CN111048636A - 一种氧化镓基紫外发光二极管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氧化镓基紫外发光二极管及其制备方法，包括由下至上依次设置的蓝宝石衬底、AlN成核层、Ga2O3缓冲层、n型Ga2O3层、Ga2O3/GaN量子阱有源区、p型AlN/Ga2O3超晶格结构电子阻挡层、p型Ga2O3层和氧化铟锡透明导电层，在氧化铟锡透明导电层上引出p型欧姆电极，在n型Ga2O3层上引出n型欧姆电极。本发明的优点在于：由于p型AlN/Ga2O3超晶格结构具有高吸收系数、高横向载流子迁移率，对载流子具有强的量子限制效应，作为电子阻挡层能够有效抑制电子溢出有源区；另外，采用p型Ga2O3层，能够极大地增加p型区的空穴浓度，降低空穴激活能，提高空穴注入效率，从而提高载流子在有源区的复合效率。

Description

一种氧化镓基紫外发光二极管及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体光电子器件领域，特别涉及一种氧化镓基紫外发光二极管及其制备方法。
背景技术
紫外光波段范围为100-400 nm，与可见光波段相比，紫外光光子能量更高，穿透能力更强，并且对于生物病毒有很强的杀伤力，因而紫外光源在生物化学有害物质检测、水净化、高密度存储和短波长安全通信以及军事等领域有着重大应用价值。但是目前常规以AlGaN材料的紫外发光二极管其发光效率极低，与已经商业化的蓝光发光二极管发光效率相差甚远。
Ga2O3是一种直接带隙宽禁带半导体材料，其室温禁带宽度为4.9eV远高于GaN和ZnO等宽禁带半导体材料。Ga2O3无论在晶格结构、晶胞参数还是在禁带宽度上都与GaN相似，且具有比GaN更高的熔点和更大的激子束缚能，又具有较低的光致发光和受激辐射的阈值以及良好的机电耦合特性、热稳定性和化学稳定性。因而，基于Ga2O3材料的紫外发光二极管应用潜力巨大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够提高有源区载流子的辐射复合效率的氧化镓基紫外发光二极管及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种氧化镓基紫外发光二极管，其创新点在于：包括由下至上依次设置的蓝宝石衬底、AlN成核层、Ga2O3缓冲层、n型Ga2O3层、Ga2O3/GaN量子阱有源区、p型AlN/Ga2O3超晶格结构电子阻挡层、p型Ga2O3层和氧化铟锡透明导电层，在氧化铟锡透明导电层上引出p型欧姆电极，在n型Ga2O3层上引出n型欧姆电极。
进一步地，所述蓝宝石衬底为r面、m面或a面中的任意一种蓝宝石衬底。
进一步地，所述AlN成核层的厚度为5-50 nm，Ga2O3缓冲层的厚度为300-2000 nm，n型Ga2O3层的厚度为400-1000 nm，Ga2O3/GaN量子阱有源区的周期数为10-25对，p型AlN/Ga2O3超晶格结构电子阻挡层的厚度为10-100 nm，p型Ga2O3层的厚度为80-200 nm。
进一步地，所述n型Ga2O3层中，采用Si进行n型掺杂，其中Si的掺杂浓度介于1×1018至1×1020 cm-3之间。
进一步地，所述Ga2O3/GaN量子阱有源区与p型Ga2O3层之间用p型AlN/ Ga2O3超晶格结构电子阻挡层隔开。
进一步地，在Ga2O3层中采用Mg进行掺杂，其中Mg的掺杂浓度介于1×1018至1×1020cm-3之间。
进一步地，所述p型AlN/Ga2O3超晶格结构电子阻挡层中，超晶格的重复周期数为5-20对。
进一步地，所述p型Ga2O3层中，采用Mg进行掺杂，其中Mg的掺杂浓度介于1×1018至1×1020 cm-3之间。
一种上述的氧化镓基紫外发光二极管的制备方法，其创新点在于：所述制备方法包括如下步骤：
步骤1：在蓝宝石衬底上生长一层AlN成核层；
步骤2：在AlN成核层上生长一层Ga2O3缓冲层；
步骤3：在Ga2O3缓冲层上生长一层n型Ga2O3层；
步骤4：在n型Ga2O3层上生长一层Ga2O3/GaN量子阱有源区；
步骤5：在Ga2O3/GaN量子阱有源区上生长一层p型AlN/Ga2O3超晶格结构电子阻挡层；
步骤6：在p型AlN/Ga2O3超晶格结构电子阻挡层上生长一层p型Ga2O3层；
步骤7：p型Ga2O3层上生长一层氧化铟锡透明导电层；
步骤8：在氧化铟锡透明导电层上进行台面刻蚀，露出n型Ga2O3层；
步骤9：在氧化铟锡透明导电层上蒸镀p型Ni/Au/Ni/Au欧姆电极，并且对电极进行退火处理；
步骤10：在n型Ga2O3层台面上蒸镀n型Ti/Al/Ti/Au欧姆电极，并且对电极进行退火处理。
本发明的优点在于：本发明氧化镓基紫外发光二极管及其制备方法，由于p型AlN/Ga2O3超晶格结构具有高吸收系数、高横向载流子迁移率，对载流子具有强的量子限制效应，作为电子阻挡层能够有效抑制电子溢出有源区；另外，采用p型Ga2O3层，能够极大地增加p型区的空穴浓度，降低空穴激活能，提高空穴注入效率，从而提高载流子在有源区的复合效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的一种氧化镓基紫外发光二极管层结构示意图。蓝宝石衬底101、AlN成核层102、Ga2O3缓冲层103、n型Ga2O3层104、Ga2O3/GaN量子阱有源区105、p型AlN/Ga2O3超晶格结构电子阻挡层106、p型Ga2O3层107、氧化铟锡透明导电层108、p型欧姆电极109、n型欧姆电极110。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例
本实施例氧化镓基紫外发光二极管，如图1所示，包括由下至上依次设置的蓝宝石衬底101、AlN成核层102、Ga2O3缓冲层103、n型Ga2O3层104、Ga2O3/GaN量子阱有源区105、p型AlN/Ga2O3超晶格结构电子阻挡层106、p型Ga2O3层107、氧化铟锡透明导电层108、p型欧姆电极109、n型欧姆电极110。
实施例中，蓝宝石衬底101为r面蓝宝石衬底，AlN成核层102的厚度为50 nm，Ga2O3缓冲层103的厚度为300nm，n型Ga2O3层104的厚度为400nm，Ga2O3/GaN量子阱有源区105的周期数为10对，p型AlN/Ga2O3超晶格结构电子阻挡层106的厚度为10nm，p型Ga2O3层107的厚度为80nm。
n型Ga2O3层104中，采用Si进行n型掺杂，其中Si的掺杂浓度为1×1018 cm-3，Ga2O3/GaN量子阱有源区105与p型Ga2O3层107之间用p型AlN/Ga2O3超晶格结构电子阻挡层106隔开，p型AlN/Ga2O3超晶格结构电子阻挡层106的周期数为5对，p型AlN/Ga2O3超晶格结构电子阻挡层106，在Ga2O3层中采用Mg进行掺杂，其中Mg的掺杂浓度为1×1018 cm-3，p型Ga2O3层107中，采用Mg进行掺杂，其中Mg的掺杂浓度为1×1018 cm-3。
本实施例氧化镓基紫外发光二极管的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
步骤1：在蓝宝石衬底101上生长一层AlN成核层102；
步骤2：在AlN成核层102上生长一层Ga2O3缓冲层103；
步骤3：在Ga2O3缓冲层103上生长一层n型Ga2O3层104；
步骤4：在n型Ga2O3层104上生长一层Ga2O3/GaN量子阱有源区105；
步骤5：在Ga2O3/GaN量子阱有源区105上生长一层p型AlN/Ga2O3超晶格结构电子阻挡层106；
步骤6：在p型AlN/Ga2O3超晶格结构电子阻挡层106上生长一层p型Ga2O3层107；
步骤7：p型Ga2O3层107上生长一层氧化铟锡透明导电层108；
步骤8：在氧化铟锡透明导电层108上进行台面刻蚀，露出n型Ga2O3层104；
步骤9：在氧化铟锡透明导电层108上蒸镀p型Ni/Au/Ni/Au欧姆电极109，并且对电极进行退火处理；
步骤10：在n型Ga2O3层104台面上蒸镀n型Ti/Al/Ti/Au欧姆电极110，并且对电极进行退火处理。
必须指出的是：本发明不仅适用于紫外发光二极管，对于紫外光电探测器也同样适用。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种氧化镓基紫外发光二极管，其特征在于：包括由下至上依次设置的蓝宝石衬底、AlN成核层、Ga2O3缓冲层、n型Ga2O3层、Ga2O3/GaN量子阱有源区、p型AlN/Ga2O3超晶格结构电子阻挡层、p型Ga2O3层和氧化铟锡透明导电层，在氧化铟锡透明导电层上引出p型欧姆电极，在n型Ga2O3层上引出n型欧姆电极。
2.根据权利要求1所述的氧化镓基紫外发光二极管，其特征在于：所述蓝宝石衬底为r面、m面或a面中的任意一种蓝宝石衬底。
3.根据权利要求1所述的氧化镓基紫外发光二极管，其特征在于：所述AlN成核层的厚度为5-50 nm，Ga2O3缓冲层的厚度为300-2000 nm，n型Ga2O3层的厚度为400-1000 nm，Ga2O3/GaN量子阱有源区的周期数为10-25对，p型AlN/Ga2O3超晶格结构电子阻挡层的厚度为10-100 nm，p型Ga2O3层的厚度为80-200 nm。
4.根据权利要求1所述的氧化镓基紫外发光二极管，其特征在于：所述n型Ga2O3层中，采用Si进行n型掺杂，其中Si的掺杂浓度介于1×1018至1×1020 cm-3之间。
5.根据权利要求1所述的氧化镓基紫外发光二极管，其特征在于：所述Ga2O3/GaN量子阱有源区与p型Ga2O3层之间用p型AlN/ Ga2O3超晶格结构电子阻挡层隔开。
6.根据权利要求5所述的氧化镓基紫外发光二极管，其特征在于：在Ga2O3层中采用Mg进行掺杂，其中Mg的掺杂浓度介于1×1018至1×1020 cm-3之间。
7.根据权利要求5所述的氧化镓基紫外发光二极管，其特征在于：所述p型AlN/Ga2O3超晶格结构电子阻挡层中，超晶格的重复周期数为5-20对。
8.根据权利要求1所述的氧化镓基紫外发光二极管，其特征在于：所述p型Ga2O3层中，采用Mg进行掺杂，其中Mg的掺杂浓度介于1×1018至1×1020 cm-3之间。
9.一种权利要求1所述的氧化镓基紫外发光二极管的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：
步骤1：在蓝宝石衬底上生长一层AlN成核层；
步骤2：在AlN成核层上生长一层Ga2O3缓冲层；
步骤3：在Ga2O3缓冲层上生长一层n型Ga2O3层；
步骤4：在n型Ga2O3层上生长一层Ga2O3/GaN量子阱有源区；
步骤5：在Ga2O3/GaN量子阱有源区上生长一层p型AlN/Ga2O3超晶格结构电子阻挡层；
步骤6：在p型AlN/Ga2O3超晶格结构电子阻挡层上生长一层p型Ga2O3层；
步骤7：p型Ga2O3层上生长一层氧化铟锡透明导电层；
步骤8：在氧化铟锡透明导电层上进行台面刻蚀，露出n型Ga2O3层；
步骤9：在氧化铟锡透明导电层上蒸镀p型Ni/Au/Ni/Au欧姆电极，并且对电极进行退火处理；
步骤10：在n型Ga2O3层台面上蒸镀n型Ti/Al/Ti/Au欧姆电极，并且对电极进行退火处理。
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