一種提高深紫外led發光性能的外延生長方法
【專利摘要】一種提高深紫外LED發光性能的外延生長方法，屬于半導體光電子領域。本發明從下至上依次生長方法步驟為：1）處理襯底；2）生長低溫AlN緩沖層；3）生長AlN應力控制層；4）生長高溫AlN層；5）生長N型AlGaN接觸層；6）生長AlxGa1?xN/AlyGa1?yN多量子阱有源層；7）生長P型AlGaN電子阻擋層；8）生長P型AlGaN限制層；9）生長P型GaN接觸層。同現有技術相比，本發明方法能改善AlN和AlGaN材料的晶體質量和表面形貌，顯著提高深紫外LED器件的發光性能。
【專利說明】
一種提高深紫外LED發光性能的外延生長方法
技術領域
[0001]本發明屬于半導體光電子領域，特別是提高深紫外LED發光性能的外延生長方法。 【背景技術】
[0002]基于高質量的高A1組分AlGaN外延薄膜的深紫外LED可以廣泛應用在消毒殺菌、水和食品處理、生化檢測、信息儲存、雷達探測和保密通訊等領域，市場潛力和應用前景十分巨大。而高晶體質量的A1N和AlGaN材料是制備上述高性能深紫外LED的核心基礎。
[0003]目前高質量的A1N單晶襯底價格昂貴、制備難度高。因此，現有技術中，國際研究者選擇在藍寶石襯底上采用金屬有機物化學氣相沉積制備高質量的A1N薄膜，往往選擇兩步法或脈沖法技術。
[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外延生長主要表現為三維島狀模式，表面粗糙，島合并容易產生位錯和晶界，導致位錯密度很大， 嚴重影響AlGaN基紫外電器件的性能。另外，由于A1N與藍寶石襯底之間還存在較高的熱失配與晶格失配，加劇了晶體質量的惡化。
[0005]中國專利公告號為CN105296948A的“一種提高GaN基LED光電性能的外延生長方法”，利用直流磁控反應濺射法在異質襯底上制備A1N薄膜，作為GaN外延生長的緩沖層，改變了GaN外延生長模式，能顯著降低材料的位錯密度，提高GaN材料的晶體質量，從而改善 LED器件的發光效率、漏電和抗靜電能力等光電性能。該發明方法適用于藍綠光LED外延結構，然而對于深紫外LED外延結構，因為GaN外延層(光吸收范圍0-365nm)會嚴重吸收深紫外光，所以必須在襯底上生長A1N和高A1組分的AlGaN作為模板。而如果直接用磁控反應濺射法制備的A1N薄膜作為A1N外延生長的緩沖層，會帶來嚴重的應力問題，導致外延層龜裂。
【發明內容】
[0006]針對上述現有技術中存在的不足，本發明的目的是提供一種提高深紫外LED發光性能的外延生長方法。它能改善A1N和AlGaN材料的晶體質量和表面形貌，顯著提高深紫外 LED器件的發光性能。
[0007]為了達到上述發明目的，本發明的技術方案以如下方式實現:一種提高深紫外LED發光性能的外延生長方法，其從下至上依次生長方法步驟為:1)處理襯底:采用磁控濺射方法在異質襯底上濺射厚度為l〇-l〇〇nm的A1N薄膜，作為A1N外延生長的緩沖層。
[0008]2)生長低溫A1N緩沖層:控制生長溫度為500-900°C，反應室壓力為50-200mbar，V/m比為100-5000,生長厚度為10-50nm的低溫A1N緩沖層。
[0009]3)生長A1N應力控制層:控制生長溫度為900-1200°C，反應室壓力為50-200mbar，V/m比為100-5000,生長厚度為0.1-lMi的A1N應力控制層。
[0010] 4)生長高溫A1N層:控制生長溫度為1000-1400°C，反應室壓力為20-100mbar，V/m比為10-1000,生長厚度為1-5_的高溫A1N層。
[0011] 5)生長N型AlGaN接觸層:控制生長溫度為900-1200°C，反應室壓力為50-200mbar，生長厚度為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 AlxGai—xN/AlyGai—yN 多量子阱有源層:控制生長溫度為900-1200°C，反應室壓力為50-200mbar，交替生長厚度為2-6nm的 AlxGai—XN勢阱層(0〈x〈l)和厚度為5-15nm的AlyGai—yN勢皇層(0〈7〈13〈7)，多量子阱周期數 1-10〇
[0013] 7)生長P型AlGaN電子阻擋層:控制生長溫度為800-1200°C，反應室壓力為50-200mbar，生長厚度為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P型AlGaN限制層:控制生長溫度為800-1200°C，反應室壓力為50-200mbar，生長厚度為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P型GaN接觸層:控制生長溫度為800-1100°C，反應室壓力為100-400mbar，生長厚度為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發光性能的外延生長方法中，所述異質襯底采用藍寶石 Al2〇3、硅S1、碳化硅SiC或者氧化鋅ZnO。
[0017]本發明由于采用了上述方法，同現有技術相比具有如下優點:本發明外延生長方法，是通過采用磁控濺射方法在所述異質襯底上濺射一層和后續生長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生長低溫A1N緩沖層、低溫A1N應力控制層和生長高溫A1N層，可明顯改善A1N和AlGaN材料的晶體質量和表面形貌。同時本發明方法也解決了處理襯底后直接生長A1N外延層帶來的龜裂難題和生長GaN薄膜帶來的吸光問題。實驗證明，本發明方法可以顯著提高深紫外LED 器件的發光性能。[〇〇18]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步說明。【附圖說明】
[0019]圖1是本發明生長方法的流程圖；圖2是本發明生長方法在襯底上濺射和不濺射A1N薄膜所生長的A1N模板的XRD(102)面的搖擺曲線比較圖；圖3是本發明生長方法在襯底上濺射和不濺射A1N薄膜所生長的深紫外LED的電致發光譜比較圖。【具體實施方式】
[0020]參看圖1，本發明提高深紫外LED發光性能的外延生長方法，從下至上依次生長方法步驟為:1)處理襯底:采用磁控濺射方法在異質襯底上濺射厚度為l〇-l〇〇nm的A1N薄膜，作為A1N外延生長的緩沖層。異質襯底采用藍寶石Al2〇3、硅S1、碳化硅SiC或者氧化鋅ZnO。
[0021]2)生長低溫A1N緩沖層:控制生長溫度為500-900°C，反應室壓力為50-200mbar，V/m比為100-5000,生長厚度為10-50nm的低溫A1N緩沖層。[〇〇22]3)生長A1N應力控制層:控制生長溫度為900-1200°C，反應室壓力為50-200mbar，V/m比為100-5000,生長厚度為0.1-lMi的A1N應力控制層。[〇〇23]4)生長高溫A1N層:控制生長溫度為1000-1400°C，反應室壓力為20-100mbar，V/m比為10-1000,生長厚度為1-5_的高溫A1N層。[〇〇24]5)生長N型AlGaN接觸層:控制生長溫度為900-1200°C，反應室壓力為50-200mbar，生長厚度為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 AlxGai—xN/AlyGai—yN 多量子阱有源層:控制生長溫度為900-1200°C，反應室壓力為50-200mbar，交替生長厚度為2-6nm的 AlxGai—XN勢阱層(0〈x〈l)和厚度為5-15nm的AlyGai—yN勢皇層(0〈7〈13〈7)，多量子阱周期數 1-10〇[〇〇26]7)生長P型AlGaN電子阻擋層:控制生長溫度為800-1200°C，反應室壓力為50-200mbar，生長厚度為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P型AlGaN限制層:控制生長溫度為800-1200°C，反應室壓力為50-200mbar，生長厚度為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P型GaN接觸層:控制生長溫度為800-1100°C，反應室壓力為100-400mbar，生長厚度為10-200nm的P型 GaN接觸層，Mg摻雜濃度為5E18 cm—3?5E20cnf3。
[0029]實施例一:采用磁控濺射方法在平面藍寶石襯底上濺射厚度l〇nm的A1N薄膜，然后控制生長溫度為500°C，反應室壓力為50mbar，V/m比為100,生長厚度為10nm的低溫A1N緩沖層。接著控制生長溫度為900°C，反應室壓力為50mbar，V/m比為100,生長厚度為0? lwii的A1N應力控制層。最后在其上分別生長高溫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表征A1N外延薄膜的晶體質量。結果發現，采用本發明生長方法處理襯底和不處理襯底所生長的樣品的XRD(102)面半高寬分別為 560arcSec和780arcSec，晶體質量明顯提高。參看圖3,利用電致發光來表征深紫外LED的發光性能。結果發現，采用本發明的生長方法在襯底上濺射A1N薄膜所生長的深紫外LED和不濺射A1N薄膜所生長的樣品相比，發光波長都在280nm左右，發光強度數值從9000增加到 12500,而且峰位在320nm的寄生雜質峰明顯減弱，說明濺射A1N薄膜所生長的深紫外LED發光性能明顯提尚。
[0031] 實施例二:采用磁控濺射方法在平面藍寶石襯底上濺射厚度l〇〇nm的A1N薄膜，然后控制生長溫度為900°C，反應室壓力為200mbar，V/m比為5000,生長厚度為50nm的低溫A1N緩沖層。接著控制生長溫度為1200°C，反應室壓力為200mbar，V/m比為5000,生長厚度為lwii的A1N應力控制層。最后在其上分別生長高溫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] 實施例三:采用磁控濺射方法在平面藍寶石襯底上濺射厚度30nm的A1N薄膜，然后控制生長溫度為800°C，反應室壓力為lOOmbar，V/m比為1000,生長厚度為30nm的低溫A1N緩沖層。接著控制生長溫度為ll〇〇°C，反應室壓力為lOOmbar，V/m比為1000,生長厚度為0.5mi的A1N應力控制層。最后在其上分別生長高溫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]以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制。盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換;凡屬于按照本技術方案進行顯而易見的修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案，均屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種提高深紫外LED發光性能的外延生長方法，其從下至上依次生長方法步驟為:1)處理襯底:采用磁控濺射方法在異質襯底上濺射厚度為l〇-l〇〇nm的A1N薄膜，作為A1N外延生長的 緩沖層；2)生長低溫A1N緩沖層:控制生長溫度為500-900°C，反應室壓力為50-200mbar，V/m比為100-5000,生長厚度 為10-50nm的低溫A1N緩沖層；3)生長A1N應力控制層:控制生長溫度為900-1200°C，反應室壓力為50-200mbar，V/m比為100-5000,生長厚 度為0 ? 1-lMi的A1N應力控制層；4)生長高溫A1N層:控制生長溫度為1000-1400°C，反應室壓力為20-100mbar，V/m比為10-1000,生長厚 度為1-5_的高溫A1N層；5)生長N型AlGaN接觸層:控制生長溫度為900-1200°C，反應室壓力為50-200mbar，生長厚度為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AlxGai—xN/AlyGai—yN多量子阱有源層:控制生長溫度為900-1200°C，反應室壓力為50-200mbar，交替生長厚度為2-6nm的 AlxGai—XN勢阱層(0〈x〈l)和厚度為5-15nm的AlyGai—yN勢皇層(0〈7〈13〈7)，多量子阱周期數 1-10；7)生長P型AlGaN電子阻擋層:控制生長溫度為800-1200°C，反應室壓力為50-200mbar，生長厚度為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P型AlGaN限制層:控制生長溫度為800-1200°C，反應室壓力為50-200mbar，生長厚度為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P型GaN接觸層:控制生長溫度為800-1100°C，反應室壓力為100-400mbar，生長厚度為10-200nm的P型 GaN接觸層，Mg摻雜濃度為5E18 cm—3?5E20cnf3。2.根據權利要求1所述提高深紫外LED發光性能的外延生長方法，其特征在于，所述異 質襯底采用藍寶石Al2〇3、硅S1、碳化硅SiC或者氧化鋅ZnO。
【文檔編號】C30B29/40GK106025025SQ201610399803
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月8日
【發明人】吳真龍, 鄭建欽, 田宇, 曾頎堯, 李鵬飛
【申請人】南通同方半導體有限公司, 同方股份有限公司