CN112164740B - 一种基于电子缓冲器的深紫外发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于电子缓冲器的深紫外发光二极管及其制作方法，所述深紫外发光二极管包括：衬底和在所述衬底上依次外延生长的缓冲层、n型半导体层、电子缓冲器、有源层、p型半导体层和接触层，其中，所述电子缓冲器为非掺杂BxAl1‑xN层和n型AlyGa1‑yN层交替生长的多周期复合结构，所述多周期复合结构中最后生长的非掺杂BxAl1‑xN层与所述有源层中的第一个垒层接触。本发明能够显著改善二极管中有源区的空穴注入并有效缓解电子泄露，提高有源区的辐射复合速率，从而提高紫外LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别是涉及一种基于电子缓冲器的深紫外发光二极管及其制作方法。
背景技术
紫外发光二极管(LED)具有环保无毒、耗电低、体积小以及寿命长等优点，符合新时代下环保、节能等要求。在紫外固化、杀菌消毒、空气与水净化、生物医疗、高密度储存、安全与保密通讯等领域，具有重要应用价值。
紫外LED一般包括外延片和在外延片上制备的电极。AlGaN基紫外LED外延片通常包括：衬底和在所述衬底上依次外延生长的缓冲层、n型半导体层、有源层、电子阻挡层、p型半导体层和接触层。当有电流注入AlGaN基紫外LED时，n型半导体层注入的电子和p型半导体层注入的空穴会在电流的作用下进入多量子阱有源区并且复合，发出紫外光。其中，电子阻挡层一般是高Al组分的AlGaN电子阻挡层，用于阻挡多量子阱有源区的电子泄露至p型区，增加电子和空穴在量子阱中的复合几率。但是，高Al组分的AlGaN电子阻挡层也会对降低价带的高度，会对空穴产生一个较大的势垒，严重阻碍了空穴从p型半导体层注入有源区，以至于有源区的辐射复合有限。
发明内容
本发明的目的是在于针对传统紫外发光二极管的不足，提出在深紫外发光二极管中的n型半导体层和有源层之间引入一个电子缓冲器，来缓解电子泄露和电流拥堵，并提高空穴注入，从而得到发光功率高的深外发光二极管。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于电子缓冲器的深紫外发光二极管，所述的深紫外发光二极管包括：衬底和在所述衬底上依次外延生长的缓冲层、n型半导体层、电子缓冲器、有源层、p型半导体层和接触层，其中，所述电子缓冲器为非掺杂BxAl1-xN层和n型AlyGa1-yN层交替生长的多周期复合结构，所述多周期复合结构中最后生长的非掺杂BxAl1-xN层与所述有源层中的第一个垒层接触。
进一步地，所述x的取值范围为：0.01≤x≤0.3，所述y的取值范围为：0.01≤y≤1。
进一步地，所述电子缓冲器中每个BxAl1-xN层和所述BxAl1-xN层上面AlyGa1-yN层组合起来为一个周期，共生长2－20个周期。
进一步地，所述电子缓冲器中每个BxAl1-xN层和每个AlyGa1-yN层的厚度D的取值范围为：1nm≤D≤20nm。
进一步地，所述电子缓冲器中每个BxAl1-xN层中的x值恒定不变，每个AlyGa1-yN层中的y值恒定不变。
进一步地，所述有源层为垒层AlmGa1-mN和阱层AlnGa1-nN交替生长而成的周期结构，且所述电子缓冲器中AlyGa1-yN层中Al组分y值大于所述有源层中AlnGa1-nN中Al组分n值。
进一步地，所述电子缓冲器中每个BxAl1-xN层中的x值恒定不变，每个AlyGa1-yN层沿着生长方向y值逐步降低，y的最低值大于n。
基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种基于电子缓冲器的深紫外发光二极管制作方法，所述制作方法包括：提供一衬底；在所述衬底上利用MOCVD设备依次生长缓冲层、n型半导体层、电子缓冲器、有源层、p型半导体层和接触层；其中，所述电子缓冲器为非掺杂BxAl1-xN层和n型AlyGa1-yN层交替生长的多周期复合结构，所述多周期复合结构中最后生长的非掺杂BxAl1-xN层与所述有源层中的第一个垒层接触。
进一步地，所述x的取值范围为：0.01≤x≤0.3，所述y的取值范围为：0.01≤y≤1。
进一步地，所述非掺杂BxAl1-xN层和n型掺杂AlyGa1-yN层制作工艺条件如下：反应室温度为900－1300℃，保持反应室压力为100－350Torr；将三甲基镓或三乙基镓作为为镓源；将三甲基铝作为铝源；将甲基硼作为硼源；将氨气作为氮源；将硅烷作为Si杂质。
本发明实施例一种基于电子缓冲器的深紫外发光二极管及其制作方法与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明通过在n型AlGaN层和有源层之间增设电子缓冲器，由于电子缓冲器中非掺杂BxAl1-xN层具有一定的电子势垒高度，可以有效减缓电子较快的热跃迁速度，同时电子缓冲器中n型掺杂AlyGa1-yN层势垒较低，可以储存热跃迁速度减缓的电子，使电子在有源层内均匀分布，缓解电子泄露到p型半导体层中。此外，本发明移除了传统LED器件中有源区与p型区之间的电子阻挡层，避免了因电子阻挡层的高势垒而阻碍空穴注入有源区。因此，本发明提供了一种基于电子缓冲器的深紫外发光二极管能显著改善有源区的空穴注入并有效缓解电子泄露，因此，能提高有源区的辐射复合速率，从而提高紫外LED的发光效率，可用于紫外发光设备中。
附图说明
图1是本发明第一实施例的基于电子缓冲器的深紫外发光二极管结构示意图；
图2是本发明第二实施例的基于电子缓冲器的深紫外发光二极管制作方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不作为对步骤执行先后顺序的限定。
应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
本发明第一实施例：
请参阅图1，本发明实施例一种基于电子缓冲器的深紫外发光二极管，所述深紫外发光二极管包括衬底和在所述衬底上依次外延生长的缓冲层、n型半导体层、电子缓冲器、有源层、p型半导体层和接触层，其中，所述电子缓冲器为非掺杂BxAl1-xN层和n型AlyGa1-yN层交替生长的多周期复合结构，所述多周期复合结构中最后生长的非掺杂BxAl1-xN层与所述有源层中的第一个垒层接触。
在本发明的某一个实施例中，所述x的取值范围为：0.01≤x≤0.3，所述y的取值范围为：0.01≤y≤1。
在本发明的某一个实施例中，所述电子缓冲器中每个BxAl1-xN层和所述BxAl1-xN层上面AlyGa1-yN层组合起来为一个周期，共生长2－20个周期。
在本发明的某一个实施例中，所述电子缓冲器中每个BxAl1-xN层和每个AlyGa1-yN层的厚度D的取值范围为：1nm≤D≤20nm。
在本发明的某一个实施例中，所述电子缓冲器中每个BxAl1-xN层中的x值恒定不变，每个AlyGa1-yN层中的y值恒定不变。
在本发明的某一个实施例中，所述有源层为垒层AlmGa1-mN和阱层AlnGa1-nN交替生长而成的周期结构，且所述电子缓冲器中AlyGa1-yN层中Al组分y值大于所述有源层中AlnGa1-nN中Al组分n值。
在本发明的某一个实施例中，所述电子缓冲器中每个BxAl1-xN层中的x值恒定不变，每个AlyGa1-yN层沿着生长方向y值逐步降低，y的最低值大于n。
本发明实施例的一种基于电子缓冲器的深紫外发光二极管，通过在n型AlGaN层和有源层之间增设电子缓冲器，由于电子缓冲器中非掺杂BxAl1-xN层具有一定的电子势垒高度，可以有效减缓电子较快的热跃迁速度，同时电子缓冲器中n型掺杂AlyGa1-yN层势垒较低，可以储存热跃迁速度减缓的电子，使电子在有源层内均匀分布，缓解电子泄露到p型半导体层中。此外，本发明移除了传统LED器件中有源区与p型区之间的电子阻挡层，避免了因电子阻挡层的高势垒而阻碍空穴注入有源区。因此，本发明提供了一种基于电子缓冲器的深紫外发光二极管能显著改善有源区的空穴注入并有效缓解电子泄露，因此，能提高有源区的辐射复合速率，从而提高紫外LED的发光效率，可用于紫外发光设备中。
本发明第二实施例：
请参阅图2，本发明实施例提供的一种基于电子缓冲器的深紫外发光二极管的制作方法，所述制作方法包括：提供一衬底；在所述衬底上利用MOCVD设备依次生长缓冲层、n型半导体层、电子缓冲器、有源层、p型半导体层和接触层；其中，所述电子缓冲器为BxAl1-xN层和n型AlyGa1-yN层交替生长的多周期复合结构，所述多周期复合结构中最后生长的非掺杂BxAl1-xN层与所述有源层中的第一个垒层接触。
在本发明的某一个实施例中，所述制作方法具体为：
S101、提供一衬底；
S102、在衬底上依次沉积缓冲层、n型半导体；
S103、在n型半导体层上面沉积由非掺杂BxAl1－xN层和n型AlyGa1－yN层交替生长的电子缓冲器；
S104、在电子缓冲器上面沉积有源层、p型半导体层和接触层，并制备出深紫外发光二极管器件。
需要说明的是，对于本制作方法而言，首先，对于选取的一衬底，所述衬底可以是蓝宝石或AlN或者GaN或者SiC或者Si中的一种；然后再通过磁控溅射法结合MOCVD法，或者直接采用MOCVD方法在衬底上生长出AlN缓冲层，其厚度为10－6000nm。然后，通过MOCVD设备在缓冲层上继续生长n型半导体层、其材料为AlGaN材料，厚度200－5000nm，生长温度1000－1400摄氏度。紧接着，通过MOCVD设备在n型半导体层上生长电子缓冲器，该电子缓冲器由非掺杂BxAl1-xN层和n型AlyGa1-yN层交替生长而成，每个BxAl1-xN层和每个AlyGa1-yN层的厚度均控制在1－20nm控制之间，其中，x的取值范围和y的取值范围分别为：0.01≤x≤0.3，0.01≤y≤1。电子缓冲器中每个BxAl1-xN层和它上面的AlyGa1－yN层组合起来为一个周期，共生长2－20个周期。同时，在生长每个BxAl1-xN层中的x值恒定不变，每个AlyGa1-yN层层沿着生长方向y逐步降低，y降低的最低值大于量子阱中阱层中的Al组分n值。
需要说明的是，对于非掺杂BxAl1-xN层和n型掺杂AlyGa1-yN层制作工艺条件如下：反应室温度为900－1300℃，保持反应室压力为100－350Torr；将三甲基镓或三乙基镓作为为镓源；将三甲基铝作为铝源；将甲基硼作为硼源；将氨气作为氮源；将硅烷作为Si杂质。首先，通过MOCVD设备在电子缓冲器上生长有源层，有源层一般是AlmGa1－mN/AlnGa1－nN多量子阱结构，垒层AlmGa1－mN和阱层AlnGa1－nN是交替生长，且m值大于n值。每个垒层厚度为8－30nm，每个阱层厚度为1－10nm，生长温度1000－1400摄氏度。然后，在有源层上继续生长p型半导体层，为通入二茂镁进行Mg掺杂的AlGaN材料，厚度为20－500nm，生长温度为1000－1400摄氏度，生长完毕，并将该外延片置于退火炉中进行p型退火10分钟，最终获得本发明的深紫外发光二极管外延片。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于电子缓冲器的深紫外发光二极管，其特征在于，所述深紫外发光二极管包括：衬底和在所述衬底上依次外延生长的缓冲层、n型半导体层、电子缓冲器、有源层、p型半导体层和接触层，其中，所述电子缓冲器为非掺杂BxAl1-xN层和n型AlyGa1-yN层交替生长的多周期复合结构，所述多周期复合结构中最后生长的非掺杂BxAl1-xN层与所述有源层中的第一个垒层接触，其中，所述电子缓冲器中每个BxAl1-xN层和所述BxAl1-xN层上面AlyGa1-yN层组合起来为一个周期，共生长2－20个周期，所述有源层为垒层AlmGa1-mN和阱层AlnGa1-nN交替生长而成的周期结构，且所述电子缓冲器中AlyGa1-yN层中Al组分y值大于所述有源层中AlnGa1-nN中Al组分n值。
2.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述x的取值范围为：0.01≤x≤0.3，所述y的取值范围为：0.01≤y≤1。
3.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述电子缓冲器中每个BxAl1-xN层和每个AlyGa1-yN层的厚度D的取值范围为：1nm≤D≤20nm。
4.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述电子缓冲器中每个BxAl1-xN层中的x值恒定不变，每个AlyGa1-yN层中的y值恒定不变。
5.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述有源层为垒层AlmGa1-mN和阱层AlnGa1-nN交替生长而成的周期结构，且所述电子缓冲器中AlyGa1-yN层中Al组分y值大于所述有源层中AlnGa1-nN中Al组分n值。
6.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述电子缓冲器中每个BxAl1-xN层中的x值恒定不变，每个AlyGa1-yN层沿着生长方向y值逐步降低，y的最低值大于n。
7.一种基于电子缓冲器的深紫外发光二极管的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上利用MOCVD设备依次生长缓冲层、n型半导体层、电子缓冲器、有源层、p型半导体层和接触层；其中，所述电子缓冲器为非掺杂BxAl1-xN层和n型AlyGa1-yN层交替生长的多周期复合结构，所述多周期复合结构中最后生长的非掺杂BxAl1-xN层与所述有源层中的第一个垒层接触，其中，所述电子缓冲器中每个BxAl1-xN层和所述BxAl1-xN层上面AlyGa1-yN层组合起来为一个周期，共生长2－20个周期。
8.根据权利要求7所述的深紫外发光二极管的制作方法，其特征在于，所述x的取值范围为：0.01≤x≤0.3，所述y的取值范围为：0.01≤y≤1。
9.根据权利要求7所述的深紫外发光二极管的制作方法，其特征在于，所述非掺杂BxAl1-xN层和n型AlyGa1-yN层制作工艺条件如下：
反应室温度为900－1300℃，保持反应室压力为100－350Torr；将三甲基镓或三乙基镓作为镓源；将三甲基铝作为铝源；将甲基硼作为硼源；将氨气作为氮源；将硅烷作为Si杂质。
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