外延结构、其制作方法及深紫外消杀装置与流程

本发明属于第三代半导体，特别涉及一种深紫外半导体发光器件的外延结构、其制作方法及深紫外消杀装置。

背景技术：

1、随着半导体技术的不断发展，深紫外发光二极管(light emitting diode，led)器件在空气和水的净化、消毒、紫外医疗、高密度光学存储系统等领域得到了广泛的应用。

2、然而经过多年的研究，目前深紫外led光源仍然存在一些问题：例如，迄今为止深紫外led都没有取得较大的外量子效率，原因主要是光提取效率低下，其内在原因主要包括p型接触层(即p型电极层)对紫外光的吸收、多层结构中深紫外光的全内反射(totalinternal reflection，tir)损失。

3、在现有的一些深紫外led芯片中，为了提高深紫外led的发光效率、改善algan层的质量、减少位错密度，在生长n型层之前，会先在衬底上生长出aln薄膜，二元aln材料不存在三元algan材料中的组分偏析问题，algan材料的晶格常数较aln材料的大，在aln薄膜上生长的algan层会受到来自于aln薄膜的压应力，这样可以避免algan层过厚而开裂。但是即使生长了aln薄膜，生长出来的外延片仍然存在较多的位错缺陷，发光效率无法满足需要。

4、因此，亟需一种能够提高深紫外led发光效率的器件结构，以拓展相关的应用领域，尤其是在紫外消杀中的应用。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种外延结构、其制作方法及深紫外消杀装置，从而克服现有技术中的不足。

2、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

3、本发明一方面提供了一种外延结构，包括沿指定方向依次设置的衬底、缓冲层、n型层、多量子阱层和p型层；所述缓冲层包括沿指定方向依次设置的第一缓冲层和第二缓冲层，所述第一缓冲层、第二缓冲层和n型层均具有孔洞结构，并且第二缓冲层的孔洞密度小于第一缓冲层的孔洞密度。

4、进一步的，分别定义在第一缓冲层的第一截面上孔洞结构所占的面积与第一截面的面积的比值为p1，在第二缓冲层的第二截面上孔洞结构所占的面积与第二截面的面积的比值为p2，以及在n型层的第三截面上孔洞结构所占的面积与第三截面的面积的比值为p3，所述第一截面、第二截面、第三截面相互平行并垂直于指定方向，其中，p1为40～60％，p2为20～30％，p3为30-50％。

5、进一步的，所述第一缓冲层、第二缓冲层和n型层中至少一者所含孔洞结构为沿指定方向闭合的孔洞结构。

6、进一步的，所述外延结构的指定结构层所含孔洞结构均分布在所述指定结构层的选定区域内，所述选定区域的厚度与所述指定结构层的厚度的比值在[1/3，1/2]的范围内，其中，所述指定结构层为所述第一缓冲层、第二缓冲层和n型层中的至少一个。

7、进一步的，所述指定结构层和选定区域均具有相背的第一表面和第二表面，所述指定结构层的第一表面为指定结构层远离衬底的一侧表面，所述选定区域的第一表面为选定区域远离衬底的一侧表面，定义所述选定区域的第一表面与所述指定结构层的第一表面的距离为h1，所述指定结构层的厚度为h2，所述选定区域的第二表面与所述指定结构层的第二表面的距离为h3，则h1/h2和h3/h2的取值均为1/3～1/2。

8、进一步的，所述第一缓冲层的厚度为200～400nm。

9、进一步的，所述第二缓冲层的厚度为300～700nm。

10、进一步的，所述n型层的厚度为500nm～900nm。

11、进一步的，所述缓冲层的材质包括aln，所述n型层的材质包括algan，但不限于此。

12、进一步的，所述p型层包括沿指定方向依次设置的p型algan阻挡层、p型algan层和p型gan层，其中p型algan阻挡层的厚度为8nm～20nm，p型algan层的厚度为20nm～50nm，p型gan层的厚度为30nm～80nm。

13、进一步的，所述多量子阱层包括沿指定方向交替设置的alxga1-xn量子阱层和alyga1-yn量子垒层，其中，0＜x＜y＜1。

14、进一步的，所述外延结构还包括应力释放层和/或过渡层，所述应力释放层设置于衬底与缓冲层之间，所述过渡层设置于缓冲层与n型层之间。

15、本发明另一方面还提供了一种外延结构的制作方法，包括：

16、提供一衬底；

17、在所述衬底上依次生长缓冲层、n型层、多量子阱层和p型层；

18、其中，所述缓冲层包括沿指定方向依次设置的第一缓冲层和第二缓冲层，所述第一缓冲层和所述第二缓冲层均具有孔洞结构，并且所述第二缓冲层的孔洞密度小于所述第一缓冲层的孔洞密度。

19、进一步的，在所述衬底上依次生长缓冲层、n型层、多量子阱层和p型层的操作具体包括：

20、于衬底上生长第一缓冲层的底层，之后对第一缓冲层的底层表面进行刻蚀，以在第一缓冲层的底层表面形成凹坑，其后于第一缓冲层的底层上生长第一缓冲层的其余部分，形成具有孔洞结构的第一缓冲层；

21、于第一缓冲层上生长第二缓冲层的底层，之后对第二缓冲层的底层表面进行刻蚀，以在第二缓冲层的底层表面形成凹坑，其后于第二缓冲层的底层上生长第二缓冲层的其余部分，形成具有孔洞结构的第二缓冲层；

22、于第二缓冲层上生长n型层的底层，之后对n型层的底层表面进行刻蚀，以在n型层的底层表面形成凹坑，其后在n型层的底层上生长n型层的其余部分，形成具有孔洞结构的n型层。

23、进一步的，第一缓冲层和第二缓冲层均是先采用无掩模刻蚀形成凹坑，再形成孔洞结构，位于上层的第二缓冲层的孔洞密度低于位于底层的第一缓冲层的孔洞密度，使得位于上层的第二缓冲层的缺陷密度降低，有助于提升第二缓冲层的上层结构的晶体质量。

24、进一步的，所述的制作方法具体包括：

25、在第一生长条件下于衬底上生长第一缓冲层的底层，之后以惰性气体等离子体对第一缓冲层的底层表面进行刻蚀，以至少在第一缓冲层的底层表面的位错集中区域形成纳米级凹坑，其后在第二生长条件下于第一缓冲层的底层上生长第一缓冲层的其余部分，形成第一缓冲层；

26、在第三生长条件下于第一缓冲层上生长第二缓冲层的底层，之后以惰性气体等离子体对第二缓冲层的底层表面进行刻蚀，以至少在第二缓冲层的底层表面的位错集中区域形成纳米级凹坑，其后在第四生长条件下，于第二缓冲层的底层上生长第二缓冲层的其余部分，形成第二缓冲层；

27、其中，所述第一生长条件包括第一生长压力、第一生长温度和第一v/iii摩尔比，所述第二生长条件包括第二生长压力、第二生长温度和第二v/iii摩尔比，所述第三生长条件包括第三生长压力、第三生长温度和第三v/iii摩尔比，所述第四生长条件包括第四生长压力、第四生长温度和第四v/iii摩尔比，并且第二生长压力大于第一生长压力，第二v/iii摩尔比大于第一v/iii摩尔比，第三生长温度大于第二生长温度，第三v/iii摩尔比小于第二v/iii摩尔比，第四生长温度大于第三生长温度，第四v/iii摩尔比大于第三v/iii摩尔比。

28、进一步的，所述第一生长压力为50mbar～100mbar，所述第一生长温度为1000℃～1100℃，所述第一v/iii摩尔比为900～1100。

29、进一步的，所述第一缓冲层的底层的厚度与第一缓冲层的厚度的比值小于1/2。

30、进一步的，所述第二生长压力为80mbar～150mbar，所述第二生长温度为1100℃～1200℃，所述第二v/iii摩尔比为1200～1500。

31、进一步的，所述第三生长压力为80mbar～150mbar，所述第三生长温度为1200℃～1250℃，所述第三v/iii摩尔比为1100～1200。

32、进一步的，所述第二缓冲层的底层的厚度与第二缓冲层的厚度的比值小于1/2。

33、进一步的，所述第四生长压力为80mbar～150mbar，所述第四生长温度为1250℃～1300℃，所述第四v/iii摩尔比为1200～1250。

34、进一步的，以惰性气体等离子体对第一缓冲层的底层表面或第二缓冲层的底层表面进行刻蚀的条件包括：惰性气体流量为80～300sccm、加速电压为400～600kev、轰击时间为10～20s。

35、进一步的，所述的制作方法具体包括：

36、于第二缓冲层上生长n型层的底层；

37、在n型层的底层上沉积ni金属层，之后在设定退火条件下进行退火处理，以形成ni纳米颗粒，然后以ni纳米颗粒为掩膜对n型层的底层进行刻蚀，以在n型层的底层表面形成凹坑；

38、之后在n型层的底层上生长n型层的其余部分，形成n型层；

39、其中，所述n型层的底层的厚度与n型层的厚度的比值小于1/2；所述设定退火条件包括退火温度为500～800℃、退火时间为2～20min；所述ni金属层的厚度为30～50nm；所述凹坑的深度和宽度为10～100nm。

40、n型层内的孔洞结构的形成方式与其下方的缓冲层内的凹坑的形成方式不同，n型层中的凹坑是采用ni金属纳米颗粒作为掩膜进行刻蚀而获得，通过利用缺陷处形成凹坑，而不是无掩模的直接刻蚀获得；由于在形成n型层时，下方具有双层结构的缓冲层，因此n型层的缺陷较少，使用ni金属颗粒作为掩膜可以形成较均匀的凹坑，以便于形成更好的孔洞结构。

41、进一步的，所述的制作方法还包括：先在所述衬底上形成应力释放层，之后在所述应力释放层上生长所述缓冲层；和/或，依次在所述缓冲层上生长过渡层和n型层。

42、本发明另一方面还提供了一种深紫外半导体发光器件的制作方法，包括：

43、采用所述的制作方法制作外延结构；

44、制作第一电极和第二电极，并使所述第一电极与所述外延结构中的n型层电连接，以及使所述第二电极与所述外延结构中的p型层电连接。

45、本发明另一方面还提供了一种深紫外半导体发光器件，所述深紫外半导体发光器件由所述的做制作方法制作得到。

46、本发明另一方面还提供了一种深紫外消杀装置，深紫外消杀装置包括保护壳和设置于保护壳内的深紫外光源，所述深紫外光源包括所述的深紫外半导体发光器件。

47、与现有技术相比，本发明的优点包括：

48、本发明中的双层结构的缓冲层能够提高上层结构的晶体质量，并且双层结构的缓冲层中均具有孔洞结构，一方面孔洞结构可以缓解在制备深紫外半导体发光器件的层结构之间的应力，另一方面也能够实现对深紫外光的散射，提高了光提取效率，出光强度更大。

49、本发明提供的深紫外半导体发光器件，位于缓冲层上方的n型层也具有沿生长方向闭合的孔洞结构(或气隙结构)，在产生的深紫外光向外发射时，孔洞结构的随机散射能够降低多层结构中深紫外光的全内反射损失，能够增强tm模式的光子逸出，同时对te模式也有一定程度的增强作用，tm模式具有更强的增强因子，能够显著提升深紫外led器件的光提取效率。