300torr，衬底温度为1000～1260℃，束流比ⅴ/ⅲ为3000～5000，生长速率为2～4μm/h

在所述步骤s207中，在所述a面algan多量子阱层上外延生长电子阻挡层。具体可采用金属有机化学气相沉积法在所述a面algan多量子阱层上生长al0.4ga0.6n电子阻挡层，工艺条件为：反应室压力为50～300torr，衬底温度为1000～1260℃，束流比ⅴ/ⅲ为3000～5000，生长速率为2～4μm/h。

在所述步骤s208中，在所述电子阻挡层上外延生长p型掺杂algan薄膜。具体可采用金属有机化学气相沉积法在所述电子阻挡层上生长p型掺杂algan薄膜，工艺条件为：反应室压力为50～300torr，衬底温度为1000～1260℃，束流比ⅴ/ⅲ为3000～5000，生长速率为2～4μm/h。

本发明实施例最终制备的非极性algan基深紫外led外延片，其电致发光图谱如图3所示。

本发明实施例采用r面蓝宝石作为深紫外led的衬底，并采用多次氮化工艺结合分子束外延生长方法，获得了非极性的a面algan材料；本发明实施例的外延结构从根本上消除c面极性algan基材料中存在的强极化问题，消除了led本身内部的自极化，使得有源区的电子和空穴更易发生辐射复合，提高深紫外led内量子效率，改善深紫外led发光；本发明实施例的深紫外led外延片，能有效的减少位错的形成，提高了载流子的辐射复合效率，可制备出高导热、高导电、高发光性能深紫外led；本发明实施例的制备工艺简单，具有可重复性，可实现大规模的生产应用。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。