一種深紫外二極管外延片、芯片及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種深紫外二極管外延片。所述外延片，從下至上依次包括：襯底，低溫AlN成核層，高溫AlN本征層，n型AlxGa1-xN層，AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多量子阱層、p型AluGa1-uN電子阻擋層、p型GaN層。本發(fā)明還提供一種基于所述外延片制備的芯片及芯片的制備方法。本發(fā)明提供的外延片和芯片選擇采用具有高紫外光反射性的Al材料作為電極材料，不但可以部分消除受主型Al陽離子空位缺陷，還可將大部分紫外光反射回去。本發(fā)明提供的深紫外二極管芯片的制備方法，外延片通過在合適條件下在N2+NH3氣氛退火，可部分消除N空位缺陷。
【專利說明】一種深紫外二極管外延片、芯片及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種深紫外二極管外延片、芯片及其制備方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]相比于傳統(tǒng)的紫外發(fā)光技術(shù)，如紫外線低壓汞燈，基于半導(dǎo)體AlGaN材料的紫外發(fā)光二極管具有多方面的優(yōu)勢，具體如:壽命長，可高達(dá)5萬小時(shí)以上；無須預(yù)熱時(shí)間，反應(yīng)速度很快(約在10-9秒)；發(fā)光譜線純凈，一般發(fā)光峰的FWHM可控制在15nm以內(nèi)；體積小，可靠性高，容易制成極小或陣列式器件；適合批量生產(chǎn)；為固體光源，無須用到汞等對環(huán)境極不友好的材料，是一種綠色污染的新型紫外光源。因此，AlGaN基半導(dǎo)體深紫外發(fā)光二極管在很多領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用潛力，如固化、醫(yī)療衛(wèi)生、殺菌消毒、通過紫外線激發(fā)熒光粉獲取聞品質(zhì)白光等。
[0003]然而，目前AlGaN基紫外發(fā)光二極管的發(fā)光效率還比較低，特別是波長短于320nm的紫外發(fā)光二極管(UV-LED)的發(fā)光效率普遍在1%以下，內(nèi)量子效率普遍低于10%。造成上述現(xiàn)象的主要原因有幾個(gè)方面:一方面是由于材料的晶體質(zhì)量所引起的，AlGaN材料的缺陷密度較高，造成內(nèi)量子效率的低下；另一方面則是由器件制備工藝和電極材料選擇導(dǎo)致的。在LED的器件典型制備過程中，都需要用到刻蝕以制備電極，而刻蝕往往會(huì)給AlGaN材料帶來損傷。眾所周知，對于GaN材料,刻蝕損傷造成的N空位以淺能級(jí)施主出現(xiàn),反而使得費(fèi)米能級(jí)向?qū)Э拷瑥亩容^容易獲得歐姆接觸電極。不同于GaN材料，AlGaN材料，特別是高Al組分的AlGaN材料在等離子刻蝕后，N空位不再是淺能級(jí)施主，而是作為深能級(jí)缺陷存在，會(huì)使費(fèi)米能級(jí)遠(yuǎn)離導(dǎo)帶，從而使得歐姆接觸電極的制備比較困難，導(dǎo)致AlGaN基LED的開啟電壓增加；另外一方面，大多數(shù)材料對于紫外線特別是深紫外線存在強(qiáng)烈吸收，目前在AlGaN基LED普遍使用的Ti/Al/Ti/Au等電極材料正是如此，同時(shí)，由于AlGaN材料的摻雜效率較低，因此，一般電極尺寸相對較大，從而使得LED的出光效率進(jìn)一步降低。
[0004]對于上述由于器件制備工藝和電極材料選擇引起的問題，目前國際上仍未有相應(yīng)的系統(tǒng)解決方案，一般仍然采用刻蝕后直接蒸鍍電極的方式，而電極材料也普遍為Ti/Al/Ti/Au 等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種深紫外二極管外延片、芯片及其制備方法，改善了芯片制備過程中刻蝕所帶來的材料損傷并提高了深紫外發(fā)光二極管的出光效率。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]—種深紫外二極管外延片，包括:襯底，設(shè)置在所述襯底上的低溫AlN成核層，設(shè)置在所述低溫AlN成核層上的高溫AlN本征層，設(shè)置在所述高溫AlN本征層上的η型AlxGa^N層，設(shè)置在所述η型AlxGa^N層上的AlyGa^NAlzGahN多量子阱層、設(shè)置在所述AlyGa^NAlzGahN多量子阱層上的ρ型AluGai_uN電子阻擋層、設(shè)置在所述ρ型AluGai_uN電子阻擋層上的P型GaN層。
[0008]進(jìn)一步地，所述襯底為藍(lán)寶石、碳化硅或A1N。
[0009]進(jìn)一步地，所述高溫AlN本征層的厚度為0.3-100微米。
[0010]進(jìn)一步地，所述η型AlxGa^N層的Al組分為0_100%，厚度為0.1-10微米。
[0011]進(jìn)一步地，所述AlyGai_yN/AlzGai_zN多量子阱層的Al組分為0_100%，厚度為1-500納米。
[0012]進(jìn)一步地，所述AlyGahNAlzGahN多量子阱層的勢壘層厚度為10nm，勢阱層厚度為3nm，量子阱的周期為10個(gè)。
[0013]進(jìn)一步地，所述ρ型AluGapuN電子阻擋層的Al組分為0-100%，厚度為1-200納米。
[0014]進(jìn)一步地，所述P型GaN層的厚度為1-200納米。
[0015]一種深紫外二極管芯片，包括所述外延片，所述外延片的η型AlxGahN層上方設(shè)有η電極，所述外延片的P型GaN層上方設(shè)有ρ電極。
[0016]一種深紫外二極管芯片的制備方法，包括如下步驟:
[0017](I)在襯底上，利用MOCVD工藝，將所述襯底溫度降低為600°C，生長低溫AlN成核層；
`[0018](2)在所述低溫AlN成核層上，將生長溫度升高到130(TC，生長高溫AlN本征層；
[0019](3)在所述高溫AlN本征層上，將生長溫度保持在1150°C，生長η型AlxGapxN層；
[0020](4)在所述η型AlxGa^N層上，將生長溫度保持在1150°C，生長Α1#&1ιΝ/Α1ζ6&1_ζΝ多量子阱層；
[0021](5)將生長溫度保持在1150°C，在所述AlyGai_yN/AlzGai_zNN多量子阱層上，生長P型AluGai_uN電子阻擋層；
[0022](6)將生長溫度保持在1050°C，在所述ρ型AluGai_uN電子阻擋層上生長ρ型GaN層，形成深紫外二極管外延片；
[0023](7)刻蝕所述深紫外二極管外延片至η型AlxGahN層；
[0024](8)將刻蝕后的外延片放置于氣氛為氮?dú)夂桶睔獾那惑w內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)；
[0025](9)取出所述外延片，并在η型AlxGahN層臺(tái)面上光刻出η型電極的圖形，然后在η型電極圖形區(qū)沉積金屬層，并在快速退火時(shí)形成η型電極；
[0026](10)在所述外延片的ρ型GaN層上沉積P型電極。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，本發(fā)明采用的技術(shù)方案的有益效果如下:
[0028]本發(fā)明提供的外延片和芯片選擇采用具有高紫外光反射性的Al材料作為電極材料，不但可以部分消除受主型Al陽離子空位缺陷，還可將大部分紫外光反射回去。本發(fā)明提供的深紫外二極管芯片的制備方法，外延片通過在合適條件下在隊(duì)+冊13氣氛退火，可部分消除N空位缺陷，從而降低芯片開啟電壓。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的深紫外二極管外延片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的深紫外二極管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】[0031]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0032]實(shí)施例1:
[0033]如圖1所示，本實(shí)施例提供一種深紫外二極管外延片，包括:襯底101，設(shè)置在襯底101上的低溫AlN成核層102，設(shè)置在低溫AlN成核層102上的高溫AlN本征層103，設(shè)置在高溫AlN本征層103上的η型AlxGa1J層104，設(shè)置在η型AlxGa1J層104上的AlyGa^yN/AlzGa1=N多量子阱層105、設(shè)置在AlyGahyNAlzGahN多量子阱層105上的ρ型AluGai_uN電子阻擋層106、設(shè)置在ρ型AluGa1J電子阻擋層106上的ρ型GaN層107。
[0034]本實(shí)施例中，襯底101為藍(lán)寶石、碳化硅或AlN;低溫AlN成核層102的厚度為20nm;高溫AlN本征層103的厚度在0.3-100微米之間，優(yōu)選地，厚度為1000nm ;n型AlxGaJ層104的Al組分為0-100%,厚度在0.1-10微米之間，優(yōu)選地，厚度為2000nm ；AlyGai_yN/AlzGai_zN多量子阱層105的Al組分為0_100%，厚度在1-500納米之間，優(yōu)選地，多量子阱層勢壘層厚度為10nm，勢阱層厚度為3nm，量子阱的周期為10個(gè)；ρ型AluGai_uN電子阻擋層106的Al組分為0-100%，厚度在1-200納米之間，優(yōu)選地，厚度為5nm ；p型GaN層107的厚度在1-200納米之間，優(yōu)選地，厚度為10nm。
[0035]實(shí)施例2:
[0036]如圖2所示，本實(shí)施例提供一種深紫外二極管芯片，包括實(shí)施例1所述的外延片，在外延片的η型AlxGa^N層104上方設(shè)有η電極108，在外延片的ρ型GaN層107上方設(shè)有P電極109。
[0037]實(shí)施例3:
[0038]本實(shí)施例提供一種深紫外二極管芯片的制備方法，具體包括如下步驟:
[0039](I)在藍(lán)寶石的襯底上，利用MOCVD工藝，將襯底溫度降低為600°C，生長厚度為20nm的低溫AlN成核層；所述襯底還可以采用碳化娃或AlN ；
[0040](2)在低溫AlN成核層上，將生長溫度升高到1300°C，生長厚度為1000nm的高溫AlN本征層；
[0041](3)在高溫AlN本征層上，將生長溫度保持在1150°C，生長厚度為2000nm的η型AlxGa1^xN 層，η 型 AlxGa1^xN 層為 Si 摻雜濃度在 IO20CnT3 的 Ala6Gaa4N 層；
[0042](4)在η型AlxGa^xN層層上，將生長溫度保持在1150°C，生長AlyGa^yNAlzGahN多量子阱層，AlyGa^NAlzGahN多量子阱層具體為Ala 6Ga0.4N/A10.4Ga0.6N多量子阱層，Ala6Gaa4N勢壘層厚度為10nm，Ala4Gaa6N勢阱層厚度為3nm，量子阱的周期為10個(gè)；
[0043](5)將生長溫度保持在1150°C，在AlyGapyNAlzGahN多量子阱層上，生長厚度為5nm的ρ型AluGa1J^電子阻擋層，ρ型AluGa1J^電子阻擋層為ρ型Ala9GaaiN電子阻擋層；
[0044](6)將生長溫度保持在1050°C，在P型AluGai_uN電子阻擋層上生長厚度為IOnm的P型GaN層，形成深紫外二極管外延片；
[0045](7)在深紫外二極管外延片上光刻出η型區(qū)臺(tái)面圖案，再采用ICP或者RIE工藝從頂部刻蝕至深紫外二極管外延片的η型AlxGahN層；
[0046](8)將刻蝕后的外延片放置于氣氛為氮?dú)夂桶睔獾腗OCVD反應(yīng)腔或CVD反應(yīng)腔內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，其中N2:ΝΗ3=200:1 (摩爾比)，反應(yīng)腔壓強(qiáng)為500Torr，反應(yīng)腔內(nèi)用來放置襯底的石墨基座溫度為800攝氏度，保持0.5h ；
[0047](9)取出外延片，·并在η型AlxGa1J層臺(tái)面上光刻出η型電極的圖形，采用電子束蒸發(fā)工藝在η型電極圖形區(qū)沉積具有高紫外光反射性的金屬薄膜，金屬薄膜為厚度IOOOnm的Al金屬層，然后將外延片放入快速退火爐中在快速退火時(shí)形成η型電極；
[0048](10)在外延片的ρ型GaN層上沉積P型電極。
[0049]使用本發(fā)明實(shí)施例3提供的深紫外光二極管芯片制作深紫外二極管時(shí)，需用PECVD沉積200nm的二氧化硅鈍化層，然后光刻出倒裝焊點(diǎn)金屬沉積圖形，用RIE工藝刻蝕掉焊點(diǎn)金屬沉積圖形區(qū)域上的二氧化硅鈍化層，再在該區(qū)域上用熱蒸發(fā)工藝沉積2微米厚AuSn焊料，完成器件制作。
[0050]在n-AlGaN材料的刻蝕過程中，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陽離子空位缺陷。針對N空位缺陷，本發(fā)明通過在合適條件下在隊(duì)+冊13氣氛退火，可部分消除；在此基礎(chǔ)上，選擇采用具有高紫外光反射性的Al材料作為電極材料，不但可以部分消除受主型Al陽離子空位缺陷，還可將大部分紫外光反射回去。
[0051]本發(fā)明解決了在芯片制備過程中由于刻蝕所帶來的AlGaN材料的損傷以及由此造成的歐姆接觸制備困難的問題；同時(shí)，在此基礎(chǔ)上，通過采用高紫外光反射性材料作為電極，降低電極的吸光，提高AlGaN基紫外發(fā)光二極管的出光效率。本發(fā)明引入了可操作性和重復(fù)性較強(qiáng)的消除刻蝕損傷的新工藝，使得電極材料的選取范圍擴(kuò)大，制備獲得歐姆接觸的難度相應(yīng)降低。
[0052]以上所述為本發(fā)明的最優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種深紫外二極管外延片，其特征在于，包括:襯底，設(shè)置在所述襯底上的低溫AlN成核層，設(shè)置在所述低溫AlN成核層上的高溫AlN本征層，設(shè)置在所述高溫AlN本征層上的η型AlxGa^N層，設(shè)置在所述η型AlxGai_xN層上的AlyGa^NAlzGahN多量子阱層、設(shè)置在所述AlyGai_yN/AlzGai_zN多量子阱層上的P型AluGa1J電子阻擋層、設(shè)置在所述P型AluGapuN電子阻擋層上的P型GaN層。
2.如權(quán)利要求1所述的深紫外二極管外延片，其特征在于，所述襯底為藍(lán)寶石、碳化硅或 A1N。
3.如權(quán)利要求1所述的深紫外二極管外延片，其特征在于，所述高溫AlN本征層的厚度為0.3-100微米。
4.如權(quán)利要求1所述的深紫外二極管外延片，其特征在于，所述η型AlxGahN層的Al組分為0-100%，厚度為0.1-10微米。
5.如權(quán)利要求1所述的深紫外二極管外延片，其特征在于，所述AlyGai_yN/AlzGai_zN多量子阱層的Al組分為0-100%，厚度為1-500納米。
6.如權(quán)利要求5所述的深紫外二極管外延片，其特征在于，所述AlyGai_yN/AlzGai_zN多量子阱層的勢壘層厚度為10nm，勢阱層厚度為3nm，量子阱的周期為10個(gè)。
7.如權(quán)利要求1所述的深紫外二極管外延片，其特征在于，所述P型AluGai_uN電子阻擋層的Al組分為0-100%，厚度為1-200納米。
8.如權(quán)利要求1所述的 深紫外二極管外延片，其特征在于，所述P型GaN層的厚度為50-200 納米。
9.一種使用權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的外延片制備出的深紫外二極管芯片，所述外延片的η型AlxGapxN層上方設(shè)有η電極，所述外延片的P型GaN層上方設(shè)有ρ電極。
10.一種深紫外二極管芯片的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)在襯底上，利用MOCVD工藝，將所述襯底溫度降低為600°C，生長低溫AlN成核層； (2)在所述低溫AlN成核層上，將生長溫度升高到130(TC，生長高溫AlN本征層； (3)在所述高溫AlN本征層上，將生長溫度保持在1150°C，生長η型AlxGahN層； (4)在所述η型AlxGa^N層層上，將生長溫度保持在1150°C，生長Α1#&1ιΝ/Α1ζ6&1_ζΝ多量子阱層； (5)將生長溫度保持在1150°C，在所述AlyGahNAlzGahN多量子阱層上，生長ρ型AluGa1J電子阻擋層； (6)將生長溫度保持在1050°C，在所述ρ型AluGai_uN電子阻擋層上生長ρ型GaN層，形成深紫外二極管外延片； (7)刻蝕所述深紫外二極管外延片至η型AlxGahN層； (8)將刻蝕后的外延片放置于氣氛為氮?dú)夂桶睔獾那惑w內(nèi)進(jìn)行退火處理； (9)取出所述外延片，并在η型AlxGa^xN層臺(tái)面上光刻出η型電極的圖形，然后在η型電極圖形區(qū)沉積金屬層，并在快速退火時(shí)形成η型電極； (10)在所述外延片的ρ型GaN層上沉積ρ型電極。
【文檔編號(hào)】H01L33/40GK103682025SQ201310488021
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月17日
【發(fā)明者】方妍妍, 吳志浩, 戴江南, 陳長清 申請人:武漢光電工業(yè)技術(shù)研究院有限公司