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CN114420808A - 紫外发光二极管外延结构、紫外发光二极管及制备方法 - Google Patents

紫外发光二极管外延结构、紫外发光二极管及制备方法 Download PDF

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CN114420808A CN202210049971.XA CN202210049971A CN114420808A CN 114420808 A CN114420808 A CN 114420808A CN 202210049971 A CN202210049971 A CN 202210049971A CN 114420808 A CN114420808 A CN 114420808A
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Anhui Geen Semiconductor Co ltd
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Abstract

本发明提出了一种紫外发光二极管外延结构、紫外发光二极管及制备方法。所述外延结构包括自下而上依次设置的衬底、PVD AlN层、第一AlN层、第二AlN层、第三AlN层、n型AlGaN接触层、多量子阱有源层、p型AlGaN阻挡层和p型GaN层，所述第二AlN层和所述第三AlN层的接触面之间形成有微孔结构。本发明所提出的紫外发光二极管外延结构，通过在第二AlN层上生长第三AlN层，形成三维到二维生长模式的转换，模式转换过程中自然形成微孔结构。通过生长模式的转换和微孔结构，可以大幅改善材料的晶体质量和有效释放外延层的张应力，从而制备出高质量的无裂纹AlN层。

Description

紫外发光二极管外延结构、紫外发光二极管及制备方法
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种紫外发光二极管外延结构、紫外发光二极管及制备方法。
背景技术
基于高Al组分氮化物材料的紫外发光二极管与传统紫外光源汞灯相比具有低电压、波长可调、绿色环保等优点。其主要应用领域包括杀菌消毒、医疗、生化探测、短距离安全通讯等，拥有广泛的应用前景。
目前，紫外LED外延生长技术还不够成熟，外延结构生长中还存在大失配、低量子效率、掺杂激活效率低和极化控制等关键科学问题。低位错密度AlN、AlGaN结构材料外延技术、高Al组分AlGaN材料掺杂技术、AlGaN/AlGaN量子阱内量子效率、深紫外LED外延结构综合应力调制方法等几个方面，均是当前亟需解决的外延生长问题。
在现有的紫外LED外延结构中，由于AlN和AlGaN材料与常用的蓝宝石衬底之间失配大，外延材料中位错密度高。同时由于外延层应力积累，表面裂纹比较严重，导致紫外发光二极管的电光转化效率低。
发明内容
为解决上述技术问题之一，本发明提供了一种紫外发光二极管外延结构、紫外发光二极管及制备方法。
本发明实施例第一方面提供了一种紫外发光二极管外延结构，所述外延结构包括自下而上依次设置的衬底、PVD AlN层、第一AlN层、第二AlN层、第三AlN层、n型AlGaN接触层、多量子阱有源层、p型AlGaN阻挡层和p型GaN层，所述第二AlN层和所述第三AlN层的接触面之间形成有微孔结构。
优选地，所述衬底为C面平片蓝宝石衬底，所述衬底斜切角的角度小于0.5°。
优选地，所述PVD AlN层为Al极性，厚度为5nm至50nm。
优选地，所述第一AlN层的生长温度大于1250℃，生长压力为30torr至150torr，厚度为50nm至500nm。
优选地，所述第二AlN层的生长温度为900℃至1150℃，生长压力为30torr至150torr，厚度为30nm至300nm。
优选地，所述第三AlN层的生长温度大于1250℃，生长压力为30torr至150torr，厚度为1μm至5μm。
优选地，所述n型AlGaN接触层为n型AlxGa1-xN接触层，所述多量子阱有源层为AlmGa1-mN/AlnGa1-nN多量子阱有源层，所述p型AlGaN阻挡层为p型AlyGa1-yN阻挡层，其中，0.5≤x≤1，0.2≤m≤0.8，0.3≤n≤0.8，0.5≤y≤1，且x≤y，m≤n。
本发明实施例第二方面提供了一种紫外发光二极管，所述紫外发光二极管包括本发明实施例第一方面所述的紫外发光二极管外延结构。
本发明实施例第三方面提供了一种本发明实施例第一方面所述的紫外发光二极管外延结构的制备方法所述方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上溅射PVD AlN层；
在所述PVD AlN层上生长第一AlN层；
在所述第一AlN层上生长第二AlN层，并在所述第二AlN层的上表面形成粗糙表面；
在所述第二AlN层上生长第三AlN层，所述第二AlN层的粗糙表面与所述第三AlN层的下表面之间形成微孔结构；
在所述第三AlN层上生长n型AlGaN接触层；
在所述n型AlGaN接触层上生长多量子阱有源层；
在所述多量子阱有源层上生长p型AlGaN阻挡层；
在所述p型AlGaN阻挡层上生长p型GaN层。
优选地，所述在所述衬底上溅射PVD AlN层之后，所述方法还包括：
采用MOCVD对所述衬底和PVD AlN层进行高温退火；
采用MOCVD依次外延生长所述第一AlN层、第二AlN层、第三AlN层、n型AlGaN接触层、多量子阱有源层、p型AlGaN阻挡层和p型GaN层。
本发明的有益效果如下：本发明所提出的紫外发光二极管外延结构，通过在第二AlN层上生长第三AlN层，形成三维到二维生长模式的转换，模式转换过程中自然形成微孔结构。通过生长模式的转换和微孔结构，可以大幅改善材料的晶体质量和有效释放外延层的张应力，从而制备出高质量的无裂纹AlN层。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例1所述的紫外发光二极管外延结构的结构示意图；
图2为本发明实施例1所述的PVD AlN层的表面AFM图；
图3为本发明实施例1所述的第二AlN层的表面AFM图；
图4为本发明实施例1所述的第三AlN层的表面AFM图；
图5为本发明实施例1所述的紫外发光二极管外延结构的截面TEM图。
附图标记：
1、衬底，2、PVD AlN层，3、第一AlN层，4、第二AlN层，5、第三AlN层，6、n型AlGaN接触层，7、多量子阱有源层，8、p型AlGaN阻挡层，9、p型GaN层，10、微孔结构。
具体实施方式
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本实施例提出了一种紫外发光二极管外延结构，该外延结构包括自下而上依次设置的衬底1、PVD AlN层2、第一AlN层3、第二AlN层4、第三AlN层5、n型AlGaN接触层6、多量子阱有源层7、p型AlGaN阻挡层8和p型GaN层9。
具体的，衬底1为C面平片蓝宝石衬底，衬底1斜切角的角度小于0.5°。PVD AlN层2为Al极性，厚度为5nm至50nm，如图2所示。
本实施例中，第一AlN层3和第三AlN层5为高温AlN层，第二AlN层4为中温AlN层。本实施例对高温AlN层和低温AlN层作出如下优化限定：高温AlN层的生长温度为1250℃以上，生长压力为30torr至150torr，中温AlN层的生长温度为900℃至1150℃，生长压力为30torr至150torr。其中，第一AlN层3的厚度为50nm至500nm，第二AlN层4的厚度为30nm至300nm，如图3所示，第三AlN层5的厚度为1μm至5μm，如图4所示。并且在该第二AlN层4的上表面形成粗糙表面，第三AlN层5在第二AlN层4上生长时，第三AlN层5的下表面与第二AlN层4的粗糙表面之间会自然形成微孔结构10，如图1和图5所示。通过该微孔结构10使位错转向和有效湮灭，降低位错密度，同时释放外延层的张应力。
本实施例中，n型AlGaN接触层6为n型AlxGa1-xN接触层，多量子阱有源层7为AlmGa1- mN/AlnGa1-nN多量子阱有源层，p型AlGaN阻挡层8为p型AlyGa1-yN阻挡层，其中，0.5≤x≤1，0.2≤m≤0.8，0.3≤n≤0.8，0.5≤y≤1，且x≤y，m≤n。
实施例2
本实施例提出了一种紫外发光二极管，该紫外发光二极管包括紫外发光二极管外延结构，该外延结构可参照实施例1所记载的内容，本实施例不再进行赘述。
实施例3
本实施例提出一种紫外发光二极管外延结构的制备方法，该方法包括：
提供衬底1；
在衬底1上溅射PVD AlN层2；
在PVD AlN层2上生长第一AlN层3；
在第一AlN层3上生长第二AlN层4，并在第二AlN层4的上表面形成粗糙表面；
在第二AlN层4上生长第三AlN层5，第二AlN层4的粗糙表面与第三AlN层5的下表面之间形成微孔结构10；
在第三AlN层5上生长n型AlGaN接触层6；
在n型AlGaN接触层6上生长多量子阱有源层7；
在多量子阱有源层7上生长p型AlGaN阻挡层8；
在p型AlGaN阻挡层8上生长p型GaN层9。
具体的，本实施例首先提供C面平片蓝宝石衬底1，采用PVD设备在衬底1上溅射平整的Al极性PVD AlN层2。PVD AlN层2溅射完毕后，在MOCVD进行高温退火。高温退火后继续采用MOCVD生长第一AlN层3，该第一AlN层3为高温AlN层，可以大幅改善AlN材料的晶体质量。然后随着高温AlN层的厚度增加，外延层的应力快速积累。为了释放高温AlN层积累的应力，并进一步减少外延缺陷。在第一AlN层3生长结束后，在第一AlN层3上继续生长第二AlN层4，即中温AlN层，并在第二AlN层4上形成粗糙表面。在该第二AlN层4粗糙表面上生长第三AlN层5，同样也为高温AlN层。通过优化第三AlN层5的条件，形成三维到二维生长模式的转换，模式转换过程中自然形成微孔结构10，通过生长模式的转换和微孔结构10，可以大幅改善材料的晶体质量和有效释放外延层的张应力，从而制备出高质量的无裂纹AlN层。本实施例所提出的制备方法保留了PVD溅射AlN层上用MOCVD生长AlN高晶体质量的优势，同时通过形成微孔结构10释放外延层的张应力，解决裂纹问题。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种紫外发光二极管外延结构，其特征在于，所述外延结构包括自下而上依次设置的衬底、PVD AlN层、第一AlN层、第二AlN层、第三AlN层、n型AlGaN接触层、多量子阱有源层、p型AlGaN阻挡层和p型GaN层，所述第二AlN层和所述第三AlN层的接触面之间形成有微孔结构。
2.根据权利要求1所述的紫外发光二极管外延结构，其特征在于，所述衬底为C面平片蓝宝石衬底，所述衬底斜切角的角度小于0.5°。
3.根据权利要求1所述的紫外发光二极管外延结构，其特征在于，所述PVD AlN层为Al极性，厚度为5nm至50nm。
4.根据权利要求1所述的紫外发光二极管外延结构，其特征在于，所述第一AlN层的生长温度大于1250℃，生长压力为30torr至150torr，厚度为50nm至500nm。
5.根据权利要求1所述的紫外发光二极管外延结构，其特征在于，所述第二AlN层的生长温度为900℃至1150℃，生长压力为30torr至150torr，厚度为30nm至300nm。
6.根据权利要求1所述的紫外发光二极管外延结构，其特征在于，所述第三AlN层的生长温度大于1250℃，生长压力为30torr至150torr，厚度为1μm至5μm。
7.根据权利要求1所述的紫外发光二极管外延结构，其特征在于，所述n型AlGaN接触层为n型AlxGa1-xN接触层，所述多量子阱有源层为AlmGa1-mN/AlnGa1-nN多量子阱有源层，所述p型AlGaN阻挡层为p型AlyGa1-yN阻挡层，其中，0.5≤x≤1，0.2≤m≤0.8，0.3≤n≤0.8，0.5≤y≤1，且x≤y，m≤n。
8.一种紫外发光二极管，其特征在于，所述紫外发光二极管包括权利要求1至7任一项所述的紫外发光二极管外延结构。
9.如权利要求1至7任一项所述的紫外发光二极管外延结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上溅射PVD AlN层；
在所述PVD AlN层上生长第一AlN层；
在所述第一AlN层上生长第二AlN层，并在所述第二AlN层的上表面形成粗糙表面；
在所述第二AlN层上生长第三AlN层，所述第二AlN层的粗糙表面与所述第三AlN层的下表面之间形成微孔结构；
在所述第三AlN层上生长n型AlGaN接触层；
在所述n型AlGaN接触层上生长多量子阱有源层；
在所述多量子阱有源层上生长p型AlGaN阻挡层；
在所述p型AlGaN阻挡层上生长p型GaN层。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述在所述衬底上溅射PVD AlN层之后，所述方法还包括：
采用MOCVD对所述衬底和PVD AlN层进行高温退火；
采用MOCVD依次外延生长所述第一AlN层、第二AlN层、第三AlN层、n型AlGaN接触层、多量子阱有源层、p型AlGaN阻挡层和p型GaN层。
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