AlInGaN基紫外LED外延结构及其制造方法与流程

本发明涉及LED技术领域，尤其涉及一种紫外LED外延结构及其制造方法。

背景技术：

发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）被广泛的应用于显示器、电视机采光装饰和照明。

随着技术的发展，紫外发光二极管（UV LED）在生物医疗、防伪鉴定、净化( 水、空气等)领域、计算机数据存储和军事等方面有着广阔的市场应用前景。除此之外，紫外LED也越来越受到照明市场的关注。因为通过紫外LED激发三基色荧光粉，可获得普通照明的白光。

然而，铝氮化镓(AlInGaN)基紫外LED外延生长于蓝宝石衬底, 发光阱承受张应力，导致轻孔穴带能量较重孔穴带高，使得辐射复合时光的极化呈现横磁（TM）模态，光的传播倾向于平面传播，光在平面内经多次反射后被吸收损耗，进而影响光的输出。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种AlInGaN基紫外LED外延结构及其制造方法，以解决紫外LED因光在平面传播时被损耗而造成出光效率低的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种AlInGaN基紫外LED外延结构，所述LED外延结构依次包括：

衬底；

高温u-AlGaN层；

位于所述高温u-AlGaN层上的高温n-AlGaN层；

位于所述高温n-AlGaN层上的n-AlGaN粗化层；

位于所述n-AlGaN粗化层上的低温AlInGaN/AlGaN超晶格层，所述低温AlInGaN/AlGaN超晶格层包括层叠设置的低温AlInGaN层和低温AlGaN层；

位于所述低温AlInGaN/AlGaN超晶格层上的高温p-AlGaN电子阻挡层；

位于所述高温p-AlGaN电子阻挡层上的高温p-AlGaN披覆层；

位于所述高温p-AlGaN披覆层上的高温p-GaN接触层；

其中，所述衬底与高温u-AlGaN层之间设置SiO₂图形化掩模和缓冲层。

作为本发明的进一步改进，所述SiO₂图形化掩模为正三角形阵列排布，相邻所述正三角形之间设置间隔。

作为本发明的进一步改进，所述正三角形边长1~5μm。

作为本发明的进一步改进，相邻的所述正三角形之间间隔0.1~0.5μm。

作为本发明的进一步改进，所述缓冲层位于所述相邻正三角形之间的间隔处。

作为本发明的进一步改进，所述SiO₂图形化掩模制备于所述缓冲层上。

作为本发明的进一步改进，所述缓冲层为AlGaN或AlN缓冲层。

作为本发明的进一步改进，所述AlInGaN/AlGaN超晶格层包括3~15个周期层叠设置的低温AlInGaN层和低温AlGaN层。

相应地，一种AlInGaN基紫外LED外延结构的制造方法，所述方法包括以下步骤：

S1、将预作SiO₂图形的衬底放置在MOCVD反应室中的载盘上，并在1080~1100℃下对衬底进行高温处理5~10分钟；

S2、在500~550℃、200~500Torr条件下，外延生长10~30nm的缓冲层；

S3、在1080~1200℃、50~200Torr条件下，生长2~4μm的高温u-AlGaN层；

S4、在1080~1150℃、100~200Torr条件下，生长1~2μm的高温n-AlGaN层，掺杂浓度为5E18~1E19；

S5、在900~1050℃、300~600Torr条件下，生长0.5~1μm的n-AlGaN粗化层, 掺杂浓度为5E18~1E19；

S6、在950~1100℃、200~300Torr条件下，依次生长1~50nm的低温AlInGaN层和AlGaN层，重复3~15个周期，形成低温AlInGaN/AlGaN超晶格层；

S7、在950~1100℃、100~400Torr条件下，生长30~100nm的高温p-AlGaN电子阻挡层；

S8、在950~1100℃、100~400Torr条件下，生长20~80nm的高温p-AlGaN披覆层；

S9、在800~1000℃、100~400Torr条件下，生长5~20nm的高温p-GaN接触层。

相应地，又一种AlInGaN基紫外LED外延结构的制造方法，所述方法包括以下步骤：

S1’、于衬底上炉外制备缓冲层；

S2’、于缓冲层上镀覆SiO₂并制作图形，以氢氟酸、BOE或等离子体将图形间隔区域的SiO₂刻蚀去除；

S3’、在1080~1200℃、50~200Torr条件下，生长2~4μm的高温u-AlGaN层；

S4’、在1080~1150℃、100~200Torr条件下，生长1~2μm的高温n-AlGaN层，掺杂浓度为5E18~1E19；

S5’、在900~1050℃、300~600Torr条件下，生长0.5~1μm的n-AlGaN粗化层, 掺杂浓度为5E18~1E19；

S6’、在950~1100℃、200~300Torr条件下，依次生长1~50nm的低温AlInGaN层和AlGaN层，重复3~15个周期，形成低温AlInGaN/AlGaN超晶格层；

S7’、在950~1100℃、100~400Torr条件下，生长30~100nm的高温p-AlGaN电子阻挡层；

S8’、在950~1100℃、100~400Torr条件下，生长20~80nm的高温p-AlGaN披覆层；

S9’、在800~1000℃、100~400Torr条件下，生长5~20nm的高温p-GaN接触层。

与现有技术相比，本发明采用n型AlGaN粗化层，后续外延层延续此粗化表面生长，从而打断连续的二维平面生长，使发光区所产生的光得以从侧面输出，避免光于平面内多次反射最终被吸收损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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为本发明中AlInGaN基紫外LED外延结构的结构示意图；

图2为本发明中衬底层的结构示意图；

图3为图2中SiO₂图形的局部放大示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。

参图1所示，本发明公开了一种AlInGaN基紫外LED外延结构，从下向上依次包括：衬底10、缓冲层20、高温u-AlGaN层30、高温n-AlGaN层40、n-AlGaN粗化层50、低温AlInGaN/AlGaN超晶格层60、高温p-AlGaN电子阻挡层70、高温p-AlGaN披覆层80及高温p-GaN层90。

本发明的外延结构采用n-AlGaN粗化层50，后续外延层延续此粗化表面生长，最终表面呈现不平整的状态，形成粗化V型开口100，为低温AlInGaN/AlGaN紫外发光层60限定一侧面出光通道。如图1箭头所示，低温AlInGaN/AlGaN超晶格层60产生的光线至少部分从粗化V型开口100输出，提高了出光效率。

应当理解的是，本发明中各外延层所定义的“高温”或“低温”分别对应不同外延层生长工艺中的不同温度，不同外延层中的“高温”或“低温”对应的范围不同。

具体地，以下对LED外延结构的各外延层进行具体说明。

衬底10，优选地，该衬底为图形化蓝宝石衬底，当然，衬底也可以为平片蓝宝石衬底、或其他材料的平片或图形化衬底。衬底10可预作SiO₂图形，参考图2及图3，SiO₂图形包含密集排布的正三角形阵列，相邻正三角形之间设置间隔。其中，正三角形边长1~5μm，间隔0.1~0.5μm。SiO₂图形间隔处为衬底裸露区域，以SiO₂为掩模，后续外延层于此衬底裸露区域外延生长。

缓冲层20，为低温AlGaN层或AlN层等。进一步地，缓冲层可以在MOCVD原位生长，也可以预先使用物理沉积方式如溅射进行预生长。其中，若使用预生长AlN工艺，可先对衬底10进行AlN生长以制备缓冲层20，再进行SiO₂ 图形制备，使AlN缓冲层20局部裸露。

高温u-AlGaN层30（1080~1200℃、50~200Torr条件下生长），该层厚度为2~4μm。

高温n-AlGaN层40（1080~1150℃、100~200Torr条件下生长），该层厚度为1~2μm，掺杂浓度为5E18~1E19。

n-AlGaN粗化层50（900~1050℃、300~600Torr条件下生长），该层厚度为0.5~1μm，掺杂浓度为5E18~1E19。

低温AlInGaN/AlGaN超晶格层60（950~1100℃、200~300Torr条件下生长），低温AlInGaN/AlGaN超晶格层包括层叠设置的1~50nm的低温AlInGaN层和低温AlGaN层，如此形成发光层。

高温p-AlGaN电子阻挡层70（950~1100℃、100~400Torr条件下生长），该层厚度为30~100nm。

高温p-AlGaN披覆层80（950~1100℃、100~400Torr条件下生长），该层厚度为20~80nm。

高温p-GaN接触层90（800~1000℃、100~400Torr条件下生长），该层厚度为5~20nm。

相应地，一种AlInGaN基紫外LED外延结构的制造方法，具体包括以下步骤：

S1、将预作SiO₂图形的衬底放置在MOCVD反应室中的载盘上，并在1080~1100℃下对衬底进行高温处理5~10分钟；

S2、在500~550℃、200~500Torr条件下，外延生长10~30nm的缓冲层；

S3、在1080~1200℃、50~200Torr条件下，生长2~4μm的高温u-AlGaN层；

S4、在1080~1150℃、100~200Torr条件下，生长1~2μm的高温n-AlGaN层，掺杂浓度为5E18~1E19；

S5、在900~1050℃、300~600Torr条件下，生长0.5~1μm的n-AlGaN粗化层, 掺杂浓度为5E18~1E19；

S6、在950~1100℃、200~300Torr条件下，依次生长1~50nm的低温AlInGaN层和AlGaN层，重复3~15个周期，形成低温AlInGaN/AlGaN量子阱超晶格层；

S7、在950~1100℃、100~400Torr条件下，生长30~100nm的高温p-AlGaN电子阻挡层；

S8、在950~1100℃、100~400Torr条件下，生长20~80nm的高温p-AlGaN披覆层；

S9、在800~1000℃、100~400Torr条件下，生长5~20nm的高温p-GaN接触层。

相应地，又一种AlInGaN基紫外LED外延结构的制造方法，具体包括以下步骤：

S1’、于衬底上炉外制备缓冲层；

S2’、于缓冲层上镀覆SiO₂并制作图形，以氢氟酸、BOE或等离子体将图形间隔区域的SiO₂刻蚀去除；

其余步骤同前述S3~S9。

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例一：

本实施例中的AlInGaN基紫外LED外延结构从下向上依次包括：

衬底，该衬底为图形化蓝宝石衬底或平片蓝宝石衬底。

SiO₂掩模，呈正三角形阵列排布，边长1~5μm，正三角形间间隔0.1~0.5μm。

缓冲层（540℃、300Torr条件下生长），缓冲层为低温AlGaN层，该层厚度为30nm。

高温u-AlGaN层（1120℃、50Torr条件下生长），该层厚度为3μm。

高温n-AlGaN层（1100℃、50Torr条件下生长），该层厚度为1.5μm，掺杂浓度为8E18。

n-AlGaN粗化层（900℃、500Torr条件下生长），该层厚度为0.7μm。

低温AlInGaN/AlGaN紫外发光层（980℃、100Torr条件下生长）。

高温p-AlGaN电子阻挡层（950℃、100Torr条件下生长），该层厚度为30nm。

高温p-AlGaN披覆层（980℃、100Torr条件下生长），该层厚度为40nm。

高温p-GaN层（880℃、100Torr条件下生长），该层厚度为8nm。

相应地，本实施例AlInGaN基紫外LED外延结构的制造方法，具体包括以下步骤：

S1、将预作SiO₂图形的蓝宝石衬底放置在MOCVD反应室中的载盘上，并在1080~1100℃下对衬底进行高温处理5~10分钟；

S2、在540℃、300Torr条件下，外延生长30nm的低温AlGaN缓冲层；

S3、在1120℃、50Torr条件下，生长3μm的高温u-AlGaN层；

S4、在1100℃、50Torr条件下，生长1.5μm的高温n-AlGaN层，掺杂浓度为8E18；

S5、在900℃、500Torr条件下，生长0.7μm的n-AlGaN粗化层，掺杂浓度为8E18；

S6、在980℃、100Torr条件下，依次生长50nm的低温AlInGaN层和AlGaN层，重复10个周期，形成低温AlInGaN/AlGaN量子阱超晶格层；

S7、在950℃、100Torr条件下，生长30nm的高温p-AlGaN电子阻挡层；

S8、在980℃、100Torr条件下，生长40nm的高温p-AlGaN披覆层；

S9、在880℃、100Torr条件下，生长8nm的高温p-GaN接触层。

实施例二：

本实施例中的AlInGaN基紫外LED外延结构从下向上依次包括：

衬底，该衬底为图形化蓝宝石衬底或平片蓝宝石衬底。

缓冲层，使用溅射方法预生长于衬底层上，为AlN层，该层厚度为20nm。

SiO₂掩模，呈正三角形阵列排布，边长1~5μm，正三角形间间隔0.1~0.5μm。

高温u-AlGaN层（1120℃、50Torr条件下生长），该层厚度为3μm。

高温n-AlGaN层（1100℃、50Torr条件下生长），该层厚度为1.5μm，掺杂浓度为8E18。

n-AlGaN粗化层（900℃、500Torr条件下生长），该层厚度为0.7μm。

低温AlInGaN/AlGaN紫外发光层（980℃、100Torr条件下生长）。

高温p-AlGaN电子阻挡层（950℃、100Torr条件下生长），该层厚度为30nm。

高温p-AlGaN披覆层（980℃、100Torr条件下生长），该层厚度为40nm。

高温p-GaN层（880℃、100Torr条件下生长），该层厚度为8nm。

相应地，本实施例AlInGaN基紫外LED外延结构的制造方法，具体包括以下步骤：

S1’、于蓝宝石衬底上使用溅射机台制备20nm AlN缓冲层；

S2’、于AlN缓冲层上镀覆SiO₂，在SiO₂上制作边长为2μm的正三角形图形，正三角形间距为0.5μm，并以氢氟酸、BOE或等离子体将该区域SiO₂刻蚀去除，清理AlN缓冲层上的氧化物；

S3’、在1120℃、50Torr条件下，生长3μm的高温u-AlGaN层；

S4’、在1100℃、50Torr条件下，生长1.5μm的高温n-AlGaN层，掺杂浓度为8E18；

S5’、在900℃、500Torr条件下，生长0.7μm的n-AlGaN粗化层，掺杂浓度为8E18；

S6’、在980℃、100Torr条件下，依次生长50nm的低温AlInGaN层和AlGaN层，重复10个周期，形成低温AlInGaN/AlGaN量子阱超晶格层；

S7’、在950℃、100Torr条件下，生长30nm的高温p-AlGaN电子阻挡层；

S8’、在980℃、100Torr条件下，生长40nm的高温p-AlGaN披覆层；

S9’、在880℃、100Torr条件下，生长8nm的高温p-GaN接触层。

实施例一与实施例二相比，SiO₂图形与缓冲层的形成顺序互换，相应地，其制造方法不同，其余外延层的结构和厚度等完全相同。

本发明在衬底设置SiO₂图形化掩模，并加入高温n-AlGaN粗化层。为了加速粗化面的形成, 插入原位硅烷处理，外延层沿着AlGaN或AlN缓冲层（位错密集处）形成坑洞，从而实现粗化外延生长。其中，高温u-AlGaN层及高温n-AlGaN层通过温度及压力的调节促进横向生长以覆盖SiO₂，n-AlGaN粗化层通过提高外延长晶压力以及降低外延长晶温度实现，后续外延层延续此粗化表面生长，形成粗化V型开口。发光层的光线从该粗化V型开口输出，提高了出光效率。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。