一种AlGaN基深紫外LED外延片及制备方法

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种AlGaN基深紫外LED外延片及制备方法。

背景技术

深紫外光在国防技术、信息科技、生物制药、环境监测、公共卫生、杀菌消毒等领域具有广大的应用前景。目前所用的传统紫外光源是气体激光器和汞灯，存在着体积大、能耗高和污染等缺点。AlGaN基化合物半导体紫外发光二极管(LED)是一种固态紫外光源，具有体积小、效率高、寿命长、环境友好、低能耗和无污染等优点。高Al组分AlGaN材料是制备高性能深紫外LED不可替代的材料体系，无论在民用和军用方面都有重大需求，如在杀菌消毒、癌症检测、皮肤病治疗等医疗卫生领域，AlGaN基紫外光源，具有无汞污染、波长可调、体积小、集成性好、能耗低、寿命长等诸多优势。

近年来，AlGaN基深紫外LED的发展已经取得了一些进展，但其外量子效率低和发光功率低等性能问题仍阻碍着其商业化，而高质量的外延材料是制备高性能深紫外LED的基础。目前高质量的AlGaN材料一般都是通过异质外延方法制作，目前大多数采用蓝宝石衬底作为AlGaN基深紫外LED的外延衬底，但由于蓝宝石与所外延生长的AlGaN材料之间存在较大的晶格失配，一般需要在蓝宝石衬底和AlGaN之间采用多种结构的缓冲层来降低两种之间的晶格失配。因此，要实现在蓝宝石衬底上生长出高质量的AlGaN材料以及高性能的深紫外LED外延片，仍需要克服晶格失配、晶体位错、层错等重大缺陷，严重限制了紫外LED商业化生产的大规模应用。

发明内容

本发明的目的是一种AlGaN基深紫外LED外延片及制备方法，旨在解决现有技术中AlGaN基深紫外LED外延片性能有待提高的问题。

本发明实施例提供一种AlGaN基深紫外LED外延片，其中，包括：生长在蓝宝石衬底上的SiN层、生长在所述SiN层上的多个GaN纳米柱、对应包裹在所述多个GaN纳米柱外层的多个AlN纳米柱壳层、对应包裹在所述多个AlN纳米柱壳层外层的多个AlGaN纳米柱壳层、生长在所述多个AlGaN纳米柱壳层上的非掺杂AlGaN层、生长在所述非掺杂AlGaN层上的n型掺杂AlGaN层、生长在所述n型掺杂AlGaN层上的AlGaN多量子阱层、生长在所述AlGaN多量子阱层上的电子阻挡层、生长在所述电子阻挡层上的p型掺杂AlGaN层、生长在所述p型掺杂AlGaN层上的p型掺杂GaN层。

优选的，单个所述GaN纳米柱的直径为50～200nm，高度为300～2000nm。

优选的，单个所述AlN纳米柱壳层的厚度为50～150nm。

优选的，单个所述AlGaN纳米柱壳层的厚度为50～150nm。

优选的，所述非掺杂AlGaN层的厚度为500～800nm。

优选的，所述n型掺杂AlGaN层的厚度为3～5μm。

优选的，所述AlGaN多量子阱层由7～10个周期的Al

优选的，所述Al

优选的，所述电子阻挡层为Al

本发明实施例提供一种如上所述的AlGaN基深紫外LED外延片的制备方法，其中，包括：

选取蓝宝石衬底；

在所述蓝宝石衬底上生长SiN层；

在所述SiN层上生长多个GaN纳米柱；

在所述多个GaN纳米柱外层对应生长多个AlN纳米柱壳层；

在所述多个AlN纳米柱壳层上对应生长多个AlGaN纳米柱壳层；

在所述多个AlGaN纳米柱壳层上生长非掺杂AlGaN层；

在所述非掺杂AlGaN层上生长n型掺杂AlGaN层；

在所述n型掺杂AlGaN层上生长AlGaN多量子阱层；

在所述AlGaN多量子阱层上生长电子阻挡层；

在所述电子阻挡层上生长p型掺杂AlGaN层；

在所述p型掺杂AlGaN层上生长p型掺杂GaN层。

本发明实施例提供了一种AlGaN基深紫外LED外延片及制备方法，所述AlGaN基深紫外LED外延片包括：生长在蓝宝石衬底上的SiN层、生长在所述SiN层上的多个GaN纳米柱、对应包裹在所述多个GaN纳米柱外层的多个AlN纳米柱壳层、对应包裹在所述多个AlN纳米柱壳层外层的多个AlGaN纳米柱壳层、生长在所述多个AlGaN纳米柱壳层上的非掺杂AlGaN层、生长在所述非掺杂AlGaN层上的n型掺杂AlGaN层、生长在所述n型掺杂AlGaN层上的AlGaN多量子阱层、生长在所述AlGaN多量子阱层上的电子阻挡层、生长在所述电子阻挡层上的p型掺杂AlGaN层、生长在所述p型掺杂AlGaN层上的p型掺杂GaN层。本发明采用纳米柱结构代替传统复杂的多层薄膜缓冲层结构，降低蓝宝石和AlGaN之间的晶格失配，克服了现有技术的不足，获得高性能的AlGaN基深紫外LED外延片。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的AlGaN基深紫外LED外延片的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的AlGaN基深紫外LED外延片的制备方法的流程示意图；

图3为本发明实施例制备的AlGaN基深紫外LED外延片的电致发光图谱。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

本发明实施例提供一种AlGaN基深紫外LED外延片，如图1所示，包括：生长在蓝宝石衬底101上的SiN层102、生长在所述SiN层102上的多个GaN纳米柱103、对应包裹在所述多个GaN纳米柱103外层的多个AlN纳米柱壳层104、对应包裹在所述多个AlN纳米柱壳层104外层的多个AlGaN纳米柱壳层105、生长在所述多个AlGaN纳米柱壳层105上的非掺杂AlGaN层106、生长在所述非掺杂AlGaN层106上的n型掺杂AlGaN层107、生长在所述n型掺杂AlGaN层107上的AlGaN多量子阱层108、生长在所述AlGaN多量子阱层108上的电子阻挡层109、生长在所述电子阻挡层109上的p型掺杂AlGaN层110、生长在所述p型掺杂AlGaN层110上的p型掺杂GaN层111。

由于蓝宝石和AlGaN之间存在较大的晶格失配，本发明实施例采用纳米柱结构代替传统复杂的多层薄膜缓冲层结构，降低蓝宝石和AlGaN之间的晶格失配，克服现有技术的不足，获得了高性能的AlGaN基深紫外LED。

一般来说，由于蓝宝石和AlGaN之间存在较高的晶格失配，要在蓝宝石衬底上外延生长出高晶体质量的AlGaN材料，一般需采用多层且复杂的缓冲层结构；与薄膜材料相比，纳米柱具有高的比表面积，其高的比表面积使由于纳米柱和衬底之间晶格失配产生的晶格应变在纳米柱侧壁被有效弛豫，能显著降低穿透位错密度，获得高晶体质量的纳米柱材料。

由于很难在蓝宝石衬底上直接生长出高晶体质量的AlGaN纳米柱材料，因此采用在高质量GaN纳米柱103外继续生长AlN纳米柱壳层104和AlGaN纳米柱壳层105，从而得到高质量的AlGaN纳米柱(即AlGaN纳米柱壳层105)；以高晶体质量的AlGaN纳米柱壳层105作为基础，在AlGaN纳米柱壳层105上横向外延生长非掺杂AlGaN层106，因此能够获得高晶体的非掺杂AlGaN层106，有助于制备高性能的AlGaN基光电器件。

在一实施例中，所述SiN层102厚度为2～10nm。

在一实施例中，单个所述GaN纳米柱103的直径为50～200nm，高度为300～2000nm。所述GaN纳米柱103可以均匀分布在所述SiN层上。此外，相邻的GaN纳米柱103的间距可以是400～600nm。

在一实施例中，单个所述AlN纳米柱壳层104的厚度为50～150nm。该厚度是指覆盖在单个GaN纳米柱103的厚度，该厚度即指侧面厚度也指顶面厚度。

在一实施例中，单个所述AlGaN纳米柱壳层105的厚度为50～150nm。该厚度是指覆盖在单个AlN纳米柱壳层104的厚度，该厚度即指侧面厚度也指顶面厚度。

在一实施例中，所述非掺杂AlGaN层106的厚度为500～800nm。

在一实施例中，所述n型掺杂AlGaN层107的厚度为3～5μm。所述n型掺杂AlGaN层107掺杂有Si，Si掺杂浓度为1×10

在一实施例中，所述AlGaN多量子阱层108由7～10个周期的Al

在一实施例中，所述Al

在一实施例中，所述电子阻挡层109为Al

在一实施例中，所述p型掺杂AlGaN层110的厚度为300～350nm。所述电子阻挡层109为Al组分为0.4的AlGaN层，其与GaN存在较大的晶格失配，为了降低Al

在一实施例中，所述p型掺杂GaN层111的厚度为300～350nm。为了获得高掺杂浓度和高晶体质量的p型接触层材料，所以采用GaN作为p型层材料。

本发明实施例还提供一种如上所述的AlGaN基深紫外LED外延片的制备方法，如图2所示，其包括：

S201、选取蓝宝石衬底；

S202、在所述蓝宝石衬底上生长SiN层；

S203、在所述SiN层上生长多个GaN纳米柱；

S204、在所述多个GaN纳米柱外层对应生长多个AlN纳米柱壳层；

S205、在所述多个AlN纳米柱壳层上对应生长多个AlGaN纳米柱壳层；

S206、在所述多个AlGaN纳米柱壳层上生长非掺杂AlGaN层；

S207、在所述非掺杂AlGaN层上生长n型掺杂AlGaN层；

S208、在所述n型掺杂AlGaN层上生长AlGaN多量子阱层；

S209、在所述AlGaN多量子阱层上生长电子阻挡层；

S210、在所述电子阻挡层上生长p型掺杂AlGaN层；

S211、在所述p型掺杂AlGaN层上生长p型掺杂GaN层。

在所述步骤S201中，可以选用商用普通的蓝宝石衬底。

在所述步骤S202中，在所述SiN层生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法生长所述SiN层，工艺条件为：反应室压力为50～300torr，衬底温度为1000～1160℃。

在所述步骤S203中，在所述GaN纳米柱生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述SiN层上生长GaN纳米柱，工艺条件为：反应室压力为50～300torr，衬底温度为1000～1260℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为10～50，生长速率为1～2μm/h。由于在蓝宝石上生长的SiN层厚度很薄，未能形成致密的SiN层，导致会在SiN层表面露出部分的蓝宝石区域，而GaN无法在SiN层表面进行形核生长，相当于采用薄的SiN层在蓝宝石衬底上做了一个掩膜。在低的V/III比条件下(Ⅴ/Ⅲ为10～50)，能够生长出GaN纳米柱；相同地，采用低的V/III比条件(Ⅴ/Ⅲ为10～50)，继续在GaN纳米柱上包裹2层纳米柱(即AlN纳米柱壳层和AlGaN纳米柱壳层)。

在所述步骤S204中，在所述AlN纳米柱壳层生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述GaN纳米柱上生长AlN纳米柱壳层，工艺条件为：反应室压力为50～300torr，衬底温度为1000～1260℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为10～50，生长速率为1～2μm/h。

在所述步骤S205中，在所述AlGaN纳米柱壳层生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述AlN纳米柱上生长AlGaN纳米柱壳层，工艺条件为：反应室压力为50～300torr，衬底温度为1000～1260℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为10～50，生长速率为1～2μm/h。

在所述步骤S206中，在所述非掺杂AlGaN层外延生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述AlGaN纳米柱上生长非掺杂AlGaN层，工艺条件为：反应室压力为50～300torr，衬底温度为1000～1260℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为3000～5000，生长速率为2～4μm/h。

在所述步骤S207中，在所述n型掺杂AlGaN层外延生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述非掺杂AlGaN层上生长n型掺杂AlGaN层，工艺条件为：反应室压力为50～300torr，衬底温度为1000～1260℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为3000～5000，生长速率为2～4μm/h；所述n型掺杂AlGaN层掺杂有Si，Si掺杂浓度为1×10

在所述步骤S208中，在所述AlGaN多量子阱层外延生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述n型掺杂AlGaN层上生长7～10个周期的Al

在所述步骤S209中，在所述电子阻挡层外延生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述AlGaN多量子阱层上生长Al

在所述步骤S210中，在所述p型掺杂AlGaN层外延生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述电子阻挡层上生长p型掺杂AlGaN层，工艺条件为：反应室压力为50～300torr，Si衬底温度为1000～1260℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为3000～5000，生长速率为2～4μm/h。

在所述步骤S211中，在所述p型掺杂GaN层外延生长步骤中，采用金属有机化学气相沉积法在所述p型掺杂AlGaN层上生长p型掺杂GaN层，工艺条件为：反应室压力为50～300torr，Si衬底温度为1000～1060℃，束流比Ⅴ/Ⅲ为3000～5000，生长速率为2～4μm/h。

本发明实施例最终制备的AlGaN基深紫外LED外延片，其电致发光图谱如图3所示。

本发明实施例以核壳结构纳米柱作为缓冲层，替代传统的多层薄膜缓冲层结构，核壳结构纳米柱有利于缓解外延层生长过程中产生的应力，缓解薄膜中缺陷密度，从而实现高晶体质量AlGaN薄膜及AlGaN基深紫外LED外延片的生长；本发明实施例的制备方法中，为了获得高晶体质量的AlGaN材料，将利用核壳结构纳米柱作为缓冲层，然后通过改变外延生长方式，在纳米柱上继续生长AlGaN薄膜，获得高质量且界面光滑的外延层薄膜，进而制备高性能、发光效率高的深紫外LED，此法简单易行、效果显著、成本低廉。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。