一种n-SiC衬底AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED芯片及制备方法
【专利摘要】一种n?SiC衬底AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED芯片及其制备方法，属于半导体发光器件领域。其依次由下电极层、n?SiC衬底、n?Alx0Ga1?x0N导电缓冲层、n?AlGaN基DBR下反射层、n?Alx1Ga1?x1N电流扩展层、AlGaN基极化诱导隧道结、p?Alx2Ga1?x2N空穴注入层、AlGaN基量子阱有源区、n?Alx3Ga1?x3N电子注入层、n?AlGaN基DBR上反射层和上电极层构成，0.1≤x0、x1、x2、x3≤0.9。采用与AlGaN晶格更匹配的SiC衬底，改善AlGaN质量，提高内量子效率；利用谐振腔结构，增强TE模偏振光，提高器件光提取效率；通过隧道结实现结构倒置，减弱了极化电场的影响，提高量子阱内载流子复合发光效率。本发明进一步拓展了半导体紫外发光器件的应用范围。
【专利说明】
一种n-S i C衬底AI GaN基垂直结构谐振腔紫外LED芯片及制备 方法
技术领域
[0001] 本发明属于半导体发光器件领域，具体涉及一种n-SiC衬底AlGaN基垂直结构谐振 腔紫外LED芯片及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着GaN(InGaN、AlGaN)基LED研发的不断深入，其技术创新与应用领域不断扩展， 市场也越来越宽广，以AlGaN为主要材料的紫外LED逐渐成为科研人员的研究重点。AlGaN是 直接带隙半导体材料，通过调节A1组分的含量，其带隙可在3.4eV~6.2eV之间变化，波长覆 盖范围为365nm~200nm，涵盖了大部分紫外波段，是制备紫外LED的理想材料。相比于传统 紫外光源，AlGaN基紫外LED具有高效节能、安全环保、可靠耐用、体积小等主要优点，随着技 术的发展会逐步替代原有的紫外灯产品，具有重要研究意义。但是，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。主要原因 在于:AlGaN材料与蓝宝石衬底之间存在较大的晶格失配，这将在外延膜中产生大量位错， 导致器件内量子效率低;高A1组分器件TE模(E丄c轴)偏振光较弱，光提取效率低;量子讲内 极化效应引起强极化电场，导致载流子复合发光效率降低。所以，实现高发光效率AlGaN基 紫外LED是至关重要的，这也是未来紫外LED器件一个重要的研究课题之一。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的就是为解决上述紫外LED发光效率低问题，从提高外延层结晶质量、 简化器件制作工艺和改善器件性能等方面综合考虑，在导电SiC衬底上研制带有隧道结的 AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED。该器件结构既可改善AlGaN外延层质量，又可提高器件的 光提取效率，并可以利用隧道结实现P_n结倒置结构，从而达到提升器件发光效率的目的。
[0004] 本发明的技术方案是：
[0005] 本发明所设计的一种n-SiC衬底AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED芯片(见附图1和
【附图说明】），其特征在于:其从下至上依次由下电极层11、n-SiC衬底1、n-AlxoGa^oN导电缓 冲层2、n-AlGaN基DBR下反射层3、n-Al xlGai-xlN电流扩展层4、AlGaN基极化诱导隧道结5、p-Al X2Gai-X2N空穴注入层6^16&1^基量子阱有源区7、1141^6 &11办电子注入层8、11416&~基081? 上反射层9和上电极层10构成，其中0. Kx0、xl、x2、x3<0.9,电流可在上、下两电极之间垂 直于外延层注入器件;本发明采用与AlGaN晶格更匹配的n-SiC作为衬底1，远小于它与蓝宝 石衬底之间的晶格失配，这非常有利于改善AlGaN外延层质量，降低位错密度，提高器件内 量子效率;利用 n-AlGaN基DBR分别作为下反射层3和上反射层9，构成谐振腔结构，增强TE模 偏振光，提高器件光提取效率;通过AlGaN基极化诱导隧道结5实现p-n结倒置结构，即LED结 构倒序生长，其生长顺序为在下反射层3上依次制备n-Al xlGai-xlN电流扩展层4、AlGaN基极 化诱导隧道结5、p-Al X2Gai-X2N空穴注入层6、AlGaN基量子阱有源区T^-Al^GahsN电子注入 层8。正向电流可通过n-SiC衬底1导入，依次穿过n-AlxoGa^oN导电缓冲层2、n-AlGaN基DBR 下反射层3、n-AlxiGai-xiN层电流扩展4,并最终穿过隧道结5进入p-Alx2Gai-x2N空穴注入层6。 与n型电子注入层和p型空穴注入层分别位于有源区下面和上面的常规LED结构相比，p-n结 倒置结构可减弱极化电场的影响，提高量子阱内载流子复合发光效率。
[0006] 如上所述的一种n-SiC衬底AlGaN基垂直导电结构谐振腔紫外LED芯片，采用n-AlGaN基DBR作为上反射层9和下反射层3形成谐振腔;其特征在于:DBR由n-Al X4Gai-X4N层和 n_Alx5Gai-x5N层交替生长组成(0? Kx4、x5<0.9,且x4辛x5)，每层厚度可由公式d = V4n(d 为层厚，A为DBR的中心波长，n为折射率)决定，通过两层组分差和对数可以控制DBR的反射 率;其中，上反射层9中DBR的对数为15~20对，反射率为75 %~80 % ;下反射层3中DBR对数 为30~50对之间，反射率为95%以上；并且，通过调整谐振腔内各层厚度，可以实现谐振腔 的腔模谐振波长、DBR的中心波长、有源区的发光谱峰值波长三者相匹配。
[0007] 如上所述的一种n-SiC衬底AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED芯片，其特征在于： AlGaN基极化诱导隧道结5由下至上依次由n_Alx6Gai-x6N层12、Alx7Gai-x7N极化诱导层13和p-Alx6G ai-x6N层14构成（见附图2和【附图说明】，即n-AlxsGa^sN层12位于n-AlxlG ai-xlN电流扩展 层4的上面，p_Alx6Gai-x6N层14位于p_Alx2Gai-x2N空穴注入层6的下面），其中O.Kx6<x7< 0.9;由于AlGaN的强极化效应，在Al X7Gai-X7N极化诱导层13界面两侧将分别产生高密度的二 维空穴气和电子气，从而提高了 AlGaN基极化诱导隧道结的隧穿几率和隧穿电流。
[0008] -种如上所述的n-SiC衬底AlGaN基垂直导电结构谐振腔紫外LED芯片的制备方 法，其步骤如下：
[0009] (1)在n-SiC衬底1上采用M0CVD方法依次外延生长n-AlxoGa^oN导电缓冲层2(厚度 50~10011111)、11-4163~基081?下反射层3(081?对数在30~50对之间，反射率95%以上，厚度2~ 3ym)、n_AlxiGai-xiN电流扩展层4(厚度200~300nm)、AlGaN基极化诱导隧道结5(p_Alx6Gai-x6N层14厚度为100~200nm，Alx7Gai-x7N极化诱导层13厚度为5~15nm，n_Alx6Gai-x6N层12厚度 为100~SOOnmhp-Al^Gap x2N空穴注入层6(厚度200~300nm)、AlGaN基量子阱有源区7(量 子讲由讲层AIxsGai-xsN和皇层Al X9Gai-X9N交替生长组成，对数在3~5对之间，每个讲层的厚 度2~5]1111，每个皇层的厚度10~2〇11111，其中0^^8<19<0.9)、11-厶]^3631-\3~电子注入层8(厚 度200~300nm)、n-AlGaN基DBR上反射层9(DBR对数在15~20对之间，反射率控制在75%~ 80 %之间，厚度1~2wii)，从而制备得到AlGaN基谐振腔紫外LED结构;生长源为三甲基铝、三 甲基镓和高纯氨气，生长温度为1000~1200°C，生长压强为100~300mbar，并利用硅烷和二 茂镁分别进行n型和p型掺杂，掺杂浓度为10 17~102()/Cm3。
[0010] (2)在n-AlGaN基DBR上反射层9上制备上电极层10(厚度30~120nm)，在n-SiC衬底 背面制备下电极层11(厚度60~lOOnm);电极材料可以是Au、Ni等单质材料或Ni-Au、Ti-Au、 Zn_Au、Pt_Au等二元合金材料，也可以是!';[-?1：-411、1';[-附-411或附-?1：-411等三元合金材料， 制备电极的方法可采用热蒸镀、电子束蒸镀或磁控溅射方法。
[0011] 本发明的效果和益处:本发明采用与AlGaN晶格更匹配的SiC衬底，改善AlGaN质 量，提高内量子效率;利用DBR形成谐振腔，提高光提取效率;通过隧道结实现pn结倒置，减 弱极化电场影响，提高量子阱内载流子复合发光效率。同时，垂直结构LED可有效避免电流 拥堵效应。本发明方法可以获得高效的AlGaN基紫外LED，进一步拓展半导体紫外发光器件 的应用范围。
【附图说明】
[0012] 图1:本发明所述AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED的结构示意图；
[0013] 图2:本发明所述AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED结构中的AlGaN基极化诱导隧道 结的结构示意图，其中"+"和分别表示界面处形成的正极化电荷与负极化电荷；
[0014]图3:实施例1制备的LED的DBR的扫描电子显微镜照片；
[0015] 图4:实施例1制备的LED的电注入发光谱图；
[0016] 图5:常规的LED与实施例1制备的LED的光输出强度对比图。
[0017] 图中标识，1为n-SiC衬底，2为n-AlxoGai-x〇N导电缓冲层，3为下反射层(n-AlGaN基 下DBR)，4为n-AlxlGai-xlN电流扩展层，5为AlGaN基极化诱导隧道结，6为p-Al^Gai x2N空穴注 入层，7为AlGaN基量子阱有源区，8为n-Al^GamN电子注入层、9为上反射层(n-AlGaN基上 DBR)，10为上电极层，11为下电极层，12为n-Alx6Gai-x6N层，13为Al x7Gai-X7N极化诱导层，14为 p_Alx6Gai-x6Nj警。
【具体实施方式】
[0018] 以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
[0019] 实施例1:
[0020] 1.采用MOCVD方法，在商用n-SiC衬底上一次性外延制备AlGaN基紫外LED结构，如 图1所示。具体结构如下：在n-SiC(掺杂浓度为2X10 18/cm3)衬底上1依次制备n-AlQ.3Ga〇.7N 导电缓冲层2(厚度80nm)、n_AlGaN基DBR下反射层3(由34nm厚n-Alo.iGao.gN层和36nm厚n_ Alo. 3Gao.7N层交替生长组成，掺杂浓度分别为2 X 1018/cm3和4 X 1018/cm3，对数为30，反射率 为95 % )、n-Al〇. Wao. 9N层电流扩展层4(掺杂浓度5 X 1017/cm3，厚度200nm)、AlGaN基极化诱 导隧道结5 (Alo. 3Gao. 7N极化诱导层13厚度10nm，该层未掺杂；n-Alo. iGao. gN层12和p-Al0.iGa0.9N层 14厚度均为lOOnm，掺杂浓度分别为4X 1018/cm3和 1 X 102Q/cm3) 4-Alo.iGao.9N 空穴注入层6(掺杂浓度lX102()/cm3,厚度200nm)、AlGaN基量子阱有源区7(量子阱对数为3 对，讲层为GaN，厚度2nm;皇层为Alo.iGao.gN，厚度10nm)、n-Al〇.iGa〇.9N电子注入层8(掺杂浓 度2X10 18/cm3,厚度200nm)、n-AlGaN基DBR上反射层9(由34nm厚n-Alo.iGao.9N层和36nm厚n-Alo.3Gao.7N层交替生长组成，掺杂浓度分别为2X10 18/cm3和4X1018/cm 3,对数为15对，反射 率为75 % )。生长源为三甲基铝、三甲基镓和高纯氨气，利用硅烷和二茂镁分别进行n型和p 型掺杂，AlGaN导电缓冲层2生长温度为1100°C，反应压强为lOOmbar，其他各层生长温度均 为1060°C，反应压强为300mbar。器件各层具体生长参数见表1。图3为AlGaN基DBR的扫描电 子显微镜照片，可以发现周期性DBR结构形成，且界面特性良好。
[0021] 2.上、下表面分别采用热蒸镀方法制备Ni/Au电极层10(厚度60nm，Ni层厚度为 30nm，Au层厚度为30nm)和Ni电极层11(厚度80nm)，实现垂直结构AlGaN基紫外LED。电极的 具体制备工艺见表2。
[0022] 3.图4所示为器件在不同驱动电流下的电致发光谱，此时器件的下电极连接直流 电源的正极，上电极连接负极。在5mA、1 OmA、15mA、20mA、25mA和30mA的正向电流下，发光谱 在360nm处均显示出紫外发射峰。从图5中还可以发现，相比常规LED，谐振腔LED器件其输出 光强度较以往提高了2倍。由上面一些数据可以看出本发明方案的优越性和效果。
[0023]表1:垂直结构谐振腔紫外LED的各层生长参数
[0025] 表1附注：TMGa代表三甲基镓;TMA1代表三甲基铝；Cp2Mg代表二茂镁；SiH4代表硅 烷;NH3代表高纯氨气。
[0026]表2:器件电极制备工艺参数
【主权项】
1. 一种n-SiC衬底AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED芯片，其特征在于:其依次由下电极 层（ll)、n-SiC 衬底（Ihn-Alxt)Ga1-xqN 导电缓冲层（2)、n-AlGaN 基 DBR 下反射层（3)、n-AlxlGa1-X1N电流扩展层（4)、AlGaN基极化诱导隧道结（5) W-Alx2Ga1-X2N空穴注入层（6)、 AlGaN基量子阱有源区（7 )、Ii-Alx3Ga1-X3N电子注入层(8 )、n-AlGaN基DBR上反射层(9)和上电 极层（10)构成，0.1 彡χ〇、χ1、χ2、χ3<0·9; 其中，n-AlGaN基DBR由n_Alx4Gai-χ4Ν层和n_Alx5Gai-χ5Ν层交替生长组成，0 · Κχ4、χ5< 0.9，且χ4辛χ5，上反射层(9)中DBR的对数为15~20对，反射率为75 %~80 % ;下反射层(3) 中DBR对数为30~50对之间，反射率为95%以上； AlGaN基极化诱导隧道结(5)由下至上依次由n_Alx6Gai-χ6Ν层（12)、Alx7Gai-χ7Ν极化诱导 层（13)和 P-Alx6Gapx6N 层（14)构成，其中 0.1 彡χ6<χ7彡0.9; AlGaN基量子阱有源区（7)由阱层Alx8Ga1-X8N和皇层Al x9Ga1-X9N交替生长组成，对数在3 ~5对之间，0彡χ8<χ9彡0.9。2. 如权利要求1所述的一种n-SiC衬底AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED芯片，其特征在 于:Ii-AlxoGa 1-xQN导电缓冲层(2)的厚度为50~100nm、n-AlGaN基DBR下反射层⑶的厚度为2 ~3ym、n_AlxiGai-xiN 电流扩展层(4)的厚度为 200 ~300nm、p_Alx6Gai-x6N 层（14)的厚度为 100 ~200nm、Alx7Gai-x7N极化诱导层（13)的厚度为5~15nm、n_Alx6Gai-x6N层（12)的厚度为100~ SOOnnKp-Alx2Ga1-X2N空穴注入层(6)的厚度为200~300nm、AlGaN基量子阱有源区（7)中每个 讲层AlxsGai-x8N的厚度为2~5nm、每个皇层AlxgGai- xgN的厚度为10~20nm、n_Alx3Gai-x3N电子 注入层（8)的厚度为200~300nm、n-AlGaN基DBR上反射层（9)的厚度为1~2μπι、上电极层 (10)的厚度为30~120nm、下电极层（11)的厚度为60~IOOnm03. 如权利要求1所述的一种n-SiC衬底AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED芯片，其特征在 于：电极材料是Au、Ni单质材料，Ni-Au、Ti-Au、Zn-Au、Pt-Au二元合金材料，Ti-Pt-Au、Ti-Ni-Au、Ni-Pt-Au三元合金材料中的一种。4. 权利要求1所述的n-SiC衬底AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED芯片的制备方法，其步 骤如下： (1) 在n-SiC衬底（1)上采用MOCVD方法依次外延生长Ii-AlxOGa1-xQN导电缓冲层（2)、n-AlGaN基DBR下反射层（3 )、Ii-AlxlGa1-X1N电流扩展层（4 )、AlGaN基极化诱导隧道结（5 )、P-Alx2Ga1-X2N空穴注入层（6)、AlGaN基量子阱有源区（7)、η-Α1 χ36&1-χ3Ν电子注入层（8)、n-AlGaN基DBR上反射层（9);生长源为三甲基铝、三甲基镓和高纯氨气，生长温度为1000~ 1200°C，生长压强为100~300mbar，利用硅烷和二茂镁分别进行η型和p型掺杂，掺杂浓度为 IO17 ~IO2tVcm3; (2) 在n-AlGaN基DBR上反射层(9)上制备上电极层（10)，在n-SiC衬底背面制备下电极 层(11)，从而制备得到n-SiC衬底AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED芯片。5. 如权利要求4所述的n-SiC衬底AlGaN基垂直结构谐振腔紫外LED芯片的制备方法，其 特征在于：制备上电极层（10)和下电极层（11)的方法为热蒸镀、电子束蒸镀或磁控溅射方 法。
【文档编号】H01L33/02GK105957934SQ201610263454
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】张源涛, 李鹏翀, 杜国同, 闫龙, 韩煦, 董鑫, 张宝林
【申请人】吉林大学