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一种提升紫外LED外延材料结晶质量的生长方法

阅读：2发布：2021-01-09

专利汇可以提供一种提升紫外LED外延材料结晶质量的生长方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明是一种新的生长紫外LED的外延方法，能够明显改善紫外LED 外延生长材料的结晶质量，提升紫外LED的发光强度。本发明采用Al组分渐变方法在AlN中间掺入，能逐步释放来自衬底层的晶格适配的应力，渐变组分生长能使界面的晶格适配的缺陷减小，提升材料界面的晶体质量，同时渐变生长能够滑移位错，使得穿透位错偏析，很好的阻挡穿透位错进入量子阱区，并且为生长量子阱提供非常好的基底，并且极大的减小了由于晶格适配产生的应力对量子阱生长的影响，提升了材料的整体结晶质量，使得量子阱层的电子空穴波函数空间交叠增强，提升了紫外LED整体的光电特性。，下面是一种提升紫外LED外延材料结晶质量的生长方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种提升紫外LED外延材料结晶质量的生长方法，包括以下步骤：
（1）以蓝宝石作为生长基底，生长低温AlN层；
（2）生长高温AlN层；
（3）生长若干个周期的超薄AlGaN/AlN层，每个周期中AlGaN采用Al组分先渐变减小、再渐变增大的方式生长，然后再生长AlN；
（4）生长掺杂硅烷的n型AlGaN层；
（5）生长若干个周期的AlxGa1-xN/AlGaN超晶格层，x（6）生长若干个周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN（y>x）量子阱垒区，x（7）生长掺杂镁p型AlGaN阻挡层；
（8）生长掺杂镁p型AlGaN层；
（9）生长掺杂镁p型GaN层；
（10）在氮气氛围下，退火。
2.根据权利要求1所述的提升紫外LED外延材料结晶质量的生长方法，其特征在于：
步骤（3）的每个周期先以Al组分渐变减小的方式生长1-3nm，再以Al组分渐变增大的方式生长1-3nm，然后生长3-5nm的AlN薄层。
3.根据权利要求2所述的提升紫外LED外延材料结晶质量的生长方法，其特征在于，步骤（3）中每个周期的生长按照以下操作进行：在温度1060℃，打开TMGa和TMAl，其中TMAl一直保持40umol/min,TMGa的流量从0逐渐增加到300umol/min，生长1.5nm，再逐渐减小TMGa的流量从300umol/min到0，生长1.5nm；然后关闭TMGa，生长3nm的AlN薄层。
4.根据权利要求2所述的提升紫外LED外延材料结晶质量的生长方法，其特征在于：
步骤（5）共生长10个周期，每个周期的厚度7nm；步骤（6）共生长8个周期，每个周期中的阱层AlxGa1-xN和垒层AlyGa1-yN的厚度分别为4nm和8nm。
5.根据权利要求1至4任一所述的提升紫外LED外延材料结晶质量的生长方法，其特征在于：0.16.一种紫外LED外延片结构，其特征在于，包括依次生长的以下各层：
蓝宝石基底；
低温AlN层；
高温AlN层；
若干个周期的超薄AlGaN/AlN层，每个周期中的AlGaN沿生长方向Al组分先渐变减小、再渐变增大；
掺杂硅烷的n型AlGaN层；
若干个周期的AlxGa1-xN/AlGaN超晶格层，x若干个周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN（y>x）量子阱垒区，x掺杂镁p型AlGaN阻挡层；
掺杂镁p型AlGaN层；
掺杂镁p型GaN层。
7.根据权利要求6所述的紫外LED外延片结构，其特征在于：所述若干个周期的超薄AlGaN/AlN层中，每个周期先以Al组分渐变减小的方式生长1-3nm，再以Al组分渐变增大的方式生长1-3nm，然后生长3-5nm的AlN薄层。
8.根据权利要求7所述的紫外LED外延片结构，其特征在于：所述若干个周期的AlxGa1-xN/AlGaN超晶格层，共有10个周期，每个周期的厚度7nm；所述若干个周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN（y>x）量子阱垒区，共有8个周期，每个周期中的阱层AlxGa1-xN和垒层AlyGa1-yN的厚度分别为4nm和8nm。
9.根据权利要求6至8任一所述的紫外LED外延片结构，其特征在于：0.10.3

说明书全文

一种提升紫外LED外延材料结晶质量的生长方法

技术领域

[0001] 本发明属于半导体光电子领域，具体涉及一种新的紫光LED外延方法。

背景技术

[0002] 随着LED应用的发展，紫光LED的市场需求越来越大，发光波长覆盖210-400nm的紫外LED，具有传统紫外光源无法比拟的优势。紫外LED不仅可以用在照明领域，同时在生物医疗、防伪鉴定、空气，水质净化、生化检测、高密度信息储存等方面都可替代传统含有毒有害物质的紫外汞灯，在目前的LED背景下，紫光市场前景非常广阔。

[0003] 目前紫外LED外延生长技术还不够成熟，生长高性能紫外LED的材料制备困难，并且p层掺杂难度大，发光区域发光效率低下等限制，导致紫外LED芯片的发光效率不高，制备成本高，难度大，成品率低。

[0004] 紫光LED芯片市场潜力巨大，应用领域广阔，价格昂贵，因此如何制备结晶质量较好、高功率的紫外LED芯片，是当前亟需解决的问题。

发明内容

[0005] 本发明是一种新的生长紫外LED的外延方法，能够明显改善紫外LED外延生长材料的结晶质量，提升紫外LED的发光强度。

[0006] 本发明的基本方案如下：

[0007] 一种提升紫外LED外延材料结晶质量的生长方法，包括以下步骤：

[0008] （1）以蓝宝石作为生长基底，生长低温AlN层；

[0009] （2）生长高温AlN层；

[0010] （3）生长若干个周期的超薄AlGaN/AlN层，每个周期中AlGaN采用Al组分先渐变减小、再渐变增大的方式生长，然后再生长AlN；

[0011] （4）生长掺杂硅烷的n型AlGaN层；

[0012] （5）生长若干个周期的AlxGa1-xN/AlGaN超晶格层，x

[0013] （6）生长若干个周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN（y>x）量子阱垒区，x

[0014] （7）生长掺杂镁p型AlGaN阻挡层；

[0015] （8）生长掺杂镁p型AlGaN层；

[0016] （9）生长掺杂镁p型GaN层；

[0017] （10）在氮气氛围下，退火。

[0018] 以上所称的“高温”、“低温”在本领域是具有明确意义的技术术语。

[0019] 基于上述基本方案，本发明还做如下优化限定和改进：

[0020] 步骤（3）的每个周期先以Al组分渐变减小的方式生长1-3nm，再以Al组分渐变增大的方式生长1-3nm，然后生长3-5nm的AlN薄层。

[0021] 步骤（3）中每个周期的生长具体可以按照以下操作进行：在温度1060℃，打开TMGa和TMAl，其中TMAl一直保持40umol/min,TMGa的流量从0逐渐增加到300umol/min，生长1.5nm，再逐渐减小TMGa的流量从300umol/min到0，生长1.5nm；然后关闭TMGa，生长3nm的AlN薄层。

[0022] 步骤（5）共生长10个周期，每个周期的厚度7nm；步骤（6）共生长8个周期，每个周期中的阱层AlxGa1-xN和垒层AlyGa1-yN的厚度分别为4nm和8nm。

[0023] 以上x、y的优选取值范围是0.1

[0024] 相应的，按照上述方法制得的外延片结构，主要包括依次生长的以下各层：

[0025] 蓝宝石基底；

[0026] 低温AlN层；

[0027] 高温AlN层；

[0028] 若干个周期的超薄AlGaN/AlN层，每个周期中的AlGaN沿生长方向Al组分先渐变减小、再渐变增大；

[0029] 掺杂硅烷的n型AlGaN层；

[0030] 若干个周期的AlxGa1-xN/AlGaN超晶格层，x

[0031] 若干个周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN（y>x）量子阱垒区，x

[0032] 掺杂镁p型AlGaN阻挡层；

[0033] 掺杂镁p型AlGaN层；

[0034] 掺杂镁p型GaN层。

[0035] 该外延片结构也相应作如下优化限定：

[0036] 上述若干个周期的超薄AlGaN/AlN层中，每个周期可以先以Al组分渐变减小的方式生长1-3nm，再以Al组分渐变增大的方式生长1-3nm，然后生长3-5nm的AlN薄层。

[0037] 上述若干个周期的AlxGa1-xN/AlGaN超晶格层，共有10个周期，每个周期的厚度7nm；所述若干个周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN（y>x）量子阱垒区，共有8个周期，每个周期中的阱层AlxGa1-xN和垒层AlyGa1-yN的厚度分别为4nm和8nm。

[0038] 以上0.1

[0039] 本发明具有以下有益效果：

[0040] 本发明采用Al组分渐变方法在AlN中间掺入，能逐步释放来自衬底层的晶格适配的应力，渐变组分生长能使界面的晶格适配的缺陷减小，提升材料界面的晶体质量，同时渐变生长能够滑移位错，使得穿透位错偏析，很好的阻挡穿透位错进入量子阱区，并且为生长量子阱提供非常好的基底，并且极大的减小了由于晶格适配产生的应力对量子阱生长的影响，提升了材料的整体结晶质量，使得量子阱层的电子空穴波函数空间交叠增强，提升了紫外LED整体的光电特性。

[0041] 本发明还通过生长AlxGa1-xN/AlGaN超晶格层，可以释放应力，减小极化效应，并进一步阻挡位错进入量子阱区。采用AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱垒结构可以提升晶格匹配，进一步提升发光复合效率。附图说明

[0042] 图1为本发明的紫外LED的外延整体结构图。

[0043] 图2为本发明的Al组分渐变超薄AlGaN/AlN层的结构示意图。

具体实施方式

[0044] 本发明运用金属有机化合物化学气相沉淀（MOCVD）外延生长技术，以蓝宝石作为生长基底，进行异质外延生长，采用三甲基镓（TMGa），三乙基镓(TEGa)，和三甲基铟（TMIn）,三甲基铝(TMAl)和氨气（NH3）硅烷（SiH4）和二茂镁(cp2mg)分别提供生长所需要的镓源，铟源、铝源、和氮源、硅源、镁源。如图1、2所示，该紫外LED外延的生长过程具体如下：

[0045] 1.将蓝宝石衬底特殊清洗处理后，放入MOCVD设备在1100℃烘烤10分钟。

[0046] 2.降温度600℃生长一层厚度10nm的低温AlN层，生长压力为150torr。

[0047] 3.升温到1070℃生长一层厚度300nm的高温AlN层，生长压力为150torr.[0048] 4.在温度1060℃，200torr生长一层薄Al组分渐变的AlGaN层。生长过程为：在温度1060℃，打开TMGa和TMAl，其中TMAl一直保持40umol/min,TMGa的流量从0逐渐增加到300umol/min，生长1.5nm，再逐渐减小TMGa的流量从300umol/min到0，生长1.5nm；然后关闭TMGa，生长3nm的AlN薄层；依此方式重复5-10个周期。

[0049] 5.在温度1060℃生长一层掺杂硅烷的n型AlGaN层厚度500nm，压力200torr.[0050] 6.在温度1060℃，200torr,生长一层10个周期AlxGa1-xN/AlGaN的超晶格，每个周期厚度7nm左右，总厚度70nm。

[0051] 7.在氮气氛围250torr,1060℃生长一层AlxGa1-xN/AlyGa1-yN（y>x）量子阱垒层，量子阱层AlxGa1-xN和垒层AlyGa1-yN层的厚度分别为4nm和8nm.

[0052] 8.温度至1000℃，150torr,生长一层掺杂镁的p型AlGaN层，厚度10nm。

[0053] 9.在900℃,200torr生长20nm的Mg掺杂的p型AlGaN层。

[0054] 10.在850℃，300torr生长一层掺杂Mg的p型GaN层。

[0055] 11.在氮气氛围下，退火20分钟。

[0056] 外延生长过程结束。

[0057] 通过测试，该结构方法生长的LED外延片XRD(x射线衍射)的002面和102面的测试数值分别较传统方案的外延片的测试值减小了20%和15%,制作成芯片后测试的光功率较传统外延片在相同工艺下制作的芯片提升了10-15%,

[0058] 需要强调的是，以上实施例中给出了能够达到最佳技术效果的具体参数，但这些温度、厚度、压力等具体参数大部分均是参照现有技术所做的常规选择，不应视为对本发明权利要求保护范围的限制。说明书中阐述了本发明技术改进的原理，本领域技术人员应当能够认识到在基本方案下对各具体参数做适度的调整仍然能够基本实现本发明的目的。

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