一种外延片制备方法、外延片以及紫外发光二极管与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种外延片制备方法、外延片以及紫外发光二极管。


背景技术：

2.紫外led一般指发光中心波长在400nm以下的led，因其独特的波长特性，被广泛应用在生物医疗、防伪鉴定、净化领域(例如净化水、空气等)、计算机数据存储和军事等方面。而且随着技术的发展，新的应用会不断出现以替代原有的技术和产品，紫外led有着更广阔的市场应用前景，因此，研制性能更好的紫外led变得尤为重要。
3.然而，与gan基蓝光led相比，紫外led的研制面临着许多独特的技术困难，如：al组分越高，晶体质量越低，位错密度普遍在109～10
10
/cm2乃至更高，导致高al组分algan的材料的外延生长困难；并且algan材料的掺杂与gan相比要困难得多，不论n型掺杂还是p型掺杂，随着al组分的增加，外延层的电导率迅速降低，尤其是p－algan的掺杂尤为棘手，其掺杂剂mg的激活效率低下，从而导致空穴不足以及空穴浓度低，进而降低了紫外led的内量子效率。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的是提供一种外延片制备方法、外延片以及紫外发光二极管，旨在解决现有技术中的外延片内量子效率低的问题。
5.本发明实施例是这样实现的：
6.一种外延片制备方法，所述方法包括：
7.提供衬底；
8.在所述衬底上依次层叠缓冲层和n型半导体层；
9.在所述n型半导体层上依次交替层叠预设周期个量子阱层和量子垒层以形成多量子阱层；
10.在最后一个所述量子垒层上依次层叠电子阻挡层以及p型半导体层；其中，在所述量子阱层上依次层叠的第一量子垒子层、第二量子垒子层、插入子层以及第三量子垒子层以形成所述量子垒层；
11.其中，所述量子阱层、第一量子垒子层、第二量子垒子层以及第三量子垒子层均为algan层，所述插入子层为mgn层，所述第一量子垒子层和第三量子垒子层的al组分含量均低于所述第二量子垒子层的al组分含量。
12.进一步的，上述外延片制备方法，其中，在层叠所述量子垒层时，先通入mo源以在所述量子阱层上层叠所述第一量子垒子层，然后停止mo源的通入以在所述第一量子垒子层上层叠所述第二量子垒子层，接着通入mg源以在所述第二量子垒子层上层叠所述插入子层，最后停止mg源的通入并再次通入mo源以在所述插入子层上层叠所述第三量子垒子层。
13.进一步的，上述外延片制备方法，其中，所述生长量子垒层的步骤中，停止mo源的
通入的时间为5～10s，mg源的通入时间为5～10s，mg源的通入流量为80～90sccm。
14.进一步的，上述外延片制备方法，其中，所述生长多量子阱层的步骤中，生长温度为1050～1100℃。
15.本发明的另一个目的在于提供一种外延片，所述外延片由上述任一项所述的外延片制备方法制备得到，所述外延片包括多量子阱层，所述多量子阱层包括周期性交替层叠的量子阱层和量子垒层；
16.其中，所述量子垒层包括依次层叠于所述量子阱层上的第一量子垒子层、第二量子垒子层、插入子层以及第三量子垒子层，所述量子阱层、第一量子垒子层、第二量子垒子层以及第三量子垒子层均为algan层，所述插入子层为mgn层，所述第一量子垒子层和第三量子垒子层的al组分含量均低于所述第二量子垒子层的al组分含量。
17.进一步的，上述外延片，其中，所述第二量子垒子层的al组分含量为80～100％。
18.进一步的，上述外延片，其中，所述插入子层的mg掺杂浓度为1*10
18
/cm3～1*10
20
/cm3。
19.进一步的，上述外延片，其中，所述第二量子垒子层的厚度为1～3nm。
20.进一步的，上述外延片，其中，所述外延片还包括衬底、缓冲层、n型半导体层、电子阻挡层以及p型半导体层；
21.所述缓冲层、n型半导体层、多量子阱层、电子阻挡层以及p型半导体层依次层叠于所述衬底上。
22.本发明的另一个目的在于提供一种紫外发光二极管，包括上述任一项所述的外延片。
23.与现有技术相比，本发明通过在生长量子垒层时，依次在量子阱层中生长第一量子垒子层、第二量子垒子层、插入子层以及第三量子垒子层，其中，第一量子垒子层和第三量子垒子层的al组分含量均低于所述第二量子垒子层的al组分含量，使得第二量子垒子层可以起到很好的阻挡电子溢流的效果，然后再插入一层mgn层，可以提供较多的mg掺杂，从而达到提高空穴浓度的目的，进而提高内量子效率。
附图说明
24.图1为本发明第一实施例当中提出的外延片制备方法的流程图；
25.图2为本发明第二实施例当中提出的外延片的结构示意图；
26.图3为本发明第二实施例当中提出的外延片中的量子垒层的结构示意图。
27.主要符号说明：
28.衬底10；缓冲层20；n型半导体层30；多量子阱层40；量子阱层41；量子垒层42；第一量子垒子层420；第二量子垒子层421；插入子层422；第三量子垒子层423；电子阻挡层50；p型半导体层60。
具体实施方式
29.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
30.需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
31.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
32.此外，本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。在具体实施方式及权利要求书中，由术语“中的一者”连接的项目的列表可意味着所列项目中的任一者。例如，如果列出项目a及b，那么短语“a及b中的一者”意味着仅a或仅b。在另一实例中，如果列出项目a、b及c，那么短语“a、b及c中的一者”意味着仅a；仅b；或仅c。项目a可包含单个元件或多个元件。项目b可包含单个元件或多个元件。项目c可包含单个元件或多个元件。在具体实施方式及权利要求书中，由术语“中的至少一者”、“中的至少一种”或其他相似术语所连接的项目的列表可意味着所列项目的任何组合。例如，如果列出项目a及b，那么短语“a及b中的至少一者”或“a或b中的至少一者”意味着仅a；仅b；或a及b。在另一实例中，如果列出项目a、b及c，那么短语“a、b及c中的至少一者”或“a、b或c中的至少一者”意味着仅a；或仅b；仅c；a及b(排除c)；a及c(排除b)；b及c(排除a)；或a、b及c的全部。项目a可包含单个元件或多个元件。项目b可包含单个元件或多个元件。项目c可包含单个元件或多个元件。
33.实施例一
34.请参阅图1，为本发明第一实施例中提出的外延片制备方法，所述外延片制备方法包括步骤s10～s11。
35.步骤s10，提供衬底。
36.其中，衬底包括但不限于蓝宝石，sic，si基，gan，在本实施例当中，衬底采用si基衬底，si基衬底具有导热性好，成本低，工艺成熟，容易剥离等优势。
37.步骤s11，在所述衬底上依次层叠缓冲层和n型半导体层。
38.具体的，在本实施例当中，缓冲层采用aln层。
39.步骤s12，在所述n型半导体层上依次交替层叠预设周期个量子阱层和量子垒层以形成多量子阱层。
40.其中，预设周期个数可以按实际需要进行设定，例如2个、3个、4个以及5个等，这里不予限定。
41.步骤s13，在最后一个所述量子垒层上依次层叠电子阻挡层以及p型半导体层；其中，在所述量子阱层上依次层叠的第一量子垒子层、第二量子垒子层、插入子层以及第三量子垒子层以形成所述量子垒层。
42.其中，量子阱层、第一量子垒子层、第二量子垒子层以及第三量子垒子层均为algan层，插入子层为mgn层，第一量子垒子层和第三量子垒子层的al组分含量均低于第二量子垒子层的al组分含量。
43.可以理解的，在生长量子垒层时，依次在量子阱层中生长第一量子垒子层、第二量子垒子层、插入子层以及第三量子垒子层，其中，第一量子垒子层和第三量子垒子层的al组
分含量均低于所述第二量子垒子层的al组分含量，使得第二量子垒子层可以起到很好的阻挡电子溢流的效果，然后再插入一层mgn层，可以提供较多的mg掺杂，从而达到提高空穴浓度的目的，进而提高内量子效率。
44.具体的，在生长量子垒层时，先通入mo源以在量子阱层上生长第一量子垒子层，然后停止mo源的通入以在第一量子垒子层上生长第二量子垒子层，接着通入mg源以在第二量子垒子层上生长插入子层，最后停止mg源的通入并再次通入mo源以在所述插入子层上生长第三量子垒子层。
45.需要说明的是，在生长第一量子垒子层后，随后停止mo源的通入生长第二量子垒子层，由于algan在高温生长条件下，ga极易逃逸，因此在停止mo源的通入生长中断后，再生长过程中，ga必须弥补边界层中的ga，使之与ga逃逸达到动态平衡，才能进入固相，而al更加容易进入固相，使得边界层ga逃逸而al富集，从而形成一层al组分含量高于第一量子垒子层的高al组分的第二量子垒子层，并且，在停顿生长的同时可以产生大量的ga空位，然后再插入一层mgn层，可以方便mg注入掺杂，提供更多的mg掺杂，从而达到提高空穴浓度的目的，进而提高内量子效率。
46.其中，mo源为外延生长时所需通入的高纯金属有机化合物，在本实施例当中，多量子阱层为algan层，则mo源为tmal源和tmga源。
47.在本实施例当中，停止mo源的通入的时间为5～10s，mg源的通入时间为5～10s，mg源的通入流量为80～90sccm，生长温度为1050～1100℃。
48.更具体的，为了清楚的了解本发明的具体实施过程，以下对整个外延片的具体生长过程进行详细描述，其中为本发明的一种实施方式，但本发明外延片的生长过程不限于此，并不构成对本发明的限定。
49.将衬底放在mocvd反应腔中，向反应腔内通入tmal和nh3，通过化学气相沉积法制备aln薄膜得到aln层。具体的，在本实施例中，aln层的生长温度为1250
°
，生长厚度约为1.5μm，生长压力为50mbar。
50.其中，生长高温aln层主要是为了释放衬底与algan材料的晶格失配和热失配，因此，在本实施例中，该层在低压高温的环境下采用nh3脉冲断续地通入反应室，这样可以得到晶体质量较优的aln层，在具体实施时，氨气开30s关10s断续通入反应腔。
51.在aln层后生长n型半导体层，其中，生长温度为1100度，生长厚度为2μm，al组分为50％，掺杂剂为si，掺杂浓度为5e18-1e20。
52.在n型半导体层上生长多量子阱层，其中，在生长多量子阱层时，交替生长量子阱层和量子垒层，其中，量子阱层的生长厚度为2nm，al组分为25％。
53.在多量子阱层后生长电子阻挡层，其中，生长温度为1100度，生长厚度为25nm，al组分为65％。
54.在电子阻挡层后生长p型半导体层。p型半导体的掺杂剂为mg，al组分为30％，厚度为200nm，mg的掺杂浓度为5e19。
55.进一步的，在本实施例具体实施时，三甲基铝(tmal)、三甲基镓或三乙基镓(tmga或tega)、nh3分别作为ⅲ族源和
ⅴ
族源的前驱体，硅烷和二茂镁分别作为n型掺杂剂和p型掺杂剂的前驱体，n2和h2作为载气。
56.实施例二
57.请参阅图2至图3，所示为本发明第一实施例中提出的外延片，所述外延片由上述实施例一中的外延片制备方法制备得到，所述外延片包括：
58.衬底10、依次外延生长于衬底10上的缓冲层20、n型半导体层30、多量子阱层40、电子阻挡层50以及p型半导体层60。
59.优选的，缓冲层为aln层，n型半导体层30为n型掺杂的al
x
ga
(1-x)
n层，电子阻挡层50为alyga
(1-y)
n层，p型半导体层60为p型掺杂的alzga
(1-z)
n层。
60.其中，多量子阱层40包括周期性交替层叠的量子阱层41和量子垒层42，具体的，周期个数可以按实际情况进行设定，这里不予限定，在本实施例当中，如图1所示，周期个数设为两个，量子垒层42包括依次层叠于量子阱层41上的第一量子垒子层420、第二量子垒子层421、插入子层422以及第三量子垒子层423，量子阱层41、第一量子垒子层420、第二量子垒子层421以及第三量子垒子层423均为algan层，插入子层422为mgn层，第一量子垒子层420和第三量子垒子层423的al组分含量均低于第二量子垒子层421的al组分含量。
61.可以理解的，通过在第一量子垒子层420与第二量子垒子层421中设置高al组分含量的第三量子垒子层423，可以起到很好的阻挡电子溢流的作用，然后再插入一层mgn层，可以提供较多的mg掺杂，从而达到提高空穴浓度的目的，从而达到提高内量子效率的目的。
62.具体的，第二量子垒子层421的al组分含量为80～100％，插入子层422的mg掺杂浓度为1*10
18
/cm3～1*10
20
/cm3，第二量子垒子层421的厚度为1～3nm。
63.分别对不同厚度下的第二量子垒子层421的对应的外延片的内量子效率进行测试，数据如下表1所示。
64.表1、
[0065][0066][0067]
从表中可以明显看出，在第二量子垒子层421的厚度为1～3nm时，内量子效率稳定在60％左右，且在1～3nm时提升效果较为明显。
[0068]
综上，本发明提出的外延片制备方法及外延片，通过在生长量子垒层42时，先生长第一量子垒子层420，后停止mo源的通入生长第二量子垒子层421，由于algan在高温生长条件下，ga极易逃逸，因此在停止mo源的通入生长中断后，再生长过程中，ga必须弥补边界层中的ga，使之与ga逃逸达到动态平衡，才能进入固相，而al更加容易进入固相，使得边界层ga逃逸而al富集，从而形成一层高al组分的第二量子垒子层421。第二量子垒子层421可以
起到很好的阻挡电子溢流的效果，并在停顿生长的同时可以产生大量的ga空位，然后在插入一层mgn层，可以提供较多的mg掺杂，从而达到提高空穴浓度的目的，从而提高内量子效率。
[0069]
实施例三
[0070]
本发明第三实施例中提出的紫外发光二极管，包括上述实施例二中的外延片，所述外延片由上述实施例一当中外延片制备方法制备得到。
[0071]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本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。