一种用于紫外LED的AlN缓冲层结构及其制作方法与流程

本发明涉及深紫外发光二极管技术领域，尤其涉及一种用于紫外led的aln缓冲层结构及其制作方法。

背景技术：

紫外发光二极管根据波长可分为uvaled(315-400nm)、uvbled(280-315nm)和uvcled(200-280nm)，其中uvcled属于深紫外led。深紫外led以iii-v族宽禁带化合物半导体algan作为发光材料，不含汞材料，具有小巧便携、环保安全、波长连续可调、易于设计等优点，近几年来在杀菌消毒领域备受关注。随着2020年《水俣公约》的生效以及新型冠状病毒引起人们对公共卫生的日益重视，深紫外led的发展进入快速通道。深紫外led前景光明，但仍有一些技术问题需要解决，外量子效率低和光电转换效率低，是影响深紫外led推广及应用的主要瓶颈。

深紫外led的材料体系为algan材料，最常用的衬底为蓝宝石，通常在衬底上先生长aln缓冲层，再生长algan材料。aln的晶格常数蓝宝石的晶格常数c面蓝宝石衬底上aln的晶格格点相对于蓝宝石发生了30°的旋转，因此可计算出aln与c面蓝宝石实际的晶格失配为13.3％。一方面由于aln缓冲层与衬底的晶格失配，积累的应变会在衬底和外延层界面处产生位错进行驰豫，导致外延层中大量的穿透位错；另一方面，由于aln缓冲层与衬底热膨胀系数的差异，在升降温过程中，衬底和外延层的晶格形变不匹配从而导致外延层产生裂纹。目前aln缓冲层的生长方法有氨气脉冲多层生长技术、迁移率增强外延技术、高温侧向外延技术、中温插入层等等，对降低位错密度，提高生长质量起到明显作用。

高质量的aln缓冲层，是制备高性能深紫外led的基础。现有的aln生长技术，虽然已取得很大进步，但如何解决aln缓冲层和衬底的晶格失配及热失配导致的生长质量差和表面裂纹的问题，仍是目前的技术难点。

技术实现要素：

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种用于紫外led的aln缓冲层结构及其制作方法；所述制作方法能降低aln缓冲层的表面缺陷和位错密度，改善了aln生长质量，减少aln缓冲层与衬底热失配导致的翘曲和开裂，同时也减少aln缓冲层结构与后续生长的algan材料的温差产生的降温过程的表面裂纹，使制作的aln缓冲层晶体质量高，表面无裂纹，获得的外延片可用面积较多，从而产出率高，并且具有较高亮度。

本发明提出的一种用于紫外led的aln缓冲层结构的制作方法，包括以下步骤：

s1、在衬底上生长形成第一aln缓冲层；

s2、在所形成的第一aln缓冲层上生长形成第二aln缓冲层；所述第二aln缓冲层为多个不同温度生长的aln子层层叠而成的多层结构；

其中，第二aln缓冲层的生长温度大于第一aln缓冲层的生长温度，且在所述第二aln缓冲层的生长过程中，从靠近所述第一aln缓冲层到远离所述第一aln缓冲层的方向上，每层aln子层的生长温度依次降低，v/iii比依次增加。

优选地，在s1中，所述第一aln缓冲层的生长温度范围为600-1000℃；在s2中，所述第二aln缓冲层的生长温度范围为1000-1400℃。

优选地，在s2中，在第二aln缓冲层的生长过程中，v/iii比范围为0-10000。

优选地，所述第一aln缓冲层的厚度小于50nm；每层aln子层的厚度均≤2μm；第二aln缓冲层的总厚度≤10μm。

优选地，所述用于紫外led的aln缓冲层结构的制作方法，包括以下步骤：

s1、在衬底上于第一温度下生长形成第一aln缓冲层；

s2、在第一aln缓冲层上于第二温度下，在v/iii比为x条件下生长形成第一aln子层；在第一aln子层上于第三温度下，在v/iii比为y条件下生长形成第二aln子层；在第二aln子层上于第四温度下，在v/iii比为z条件下生长形成第三aln子层。

优选地，在s2中，所述x、y、z为恒值或变值。

优选地，所述第一温度、第二温度、第三温度和第四温度均为恒温，且在升降温过程中aln缓冲层不生长。

优选地，所述第一温度为600-1000℃，第二温度为1200-1400℃，第三温度为1150-1250℃，第四温度为1000-1200℃。

优选地，在s1中，所述衬底为蓝宝石、氮化铝、硅、碳化硅中的一种。

优选地，以mocvd机台作为生长设备，通入三甲基铝和氨气作为反应物。

本发明还提出的一种用于紫外led的aln缓冲层结构，采用所述用于紫外led的aln缓冲层结构的制作方法制作而成。

本发明还提出的一种外延片，含有所述的用于紫外led的aln缓冲层结构。

优选地，在所述的用于紫外led的aln缓冲层结构上面依次生长n型欧姆接触层、多量子阱有源区、p型电子阻挡层和p型欧姆接触层得到。

在所述用于紫外led的aln缓冲层结构的制作方法中，第二温度为1200-1400℃，且恒温生长，由于al原子迁移率低，高温生长aln可以给al原子更高的能量迁移到合适的晶格位置，从而改善生长质量。另外，高温生长有利于第一aln缓冲层迅速横向合并，降低位错密度；第三温度为1150-1250℃，且第三温度需低于第二温度，第二aln子层为恒温生长，且从第二温度降温至第三温度过程不生长。第二aln子层生长温度低于第一aln子层，目的为减少aln与衬底热失配导致的晶格形变，改善表面裂纹。v/iii比y＞x，可通过减小tmal流量，或者增加nh3流量的方式来增加v/iii比，使y＞x。通过增加v/iii比，改善aln成膜质量；第四温度为1000-1200℃，第四温度需低于第三温度，第三aln子层为恒温生长，且从第三温度降温至第四温度过程不生长。第三aln子层生长温度低于第二aln子层，因深紫外led的材料体系为algan材料，algan材料的生长温度一般低于aln缓冲层，减小aln缓冲层与algan的温差，有利于改善降温过程aln与衬底热失配导致的表面裂纹。v/iii比z＞y，同样的，可通过减小tmal流量，或者增加nh3流量的方式来增加v/iii比，使z＞y。相比第一aln子层和第二aln子层，第三aln子层的生长温度较低，低温下不利于aln材料的生长，因此，通过进一步增加v/iii比，降低生长速率，让al原子有足够的时间迁移到合适的晶格位置，有助于降低表面缺陷和位错密度，改善aln成膜质量。

本发明中的第二aln缓冲层可以进一步有第四aln子层、第五aln子层等。

本发明所述用于紫外led的aln缓冲层结构的制作方法，具有以下优点：

(1)在第二aln缓冲层的生长过程中，采用生长温度依次降低的方式进行生长，减少aln与衬底热失配产生的晶格形变导致外延层aln缓冲层的开裂和翘曲；

(2)一般深紫外led高温aln缓冲层的生长温度明显高于后面的algan材料，第二aln缓冲层依次降温的方式减小了aln与algan材料的温差，能够减少降温过程中产生的裂纹；

(3)通过减少外延层表面裂纹尤其是边缘裂纹，从而增加可用面积和产出率；

(4)第二aln缓冲层采用v/iii比依次增加的方式进行生长，通过生长模式的转换阻断部分位错的增殖，降低aln表面缺陷和位错密度，从而改善aln生长质量；

(5)第二aln缓冲层采用v/iii比依次增加的方式进行生长，有利于aln生长过程释放应力。

附图说明

图1为本发明实施例提出的一种用于紫外led的aln缓冲层结构示意图；附图标记：衬底1、第一aln缓冲层2、第一aln子层3、第二aln子层4、第三aln子层5；

图2为本发明提出的一种用于紫外led的aln缓冲层结构的制作方法的流程图；

图3为本发明提出的一种用于紫外led的aln缓冲层结构的制作方法中，第一aln缓冲层和第二aln缓冲层的生长温度工艺图；

图4为本发明提供的一种用于紫外led的aln缓冲层结构的制作方法中v/iii比x、y、z为恒值的工艺图；

图5为本发明提供的一种用于紫外led的aln缓冲层结构的制作方法中v/iii比x、y、z为变值的工艺图。

具体实施方式

图1为本发明实施例提出的一种用于紫外led的aln缓冲层结构示意图；如图1所示，所述aln缓冲层结构包括衬底1、生长在所述衬底1一表面的第一aln缓冲层2以及在所述第一aln缓冲层2远离衬底1一侧表面上依次生长的第一aln子层3、第二aln子层4和第三aln子层5；第一aln子层3、第二aln子层4和第三aln子层5构成所述第二aln缓冲层；

图2为本发明提出的一种用于紫外led的aln缓冲层结构的制作方法的流程图；如图2所示，所述用于紫外led的aln缓冲层结构的制作方法，包括以下步骤：

s1、在衬底上于第一温度下生长形成第一aln缓冲层；

s2、在第一aln缓冲层上于第二温度下，在v/iii比为x条件下生长形成第一aln子层；在第一aln子层上于第三温度下，在v/iii比为y条件下生长形成第二aln子层；在第二aln子层上于第四温度下，在v/iii比为z条件下生长形成第三aln子层。

所述用于紫外led的aln缓冲层结构的制作方法，可以包括以下步骤：

s1、在衬底上于第一温度下形成第一aln缓冲层，第一温度为600-1000℃，第一aln缓冲层厚度＜50nm，作为低温成核层；

s2、在所形成的第一aln缓冲层上生长形成第二aln缓冲层，具体步骤包括：第二温度下，在v/iii比为x条件下形成第一aln子层，第二温度为1200-1400℃，且恒温生长，由于al原子迁移率低，高温生长aln可以给al原子更高的能量迁移到合适的晶格位置，从而改善生长质量。另外，高温生长有利于低温成核层迅速横向合并，降低位错密度；其中，第一aln子层厚度为a，0＜a≤2μm；

第三温度下，在v/iii比为y条件下形成第二aln子层，第三温度为1150-1250℃，第三温度需低于第二温度，第二aln子层为恒温生长，且从第二温度降温至第三温度过程不生长；第二aln子层生长温度低于第一aln子层，目的为减少aln与衬底热失配导致的晶格形变，改善表面裂纹；v/iii比y＞x，可通过减小tmal流量，或者增加nh3流量的方式来增加v/iii比，使y＞x；通过增加v/iii比，改善aln成膜质量；其中，第二aln子层厚度为b，0＜b≤2μm；

第四温度下，在v/iii比为z条件下形成第三aln子层，第四温度为1000-1200℃，第四温度需低于第三温度，第三aln子层为恒温生长，且从第三温度降温至第四温度过程不生长；第三aln子层生长温度低于第二aln子层，因深紫外led的材料体系为algan材料，algan材料的生长温度一般低于aln缓冲层，减小aln缓冲层与algan的温差，有利于改善降温过程aln与衬底热失配导致的表面裂纹；v/iii比z＞y，同样的，可通过减小tmal流量，或者增加nh3流量的方式来增加v/iii比，使z＞y；相比第一aln子层和第二aln子层，第三aln子层的生长温度较低，低温下不利于aln材料的生长，因此，通过进一步增加v/iii比，降低生长速率，让al原子有足够的时间迁移到合适的晶格位置，有助于降低表面缺陷和位错密度，改善aln成膜质量；其中，第三aln子层厚度为c，0＜c≤2μm；第一aln子层、第二aln子层和第三aln子层组成第二aln缓冲层，整个第二aln缓冲层总厚度≤10μm。

图3为本发明提出的一种用于紫外led的aln缓冲层结构的制作方法中，第一aln缓冲层和第二aln缓冲层的生长温度工艺图，其中，①为第一aln缓冲层的生长温度，即第一温度，②为第一aln子层的生长温度，即第二温度，③为第二aln子层的生长温度，即第三温度，④为第三aln子层的生长温度，即第四温度；如图3所示，第一aln缓冲层和第二aln缓冲层的生长温度均为恒温，从第一aln子层至第三aln子层，生长温度依次降低，第一aln缓冲层的生长温度＜第三aln子层的生长温度＜第二aln子层的生长温度＜第一aln子层的生长温度，即所述第二温度＞第三温度＞第四温度＞第一温度。

图4为本发明提供的一种用于紫外led的aln缓冲层结构的制作方法中v/iii比x、y、z为恒值的工艺图；其中，①为第一aln缓冲层的v/iii比，②为第一aln子层的v/iii比，即x，③为第二aln子层的v/iii比，即y，④为第三aln子层的v/iii比，即z；如图4所示，x、y、z均为恒值，且从第一aln子层至第三aln子层，v/iii比依次增加，即x＜y＜z；

图5为本发明提供的一种用于紫外led的aln缓冲层结构的制作方法中v/iii比x、y、z为变值的工艺图；其中，①为第一aln缓冲层的v/iii比，②为第一aln子层的v/iii比，即x，③为第二aln子层的v/iii比，即y，④为第三aln子层的v/iii比，即z；如图5所示，x、y、z均为变值，且从第一aln子层至第三aln子层，v/iii比依次增加，即x＜y＜z。

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

本发明提出的一种用于紫外led的aln缓冲层结构的制作方法，包括以下步骤：

s1、用mocvd机台作为生长设备，将蓝宝石衬底升温至800℃，在50torr压力下通入流量为8sccm的三甲基铝tmal、流量为2000sccm的nh3和流量为5000sccm的h2，生长形成厚度为25nm的第一aln缓冲层；

s2、升温至1300℃，在50torr压力下通入流量为250sccm的tmal、流量为2000sccm的nh3和流量为5000sccm的h2，生长形成厚度为1μm的第一aln子层；降温至1230℃，在50torr压力下通入流量为200sccm的tmal、流量为2000sccm的nh3和流量为5000sccm的h2，生长形成厚度为1μm的第二aln子层；降温至1160℃，在50torr压力下通入流量为150sccm的tmal、流量为2000sccm的nh3和流量为5000sccm的h2，生长形成厚度为1μm的第三aln子层。

实施例1制备的aln缓冲层结构表面平整无裂纹，进行xrd(即x射线衍射)分析，(002)面为90aresec，(102)面为330aresec，由此可见该方法制作的aln缓冲层生长质量较高。

将实施例1制作的aln缓冲层进一步制备成275nm波长的深紫外led外延片，然后制成10×20mil尺寸的芯片，通入40ma的电流，进行裸芯光电测试，亮度为2.5mw，电压为6.1v。

实施例2

本实施例提供了一种用于紫外led的aln缓冲层结构的制作方法，包括以下步骤：

s1、用mocvd机台，将蓝宝石衬底升温至800℃，在50torr压力下通入流量为8sccm的tmal、流量为2000sccm的nh3和流量为5000sccm的h2，生长形成厚度为25nm的第一aln缓冲层；

s2、升温至1300℃，在50torr压力下通入流量为250sccm的tmal、流量为2000sccm的nh3和流量为5000sccm的h2，生长形成厚度为1μm的第一aln子层；降温至1200℃，在50torr压力下通入流量为200sccm的tmal、流量为2000sccm的nh3和流量为5000sccm的h2，生长形成厚度为1μm的第二aln子层；降温至1100℃，在50torr压力下通入流量为150sccm的tmal、流量为2000sccm的nh3和流量为5000sccm的h2，生长形成厚度为1μm的第三aln子层。

实施例2制备的aln缓冲层表面无裂纹，平整度较高，进行xrd量测，(002)面为100aresec，(102)面为350aresec，该方法制作的aln缓冲层生长质量较高。

将实施例2制作的aln缓冲层进一步制备成275nm波长的深紫外led外延片，然后制成10×20mil尺寸的芯片，通入40ma的电流，进行裸芯光电测试，亮度为2.4mw，电压为6.1v。

实施例3

本发明提出的一种用于紫外led的aln缓冲层结构的制作方法，包括以下步骤：

s1、用mocvd机台，将蓝宝石衬底升温至800℃，在50torr压力下通入流量为8sccm的tmal、流量为2000sccm的nh3和流量为5000sccm的h2，生长形成厚度为25nm的第一aln缓冲层；

s2、升温至1300℃，在50torr压力下通入nh3、h2和tmal生长形成厚度为1μm的第一aln子层，其中，nh3的流量为2000sccm，h2的流量为5000sccm，tmal的流量由300sccm渐变至250sccm；降温至1230℃，在50torr压力下通入nh3、h2和tmal生长形成厚度为1μm的第二aln子层，其中，nh3的流量为2000sccm、h2的流量为5000sccm，tmal的流量由220sccm渐变至170sccm；降温至1160℃，在50torr压力下通入nh3、h2和tmal形成厚度为1μm的第三aln子层，其中，nh3的流量为2000sccm，h2的流量为5000sccm，tmal的流量由150sccm渐变至100sccm。

实施例3制备的aln缓冲层结构表面较平整，无裂纹，xrd量测结果，(002)面为90aresec，(102)面为340aresec，该方法制备的aln缓冲层结构生长质量较高。

将实施例3制作的aln缓冲层结构进一步制备成275nm波长的深紫外led外延片，然后制成10×20mil尺寸的芯片，通入40ma的电流，进行裸芯光电测试，亮度为2.5mw，电压为6.1v。

实施例4

本发明提出的一种用于紫外led的aln缓冲层结构的制作方法，包括以下步骤：

s1、用mocvd机台，将蓝宝石衬底升温至800℃，在50torr压力下通入流量为8sccm的tmal、流量为2000sccm的nh3和流量为5000sccm的h2，形成厚度为25nm的第一aln缓冲层；

s2、升温至1300℃，在50torr压力下通入流量为250sccm的tmal、流量为2000sccm的nh3和流量为5000sccm的h2，形成厚度为1μm的第一aln子层；降温至1230℃，在50torr压力下通入流量为250sccm的tmal、流量为2500sccm的nh3和流量为4500sccm的h2，形成厚度为1μm的第二aln子层；降温至1160℃，在50torr压力下通入流量为250sccm的tmal、流量为3500sccm的nh3和流量为3500sccm的h2，形成厚度为1μm的第三aln子层。

将实施例4获得的无裂纹、高平整度aln缓冲层结构进行xrd量测，(002)面为95aresec，(102)面为360aresec。

将实施例4制作的aln缓冲层结构进一步制备成275nm波长的深紫外led外延片，然后制成10×20mil尺寸的芯片，通入40ma的电流，进行裸芯光电测试，亮度为2.4mw，电压为6.1v。

实施例5

本发明提出的一种用于紫外led的aln缓冲层结构的制作方法，包括以下步骤：

s1、用mocvd机台，将蓝宝石衬底升温至800℃，在50torr压力下通入流量为8sccm的tmal、流量为2000sccm的nh3和流量为5000sccm的h2，生长形成厚度为25nm的第一aln缓冲层；

s2、升温至1350℃，在50torr压力下通入tmal、nh3和h2，生长形成厚度为0.5μm的第一aln子层，其中，tmal的流量为250sccm，nh3的流量为2000sccm，h2的流量为5000sccm；降温至1230℃，在50torr压力下通入tmal、nh3和h2，生长形成厚度为2μm的第二aln子层，其中，tmal的流量为250sccm，nh3的流量为2500sccm，h2的流量为4500sccm；降温至1100℃，在50torr压力下通入tmal、nh3和h2，生长形成厚度为1μm的第三aln子层，其中，tmal的流量为250sccm，nh3的流量为3500sccm，h2的流量为3500sccm，得到所述用于紫外led的aln缓冲层结构。

实施例5制备的aln缓冲层结构表面无裂纹，且平整度高，进行xrd分析，(002)面为100aresec，(102)面为365aresec，该方法制作的aln缓冲层具有较高生长质量。

将实施例5制作的aln缓冲层进一步制备成275nm波长的深紫外led外延片，然后制成10×20mil尺寸的芯片，通入40ma的电流，进行裸芯光电测试，亮度为2.3mw，电压为6.2v。

实施例6

本实施例提供了一种用于紫外led的aln缓冲层结构的制作方法，包括以下步骤：

s1、用mocvd机台，将蓝宝石衬底升温至800℃，在50torr压力下通入流量为8sccm的tmal、流量为2000sccm的nh3和流量为5000sccm的h2，生长形成厚度为25nm的第一aln缓冲层；

s2、升温至1300℃，在50torr压力下通入流量为250sccm的tmal、流量为2000sccm的nh3和流量为5000sccm的h2，生长形成厚度为1μm的第一aln子层；降温至1250℃，在50torr压力下通入流量为200sccm的tmal、流量为2000sccm的nh3和流量为5000sccm的h2，生长形成厚度为1μm的第二aln子层；降温至1200℃，在50torr压力下通入流量为150sccm的tmal、流量为2000sccm的nh3和流量为5000sccm的h2，生长形成厚度为2μm的第三aln子层；降温至1150℃，在50torr压力下通入流量为100sccm的tmal、流量为2000sccm的nh3和流量为5000sccm的h2，生长形成厚度为1μm的第四aln子层，得到所述用于紫外led的aln缓冲层结构。

实施例6制备的aln缓冲层结构表面平整度高，无表面裂纹，进行xrd分析，(002)面为80aresec，(102)面为300aresec，该方法制作的aln缓冲层具有较高生长质量。

将实施例6制作的aln缓冲层进一步制备成275nm波长的深紫外led外延片，然后制成10×20mil尺寸的芯片，通入40ma的电流，进行裸芯光电测试，亮度为2.6mw，电压为6.1v。

本发明还提出的一种用于紫外led的aln缓冲层结构，采用所述用于紫外led的aln缓冲层结构的制作方法制作而成。

本发明还提出的一种外延片，含有所述的用于紫外led的aln缓冲层结构；在所述的用于紫外led的aln缓冲层结构上面依次生长n型欧姆接触层、多量子阱有源区、p型电子阻挡层和p型欧姆接触层得到。

本发明公开的用于紫外led的aln缓冲层结构的制作方法，通过高温aln依次降温生长，减少aln缓冲层与衬底热失配导致的翘曲和开裂，同时也减少aln缓冲层与后续生长的algan材料的温差产生的降温过程的表面裂纹，从而增加可用面积和产出率。另外，结合v/iii比依次增加的方法，在释放应力的同时，通过生长模式的转换降低aln表面缺陷和位错密度，改善aln生长质量；由于本发明制备的aln缓冲层晶体质量高，表面无裂纹，因此在本发明基础上获得的外延片可用面积较多，从而产出率高，并且具有较高亮度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。