一種紫外led外延有源區(qū)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種新的生長(zhǎng)紫外LED有源區(qū)的外延結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)方法，以特別的方式生長(zhǎng)多量子阱壘層，最終能夠更好地實(shí)現(xiàn)紫外光的輻射發(fā)光，提升紫外LED的光效。該方法是在生長(zhǎng)若干個(gè)周期AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱壘層的過程中，壘層AlyGa1-yN的鋁組分遞增變化(單獨(dú)對(duì)于每一個(gè)壘層自身，其生長(zhǎng)過程中Al含量保持恒定)，使得剛開始電子翻越勢(shì)壘能量減小，電流在后面增強(qiáng)的勢(shì)壘后均勻擴(kuò)展，降低電壓，同時(shí)提升電子的限制作用，同時(shí)空穴在注入過程中能很好的向中心有源區(qū)擴(kuò)展，從而提升紫外LED整體的發(fā)光效率。
【專利說明】一種紫外LED外延有源區(qū)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電子器件制備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種紫光LED外延有源區(qū)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著LED應(yīng)用的發(fā)展，紫光LED的市場(chǎng)需求越來越大，發(fā)光波長(zhǎng)覆蓋210_400nm的紫外LED，具有傳統(tǒng)紫外光源無法比擬的優(yōu)勢(shì)。在照明，生物醫(yī)療、防偽鑒定、空氣，水質(zhì)凈化、生化檢測(cè)、高密度信息儲(chǔ)存等方面都可替代傳統(tǒng)含有毒有害物質(zhì)的紫外汞燈，目前紫光LED生長(zhǎng)由于受到生長(zhǎng)材料本身的限制和摻雜難度影響，發(fā)光效率普遍較低。如何提升發(fā)光效率，是當(dāng)今紫外LED外延的重點(diǎn)。我們發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)材料有源區(qū)多量子阱各壘層的Al組分含量通常都相同，本發(fā)明是從這方面產(chǎn)生了提升紫外LED的光效的思路并進(jìn)行了優(yōu)化分析和實(shí)驗(yàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提出一種新的生長(zhǎng)紫外LED有源區(qū)的外延結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)方法，以特別的方式生長(zhǎng)多量子阱壘層，最終能夠更好地實(shí)現(xiàn)紫外光的輻射發(fā)光，提升紫外LED的光效。
[0004]本發(fā)明的基本方案如下:
[0005]紫外LED外延有源區(qū)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)方法，其中生長(zhǎng)若干個(gè)周期AlxGahNAlyGanN量子阱壘層的環(huán)節(jié)作為有源區(qū)，y>x，其中AlxGa1J作為阱層，AlyGa1J作為壘層；其特殊之處在于:壘層AlyGai_yN的Al組分在有源區(qū)生長(zhǎng)過程是遞增變化的，即y值始于a終于b，l>b>a>x>0 (單獨(dú)對(duì)于每一個(gè)壘層自身，其生長(zhǎng)過程中Al含量保持恒定)。
[0006]X所選數(shù)值視所要生長(zhǎng)的具體波長(zhǎng)而定，理論上按照本發(fā)明的方案，X在O?I范圍內(nèi)的取值都可以得到更高光效的紫外LED。
[0007]基于上述基本方案，本發(fā)明還進(jìn)一步做如下優(yōu)化限定:
[0008]a的取值范圍為b的1/3?1/2。即:y值的遞增跨度范圍小至從b的1/2開始直到b，大至從b的1/3開始直到b，在這樣的跨度范圍之內(nèi)，最終效果更佳。
[0009]上述遞增變化具體為連續(xù)變化、梯度變化或者混合梯度變化。其中以連續(xù)變化最最佳。
[0010]相應(yīng)的，本發(fā)明也提出一種紫外LED外延生長(zhǎng)方法，包括以下步驟:
[0011]藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)一層低溫AlN;
[0012]生長(zhǎng)一層高溫AlN;
[0013]生長(zhǎng)若干個(gè)周期AlN/AlGaN超晶格結(jié)構(gòu)層；
[0014]生長(zhǎng)一層摻雜娃燒的η型AlGaN層；
[0015]按照上述紫外LED外延有源區(qū)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)方法，生長(zhǎng)若干個(gè)周期AlxGa^NAlyGahN量子阱壘層；
[0016]生長(zhǎng)一層摻雜鎂P型AlGaN阻擋層；
[0017]生長(zhǎng)一層摻雜鎂P型GaN接觸層；
[0018]氮?dú)夥諊峦嘶稹?br> [0019]本發(fā)明的有益效果如下:
[0020]本發(fā)明在有源區(qū)生長(zhǎng)過程中壘層AlyGa1J的鋁組分遞增變化，壘層AlyGa1^yN(y>x>0)的Al組分變化采用這種方式生長(zhǎng)既可以防止電子的過溢，還可以增強(qiáng)電子在量子阱的分布，使得剛開始電子翻越勢(shì)壘能量減小，電流在后面增強(qiáng)的勢(shì)壘后均勻擴(kuò)展，降低電壓，同時(shí)提升電子的限制作用，同時(shí)空穴在注入過程中能很好的向中心有源區(qū)擴(kuò)展，從而提升紫外LED整體的發(fā)光效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的紫外LED的外延整體結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明采用藍(lán)寶石作為生長(zhǎng)基底，進(jìn)行異質(zhì)外延生長(zhǎng)，運(yùn)用M0CVD(金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積)技術(shù)來完成整個(gè)外延過程。在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)一層低溫A1N，然后再高溫生長(zhǎng)一層A1N，然后再生長(zhǎng)幾個(gè)周期AlN/AlGaN超晶格結(jié)構(gòu)層，然后再生長(zhǎng)一層摻雜硅烷的η型AlGaN層，然后生長(zhǎng)一層幾個(gè)周期AlxGanNAlyGahN(y>x)量子阱壘區(qū)，其中AlxGapxN作為阱層，AlyG&1_yN作為壘層。然后生長(zhǎng)一層Al組分較高的摻雜鎂P型AlGaN阻擋層，接著生長(zhǎng)一層很薄的摻雜鎂P型GaN接觸層。
[0023]其中，周期生長(zhǎng)的AlxGahN/AlyGa^N (y>x)量子阱壘區(qū)中，壘層AlyGa^yN (y>x>0)的Al組分在生長(zhǎng)過程中是變化的，即Y值始于a終于b, b>a>x>0o從a到b的變化過程可以分為連續(xù)變化、梯度變化、混合梯度變化三類。
[0024]連續(xù)變化是指在有源區(qū)生長(zhǎng)過程中，各個(gè)壘層Al組分含量y值從開始的a連續(xù)變化至結(jié)束的b。即單獨(dú)對(duì)于每一個(gè)壘層自身，其生長(zhǎng)過程中Al含量保持恒定，不同壘層之間形成漸變，比如壘層1、壘層2、壘層3，其y值分別為al、a2、a3，其中al〈a2〈a3。
[0025]梯度變化是指在有源區(qū)生長(zhǎng)過程中，各個(gè)壘層Al組分含量y值從開始的a階梯式遞增至結(jié)束的b。例如:前幾個(gè)壘層以y = a保持不變，后幾個(gè)壘層以I = b保持不變；也可以再細(xì)分為三級(jí)、四級(jí)階梯等。
[0026]混合梯度變化是指在有源區(qū)生長(zhǎng)過程中，既存在某幾個(gè)壘層的y值連續(xù)變化也存在某幾個(gè)壘層的I值梯度變化。例如:前幾個(gè)壘層以y = a保持不變，后幾個(gè)壘層y值連續(xù)變大至b ;也可以分為三個(gè)階段，第一個(gè)階段幾個(gè)壘層以y = a保持不變，第二個(gè)階段幾個(gè)壘層I值連續(xù)變大至a、b中間的某個(gè)值，第三個(gè)階段幾個(gè)壘層以y = b保持不變。如此，混合梯度變化可以有多種具體形式。
[0027]本發(fā)明可運(yùn)用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀(MOCVD)外延生長(zhǎng)技術(shù)，采用三甲基鎵(TMGa)，三乙基鎵(TEGa)，和三甲基銦(TMIn),三甲基鋁(TMAl)和氨氣(NH3)硅烷(SiH4)和二茂鎂(cp2mg)分別提供生長(zhǎng)所需要的鎵源，銦源，鋁源，和氮源，硅源，鎂源。
[0028]實(shí)施例一
[0029]1.將藍(lán)寶石襯底特殊清洗處理后，放入MOCVD設(shè)備在1100°C烘烤10分鐘。
[0030]2.降溫度600°C生長(zhǎng)一層厚度1nm的低溫AlN層，生長(zhǎng)壓力為10torr。
[0031]3.升溫到1070°C生長(zhǎng)一層厚度500nm的高溫AlN層，生長(zhǎng)壓力為10torr.
[0032]4.在溫度1060°C，150torr生長(zhǎng)一層10個(gè)周期AlN/AlGaN的超晶格，總厚度50nm。
[0033]5.在溫度1060°C生長(zhǎng)一層本征摻雜硅烷的η型AlGaN層厚度500nm，壓力200torr.
[0034]6.在氮?dú)夥諊?200torr，1060°C 生長(zhǎng)一層 AlxGahNAlyGahyN(y>x)量子阱壘層，每個(gè)周期的量子阱層AlxGa1J和壘層AlyGa1J層的厚度分別為3nm和8nm.其中壘層的Al組分在生長(zhǎng)過程是變化的，具體為:生長(zhǎng)8個(gè)y值分別為0.4，0.45，0.5，0.55，0.6，0.65，0.7，0.75 的壘層 AlyGai_yN 和阱層 AlxGahMCKxW.4)。
[0035]7.溫度至1000°C，150torr，生長(zhǎng)一層摻雜鎂的P型AlGaN層，厚度15nm。此層的Al組分含量較高。
[0036]8.在 980°C，10torr 生長(zhǎng) 70nm 的 Mg 摻雜的 p 型 AlGaN 層。
[0037]9.在 950°C，10torr 生長(zhǎng)一層 20nm 的 Mg 摻雜的 p 型 GaN 層。
[0038]10.在氮?dú)夥諊拢嘶?5分鐘。
[0039]生長(zhǎng)過程結(jié)束。
[0040]實(shí)施例二
[0041]1.將藍(lán)寶石襯底特殊清洗處理后，放入MOCVD設(shè)備在1100°C烘烤10分鐘。
[0042]2.降溫度600°C生長(zhǎng)一層厚度1nm的低溫AlN層，生長(zhǎng)壓力為10torr。
[0043]3.升溫到1070°C生長(zhǎng)一層厚度500nm的高溫AlN層，生長(zhǎng)壓力為10torr.
[0044]4.在溫度1060°C，150torr生長(zhǎng)一層10個(gè)周期AlN/AlGaN的超晶格，總厚度50nm。
[0045]5.在溫度1060°C生長(zhǎng)一層本征摻雜硅烷的η型AlGaN層厚度500nm，壓力200torr.
[0046]6.在氮?dú)夥諊?200torr，1060 °C 生長(zhǎng)一層 AlxGa^xNZAlyGahN (y>x)量子阱壘層，每個(gè)周期的量子阱層AlxGahN和壘層AlyGa1J層的厚度分別為3nm和8nm.其中壘層的Al組分在生長(zhǎng)過程是變化的，具體為生長(zhǎng)前5個(gè)y = 0.4的壘層Ala4Gaa6N和阱層AlxGa1^xN (0<x<0.4)，然后再生長(zhǎng)后3個(gè)y = 0.7的壘層Ala7Gaa3N和阱層AlxGa1^xN (0<x<0.4)。
[0047]7.溫度至1000°C，150torr，生長(zhǎng)一層摻雜鎂的P型AlGaN層，厚度15nm。此層的Al組分含量較高。
[0048]8.在 980°C，10torr 生長(zhǎng) 70nm 的 Mg 摻雜的 p 型 AlGaN 層。
[0049]9.在 950°C，10torr 生長(zhǎng)一層 20nm 的 Mg 摻雜的 p 型 GaN 層。
[0050]10.在氮?dú)夥諊?，退?5分鐘。
[0051]生長(zhǎng)過程結(jié)束。
[0052]實(shí)施例三
[0053]1.將藍(lán)寶石襯底特殊清洗處理后，放入MOCVD設(shè)備在1100°C烘烤10分鐘。
[0054]2.降溫度600°C生長(zhǎng)一層厚度1nm的低溫AlN層，生長(zhǎng)壓力為10torr。
[0055]3.升溫到1070°C生長(zhǎng)一層厚度500nm的高溫AlN層，生長(zhǎng)壓力為10torr.
[0056]4.在溫度1060°C，150torr生長(zhǎng)一層10個(gè)周期AlN/AlGaN的超晶格，總厚度50nm。
[0057]5.在溫度1060°C生長(zhǎng)一層本征摻雜硅烷的η型AlGaN層厚度500nm，壓力200torr.
[0058]6.在氮?dú)夥諊?200torr，1060°C 生長(zhǎng)一層 AlxGahNAlyGahyN(y>x)量子阱壘層，每個(gè)周期的量子阱層AlxGa1J和壘層AlyGa1J層的厚度分別為3nm和8nm.其中壘層的Al組分在生長(zhǎng)過程是變化的，具體為生長(zhǎng)前5個(gè)y = 0.4的壘層Ala4Gaa6N和阱層AlxGa1^xN(0<x<0.4)，然后再生長(zhǎng)后3個(gè)y值分別為0.5，0.6，0.7的壘層AlyGa^N和阱層AlxGa1^xN (0<x<0.4)。
[0059]7.溫度至1000°C，10torr,生長(zhǎng)一層摻雜鎂的P型AlGaN層，厚度15nm。此層的Al組分含量較高。
[0060]8.在 980°C，10torr 生長(zhǎng) 70nm 的 Mg 摻雜的 p 型 AlGaN 層。
[0061]9.在 950°C, 10torr 生長(zhǎng)一層 20nm 的 Mg 慘雜的 p 型 GaN 層。
[0062]10.在氮?dú)夥諊?，退?5分鐘。
[0063]生長(zhǎng)過程結(jié)束。
[0064]按照以上三個(gè)實(shí)施例生長(zhǎng)的外延片通過相同的芯片加工工藝測(cè)試結(jié)果顯示:三個(gè)實(shí)施例較傳統(tǒng)的方法發(fā)光效率都有所提升，并且電壓降低。其中實(shí)施例一效果最佳，生長(zhǎng)的外延芯片發(fā)光效率提升30%，且vf降低15%，說明空穴和電子的復(fù)合和注入效率增強(qiáng)。
[0065]需要強(qiáng)調(diào)的是，以上實(shí)施例中給出了能夠達(dá)到較佳技術(shù)效果的具體參數(shù)，但這些溫度、厚度、壓力等具體參數(shù)大部分均是參照現(xiàn)有技術(shù)所做的常規(guī)選擇，不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求保護(hù)范圍的限制。說明書中闡述了本發(fā)明技術(shù)改進(jìn)的原理，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)能夠認(rèn)識(shí)到在基本方案下對(duì)各具體參數(shù)做適度的調(diào)整仍然能夠基本實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。
【權(quán)利要求】
1.一種紫外LED外延有源區(qū)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)方法，其中生長(zhǎng)若干個(gè)周期AlxGa^N/AlyGahN量子阱壘層的環(huán)節(jié)作為有源區(qū)，y>x，其中AlxGai_xN作為阱層，AlyGai_yN作為壘層；其特征在于:壘層AlyG&1_yN的A1組分在有源區(qū)生長(zhǎng)過程是遞增變化的，即y值始于a終于b，l>b>a>x>0。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外LED外延有源區(qū)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)方法，其特征在于:a的取值范圍為b的1/3?1/2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的紫外LED外延有源區(qū)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)方法，其特征在于:所述遞增變化具體為連續(xù)變化、梯度變化或者混合梯度變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的紫外LED外延有源區(qū)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)方法，其特征在于:所述遞增變化具體為連續(xù)變化。
5.一種紫外LED外延生長(zhǎng)方法，其特征在于，包括以下步驟: 藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)一層低溫A1N ； 生長(zhǎng)一層高溫A1N; 生長(zhǎng)若干個(gè)周期AlN/AlGaN超晶格結(jié)構(gòu)層； 生長(zhǎng)一層摻雜娃燒的η型AlGaN層； 按照權(quán)利要求1所述的紫外LED外延有源區(qū)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)方法，生長(zhǎng)若干個(gè)周期AlxGai_xN/AlyG&1_yN量子阱壘層； 生長(zhǎng)一層摻雜鎂P型AlGaN阻擋層； 生長(zhǎng)一層摻雜鎂P型GaN接觸層； 氮?dú)夥諊峦嘶稹?br> 【文檔編號(hào)】H01L33/00GK104282808SQ201410524927
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月8日
【發(fā)明者】王曉波 申請(qǐng)人:西安神光皓瑞光電科技有限公司