一种采用MOCVD技术制备370-380nm高亮度近紫外LED的方法

摘要

本发明提供一种采用MOCVD技术制备高亮度370-380nm近紫外LED的方法。其LED外延结构从下向上依次为：PSS衬底、AlN成核层、高温非掺杂Aly1Ga1-y1N合并层、Aly2Ga1-y2N应力调控层，n型Aly3Ga1-y3N接触层、n型Inx1Ga1-x1N/Aly4Ga1-y4N应力释放层、InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层、p型Aly5Ga1-y5N电子阻挡层、高温p型Aly6Ga1-y6N接触层。本发明中，合并层采用本证Aly1Ga1-y1N，其Al组分随生长厚度增加从0线性变化到0.05；n型接触层采用固定Al组分n型Aly3Ga1-y3N层；p型接触层采用Aly5Ga1-y5N层，有效减少GaN材料对370-380nm紫光的吸收损耗，从而提高近紫外LED发光效率；在本征AlGaN层和n型AlGaN接触层间生长一层Aly2Ga1-y2N应力调控层，有效缓解n型AlGaN层应力，从而提高n-AlGaN晶体质量。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子技术领域，一种近紫外发光二极管的制作方法，尤其涉及一种采用MOCVD(金属有机化合物气相外延)技术制备峰值波长在370-380nm高亮度近紫外LED的方法。

背景技术

紫外半导体光源主要应用在生物医疗、防伪鉴定、净化(水、空气等)领域、计算机数据存储和军事等方面。随着紫外光技术的进步，新的应用会不断出现以替代原有的技术和产品，紫外光LED有着广阔的市场应用前景。紫外光源将开发出通用照明、光镊、植物生长、石油管道泄漏检测、考古应用、鉴别真假等方面用途。半导体紫外光源作为半导体照明的又一重大产业方向，已经引起了半导体光电行业的广泛关注。美国、日本、韩国等无不投入巨大的力量以求占据行业的制高点。我国“十一五”国家863计划新材料技术领域重大项目“半导体照明工程”课题“深紫外LED制备和应用技术研究”经过持续的研发，取得重要突破。在十五期间，北京大学曾承担近紫外LED的国家863课题，研制出380～405nm近紫外LED在350mA下光功率达到110mW。在十一五、十二五期间进一步研究紫外LED，得到发光波长280～315nm紫外发射。此外，中科院半导体研究所、厦门大学、青岛杰生等单位也正致力于紫外LED研究，300nm的紫外LED光功率已经达到mW量级。与蓝光不同，目前紫外LED正处于技术发展期，在专利和知识产权方面限制较少，利于占领、引领未来的技术制高点。国内在紫外LED的装备、材料和器件方面都有了一定的积累，目前正在积极的向应用模块发展。在UV-LED形成大规模产业之前还需要国家的引导和支持以便在核心技术方面取得先机。

紫外LED技术面临的首要问题是其光效低。波长365nm的紫外LED输出功率仅为输入功率的5％-8％。如何有效提高紫外LED的光效成为大家关注的焦点问题。本发明通过设计紫外光LED结构，采用含有Al组分的AlGaN合并层以及n(p)型AlGaN接触层可有效减少GaN材料对发光波长范围370-380nm的紫光的吸收损 耗。同时采用Al_0.2Ga_0.8N应力调控层有效缓解n型AlGaN层应力，以提高n型AlGaN晶体质量，提高近紫外LED发光效率。

发明内容

本发明提供一种采用MOCVD技术制备峰值波长在370-380nm高亮度近紫外LED的方法。通过设计新型的LED结构，采用含有Al组分的AlGaN合并层以及n(p)型AlGaN接触层可有效减少GaN材料对发光波长范围370-380nm的紫光的吸收损耗，从而有效提高近紫外LED的发光效率。同时采用Al_0.2Ga_0.8N应力调控层有效缓n型AlGaN层应力，提高n型AlGaN晶体质量，以提高近紫外LED发光效率。

本发明的技术解决方案：一种采用MOCVD技术制备高亮度近紫外LED的方法，所述LED为峰值波长范围在370-380nm高亮度近紫外LED，其外延结构从下向上依次为：图形化蓝宝石衬底(PSS)、AlN成核层、高温非掺杂Al_y1Ga_1-y1N合并层、Al_y2Ga_1-y2N应力调控层，n型Al_y3Ga_1-y3N接触层、n型In_x1Ga_1-x1N/Al_y4Ga_1-y4N超晶格应力释放层、In_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN多量子阱有源层、p型Al_y5Ga_1-y5N电子阻挡层、高温p型Al_y6Ga_1-y6N接触层；其制备方法包括以下步骤：

步骤一，在金属有机化合物气相外延反应室中将PSS衬底,在H₂(氢气)气氛下、1080-1100℃、反应室压力100torr下，处理5-10分钟；然后在1050-1100℃、反应室压力100torr、H₂气氛下，以V/III摩尔比为500-1300，生长20-30纳米厚的AlN缓冲层；

步骤二，在1000-1100℃、反应室压力200-300torr、H₂气氛下，以V/III摩尔比为1000-1300，生长2-4微米厚高温非掺杂本征Al_y1Ga_1-y1N合并层，其Al组分y₁随着生长厚度的增加从0线性变化到0.05；

步骤三，在1000-1100℃、反应室压力100-200torr、H₂气氛下，以V/III摩尔比为1000-1300，生长20-50纳米厚的Al_y2Ga_1-y2N应力控制层，其中0.2≤y₂≤0.3；

步骤四，在1000-1100℃、反应室压力100-200torr、H₂气氛下，以V/III摩尔比为1000-1300、Si掺杂浓度为10¹⁸-10¹⁹cm^-3，生长2-4微米厚n型Al_y3Ga_1-y3N接触层，采用固定Al组分y₃，0.05≤y₃；

步骤五，在750-850℃、反应室压力300torr、N₂(氮气)气氛下，以V/III摩尔比为5000-10000、Si掺杂浓度大于10¹⁹cm^-3，生长5至10个周期的n型In_x1Ga_1-x1N/Al_y4Ga_1-y4N超晶格结构应力释放层，其中应力释放层的浅阱In_x1Ga_1-x1N层厚度为2-4nm，其In组分x₁小于有源层In组分x，即x₁≤x≤0.03,应力释放层的浅垒Al_y4Ga_1-y4N层厚度为2.5-5nm，其Al组分y₄小于有源层Al组分y，即0.01≤y₄≤y≤0.1；

步骤六，在750-850℃、反应室压力300torr、N₂气氛下，以V/III摩尔比为5000-10000，接着生长5-10周期In_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN多量子阱有源层,其中In_xGa_1-xN量子阱层厚度为2-3nm，其In组分x，0<x≤0.03，而垒层Al_yGa_1-yN厚度为10-20nm，其Al组分y，0.01≤y≤0.1；

步骤七，在950-1050℃、反应室压力100-300torr、H₂气氛下，以V/III摩尔比为5000-10000、Mg掺杂浓度为10¹⁷-10¹⁸cm^-3，在有源层上，生长20-40nm厚的p型Al_y5Ga_1-y5N电子阻挡层，其Al组分y₅大于有源层的Al组分y，即0.1≤y₅≤0.2；

步骤八，在950-1050℃、反应室压力100torr、H₂气氛下，以V/III摩尔比为2000-5000、Mg掺杂浓度为10¹⁷-10¹⁸cm^-3，生长100-200nm高温p型Al_y6Ga_1-y6N层接触层，其Al组分y₆，0.02≤y₆≤0.05。

本发明一种采用MOCVD技术制备峰值波长在370-380nm高亮度近紫外LED的方法，通过新型的LED结构设计，尤其是：⑴所述高温非掺杂Al_y1Ga_1-y1N合并层，采用其Al组分y₁随着生长厚度的增加从0线性变化到0.05；所述n型Al_y3Ga_1-y3N接触层，采用固定Al组分y₃，0.05≤y₃；所述高温p型Al_y6Ga_1-y6N接触层,采用其Al组分y₆，0.02≤y₆≤0.05；通过这三种结构层的引入及优化，可有效减少GaN基材料对峰值波长在370-380nm的紫外光的吸收损耗，从而有效提高近紫外LED的发光效率；⑵在所述高温非掺杂AlGaN合并层和n型AlGaN接触层之间，生长一层厚度为20-50nm的Al_y2Ga_1-y2N应力调控层(0.2≤y₂≤0.3)，以调控n型AlGaN接触层的应力状态，改善晶体质量。

本发明，在LED外延片的结构生长过程中，以三甲基镓(TMGa)，三乙基镓、三甲基铝、三甲基铟和氨气分别作为Ga、Al、In和N源；以硅烷(SiH₄)和二茂镁(Cp₂Mg)分别作为n型、p型掺杂剂。

附图说明

图1是本发明实施例，一种峰值波长在370nm-380nm高亮度近紫外LED的竖直剖面视图；其中：101：PSS(图形化蓝宝石)衬底102：AlN成核层103：高温非掺杂Al_y1Ga_1-y1N合并层104：Al_y2Ga_1-y2N应力调控层105：n型Al_y3Ga_1-y3N接触层106：n型In_x1Ga_1-x1N/Al_y4Ga_1-y4N应力释放层107：In_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN多量子阱有源层108：p型Al_y5Ga_1-y5N电子阻挡层109：高温p型Al_y6Ga_1-y6N接触层；

图2是本发明实施例，一种峰值波长在370-380nm高亮度近紫外LED在20mA的工作电流下的电致发光谱。

具体实施方式

本发明提供一种采用MOCVD技术制备峰值波长在370-380nm高亮度近紫外LED的方法。通过设计新型的LED结构，采用Al组分线性变化的非掺杂本征AlGaN和固定Al组分的n型AlGaN、p型AlGaN分别作为合并层、n型接触层和p型接触层，以有效减少GaN基材料对峰值波长在370-380nm的紫外光的吸收损耗，进而有效提高近紫外LED的发光效率。

图1所示，是本发明实施例，一种采用MOCVD技术制备峰值波长在370-380nm高亮度近紫外LED的竖直剖面视图。

使用Aixtron公司,紧耦合垂直反应室MOCVD生长系统。生长过程中使用三甲基镓(TMGa)，三甲基铟(TMIn)，三甲基铝(TMAl)作为III族源，氨气(NH₃)作为V族源，硅烷(SiH₄)作为n型掺杂源，二茂镁(Cp₂Mg)作为p型掺杂源。首先在金属有机化合物气相外延反应室中将PSS衬底101，在H₂(氢气)气氛、1080-1100℃、反应室压力100torr下，处理5-10分钟；然后在1050-1100℃、反应室压力100torr、H₂气氛下，V/III摩尔比为500-1300，生长20-30纳米厚的AlN缓冲层102；在1000-1100℃、反应室压力200-300torr、H₂气氛下，V/III摩尔比为1000-1300，生长2-4微米厚高温Al_y1Ga_1-y1N合并层103，其中Al组分y1随着生长厚度的增加从0线性变化到0.05；在1000-1100℃、反应室压力 100-200torr，H₂气氛下，V/III摩尔比为1000-1300，生长20-50纳米厚的高温Al_0.2Ga_0.8N应力控制层104；在1000-1100℃、反应室压力100-200torr、H₂气氛下，V/III摩尔比为1000-1300、Si掺杂浓度为10¹⁸-10¹⁹cm^-3，生长2-4微米厚的n-Al_0.05Ga_0.95N接触层105；在750-850℃、反应室压力300torr、N₂(氮气)气氛下，V/III摩尔比为5000-10000、Si掺杂浓度大于10¹⁹cm^-3,生长5至10个周期的n型In_0.01Ga_0.99N/Al_0.05Ga_0.95N超晶格结构应力释放层106，其中应力释放层浅阱In_x1Ga_1-x1N层的厚度为2-4nm,浅垒Al_y4Ga_1-y4N的层厚度为2.5-5nm；在750-850℃、反应室压力300torr、N₂气氛下，V/III摩尔比为5000-10000，接着生长5-10周期In_0.03Ga_0.97N/Al_0.1Ga_0.9N多量子阱有源层107,其中In_xGa_1-xN量子阱层厚度为2-3nm，Al_yGa_1-yN垒层厚度为10-20nm；在950-1050℃、反应室压力100-300torr、H₂气氛下，V/III摩尔比为5000-10000、Mg掺杂浓度为10¹⁷-10¹⁸cm^-3，在有源层上，生长20nm厚的p型Al_0.1Ga_0.9N电子阻挡层108；；在950-1050℃、反应室压力100torr、H₂气氛下，V/III摩尔比为2000-5000、Mg掺杂浓度为10¹⁷-10¹⁸cm^-3，生长100nm-200nm厚的高温p型Al_0.02Ga_0.98N接触层109。

以V/III摩尔比为2000-5000，Mg掺杂浓度为10¹⁷-10¹⁸cm^-3

外延生长结束后，将反应室的温度降至700-750℃，采用纯氮气气氛进行退火处理5-20min,然后降至室温，结束生长，外延结构经过清洗、沉积、光刻和刻蚀后制成单颗12mil×12mil小尺寸芯片。如图2所示为采用本发明中实施例中技术方案制作的近紫外光LED的光谱，采用实施例中技术方案：采用含有Al组分的AlGaN合并层以及n(p)型AlGaN接触层可有效减少GaN材料对发光波长范围370-380nm的紫光的吸收损耗。同时采用Al_0.2Ga_0.8N应力调控层有效缓解n型AlGaN应力，提高n型AlGaN晶体质量，以提高近紫外LED发光效率。

以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其描述较为具体和详细，其目的在于使本领域的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，因此不能仅以此来限定本发明的专利范围，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，即凡依据本发明所揭示的精神所作的变化，仍应涵盖在本发明的专利范围内。