具有n型低阻欧姆接触结构的深紫外芯片及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体光电领域，特别是一种具有n型低阻欧姆接触结构的深紫外芯片及其制备方法。


背景技术：

[0002]ⅲ族氮化物作为宽禁带半导体材料中的杰出代表，已经实现了高效的蓝绿光发光二极管、激光器等固态光源器件，其在平板显示、白光照明等应用方面取得了巨大成功。近十年来，人们期望将这种高效的发光材料应用于紫外波段，以满足日益增长的紫外光源需求。目前，传统紫外光源主要是汞灯，具有体积大、功耗高、电压高、污染环境等缺点，不利于其在日常生活及特殊环境下的应用。因此，人们迫切希望研制出一种高效的半导体紫外光源器件以替代传统的汞灯。现有研究表明ⅲ族氮化物中的algan是制备半导体紫外光源器件的最佳候选材料，algan基紫外led具有无毒环保、小巧便携、低功耗、低电压、易集成、寿命长、波长可调等诸多优势，有望在未来几年取得突破性进展以及广泛应用，并逐步取代传统紫外汞灯。
[0003]
目前，al
x
ga
1-x
n材料的禁带宽度可通过改变al组分实现从3.4ev(gan)到6.2ev(aln)范围内的连续可调，能够实现从365nm到200nm光谱范围内的发光。其中，gan的带边发光波长约为360nm，通常作为氮化物紫外发光二极管发光波段的一个划分标志。发光波长大于360nm的uv-led的有源区采用和蓝光led类似的gan/ingan量子阱(qws)结构。其相关研究早在上世纪90年代就已开始，目前已成功商业化，外量子效率(eqe)也已超过40％，达到了与蓝光led相比拟的水平。
[0004]
然而在制备深紫外led器件时，n型algan材料与传统n-gan材料的制备工艺相比存在诸多局限性，由于高al组分的n型algan材料所表现出的掺杂困难问题，并且n型欧姆接触电极的制备需要更为严苛的工艺要求；并且相较于gan材料来说，algan材料禁带宽度大，晶体质量较差，要使所制备的n型欧姆接触电极具有低阻特性十分困难，仅对n型接触层进行减薄，会引起电流在n型电子注入层与n型接触层之间产生集聚现象；由于难以实现在高al含量algan材料下制备低阻n型欧姆接触电极，使得深紫外led芯片工作电压难以降低，从而制约了紫外外延芯片的光电转换效率。故需要提出一种新的深紫外led芯片制备手段用于解决上述现有问题。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于，提供一种具有n型低阻欧姆接触结构的深紫外芯片及其制备方法，用于解决现有技术中电流会在n型algan电子注入层与n型algan接触层之间产生集聚现象而导致深紫外led效率低的问题。
[0006]
为解决上述技术问题，本发明提供的第一解决方案为：一种具有n型低阻欧姆接触结构的深紫外芯片，包括依次层叠设置的蓝宝石衬底、aln本征层、n型algan电子注入层、n型algan辅助扩展层、n型algan接触层、量子阱有源层、电子阻挡层、p型algan空穴注入层、p
型gan接触层和p电极，还包括n电极；沿p型gan接触层一侧刻蚀至n型algan接触层，n型algan接触层形成阶梯状结构，n电极设置于n型algan接触层的刻蚀区域处，刻蚀后n型algan接触层的厚度为n型algan接触层初始厚度的0.1～0.9倍；沿n型algan电子注入层到n型algan接触层方向，n型algan辅助扩展层的掺杂浓度线性递增，且al组分百分数线性递减。
[0007]
优选的，n型algan电子注入层为si掺杂的单层algan结构，其al组分百分数为70～100％，厚度为500～4000nm。
[0008]
优选的，n型algan接触层为si掺杂的单层algan结构，其al组分百分数为40～80％，厚度为10～1000nm。
[0009]
优选的，n型algan电子注入层和n型algan接触层两膜层的al组分百分数满足：x《y，x为n型algan接触层的al组分百分数，y为n型algan电子注入层的al组分百分数。
[0010]
优选的，n型algan电子注入层和n型algan接触层两膜层的si掺杂浓度满足：a》b，a为n型algan接触层的si掺杂浓度，b为n型algan电子注入层的si掺杂浓度。
[0011]
优选的，刻蚀后，n型algan接触层的刻蚀面与n型algan电子注入层的距离为50～3500nm，且n型algan接触层的刻蚀面与量子阱有源层的距离为50～500nm。
[0012]
为解决上述技术问题，本发明提供的第二解决方案为：一种如前述第一解决方案中具有n型低阻欧姆接触结构的深紫外芯片的制备方法，包括如下步骤：
[0013]
(1)在蓝宝石衬底上生长aln本征层。
[0014]
(2)在aln本征层上生长n型algan电子注入层。
[0015]
(3)在n型algan电子注入层上生长n型algan辅助扩展层。
[0016]
(4)在n型algan辅助扩展层上生长n型algan接触层。
[0017]
(5)在n型algan接触层上依次生长量子阱有源层、电子阻挡层、p型algan空穴注入层和p型gan接触层。
[0018]
(6)刻蚀并形成阶梯状结构：沿p型gan接触层一侧刻蚀至n型algan接触层，并形成阶梯状结构，刻蚀后n型algan接触层的厚度为n型algan接触层初始厚度的～倍。
[0019]
(7)沉积p电极与n电极：在p型gan接触层上沉积p电极，在刻蚀后n型algan接触层上沉积n电极，得到具有n型低阻欧姆接触结构的深紫外芯片。
[0020]
优选的，步骤(2)与步骤(4)中满足，t1《t2，其中t1为n型algan接触层的生长温度，t2为n型algan电子注入层的生长温度；步骤(3)中，n型algan辅助扩展层以温度线性递减的方式生长，n型algan辅助扩展层的生长温度由t2渐变至t1。
[0021]
优选的，步骤(2)与步骤(4)中满足，x《y，其中x为n型algan接触层的al组分百分数，y为n型algan电子注入层的al组分百分数，70％≤y≤100％，40％≤x≤80％；步骤(3)中，n型algan辅助扩展层以al组分百分数线性递减的方式生长，n型algan辅助扩展层的al组分百分数由y渐变至x。
[0022]
优选的，步骤(2)与步骤(4)中满足，a》b，其中a为n型algan接触层的si掺杂浓度，b为n型algan电子注入层的si掺杂浓度，10
19
≤a≤10
21
cm-3
；步骤(3)中，n型algan辅助扩展层以si掺杂浓度线性递增的方式生长，n型algan辅助扩展层的si掺杂浓度由b渐变至a。
[0023]
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供一种具有n型低阻欧姆接触结构的深紫外芯片及其制备方法，通过在n型algan电子注入层与n型algan接触层之间
引入掺杂浓度和al组分百分数均渐变的n型algan辅助扩展层，使深紫外led芯片的n极接触电压降低，从而使深紫外led芯片的光电转换效率显著提升。
附图说明
[0024]
图1是本发明中具有n型低阻欧姆接触结构的深紫外芯片一实施方式的结构示意图；
[0025]
图2是本发明中实施例1与对比例1的深紫外led样品的光输出功率对比图。
具体实施方式
[0026]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
[0027]
对于本发明中提出的第一解决方案，请参阅图1，图1是本发明中具有n型低阻欧姆接触结构的深紫外芯片一实施方式的结构示意图。本发明中具有n型低阻欧姆接触结构的深紫外芯片包括依次层叠设置的蓝宝石衬底1、aln本征层2、n型algan电子注入层3、n型algan辅助扩展层4、n型algan接触层5、量子阱有源层6、电子阻挡层7、p型algan空穴注入层8、p型gan接触层9和p电极10，还包括n电极11；沿p型gan接触层9一侧刻蚀至n型algan接触层5，n型algan接触层5形成阶梯状结构，n电极11设置于n型algan接触层5的刻蚀区域处；沿n型algan电子注入层3到n型algan接触层5方向，n型algan辅助扩展层4的掺杂浓度线性递增，且al组分百分数线性递减，通过引入掺杂浓度和al组分百分数均渐变的n型algan辅助扩展层，使深紫外led芯片的n极接触电压降低。
[0028]
本实施方式中，n型algan电子注入层3为si掺杂的单层algan结构，其al组分百分数为70～100％，厚度为500～4000nm；n型algan接触层5为si掺杂的单层algan结构，其al组分百分数为40～80％，厚度为10～1000nm。n型algan电子注入层3和n型algan接触层5两膜层的al组分百分数满足：x《y，x为n型algan接触层的al组分百分数，y为n型algan电子注入层的al组分百分数；n型algan电子注入层和n型algan接触层两膜层的si掺杂浓度满足：a》b，a为n型algan接触层的si掺杂浓度，b为n型algan电子注入层的si掺杂浓度。
[0029]
具体地，刻蚀后n型algan接触层的厚度为n型algan接触层初始厚度的0.1～0.9倍，优选的，刻蚀后n型algan接触层的厚度为n型algan接触层初始厚度的一半；进一步优选的，刻蚀后，n型algan接触层的刻蚀面与n型algan电子注入层的距离为50～3500nm，且n型algan接触层的刻蚀面与量子阱有源层的距离为50～500nm。
[0030]
本实施方式中，该具有n型低阻欧姆接触结构的深紫外芯片制备过程中均采用mocvd方法，n型algan电子注入层3、n型algan辅助扩展层4和n型algan接触层5中均采用si作用n型掺杂剂，p型algan空穴注入层8和p型gan接触层9中采用mg作为p型掺杂剂。此外，采用常规方法在刻蚀后的n型algan接触层5上设置n电极11，并在p型gan接触层9上设置p电极10，在此不做赘述。
[0031]
对于本发明提出的第二解决方案，具有n型低阻欧姆接触结构的深紫外芯片制备方法步骤包括：
[0032]
(1)在蓝宝石衬底上生长aln本征层。本实施方式中，在400～800℃条件下，在蓝宝石衬底上生长aln本征层中的低温缓冲层，厚度为10～50nm；升温至1200～1400℃，在aln本征层中的低温缓冲层上生长aln本征层，aln本征层的总厚度为500～4000nm。
[0033]
(2)在aln本征层上生长n型algan电子注入层。本实施方式中，降温至800～1200℃，在aln本征层上生长n型algan电子注入层，其中al组分百分数为70～100％，厚度为500～4000nm，使用si作为n型掺杂剂。
[0034]
(3)在n型algan电子注入层上生长n型algan辅助扩展层。本实施方式中，n型algan辅助扩展层的厚度为1～2000nm，使用si作为n型掺杂剂。
[0035]
(4)在n型algan辅助扩展层上生长n型algan接触层。本实施方式中，在n型algan辅助扩展层上生长n型algan接触层，其中al组分百分数为40～80％，初始厚度为10～1000nm，使用si作为n型掺杂剂；优选的掺杂浓度为10
19
～10
21
cm-3
，实验表明n型algan接触层中掺杂浓度不能低于限定的掺杂浓度，低于所限定掺杂浓度后难以获得较好的激活效果，而掺杂浓度过高时掺杂元素会向临近膜层渗透转移，故n型algan接触层的最好维持在上述限定范围中。
[0036]
具体地，对于步骤(2)～(4)中所制备的n型algan电子注入层、n型algan辅助扩展层、n型algan接触层在制备过程中需要满足如下三方面的条件：
[0037]
a.关于生长温度，步骤(2)与步骤(4)中满足，t1《t2，其中t1为n型algan接触层的生长温度，t2为n型algan电子注入层的生长温度；步骤(3)中，n型algan辅助扩展层以温度线性递减的方式生长，n型algan辅助扩展层的生长温度由t2渐变至t1。
[0038]
b.关于al组分百分数，步骤(2)与步骤(4)中满足，x《y，其中x为n型algan接触层的al组分百分数，y为n型algan电子注入层的al组分百分数，70％≤y≤100％，40％≤x≤80％；步骤(3)中，n型algan辅助扩展层以al组分百分数线性递减的方式生长，n型algan辅助扩展层的al组分百分数由y渐变至x。
[0039]
c.关于掺杂浓度，步骤(2)与步骤(4)中满足，a》b，其中a为n型algan接触层的si掺杂浓度，b为n型algan电子注入层的si掺杂浓度，优选10
19
≤a≤10
21
cm-3
；步骤(3)中，n型algan辅助扩展层以si掺杂浓度线性递增的方式生长，n型algan辅助扩展层的si掺杂浓度由b渐变至a。
[0040]
(5)在n型algan接触层上依次生长量子阱有源层、电子阻挡层、p型algan空穴注入层和p型gan接触层。
[0041]
本实施方式中，生长组分渐变的量子阱有源层的具体步骤为：700～1100℃条件下，在n型algan接触层上生长量子阱有源层，量子阱有源层中势垒厚度为5～30nm，势垒al组分百分数为20～100％，势阱厚度为0.1～5nm，势阱al组分百分数为0.1～80％。
[0042]
本实施方式中，生长电子阻挡层的具体步骤为：700～1100℃条件下，在量子阱有源层上生长电子阻挡层，其厚度为5～30nm，al组分百分数为30～100％。
[0043]
本实施方式中，生长p型algan空穴注入层的具体步骤为：700～1100℃条件下，在电子阻挡层上生长p型algan空穴注入层，al组分百分数为0.1～100％，厚度为1～50nm，并采用mg作为p型掺杂剂。
[0044]
本实施方式中，生长p型gan接触层的具体步骤为：400～900℃条件下，在p型algan空穴注入层上生长p型gan接触层，厚度为1～400nm，并采用mg作为p型掺杂剂。
[0045]
(6)刻蚀并形成阶梯状结构。本实施方式中，采用mesa刻蚀系统，沿p型gan接触层一侧刻蚀至n型algan接触层，并形成阶梯状结构，刻蚀后n型algan接触层的厚度为n型algan接触层初始厚度的～倍。
[0046]
(7)沉积p电极与n电极：在p型gan接触层上沉积p电极，在刻蚀后n型algan接触层上沉积n电极，得到具有n型低阻欧姆接触结构的深紫外芯片。
[0047]
由于第二解决方案中的具有n型低阻欧姆接触结构的深紫外芯片制备方法用于制备前述第一解决方案中的具有n型低阻欧姆接触结构的深紫外芯片，故两个方案中的具有n型低阻欧姆接触结构的深紫外芯片的结构和功能应保持一致。
[0048]
进一步地，对上述具有n型低阻欧姆接触结构的深紫外芯片的设计原理进行阐述：由于n型algan接触层刻蚀后，刻蚀处表面与n型algan电子注入层之间距离过近，很容易在n电极边缘形成电流集聚效应，故本发明中通过严格限定n型algan接触层的刻蚀深度，形成低阻n型欧姆接触电极结构的同时引入n型algan辅助扩展层，让电流更容易横向扩展至量子阱有源区，很好的解决了电流集聚问题；n型algan电子注入层比n型algan接触层中al组分占比高，且n型algan辅助扩展层采用al组分占比渐变的方式，能够很好地释放应力；n型algan辅助扩展层采用渐变掺杂的方式，越靠近n型algan接触层的地方掺杂浓度越高，这种设计方式能够使电流能在n型algan辅助扩展层中纵向扩散至更深的距离。
[0049]
下面通过具体实施例对上述具有n型低阻欧姆接触结构的深紫外芯片性能效果进行表征。
[0050]
实施例1
[0051]
本实施例中，制备具有n型低阻欧姆接触结构的深紫外芯片步骤如下：
[0052]
1)在700℃条件下，于蓝宝石衬底上生长aln本征层中的低温缓冲层，厚度为20nm；升温至1200℃，于aln本征层中的低温缓冲层上生长aln本征层，aln本征层的总厚度为800nm。
[0053]
2)在1000℃条件下，于aln本征层上生长n型algan电子注入层，厚度为1000nm，al组分百分数为80％，si掺杂浓度为10
18
cm-3
。
[0054]
3)在n型algan电子注入层上生长n型algan辅助扩展层，厚度为1000nm，生长温度由1000℃线性递减至900℃，al组分百分数由80％线性递减至60％，si掺杂浓度由10
18
cm-3
线性递增至10
20
cm-3
。
[0055]
4)在900℃条件下，于n型algan辅助扩展层上生长n型algan接触层，厚度为1000nm，al组分百分数为60％，si掺杂浓度为10
20
cm-3
。
[0056]
5)在850℃条件下，于n型algan接触层上生长量子阱有源层，其中，algan势阱层为al
0.4
ga
0.6
n，每层势阱层厚度为5nm；algan势垒层为al
0.5
ga
0.5
n，每层势垒层厚度均为5nm，完成5个周期的交替生长，得到量子阱有源层。
[0057]
6)在750℃条件下，于量子阱有源层上生长电子阻挡层，其厚度为10nm，al组分百分数为50％。
[0058]
7)在800℃条件下，于电子阻挡层上生长p型algan空穴注入层，al组分百分数为20％，厚度为20nm，并采用mg作为p型掺杂剂。
[0059]
8)在800℃条件下，于p型algan空穴注入层上生长p型gan接触层，厚度为10nm，并采用mg作为p型掺杂剂。
[0060]
9)用mesa刻蚀系统，沿p型gan接触层一侧刻蚀至n型algan接触层，刻蚀后n型algan接触层的厚度为n型algan接触层初始厚度的一半。
[0061]
10)在p型gan接触层上沉积p电极，在刻蚀后n型algan接触层上沉积n电极，获得具有n型低阻欧姆接触结构的深紫外芯片样品。
[0062]
对比例1
[0063]
本对比例基于实施例1的制备步骤，区别在于，没有生长n型algan辅助扩展层，同时未对n型algan接触层进行刻蚀减薄，其他制备参数与实施例1保持一致。
[0064]
将实施例1和对比例1中的样品进行对比，并进行光输出功率测试，结果分别如图2所示，实施例1所制深紫外led芯片的接触电压较对比例1有明显下降，以40ma电流处为例，对比例1深紫外led芯片的接触电压为5.72v，而实施例1深紫外led芯片的接触电压为4.99v。根据电光转换效率公式：光电转换效率＝输出光功率/输入电功率＝输出光功率/(工作电压*工作电流)，当实施例1深紫外led芯片的工作电压显著下降时，使得其电光转换效率显著提高，从而印证了本发明方法能够有效提高深紫外led芯片的光电转换效率。
[0065]
区别于现有技术的情况，本发明提供一种具有n型低阻欧姆接触结构的深紫外芯片及其制备方法，通过在n型algan电子注入层与n型algan接触层之间引入掺杂浓度和al组分百分数均渐变的n型algan辅助扩展层，使深紫外led芯片的n极接触电压降低，从而使深紫外led芯片的光电转换效率显著提升。
[0066]
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。