氮化镓铝外延片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮化镓铝外延片，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的AlN缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型层、多量子阱层、AlGaN电子阻挡层、P型层和AlGaN接触层；其中，所述N型层为N型AlGaN层，所述P型层包括交替层叠的P型GaN层和未掺杂的Al层。本发明专利技术能够有效提高紫外LED的空穴浓度和光提取效率。的空穴浓度和光提取效率。的空穴浓度和光提取效率。

【技术实现步骤摘要】
氮化镓铝外延片及其制备方法


[0001]本专利技术涉及光电
，尤其涉及一种氮化镓铝外延片及其制备方法。

技术介绍

[0002]AlGaN材料因其在紫外光电器件中的巨大应用潜力而备受关注，紫外LED具有光子能量高、波长短、体积小、功耗低、寿命长、环境友好等特点，在高显色指数白光照明、高密度光学数据储存、传感器、平版印刷、空气净化环保等领域具有广泛的应用。
[0003]对于AlGaN基LED而言，其发光的效率通常由内量子效率、载流子输入效率和光提出效率三种效率来决定，目前来讲，影响AlGaN基LED的主要因素有高Al组分AlGaN材料外延生长困难、光偏振特性独特以及p型掺杂困难。
[0004]一、外延生长困难：随着发光波长的减小，所需AlGaN材料中的Al组分越来越高，外延生长难度也越来越大。首先，在生长过程中，MO源TMAl与反应气体NH3具有强烈的预反应，使得生长界面的平整度严重下降；其次，Al原子的粘滞系数比较大，表面迁移率比较低，很难在生长时完全扩散迁移至能量最低的晶格点，因此在生长过程中容易形成三维岛状，使得晶体界面不平整，导致产生较多的缺陷；最后，AlGaN材料缺乏类似于InGaN材料中的富In量子点的局域态，其发光效率比较低，与材料缺陷密度密切相关。
[0005]二、光偏振特性独特：AlGaN基LED的发光来源主要为能带带边的电子跃迁(电子空穴对的辐射复合)。根据光学跃迁选择定则，TE波主要由导带底和重空穴带以及轻空穴带之间的能级跃迁决定，而TM波则由导带底和晶体场分裂带之间的能级跃迁相关。随着Al组分增大，价带顶处第一条子带为晶体场分裂带，发出光的偏振特性主要为TM模，即侧向传播的光为主导。
[0006]三、p型掺杂困难：对于高Al组分的AlGaN材料，不论是n型掺杂还是p型掺杂，相比GaN材料而言，AlGaN材料都是要困难的多，尤其是p型AlGaN的掺杂尤为棘手，Al组分高，掺杂效率低，且Mg易于H原子形成Mg
‑
H络合物，其激活能比较高，导致掺杂剂Mg的活化效率低，空穴不足，辐射复合效率降低。
[0007]目前AlGaN基紫外LED内量子效率相对蓝绿光发光二极管偏低较多，AlGaN基紫外LED随着Al组分增大，尤其是p型AlGaN层，Al组分越高，Mg的掺杂难度越大，激活效率越低，空穴迁移率越低。
[0008]AlGaN基紫外LED中的p型掺杂层通常为p型掺杂GaN或p型掺杂AlGaN。当采用p
‑
GaN时，Mg的掺杂难度相对AlGaN小，Mg的激活效率和空穴浓度能得到改善，但GaN对紫外光吸收比较严重，导致光提取效率下降；当采用p
‑
AlGaN时，AlGaN对紫外光吸收减少，能提高光提取效率，但AlGaN中Mg的掺杂难度更大，激活效率和空穴浓度更低，导致量子阱中电子空穴辐射复合效率下降。

技术实现思路

[0009]本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种氮化镓铝外延片，其能够有效提高紫
外LED的空穴浓度和光提取效率。
[0010]本专利技术所要解决的技术问题还在于，提供一种氮化镓铝外延片的制备方法，其工艺简单，能够稳定制得光电性能良好的氮化镓铝外延片。
[0011]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种氮化镓铝外延片，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的AlN缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型层、多量子阱层、AlGaN电子阻挡层、P型层和AlGaN接触层；
[0012]其中，所述N型层为N型AlGaN层，所述P型层包括交替层叠的P型GaN层和未掺杂的Al层。
[0013]在一种实施方式中，所述P型层的厚度为100nm
‑
200nm；
[0014]所述交替层叠的周期数为10
‑
20，单个周期的P型GaN层和未掺杂的Al层的总厚度为8nm
‑
15nm；
[0015]所述P型GaN层的厚度为5nm
‑
12nm；
[0016]所述P型GaN层的掺杂浓度为1*10
19
cm
‑3‑
1*10
20
cm
‑3；
[0017]所述未掺杂的Al层的厚度为1nm
‑
3nm。
[0018]在一种实施方式中，所述AlN缓冲层的厚度为15nm
‑
50nm；
[0019]所述未掺杂的AlGaN层的厚度为1μm
‑
3μm；
[0020]所述N型层的厚度为1μm
‑
3μm；
[0021]所述AlGaN电子阻挡层的厚度为20nm
‑
100nm；
[0022]所述AlGaN接触层的厚度为10nm
‑
50nm。
[0023]在一种实施方式中，所述多量子阱层包括交替堆叠的Al
x
Ga1‑
x
N量子阱层和Al
y
Ga1‑
y
N量子垒层，所述交替堆叠的周期数为5
‑
12；
[0024]所述Al
x
Ga1‑
x
N量子阱层的厚度为3nm
‑
5nm；
[0025]所述Al
y
Ga1‑
y
N量子垒层的厚度为10nm
‑
20nm。
[0026]为解决上述问题，本专利技术还提供了一种氮化镓铝外延片的制备方法，包括以下步骤：
[0027]准备衬底；
[0028]在所述衬底上依次沉积AlN缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型层、多量子阱层及AlGaN电子阻挡层，所述N型层为N型AlGaN层；
[0029]在所述AlGaN电子阻挡层上交替层叠P型GaN层和未掺杂的Al层，以形成P型层；
[0030]在所述P型层上沉积AlGaN接触层。
[0031]在一种实施方式中，采用下述方法完成在所述AlGaN电子阻挡层上沉积P型层：
[0032]在所述AlGaN电子阻挡层上交替沉积P型GaN层和未掺杂的Al层，交替沉积的周期数为10
‑
20；
[0033]其中，所述P型GaN层的沉积步骤包括：
[0034]将反应室温度控制在900℃
‑
1000℃，压力控制在50torr
‑
100torr，通入二茂镁作为Mg源，通入NH3作为N源，通入TMGa作为Ga源，并控制所沉积的所述P型GaN层的厚度为5nm
‑
12nm，Mg掺杂浓度为1*10
19
cm
‑3‑
1*10
20
cm
‑3；
[0035]所述未掺杂的Al层的沉积步骤包括：
[0036]将反应室温度控制在900℃
‑
950℃，压力控制在50torr<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮化镓铝外延片，包括衬底，其特征在于，还包括依次层叠于所述衬底上的AlN缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型层、多量子阱层、AlGaN电子阻挡层、P型层和AlGaN接触层；其中，所述N型层为N型AlGaN层，所述P型层包括交替层叠的P型GaN层和未掺杂的Al层。2.如权利要求1所述的氮化镓铝外延片，其特征在于，所述P型层的厚度为100nm
‑
200nm；所述交替层叠的周期数为10
‑
20，单个周期的P型GaN层和未掺杂的Al层的总厚度为8nm
‑
15nm；所述P型GaN层的厚度为5nm
‑
12nm；所述P型GaN层的掺杂浓度为1*10
19
cm
‑3‑
1*10
20
cm
‑3；所述未掺杂的Al层的厚度为1nm
‑
3nm。3.如权利要求1所述的氮化镓铝外延片，其特征在于，所述AlN缓冲层的厚度为15nm
‑
50nm；所述未掺杂的AlGaN层的厚度为1μm
‑
3μm；所述N型层的厚度为1μm
‑
3μm；所述AlGaN电子阻挡层的厚度为20nm
‑
100nm；所述AlGaN接触层的厚度为10nm
‑
50nm。4.如权利要求1所述的氮化镓铝外延片，其特征在于，所述多量子阱层包括交替堆叠的Al
x
Ga1‑
x
N量子阱层和Al
y
Ga1‑
y
N量子垒层，所述交替堆叠的周期数为5
‑
12；所述Al
x
Ga1‑
x
N量子阱层的厚度为3nm
‑
5nm；所述Al
y
Ga1‑
y
N量子垒层的厚度为10nm
‑
20nm。5.一种氮化镓铝外延片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：准备衬底；在所述衬底上依次沉积AlN缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型层、多量子阱层及AlGaN电子阻挡层，所述N型层为N型AlGaN层；在所述AlGaN电子阻挡层上交替层叠P型GaN层和未掺杂的Al层，以形成P型层；在所述P型层上沉积AlGaN接触层。6.如权利要求5所述的氮化镓铝外延片的制备方法，其特征在于，采用下述方法完成在所述AlGaN电子阻挡层上沉积P型层：在所述AlGaN电子阻挡层上交替沉积P型GaN层和未掺杂的Al层，交替沉积的周期数为10
‑
20；其中，所述P型GaN层的沉积步骤包括：将反应室温度控制在900℃
‑
1000℃，压力控制在50torr
‑
100torr，通入二茂镁作为Mg源，通入NH3作为N源，通入TMGa作为Ga源，并控制所沉积的所述P型GaN层的厚度为5nm
‑
12nm，Mg掺杂浓度为1*10
19
cm
‑3‑
1*10
20
cm
‑3；所述未掺杂的Al层的沉积步骤包括：将反应室温度控制在900℃
‑
950℃，压力控制在50torr
‑
100torr，通入TMAl作为Al源，并控制所沉积的所述未掺杂的Al层的厚度为1nm
‑
3nm。7.如权利要求5所述的氮化镓铝外延片的制备方法，其特征在于，采用下述方法完成在所述衬底的正面沉积所述AlN缓冲层：
将反应室温度控制在400℃
‑
650℃，压力控制在1torr
‑
10torr，通入TMAl作为Al源，通入NH3作为N源，在所述衬底的正面沉积AlN缓冲层，并控制所沉积的所述AlN层的厚度为15nm
‑
50nm；和/或，采用下述方法完成在所述AlN缓冲层上沉积所述未掺杂的AlGaN层：将反应室温度控制在1050℃
‑
1200℃，压力控制在50torr
‑
100torr，通入TMAl作为Al源，通入NH3作为N源，通入TMGa作为Ga源，在所述AlN缓冲层上沉...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡加辉，刘春杨，吕蒙普，金从龙，
申请(专利权)人：江西兆驰半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：