深紫外发光二极管外延片及其制备方法、深紫外发光二极管与流程

1.本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种深紫外发光二极管外延片及其制备方法、深紫外发光二极管。


背景技术：

2.深紫外固体光源在杀菌、水质净化、生物化学与医学、高密度光学存储光源、荧光分析系统及相关信息传感领域都有广泛应用。
3.早期报道的紫外led效率极低，发光波长400nm时，外量子效率在50％，随着波长进一步变短外量子效率急剧下降，在250nm时只有0.2％。这主要是由于在生长gan和algan材料是由al原子与ga原子的原子迁移率和粘合系数差别比较大，al原子的迁移率较ga原子低，而且粘合系数也更加的高，以至于在高al组分的algan材料生长过程中聚集形成大量的三维的岛状结构，从而难以在表面自由移动生长为光滑的二维平面，会直接大幅度的降低algan的晶体质量。algan材料中的缺陷密度较高，能达到10
10
cm-2-10
11
cm-2
的位错密度，而gan中的位错浓度则相对较低为108cm-2
，这样高的位错密度会将这一区域变成非辐射复合中心，降低有源区内的辐射复合效率从而影响氮化物半导体器件的光电性能。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种深紫外发光二极管外延片，其降低深紫外发光二极管位错密度，降低量子阱非辐射复合效率，提升深紫外发光二极管发光效率。
5.本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种深紫外发光二极管外延片的制备方法，其工艺简单，能够稳定制得上述性能良好的深紫外发光二极管外延片。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种深紫外发光二极管外延片，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、成核层、非掺杂algan层、n型algan层、多量子阱层、电子阻挡层、p型algan层和p型接触层；
7.所述成核层包括依次层叠于所述缓冲层上的二维algan成核准备层、al纳米点层、alga纳米团簇成核点层和algan成核层。
8.在一种实施方式中，所述二维algan成核准备层的厚度为10nm-100nm；
9.所述al纳米点层的厚度为5nm-50nm；
10.所述alga纳米团簇成核点层的厚度为50nm-500nm；
11.所述algan成核层的厚度为0.5μm-5μm。
12.在一种实施方式中，所述二维algan成核准备层中al组分浓度为0.1-1。
13.在一种实施方式中，所述algan成核层中al组分浓度为0.1-1。
14.为解决上述问题，本发明提供了一种深紫外发光二极管外延片的制备方法，包括以下步骤：
15.准备衬底；
16.在所述衬底上依次沉积缓冲层、成核层、非掺杂algan层、n型algan层、多量子阱
层、电子阻挡层、p型algan层和p型接触层；
17.所述成核层包括依次层叠于所述缓冲层上的二维algan成核准备层、al纳米点层、alga纳米团簇成核点层和algan成核层。
18.在一种实施方式中，在所述缓冲层上沉积所述二维algan成核准备层包括以下步骤：
19.将反应室温度控制在700℃-1000℃，压力控制在50torr-300torr，通入n2和nh3作载气，通入n源、ga源和al源完成沉积。
20.在一种实施方式中，在所述二维algan成核准备层上沉积所述al纳米点层包括以下步骤：
21.先将反应室温度控制在900℃-1100℃，压力控制在100torr-500torr，通入n2作载气，通入al源完成沉积。
22.在一种实施方式中，在所述al纳米点层上沉积所述alga纳米团簇成核点层包括以下步骤：
23.将反应室温度控制在900℃-1100℃，压力控制在100torr-500torr，通入n2作载气，通入al源和ga源完成沉积。
24.在一种实施方式中，在所述alga纳米团簇成核点层上沉积所述algan成核层包括以下步骤：
25.将反应室温度控制在1000℃-1200℃，压力控制在50torr-300torr，通入n2作载气，通入n2、nh3和h2作载气，通入ga源、al源和n源完成沉积。
26.相应地，本发明还提供一种深紫外发光二极管，所述深紫外发光二极管包括上文所述的深紫外发光二极管外延片。
27.实施本发明，具有如下有益效果：
28.本发明在缓冲层上生长了成核层，所述成核层包括依次层叠于所述缓冲层上的二维algan成核准备层、al纳米点层、alga纳米团簇成核点层和algan成核层。其中，二维algan成核准备层为al纳米点层生长提供了平整的成核表面，减少其成核生长的接触角；所述al纳米点层控制成核点的密度，而al纳米点层成核点密度与后续层状结构的密度密切相关；所述alga纳米团簇成核点层引入ga原子，使al纳米点层继续长大，同时减少与后续algan成核层的晶格失配，提高algan成核层的晶体质量；所述algan成核层的密度与深紫外外延层的位错密度息息相关，algan成核层融合产生线缺陷，降低gan外延层的晶体质量，而通过之前沉积二维algan成核准备层、al纳米点层、alga纳米团簇成核点层可以有效控制algan成核层的密度来控制位错密度，降低缺陷密度，减少量子阱的非辐射复合效率，提高深紫外发光二极管的发光效率。
附图说明
29.图1为本发明提供的深紫外发光二极管外延片的结构示意图。
30.其中：衬底1、缓冲层2、成核层3、非掺杂algan层4、n型algan层5、多量子阱层6、电子阻挡层7、p型algan层8、p型接触层9、二维algan成核准备层31、al纳米点层32、alga纳米团簇成核点层33、algan成核层34。
具体实施方式
31.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明作进一步地详细描述。
32.除非另外说明或存在矛盾之处，本文中使用的术语或短语具有以下含义：
33.本发明中，所使用的“其组合”、“其任意组合”、“其任意组合方式”等中包括所列项目中任两个或任两个以上项目的所有合适的组合方式。
34.本发明中，“优选”仅为描述效果更好的实施方式或实施例，应当理解，并不构成对本发明保护范围的限制。
35.本发明中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。
36.本发明中，涉及到数值区间，如无特别说明，则包括数值区间的两个端点。
37.传统的成核层为大量的三维的岛状结构，成核密度高导致成核层小岛合并时形成大量的位错沿外延层方向延伸至量子阱形成非辐射复合中心，降低深紫外发光二极管的内量子效率。
38.为解决上述问题，本发明提供了一种深紫外发光二极管外延片，如图1所示，包括衬底1及依次层叠于所述衬底1上的缓冲层2、成核层3、非掺杂algan层4、n型algan层5、多量子阱层6、电子阻挡层7、p型algan层8和p型接触层9；
39.所述成核层3包括依次层叠于所述缓冲层2上的二维algan成核准备层31、al纳米点层32、alga纳米团簇成核点层33和algan成核层34。
40.在一种实施方式中，所述二维algan成核准备层的厚度为10nm-100nm；所述al纳米点层的厚度为5nm-50nm；所述alga纳米团簇成核点层的厚度为50nm-500nm；所述algan成核层的厚度为0.5μm-5μm。在一种实施方式中，所述二维algan成核准备层中al组分浓度为0.1-1；所述algan成核层中al组分浓度为0.1-1。
41.本发明所述成核层中，所述二维algan成核准备层为所述al纳米点层生长提供了平整的成核表面，减少其成核生长的接触角；所述al纳米点层控制成核点的密度，而al纳米点层成核点密度与所述algan成核层的密度密切相关；所述alga纳米团簇成核点层引入ga原子，使al纳米点层继续长大，同时减少与后续algan成核层的晶格失配，提高algan成核层的晶体质量；所述algan成核层的密度与深紫外外延层的位错密度息息相关，algan成核层融合产生线缺陷，降低gan外延层的晶体质量，而通过之前沉积二维algan成核准备层、al纳米点层、alga纳米团簇成核点层可以有效控制algan成核层的密度来控制位错密度，降低缺陷密度，减少量子阱的非辐射复合效率，提高深紫外发光二极管的发光效率。
42.除了上述成核层外，本发明的其它层状结构的特点如下：
43.在一种实施方式中，所述衬底选用蓝宝石衬底、sio2蓝宝石复合衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底、氧化锌衬底中的一种。优选地，衬底选用蓝宝石衬底，蓝宝石是目前最常用的衬底材料，蓝宝石衬底具有制备工艺成熟、价格较低、易于清洗和处理，高温下有很好的稳定性。
44.在一种实施方式中，所述缓冲层为aln缓冲层。采用aln缓冲层提供了与衬底取向相同的成核中心，释放了algan和衬底之间的晶格失配产生的应力以及热膨胀系数失配所产生的热应力，进一步的生长提供了平整的成核表面，减少其成核生长的接触角使岛状生
长的gan晶粒在较小的厚度内能连成面，转变为二维外延生长，提高后续沉积algan层晶体质量，降低位错密度，提高多量子阱层辐射复合效率。在一种实施方式中，所述缓冲层的厚度为80nm-150nm。
45.在一种实施方式中，所述非掺杂algan层的生长温度为1000℃-1300℃，生长压力为50torr-500torr，生长厚度1μm-5μm。优选地，所述非掺杂algan层的生长温度为1200℃，生长压力为100torr，生长厚度2μm-3μm。非掺杂的algan层生长温度较高，压力较低，制备的到gan的晶体质量较优，同时厚度随着algan厚度的增加，压应力会通过堆垛层错释放，线缺陷减少，晶体质量提高，反向漏电降低，但提高algan层厚度对mo源金属有机源材料消耗较大，大大提高了发光二极管的外延成本，因此厚度控制在2μm-3μm，不仅节约生产成本，而且gan材料又具有较高的晶体质量。
46.在一种实施方式中，所述n型algan层，生长温度为1000℃-1300℃，si掺杂浓度为1*10
19
atoms/cm
3-5*10
20
atoms/cm3，厚度为1μm-5μm。优选地，生长温度为1200℃，生长压力为100torr，生长厚度为2μm-3μm，si掺杂浓度为2.5*10
19
atoms/cm3。首先，n型掺杂的algan层为紫外led发光提供充足电子与空穴发生复合。其次，n型掺杂的algan层的电阻率要比p型gan层上的透明电极的电阻率高，因此足够的si掺杂，可以有效的降低n型gan层电阻率。最后，n型掺杂的algan层足够的厚度可以有效释放应力并提升发光二极管的发光效率。
47.在一种实施方式中，所述多量子阱层为交替堆叠的al
x
ga
1-x
n量子阱层和alyga
1-y
n量子垒层，堆叠周期数3-15。其中al
x
ga
1-x
n量子阱层生长温度为950℃-1150℃，厚度为2nm-5nm，生长压力50torr-300torr，al组分为0.2-0.6；alyga
1-y
n量子垒层生长温度为1000℃-1300℃，厚度为5nm-15nm，生长压力50torr-300torr，al组分为0.4-0.8。
48.优选地，堆叠周期数为9个，其中al
x
ga
1-x
n量子阱层生长温度为1050℃，厚度为3.5nm，压力200torr，al组分为0.55；alyga
1-y
n量子垒层生长温度为1150℃，厚度为11nm，生长压力为200torr，al组分为0.7。多量子阱为电子和空穴复合的区域，合理的结构设计可以显著增加电子和空穴波函数交叠程度，从而提高led器件发光效率。
49.在一种实施方式中，所述电子阻挡层为algan电子阻挡层，其厚度为10nm-100nm，生长温度为1000℃-1100℃，压力100torr-300torr，其中al组分为0.4-0.8。优选地，algan电子阻挡层厚度30nm，其中al组分0.75，生长温度1050℃，生长压力200torr，这样既可以有效地限制电子溢流，也可以减少对空穴的阻挡，提升空穴向量子阱的注入效率，减少载流子俄歇复合，提高发光二极管的发光效率。
50.在一种实施方式中，所述p型algan层的生长温度为1000℃-1100℃，厚度为20nm-200nm，生长压力为100torr-600torr，mg掺杂浓度1*10
19
atoms/cm
3-5*10
20
atoms/cm3。
51.优选地，所述p型algan层生长温度为1050℃，厚度为100nm，生长压力为200torr，mg掺杂浓度5*10
19
atoms/cm3，mg掺杂浓度过高会破坏晶体质量，而掺杂浓度较低则会影响空穴浓度。同时，p型掺杂的algan层可以有效填平外延层，得到表面光滑的深紫外led外延片。
52.在一种实施方式中，所述p型接触层的生长温度为900℃-1100℃，厚度为5nm-50nm，生长压力为100torr-600torr，mg掺杂浓度为5*10
19
atoms/cm
3-5*10
20
atoms/cm3。
53.优选地，p型掺杂的algan层生长温度950℃，厚度10nm，生长压力200torr，mg掺杂浓度1*10
20
atoms/cm3，高掺杂浓度的p型接触层降低接触电阻。
54.相应地，本发明还提供了上述深紫外发光二极管外延片的制备方法，包括以下步骤：
55.s1、准备衬底；
56.s2、在所述衬底上依次沉积缓冲层、成核层、非掺杂algan层、n型algan层、多量子阱层、电子阻挡层、p型algan层和p型接触层；
57.所述成核层包括依次层叠于所述缓冲层上的二维algan成核准备层、al纳米点层、alga纳米团簇成核点层和algan成核层。
58.在一种实施方式中，所述步骤s2包含以下步骤：
59.s21、在pvd中在所述衬底的正面沉积aln缓冲层。
60.s22、在所述缓冲层上沉积所述二维algan成核准备层：
61.将反应室温度控制在700℃-1000℃，压力控制在50torr-300torr，通入n2和nh3作载气，通入n源、ga源和al源完成沉积。
62.s23、在所述二维algan成核准备层上沉积所述al纳米点层：
63.先将反应室温度控制在900℃-1100℃，压力控制在100torr-500torr，通入n2作载气，通入al源完成沉积。
64.需要说明的是，在一种实施方式中，本发明采用的衬底为pss衬底，其沉积方向主要为c面，pss图像其他面基本不沉积；并且由于al纳米层厚度较薄，在衬底上并未形成al薄膜层，而是得到al纳米点。
65.s24、在所述al纳米点层上沉积所述alga纳米团簇成核点层：
66.将反应室温度控制在900℃-1100℃，压力控制在100torr-500torr，通入n2作载气，通入al源和ga源完成沉积。
67.需要说明的是，随着al纳米点层继续沉积alga纳米团簇层，以al纳米点层作为类似于晶核，alga纳米团簇层继续长大，根据外延生长条件，例如高压等条件促进alga纳米团簇层偏向三维生长，因此后面沉积得到为alga纳米团簇成核点。
68.s25、在所述alga纳米团簇成核点层上沉积所述algan成核层：
69.将反应室温度控制在1000℃-1200℃，压力控制在50torr-300torr，通入n2作载气，通入n2、nh3和h2作载气，通入ga源、al源和n源完成沉积。
70.s26、在所述algan成核层上沉积所述非掺杂algan层：
71.控制反应室温度为1000℃-1300℃，生长压力为50torr-500torr，通入n源、ga源和al源，完成沉积。
72.s27、在所述非掺杂algan层上沉积所述n型algan层：
73.将反应室温度控制在1000℃-1300℃，压力50torr-300torr，通入si源、al源、n源和ga源，完成沉积。
74.s28、在所述n型algan层上沉积所述多量子阱层：
75.先将反应室温度控制在950℃-1150℃，压力控制在50torr-300torr，通入n源、ga源和al源完成al
x
ga
1-x
n量子阱层沉积，再将温度控制在1000℃-1300℃，继续通入n源、ga源和al源完成alyga
1-y
n沉积，重复层叠3-15个周期。
76.s29、在所述多量子阱层上沉积所述电子阻挡层：
77.将反应室温度控制在1000℃-1100℃，压力100torr-300torr，通入n源、ga源和al
作载气，通入ga源、al源和n源完成沉积。
101.s26、在所述algan成核层上沉积所述非掺杂algan层：
102.控制反应室温度为1200℃，生长压力为100torr，通入n源、ga源和al源，完成沉积并控制厚度为2.5μm。
103.s27、在所述非掺杂algan层上沉积所述n型algan层：
104.将反应室温度控制在1200℃，压力100torr，通入si源、al源、n源和ga源，完成沉积并控制厚度为2.5μm。
105.s28、在所述n型algan层上沉积所述多量子阱层：
106.先将反应室温度控制在1150℃，压力控制在200torr，通入n源、ga源和al源完成al
x
ga
1-x
n量子阱层沉积并控制厚度为3.5nm，al组分为0.55；再将温度控制在1150℃，生长压力为200torr，继续通入n源、ga源和al源完成alyga
1-y
n沉积并控制厚度为11nm，al组分为0.7；重复层叠9个周期。
107.s29、在所述多量子阱层上沉积所述电子阻挡层：
108.将反应室温度控制在1050℃，压力200torr，通入n源、ga源和al源完成algan层沉积并控制厚度为30nm，al组分为0.75。
109.s30、在所述电子阻挡层上沉积所述p型algan层和p型接触层：
110.将反应室温度控制在1050℃，压力200torr，通入mg源、n源、ga源和al源完成p型algan层沉积并控制厚度为100nm，mg掺杂浓度为5*10
19
atoms/cm3；再将反应室温度控制在950℃，压力200torr，通入mg源、n源、ga源和al源完成p型algan接触层沉积并控制厚度为10nm，mg掺杂浓度为1*10
20
atoms/cm3。
111.实施例2
112.本实施例与实施例1不同之处在于：所述二维algan成核准备层厚度为10nm，其余参照实施例1。
113.实施例3
114.本实施例与实施例1不同之处在于：所述二维algan成核准备层厚度为100nm，其余参照实施例1。
115.实施例4
116.本实施例与实施例1不同之处在于：所述al纳米点层厚度为5nm，其余参照实施例1。
117.实施例5
118.本实施例与实施例1不同之处在于：所所述al纳米点层厚度为50nm，其余参照实施例1。
119.实施例6
120.本实施例与实施例1不同之处在于：所述alga纳米团簇成核点层厚度为50nm，其余参照实施例1。
121.实施例7
122.本实施例与实施例1不同之处在于：所述alga纳米团簇成核点层厚度为500nm，其余参照实施例1。
123.实施例8
124.本实施例与实施例1不同之处在于：所述二维algan成核准备层中al组分浓度为0.1，所述algan成核层中al组分浓度为0.1。其余参照实施例1。
125.实施例9
126.本实施例与实施例1不同之处在于：所述二维algan成核准备层中al组分浓度为0.65，所述algan成核层中al组分浓度为0.55。其余参照实施例1。
127.对比例1
128.本对比例提供一种深紫外发光二极管外延片，其与实施例1不同之处在：所述成核层仅为厚度为1.9μm的algan成核层。其余均与实施例1相同。
129.以实施例1-实施例9和对比例1制得深紫外发光二极管外延片使用相同芯片工艺条件制备成15mil*15mil芯片.分别抽取300颗led芯片。在120ma/60ma电流下测试，计算各实施例相对于对比例1的光效提升率。具体测试结果如表1所示。
130.表1为实施例1-实施例9制得深紫外发光二极管外延片性能测试结果
[0131][0132]
由上述结果可知，本发明在缓冲层上生长了成核层，所述成核层包括依次层叠于所述缓冲层上的二维algan成核准备层、al纳米点层、alga纳米团簇成核点层和algan成核层。其中，二维algan成核准备层为al纳米点层生长提供了平整的成核表面，减少其成核生长的接触角；所述al纳米点层控制成核点的密度，而al纳米点层成核点密度与后续层状结构的密度密切相关；所述alga纳米团簇成核点层引入ga原子，使al纳米点层继续长大，同时减少与后续algan成核层的晶格失配，提高algan成核层的晶体质量；所述algan成核层的密度与深紫外外延层的位错密度息息相关，algan成核层融合产生线缺陷，降低gan外延层的晶体质量，而通过之前沉积二维algan成核准备层、al纳米点层、alga纳米团簇成核点层可以有效控制algan成核层的密度来控制位错密度，降低缺陷密度，减少量子阱的非辐射复合效率，提高深紫外发光二极管的发光效率。
[0133]
以上所述是发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。