一种深紫外发光二极管及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种深紫外发光二极管（ＬＥＤ）及其制备方法，采用低温ＧａＮ插入层取代ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ超晶格或高温ＧａＮ插入层来生长深紫外ＬＥＤ，该低温ＧａＮ插入层是在温度４００－９００℃，压力３０－２００ｔｏｒｒ，Ⅴ／Ⅲ　１５００－２５００条件下生长的厚度为２０－５０ｎｍ的ＧａＮ层。该方法可有效降低外延ＡｌＧａＮ层以及量子阱中的位错密度，提高表面平整度，所制备的ＬＥＤ器件表面光滑，晶体质量良好，开启电压下降，器件的串联电阻较小，电致发光峰值在３００－３７０ｎｍ。

Deep ultraviolet LED and preparation method thereof

The invention provides a deep ultraviolet light emitting diode (LED) and its preparation method, using low-temperature GaN interlayer instead of AlN / AlGaN superlattices or high-temperature GaN interlayer to grow deep UV LED, the low temperature GaN interlayer is at a temperature of 400 DEG to 900 DEG C and a pressure of 30 200torr, the thickness of the growth of V. under the condition of GaN / III 1500-2500 layer 2050nm. This method can effectively reduce the dislocation density of epitaxial AlGaN layer and the quantum well, improve the surface roughness, the prepared LED device with smooth surface and good crystal quality, open voltage drop, low series resistance devices, light emitting peak at 300 370nm.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体照明和金属有机化学气相沉积(MOCVD)
，尤其涉及短波长 AlGaN基量子阱发光二极管(LED)及其制备方法。
技术介绍
III族氮化物材料是重要的宽禁带半导体材料，具有带隙范围宽(0.96￥-6.26￥)、击穿电 场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强以及耐化学腐蚀等特点，这些优良的光、 电学性质以及优良的材料化学性能使III族氮化物材料在蓝、绿、紫、紫外光及白光发光 二极管(LED)、短波长激光二极管(LD)、紫外光探测器和功率电子器件等半导体器件 等领域中有广泛的应用前景。目前，可见光LEDs的制备和封装技术已逐渐趋于成熟，人 们把目光转向了短波长紫外或深紫外发光和探测器件的研究和制备。发光波长在 200-365nm之间的近紫外、紫外、深紫外波段的LEDs在高密度光学数据存储、水和空气 净化与杀菌以及白光照明领域有很大的应用前景。目前，国际国内深紫外AlGaN基LEDs的普遍结构为蓝宝石/AlN模板层/5-10周期 AlN/AlGaN超晶格/i-AlGaN/n-AlGaN/量子阱/p-AlGaN/p-GaN。相对于Ga原子，Al原子具 有较大的粘滞系数，而且在生长过程中TMA1 (三甲基铝)和氨气强烈的预反应会大量消 耗反应剂，生成的固体加合物可能会沉积在样品的生长表面而不能充分分解，这些因素导 致A1N模板层的表面粗糙，很难形成准二维的层状生长模式.。故在蓝宝石衬底上生长的 A1N模板层上再生长AlN/AlGaN超晶格形成陡峭的界面就比较困难。若超晶格的界面粗 糙，不仅不会过滤位错，而且还会引入新的缺陷，导致AlGaN层中的位错密度高，而且会 影响LED发光。理论和实验结果都表明，粗糙的表面会影响LEDs量子阱的生长，影响电 子和空穴的辐射复合效率，而位错密度直接影响着LEDs的内量子效率和寿命。也有文献 报道采用高温GaN插入层来取代AlN/AlGaN超晶格来阻挡由A1N层延伸到AlGaN及量子 阱中的穿透位错，但高温GaN插入层需要生长在表面粗糙度较低的A1N层上，由于A1N 材料本身对生长条件的限制，很难得到光滑的表面
技术实现思路
生长方法，以有效降低AlGaN及LEDs结构中的位错密度，提高AlGaN层以及量子阱的 表面平整度，进而提高发光效率。 本专利技术的技术方案如下一种深紫外发光二极管(LED)，包括在衬底上依次叠加的A1N模板层、低温GaN插 入层、AlGaN过渡层、n型AlGaN层、AlGaN有源层、p型AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN 过渡层和p型GaN层，其中AlGaN有源层为发射深紫外光波段的量子阱；n型AlGaN 层作为n型接触层；p型GaN层作为p型接触层；低温GaN插入层是在温度400-900°C ， 压力30-200 torr， V/III 1500-2500条件下生长的厚度为20-50腿的GaN层。进一步的，上述深紫外LED在A1N模板层和衬底之间还有一脉冲A1N缓冲层，该脉 冲A1N缓冲层是以氢气为载气，在温度1050°C-1200°C，压力100-200 torr， V/III 400-800 的条件下，采用交替通入TMA1和NH3的脉冲方式在衬底上生长的50-150个周期的A1N 层，具体每个周期依次通入3-10sTMAl， 3-10s载气，3-10s NH3和3-10s载气。上述深紫外LED中通常采用蓝宝石作为衬底。所述AlGaN有源层为2-5个周期的 AlxGai.xN/AlyGa!.yN多量子阱(MQW)。其中，阱的厚度为l-3nm， Al组分x二0-0.5;垒 的厚度为5-10nm， Al组分y=0.2-0.7。另一方面，本专利技术提供了上述深紫外LED的制备方法，包括以下步骤1) 采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备，将反应室温度升高到1050-1200°C，在 衬底上生长AIN模板层；2) 将温度降低到400-900°C，压力30-200torr， V/III 1500-2500的条件下在A1N模板层 上生长厚度为20-50nm的GaN层作为低温GaN插入层；3) 升温至1050-1200°C ，在低温GaN插入层上生长AlGaN过渡层；4) 保持温度不变，在AlGaN过渡层上生长n型AlGaN层作为n型接触层；5) 保持温度不变，在n型AlGaN层上生长发射深紫外光波段的AlGaN有源层；6) 保持温度不变，在AlGaN有源层上依次生长p型AlGaN电子阻挡层和过渡层；7) 在p型AlGaN过渡层上生长p型GaN层作为p型接触层。 上述方法通常采用(0001)蓝宝石衬底，以高纯氢气(H2)作为载气，三甲基铝(TMAl)、三甲基镓(TMGa)和NH3分别作为Al源、Ga源和N源，硅垸(S识4)和二茂镁(CpzMg)分 别作为n型和p型掺杂剂。进一步的，上述步骤1)先在温度1050°C-1200°C,压力100-200 torr， V/III 400-800的条件下，采用交替通入TMA1和NH3的脉冲方式在衬底上生长的50-150个周期的脉冲 A1N缓冲层，具体每个周期依次通入3-10s TMA1， 3-10s载气，3-10s NH3和3-10s载气； 然后再在脉冲A1N缓冲层上生长A1N模板层。A1N模板层的厚度一般是0.3-1 pm，具体生 长条件为压力30-200torr，优选压力为50-80 torr; V/III 200-800，优选V/III为300-600; 生长速率为0.6-1.5 pm/h。上述步骤2)生长低温GaN插入层的温度优选为500-700°C ，压力优选为50-80 torr， V/III优选为1500-2000，厚度优选为20-30 nm。上述步骤3) AlGaN过渡层的厚度50-80nm， Al组分在0.7-0.8之间，生长压力为30-80 torr， V/III为1500-2500。上述步骤4)在压力30-80torr, V/III 1500-2500，硅烷流量0.5-2 sccm的条件下生长 0.5-l|im厚的Si惨杂的n型AlGaN层，其中Al组分在0.5-0.7之间。上述步骤5)在压力30-80torr， V/III 1500-2500，生长速率控制在0.1-0.4nm/s的条件 下生长2-5个周期的AlxGa^N/AlyGaLyN多量子阱，其中阱的厚度为l-3mn， AI组分x =0-0.5;垒的厚度为5-10mn， Al组分y=0.2-0.7。上述步骤6)压力30-80torr， V/III 1500-2500， 二茂镁流量200-600 sccm的条件下生 长p型AlGaN电子阻挡层和过渡层，其中电子阻挡层的厚度为10-20nm， Al组分为 0.35-0.55;过渡层的厚度为20-40nm, Al组分为0.2-0.35。上述步骤7)生长的p型GaN层厚度为40-80nm。上述器件生长好后，通常采用标准的感应耦合等离子体刻蚀方法刻蚀出台阶，然后溅 射Ti/Al/Ni/Au作为n型欧姆接触，Ni/Au作为p型欧姆接触，并分别进行n型和p型合金， 然后对蓝宝石背面进行抛光，采用标准的倒装焊工艺对所生长的LED结构进行封装。本专利技术首次提出了采用低温GaN插入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种深紫外发光二极管，包括在衬底上依次叠加的ＡｌＮ模板层、低温ＧａＮ插入层、ＡｌＧａＮ过渡层、ｎ型ＡｌＧａＮ层、ＡｌＧａＮ有源层、ｐ型ＡｌＧａＮ电子阻挡层、ｐ型ＡｌＧａＮ过渡层和ｐ型ＧａＮ层，其中：ＡｌＧａＮ有源层为发射深紫外光波段的量子阱；ｎ型ＡｌＧａＮ层作为ｎ型接触层；ｐ型ＧａＮ层作为ｐ型接触层；低温ＧａＮ插入层是在温度４００－９００℃，压力３０－２００ｔｏｒｒ，Ⅴ／Ⅲ　１５００－２５００条件下生长的厚度为２０－５０ｎｍ的ＧａＮ层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：秦志新，桑立雯，杨志坚，方浩，于彤军，张国义，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]