基于Ga2O3衬底的垂直结构紫外LED及其制备方法技术

一种基于Ga2O3衬底的垂直结构紫外LED及其制备方法，该紫外LED的结构自下而上依次包括β‑Ga2O3衬底、低温AlN缓冲层、AlGaN应力释放层、n型AlGaN层、多量子阱有源区、p型AlGaN层、p型GaN层以及反射镜层；并在反射镜层上制作p电极，在β‑Ga2O3衬底底面上制作n电极，从而可实现高效率、大功率垂直结构紫外LED。

【技术实现步骤摘要】
基于Ga2O3衬底的垂直结构紫外LED及其制备方法
本专利技术属于半导体领域，特别指一种实现高效率、大功率、基于Ga2O3衬底的垂直结构紫外发光二极管(LightEmittingDiode，LED)及其制备方法。
技术介绍
近年来，随着AlGaN材料制备的进展，三族氮化物紫外LED取得了一定的进步，与传统汞灯紫外光源相比，三族氮化物紫外LED具有低功耗、低电压、节能、高效、无汞环保、小巧便携等显著优势，在光学传感器、杀菌消毒、聚合物固化、生化探距、非视距通讯、特种照明、紫外线身份验证等领域有着非常广阔的应用前景。但相比于蓝光LED，紫外LED的量子效率仍有很大的提升空间。典型的基于蓝宝石衬底的紫外LED，由于AlGaN层与蓝宝石衬底晶格失配较大，很难外延出高质量AlGaN材料；并且由于蓝宝石衬底不导电，p/n电极在同一侧，这样不但牺牲了有源区的面积，而且电流须横向流过n-AlGaN层，导致电流拥堵，注入效率低下，产生大量焦耳热；此外，蓝宝石衬底的导热性差，限制了紫外LED芯片的散热，降低了器件的可靠性。而SiC衬底虽然在晶格匹配和导电性上相对于蓝宝石衬底具有明显优势，但是由于SiC衬底对紫外光的吸收特性，很大程度上限制了其应用。垂直结构紫外LED则可以有效地解决上述问题。垂直结构紫外LED不需要刻蚀台面，可以充分地利用有源区面积，消除拥堵效应，提高注入效率，降低器件热损耗，从而实现更高的流明效率和更长的寿命。目前实现AlGaN基垂直结构紫外LED的技术路线主要是采用蓝宝石、SiC衬底异质外延AlGaN基紫外LED后，通过激光剥离或机械研磨等方法去除衬底实现氮化物薄膜的转移。这种方法存在的主要问题是：通过剥离、多次键合实现发光薄膜的的转移，工艺复杂、成品率较低并且激光设备成本昂贵，不利于工业量化生产，并且造成了衬底材料的浪费。β-Ga2O3是近年发展起来的新型衬底材料，属于单斜晶系，与AlN晶格失配小，且具有高的禁带宽度(4.8eV)，可透过波长最短为260nm的紫外光。β-Ga2O3为n型半导体，可以通过掺杂Sn与Si实现1019cm-3的n型浓度，其电阻率为0.005Ωcm左右，具有良好的导电性，因此可采用β-Ga2O3作为紫外透明导电衬底，在外延获得高质量AlGaN薄膜的基础上，无须剥离、转移等复杂工艺，直接在芯片两侧蒸镀p/n电极来实现电流分布均匀、电阻小的大功率垂直结构紫外LED。本专利技术设计一种组分梯度变化的AlGaN作为应力释放层，抑制外延过程中的热失配和晶格失配，实现足够厚度的AlGaN生长，直接实现垂直结构紫外LED，推动紫外LED产业发展。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种基于Ga2O3衬底的乖直结构紫外LED结构及其制备方法，以期解决上述技术问题。为了实现上述目的，作为本专利技术的一个方面，提供了一种基于Ga2O3衬底的垂直结构紫外LED的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在β-Ga2O3衬底上生长低温AlN缓冲层；步骤2：在低温AlN缓冲层上生长AlGaN应力释放层；步骤3：在AlGaN应力释放层上生长n型AlGaN层；步骤4：在n型AlGaN层上生长多量子阱发光层；步骤5：在多量子阱发光层上生长p型AlGaN层；步骤6：在p型AlGaN层上生长p型GaN层；步骤7：在p型GaN层上制备反射镜层；步骤8：制备p电极和n电极，得到所述基于Ga2O3衬底的垂直结构紫外LED。作为本专利技术的另一个方面，还提供了一种根据如上所述的制备方法制备得到的基于Ga2O3衬底的垂直结构紫外LED。基于上述技术方案可知，本专利技术的垂直结构紫外LED及其制备方法具有如下有益效果：采用工业上可以量化生产的MOCVD法外延氮化物薄膜，直接生长垂直结构AlGaN基紫外LED，提供了一种工艺简单、有效降低成本且可以获得高效率、大功率紫外LED的新技术路线。附图说明图1是本专利技术的基于Ga2O3衬底的垂直结构紫外LED的结构示意图；图2是根据本专利技术一实施例的基于Ga2O3衬底的垂直结构紫外LED的制备方法的流程图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术公开了一种采用导电、透光β-Ga2O3衬底实现垂直结构紫外LED的制备方法，结构自下而上包括β-Ga2O3衬底、低温AlN缓冲层、组分渐变AlGaN应力释放层、n型AlGaN层、多量子阱有源区、p型AlGaN层、p型GaN层以及反射镜层。在反射镜层上制作p电极，在β-Ga2O3衬底底面制作n电极，从而可实现高效率、大功率垂直结构紫外LED。β-Ga2O3是一种新型氮化物衬底材料，与AlGaN的晶格失配很低；禁带宽度较大(4.8eV)，对紫外波段光透过率很高；并且β-Ga2O3为n型半导体，具有一定的导电性能，通过Sn、Si等元素掺杂，载流子浓度可达2×1018cm-3～9×1018cm-3。综合以上分析，采用β-Ga2O3单晶作为外延AlGaN基紫外LED的透明导电衬底，可获得高效率、大功率的紫外LED。本专利技术基于本专利技术人的上述发现，结合金属有机化学气相沉积(MOCVD)法精确控制生长AlGaN基紫外LED结构，无需剥离、转移等复杂工艺，仅通过一次外延即可获得垂直结构紫外LED，为高效率、大功率垂直结构紫外LED的制备提供了工艺简单、有效降低成本的新技术路线。具体地，本专利技术的基于Ga2O3衬底的垂直结构紫外LED的制备方法，包括如下步骤：步骤A，在β-Ga2O3衬底上生长低温AlN缓冲层；步骤B，在低温AlN缓冲层上生长组分渐变AlGaN应力释放层；步骤C，在AlGaN应力释放层上生长n型AlGaN层；步骤D，在n型AlGaN层上生长多量子阱发光层；步骤E，在多量子阱发光层上生长p型AlGaN层；步骤F，在p型AlGaN层上生长p型GaN层；步骤G，在p型GaN层上制备反射镜层；步骤H，制备p电极和n电极，得到所述垂直结构紫外LED。其中，所用衬底为透明、导电、与AlGaN晶格失配小的β-Ga2O3衬底。作为优选，步骤A～F中采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法进行外延生长，以生长出所述AlN缓冲层、AlGaN应力释放层、n型AlGaN层、多量子阱有源区、p型AlGaN层、p型GaN层。作为优选，步骤A中生长AlN缓冲层之前需要对衬底进行热退火处理，热退火条件进一步优选为950℃，N2氛围，退火3min。作为优选，步骤A中生长低温AlN缓冲层时，所述AlN成核层的厚度为2～50nm；所述低温AlN缓冲层的形成条件为：480～650℃，N2氛围，生长3min。作为优选，步骤B中生长的AlGaN应力释放层的厚度为1～2μm，Al组分从100％向55％渐变。作为优选，步骤D中在制备多量子阱发光层时，先生长n型AlGaN层，再生长量子阱发光层；所述n型AlGaN层的厚度为1～3μm；所述量子阱发光层的阱和垒均为AlGaN。作为优选，步骤E中形成的所述p型AlGaN层的厚度为50～100nm。作为优选，步骤F中形成的所述p型GaN层的厚度为20～100nm。作为优选，步骤1中生长所述低温AlN缓冲层时形成的AlN成核层的厚度为2～50nm；作为优选，步骤1中所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Ga2O3衬底的垂直结构紫外LED的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在β‑Ga2O3衬底上生长低温AlN缓冲层；步骤2：在低温AlN缓冲层上生长AlGaN应力释放层；步骤3：在AlGaN应力释放层上生长n型AlGaN层；步骤4：在n型AlGaN层上生长多量子阱发光层；步骤5：在多量子阱发光层上生长p型AlGaN层；步骤6：在p型AlGaN层上生长p型GaN层；步骤7：在p型GaN层上制备反射镜层；步骤8：制备p电极和n电极，得到所述基于Ga2O3衬底的垂直结构紫外LED。

【技术特征摘要】
1.一种基于Ga2O3衬底的垂直结构紫外LED的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在β-Ga2O3衬底上生长低温AlN缓冲层；步骤2：在低温AlN缓冲层上生长AlGaN应力释放层；步骤3：在AlGaN应力释放层上生长n型AlGaN层；步骤4：在n型AlGaN层上生长多量子阱发光层；步骤5：在多量子阱发光层上生长p型AlGaN层；步骤6：在p型AlGaN层上生长p型GaN层；步骤7：在p型GaN层上制备反射镜层；步骤8：制备p电极和n电极，得到所述基于Ga2O3衬底的垂直结构紫外LED。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1～5中均采用金属有机化学气相沉积法进行外延生长，以生长出低温AlN缓冲层、AlGaN应力释放层、n型AlGaN层、多量子阱发光层的有源区、p型AlGaN层、p型GaN层。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中生长所述低温AlN缓冲层之前需要对衬底进行热退火处理；热退火条件优选为：950℃，N2氛围，退火3min；作为优选，步骤1中生长所述低温AlN缓冲层时形成的AlN成核层的厚度为2～5...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏同波，张翔，闫建昌，王军喜，李晋闽，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11