一種深紫外二極管外延片和芯片的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及半導(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。本實(shí)用新型還提供一種基于所述外延片制備的芯片。本實(shí)用新型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。
【專利說明】一種深紫外二極管外延片和芯片
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及半導(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和芯片。
【背景技術(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(shì),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(duì)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(duì)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(duì)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T`i/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(duì)較大,從而使得LED的出光效率進(jìn)一步降低。
[0004]對(duì)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。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型提供一種深紫外二極管外延片和芯片,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,本實(shí)用新型采用的技術(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AIyGaI_yN/AIzGa1=N多量子阱層、設(shè)置在所述AlyGa^NAlzGahN多量子阱層上的P型AluGai_uN電子阻擋層、設(shè)置在所述P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AlxGa1J層的厚度為0.1-10微米。
[0011]進(jìn)一步地,所述AlyGai_yN/AlzGai_zN多量子阱層的厚度為1_500納米。
[0012]進(jìn)一步地,所述AlyGal_yN/AlzGai_zN多量子阱層的勢(shì)壘層厚度為10nm,勢(shì)阱層厚度為3nm,量子阱的周期為10個(gè)。
[0013]進(jìn)一步地,所述P型AluGai_uN電子阻擋層的厚度為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]與現(xiàn)有技術(shù)方案相比,本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案的有益效果如下:
[0017]本實(shí)用新型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。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的深紫外二極管外延片的結(jié)構(gòu)示意圖;
[0019]圖2為本實(shí)用新型實(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】
[0020]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0021]實(shí)施例1:
[0022]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。
[0023]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(shì)壘層厚度為10nm,勢(shì)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。
[0024]實(shí)施例2:
[0025]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。
[0026]本實(shí)用新型實(shí)施例2所述的深紫外二極管芯片的制備方法,具體包括如下步驟:[0027](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 ;
[0028](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;
[0029](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;
[0030](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(shì)壘層厚度為10nm,Ala4Gaa6N勢(shì)阱層厚度為3nm,量子阱的周期為10個(gè);
[0031](5)將生長溫度保持在1150°C,在AlyGanNAlzGahN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;
[0032](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;
[0033](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;
[0034](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 ;
[0035](9 )取出外延片,并在η型AlxGad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1000nm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;
[0036](10)在外延片的ρ型GaN層上沉積P型電極。
[0037]使用本實(shí)用新型實(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。
[0038]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(duì)N空位缺陷,本實(shí)用新型通過在合適條件下在隊(duì)+冊(cè)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。
[0039]本實(shí)用新型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。本實(shí)用新型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。
[0040]以上所述為本實(shí)用新型的最優(yōu)選實(shí)施例,并不用于限制本實(shí)用新型,對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說,本實(shí)用新型可以有各種更改和變化。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(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AlxGahN層,設(shè)置在所述η型AlxGai_xN層上的AlyGal_yN/AlzGai_zN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AlyGal_yN/AlzGai_zN多量子阱層的厚度為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(shì)壘層厚度為10nm,勢(shì)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。
【文檔編號(hào)】H01L33/40GK203659914SQ201320641361
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)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(qǐng)人:武漢光電工業(yè)技術(shù)研究院有限公司