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CN111987194A - 一种垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED及其制备方法 - Google Patents

一种垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED及其制备方法 Download PDF

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CN111987194A
CN111987194A CN202011058528.6A CN202011058528A CN111987194A CN 111987194 A CN111987194 A CN 111987194A CN 202011058528 A CN202011058528 A CN 202011058528A CN 111987194 A CN111987194 A CN 111987194A
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deep ultraviolet
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CN202011058528.6A
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蒋科
黎大兵
孙晓娟
张山丽
陈洋
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Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
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Abstract

本发明提供了一种垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED的制备方法，属于半导体技术领域，包括在衬底上依次生长AlN模板、生长n‑AlxGa1‑xN层，接着制备n型金属接触层、第一绝缘介电掩膜层，再微米孔洞直至n‑AlxGa1‑xN层，然后在微米孔洞的全结构上继续外延生长n‑AlrGa1‑rN微米柱、制备第二绝缘介电掩膜层，再在n‑AlrGa1‑rN微米柱的侧面依次外延i‑AlyGa1‑yN/i‑AlzGa1‑zN多量子阱、i‑AlpGa1‑pN电子阻挡层、p‑AlqGa1‑qN层，最后沉积p型接触金属电极，并快速热退火处理。本发明还提供一种采用上述方法制备的垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED，其多量子阱方向沿着非极性面方向，可避免由于极化效应引起的量子阱区域强内建电场，从而提升器件的内量子效率。

Description

一种垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED及其制备方法。
背景技术
深紫外光源在医疗卫生、污水净化、非视距高速通讯等领域有非常广泛的应用潜力。当前深紫外光源主要由含汞灯具提供，具有空间体积大、工作电压高、环境污染严重、产品易破碎等缺点，迫切需要一种体积小、节能环保、稳定性好的新型固态深紫外光源取代当前的汞灯技术。AlGaN材料是直接宽禁带半导体材料，禁带宽度在3.4eV至6.2eV之间连续可调，且具有很好的热稳定性和化学稳定性，是制备新一代深紫外固态LED光源的理想材料。
当前，基于AlGaN材料的深紫外LED器件通常采用沿(0001)方向周期排列的AlGaN/AlGaN多量子阱结构作为有源区，并将电子和空穴注入有源区阱层进行辐射复合发光。AlGaN材料具有很强的自发极化效应，根据高斯定理，极化强度的变化将在界面位置引起极化电荷，极化电荷的密度和带电类型由极化强度变化的大小与方向决定。对于AlGaN多量子阱结构而言，当沿着(0001)方向生长的异质结组分变大，则在界面处形成正极化电荷；当沿着(0001)方向生长的异质结组分减小，则在界面处形成负极化电荷。当形成多量子阱后，由于界面电荷的作用，多量子阱结构的阱层将产生极强的内建电场。
极化内建电场使得多量子阱层能带结构严重倾斜，产生量子限制Stark效应，其一方面使电子空穴空间重叠程度锐减，辐射复合效率显著降低，另一方面使量子阱区域有效禁带宽度减小，发光波长红移。此外，另有研究表明，极化效应引起的量子限制Stark效应可能与Droop效应存在一定关联。因此，消除多量子阱极化效应对于提升AlGaN基深紫外LED效率具有重要作用。目前，消除极化效应的技术路线一般在于制备非极性面AlN衬底。然而，制备非极性面AlN衬底技术难度大、不成熟，且成本昂贵。
鉴于此，急需研究一种AlGaN基深紫外LED的制备方法，消除极化效应的技术避免采用制备非极性面AlN衬底技术，制备得到的AlGaN深紫外LED不存在多量子阱极化效应，效率高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED及其制备方法，通过在极性面衬底上制备非极性面方向的多量子阱结构，制备的垂直结构AlGaN多量子阱深紫外LED，其多量子阱方向沿着非极性面方向，可避免由于极化效应引起的量子阱区域强内建电场，从而提升器件的内量子效率。
本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：
本发明提供了一种垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：提供一氮化物材料生长的衬底；
步骤2：在所述衬底上生长AlN模板；
步骤3：在所述AlN模板上生长n-AlxGa1-xN层，其中，x≥0.45；
步骤4：在所述n-AlxGa1-xN层上制备n型金属接触层；
步骤5：在所述n型金属层上制备第一绝缘介电掩膜层；
步骤6：在所述第一绝缘介电掩膜层上刻蚀微米孔洞，直至所述n-AlxGa1-xN层；
步骤7：在刻有所述微米孔洞的全结构上继续外延n-AlrGa1-rN，产生n-AlrGa1-rN微米柱，其中r≥0.45；
步骤8：在所述n-AlrGa1-rN微米柱的上方制备第二绝缘介电掩膜层；
步骤9：在所述n-AlrGa1-rN微米柱的侧面外延i-AlyGa1-yN/i-AlzGa1-zN多量子阱层，其中，y>z≥0.45；
步骤10：在所述i-AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层的外侧生长i-AlpGa1-pN电子阻挡层，其中，p>y；
步骤11：在所述i-AlpGa1-pN电子阻挡层的外侧生长p-AlqGa1-qN层，其中，p>q>z；
步骤12：在所述p-AlqGa1-qN层的外侧沉积p型接触金属电极，并快速热退火处理。
进一步地，生长所述AlN模板、所述n-AlxGa1-xN层、所述n-AlrGa1-rN微米柱、所述i-AlyGa1-yN/i-AlzGa1-zN多量子阱层、所述i-AlpGa1-pN电子阻挡层、所述p-AlqGa1-qN层的方法为MOCVD、MBE或HVPE中的任意一种。
进一步地，所述n型金属接触层的制备方法为电子束蒸发法；
所述p型接触金属电极的制备方法为电子束蒸发法或热蒸发法；
所述微米孔洞的刻蚀方法为RIE、ICP或湿法刻蚀中的任意一种。
进一步地，所述第一绝缘介电掩膜层、所述二绝缘介电掩膜层的制备方法为PECVD或ALD技术中的任意一种。
本发明还提供一种如上所述的制备方法制备得到的垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED，从下至上依次包括所述衬底、所述AlN模板、所述n-AlxGa1-xN层、所述n型金属接触层、所述第一绝缘介电掩膜层；
所述n型金属接触层和所述第一绝缘介电掩膜层刻蚀有所述微米孔洞，所述n-AlrGa1-rN微米柱生长在所述微米孔洞的全结构上，所述第二绝缘介电掩膜层设置在所述n-AlrGa1-rN微米柱的上方；
从所述n-AlrGa1-rN微米柱向外依次包括所述i-AlyGa1-yN/i-AlzGa1-zN多量子阱层、所述i-AlpGa1-pN电子阻挡层、所述p-AlqGa1-qN层、所述p型接触金属电极；
其中，x≥0.45，r≥0.45，y>z≥0.45，p>y，p>q>z。
进一步地，所述衬底的材质为蓝宝石或AlN。
进一步地，所述n-AlxGa1-xN层，厚度为300nm，组分x＝0.45，掺杂浓度>5e18cm-3；
所述i-AlyGa1-yN/i-AlzGa1-zN多量子阱层，i-AlyGa1-yN侧向厚度为5nm，组分y＝0.6，非故意掺杂，i-AlzGa1-zN侧向厚度为3nm，组分z＝0.45，非故意掺杂，所述i-AlyGa1-yN/i-AlzGa1-zN多量子阱层的重复周期为5个；
所述i-AlpGa1-pN电子阻挡层，组分p＝0.7，侧向厚度为10nm；
所述p-AlqGa1-qN层，组分q＝0.5，侧向厚度为100nm。
进一步地，所述微米孔洞的形状为正六边形，且边平行于(1-100)晶面，边长为1um；
所述n-AlrGa1-rN微米柱高出所述第一绝缘介电掩膜层表面的高度大于10um。
进一步地，所述第一绝缘介电掩膜层、所述二绝缘介电掩膜层的材质均为氧化硅或氮化硅，厚度均为300nm。
进一步地，所述n型金属接触层的材质为金属Ti，厚度为100nm；
所述p型接触电极的材质为Ti、Al、Ni、Pt、Au、ITO中的任意一种，或为其合金薄膜，厚度为250nm。
本发明的垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED的制备方法，工艺简单，适合工业化生产，可以在满足极性面衬底的条件下制备非极性面方向的多量子阱结构，从而提升器件的内量子效率。制备的垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED，其多量子阱方向沿着非极性面方向，可避免由于极化效应引起的量子阱区域强内建电场，从而提升注入电子空穴在量子阱区域的空间重合率、消除发光波长红移、减弱由极化效应引起的Droop现象，从而获得高效率的深紫外LED器件。同时，器件的制备在(0001)极性面的衬底上完成，不存在非极性衬底制备的高技术难度、工艺不成熟和高成本的难题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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它的附图。
图1是本发明的垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED的制备方法流程图；
图2是本发明的垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED的结构示意图；
附图标记说明：1-衬底；2-AlN模板；3-n-AlxGa1-xN层；4-n型金属接触层；5-第一绝缘介电掩膜层；6-n-AlrGa1-rN微米柱；7-第二绝缘介电掩膜层；8-i-AlyGa1-yN/i-AlzGa1-zN多量子阱层；9-i-AlpGa1-pN电子阻挡层；10-p-AlqGa1-qN层；11-p型接触金属电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
如图1、图2所示，本发明提供了一种垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：提供一氮化物材料生长的衬底1；
步骤2：在所述衬底上生长AlN模板2；
步骤3：在所述AlN模板2上生长n-AlxGa1-xN层3，其中，x≥0.45；
步骤4：在所述n-AlxGa1-xN层3上制备n型金属接触层4；
步骤5：在所述n型金属层4上制备第一绝缘介电掩膜层5；
步骤6：在所述第一绝缘介电掩膜层上刻蚀微米孔洞，直至所述n-AlxGa1-xN层3；
步骤7：在刻有所述微米孔洞的全结构上继续外延n-AlrGa1-rN，产生n-AlrGa1-rN微米柱6，其中r≥0.45；
步骤8：在所述n-AlrGa1-rN微米柱6的上方制备第二绝缘介电掩膜层7；
步骤9：在所述n-AlrGa1-rN微米柱6的侧面外延i-AlyGa1-yN/i-AlzGa1-zN多量子阱层8，其中，y>z≥0.45；
步骤10：在所述i-AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层8的外侧生长i-AlpGa1-pN电子阻挡层9，其中，p>y；
步骤11：在所述i-AlpGa1-pN电子阻挡层9的外侧生长p-AlqGa1-qN层10，其中，p>q>z；
步骤12：在所述p-AlqGa1-qN层10的外侧沉积p型接触金属电极11，并快速热退火处理。
其中，生长所述AlN模板2、所述n-AlxGa1-xN层3、所述n-AlrGa1-rN微米柱6、所述i-AlyGa1-yN/i-AlzGa1-zN多量子阱层8、所述i-AlpGa1-pN电子阻挡层9、所述p-AlqGa1-qN层10的方法可以为MOCVD、MBE或HVPE等外延生长法中的任意一种。并且，生长所述AlN模板2的优选生长温度为1300℃。
所述n型金属接触层4的制备方法可以采用电子束蒸发法等方法，所述p型接触金属电极11的制备方法可以采用电子束蒸发法或热蒸发法等方法。所述微米孔洞的刻蚀方法可以采用RIE、ICP或湿法刻蚀等方法中的任意一种。
所述第一绝缘介电掩膜层5、所述二绝缘介电掩膜层7的制备方法可以采用PECVD或ALD技术等方法中的任意一种。
本发明还提供一种如上所述的制备方法制备得到的垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED，从下至上依次包括所述衬底1、所述AlN模板2、所述n-AlxGa1-xN层3、所述n型金属接触层4、所述第一绝缘介电掩膜层5；
所述n型金属接触层4和所述第一绝缘介电掩膜层5刻蚀有所述微米孔洞，所述n-AlrGa1-rN微米柱6生长在所述微米孔洞的全结构上，所述第二绝缘介电掩膜层7设置在所述n-AlrGa1-rN微米柱6的上方；
从所述n-AlrGa1-rN微米柱6向外依次包括所述i-AlyGa1-yN/i-AlzGa1-zN多量子阱层8、所述i-AlpGa1-pN电子阻挡层9、所述p-AlqGa1-qN层10、所述p型接触金属电极11；
其中，x≥0.45，r≥0.45，y>z≥0.45，p>y，p>q>z。
其中，所述衬底的材质优选为蓝宝石或AlN。
所述n-AlxGa1-xN层3的优选设计为：厚度为300nm，组分x＝0.45，掺杂浓度>5e18cm-3。所述i-AlyGa1-yN/i-AlzGa1-zN多量子阱层8的优选设计为：i-AlyGa1-yN侧向厚度为5nm，组分y＝0.6，非故意掺杂，i-AlzGa1-zN侧向厚度为3nm，组分z＝0.45，非故意掺杂，所述i-AlyGa1-yN/i-AlzGa1-zN多量子阱层8的重复周期为5个。所述i-AlpGa1-pN电子阻挡层9的优选设计为：组分p＝0.7，侧向厚度为10nm。所述p-AlqGa1-qN层10的优选设计为：组分q＝0.5，侧向厚度为100nm。
所述n-AlxGa1-xN层的晶体结构是六方纤锌矿结构，晶胞沿着生长方向看是正六边形，其边所在的垂直于c面的晶面正好就是(1-100)晶面。所述微米孔洞的形状优选为正六边形，且边平行于(1-100)晶面，边长为1um，也就是说微米孔洞的正六边形和n-AlxGa1-xN晶胞的正六边形相对位置是平行的。所述n-AlrGa1-rN微米柱6高出所述第一绝缘介电掩膜层表面的高度优选为大于10um。
所述第一绝缘介电掩膜层5、所述二绝缘介电掩膜层7的材质均优选为氧化硅或氮化硅，厚度均优选为300nm。
所述n型金属接触层4的材质优选为金属Ti，厚度优选为100nm。所述p型接触电极11的材质可以为Ti、Al、Ni、Pt、Au、ITO等中的任意一种，或为其合金薄膜，厚度优选为250nm。
本发明的垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED的制备方法，工艺简单，适合工业化生产，可以在满足极性面衬底的条件下制备非极性面方向的多量子阱结构，从而提升器件的内量子效率。制备的垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED，其多量子阱方向沿着非极性面方向，可避免由于极化效应引起的量子阱区域强内建电场，从而提升注入电子空穴在量子阱区域的空间重合率、消除发光波长红移、减弱由极化效应引起的Droop现象，从而获得高效率的深紫外LED器件。同时，器件的制备在(0001)极性面的衬底上完成，不存在非极性衬底制备的高技术难度、工艺不成熟和高成本的难题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：提供一氮化物材料生长的衬底；
步骤2：在所述衬底上生长AlN模板；
步骤3：在所述AlN模板上生长n-AlxGa1-xN层，其中，x≥0.45；
步骤4：在所述n-AlxGa1-xN层上制备n型金属接触层；
步骤5：在所述n型金属层上制备第一绝缘介电掩膜层；
步骤6：在所述第一绝缘介电掩膜层上刻蚀微米孔洞，直至所述n-AlxGa1-xN层；
步骤7：在刻有所述微米孔洞的全结构上继续外延n-AlrGa1-rN，产生n-AlrGa1-rN微米柱，其中，r≥0.45；
步骤8：在所述n-AlrGa1-rN微米柱的上方制备第二绝缘介电掩膜层；
步骤9：在所述n-AlrGa1-rN微米柱的侧面外延i-AlyGa1-yN/i-AlzGa1-zN多量子阱层，其中，y>z≥0.45；
步骤10：在所述i-AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层的外侧生长i-AlpGa1-pN电子阻挡层，其中，p>y；
步骤11：在所述i-AlpGa1-pN电子阻挡层的外侧生长p-AlqGa1-qN层，其中，p>q>z；
步骤12：在所述p-AlqGa1-qN层的外侧沉积p型接触金属电极，并快速热退火处理。
2.根据权利要求1所述的垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED的制备方法，其特征在于，生长所述AlN模板、所述n-AlxGa1-xN层、所述n-AlrGa1-rN微米柱、所述i-AlyGa1-yN/i-AlzGa1-zN多量子阱层、所述i-AlpGa1-pN电子阻挡层、所述p-AlqGa1-qN层的方法为MOCVD、MBE或HVPE中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED的制备方法，其特征在于，所述n型金属接触层的制备方法为电子束蒸发法；
所述p型接触金属电极的制备方法为电子束蒸发法或热蒸发法；
所述微米孔洞的刻蚀方法为RIE、ICP或湿法刻蚀中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED的制备方法，其特征在于，所述第一绝缘介电掩膜层、所述二绝缘介电掩膜层的制备方法为PECVD或ALD技术。
5.一种如权利要求1-4中任意一项所述的制备方法制备得到的垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED，其特征在于，从下至上依次包括所述衬底、所述AlN模板、所述n-AlxGa1-xN层、所述n型金属接触层、所述第一绝缘介电掩膜层；
所述n型金属接触层和所述第一绝缘介电掩膜层刻蚀有所述微米孔洞，所述n-AlrGa1-rN微米柱生长在所述微米孔洞的全结构上，所述第二绝缘介电掩膜层设置在所述n-AlrGa1-rN微米柱的上方；
从所述n-AlrGa1-rN微米柱向外依次包括所述i-AlyGa1-yN/i-AlzGa1-zN多量子阱层、所述i-AlpGa1-pN电子阻挡层、所述p-AlqGa1-qN层、所述p型接触金属电极；
其中，x≥0.45，r≥0.45，y>z≥0.45，p>y，p>q>z。
6.根据权利要求5所述的垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED，其特征在于，所述衬底的材质为蓝宝石或AlN。
7.根据权利要求5所述的垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED，其特征在于，所述n-AlxGa1- xN层，厚度为300nm，组分x＝0.45，掺杂浓度>5e18cm-3；
所述i-AlyGa1-yN/i-AlzGa1-zN多量子阱层，i-AlyGa1-yN侧向厚度为5nm，组分y＝0.6，非故意掺杂，i-AlzGa1-zN侧向厚度为3nm，组分z＝0.45，非故意掺杂，所述i-AlyGa1-yN/i-AlzGa1-zN多量子阱层的重复周期为5个；
所述i-AlpGa1-pN电子阻挡层，组分p＝0.7，侧向厚度为10nm；
所述p-AlqGa1-qN层，组分q＝0.5，侧向厚度为100nm。
8.根据权利要求5所述的垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED，其特征在于，所述微米孔洞的形状为正六边形，且边平行于(1-100)晶面，边长为1um；
所述n-AlrGa1-rN微米柱高出所述第一绝缘介电掩膜层表面的高度大于10um。
9.根据权利要求5所述的垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED，其特征在于，所述第一绝缘介电掩膜层、所述二绝缘介电掩膜层的材质均为氧化硅或氮化硅，厚度均为300nm。
10.根据权利要求5所述的垂直量子阱结构AlGaN深紫外LED，其特征在于，所述n型金属接触层的材质为金属Ti，厚度为100nm；
所述p型接触电极的材质为Ti、Al、Ni、Pt、Au、ITO中的任意一种，或为其合金薄膜，厚度为250nm。
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