一种深紫外二极管外延片、芯片及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及半导体器件【技术领域】，具体涉及一种深紫外二极管外延片。所述外延片，从下至上依次包括：衬底，低温AlN成核层，高温AlN本征层，n型AlxGa1-xN层，AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱层、p型AluGa1-uN电子阻挡层、p型GaN层。本发明还提供一种基于所述外延片制备的芯片及芯片的制备方法。本发明提供的外延片和芯片选择采用具有高紫外光反射性的Al材料作为电极材料，不但可以部分消除受主型Al阳离子空位缺陷，还可将大部分紫外光反射回去。本发明提供的深紫外二极管芯片的制备方法，外延片通过在合适条件下在N2+NH3气氛退火，可部分消除N空位缺陷。
【专利说明】一种深紫外二极管外延片、芯片及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件【技术领域】，具体涉及一种深紫外二极管外延片、芯片及其制备方法。【背景技术】
[0002]相比于传统的紫外发光技术，如紫外线低压汞灯，基于半导体AlGaN材料的紫外发光二极管具有多方面的优势，具体如:寿命长，可高达5万小时以上；无须预热时间，反应速度很快(约在10-9秒)；发光谱线纯净，一般发光峰的FWHM可控制在15nm以内；体积小，可靠性高，容易制成极小或阵列式器件；适合批量生产；为固体光源，无须用到汞等对环境极不友好的材料，是一种绿色污染的新型紫外光源。因此，AlGaN基半导体深紫外发光二极管在很多领域有着重大的应用潜力，如固化、医疗卫生、杀菌消毒、通过紫外线激发荧光粉获取闻品质白光等。
[0003]然而，目前AlGaN基紫外发光二极管的发光效率还比较低，特别是波长短于320nm的紫外发光二极管(UV-LED)的发光效率普遍在1%以下，内量子效率普遍低于10%。造成上述现象的主要原因有几个方面:一方面是由于材料的晶体质量所引起的，AlGaN材料的缺陷密度较高，造成内量子效率的低下；另一方面则是由器件制备工艺和电极材料选择导致的。在LED的器件典型制备过程中，都需要用到刻蚀以制备电极，而刻蚀往往会给AlGaN材料带来损伤。众所周知，对于GaN材料,刻蚀损伤造成的N空位以浅能级施主出现,反而使得费米能级向导带靠近，从而比较容易获得欧姆接触电极。不同于GaN材料，AlGaN材料，特别是高Al组分的AlGaN材料在等离子刻蚀后，N空位不再是浅能级施主，而是作为深能级缺陷存在，会使费米能级远离导带，从而使得欧姆接触电极的制备比较困难，导致AlGaN基LED的开启电压增加；另外一方面，大多数材料对于紫外线特别是深紫外线存在强烈吸收，目前在AlGaN基LED普遍使用的Ti/Al/Ti/Au等电极材料正是如此，同时，由于AlGaN材料的掺杂效率较低，因此，一般电极尺寸相对较大，从而使得LED的出光效率进一步降低。
[0004]对于上述由于器件制备工艺和电极材料选择引起的问题，目前国际上仍未有相应的系统解决方案，一般仍然采用刻蚀后直接蒸镀电极的方式，而电极材料也普遍为Ti/Al/Ti/Au 等。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种深紫外二极管外延片、芯片及其制备方法，改善了芯片制备过程中刻蚀所带来的材料损伤并提高了深紫外发光二极管的出光效率。
[0006]为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0007]—种深紫外二极管外延片，包括:衬底，设置在所述衬底上的低温AlN成核层，设置在所述低温AlN成核层上的高温AlN本征层，设置在所述高温AlN本征层上的η型AlxGa^N层，设置在所述η型AlxGa^N层上的AlyGa^NAlzGahN多量子阱层、设置在所述AlyGa^NAlzGahN多量子阱层上的ρ型AluGai_uN电子阻挡层、设置在所述ρ型AluGai_uN电子阻挡层上的P型GaN层。
[0008]进一步地，所述衬底为蓝宝石、碳化硅或A1N。
[0009]进一步地，所述高温AlN本征层的厚度为0.3-100微米。
[0010]进一步地，所述η型AlxGa^N层的Al组分为0_100%，厚度为0.1-10微米。
[0011]进一步地，所述AlyGai_yN/AlzGai_zN多量子阱层的Al组分为0_100%，厚度为1-500纳米。
[0012]进一步地，所述AlyGahNAlzGahN多量子阱层的势垒层厚度为10nm，势阱层厚度为3nm，量子阱的周期为10个。
[0013]进一步地，所述ρ型AluGapuN电子阻挡层的Al组分为0-100%，厚度为1-200纳米。
[0014]进一步地，所述P型GaN层的厚度为1-200纳米。
[0015]一种深紫外二极管芯片，包括所述外延片，所述外延片的η型AlxGahN层上方设有η电极，所述外延片的P型GaN层上方设有ρ电极。
[0016]一种深紫外二极管芯片的制备方法，包括如下步骤:
[0017](I)在衬底上，利用MOCVD工艺，将所述衬底温度降低为600°C，生长低温AlN成核层；
`[0018](2)在所述低温AlN成核层上，将生长温度升高到130(TC，生长高温AlN本征层；
[0019](3)在所述高温AlN本征层上，将生长温度保持在1150°C，生长η型AlxGapxN层；
[0020](4)在所述η型AlxGa^N层上，将生长温度保持在1150°C，生长Α1#&1ιΝ/Α1ζ6&1_ζΝ多量子阱层；
[0021](5)将生长温度保持在1150°C，在所述AlyGai_yN/AlzGai_zNN多量子阱层上，生长P型AluGai_uN电子阻挡层；
[0022](6)将生长温度保持在1050°C，在所述ρ型AluGai_uN电子阻挡层上生长ρ型GaN层，形成深紫外二极管外延片；
[0023](7)刻蚀所述深紫外二极管外延片至η型AlxGahN层；
[0024](8)将刻蚀后的外延片放置于气氛为氮气和氨气的腔体内进行反应；
[0025](9)取出所述外延片，并在η型AlxGahN层台面上光刻出η型电极的图形，然后在η型电极图形区沉积金属层，并在快速退火时形成η型电极；
[0026](10)在所述外延片的ρ型GaN层上沉积P型电极。
[0027]与现有技术方案相比，本发明采用的技术方案的有益效果如下:
[0028]本发明提供的外延片和芯片选择采用具有高紫外光反射性的Al材料作为电极材料，不但可以部分消除受主型Al阳离子空位缺陷，还可将大部分紫外光反射回去。本发明提供的深紫外二极管芯片的制备方法，外延片通过在合适条件下在队+册13气氛退火，可部分消除N空位缺陷，从而降低芯片开启电压。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为本发明实施例提供的深紫外二极管外延片的结构示意图；
[0030]图2为本发明实施例提供的深紫外二极管芯片的结构示意图。
【具体实施方式】[0031]下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
[0032]实施例1:
[0033]如图1所示，本实施例提供一种深紫外二极管外延片，包括:衬底101，设置在衬底101上的低温AlN成核层102，设置在低温AlN成核层102上的高温AlN本征层103，设置在高温AlN本征层103上的η型AlxGa1J层104，设置在η型AlxGa1J层104上的AlyGa^yN/AlzGa1=N多量子阱层105、设置在AlyGahyNAlzGahN多量子阱层105上的ρ型AluGai_uN电子阻挡层106、设置在ρ型AluGa1J电子阻挡层106上的ρ型GaN层107。
[0034]本实施例中，衬底101为蓝宝石、碳化硅或AlN;低温AlN成核层102的厚度为20nm;高温AlN本征层103的厚度在0.3-100微米之间，优选地，厚度为1000nm ;n型AlxGaJ层104的Al组分为0-100%,厚度在0.1-10微米之间，优选地，厚度为2000nm ；AlyGai_yN/AlzGai_zN多量子阱层105的Al组分为0_100%，厚度在1-500纳米之间，优选地，多量子阱层势垒层厚度为10nm，势阱层厚度为3nm，量子阱的周期为10个；ρ型AluGai_uN电子阻挡层106的Al组分为0-100%，厚度在1-200纳米之间，优选地，厚度为5nm ；p型GaN层107的厚度在1-200纳米之间，优选地，厚度为10nm。
[0035]实施例2:
[0036]如图2所示，本实施例提供一种深紫外二极管芯片，包括实施例1所述的外延片，在外延片的η型AlxGa^N层104上方设有η电极108，在外延片的ρ型GaN层107上方设有P电极109。
[0037]实施例3:
[0038]本实施例提供一种深紫外二极管芯片的制备方法，具体包括如下步骤:
[0039](I)在蓝宝石的衬底上，利用MOCVD工艺，将衬底温度降低为600°C，生长厚度为20nm的低温AlN成核层；所述衬底还可以采用碳化娃或AlN ；
[0040](2)在低温AlN成核层上，将生长温度升高到1300°C，生长厚度为1000nm的高温AlN本征层；
[0041](3)在高温AlN本征层上，将生长温度保持在1150°C，生长厚度为2000nm的η型AlxGa1^xN 层，η 型 AlxGa1^xN 层为 Si 掺杂浓度在 IO20CnT3 的 Ala6Gaa4N 层；
[0042](4)在η型AlxGa^xN层层上，将生长温度保持在1150°C，生长AlyGa^yNAlzGahN多量子阱层，AlyGa^NAlzGahN多量子阱层具体为Ala 6Ga0.4N/A10.4Ga0.6N多量子阱层，Ala6Gaa4N势垒层厚度为10nm，Ala4Gaa6N势阱层厚度为3nm，量子阱的周期为10个；
[0043](5)将生长温度保持在1150°C，在AlyGapyNAlzGahN多量子阱层上，生长厚度为5nm的ρ型AluGa1J^电子阻挡层，ρ型AluGa1J^电子阻挡层为ρ型Ala9GaaiN电子阻挡层；
[0044](6)将生长温度保持在1050°C，在P型AluGai_uN电子阻挡层上生长厚度为IOnm的P型GaN层，形成深紫外二极管外延片；
[0045](7)在深紫外二极管外延片上光刻出η型区台面图案，再采用ICP或者RIE工艺从顶部刻蚀至深紫外二极管外延片的η型AlxGahN层；
[0046](8)将刻蚀后的外延片放置于气氛为氮气和氨气的MOCVD反应腔或CVD反应腔内进行反应，其中N2:ΝΗ3=200:1 (摩尔比)，反应腔压强为500Torr，反应腔内用来放置衬底的石墨基座温度为800摄氏度，保持0.5h ；
[0047](9)取出外延片，·并在η型AlxGa1J层台面上光刻出η型电极的图形，采用电子束蒸发工艺在η型电极图形区沉积具有高紫外光反射性的金属薄膜，金属薄膜为厚度IOOOnm的Al金属层，然后将外延片放入快速退火炉中在快速退火时形成η型电极；
[0048](10)在外延片的ρ型GaN层上沉积P型电极。
[0049]使用本发明实施例3提供的深紫外光二极管芯片制作深紫外二极管时，需用PECVD沉积200nm的二氧化硅钝化层，然后光刻出倒装焊点金属沉积图形，用RIE工艺刻蚀掉焊点金属沉积图形区域上的二氧化硅钝化层，再在该区域上用热蒸发工艺沉积2微米厚AuSn焊料，完成器件制作。
[0050]在n-AlGaN材料的刻蚀过程中，Al的溢出速度快于Ga和N，容易造成N空位缺陷和受主型Al阳离子空位缺陷。针对N空位缺陷，本发明通过在合适条件下在队+册13气氛退火，可部分消除；在此基础上，选择采用具有高紫外光反射性的Al材料作为电极材料，不但可以部分消除受主型Al阳离子空位缺陷，还可将大部分紫外光反射回去。
[0051]本发明解决了在芯片制备过程中由于刻蚀所带来的AlGaN材料的损伤以及由此造成的欧姆接触制备困难的问题；同时，在此基础上，通过采用高紫外光反射性材料作为电极，降低电极的吸光，提高AlGaN基紫外发光二极管的出光效率。本发明引入了可操作性和重复性较强的消除刻蚀损伤的新工艺，使得电极材料的选取范围扩大，制备获得欧姆接触的难度相应降低。
[0052]以上所述为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种深紫外二极管外延片，其特征在于，包括:衬底，设置在所述衬底上的低温AlN成核层，设置在所述低温AlN成核层上的高温AlN本征层，设置在所述高温AlN本征层上的η型AlxGa^N层，设置在所述η型AlxGai_xN层上的AlyGa^NAlzGahN多量子阱层、设置在所述AlyGai_yN/AlzGai_zN多量子阱层上的P型AluGa1J电子阻挡层、设置在所述P型AluGapuN电子阻挡层上的P型GaN层。
2.如权利要求1所述的深紫外二极管外延片，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、碳化硅或 A1N。
3.如权利要求1所述的深紫外二极管外延片，其特征在于，所述高温AlN本征层的厚度为0.3-100微米。
4.如权利要求1所述的深紫外二极管外延片，其特征在于，所述η型AlxGahN层的Al组分为0-100%，厚度为0.1-10微米。
5.如权利要求1所述的深紫外二极管外延片，其特征在于，所述AlyGai_yN/AlzGai_zN多量子阱层的Al组分为0-100%，厚度为1-500纳米。
6.如权利要求5所述的深紫外二极管外延片，其特征在于，所述AlyGai_yN/AlzGai_zN多量子阱层的势垒层厚度为10nm，势阱层厚度为3nm，量子阱的周期为10个。
7.如权利要求1所述的深紫外二极管外延片，其特征在于，所述P型AluGai_uN电子阻挡层的Al组分为0-100%，厚度为1-200纳米。
8.如权利要求1所述的 深紫外二极管外延片，其特征在于，所述P型GaN层的厚度为50-200 纳米。
9.一种使用权利要求1-8中任一项所述的外延片制备出的深紫外二极管芯片，所述外延片的η型AlxGapxN层上方设有η电极，所述外延片的P型GaN层上方设有ρ电极。
10.一种深紫外二极管芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)在衬底上，利用MOCVD工艺，将所述衬底温度降低为600°C，生长低温AlN成核层； (2)在所述低温AlN成核层上，将生长温度升高到130(TC，生长高温AlN本征层； (3)在所述高温AlN本征层上，将生长温度保持在1150°C，生长η型AlxGahN层； (4)在所述η型AlxGa^N层层上，将生长温度保持在1150°C，生长Α1#&1ιΝ/Α1ζ6&1_ζΝ多量子阱层； (5)将生长温度保持在1150°C，在所述AlyGahNAlzGahN多量子阱层上，生长ρ型AluGa1J电子阻挡层； (6)将生长温度保持在1050°C，在所述ρ型AluGai_uN电子阻挡层上生长ρ型GaN层，形成深紫外二极管外延片； (7)刻蚀所述深紫外二极管外延片至η型AlxGahN层； (8)将刻蚀后的外延片放置于气氛为氮气和氨气的腔体内进行退火处理； (9)取出所述外延片，并在η型AlxGa^xN层台面上光刻出η型电极的图形，然后在η型电极图形区沉积金属层，并在快速退火时形成η型电极； (10)在所述外延片的ρ型GaN层上沉积ρ型电极。
【文档编号】H01L33/40GK103682025SQ201310488021
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年10月17日 优先权日:2013年10月17日
【发明者】方妍妍, 吴志浩, 戴江南, 陈长清 申请人:武汉光电工业技术研究院有限公司