一种脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外LED及其制备方法与流程

一种脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外led及其制备方法
技术领域
[0001]
本发明涉及半导体光电领域，特别是一种脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外led及其制备方法。


背景技术：

[0002]
目前-族氮化物作为宽禁带半导体材料中的杰出代表，已经实现了高效的蓝绿光发光二极管(light-emitting diodes，led)、激光器等固态光源器件，其在平板显示、白光照明等应用方面取得了巨大成功。近十年来，人们期望将这种高效的发光材料应用于紫外波段，以满足日益增长的紫外光源需求。紫外波段根据其生物效应通常可分为：长波紫外(uva，320nm～400nm)、中波紫外(uvb，280nm～320nm)、短波紫外(uvc，200nm～280nm)以及真空紫外(vuv，10nm～200nm)。紫外线虽然不能被人类眼睛所感知，但其应用却非常广泛。长波紫外光源在医学治疗、紫外固化、紫外光刻、信息存储、植物照明等领域有着巨大的应用前景；而中波紫外及短波紫外(统称深紫外)则在杀菌消毒、水净化、生化探测、非视距通信等方面有着不可替代的作用。目前，传统紫外光源主要是汞灯，具有体积大、功耗高、电压高、污染环境等缺点，不利于其在日常生活及特殊环境下的应用。因此，人们迫切希望研制出一种高效的半导体紫外光源器件以替代传统的汞灯。现有研究表明-族氮化物中的algan是制备半导体紫外光源器件的最佳候选材料。algan基紫外led具有无毒环保、小巧便携、低功耗、低电压、易集成、寿命长、波长可调等诸多优势，有望在未来几年取得突破性进展以及广泛应用，并逐步取代传统紫外汞灯。
[0003]
al
x
ga
1-x
n材料的禁带宽度可通过改变al组分实现从3.4ev(gan)到6.2ev(aln)范围内的连续可调，能够实现从365nm到200nm光谱范围内的发光。gan的带边发光波长通常作为氮化物紫外发光二极管(全称ultraviolet light-emitting diodes，简称uv-led)发光波段的一个划分标志。发光波长大于360nm的uv led的有源区采用和蓝光led类似的gan/ingan量子阱(简称qws)结构。其相关研究早在上世纪90年代就已开始，目前已成功商业化，外量子效率(简称eqe)也已超过40％，达到了与蓝光led相比拟的水平。相比之下，发光波长小于360nm的uv-led则主要采用algan量子阱结构作为有源区，其量子效率远没有这么令人满意。
[0004]
导致高al组分algan基深紫外led效率偏低的一个主要原因是载流子注入效率偏低。载流子注入效率低一部分来源于高al组分algan材料中p型掺杂效率低导致，从而使最终器件的发光效率较低。故需要提供一种新的深紫外led制备方案用于解决上述问题。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于，提供一种脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外led及其制备方法，用于解决现有技术中高al组分algan材料中p型掺杂效率低，从而使器件的发光效率较低的问题。
[0006]
为解决上述技术问题，本发明提供第一解决方案：提供了一种脉冲掺杂电子阻挡
层的深紫外led由下至上依次设置有蓝宝石衬底、aln本征层、n型algan电子注入层、电流扩展层、量子阱有源层、脉冲掺杂电子阻挡层、p型algan注入层和p型gan接触层；脉冲掺杂电子阻挡层为四种反应源循环交替通入后生长得到，每次通入一种反应源，四种反应源包括al源、ga源、mg源及氨气。
[0007]
其中，脉冲掺杂电子阻挡层为单层algan掺mg结构。
[0008]
优选的，脉冲掺杂电子阻挡层的生长过程中，al源为三甲基铝，ga源为三甲基镓，mg源为二茂镁。
[0009]
其中，脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外led还包括n电极和p电极；n型algan电子注入层与电流扩展层之间形成台阶状结构，且n型algan电子注入层的面积大于电流扩展层的面积，p电极设置于p型gan接触层上，n电极设置于n型algan层台阶结构处。
[0010]
为解决上述技术问题，本发明提供第二解决方案：提供了一种脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外led的制备方法，用于制备前述第一解决方案中的脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外led，其步骤包括：在400～800℃条件下，于蓝宝石衬底上生长aln本征层中的低温缓冲层，厚度为10～50nm；升温至1200～1400℃，于aln本征层中的缓冲层上生长aln本征层，aln本征层的总厚度为500～4000nm；降温至800～1200℃，于aln本征层上生长n型algan电子注入层，其中al组分百分数为20～90％，厚度为500～4000nm；降温至700℃～1100℃，于n型algan电子注入层上依次生长电流扩展层和量子阱有源层，n型algan层与电流扩展层之间形成台阶状结构，量子阱有源层的势垒厚度为5～30nm且势垒中al组分百分数为20～100％，势阱厚度为0.1～5nm，且势阱中al组分百分数为0.1～80％；降温至700℃～1100℃，于量子阱有源层上生长脉冲掺杂电子阻挡层，以时间上分离的方式分别通入后进行生长，每次通入一种反应源，反应源包括al源、ga源、mg源及氨气，脉冲掺杂电子阻挡层厚度为1～50nm，且其中al组分百分数为40～100％；在700～1100℃条件下，于脉冲掺杂电子阻挡层上生长p型algan注入层，al组分百分数为0.1～100％，厚度为1～50nm，并采用mg作为p型掺杂剂；在400～900℃条件下，于p型algan注入层上生长p型gan接触层，厚度为1～20nm，并采用mg作为p型掺杂剂；于p型gan接触层上设置p电极，于n型algan电子注入层台阶结构处设置n电极。
[0011]
优选的，脉冲掺杂电子阻挡层的生长过程中，al源为三甲基铝，ga源为三甲基镓，mg源为二茂镁。
[0012]
其中，于量子阱有源层上生长脉冲掺杂电子阻挡层的具体步骤为：(1)通入al源1～60秒；(2)停止al源通入，并通入ga源1～60秒；(3)停止ga源通入，并通入mg源1～60秒；(4)停止mg源通入，并通入氨气1～60秒后，生长停止1～60秒，完成一个周期的生长过程；(5)循环重复步骤(1)～(4)，进行1～200个周期的生长。
[0013]
其中，于量子阱有源层上生长脉冲掺杂电子阻挡层的具体步骤为：(1)通入ga源1～60秒；(2)停止ga源通入，并通入al源1～60秒；(3)停止al源通入，并通入mg源1～60秒；(4)停止mg源通入，并通入氨气1～60秒后，生长停止1～60秒，完成一个周期的生长过程；(5)循环重复步骤(1)～(4)，进行1～200个周期的生长。
[0014]
其中，于量子阱有源层上生长脉冲掺杂电子阻挡层的具体步骤为：(1)通入mg源1～60秒；(2)停止mg源通入，并通入al源1～60秒；(3)停止al源通入，并通入ga源1～60秒；(4)停止ga源通入，并通入氨气1～60秒后，生长停止1～60秒，完成一个周期的生长过程；
(5)循环重复步骤(1)～(4)，进行1～200个周期的生长。
[0015]
其中，于量子阱有源层上生长脉冲掺杂电子阻挡层的具体步骤为：(1)通入mg源1～60秒；(2)停止mg源通入，并通入ga源1～60秒；(3)停止ga源通入，并通入al源1～60秒；(4)停止al源通入，并通入氨气1～60秒后，生长停止1～60秒，完成一个周期的生长过程；(5)循环重复步骤(1)～(4)，进行1～200个周期的生长。
[0016]
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外led及其制备方法，通过采用脉冲式沉积方式来生长脉冲掺杂电子阻挡层，增强了表面效应，显著提高了mg掺入到algan中的掺杂浓度，从而使其空穴浓度显著提高，进而提高了器件的发光效率。
附图说明
[0017]
图1是本发明中脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外led一实施方式的结构示意图；
[0018]
图2是本发明中脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外led的制备方法一实施方式的工艺流程图；
[0019]
图3是本发明中脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外led一实施方式中脉冲掺杂电子阻挡层的掺杂浓度图；
[0020]
图中：蓝宝石衬底1，aln本征层2，n型algan电子注入层3，电流扩展层4，量子阱有源层5，脉冲掺杂电子阻挡层6，p型algan注入层7，p型gan接触层8，n电极9，p电极10。
具体实施方式
[0021]
下面将结合本发明实施例，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，均属于本发明保护的范围。
[0022]
对于本发明提供第一解决方案，请参阅图1，图1是本发明中脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外led一实施方式的结构示意图。本发明中脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外led由下至上依次设置有蓝宝石衬底1、aln本征层2、n型algan电子注入层3、电流扩展层4、量子阱有源层5、脉冲掺杂电子阻挡层6、p型algan注入层7和p型gan接触层8；脉冲掺杂电子阻挡层6为四种反应源循环交替通入后生长得到，每次通入一种反应源，严格控制每种反应源的通入反应时间，约为1～60s，反应源包括al源、ga源、mg源及氨气。
[0023]
本实施方式中，脉冲掺杂电子阻挡层6为单层algan掺mg结构。脉冲掺杂电子阻挡层的生长过程中，al源为三甲基铝，ga源为三甲基镓，mg源为二茂镁。
[0024]
此外，脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外led还包括n电极9和p电极10；n型algan电子注入层与电流扩展层之间形成台阶状结构，且n型algan电子注入层的面积大于电流扩展层的面积，p电极设置于p型gan接触层上，n电极设置于n型algan层台阶结构处。
[0025]
进一步地，该脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外led的优势在于，alga源和氨气极易在到达衬底前发生气相预反应，产生颗粒杂质，落在表面会降低晶体质量，从而导致通入mg源后掺杂量较低；故本发明以时间上分离的方式分别通入各反应源，每次仅通入一种反应源，严格控制每种反应源的通入反应时间，并进行循环生长，其机理在于，mg在algan层中的掺
杂具有极强的表面效应，也就是只能掺入到表面最深15nm左右，为了不断创造出表面效应，提高掺杂能力，就需要不断的中断生长产生表面，从而提高mg掺入到algan中的掺杂浓度，进而增加空穴浓度，达到提高了器件发光效率的目的。
[0026]
对于本发明提供第二解决方案，请参阅图2，图2是本发明中脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外led的制备方法一实施方式的工艺流程图。本发明中脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外led的制备方法用于制备前述第一解决方案中的脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外led，其步骤包括：
[0027]
s1、在400～800℃条件下，于蓝宝石衬底上生长aln本征层中的低温缓冲层，厚度为10～50nm。
[0028]
s2、升温至1200～1400℃，于aln本征层中的缓冲层上生长aln本征层，aln本征层的总厚度为500～4000nm。
[0029]
s3、降温至800～1200℃，于aln本征层上生长n型algan电子注入层，其中al组分百分数为20～90％，厚度为500～4000nm。
[0030]
s4、降温至700℃～1100℃，于n型algan电子注入层上依次生长电流扩展层和量子阱有源层，n型algan层与电流扩展层之间形成台阶状结构，量子阱有源层的势垒厚度为5～30nm且势垒中al组分百分数为20～100％，势阱厚度为0.1～5nm，且势阱中al组分百分数为0.1～80％。
[0031]
s5、降温至700℃～1100℃，于量子阱有源层上生长脉冲掺杂电子阻挡层，以时间上分离的方式分别通入后进行生长，每次通入一种反应源，反应源包括al源、ga源、mg源及氨气，脉冲掺杂电子阻挡层厚度为1～50nm，且其中al组分百分数为40～100％。本步骤中，在脉冲掺杂电子阻挡层的生长过程中反应源包括al源、ga源、mg源及氨气，其中al源为三甲基铝，ga源为三甲基镓，mg源为二茂镁；各反应源以时间上分离的方式分别通入，每次通入一种反应源，生长得到脉冲掺杂电子阻挡层，并且al源、ga源两者需要近邻通入从而构成alga，故生长脉冲掺杂电子阻挡层的实际生长过程包括以下的四种情况：
[0032]
1)于量子阱有源层上生长脉冲掺杂电子阻挡层的具体步骤为：(1)通入al源1～60秒；(2)停止al源通入，并通入ga源1～60秒；(3)停止ga源通入，并通入mg源1～60秒；(4)停止mg源通入，并通入氨气1～60秒后，生长停止1～60秒，完成一个周期的生长过程；(5)循环重复步骤(1)～(4)，进行1～200个周期的生长。
[0033]
2)于量子阱有源层上生长脉冲掺杂电子阻挡层的具体步骤为：(1)通入ga源1～60秒；(2)停止ga源通入，并通入al源1～60秒；(3)停止al源通入，并通入mg源1～60秒；(4)停止mg源通入，并通入氨气1～60秒后，生长停止1～60秒，完成一个周期的生长过程；(5)循环重复步骤(1)～(4)，进行1～200个周期的生长。
[0034]
3)于量子阱有源层上生长脉冲掺杂电子阻挡层的具体步骤为：(1)通入mg源1～60秒；(2)停止mg源通入，并通入al源1～60秒；(3)停止al源通入，并通入ga源1～60秒；(4)停止ga源通入，并通入氨气1～60秒后，生长停止1～60秒，完成一个周期的生长过程；(5)循环重复步骤(1)～(4)，进行1～200个周期的生长。
[0035]
4)于量子阱有源层上生长脉冲掺杂电子阻挡层的具体步骤为：(1)通入mg源1～60秒；(2)停止mg源通入，并通入ga源1～60秒；(3)停止ga源通入，并通入al源1～60秒；(4)停止al源通入，并通入氨气1～60秒后，生长停止1～60秒，完成一个周期的生长过程；(5)循环
重复步骤(1)～(4)，进行1～200个周期的生长。
[0036]
s6、在700～1100℃条件下，于脉冲掺杂电子阻挡层上生长p型algan注入层，al组分百分数为0.1～100％，厚度为1～50nm，并采用mg作为p型掺杂剂；
[0037]
s7、在400～900℃条件下，于p型algan注入层上生长p型gan接触层，厚度为1～20nm，并采用mg作为p型掺杂剂。
[0038]
s8、于p型gan接触层上设置p电极，于n型algan电子注入层台阶结构处设置n电极。
[0039]
下面通过具体实施例对上述脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外led的效果进行表征。
[0040]
实施例1
[0041]
本实施例中制备脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外led的具体步骤为：
[0042]
s1、在600℃条件下，于蓝宝石衬底上生长aln本征层中的低温缓冲层，厚度为40nm。
[0043]
s2、升温至1200℃，于aln本征层中的缓冲层上生长aln本征层，aln本征层的总厚度为1000nm。
[0044]
s3、降温至800℃，于aln本征层上生长n型algan电子注入层，其中al组分百分数为60％，厚度为1400nm。
[0045]
s4、降温至750℃，于n型algan电子注入层上依次生长电流扩展层和量子阱有源层，n型algan层与电流扩展层之间形成台阶状结构，量子阱有源层的势垒厚度为20nm且势垒中al组分百分数为40％，势阱厚度为4nm，且势阱中al组分百分数为60％。
[0046]
s5、降温至700℃，于量子阱有源层上生长脉冲掺杂电子阻挡层，以时间上分离的方式分别通入后进行生长，每次通入一种反应源，反应源包括al源、ga源、mg源及氨气，脉冲掺杂电子阻挡层厚度为50nm，且其中al组分百分数为60％。本步骤中，于量子阱有源层上生长脉冲掺杂电子阻挡层的具体步骤为：(1)通入al源30秒；(2)停止al源通入，并通入ga源30秒；(3)停止ga源通入，并通入mg源30秒；(4)停止mg源通入，并通入氨气30秒后，生长停止30秒，完成一个周期的生长过程；(5)循环重复步骤(1)～(4)，进行3个周期的生长。
[0047]
s6、在800℃条件下，于脉冲掺杂电子阻挡层上生长p型algan注入层，al组分百分数为40％，厚度为40nm，并采用mg作为p型掺杂剂；
[0048]
s7、在800℃条件下，于p型algan注入层上生长p型gan接触层，厚度为15nm，并采用mg作为p型掺杂剂。
[0049]
s8、于p型gan接触层上设置p电极，于n型algan电子注入层台阶结构处设置n电极，制备得到脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外led。
[0050]
将实施例1中制备得到的脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外led中脉冲掺杂电子阻挡层的掺杂情况进行表征，其结果如图3所示，由图3可看出该层中al和ga的浓度都在各个深度都保持较为均一的水平，而mg的掺杂浓度会随着深度的增加呈现出较为明显的下降趋势，对于实施例1样品在深度0～50nm的区间内mg的掺杂浓度都可以维持在10
18
以上的水平，甚至在表面处达到10
19
以上的水平；但现有技术中采用传统方法进行mg掺杂，在深度0～50nm的区间内其掺杂浓度最高仅有10
18
cm-2
的水平，可见本发明相较现有技术来说，mg掺杂浓度有了显著的提升，从而使其空穴浓度显著提高，进而提高了器件的发光效率。
[0051]
区别于现有技术的情况，本发明提供了一种脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外led及其制备方法，通过采用脉冲式沉积方式来生长脉冲掺杂电子阻挡层，增强了表面效应，显著
提高了mg掺入到algan中的掺杂浓度，从而使其空穴浓度显著提高，进而提高了器件的发光效率。
[0052]
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。