一种P型区并列于量子阱区生长的深紫外发光器件及其制备方法

摘要

本发明涉及一种P型区并列于量子阱区生长的深紫外发光器件及其制备方法，该器件包括位于衬底上的N型AlGaN层，以及位于N型AlGaN层上、并列邻接设置的P型区和量子阱区，P型区包含依次层叠的电流阻断层、p型AlGaN超晶格结构以及p型GaN层，p型AlGaN超晶格结构邻接p型GaN层的面平齐于量子阱区的表面。其通过p型AlGaN超晶格结构与量子阱区并列邻接接触设置，使得每个位置空穴可直接进入所在生长位置的量子阱区，并可运动至整个量子阱区的任意位置参与复合，无需逐级参与复合，提高了空穴的注入效率，另外结合p型GaN层设置于非量子阱区，减少了深紫外光被p型GaN层吸收，提高了总体的光输出。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，具体涉及一种P型区并列于量子阱区生长的深紫外发光器件及其制备方法。

背景技术

深紫外发光器件以其环保高效、节能长寿、成本低廉等优点，在消毒杀菌领域具有广阔的应用前景。目前深紫外发光器件采用AlGaN基材料作为芯片外延结构的主要材料，该器件主要包括横向和垂直两种结构，两种结构均是由p型层、量子阱区、n型层依次层叠，p型层和n型层上分别设置电极而成。工作时p型层向量子阱区注入空穴，n型层向多量子阱区注入电子，电子和空穴在量子阱区辐射复合发光。这两种结构的芯片空穴注入路径单一，且发光效率低。垂直结构通常采用衬底剥离技术去除衬底和缓冲层，芯片散热良好，但是其复杂的剥离工艺会对生产提出较高的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明通过p型AlGaN区与量子阱区并列邻接接触设置，使得每个位置空穴可直接进入所在生长位置的量子阱区，并可运动至整个量子阱区的任意位置参与复合，无需逐级参与复合，相较于传统的上下生长的外延结构中空穴注入多量子阱逐级参与复合，本发明的该设置提高了空穴的注入效率，并结合设置p型GaN层于非量子阱区，减少了深紫外光的吸收，实现了光输出的整体提高。基于此，本发明的首要目的是提供一种光输出效率高、能够改善电流聚集效应，且制备工艺较为简单有利于大规模生产的深紫外发光器件及其制备方法。基于该目的，本发明至少提供如下技术方案：

一种P型区并列于量子阱区生长的深紫外发光器件，其包括衬底，N型AlGaN层，位于所述衬底上；P型区和量子阱区，所述P型区和所述量子阱区并列邻接设置于所述N型AlGaN层上；其中，所述P型区包含依次层叠于所述N型AlGaN层上的电流阻断层、p型AlGaN超晶格结构以及p型GaN层，所述p型AlGaN超晶格结构邻接所述p型GaN层的面平齐于所述量子阱区的表面。

优选地，所述p型AlGaN超晶格结构包含超晶格势垒层和超晶格势阱层，所述超晶格势垒层和所述超晶格势阱层组成一个周期，第一个超晶格势垒层至最后一个超晶格势垒层内的Al组分含量从0.8逐级递减至0，第一个超晶格势阱层至最后一个超晶格势阱层内的Al组分含量从0.7逐级递减至0；所述p型AlGaN超晶格结构的周期数优选50，每个周期的厚度优选2nm。

优选地，所述P型区在投影面上以U型的方式围绕并邻接所述量子阱区，所述U型开口朝向量子阱区远离P型区。

优选地，所述量子阱区包含AlGaN阱层和垒层，所述垒层中的Al组分高于所述阱层中的Al组分。

优选地，所述垒层厚度大于所述阱层厚度；所述阱层中Al组分优选0.6，所述垒层中Al组分优选0.5。

优选地，所述电流阻断层选用AlN绝缘层或具有隔离功能的SiO

优选地，所述p型GaN层的厚度优选20nm；所述N型AlGaN层包含Al

优选地，所述衬底与所述N型AlGaN层之间设置一缓冲层，所述缓冲层选用AlN或AlGaN。

本发明还提供一种P型区并列于量子阱区生长的深紫外发光器件的制备方法，其包含以下步骤：

在衬底上依次外延生长AlN缓冲层、N型AlGaN层以及量子阱层形成外延叠层；

在所述外延叠层上设置预定图案的掩膜层；

刻蚀所述外延叠层至所述N型AlGaN层表面，形成量子阱区域；

去除所述掩膜层，生长电流阻断层；

在所述电流阻断层上依次外延生长p型AlGaN超晶格结构以及p型GaN层，其中所述p型AlGaN超晶格结构邻接所述p型GaN层的面平齐于所述量子阱区域的表面；

刻蚀所述量子阱区域上方的p型GaN层、p型AlGaN超晶格结构以及电流阻断层；

制备欧姆接触电极。

优选地，去除所述掩膜层之后，生长所述电流阻断层之前，还包括对所述N型AlGaN层表面进行表面处理以修复刻蚀带来的损伤。

本发明至少具有如下有益效果：

本发明通过p型AlGaN区与量子阱区并列邻接接触设置，使得每个位置空穴可直接进入所在生长位置的量子阱区，并可运动至整个量子阱区的任意位置参与复合，无需逐级参与复合，相较于传统的上下生长的外延结构中空穴注入多量子阱逐级参与复合，本发明的该设置提高了空穴的注入效率，实现了光输出的提高。

另一方面，相较于传统的p型GaN生长于多量子阱发光区的正上方，本发明的p型GaN层设置于非量子阱区，避开了量子阱区电子空穴对复合产生的发光路径，减少了深紫外光被p型GaN层吸收，提高了总体的光输出。

本发明在p型AlGaN区上述位置设置的基础上，采用超晶格结构，降低了Mg掺杂工艺难度，有利于降低工艺难度，实现工厂化大规模生产。

另一方面，本发明通过改变P型区在外延结构中的位置，使得电流从P区分散流动至量子阱区，改善了电流聚集效应，实现了深紫外发光器件芯片中对热管理的优化。

另外，本发明设置电流阻断层于P型半导体层和N型半导体层之间，并接触外延结构的量子阱区，具有隔离P型半导体层和N型半导体层的功能。一方面将P型半导体层和N型半导体层隔离开，避免了电子和空穴提前复合，保证了载流子全部流向多量子阱区参与电子空穴对复合发光，提高了器件的内量子效率；另一方面调节了电流流向，使其全部流入量子阱区。

附图说明

图1是本发明一实施例的深紫外发光器件的剖面结构示意图。

图2是传统结构量子阱空穴注入示意图与本发明一实施例的深紫外发光器件中某一位置薄层的空穴注入示意图。

图3是本发明深紫外发光器件的电流流向示意图。

图4是本发明一实施例的深紫外发光器件的内量子效率图。

具体实施方式

接下来将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明保护的范围。

下面来对本发明做进一步详细的说明。本发明提供一种P型区并列于量子阱区生长的深紫外发光器件，如图1所示，该发光器件包括衬底1，依次层叠于衬底1上的缓冲层2和N型AlGaN层3，P型区和量子阱区并列邻接设置于N型AlGaN层3的表面。

衬底1可选用蓝宝石衬底或者碳化硅衬底。缓冲层2选用AlN或者非掺杂的AlGaN。非掺杂AlGaN中，Al组分优选0.7，Ga组分优选0.3。N型AlGaN层3中，在一具体实施方式中，其厚度优选0.1μm，N型掺杂浓度为5×10

P型区包括依次层叠于N型AlGaN层3上的电流阻断层4、p型AlGaN超晶格结构5以及p型GaN层6。如图1，p型AlGaN超晶格结构5邻接p型GaN层6的面平齐于量子阱区7的表面，即p型GaN层6仅层叠于p型AlGaN超晶格结构5的表面。该设置使得p型GaN层6生长于非多量子阱区的发光路径上，相比于传统p型GaN生长于多量子阱发光区正上方，使得深紫外光被p型GaN层吸收，该结构的设置避开了多量子阱区电子空穴对复合产生的发光路径，减少了紫外光吸收，提高了总体的光输出。

在一具体实施方式中，如图1所示，P型区中p型AlGaN超晶格结构5与电流阻断层4形成的层叠结构与量子阱区7并列邻接接触。相对于传统的垂直外延结构，如图2中的(a)为传统结构量子阱空穴注入示意图，其空穴注入多量子阱区逐级参与复合。本发明结构中的空穴注入过程，如图2中的(b)所示，每个位置的空穴可直接进入所在同一层生长位置的量子阱区，并可运动至整个量子阱区任意位置参与复合，无需逐级参与复合，提高了空穴的注入效率，实现了光输出的提高。

在一具体实施方式中，电流阻断层4、p型AlGaN超晶格结构5以及p型GaN层6在投影面上，以呈U型的方式围绕并邻接量子阱区7，该U型开口朝向量子阱区7远离P型区。电流阻断层4选用AlN绝缘层、具有隔离功能的SiO

为了便于掺杂以及减小晶格失配，选用p型AlGaN超晶格结构5，p型AlGaN超晶格结构5由复数个超晶格势垒层和复数个超晶格势阱层交替层叠构成，超晶格势垒层和超晶格势阱层组成一个周期，其周期数优选50。沿着c轴方向，从势垒层开始，第一个超晶格势垒层至最后一个超晶格势垒层中的Al组分含量从0.8逐级递减至0。第一个超晶格势阱层至最后一个超晶格势阱层中的Al组分含量从0.7逐级递减至0。势垒层和势阱层的厚度均为2nm。其掺杂杂质选用Mg，整个p型AlGaN超晶格结构中Mg的掺杂浓度平均为5×10

p型GaN层6设置于p型AlGaN超晶格结构5上，其厚度优选10nm，掺杂杂质选用Mg，掺杂浓度优选2×10

量子阱区7与p型区并列邻接设置，量子阱区7包含Al

在p型GaN层表面设置一p欧姆接触电极7，在n型AlGaN层表面设置一n欧姆接触电极8。

如图3所示，通过改变P型区在外延结构中的位置，改变了器件中的电流流向。电流从P型区分散流动至量子阱区，改善了电流聚集效应，实现了深紫外发光器件芯片中对热管理的优化，p型GaN层位于非量子阱区域，减少了p型层对深紫外光的吸收，进一步提高了光输出。如图4所示，在相同注入电流条件下，本发明深紫外发光器件的内量子效率明显高于传统结构的空穴注入方式，尤其是在大电流条件注入下，本发明深紫外发光器件的内量子效率得以显著提升。

基于上述深紫外发光器件，本发明还提供一种P型区并列于量子阱区生长的深紫外发光器件的制备方法，该制备方法工艺简单，采用常规的生长工艺和刻蚀工艺即可实现器件的制备，对工艺精度要求低，有利于大规模产业化。该方法包含以下步骤：

首先，准备清洗后的生长衬底，该具体实施方式中选用c面蓝宝石衬底作为生长衬底。生长工艺选用MOCVD工艺，将该衬底放置于MOCVD反应室中的载盘上，在1000～1200℃下高温处理5～10min。接着，温度降至500～900℃时通入Al源和N源，在衬底上生长AlN缓冲层，缓冲层的厚度优选4μm。

调整温度至1000～1300℃，向反应室中通入Ga源、Al源、NH

N型层生长结束后调整生长温度至1050～1200℃，同时停止SiH

配置酸溶液清洗上述外延片表面，去除残留的金属和氧化物等杂质。

在清洗后的外延片表面旋涂掩膜层，该具体实施方式中，选用正性光刻胶作为掩膜层，旋涂厚度约3μm，在95℃下烘烤30s。选用具有遮挡部分量子阱区域的光刻版进行光刻形成预定图案的光刻胶掩膜层。

采用干法刻蚀，选用BCl

去除光刻胶掩膜层，使用氢氧化钾溶液对外延片表面进行清洗，修复刻蚀带来的损伤，清洗时间为5min。

修复清洗之后生长电流阻断层，在该具体实施方式中，选用MOCVD工艺生长AlN绝缘层作为电流阻断层。在1000～1180℃条件下，向反应室中通入Al源，NH

调整腔室的温度至950～1050℃，向反应室中通入Al源，Ga源，NH

调整腔室温度至950℃，向反应室中通入Ga源、NH

沉积掩膜层，刻蚀量子阱区域的p型GaN层、p型AlGaN超晶格层以及AlN层至量子阱区表面露出。该具体实施方式中，刻蚀深度为118nm。

在p型GaN层和n型AlGaN层的表面分别制备欧姆接触电极8和9。即得到深紫外发光器件结构。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。