一種具有微孔結構的NiO-AlGaN紫外發(fā)光管及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導體發(fā)光器件及其制備技術領域，特別是涉及一類具有微孔結構的 NiO-AlGaN紫外發(fā)光管及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 隨著第三代半導體材料氮化鎵的突破和藍、綠、白光發(fā)光二極管的問世，繼半導體 技術引發(fā)微電子革命之后，又在孕育一場新的產業(yè)革命---照明革命，其標志是半導體 燈將逐步替代白熾燈和熒光燈。由于半導體照明（亦稱固態(tài)照明）具有節(jié)能、長壽命、免維 護、環(huán)保等優(yōu)點，業(yè)內普遍認為，如同晶體管替代電子管一樣，半導體燈替代傳統(tǒng)的白熾燈 和熒光燈，也是科學技術發(fā)展的必然和大勢所趨。目前用于半導體照明的白光發(fā)光管（LED) 主要是用GaN材料系的藍光發(fā)光管涂覆黃光熒光粉構成，其發(fā)光效率不高。如果用紫外光 發(fā)光管直接激發(fā)白光熒光粉發(fā)光效率會大大提高。此外，紫外光發(fā)光管在絲網印刷、聚合物 固化、環(huán)境保護、曝光照明以及軍事探測等領域都有重大應用價值。所以AlGaN紫外光發(fā)光 管是近幾年人們研宄開發(fā)的熱點。目前大多數的AlGaN LED是在Al2O3單晶襯底上外延生長 多層AlGaN系材料薄膜制備的。但是由于Al 2O3單晶和AlGaN晶格失配比和GaN晶格失配 還大，所以外延生長的AlGaN系薄膜晶體質量不好，位錯密度可能高達10E10~10E9/cm 3， 導致發(fā)光效率低。另一方面，AlGaN隨著Al組分的提高，施主和受主的離化能逐漸增大，載 流子濃度降低，特別是P型AlGaN解決不好，使空穴注入效率低，也導致發(fā)光效率低。
[0003] 為了克服上述AlGaN材料系紫外發(fā)光管制備的這一困難，本發(fā)明提出一種新型具 有微孔結構的NiO-AlGaN紫外發(fā)光管及其制備方法。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的就是為解決上述AlGaN材料系紫外發(fā)光管的這一問題，在外延生長 發(fā)光有源層之前制備一層具有微孔結構的AlGaN下限制層，對AlGaN薄膜內應力與位錯高 效吸收，以提高AlGaN系量子阱有源層晶體質量；同時利用具有高空穴濃度的p-NiO做空穴 注入層，以提高空穴注入效率，提高紫外LED發(fā)光效率，從而提供一種新型具有微孔結構的 NiO-AlGaN紫外發(fā)光管及其制備方法。
[0005] 本發(fā)明的技術方案是：
[0006] 本發(fā)明所設計的一種新型具有微孔結構的NiO-AlGaN紫外發(fā)光管（見附圖1和附 圖說明），其特征在于：由襯底1、襯底1上制備的AlN緩沖層2、A1N緩沖層2上制備的下限 制層3、下限制層3上制備的相互分立的AlGaN材料系多量子阱發(fā)光層4和下電極7、多量 子阱發(fā)光層4上制備的p型AlGaN上限制層5、p型上限制層5上面制備的p型空穴注入層 6、空穴注入層6上面制備的上電極8構成，襯底1是Al2O3單晶片，下限制層3是兩次生長得 到的內部具有橢球形微孔結構的H-AlxlGah1N外延層（第一次生長時n-AlxlG ai_xlN下限制 層3的厚度為1~3微米，第二次生長時下限制層3的厚度為2~200納米），p型空穴注 入層6是p型NiO薄膜，p型AlGaN上限制層5的厚度為5~150nm，以使p型空穴注入層 的空穴能有效的注入到多量子阱發(fā)光層4中，多量子阱發(fā)光層4由5~10對量子阱組成，阱 層與皇層由Al組分不同的AlGaN材料制成，皇層材料為Alx2Gai_x2N，阱層材料為Al x3Gapx3N ; 其中，0 < x3 < 0· 8,且xl彡x2>x3 ;講層厚度為2~5nm，皇層厚度為10~20nm。
[0007] 該種發(fā)光管為倒裝（即外延層面向下裝配焊接在支架或熱沉上）結構，電子與空 穴在多量子阱發(fā)光層4中復合發(fā)光并出射。襯底出光，出光方向如箭頭9所示。
[0008] 進一步地為了克服極化效應對發(fā)光效率的影響，使器件發(fā)光效率進一步提高，可 以制備非極性或半極性面AlGaN材料系多量子阱發(fā)光層4的具有微孔結構的NiO-AlGaN紫 外發(fā)光管。這種器件結構的特征在于：控制具有微孔結構n-Al xlGai_xlN下限制層3的微孔 上面的生長厚度（即下限制層3二次生長時的厚度）要薄，厚度控制在2~IOOnm之間，使 微孔上面的n-AlGaN外延層表面呈現更多的非極性面或半極性面，這樣在下限制層3上外 延生長的多量子阱發(fā)光層4就會有更多非極性或半極性生長，如圖2所示的多量子阱發(fā)光 層4。
[0009] 前面所述的具有微孔結構的NiO-AlGaN紫外發(fā)光管的制備方法，其步驟如下：
[0010] A、采用金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD)方法在Al2O3單晶襯底1 (厚度為300~ 500微米）上依次制備AlN緩沖層2和n-AlxlGai_xlN下限制層3 ;A1N緩沖層2的厚度為2~ 150nm，生長源為三甲基鋁和高純氨氣，不摻雜，生長溫度為600~800°C，生長壓強為300~ 400torr ;n-AlxlGai_xlNT限制層3的厚度為1~3微米，生長源為三甲基鋁、三甲基鎵和 高純氨氣，利用氣態(tài)硅烷進行Si元素摻雜，生長溫度為900~IKKTC，生長壓強為300~ 400torr，摻雜的粒子濃度為IO 17~10 1Vcm3(如圖3a所示）；
[0011] B、采用感應耦合式刻蝕機，利用氯氣與其他氯化物的混合氣體在室溫、低壓 (10~20mtorr)下對Ii-AlxlGa1I1N下限制層3進行腐蝕，其腐蝕速度為100~300nm/min， 腐蝕3~10分鐘，腐蝕后在n-AlxlGai_xlN下限制層3上得到面密度為IO 8~10 ltVcm2的納 米柱，納米柱的高度為700~lOOOnm，直徑為50~IOOnm(如圖3b所示，）；再放入MOCVD 反應室進行H-AlxlGah1N下限制層3的二次生長，生長厚度控制在2~200納米范圍內，在 納米柱之間就會形成橢球形微孔，微孔的高度為800~llOOnm，微孔的中心直徑為200~ 400nm ;這些橢球形微孔會吸收n-AlxlGai_xlN下限制層3薄膜內的應力與位錯，使再生長的 下限制層3具有較高的晶體質量（如圖3c所示）；同時在量子阱發(fā)光層4中形成大量的半 極化面與非極化面（具有半極化面與非極化面），從而降低、甚至消除極化效應的影響并增 加器件的發(fā)光面積。另外，微孔還可以起到波導和散射的作用，顯著提高光的出射率；
[0012] C、再在二次生長的n-AlxlGai_xlNT限制層3上面繼續(xù)用MOCVD方法依次生長AlGaN 材料系多量子阱（包括皇層材料Alx2Gapx2N和阱層材料Alx3Gap x3N，其生長溫度和壓強均與 下限制層3的生長條件相同，阱層的厚度為2~5nm，皇層的厚度為10~20nm)發(fā)光層4和 經二茂鎂摻雜的、粒子摻雜濃度為2 X IO17~8 X 10 1Vcm3的p型AlGaN上限制層5 (生長溫 度為900~1100°C，壓強為300~400torr，厚度范圍是5~150nm);然后，在p型AlGaN上 限制層5上利用磁控濺射（功率控制在60~140W，使用氣體為氧氣和氬氣的混合氣體，壓 強為15~30mtorr，氧氣和氬氣的混合氣體中氧氣體積含量為20%~80% )制備p型NiO 薄膜為P型空穴注入層6 (摻雜劑為Li元素，摻雜粒子濃度范圍為IO18~10 1Vcm3)，厚度為 800~1000 nm ;AlGaN材料系多量子阱發(fā)光層4中阱層的Al組分x3含量根據所要制備發(fā) 光管的發(fā)光波長設計，一般地，0<x3<0. 8,且xl ^ x2>x3。
[0013] D、制備上電極8和下電極7,厚度在150~300nm范圍內；上電極8和下電極7材 料可用 Au、Ni_Au、Ti_Au、Zn-Au 或 Pt-Au 等二元合金材料，也可以用 Ti-Pt-Au、Ti-Ni-Au 或Ni-Pt-Au等三元合金材料，蒸鍍下電極的方法可采用熱蒸鍍、電子束蒸鍍或磁控濺射方 法制備；合金中材料的比例關系需根據所接觸半導體材料的功函數進行計算；
[0014] E、最后，進行劃片，制備成邊長200微米~3毫米的方形管芯，然后將管芯倒裝，即 外延層面向下，裝配焊接在熱沉或支架上，便制備得到這種發(fā)光管。
[0015] 本發(fā)明的效果和益處：
[0016] 本發(fā)明可以克服Al2O3單晶襯底和AlGaN晶格失配大，AlGaN外延層晶體質量不高 的缺點；可以克服目前制備的P型AlGaN或p型GaN空穴濃度低，導致空穴注入效率低的問 題，提高空穴注入效率，以提高紫外發(fā)光管的輸出功率和效率。
【附圖說明】
[0017] 圖1 :具有微孔結構的NiO-AlGaN紫外發(fā)光管結構示意圖（這一技術方案能夠解 決下限制層3的晶體質量問題）；
[0018] 圖2 :具有非極性或半極性面多量子阱發(fā)光層4的微孔結構NiO-AlGaN紫外發(fā)光 管結構示意圖（這一技術方案是在圖1所示方案的基礎上，解決極化效應的問題）；
[0019] 圖3 :微孔結構n-AlGaN下限制層3的制備工藝過程示意圖。
[0020] 圖4 :正常生長的AlGaN薄膜（a)與利用微孔結構生長AlGaN薄膜（b)的原子力 顯微鏡照片
[0021] 圖5 :實施例1發(fā)光器件的電注入發(fā)光譜圖；
[0022] 圖6 :常規(guī)的LED與利用微孔法制成的LED的光輸出強度對比。
[0023] 圖中部件1為襯底，2為AlN緩沖層，3為具有微孔結構的下限制層，4為AlGaN材 料系多量子阱發(fā)光層，5為p型AlGaN上限制層，6為p型NiO空穴注入層，7為下電極，8為 上電極，9為出光方向箭頭。
【具體實施方式】
[0024] 實施例1 :
[0025] 波長360nm左右的具有微孔結構的NiO-AlGaN紫外