本發(fā)明涉及LED技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種紫外LED外延結(jié)構(gòu)及其制造方法。

背景技術(shù)：

發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）被廣泛的應(yīng)用于顯示器、電視機(jī)采光裝飾和照明。

隨著技術(shù)的發(fā)展，紫外發(fā)光二極管（UV LED）在生物醫(yī)療、防偽鑒定、凈化( 水、空氣等)領(lǐng)域、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲和軍事等方面有著廣闊的市場應(yīng)用前景。除此之外，紫外LED也越來越受到照明市場的關(guān)注。因?yàn)橥ㄟ^紫外LED激發(fā)三基色熒光粉，可獲得普通照明的白光。

然而，鋁氮化鎵(AlInGaN)基紫外LED外延生長于藍(lán)寶石襯底, 發(fā)光阱承受張應(yīng)力，導(dǎo)致輕孔穴帶能量較重孔穴帶高，使得輻射復(fù)合時光的極化呈現(xiàn)橫磁（TM）模態(tài)，光的傳播傾向于平面?zhèn)鞑?，光在平面?nèi)經(jīng)多次反射后被吸收損耗，進(jìn)而影響光的輸出。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種AlInGaN基紫外LED外延結(jié)構(gòu)及其制造方法，以解決紫外LED因光在平面?zhèn)鞑r被損耗而造成出光效率低的問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案如下：

一種AlInGaN基紫外LED外延結(jié)構(gòu)，所述LED外延結(jié)構(gòu)依次包括：

襯底；

高溫u-AlGaN層；

位于所述高溫u-AlGaN層上的高溫n-AlGaN層；

位于所述高溫n-AlGaN層上的n-AlGaN粗化層；

位于所述n-AlGaN粗化層上的低溫AlInGaN/AlGaN超晶格層，所述低溫AlInGaN/AlGaN超晶格層包括層疊設(shè)置的低溫AlInGaN層和低溫AlGaN層；

位于所述低溫AlInGaN/AlGaN超晶格層上的高溫p-AlGaN電子阻擋層；

位于所述高溫p-AlGaN電子阻擋層上的高溫p-AlGaN披覆層；

位于所述高溫p-AlGaN披覆層上的高溫p-GaN接觸層；

其中，所述襯底與高溫u-AlGaN層之間設(shè)置SiO₂圖形化掩模和緩沖層。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述SiO₂圖形化掩模為正三角形陣列排布，相鄰所述正三角形之間設(shè)置間隔。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述正三角形邊長1~5μm。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，相鄰的所述正三角形之間間隔0.1~0.5μm。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述緩沖層位于所述相鄰正三角形之間的間隔處。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述SiO₂圖形化掩模制備于所述緩沖層上。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述緩沖層為AlGaN或AlN緩沖層。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述AlInGaN/AlGaN超晶格層包括3~15個周期層疊設(shè)置的低溫AlInGaN層和低溫AlGaN層。

相應(yīng)地，一種AlInGaN基紫外LED外延結(jié)構(gòu)的制造方法，所述方法包括以下步驟：

S1、將預(yù)作SiO₂圖形的襯底放置在MOCVD反應(yīng)室中的載盤上，并在1080~1100℃下對襯底進(jìn)行高溫處理5~10分鐘；

S2、在500~550℃、200~500Torr條件下，外延生長10~30nm的緩沖層；

S3、在1080~1200℃、50~200Torr條件下，生長2~4μm的高溫u-AlGaN層；

S4、在1080~1150℃、100~200Torr條件下，生長1~2μm的高溫n-AlGaN層，摻雜濃度為5E18~1E19；

S5、在900~1050℃、300~600Torr條件下，生長0.5~1μm的n-AlGaN粗化層, 摻雜濃度為5E18~1E19；

S6、在950~1100℃、200~300Torr條件下，依次生長1~50nm的低溫AlInGaN層和AlGaN層，重復(fù)3~15個周期，形成低溫AlInGaN/AlGaN超晶格層；

S7、在950~1100℃、100~400Torr條件下，生長30~100nm的高溫p-AlGaN電子阻擋層；

S8、在950~1100℃、100~400Torr條件下，生長20~80nm的高溫p-AlGaN披覆層；

S9、在800~1000℃、100~400Torr條件下，生長5~20nm的高溫p-GaN接觸層。

相應(yīng)地，又一種AlInGaN基紫外LED外延結(jié)構(gòu)的制造方法，所述方法包括以下步驟：

S1’、于襯底上爐外制備緩沖層；

S2’、于緩沖層上鍍覆SiO₂并制作圖形，以氫氟酸、BOE或等離子體將圖形間隔區(qū)域的SiO₂刻蝕去除；

S3’、在1080~1200℃、50~200Torr條件下，生長2~4μm的高溫u-AlGaN層；

S4’、在1080~1150℃、100~200Torr條件下，生長1~2μm的高溫n-AlGaN層，摻雜濃度為5E18~1E19；

S5’、在900~1050℃、300~600Torr條件下，生長0.5~1μm的n-AlGaN粗化層, 摻雜濃度為5E18~1E19；

S6’、在950~1100℃、200~300Torr條件下，依次生長1~50nm的低溫AlInGaN層和AlGaN層，重復(fù)3~15個周期，形成低溫AlInGaN/AlGaN超晶格層；

S7’、在950~1100℃、100~400Torr條件下，生長30~100nm的高溫p-AlGaN電子阻擋層；

S8’、在950~1100℃、100~400Torr條件下，生長20~80nm的高溫p-AlGaN披覆層；

S9’、在800~1000℃、100~400Torr條件下，生長5~20nm的高溫p-GaN接觸層。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用n型AlGaN粗化層，后續(xù)外延層延續(xù)此粗化表面生長，從而打斷連續(xù)的二維平面生長，使發(fā)光區(qū)所產(chǎn)生的光得以從側(cè)面輸出，避免光于平面內(nèi)多次反射最終被吸收損耗。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明中AlInGaN基紫外LED外延結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中襯底層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖2中SiO₂圖形的局部放大示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

參圖1所示，本發(fā)明公開了一種AlInGaN基紫外LED外延結(jié)構(gòu)，從下向上依次包括：襯底10、緩沖層20、高溫u-AlGaN層30、高溫n-AlGaN層40、n-AlGaN粗化層50、低溫AlInGaN/AlGaN超晶格層60、高溫p-AlGaN電子阻擋層70、高溫p-AlGaN披覆層80及高溫p-GaN層90。

本發(fā)明的外延結(jié)構(gòu)采用n-AlGaN粗化層50，后續(xù)外延層延續(xù)此粗化表面生長，最終表面呈現(xiàn)不平整的狀態(tài)，形成粗化V型開口100，為低溫AlInGaN/AlGaN紫外發(fā)光層60限定一側(cè)面出光通道。如圖1箭頭所示，低溫AlInGaN/AlGaN超晶格層60產(chǎn)生的光線至少部分從粗化V型開口100輸出，提高了出光效率。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明中各外延層所定義的“高溫”或“低溫”分別對應(yīng)不同外延層生長工藝中的不同溫度，不同外延層中的“高溫”或“低溫”對應(yīng)的范圍不同。

具體地，以下對LED外延結(jié)構(gòu)的各外延層進(jìn)行具體說明。

襯底10，優(yōu)選地，該襯底為圖形化藍(lán)寶石襯底，當(dāng)然，襯底也可以為平片藍(lán)寶石襯底、或其他材料的平片或圖形化襯底。襯底10可預(yù)作SiO₂圖形，參考圖2及圖3，SiO₂圖形包含密集排布的正三角形陣列，相鄰正三角形之間設(shè)置間隔。其中，正三角形邊長1~5μm，間隔0.1~0.5μm。SiO₂圖形間隔處為襯底裸露區(qū)域，以SiO₂為掩模，后續(xù)外延層于此襯底裸露區(qū)域外延生長。

緩沖層20，為低溫AlGaN層或AlN層等。進(jìn)一步地，緩沖層可以在MOCVD原位生長，也可以預(yù)先使用物理沉積方式如濺射進(jìn)行預(yù)生長。其中，若使用預(yù)生長AlN工藝，可先對襯底10進(jìn)行AlN生長以制備緩沖層20，再進(jìn)行SiO₂ 圖形制備，使AlN緩沖層20局部裸露。

高溫u-AlGaN層30（1080~1200℃、50~200Torr條件下生長），該層厚度為2~4μm。

高溫n-AlGaN層40（1080~1150℃、100~200Torr條件下生長），該層厚度為1~2μm，摻雜濃度為5E18~1E19。

n-AlGaN粗化層50（900~1050℃、300~600Torr條件下生長），該層厚度為0.5~1μm，摻雜濃度為5E18~1E19。

低溫AlInGaN/AlGaN超晶格層60（950~1100℃、200~300Torr條件下生長），低溫AlInGaN/AlGaN超晶格層包括層疊設(shè)置的1~50nm的低溫AlInGaN層和低溫AlGaN層，如此形成發(fā)光層。

高溫p-AlGaN電子阻擋層70（950~1100℃、100~400Torr條件下生長），該層厚度為30~100nm。

高溫p-AlGaN披覆層80（950~1100℃、100~400Torr條件下生長），該層厚度為20~80nm。

高溫p-GaN接觸層90（800~1000℃、100~400Torr條件下生長），該層厚度為5~20nm。

相應(yīng)地，一種AlInGaN基紫外LED外延結(jié)構(gòu)的制造方法，具體包括以下步驟：

S1、將預(yù)作SiO₂圖形的襯底放置在MOCVD反應(yīng)室中的載盤上，并在1080~1100℃下對襯底進(jìn)行高溫處理5~10分鐘；

S2、在500~550℃、200~500Torr條件下，外延生長10~30nm的緩沖層；

S3、在1080~1200℃、50~200Torr條件下，生長2~4μm的高溫u-AlGaN層；

S4、在1080~1150℃、100~200Torr條件下，生長1~2μm的高溫n-AlGaN層，摻雜濃度為5E18~1E19；

S5、在900~1050℃、300~600Torr條件下，生長0.5~1μm的n-AlGaN粗化層, 摻雜濃度為5E18~1E19；

S6、在950~1100℃、200~300Torr條件下，依次生長1~50nm的低溫AlInGaN層和AlGaN層，重復(fù)3~15個周期，形成低溫AlInGaN/AlGaN量子阱超晶格層；

S7、在950~1100℃、100~400Torr條件下，生長30~100nm的高溫p-AlGaN電子阻擋層；

S8、在950~1100℃、100~400Torr條件下，生長20~80nm的高溫p-AlGaN披覆層；

S9、在800~1000℃、100~400Torr條件下，生長5~20nm的高溫p-GaN接觸層。

相應(yīng)地，又一種AlInGaN基紫外LED外延結(jié)構(gòu)的制造方法，具體包括以下步驟：

S1’、于襯底上爐外制備緩沖層；

S2’、于緩沖層上鍍覆SiO₂并制作圖形，以氫氟酸、BOE或等離子體將圖形間隔區(qū)域的SiO₂刻蝕去除；

其余步驟同前述S3~S9。

以下結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例一：

本實(shí)施例中的AlInGaN基紫外LED外延結(jié)構(gòu)從下向上依次包括：

襯底，該襯底為圖形化藍(lán)寶石襯底或平片藍(lán)寶石襯底。

SiO₂掩模，呈正三角形陣列排布，邊長1~5μm，正三角形間間隔0.1~0.5μm。

緩沖層（540℃、300Torr條件下生長），緩沖層為低溫AlGaN層，該層厚度為30nm。

高溫u-AlGaN層（1120℃、50Torr條件下生長），該層厚度為3μm。

高溫n-AlGaN層（1100℃、50Torr條件下生長），該層厚度為1.5μm，摻雜濃度為8E18。

n-AlGaN粗化層（900℃、500Torr條件下生長），該層厚度為0.7μm。

低溫AlInGaN/AlGaN紫外發(fā)光層（980℃、100Torr條件下生長）。

高溫p-AlGaN電子阻擋層（950℃、100Torr條件下生長），該層厚度為30nm。

高溫p-AlGaN披覆層（980℃、100Torr條件下生長），該層厚度為40nm。

高溫p-GaN層（880℃、100Torr條件下生長），該層厚度為8nm。

相應(yīng)地，本實(shí)施例AlInGaN基紫外LED外延結(jié)構(gòu)的制造方法，具體包括以下步驟：

S1、將預(yù)作SiO₂圖形的藍(lán)寶石襯底放置在MOCVD反應(yīng)室中的載盤上，并在1080~1100℃下對襯底進(jìn)行高溫處理5~10分鐘；

S2、在540℃、300Torr條件下，外延生長30nm的低溫AlGaN緩沖層；

S3、在1120℃、50Torr條件下，生長3μm的高溫u-AlGaN層；

S4、在1100℃、50Torr條件下，生長1.5μm的高溫n-AlGaN層，摻雜濃度為8E18；

S5、在900℃、500Torr條件下，生長0.7μm的n-AlGaN粗化層，摻雜濃度為8E18；

S6、在980℃、100Torr條件下，依次生長50nm的低溫AlInGaN層和AlGaN層，重復(fù)10個周期，形成低溫AlInGaN/AlGaN量子阱超晶格層；

S7、在950℃、100Torr條件下，生長30nm的高溫p-AlGaN電子阻擋層；

S8、在980℃、100Torr條件下，生長40nm的高溫p-AlGaN披覆層；

S9、在880℃、100Torr條件下，生長8nm的高溫p-GaN接觸層。

實(shí)施例二：

本實(shí)施例中的AlInGaN基紫外LED外延結(jié)構(gòu)從下向上依次包括：

襯底，該襯底為圖形化藍(lán)寶石襯底或平片藍(lán)寶石襯底。

緩沖層，使用濺射方法預(yù)生長于襯底層上，為AlN層，該層厚度為20nm。

SiO₂掩模，呈正三角形陣列排布，邊長1~5μm，正三角形間間隔0.1~0.5μm。

高溫u-AlGaN層（1120℃、50Torr條件下生長），該層厚度為3μm。

高溫n-AlGaN層（1100℃、50Torr條件下生長），該層厚度為1.5μm，摻雜濃度為8E18。

n-AlGaN粗化層（900℃、500Torr條件下生長），該層厚度為0.7μm。

低溫AlInGaN/AlGaN紫外發(fā)光層（980℃、100Torr條件下生長）。

高溫p-AlGaN電子阻擋層（950℃、100Torr條件下生長），該層厚度為30nm。

高溫p-AlGaN披覆層（980℃、100Torr條件下生長），該層厚度為40nm。

高溫p-GaN層（880℃、100Torr條件下生長），該層厚度為8nm。

相應(yīng)地，本實(shí)施例AlInGaN基紫外LED外延結(jié)構(gòu)的制造方法，具體包括以下步驟：

S1’、于藍(lán)寶石襯底上使用濺射機(jī)臺制備20nm AlN緩沖層；

S2’、于AlN緩沖層上鍍覆SiO₂，在SiO₂上制作邊長為2μm的正三角形圖形，正三角形間距為0.5μm，并以氫氟酸、BOE或等離子體將該區(qū)域SiO₂刻蝕去除，清理AlN緩沖層上的氧化物；

S3’、在1120℃、50Torr條件下，生長3μm的高溫u-AlGaN層；

S4’、在1100℃、50Torr條件下，生長1.5μm的高溫n-AlGaN層，摻雜濃度為8E18；

S5’、在900℃、500Torr條件下，生長0.7μm的n-AlGaN粗化層，摻雜濃度為8E18；

S6’、在980℃、100Torr條件下，依次生長50nm的低溫AlInGaN層和AlGaN層，重復(fù)10個周期，形成低溫AlInGaN/AlGaN量子阱超晶格層；

S7’、在950℃、100Torr條件下，生長30nm的高溫p-AlGaN電子阻擋層；

S8’、在980℃、100Torr條件下，生長40nm的高溫p-AlGaN披覆層；

S9’、在880℃、100Torr條件下，生長8nm的高溫p-GaN接觸層。

實(shí)施例一與實(shí)施例二相比，SiO₂圖形與緩沖層的形成順序互換，相應(yīng)地，其制造方法不同，其余外延層的結(jié)構(gòu)和厚度等完全相同。

本發(fā)明在襯底設(shè)置SiO₂圖形化掩模，并加入高溫n-AlGaN粗化層。為了加速粗化面的形成, 插入原位硅烷處理，外延層沿著AlGaN或AlN緩沖層（位錯密集處）形成坑洞，從而實(shí)現(xiàn)粗化外延生長。其中，高溫u-AlGaN層及高溫n-AlGaN層通過溫度及壓力的調(diào)節(jié)促進(jìn)橫向生長以覆蓋SiO₂，n-AlGaN粗化層通過提高外延長晶壓力以及降低外延長晶溫度實(shí)現(xiàn)，后續(xù)外延層延續(xù)此粗化表面生長，形成粗化V型開口。發(fā)光層的光線從該粗化V型開口輸出，提高了出光效率。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個實(shí)施方式僅包含一個獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。