一種提高深紫外led發(fā)光性能的外延生長(zhǎng)方法
【專(zhuān)利摘要】一種提高深紫外LED發(fā)光性能的外延生長(zhǎng)方法，屬于半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域。本發(fā)明從下至上依次生長(zhǎng)方法步驟為：1）處理襯底；2）生長(zhǎng)低溫AlN緩沖層；3）生長(zhǎng)AlN應(yīng)力控制層；4）生長(zhǎng)高溫AlN層；5）生長(zhǎng)N型AlGaN接觸層；6）生長(zhǎng)AlxGa1?xN/AlyGa1?yN多量子阱有源層；7）生長(zhǎng)P型AlGaN電子阻擋層；8）生長(zhǎng)P型AlGaN限制層；9）生長(zhǎng)P型GaN接觸層。同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法能改善AlN和AlGaN材料的晶體質(zhì)量和表面形貌，顯著提高深紫外LED器件的發(fā)光性能。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種提高深紫外LED發(fā)光性能的外延生長(zhǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域，特別是提高深紫外LED發(fā)光性能的外延生長(zhǎng)方法。 【背景技術(shù)】
[0002]基于高質(zhì)量的高A1組分AlGaN外延薄膜的深紫外LED可以廣泛應(yīng)用在消毒殺菌、水和食品處理、生化檢測(cè)、信息儲(chǔ)存、雷達(dá)探測(cè)和保密通訊等領(lǐng)域，市場(chǎng)潛力和應(yīng)用前景十分巨大。而高晶體質(zhì)量的A1N和AlGaN材料是制備上述高性能深紫外LED的核心基礎(chǔ)。
[0003]目前高質(zhì)量的A1N單晶襯底價(jià)格昂貴、制備難度高。因此，現(xiàn)有技術(shù)中，國(guó)際研究者選擇在藍(lán)寶石襯底上采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積制備高質(zhì)量的A1N薄膜，往往選擇兩步法或脈沖法技術(shù)。
[0004]A1-N鍵能為2.88eV(Ga-N鍵能為1.93eV)，是III族氮化物中最高的，所以A1原子鍵合后很難脫附，在生長(zhǎng)表面迀移所需要的激活能很高。因此，上述兩步法制備中，A1N外延生長(zhǎng)主要表現(xiàn)為三維島狀模式，表面粗糙，島合并容易產(chǎn)生位錯(cuò)和晶界，導(dǎo)致位錯(cuò)密度很大， 嚴(yán)重影響AlGaN基紫外電器件的性能。另外，由于A1N與藍(lán)寶石襯底之間還存在較高的熱失配與晶格失配，加劇了晶體質(zhì)量的惡化。
[0005]中國(guó)專(zhuān)利公告號(hào)為CN105296948A的“一種提高GaN基LED光電性能的外延生長(zhǎng)方法”，利用直流磁控反應(yīng)濺射法在異質(zhì)襯底上制備A1N薄膜，作為GaN外延生長(zhǎng)的緩沖層，改變了GaN外延生長(zhǎng)模式，能顯著降低材料的位錯(cuò)密度，提高GaN材料的晶體質(zhì)量，從而改善 LED器件的發(fā)光效率、漏電和抗靜電能力等光電性能。該發(fā)明方法適用于藍(lán)綠光LED外延結(jié)構(gòu)，然而對(duì)于深紫外LED外延結(jié)構(gòu)，因?yàn)镚aN外延層(光吸收范圍0-365nm)會(huì)嚴(yán)重吸收深紫外光，所以必須在襯底上生長(zhǎng)A1N和高A1組分的AlGaN作為模板。而如果直接用磁控反應(yīng)濺射法制備的A1N薄膜作為A1N外延生長(zhǎng)的緩沖層，會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的應(yīng)力問(wèn)題，導(dǎo)致外延層龜裂。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種提高深紫外LED發(fā)光性能的外延生長(zhǎng)方法。它能改善A1N和AlGaN材料的晶體質(zhì)量和表面形貌，顯著提高深紫外 LED器件的發(fā)光性能。
[0007]為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案以如下方式實(shí)現(xiàn):一種提高深紫外LED發(fā)光性能的外延生長(zhǎng)方法，其從下至上依次生長(zhǎng)方法步驟為:1)處理襯底:采用磁控濺射方法在異質(zhì)襯底上濺射厚度為l〇-l〇〇nm的A1N薄膜，作為A1N外延生長(zhǎng)的緩沖層。
[0008]2)生長(zhǎng)低溫A1N緩沖層:控制生長(zhǎng)溫度為500-900°C，反應(yīng)室壓力為50-200mbar，V/m比為100-5000,生長(zhǎng)厚度為10-50nm的低溫A1N緩沖層。
[0009]3)生長(zhǎng)A1N應(yīng)力控制層:控制生長(zhǎng)溫度為900-1200°C，反應(yīng)室壓力為50-200mbar，V/m比為100-5000,生長(zhǎng)厚度為0.1-lMi的A1N應(yīng)力控制層。
[0010] 4)生長(zhǎng)高溫A1N層:控制生長(zhǎng)溫度為1000-1400°C，反應(yīng)室壓力為20-100mbar，V/m比為10-1000,生長(zhǎng)厚度為1-5_的高溫A1N層。
[0011] 5)生長(zhǎng)N型AlGaN接觸層:控制生長(zhǎng)溫度為900-1200°C，反應(yīng)室壓力為50-200mbar，生長(zhǎng)厚度為1-5mi的N型AlGaN 接觸層41組分為0-1，51摻雜濃度為把18〇11—3~2￡19〇11一3。
[0012] 6)生長(zhǎng) AlxGai—xN/AlyGai—yN 多量子阱有源層:控制生長(zhǎng)溫度為900-1200°C，反應(yīng)室壓力為50-200mbar，交替生長(zhǎng)厚度為2-6nm的 AlxGai—XN勢(shì)阱層(0〈x〈l)和厚度為5-15nm的AlyGai—yN勢(shì)皇層(0〈7〈13〈7)，多量子阱周期數(shù) 1-10〇
[0013] 7)生長(zhǎng)P型AlGaN電子阻擋層:控制生長(zhǎng)溫度為800-1200°C，反應(yīng)室壓力為50-200mbar，生長(zhǎng)厚度為10-50nm的P型八《^^電子阻擋層41組分為0-1，1%摻雜濃度為5￡18〇11—3~1￡20〇11一3。
[0014] 8)生長(zhǎng)P型AlGaN限制層:控制生長(zhǎng)溫度為800-1200°C，反應(yīng)室壓力為50-200mbar，生長(zhǎng)厚度為10-200nm的P型八《^^限制層41組分為0-1，]\%摻雜濃度為5￡18〇11—3~1￡20〇11一3。
[0015] 9)生長(zhǎng)P型GaN接觸層:控制生長(zhǎng)溫度為800-1100°C，反應(yīng)室壓力為100-400mbar，生長(zhǎng)厚度為10-200nm的P型 GaN接觸層，Mg摻雜濃度為5E18 cm—3?5E20cnf3。
[0016]在上述提高深紫外LED發(fā)光性能的外延生長(zhǎng)方法中，所述異質(zhì)襯底采用藍(lán)寶石 Al2〇3、硅S1、碳化硅SiC或者氧化鋅ZnO。
[0017]本發(fā)明由于采用了上述方法，同現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明外延生長(zhǎng)方法，是通過(guò)采用磁控濺射方法在所述異質(zhì)襯底上濺射一層和后續(xù)生長(zhǎng)A1N模板材料晶格匹配的A1N薄膜作為緩沖層，減小了晶格失配，再在處理后的襯底上繼續(xù)生長(zhǎng)低溫A1N緩沖層、低溫A1N應(yīng)力控制層和生長(zhǎng)高溫A1N層，可明顯改善A1N和AlGaN材料的晶體質(zhì)量和表面形貌。同時(shí)本發(fā)明方法也解決了處理襯底后直接生長(zhǎng)A1N外延層帶來(lái)的龜裂難題和生長(zhǎng)GaN薄膜帶來(lái)的吸光問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明方法可以顯著提高深紫外LED 器件的發(fā)光性能。[〇〇18]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明?！靖綀D說(shuō)明】
[0019]圖1是本發(fā)明生長(zhǎng)方法的流程圖；圖2是本發(fā)明生長(zhǎng)方法在襯底上濺射和不濺射A1N薄膜所生長(zhǎng)的A1N模板的XRD(102)面的搖擺曲線比較圖；圖3是本發(fā)明生長(zhǎng)方法在襯底上濺射和不濺射A1N薄膜所生長(zhǎng)的深紫外LED的電致發(fā)光譜比較圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0020]參看圖1，本發(fā)明提高深紫外LED發(fā)光性能的外延生長(zhǎng)方法，從下至上依次生長(zhǎng)方法步驟為:1)處理襯底:采用磁控濺射方法在異質(zhì)襯底上濺射厚度為l〇-l〇〇nm的A1N薄膜，作為A1N外延生長(zhǎng)的緩沖層。異質(zhì)襯底采用藍(lán)寶石Al2〇3、硅S1、碳化硅SiC或者氧化鋅ZnO。
[0021]2)生長(zhǎng)低溫A1N緩沖層:控制生長(zhǎng)溫度為500-900°C，反應(yīng)室壓力為50-200mbar，V/m比為100-5000,生長(zhǎng)厚度為10-50nm的低溫A1N緩沖層。[〇〇22]3)生長(zhǎng)A1N應(yīng)力控制層:控制生長(zhǎng)溫度為900-1200°C，反應(yīng)室壓力為50-200mbar，V/m比為100-5000,生長(zhǎng)厚度為0.1-lMi的A1N應(yīng)力控制層。[〇〇23]4)生長(zhǎng)高溫A1N層:控制生長(zhǎng)溫度為1000-1400°C，反應(yīng)室壓力為20-100mbar，V/m比為10-1000,生長(zhǎng)厚度為1-5_的高溫A1N層。[〇〇24]5)生長(zhǎng)N型AlGaN接觸層:控制生長(zhǎng)溫度為900-1200°C，反應(yīng)室壓力為50-200mbar，生長(zhǎng)厚度為1-5_的N型AlGaN 接觸層41組分為0-1，51摻雜濃度為把18〇11—3~2￡19〇11一3。[〇〇25]6)生長(zhǎng) AlxGai—xN/AlyGai—yN 多量子阱有源層:控制生長(zhǎng)溫度為900-1200°C，反應(yīng)室壓力為50-200mbar，交替生長(zhǎng)厚度為2-6nm的 AlxGai—XN勢(shì)阱層(0〈x〈l)和厚度為5-15nm的AlyGai—yN勢(shì)皇層(0〈7〈13〈7)，多量子阱周期數(shù) 1-10〇[〇〇26]7)生長(zhǎng)P型AlGaN電子阻擋層:控制生長(zhǎng)溫度為800-1200°C，反應(yīng)室壓力為50-200mbar，生長(zhǎng)厚度為10-50nm的P型八《^^電子阻擋層41組分為0-1，1%摻雜濃度為5￡18〇11—3~1￡20〇11一3。
[0027]8)生長(zhǎng)P型AlGaN限制層:控制生長(zhǎng)溫度為800-1200°C，反應(yīng)室壓力為50-200mbar，生長(zhǎng)厚度為10-200nm的P型八《^^限制層41組分為0-1，]\%摻雜濃度為5￡18〇11—3~1￡20〇11一3。[〇〇28]9)生長(zhǎng)P型GaN接觸層:控制生長(zhǎng)溫度為800-1100°C，反應(yīng)室壓力為100-400mbar，生長(zhǎng)厚度為10-200nm的P型 GaN接觸層，Mg摻雜濃度為5E18 cm—3?5E20cnf3。
[0029]實(shí)施例一:采用磁控濺射方法在平面藍(lán)寶石襯底上濺射厚度l〇nm的A1N薄膜，然后控制生長(zhǎng)溫度為500°C，反應(yīng)室壓力為50mbar，V/m比為100,生長(zhǎng)厚度為10nm的低溫A1N緩沖層。接著控制生長(zhǎng)溫度為900°C，反應(yīng)室壓力為50mbar，V/m比為100,生長(zhǎng)厚度為0? lwii的A1N應(yīng)力控制層。最后在其上分別生長(zhǎng)高溫A1N層、N型AlGaN接觸層、AlxGahN/AlyGa^N多量子阱有源層、P型AlGaN電子阻擋層、P型AlGaN限制層和P型GaN接觸層。
[0030]參看圖2,利用X射線衍射搖擺曲線半高寬來(lái)表征A1N外延薄膜的晶體質(zhì)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用本發(fā)明生長(zhǎng)方法處理襯底和不處理襯底所生長(zhǎng)的樣品的XRD(102)面半高寬分別為 560arcSec和780arcSec，晶體質(zhì)量明顯提高。參看圖3,利用電致發(fā)光來(lái)表征深紫外LED的發(fā)光性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用本發(fā)明的生長(zhǎng)方法在襯底上濺射A1N薄膜所生長(zhǎng)的深紫外LED和不濺射A1N薄膜所生長(zhǎng)的樣品相比，發(fā)光波長(zhǎng)都在280nm左右，發(fā)光強(qiáng)度數(shù)值從9000增加到 12500,而且峰位在320nm的寄生雜質(zhì)峰明顯減弱，說(shuō)明濺射A1N薄膜所生長(zhǎng)的深紫外LED發(fā)光性能明顯提尚。
[0031] 實(shí)施例二:采用磁控濺射方法在平面藍(lán)寶石襯底上濺射厚度l〇〇nm的A1N薄膜，然后控制生長(zhǎng)溫度為900°C，反應(yīng)室壓力為200mbar，V/m比為5000,生長(zhǎng)厚度為50nm的低溫A1N緩沖層。接著控制生長(zhǎng)溫度為1200°C，反應(yīng)室壓力為200mbar，V/m比為5000,生長(zhǎng)厚度為lwii的A1N應(yīng)力控制層。最后在其上分別生長(zhǎng)高溫A1N層、N型AlGaN接觸層、AlxGaixN/AlyGaiyN多量子阱有源層、P型AlGaN電子阻擋層、P型AlGaN限制層和P型GaN接觸層。[〇〇32] 實(shí)施例三:采用磁控濺射方法在平面藍(lán)寶石襯底上濺射厚度30nm的A1N薄膜，然后控制生長(zhǎng)溫度為800°C，反應(yīng)室壓力為lOOmbar，V/m比為1000,生長(zhǎng)厚度為30nm的低溫A1N緩沖層。接著控制生長(zhǎng)溫度為ll〇〇°C，反應(yīng)室壓力為lOOmbar，V/m比為1000,生長(zhǎng)厚度為0.5mi的A1N應(yīng)力控制層。最后在其上分別生長(zhǎng)高溫A1N層、N型AlGaN接觸層、AlxGahN/AlyGa^N多量子阱有源層、P型AlGaN電子阻擋層、P型AlGaN限制層和P型GaN接觸層。
[0033]以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制。盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換;凡屬于按照本技術(shù)方案進(jìn)行顯而易見(jiàn)的修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種提高深紫外LED發(fā)光性能的外延生長(zhǎng)方法，其從下至上依次生長(zhǎng)方法步驟為:1)處理襯底:采用磁控濺射方法在異質(zhì)襯底上濺射厚度為l〇-l〇〇nm的A1N薄膜，作為A1N外延生長(zhǎng)的 緩沖層；2)生長(zhǎng)低溫A1N緩沖層:控制生長(zhǎng)溫度為500-900°C，反應(yīng)室壓力為50-200mbar，V/m比為100-5000,生長(zhǎng)厚度 為10-50nm的低溫A1N緩沖層；3)生長(zhǎng)A1N應(yīng)力控制層:控制生長(zhǎng)溫度為900-1200°C，反應(yīng)室壓力為50-200mbar，V/m比為100-5000,生長(zhǎng)厚 度為0 ? 1-lMi的A1N應(yīng)力控制層；4)生長(zhǎng)高溫A1N層:控制生長(zhǎng)溫度為1000-1400°C，反應(yīng)室壓力為20-100mbar，V/m比為10-1000,生長(zhǎng)厚 度為1-5_的高溫A1N層；5)生長(zhǎng)N型AlGaN接觸層:控制生長(zhǎng)溫度為900-1200°C，反應(yīng)室壓力為50-200mbar，生長(zhǎng)厚度為1-5_的N型AlGaN 接觸層41組分為0-1，51摻雜濃度為比18〇11—3~2￡19〇11一3;6)生長(zhǎng)AlxGai—xN/AlyGai—yN多量子阱有源層:控制生長(zhǎng)溫度為900-1200°C，反應(yīng)室壓力為50-200mbar，交替生長(zhǎng)厚度為2-6nm的 AlxGai—XN勢(shì)阱層(0〈x〈l)和厚度為5-15nm的AlyGai—yN勢(shì)皇層(0〈7〈13〈7)，多量子阱周期數(shù) 1-10；7)生長(zhǎng)P型AlGaN電子阻擋層:控制生長(zhǎng)溫度為800-1200°C，反應(yīng)室壓力為50-200mbar，生長(zhǎng)厚度為10-50nm的P型 八《^^電子阻擋層41組分為0-1，1%摻雜濃度為5￡18〇11—3~1￡20〇11一3;8)生長(zhǎng)P型AlGaN限制層:控制生長(zhǎng)溫度為800-1200°C，反應(yīng)室壓力為50-200mbar，生長(zhǎng)厚度為10-200nm的P型 八《^^限制層41組分為0-1，]\%摻雜濃度為5￡18〇11—3~1￡20〇11一3;9)生長(zhǎng)P型GaN接觸層:控制生長(zhǎng)溫度為800-1100°C，反應(yīng)室壓力為100-400mbar，生長(zhǎng)厚度為10-200nm的P型 GaN接觸層，Mg摻雜濃度為5E18 cm—3?5E20cnf3。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高深紫外LED發(fā)光性能的外延生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述異 質(zhì)襯底采用藍(lán)寶石Al2〇3、硅S1、碳化硅SiC或者氧化鋅ZnO。
【文檔編號(hào)】C30B29/40GK106025025SQ201610399803
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月8日
【發(fā)明人】吳真龍, 鄭建欽, 田宇, 曾頎堯, 李鵬飛
【申請(qǐng)人】南通同方半導(dǎo)體有限公司, 同方股份有限公司