CN110224047B - 基于P型掺杂AlScN/AlScN超晶格势垒层的高效发光二极管及制备方法 - Google Patents
基于P型掺杂AlScN/AlScN超晶格势垒层的高效发光二极管及制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110224047B CN110224047B CN201910465077.9A CN201910465077A CN110224047B CN 110224047 B CN110224047 B CN 110224047B CN 201910465077 A CN201910465077 A CN 201910465077A CN 110224047 B CN110224047 B CN 110224047B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- reaction chamber
- flow rate
- type
- source
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 title claims abstract description 73
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 6
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims abstract description 35
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 25
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims abstract description 13
- AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N digallium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Ga+3].[Ga+3] AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 229910001195 gallium oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 247
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 49
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 42
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 39
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 27
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 26
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 22
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims description 13
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 13
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 9
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 6
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 6
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 5
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 2
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 claims 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 claims 1
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 claims 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 abstract 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 12
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 8
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 5
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 3
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 239000003124 biologic agent Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000013329 compounding Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 230000001954 sterilising effect Effects 0.000 description 1
- 238000004659 sterilization and disinfection Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/005—Processes
- H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
- H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
- H01L33/007—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
- H01L33/06—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/26—Materials of the light emitting region
- H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
- H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于P型掺杂AlScN/AlScN超晶格势垒层的高效发光二极管及制备方法，主要解决现有p型区空穴注入效率低，量子阱当中存在电子泄漏的问题。其自下而上包括：氧化镓衬底层、高温AlN成核层、n型GaN层，n型GaN层的上面设有电极和工作区层，工作区层的上面依次设有电子阻挡层、p型层和电极，该工作区层包含六个周期AlxGa1‑xN/AlyGa1‑yN的多量子阱层和一个势垒层，且势垒层采用P型掺杂AlmSc1‑mN/AlnSc1‑nN超晶格结构，以实现与电子阻挡层间的电子耗尽，本发明减少了电子泄漏，降低了空穴注入势垒，提高了量子阱中空穴浓度，可用来制做高效率的紫外和深紫外发光设备。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种高效发光二极管，可用来制做高效率的紫外和深紫外发光设备。
技术背景
由于AlGaN材料发光波长可短至200nm，故成为制作紫外和深紫外发光二极管的重要材料，可广泛应用于水净化、生物制剂检测、杀菌、医药等方面。
在氮化物发光二极管中，由于p型层中Mg的离化率低且空穴迁移率低，而n型层中Si的离化率高且迁移率高，往往会引起空穴注入量子阱的效率低下以及电子向P型区域的泄漏，这一过程往往会引起UV发光二极管发光效率的降低。因此，在AlGaN材料中如何提高空穴注入量子阱的效率以及降低电子的泄漏成为了UV光电器件领域的一个具有挑战性的课题。
目前常见的紫外发光二极管在c面蓝宝石衬底上生长，结构包含n型GaN层、多量子阱垒层、电子阻挡层和p型层等结构，通过电子和空穴在量子阱中复合来实现发光，其中p型层通常用均匀掺杂Mg的AlGaN材料制作。但是由于最后一层AlGaN势垒层的铝组分通常较AlGaN电子阻挡层小，所以在他们的界面上会形成极化正电荷，这些电荷会使得能带向下弯曲，形成电子的累积，使得电子更容易逃离量子阱。同时，电子阻挡层也会增大空穴注入量子阱的势垒高度，引起空穴注入效率的降低。这些问题均会导致发光二极管发光效率的降低。
发明内容
本发明的目的在于针对传统发光二极管的不足，提出一种基于P型掺杂AlScN/AlScN超晶格势垒层的高效发光二极管及制备方法，以在减少电子泄漏的同时促进空穴的注入效率，提高器件发光效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
1.一种基于P型掺杂AlScN/AlScN超晶格势垒层的高效发光二极管，自下而上包括：氧化镓衬底层、高温AlN成核层(2)、n型GaN层(3)，n型GaN层(3)的上面设有电极(7)和工作区层(4)，工作区层(4)的上面依次设有AlzGa1-zN电子阻挡层(5)、p型层(6)和电极(7)，该工作区层(4)包含：六个周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层(41)和一个势垒层(42)，其特征在于：势垒层(42)采用P型掺杂AlmSc1-mN/AlnSc1-nN超晶格结构，以在超晶格势垒层与电子阻挡层(5)之间实现电子的耗尽，减少电子的泄漏，降低空穴注入势垒，提高量子阱中空穴的浓度，其中n>m。
进一步，所述P型掺杂AlmSc1-mN/AlnSc1-nN超晶格结构，是由每个AlmSc1-mN层和它上面的AlnSc1-nN层组合为一个周期，共有3-8个周期，且每个AlmSc1-mN层和每个AlnSc1-nN层的厚度均为1-3nm。
进一步，所述高温AlN成核层(2)的厚度为20-50nm；所述n型GaN层(3)的厚度为2000-4500nm；所述AlzGa1-zN电子阻挡层(5)的厚度为20nm，z的调整范围为0.3-1；所述AlcGa1-cN电子阻挡层(6)的厚度为100-300nm，c的调整范围为0-0.5。
进一步，所述六个周期AlxGa1-xN/AlyGa1-yN的多量子阱层(41)中，每个单层AlxGa1- xN阱层和AlyGa1-yN垒层的厚度分别为1-3nm和12-18nm，Al含量x和y的调整范围分别为0-0.8和0.1-0.95。
2.一种基于P型掺杂AlScN/AlScN超晶格势垒层的高效发光二极管制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)对氧化镓衬底进行加热和高温氮化的预处理：
2)在氮化后的衬底上采用MOCVD工艺生长厚度为20-50nm的高温AlN成核层；
3)在AlN成核层上采用MOCVD工艺生长厚度为2000-4500nm的n型GaN层；
4)在n型GaN层上采用MOCVD工艺生长六个周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层，其中每个单层AlxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层的厚度分别为1-3nm和12-18nm，Al含量x和y的调整范围0-0.8和0.1-0.95；
5)在AlxGa1-xN/AlyGa1-yN的多量子阱层上采用MOCVD工艺生长P型掺杂AlmSc1-mN/AlnSc1-nN超晶格结构的势垒层，每个AlmSc1-mN层和每个AlnSc1-nN层的厚度调整范围为1-3nm，m和n的调整范围均为0-1，并且n>m；
6)在势垒层上采用MOCVD工艺生长厚度为20nm的AlzGa1-zN电子阻挡层,z的调整范围为0.3-1；
7)在AlzGa1-zN电子阻挡层上采用MOCVD工艺生长厚度为100-300nm的p型AlcGa1-cN层，其中，c的调整范围为0-0.5；
8)在生长完p型层后进行5-12min退火，将部分区域刻蚀至n型GaN层，再采用溅射金属的方法分别在n型GaN层上沉积n型电极，在p型层上沉积p型电极，完成对发光二极管的制作。
本发明由于采用P型掺杂AlmSc1-mN/AlnSc1-nN超晶格结构的势垒层，与传统的LED的制备方法相比，具有如下优点：
1.有效提高了电子阻挡层对电子的势垒高度，并且在最后一层超晶格势垒层和电子阻挡层间实现了电子的耗尽，减少了电子的泄漏。
2.能够降低空穴注入势垒的同时P型掺杂AlmSc1-mN/AlnSc1-nN超晶格结构也能成为空穴补给层，从而极大提高了量子阱中空穴的浓度，提高了载流子的辐射复合。
3.由于减少了电子的泄漏和载流子的辐射复合的提高，从而使器件的各项性能指标均有极大的提升。
附图说明
图1是本发明高效发光二极管的结构图；
图2是本发明制作图1二极管的流程示意图；
图3是本发明结构和传统结构的能带图；
图4是本发明结构和传统结构的空穴浓度分布图；
图5是本发明结构和传统结构外量子效率随电流变化的关系图；
图6是本发明结构和传统结构光输出功率随电流变化的关系图；
图7是本发明结构和传统结构EL强度随波长变化的关系图；
图8是本发明结构和传统结构各量子阱的辐射复合率。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1，本发明的器件结构包括：氧化镓衬底层1、高温AlN成核层2、n型GaN层3、工作区层4、AlGaN电子阻挡层5、p型层6和电极7。其中高温AlN成核层2位于氧化镓衬底层1之上，其厚度为20-50nm；该n型GaN层3位于高温AlN成核层2之上，其厚度为2000-4500nm；电极7和工作区层4位于n型GaN层3之上，其中工作区层4包含六个周期AlxGa1-xN/AlyGa1-yN的多量子阱层41和一个势垒层42，六个周期AlxGa1-xN/AlyGa1-yN的多量子阱层41中，每个单层AlxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层的厚度分别为1-3nm和12-18nm，Al含量x和y的调整范围分别为0-0.8和0.1-0.95，势垒层42采用P型掺杂AlmSc1-mN/AlnSc1-nN超晶格结构，且每个AlmSc1- mN层和它上面的AlnSc1-nN层组合为一个周期，共有3-8个周期，每个AlmSc1-mN层和每个AlnSc1-nN层的厚度均为1-3nm，m和n的调整范围均为0-1，并且n>m；该AlzGa1-zN电子阻挡层5位于势垒层42之上，其厚度为20nm，z的调整范围为0.3-1，以在超晶格势垒层与电子阻挡层5之间实现电子的耗尽，减少电子的泄漏，降低空穴注入势垒，提高量子阱中空穴的浓度；AlcGa1-cN P型层6位于AlzGa1-zN电子阻挡层5之上，其厚度为100-300nm，c的调整范围为0-0.5；电极7包括n型电极和p型电极，分别位于n型GaN层3和p型层6之上。该AlxGa1-xN/AlyGa1- yN多量子阱结构4中的Al含量的参数x和y的调整范围分别为0-0.8和0.1-0.95，不同Al含量的量子阱可制备出发光范围为235nm-365nm的LED。
参照图2，本发明给出制备基于P型掺杂AlmSc1-mN/AlnSc1-nN超晶格势垒层的高效发光二极管给出如下三种实施例。
实施例1，制备一种发光波长为365nm的发光二极管。
步骤一，对衬底基片预处理。
1a)将氧化镓衬底经过清洗之后，置于金属有机化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低至3×10-2Torr；向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到为25Torr条件下，将衬底加热到温度为900℃，并保持10min，完成对衬底基片的热处理；
1b)将热处理后的衬底置于温度为1000℃的反应室，通入流量为3500sccm的氮源，持续3min进行氮化，完成氮化。
步骤二，生长高温AlN层,如图2(a)。
在氮化后的衬底上采用MOCVD工艺在反应室温度为950℃的条件下，保持反应室压力为20Torr，同时通入流量为3000sccm的氮源和流量为20sccm的铝源，生长厚度为20nm的高温AlN成核层。
步骤三，生长n型GaN层，如图2(b)。
在AlN成核层上采用MOCVD工艺在反应室温度为950℃的条件下，同时通入流量为2500sccm的氮源、流量为150sccm的镓源和流量为10sccm的硅源这三种气体，在保持压力为20Torr的条件下生长厚度为2000nm的n型GaN层。
步骤四，生长GaN/Al0.1Ga0.9N多量子阱结构，如图2(c)。
在n型GaN层上采用MOCVD工艺在反应室温度为950℃、保持压力为20Torr的条件下生长六个周期的GaN/Al0.1Ga0.9N量子阱层，每个周期的单层GaN阱层和Al0.1Ga0.9N垒层的厚度分别为3nm和12nm，其中生长过程中氮源的流量保持在1000sccm，且在生长GaN阱层时保持镓源流量为80sccm；在生长Al0.15Ga0.85N垒层时保持镓源流量为60sccm，氮源流量为1000sccm，铝源流量为120sccm。
步骤五，生长P型掺杂Al0.15Sc0.85N/Al0.3Sc0.7N超晶格的势垒层，如图2(d)。
GaN/Al0.15Ga0.85N量子阱层的上方采用MOCVD工艺在反应室温度为900℃的条件下，同时通入流量为1000sccm的氮源和流量为100sccm的镁源，保持压力为20Torr生长3个周期的Al0.15Sc0.85N/Al0.3Sc0.7N超晶格，每个周期的单层Al0.15Sc0.85N阱层和Al0.3Sc0.7N垒层的厚度分别为2nm和2nm，其中在生长Al0.15Sc0.85N阱层时保持镓源流量为40sccm，铝源流量为160sccm；在生长Al0.3Sc0.7N垒层时保持保持镓源流量为80sccm，铝源流量为220sccm。
步骤六，生长Al0.35Ga0.65N电子阻挡层，如图2(e)。
在P型掺杂Al0.15Sc0.85N/Al0.3Sc0.7N超晶格的势垒层上采用MOCVD工艺在反应室温度为950℃的条件下，保持压力为20Torr的条件下生长厚度为20nm的Al0.35Ga0.65N层，生长过程中保持氮源的流量为2500sccm，镓源流量为150sccm，铝源流量为50sccm，镁源的流量为100sccm。
步骤七，生长p型层，如图2(f)。
在Al0.35Ga0.65N电子阻挡层的上方采用MOCVD工艺在反应室温度为950℃的条件下，同时通入流量为2500sccm的氮源和流量为100sccm的镁源，铝源流量为50sccm，镓源流量为70sccm，保持压力为20Torr生长100nm的P型Al0Ga1N。
步骤八，淀积电极，如图2(g)。
将反应室温度维持在950℃，在H2气氛下，进行退火5min，将部分区域刻蚀至n型GaN层，再采用溅射金属的方法分别在n型GaN层上沉积n型电极，在p型层沉积p型电极，完成对波长为365nm的紫外LED器件的制作。
实施例2，制备一种发光波长为283nm的发光二极管。
步骤1，对衬底基片进行预处理。
本步进行的具体实施与实施例1的步骤一相同。
步骤2，生长高温AlN层,如图2(a)。
在氮化后的衬底上采用MOCVD工艺在反应室温度为1200℃且MOCVD反应室压力达到为340Torr的条件下，同时通入流量为3500sccm的氮源和流量为30sccm的铝源，生长厚度为30nm的高温AlN成核层。
步骤3，生长n型GaN层，如图2(b)。
在AlN成核层上采用MOCVD工艺在反应室温度为1300℃的条件下，同时通入流量为2700sccm的氮源，流量为160sccm的镓源和流量为15sccm的硅源，在保持压力为40Torr的条件下生长厚度为2800nm的n型GaN层。
步骤4，在n型GaN层上，采用MOCVD工艺生长Al0.5Ga0.5N/Al0.7Ga0.3N多量子阱结构，如图2(c)。
4.1)在反应室温度为1000℃、压力为40Torr的条件下，通入流量为2000sccm的氮源；
4.2)保持镓源流量为45sccm，铝源流量为150sccm，生长1nm的Al0.5Ga0.5N阱层，再保持镓源流量为90sccm，铝源流量为180sccm，在Al0.5Ga0.5N阱层上生长14nm的Al0.7Ga0.3N垒层，每个阱层和垒层组成一个周期的Al0.5Ga0.5N/Al0.7Ga0.3N量子阱，以此方法共生长6个周期。
步骤5，生长P型掺杂的Al0.6Sc0.4N/Al0.8Sc0.2N势垒层，如图2(d)
5.1)在反应室温度为1000℃、压力为40Torr的条件下，同时通入流量1300sccm的氨气、流量为200sccm的铝源和流量为180sccm的镁源；
5.2)保持镓源流量为68sccm，在Al0.5Ga0.5N/Al0.7Ga0.3N多量子阱结构的上方生长1nm的Al0.6Sc0.4N，再保持铝源流量为40sccm，在Al0.6Sc0.4N上方生长1nm的Al0.8Sc0.2N，每个Al0.6Sc0.4N和Al0.8Sc0.2N组成一个周期的Al0.6Sc0.4N/Al0.8Sc0.2N超晶格，以此方法共生长6个周期。
步骤6，生长Al0.66Ga0.34N电子阻挡层，如图2(e)。
在多量子阱上采用MOCVD工艺在反应室温度为1000℃的条件下，保持压力为40Torr的条件下在P型掺杂的Al0.6Sc0.4N/Al0.8Sc0.2N势垒层的上方生长厚度为30nm的Al0.6Ga0.4N层，生长过程中保持氮源的流量为1000sccm，镓源流量为40sccm，铝源流量为160sccm。
步骤7，在Al0.66Ga0.34N电子阻挡层的上方采用MOCVD工艺生长p型层，如图2(f)。
6.1)在反应室温度为1000℃、压力为20Torr的条件下，同时通入流量2700sccm的氨气、流量为250sccm的铝源和流量为180sccm的镁源；
6.2)保持镓源流量为180sccm，在Al0.66Ga0.34N电子阻挡层的上方生长200nm的P型Al0.2Ga0.8N作为空穴注入层。
步骤8，淀积电极，如图2(g)。
将反应室温度维持在1250℃，在H2气氛下，退火5min，再采用溅射金属的方法分别在n型GaN层上沉积n型电极，在p型GaN层沉积p型电极，完成对波长为283nm的深紫外LED器件的制作。
实施例3，制备一种发光波长为233nm的发光二极管。
步骤A，对衬底进行预处理。
本步进行的具体实施与实施例1的步骤一相同。
步骤B，生长高温AlN层,如图2(a)。
在氮化后的衬底上采用MOCVD工艺在反应室温度为1300℃且反应室压力达到为400Torr的条件下，同时通入流量为4000sccm的氮源和流量为40sccm的铝源，生长厚度为50nm的高温AlN成核层。
步骤C，生长n型GaN层，如图2(b)。
在AlN成核层上采用MOCVD工艺在反应室温度为1500℃的条件下，同时通入流量为3000sccm的氮源，流量为180sccm的镓源和流量为20sccm的硅源，在保持压力为60Torr的条件下生长厚度为4500nm的n型GaN层。
步骤D，在n型GaN层上采用MOCVD工艺生长Al0.8Ga0.2N/Al0.95Ga0.05N多量子阱结构，如图2(c)。
D1)在反应室温度为1100℃、压力为60Torr的条件下，通入流量为3000sccm的氮源；
D2)保持镓源流量为180sccm、铝源流量为120sccm，在n型GaN层上生长一层厚度为2nm的Al0.8Ga0.2N阱层，再保持镓源流量为40sccm、铝源流量为200sccm，在Al0.8Ga0.2N阱层上生长一层厚度为18nm的Al0.95Ga0.05N垒层，每个阱层和其上面的垒层组成一个周期，共生长六个周期。
步骤E，生长P型掺杂的Al0.85Sc0.15N/Al0.95Sc0.05N势垒层，如图2(d)。
F1)在反应室温度为950℃、压力为60Torr的条件下，同时通入流量为1500sccm的氨气和流量为300sccm的镁源；
F2)保持镓源流量为54sccm，铝源流量为160sccm在Al0.8Ga0.2N/Al0.95Ga0.05N多量子阱结构的上方生长3nm的Al0.85Sc0.15N阱层，之后保持镓源流量为45sccm，铝源流量为220sccm，在Al0.85Sc0.15N上方生长3nm的Al0.95Sc0.05N垒层，每个阱层和其上面的垒层组成一个周期，共生长8个周期；
步骤F，生长Al0.94Ga0.06N电子阻挡层，如图2(e)。
采用MOCVD工艺在P型掺杂的Al0.85Sc0.15N/Al0.95Sc0.05N势垒层上生长厚度为20nm的Al0.94Ga0.06N层，其工艺条件如下：
反应室温度为900℃，压力为60Torr，氮源流量为1000sccm，镓源流量为40sccm，铝源流量为220sccm，镁源流量为220sccm。
步骤G，在Al0.94Ga0.06N电子阻挡层的上方采用MOCVD工艺生长p型层，如图2(f)。
G1)在反应室温度为1100℃、压力为60Torr的条件下，同时通入流量为3000sccm的氨气和流量为300sccm的镁源；保持镓源流量为160sccm，铝源流量为60sccm，在Al0.5Ga0.5N电子阻挡层的上方生长300nm的Al0.5Ga0.5N作为P型空穴注入层；
G2)将反应室温度维持在300℃，在H2气氛下，退火12min。
步骤H，淀积电极，如图2(g)。
将部分区域刻蚀至n型GaN层，再采用溅射金属的方法分别在n型GaN层上沉积n型电极，在p型Al0.5Ga0.5N层沉积p型电极，完成对波长为233nm的紫外LED器件的制作。
本发明的的效果可通过实施例1的器件与传统结构的器件各性能指标进行仿真对比进行说明：
传统结构的器件结构中与实施例1的器件结构基本相同，传统结构的器件的势垒层采用非掺杂Al0.15Ga0.85N势垒层结构，实施例1的势垒层采用P型掺杂的Al0.15Sc0.85N/Al0.3Sc0.7N势垒层。
仿真1，对传统结构器件与实施例1器件的能带进行仿真，结果如图3，其中
图3(a)表示传统结构的器件在工作电流为300mA下的能带图，
图3(b)表示实施例1的器件在工作电流为300mA下的能带图。
由图3可见，由于传统结构器件在电子阻挡层和势垒层间形成了电子的积累，实施例1的器件在电子阻挡层和势垒层间形成了电子的耗尽，故实施例1的器件相较于传统结构器件，电子阻挡层的电子势垒ψe有明显提升。同时，由于P型掺杂超晶格势垒的极化作用产生的高浓度空穴部分通过扩散进入电子阻挡层，电子阻挡层的空穴浓度增大，故实施例1的器件相较于传统结构器件，其电子阻挡层的空穴势垒ψh明显降低。
该电子阻挡层的电子势垒ψe，是指电子阻挡层中导带和准费米能级间差值的极大值，该电子阻挡层的空穴势垒ψh，是指准费米能级和电子阻挡层中价带间差值的极大值。
仿真2，对传统结构器件与实施例1器件在工作电流为300mA下进行空穴浓度仿真，结果如图4。
由图4可见，实施例1器件较传统结构器件量子阱当中的空穴浓度大大提高。
仿真3，对传统结构器件与实施例1器件进行外量子效率随电流变化的仿真，结果如图5。
由图5可见，实施例1器件较传统结构器件在大电流下效率下降的droop效应明显减弱。
仿真4，对传统结构器件与实施例1器件进行光输出功率随电流变化的仿真，结果如图6。
由图6可见，在相同工作电流的情况下，实施例1器件较传统结构器件光输出功率提升明显。
仿真5，对传统结构器件与实施例1器件在工作电流为300mA下进行EL强度随波长变化的仿真，结果如图7。
由图7可见，实施例1器件较传统结构器件电致发光强度提升明显。
仿真6，对传统结构器件与实施例1器件在工作电流为300mA下进行各量子阱的辐射复合率的仿真，结果如图8。
由图8可见，实施例1器件较传统结构器件量子阱当中的辐射复合率提升明显。
以上描述仅是本发明的三个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明的原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (12)
1.一种基于P型掺杂AlScN/AlScN超晶格势垒层的高效发光二极管，自下而上包括：氧化镓衬底层(1)、高温AlN成核层(2)、n型GaN层(3)，n型GaN层(3)的上面设有电极(7)和工作区层(4)，工作区层(4)的上面依次设有AlzGa1-zN电子阻挡层(5)、p型层(6)和电极(7)，该工作区层(4)包含：六个周期AlxGa1-xN/AlyGa1-yN的多量子阱层(41)和一个势垒层(42)，其特征在于：势垒层(42)采用P型掺杂AlmSc1-mN/AlnSc1-nN超晶格结构，以在超晶格势垒层与电子阻挡层(5)之间实现电子的耗尽，减少电子的泄漏，降低空穴注入势垒，提高量子阱中空穴的浓度，其中n>m。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：P型掺杂AlmSc1-mN/AlnSc1-nN超晶格结构，是由每个AlmSc1-mN层和它上面的AlnSc1-nN层组合为一个周期，共有3-8个周期，且每个AlmSc1-mN层和每个AlnSc1-nN层的厚度均为1-3nm。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：
所述高温AlN成核层(2)的厚度为20-50nm；
所述n型GaN层(3)的厚度为2000-4500nm；
所述AlzGa1-zN电子阻挡层(5)的厚度为20nm，z的调整范围为0.3-1；
所述P型层(6)的厚度为100-300nm，c的调整范围为0-0.5。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：六个周期AlxGa1-xN/AlyGa1-yN的多量子阱层(41)中，每个单层AlxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层的厚度分别为1-3nm和12-18nm，Al含量x和y的调整范围分别为0-0.8和0.1-0.95。
5.一种基于P型掺杂AlScN/AlScN超晶格势垒层的高效发光二极管制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)对氧化镓衬底进行加热和高温氮化的预处理：
2)在氮化后的衬底上采用MOCVD工艺生长厚度为20-50nm的高温AlN成核层；
3)在AlN成核层上采用MOCVD工艺生长厚度为2000-4500nm的n型GaN层；
4)在n型GaN层上采用MOCVD工艺生长六个周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层，其中每个单层AlxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层的厚度分别为1-3nm和12-18nm，Al含量x和y的调整范围0.0-0.8和0.1-0.95；
5)在AlxGa1-xN/AlyGa1-yN的多量子阱层上采用MOCVD工艺生长P型掺杂AlmSc1-mN/AlnSc1- nN超晶格结构的势垒层，每个AlmSc1-mN层和每个AlnSc1-nN层的厚度调整范围为1-3nm，m和n的调整范围均为0-1，并且n>m；
6)在势垒层上采用MOCVD工艺生长厚度为20nm的AlzGa1-zN电子阻挡层,z的调整范围为0.3-1；
7)在AlzGa1-zN电子阻挡层上采用MOCVD工艺生长厚度为100-300nm的p型AlcGa1-cN层，其中，c的调整范围为0.0-0.5；
8)在生长完p型层后进行5-12min退火，将部分区域刻蚀至n型GaN层，再采用溅射金属的方法分别在n型GaN层上沉积n型电极，在p型层上沉积p型电极，完成对发光范围为233nm-365nm二极管的制作。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤1)对c面蓝宝石衬底进行加热和高温氮化的预处理，其实现如下：
首先，将反应室的真空度降低至3×10-2Torr，再向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到为25Torr的条件下，将衬底加热到温度为900℃，并保持10min，完成对衬底基片的热处理；
然后，将热处理后的衬底置于温度为1000℃的反应室，通入流量为3500sccm的氮源，持续3min进行氮化，完成氮化。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2)中采用MOCVD工艺生长高温AlN成核层，其是对反应室设置如下条件参数：
反应室温度为950-1300℃，
保持反应室压力为20-400Torr，
向反应室中同时通入流量为3000-4000sccm的氨气和流量为20-40sccm的铝源。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤3)中采用的MOCVD工艺生长n型GaN层，是对反应室设置如下条件参数：
反应室温度为950-1500℃；
保持反应室压力为20-60Torr；
向反应室同时通入流量为2500-3000sccm的氨气、流量为150-180sccm的镓源和流量为10-20sccm的硅源这三种气体。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤4)采用MOCVD工艺生长AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层，是对反应室设置如下条件参数：
反应室温度为950-1100℃；
保持反应室压力为20-60Torr；
向反应室中同时通入流量为1000-3000sccm的氮源、流量为40-180sccm的镓源和流量为120-200sccm的铝源这三种气体。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤5)中采用MOCVD工艺生长P型掺杂AlmSc1-mN/AlnSc1-nN超晶格结构的势垒层，是对反应室设置如下条件参数：
反应室温度为900-1100℃；
保持反应室压力为20-60Torr；
向反应室中同时通入流量为1000-1500sccm的氮源、流量为40-80sccm的镓源、流量为160-220sccm的铝源和流量为100-300sccm的镁源这四种气体。
11.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤6)采用MOCVD工艺生长AlzGa1-zN电子阻挡层，是对反应室设置如下条件参数：
反应室温度为950-1100℃；
保持反应室压力为20-60Torr；
向反应室同时通入流量为2500-3000sccm的氮源、流量为150-180sccm的镓源、流量为50-60sccm的铝源和流量为100-300sccm的镁源这四种气体。
12.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤7)采用MOCVD工艺生长p型AlcGa1-cN层，是对反应室设置如下条件参数：
反应室温度为950-1100℃；
保持反应室压力为20-60Torr；
向反应室同时通入流量为2500-3000sccm的氮源、流量为70-160sccm的镓源、流量为50-60sccm的铝源和流量为100-300sccm的镁源这四种气体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910465077.9A CN110224047B (zh) | 2019-05-30 | 2019-05-30 | 基于P型掺杂AlScN/AlScN超晶格势垒层的高效发光二极管及制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910465077.9A CN110224047B (zh) | 2019-05-30 | 2019-05-30 | 基于P型掺杂AlScN/AlScN超晶格势垒层的高效发光二极管及制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110224047A CN110224047A (zh) | 2019-09-10 |
| CN110224047B true CN110224047B (zh) | 2022-08-12 |
Family
ID=67818759
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910465077.9A Active CN110224047B (zh) | 2019-05-30 | 2019-05-30 | 基于P型掺杂AlScN/AlScN超晶格势垒层的高效发光二极管及制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110224047B (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111048630A (zh) * | 2019-10-24 | 2020-04-21 | 北京中科优唯科技有限公司 | 一种深紫外led芯片制造方法 |
| CN111048636A (zh) * | 2019-12-23 | 2020-04-21 | 江苏如高第三代半导体产业研究院有限公司 | 一种氧化镓基紫外发光二极管及其制备方法 |
| CN111785794B (zh) * | 2020-07-20 | 2023-09-08 | 西安电子科技大学 | 基于ScAlN与InAlN极化插入层增强电场的N极性InGaN基太阳能电池 |
| CN115548177B (zh) * | 2022-10-12 | 2024-06-21 | 深圳大学 | 深紫外发光二极管及其制备方法 |
| CN115472720B (zh) * | 2022-10-31 | 2023-03-24 | 江西兆驰半导体有限公司 | 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108281519B (zh) * | 2018-01-30 | 2019-12-10 | 华灿光电(苏州）有限公司 | 一种发光二极管外延片及其制造方法 |
| CN108878606A (zh) * | 2018-06-22 | 2018-11-23 | 西安电子科技大学 | 基于超晶格结构和δ掺杂的高效发光二极管及制备方法 |
| CN108899403B (zh) * | 2018-07-20 | 2020-09-22 | 西安电子科技大学 | 基于ScAlN/AlGaN超晶格p型层的高效发光二极管及制备方法 |
-
2019
- 2019-05-30 CN CN201910465077.9A patent/CN110224047B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110224047A (zh) | 2019-09-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110224047B (zh) | 基于P型掺杂AlScN/AlScN超晶格势垒层的高效发光二极管及制备方法 | |
| CN108899403B (zh) | 基于ScAlN/AlGaN超晶格p型层的高效发光二极管及制备方法 | |
| CN106784210B (zh) | 一种发光二极管的外延片及其制作方法 | |
| CN110047979B (zh) | 紫外发光二极管外延片及其制造方法 | |
| CN108878606A (zh) | 基于超晶格结构和δ掺杂的高效发光二极管及制备方法 | |
| CN109378373B (zh) | 基于h-BN电子阻挡层的高效深紫外发光二极管及制备方法 | |
| CN110518099A (zh) | 一种高效发光二极管及制作方法 | |
| CN111293198B (zh) | 氮化铝系发光二极管结构及其制作方法 | |
| CN112259654B (zh) | 紫外led外延片及其制备方法与应用 | |
| CN112687773B (zh) | 紫外发光二极管的外延片及其制备方法 | |
| CN111403568A (zh) | 紫外led外延结构及其制备方法 | |
| CN103904177A (zh) | 发光二极管外延片及其制造方法 | |
| CN111180563A (zh) | 一种led芯片及其制作方法 | |
| CN115064620A (zh) | 阶梯组分YAlN/AlGaN超晶格p型层的高效深紫外发光二极管及制备方法 | |
| CN113540305A (zh) | 提高发光效率的紫外发光二极管芯片及其制备方法 | |
| CN108831978A (zh) | 一种发光二极管外延片及其制造方法 | |
| CN113471343B (zh) | 基于ScAlGaN超强极化n型层的GaN绿光发光二极管及制备方法 | |
| CN105914270A (zh) | 硅基氮化镓led外延结构的制造方法 | |
| CN111987198A (zh) | 基于Fe掺杂的GaN基横向结构发光二极管及制作方法 | |
| CN115995514A (zh) | 一种具有AlGaN/InGaN超晶格势垒层的量子阱LED及其制备方法 | |
| CN110137314B (zh) | 基于铁电极化效应的紫外发光二极管及制备方法 | |
| CN109545919B (zh) | n型AlGaN层调制掺杂的高效紫外发光二极管及制备方法 | |
| CN112736168A (zh) | 非极性GaN基微型发光二极管及制备方法 | |
| CN113764554B (zh) | 基于Si纳米线高浓度p型层的发光二极管及制备方法 | |
| CN109360872B (zh) | 一种氮化镓基发光二极管外延片及其制作方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |