紫外发光二极管外延结构及其制备方法与流程

本发明属于半导体光电子领域，具体涉及一种紫外发光二极管外延结构及其制备方法。

技术背景

随着对led技术研究的深入，人们逐渐将重心转向以高al组分的ⅲ族氮化物为结构材料的紫外led。相比于传统紫外光源(如汞灯和氙灯)，紫外led具有环保无毒、耗电低、波长可控、集成性、体积小以及寿命长等优点，符合新时代下环保、零污染、节能等要求。并且紫外led在医疗、杀菌、印刷、照明以及数据存储等方面有重大应用价值。此外，利用日盲紫外光(波长小于280nm)进行通信，可实现保密性高、全天候抗干扰以及非视距通信，具有重大的军事价值。

目前，紫外led外延生长技术还不够成熟，生长高性能紫外led的材料制备困难。aln由于具有高热导和高紫外透明度的特性，并且与高al组分algan材料的晶格失配小，是最适合外延高al组分algan和制备紫外led的衬底，然而获得aln体材料存在很大的困难。除此之外p型高al组分的algan材料的空穴浓度极低，同时补偿中心和散射中心的增多造成其迁移率也降低，使得p型algan材料的电导率极低，并无法与金属电极形成良好的欧姆接触，从而不得不采用p型gan作为最顶上的电极接触层。但由于gan会强烈吸收紫外线，使得从正面出光的效率很低。并且目前的紫外led生长技术还不够成熟，外延结构中的位错密度很大程度的限制了紫外led的发光效率，这些原因都导致了紫外led芯片的发光效率不高，制备陈本高，难度大，良品率低。

紫外led芯片市场的潜力巨大，应用领域广阔，价格昂贵，因此制备结晶质量较好、光输出功率较高的紫外led芯片，是当前亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于出一种能够有效提高光输出功率和发光效率的紫外发光二极管外延结构及其制备方法。本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

<方案一>

本发明提供一种紫外发光二极管外延结构，其特征在于，从下往上依次包括：衬底、aln成核层、u型gan缓冲层、第一n型algan层、重掺杂n型gan层、第二n型algan层、轻掺杂n型gan层、ingan/algan超晶格层、ingan/alingan有源层、p型alingan层、p型alingan/ingan超晶格层、p型gan层、重掺杂p型gan层，其中，第一n型algan层的厚度为60～100nm，第二n型algan层的厚度为20～50nm。

进一步地，本发明提供的紫外发光二极管外延结构还可以具有以下特征：aln成核层的厚度为10～25nm。

进一步地，本发明提供的紫外发光二极管外延结构还可以具有以下特征：u型gan缓冲层的厚度为2～3μm，第一n型algan层的厚度为60～100nm，重掺杂n型gan层的厚度为2～3μm，第二n型algan层的厚度为20～50nm，轻掺杂n型gan层的厚度为100～200nm。

进一步地，本发明提供的紫外发光二极管外延结构还可以具有以下特征：重掺杂n型gan层的掺杂浓度要比轻掺杂n型gan层高两个数量级。

进一步地，本发明提供的紫外发光二极管外延结构还可以具有以下特征：ingan/algan超晶格层包括周期性的ingan/algan结构，每个周期中，ingan层和algan层的厚度分别为9nm和3nm。

进一步地，本发明提供的紫外发光二极管外延结构还可以具有以下特征：ingan/algan结构的周期数为十二。

进一步地，本发明提供的紫外发光二极管外延结构还可以具有以下特征：ingan/alingan有源层包括周期性的ingan/alingan量子阱，每个周期中，阱层ingan和垒层alingan的厚度分别为2.7nm和10.3nm。

进一步地，本发明提供的紫外发光二极管外延结构还可以具有以下特征：ingan/alingan量子阱的周期数为六。

<方案二>

本发明还提供了一种制备紫外发光二极管外延结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1.准备衬底；步骤2.在衬底上溅射一层aln成核层；步骤3.在aln成核层上生长u型gan缓冲层；步骤4.在u型gan缓冲层上生长第一n型algan层；步骤5.在第一n型algan层上生长重掺杂n型gan层；步骤6.在重掺杂n型gan层上生长第二n型algan层；步骤7.在第二n型algan层上生长轻掺杂n型gan层；步骤8.在轻掺杂n型gan层上生长ingan/algan超晶格层；步骤9.在ingan/algan超晶格层上生长ingan/alingan有源层；步骤10.在ingan/alingan有源层上生长p型alingan层；步骤11.在p型alingan层上生长p型alingan/ingan超晶格层；步骤12.在p型alingan/ingan超晶格层上生长p型gan层；步骤13.在p型gan层上生长重掺杂p型gan层。

发明的作用与效果

本发明提供的紫外发光二极管外延结构及其制备方法，因为在u型gan层与重掺杂的n型gan层之间形成有60～90nm的第一n型algan，并且在n型gan层和轻掺杂的n型gan层之间形成有20～50nm第二n型algan，这样的薄层n型algan能够有效阻止刃位错、螺旋位错以及混合位错的向上延伸，尤其是对刃位错与混合位错有着明显的阻碍作用，从而能够大大降低外延层中的位错密度，提升外延结构整体的晶体质量，因此能够有效地提高紫外二极管的光输出功率和发光效率，对于制造高质量紫外发光二极管具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例中紫外发光二极管外延结构制备方法的流程图；

图2为本发明实施例的紫外发光二极管外延结构示意图；

图3为本发明实施例一中显示阻碍位错向上延伸的tem图；

图4为本发明实施例一中不同厚度aln成核层经过mocvd继续生长后的sem图，(a)为5nm的ain成核层的生长结果sem图，(b)为10nm的ain成核层的生长结果sem图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的紫外发光二极管外延结构及其制备方法的具体实施方案进行详细地说明。

<实施例一>

如图1所示，本实施例一提供的制备紫外发光二极管外延结构的方法，包括以下步骤：

步骤1.准备图形化衬底：

采用光刻胶回流和电感耦合等离子体技术(icp)制作图形化衬底，具体为：先对光刻胶掩膜进行热回流工艺从而使光刻胶形成梯形结构，然后再采用电感耦合等离子体刻蚀的方法刻蚀出锥形形状；

步骤2.溅射aln成核层：

将清洗干净的图形化衬底放置在可旋转的基板上，然后将纯度为99.99％的铝靶材放置在反应磁控溅射设备的铜背板上，将镀膜室抽成2.5×10^-3pa的真空室，通入高纯度的惰性气体ar(99.999％)，同时开始溅射al靶材，选择rf电源13.65mhz，控制al靶材溅射的速率为5nm/min，在温度为650℃下，通入120标准毫升每分钟的氮气，30标准毫升每分钟的氦气，1标准毫升每分钟的氧气，从而在图形化衬底上溅射形成一层15nm的aln成核层；

步骤3.生长u型gan缓冲层：

将具有aln成核层的图形化衬底放入mocvd设备里，在温度为1025℃的条件下，生长一层2.75μm的u型gan层；

步骤4.生长第一n型algan层：

在温度为970℃的条件下，生长一层厚度为90nm的第一n型algan层；

步骤5.生长重掺杂n型gan层：

在温度为1025℃的条件下，生长一层si重掺杂的n型gan，厚度为2.23μm，掺杂浓度为1.5×10¹⁹cm^-3；

步骤6.生长第二n型algan层：

在温度为1025℃的条件下，生长一层厚度为30nm的第二n型algan层；

步骤7.生长轻掺杂n型gan层：

在温度为1025℃的条件下，生长一层si轻掺杂的n型gan，厚度为170nm，掺杂浓度为9×10¹⁷cm^-3；

步骤8.生长ingan/algan超晶格层：

在温度为820℃的条件下，生长144nm的ingan/algan超晶格层作为应力释放层，该ingan/algan超晶格层包括周期性的ingan/algan结构，每个周期中，ingan层和algan层的厚度分别为9nm和3nm，公有九个周期；

步骤9.生长ingan/alingan有源层：

在温度分别为763℃和840℃的条件下依次交替生长阱层ingan和垒层alingan，从而得到具有周期性ingan/alingan量子阱的ingan/alingan有源层，每个周期中，阱层ingan和垒层alingan的厚度分别为2.7nm和10.3nm，共有六个周期；

步骤10.生长p型alingan层：

在温度为925℃的条件下，生长一层mg掺杂的p型alingan层，厚度为28nm，掺杂浓度为1.7×10²⁰cm^-3；

步骤11.生长p型alingan/ingan超晶格层：

在温度925℃的条件下，生长一层p型alingan/ingan超晶格层，厚度为26nm；

步骤12.生长p型gan层：

在温度950℃，生长一层mg掺杂的p型gan层，厚度为50nm，掺杂浓度为6×10¹⁹cm^-3；

步骤13.生长重掺杂p型gan层：

在温度710℃，生长一层mg重掺杂的p型gan层，厚度为10nm，掺杂浓度为1.6×10²⁰/cm^-3；

步骤14.退火：

在氮气氛围下，退火20分钟，制得紫外发光二极管外延结构。

如图2所示，制得的紫外发光二极管外延结构100从下往上依次包括：衬底101、aln成核层102、u型gan缓冲层103、第一n型algan层104、重掺杂n型gan层105、第二n型algan层106、轻掺杂n型gan层107、ingan/algan超晶格层108、ingan/alingan有源层109、p型alingan层110、p型alingan/ingan超晶格层111、p型gan层112以及重掺杂p型gan层113。

本实施例一中，如图3所示，通过扫描电镜图可以看到，薄层n型algan层有效地阻碍了刃位错的向上延伸；并且还能够阻止螺旋位错以及混合位错的向上延伸，尤其是对刃位错与混合位错有着明显的阻碍作用，从而能够大大降低外延层中的位错密度，提升外延结构整体的晶体质量，本实施例一中，紫外发光二极管外延结构100的螺旋位错密度是1.469×10⁸cm^-2，刃位错的密度为2.303×10⁸cm^-2；通入电流为20ma时，紫外发光二极管外延结构100的光输出功率(lop)为9.66mw，外量子效率(eqe)为14.6％。

<实施例二>

如图1所示，本实施例二提供的制备紫外发光二极管外延结构的方法，包括以下步骤：

步骤1.准备图形化衬底：

采用光刻胶回流和电感耦合等离子体技术制作图形化衬底，具体为：先对光刻胶掩膜进行热回流工艺从而使光刻胶形成梯形结构，然后再采用电感耦合等离子体刻蚀的方法刻蚀出锥形形状；

步骤2.溅射aln成核层：

将清洗干净的图形化衬底放置在可旋转的基板上，然后将纯度为99.99％的铝靶材放置在反应磁控溅射设备的铜背板上，将镀膜室抽成2.5×10^-3pa的真空室，通入高纯度的惰性气体ar(99.999％)，同时开始溅射al靶材，选择rf电源13.65mhz，控制al靶材溅射的速率为5nm/min，在温度为650℃下，通入120标准毫升每分钟的氮气，30标准毫升每分钟的氦气，1标准毫升每分钟的氧气，从而在图形化衬底上溅射形成一层25nm的aln成核层；

步骤3.生长u型gan缓冲层：

将具有aln成核层的图形化衬底放入mocvd设备里，在温度为1025℃的条件下，生长一层2.75μm的u型gan层；

步骤4.生长第一n型algan层：

在温度为970℃的条件下，生长一层厚度为100nm的第一n型algan层；

步骤5.生长重掺杂n型gan层：

在温度为1025℃的条件下，生长一层si重掺杂的n型gan，厚度为2.23μm，掺杂浓度为1.5×10¹⁹cm^-3；

步骤6.生长第二n型algan层：

在温度为1025℃的条件下，生长一层厚度为50nm的第二n型algan层；

步骤7.生长轻掺杂n型gan层：

在温度为1025℃的条件下，生长一层si轻掺杂的n型gan，厚度为170nm，掺杂浓度为9×10¹⁷cm^-3；

步骤8.生长ingan/algan超晶格层：

在温度为820℃的条件下，生长144nm的ingan/algan超晶格层作为应力释放层，该ingan/algan超晶格层包括周期性的ingan/algan结构，每个周期中，ingan层和algan层的厚度分别为9nm和3nm，公有九个周期；

步骤9.生长ingan/alingan有源层：

在温度分别为763℃和840℃的条件下依次交替生长阱层ingan和垒层alingan，从而得到具有周期性ingan/alingan量子阱的ingan/alingan有源层，每个周期中，阱层ingan和垒层alingan的厚度分别为2.7nm和10.3nm，共有六个周期；

步骤10.生长p型alingan层：

在温度为925℃的条件下，生长一层mg掺杂的p型alingan层，厚度为28nm，掺杂浓度为：1.7×10²⁰cm^-3

步骤11.生长p型alingan/ingan超晶格层：

在温度925℃的条件下，生长一层p型alingan/ingan超晶格层，厚度为26nm；

步骤12.生长p型gan层：

在温度950℃，生长一层mg掺杂的p型gan层，厚度为50nm，掺杂浓度为：6×10¹⁹cm^-3

步骤13.生长重掺杂p型gan层：

在温度710℃，生长一层mg重掺杂的p型gan层，厚度为10nm，掺杂浓度为1.6×10²⁰/cm^-3；

步骤14.退火：

在氮气氛围下，退火20分钟，制得紫外发光二极管外延结构。

本实施例二所制备的紫外发光二极管外延结构，同样可以有效地阻碍了刃位错的向上延伸，并且还能够阻止螺旋位错以及混合位错的向上延伸，从而能够大大降低外延层中的位错密度，提升外延结构整体的晶体质量。当通入电流为20ma时，紫外发光二极管外延结构的lop(光输出功率)为9.53mw，eqe(外量子效率)为12.9％。

<实施例三>

本实施例三提供的制备紫外发光二极管外延结构的方法，包括以下步骤：

步骤1.准备图形化衬底：

采用光刻胶回流和电感耦合等离子体技术制作图形化衬底，具体为：先对光刻胶掩膜进行热回流工艺从而使光刻胶形成梯形结构，然后再采用电感耦合等离子体刻蚀的方法刻蚀出锥形形状；

步骤2.溅射aln成核层：

将清洗干净的图形化衬底放置在可旋转的基板上，然后将纯度为99.99％的铝靶材放置在反应磁控溅射设备的铜背板上，将镀膜室抽成2.5×10^-3pa的真空室，通入高纯度的惰性气体ar(99.999％)，同时开始溅射al靶材，选择rf电源13.65mhz，控制al靶材溅射的速率为5nm/min，在温度为650℃下，通入120标准毫升每分钟的氮气，30标准毫升每分钟的氦气，1标准毫升每分钟的氧气，从而在图形化衬底上溅射形成一层10nm的aln成核层；

步骤3.生长u型gan缓冲层：

将具有aln成核层的图形化衬底放入mocvd设备里，在温度为1025℃的条件下，生长一层2.75μm的u型gan层；

步骤4.生长第一n型algan层：

在温度为970℃的条件下，生长一层厚度为60nm的第一n型algan层；

步骤5.生长重掺杂n型gan层：

在温度为1025℃的条件下，生长一层si重掺杂的n型gan，厚度为2.23μm，掺杂浓度为1.5×10¹⁹cm^-3；

步骤6.生长第二n型algan层：

在温度为1025℃的条件下，生长一层厚度为20nm的第二n型algan层；

步骤7.生长轻掺杂n型gan层：

在温度为1025℃的条件下，生长一层si轻掺杂的n型gan，厚度为170nm，掺杂浓度为9×10¹⁷cm^-3；

步骤8.生长ingan/algan超晶格层：

在温度为820℃的条件下，生长144nm的ingan/algan超晶格层作为应力释放层，该ingan/algan超晶格层包括周期性的ingan/algan结构，每个周期中，ingan层和algan层的厚度分别为9nm和3nm，公有九个周期；

步骤9.生长ingan/alingan有源层：

在温度分别为763℃和840℃的条件下依次交替生长阱层ingan和垒层alingan，从而得到具有周期性ingan/alingan量子阱的ingan/alingan有源层，每个周期中，阱层ingan和垒层alingan的厚度分别为2.7nm和10.3nm，共有六个周期；

步骤10.生长p型alingan层：

在温度为925℃的条件下，生长一层mg掺杂的p型alingan层，厚度为28nm，掺杂浓度为：1.7×10²⁰cm^-3

步骤11.生长p型alingan/ingan超晶格层：

在温度925℃的条件下，生长一层p型alingan/ingan超晶格层，厚度为26nm；

步骤12.生长p型gan层：

在温度950℃，生长一层mg掺杂的p型gan层，厚度为50nm，掺杂浓度为：6×10¹⁹cm^-3

步骤13.生长重掺杂p型gan层：

在温度710℃，生长一层mg重掺杂的p型gan层，厚度为10nm，掺杂浓度为1.6×10²⁰/cm^-3；

步骤14.退火：

在氮气氛围下，退火20分钟，制得紫外发光二极管外延结构。

本实施例三所制备的紫外发光二极管外延结构，同样可以有效地阻碍了刃位错的向上延伸，并且还能够阻止螺旋位错以及混合位错的向上延伸，从而能够大大降低外延层中的位错密度，提升外延结构整体的晶体质量。

<实施例四>

本实施例四提供的制备紫外发光二极管外延结构的方法，包括以下步骤：

步骤1.准备图形化衬底：

采用光刻胶回流和电感耦合等离子体技术(icp)制作图形化衬底，具体为：先对光刻胶掩膜进行热回流工艺从而使光刻胶形成梯形结构，然后再采用电感耦合等离子体刻蚀的方法刻蚀出锥形形状；

步骤2.溅射aln成核层：

将清洗干净的图形化衬底放置在可旋转的基板上，然后将纯度为99.99％的铝靶材放置在反应磁控溅射设备的铜背板上，将镀膜室抽成2.5×10^-3pa的真空室，通入高纯度的惰性气体ar(99.999％)，同时开始溅射al靶材，选择rf电源13.65mhz，控制al靶材溅射的速率为5nm/min，在温度为650℃下，通入120标准毫升每分钟的氮气，30标准毫升每分钟的氦气，1标准毫升每分钟的氧气，从而在图形化衬底上溅射形成一层18nm的aln成核层；

步骤3.生长u型gan缓冲层：

将具有aln成核层的图形化衬底放入mocvd设备里，在温度为1025℃的条件下，生长一层2.75μm的u型gan层；

步骤4.生长第一n型algan层：

在温度为970℃的条件下，生长一层厚度为70nm的第一n型algan层；

步骤5.生长重掺杂n型gan层：

在温度为1025℃的条件下，生长一层si重掺杂的n型gan，厚度为2.23μm，掺杂浓度为1.5×10¹⁹cm^-3；

步骤6.生长第二n型algan层：

在温度为1025℃的条件下，生长一层厚度为40nm的第二n型algan层；

步骤7.生长轻掺杂n型gan层：

在温度为1025℃的条件下，生长一层si轻掺杂的n型gan，厚度为170nm，掺杂浓度为9×10¹⁷cm^-3；

步骤8.生长ingan/algan超晶格层：

在温度为820℃的条件下，生长144nm的ingan/algan超晶格层作为应力释放层，该ingan/algan超晶格层包括周期性的ingan/algan结构，每个周期中，ingan层和algan层的厚度分别为9nm和3nm，公有九个周期；

步骤9.生长ingan/alingan有源层：

在温度分别为763℃和840℃的条件下依次交替生长阱层ingan和垒层alingan，从而得到具有周期性ingan/alingan量子阱的ingan/alingan有源层，每个周期中，阱层ingan和垒层alingan的厚度分别为2.7nm和10.3nm，共有六个周期；

步骤10.生长p型alingan层：

在温度为925℃的条件下，生长一层mg掺杂的p型alingan层，厚度为28nm，掺杂浓度为：1.7×10²⁰cm^-3

步骤11.生长p型alingan/ingan超晶格层：

在温度925℃的条件下，生长一层p型alingan/ingan超晶格层，厚度为26nm；

步骤12.生长p型gan层：

在温度950℃，生长一层mg掺杂的p型gan层，厚度为50nm，掺杂浓度为：6×10¹⁹cm^-3

步骤13.生长重掺杂p型gan层：

在温度710℃，生长一层mg重掺杂的p型gan层，厚度为10nm，掺杂浓度为1.6×10²⁰/cm^-3；

步骤14.退火：

在氮气氛围下，退火20分钟，制得如图2所示的紫外发光二极管外延结构。

本实施例四所制备的紫外发光二极管外延结构，同样可以有效地阻碍了刃位错的向上延伸，并且还能够阻止螺旋位错以及混合位错的向上延伸，从而能够大大降低外延层中的位错密度，提升外延结构整体的晶体质量。

根据上述实施例一至四可以看出，采用实施例一所提供的制备方法制备得到的紫外发光二极管外延结构的性能最优，相比于实施案二，光输出功率提高了11.3％，外量子效率提高了13.2％。

另外，关于aln成核层的厚度，通过实验发现，如图4(a)所示，当aln成核层的厚度小于10nm时，会在mocvd继续生长成多晶gan，而无法生长为单晶gan缓冲层；如图4(b)所示，只有当aln成核层的厚度达到或者超过10nm时，才能够生长为单晶gan缓冲层。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的紫外发光二极管外延结构及其制备方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。