深紫外半导体发光二极管的外延结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种深紫外半导体发光二极管的外延结构的制备方法，包括以下步骤：(1)在磁控溅射系统中，对衬底进行热处理，等离子清洗；(2)通过控制铝靶和/或硅靶的轰击功率、反应室气压及气体流量比在衬底上依次生长N型过渡层、N型下限制层、下波导层、下势垒层、多量子阱层、上势垒层、上波导层、P型上限制层及P型重掺杂层；(3)通过光刻工艺在衬底下表面制备N面电极，在P型重掺杂层上表面制备P面电极；通过本发明专利技术中的制备方法制得的半导体结构具有较宽的光谱和一定输出功率，使得半导体发光二极管具有较高的亮度。

Epitaxial structure and preparation of deep UV semiconductor light emitting diode

【技术实现步骤摘要】
深紫外半导体发光二极管的外延结构及其制备方法
本专利技术涉及半导体光电子
，更具体的说是涉及一种深紫外半导体发光二极管的外延结构及制备方法。
技术介绍
目前，AlN(氮化铝)作为已知直接带隙中能带(6.2eV)最宽的半导体材料，其带隙对应波长210nm深紫外波长处。因为半导体发光二极管有源区结构中，量子阱外的包裹层比量子阱层应具有更宽带隙的材料作为势垒层和波导层，所以AlN作为量子阱，目前还没有合适的垒层和波导层材料。目前为止，还没有接近波长210nm深紫外半导体发光二极管出现。而非半导体的深紫外半导体发光二极管体积大、笨重、昂贵，不利于相关应用及产品的进步与发展。因此，如何研制一种紫外半导体发光二极管的外延结构及其制备方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种深紫外半导体发光二极管的外延结构及其制备方法，包括以下步骤：(1)在磁控溅射系统中，对衬底进行热处理，等离子清洗；(2)通过控制靶材的轰击功率、反应室气压及气体流量比在衬底上依次生长N型过渡层、N型下限制层、下波导层、下势垒层、多量子阱层、上势垒层、上波导层、P型上限制层及P型重掺杂层；(3)在衬底下表面设置N面电极，通过光刻工艺在P型重掺杂层上表面设置P面电极。本专利技术的有益效果：本专利技术中的制备方法简单易操作，实现难度小，适用于大工业化生产，通过本专利技术中的制备方法制得的半导体结构具有一定输出功率，使得半导体发光二极管具有较高的亮度。优选地，步骤(1)中，所述热处理时间为5-20min，热处理温度为100-200℃，氩气流量30sccm。优选地，所述步骤(1)中，等离子清洗的功率为30-80W，清洗时间5-10min。优选地，所述步骤(2)中，控制靶材的轰击功率、反应室气压及气体流程的具体操作为：生长N型过渡层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为8/1-4/1，反应室内压力控制在0.6-0.8Pa；硅靶的功率控制在30-60W；生长N型下限制层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为4/1-5/1，反应室内压力控制在0.5-0.6Pa；硅靶的功率控制在30-60W；生长下波导层：铝靶功率控制在100-200W，氩气与氮气流量比为5/1-6/1，反应室内压力控制在0.35-0.5Pa；硅靶的功率控制在30-60W；生长下势垒层：铝靶功率控制在50-150W，氩气与氮气流量比为6/1-7/1，反应室内压力控制在0.5-0.6Pa；硅靶的功率控制在30-60W；生长多量子阱层：铝靶功率控制在50-150W，氩气与氮气流量比为7/1-8/1，反应室内压力控制在0.5-0.8Pa；生长上势垒层：铝靶功率控制在50-150W，氩气与氮气流量比为7/1-6/1，反应室内压力控制在0.5-0.6Pa；生长上势垒层：铝靶功率控制在50-150W，氩气与氮气流量比为7/1-6/1，反应室内压力控制在0.5-0.6Pa；生长上波导层：铝靶功率控制在100-200W，氩气与氮气流量比为6/1-5/1，反应室内压力控制在0.35-0.5Pa；硅靶的功率控制在30-60W；生长P型上限制层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为5/1-4/1，反应室内压力控制在0.5-0.6Pa；硅靶的功率控制在30-60W；生长P型重掺杂层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为4/1-8/1，反应室内压力控制在0.6-0.8Pa；镁靶的功率控制在30-60W。优选地，步骤(2)中，所述N型过渡层的生长时间为25-35min，生长温度为150-300℃；所述N型下限制层的生长时间为40-60min，生长温度为150-300℃；所述下波导层的生长时间为25-40min，生长温度为150-300℃；所述下势垒层的生长时间为2-6min，生长温度为150-300℃；所述量子阱层的生长时间为1-3min，生长温度为150-300℃；所述势垒层的生长时间为1-3min，生长温度为150-300℃所述上势垒层的生长时间为2-6min，生长温度为150-300℃；所述上波导层的生长时间为25-40min，生长温度为150-300℃；所述P型上限制层的生长时间为40-60min，生长温度为150-300℃；所述P型重掺杂层的生长时间为30-40min，生长温度为150-300℃。本专利技术还提供了一种深紫外半导体发光二极管的外延结构，包括：衬底，所述衬底为厚度300-700μm厚的N型衬底；在所述衬底上表面依次生长的N型过渡层、N型下限制层、下波导层、下势垒层、多量子阱层、上势垒层、上波导层、P型上限制层及P型重掺杂层；在所述P型重掺杂层上表面设置的P面电极；及在所述衬底下表面设置的N面电极。本专利技术的有益效果：本专利技术中中的结构使得半导体二极管可以具有宽的输出光谱和一定输出功率，使得半导体激光器具有较高的亮度，且本专利技术中的结构简单。优选地，N型衬底为单晶硅片、氮化铝片、碳化硅片、砷化镓片或氮化镓片。优选地，所述N型过渡层的厚度为100-500nm，材料为AlxNy，其中，x/y＝1-0.45。优选地，所述N型下限制层的厚度为1.2-3μm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.45-0.3；所述P型上限制层的厚度为1.2-3μm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.6-1.1。优选地，所述下波导层的厚度为0.1-0.8μm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.55-0.7；所述上波导层的厚度为0.1-0.8μm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.7-0.55。优选地，所述多量子阱层个数是1-10个，每个多量子阱层由多个单量子阱层和垒层构成；所述单量子阱厚度3-15nm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.9-1；所述垒层的厚度为10-15nm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.85-0.8；垒层由量子阱层个数决定，量子阱个数减一个。优选地，所述下势垒层的厚度为30-80nm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.8-0.9；所述上势垒层的厚度为30-80nm，材料为AlxNy，其中，x/y＝0.9-0.8。优选地，所述P型重掺杂层的厚度为200-500nm，材料为AlxNy，其中，x/y＝1.1-1.5，C原子掺杂(0.8-3)×1020个/cm3。采用上述的有益效果：对于AlxNy材料结构，通过控制x和y的比值可以实现具有比AlN单晶材料更宽的带隙，形成势阱层结构，从而实现低阈值、高亮度、和高的温度特性。优选地，N面电极及P面电极均为由厚度为50nm的钛层及厚度300nm的金层组成。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种深紫外半导体发光二极管的外延结构及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)在磁控溅射系统中，对衬底进行热处理，然后等离子清洗，备用；/n(2)通过控制靶材的轰击功率、反应室气压及气体流量比在衬底上依次生长N型过渡层、N型下限制层、下波导层、下势垒层、多量子阱层、上势垒层、上波导层、P型上限制层及P型重掺杂层；/n(3)在衬底下表面设置N面电极，通过光刻工艺在P型重掺杂层上表面设置P面电极。/n

【技术特征摘要】
1.一种深紫外半导体发光二极管的外延结构及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在磁控溅射系统中，对衬底进行热处理，然后等离子清洗，备用；
(2)通过控制靶材的轰击功率、反应室气压及气体流量比在衬底上依次生长N型过渡层、N型下限制层、下波导层、下势垒层、多量子阱层、上势垒层、上波导层、P型上限制层及P型重掺杂层；
(3)在衬底下表面设置N面电极，通过光刻工艺在P型重掺杂层上表面设置P面电极。


2.根据权利要求1所述的一种深紫外半导体发光二极管的外延结构及其制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述热处理时间为5-20min，热处理温度为150-300℃，氩气流量为30sccm；等离子清洗的功率为30-80W，清洗时间为5-10min。


3.根据权利要求1所述的一种深紫外半导体发光二极管的外延结构及其制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，控制靶材的轰击功率、反应室气压及气体流程的具体操作为：
生长N型过渡层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为8/1-4/1，反应室内压力控制在0.6-0.8Pa，硅靶的功率控制在30-60W；
生长N型下限制层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为4/1-5/1，反应室内压力控制在0.5-0.6Pa，硅靶的功率控制在30-60W；
生长下波导层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为5/1-6/1，反应室内压力控制在0.35-0.5Pa，硅靶的功率控制在30-60W；
生长下势垒层：铝靶功率控制在180-300W，氩气与氮气流量比为6/1-7/1，反应室内压力控制在0.5-0.6Pa，硅靶的功率控制在30-60W；
生长多量子阱层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为7/1-8/1，反应室内压力控制在0.8-0.6Pa；
生长上势垒层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为7/1-6/1，反应室内压力控制在0.5-0.7Pa；
生长上波导层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为6/1-5/1，反应室内压力控制在0.35-0.5Pa，硅靶的功率控制在30-60W；
生长P型上限制层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为5/1-4/1，反应室内压力控制在0.5-0.6Pa，硅靶的功率控制在30-60W；
生长P型重掺杂层：铝靶功率控制在150-210W，氩气与氮气流量比为4/1-8/1，反应室内压力控制在0.6-0.8Pa，镁靶的功率控制在30-60W。


4.根据权利要求3所述的一种深紫外半导体激光器的外延结构及其制备方法，其特征在于，步骤(2)中，
所述N型过渡层的生长时间为25-35min，生长温度为150-300℃；
所述N型下限制层的生长时间为...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔忠良，赵志斌，李再金，任永学，李林，曲轶，
申请(专利权)人：海南师范大学，
类型：发明
国别省市：海南;46