CN112563381A - 一种低欧姆接触电阻的深紫外发光二极管及其制备方法 - Google Patents

一种低欧姆接触电阻的深紫外发光二极管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低欧姆接触电阻的深紫外发光二极管及其制备方法，由下而上依次包括衬底、缓冲层、n型AlxGa1‑xN层、n型AlyGa1‑yN层、AlGaN多量子阱层、p型AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN空穴注入层和p型GaN层，n型AlyGa1‑yN层设有通孔结构，n电极通过通孔结构与n型AlxGa1‑xN层直接接触，p型GaN层上制备有p电极。本发明在传统AlGaN基深紫外LED的基础上，设计了AlxGa1‑xN/AlyGa1‑yN(y＞x)异质结的n型欧姆接触，利用其极化效应，有效提高电子浓度，降低欧姆接触电阻，提高电流注入，从而降低LED器件的接触电阻和正向电压，提高功率转换效率。

Description

一种低欧姆接触电阻的深紫外发光二极管及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体发光技术领域，具体涉及一种低欧姆接触电阻的深紫外发光二极管及其制备方法。
背景技术
深紫外光对应200-360nm波段的光，在固化、照明、杀菌消毒、生物医疗、高密度存储和光通讯等相关领域具有很大的应用市场。其中，深紫外半导体发光二极管(DUV LED)相较于传统的汞灯还具有节能环保、安全无毒、低耗低热寿命长等优点。对于DUV LED，AlGaN是理想的器件制备材料，因为它是直接禁带半导体，禁带宽度随Al组分在3.4～6.2eV之间连续可调，可覆盖大部分紫外波段，并具有良好稳定的物理化学性质。
在传统AlGaN基深紫外LED中，n型欧姆接触通常采用等离子体处理结合快速退火的方法，在金属/n-AlGaN界面形成TiN合金，并产生尽可能多的N空位。但其电子浓度依旧无法和金属/n-GaN界面的相媲美，导致深紫外LED器件正向电压高，功率转换效率低。
所以，如何实现良好的n型欧姆接触是AlGaN基深紫外LED一个悬而未决的难题，也是制约其高效性能发展的一个瓶颈问题。究其原因，一方面是高Al组分使n型施主电离能高，Si掺杂效率低，导致材料本身电子浓度低；另一方面，n-AlGaN材料的电子亲和能低，金属-半导体接触界面的电子势垒高，导致接触电阻大。另外，工作时LED外加正向偏置，阴极金属/n-AlGaN结处于反向偏置状态，这会进一步增强金属-半导体接触中n-AlGaN层的表面耗尽效应，增加耗尽区宽度，增大电子隧穿的难度。这些问题不但严重限制了电子注入效率，使LED器件工作时需要很大的正向电压驱动，功率转换效率大大下降；而且高电阻、高压降产生的焦耳热还会引起热Droop效应，缩短DUV LED的使用寿命。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的以上问题，提出一种低欧姆接触电阻的深紫外发光二极管及其制备方法。
为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：
一种低欧姆接触电阻的深紫外发光二极管，所述深紫外发光二极管由下而上依次包括衬底、缓冲层和外延片，所述外延片由下而上依次包括n型AlGaN层、AlGaN多量子阱层、p型AlGaN层和p型GaN层；
所述n型AlGaN层包括由下至上的n型AlxGa1-xN层和n型AlyGa1-yN层，所述n型AlyGa1-yN层设有通孔结构，n电极通过所述通孔结构与所述n型AlxGa1-xN层直接接触，其中x和y分别代表n型AlxGa1-xN层和n型AlyGa1-yN层中的Al组分含量，且0≤x<y<1；
所述p型AlGaN层包括由下至上的p型AlGaN电子阻挡层和p型AlGaN空穴注入层；
所述p型GaN层上制备有p电极。
同时，本发明还提出一种低欧姆接触电阻的深紫外发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
S1：选择衬底；
S2：在衬底表面生长缓冲层；
S3：在缓冲层上依次外延生长n型AlxGa1-xN层、n型AlyGa1-yN层；
S4：在n型AlyGa1-yN层上依次外延生长AlGaN多量子阱层、p型AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN空穴注入层和p型GaN层；
S5：在外延片上利用光刻法、湿法腐蚀法、干法电感耦合等离子体刻蚀、反应离子刻蚀法中的任意几种方法的结合分离开p-GaN材料p型区和n-AlGaN材料n型区；
S6：在已分离的n-AlGaN材料n型区上，制备出n型AlyGa1-yN层的通孔结构；
S7：在p型GaN层上制备p电极，在通孔结构上制备n电极，且n电极与n型AlxGa1-xN层直接接触。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明在传统AlGaN基深紫外LED的基础上，提出了一种具有AlxGa1-xN/AlyGa1-yN(y＞x)异质结n型欧姆接触的AlGaN基深紫外发光二极管及其制备方法，本发明的深紫外发光二极管利用其极化效应，有效提高电子浓度，降低欧姆接触电阻，提高电流注入，从而降低LED器件的接触电阻和正向电压，提高功率转换效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的低欧姆接触电阻的深紫外发光二极管的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的低欧姆接触电阻的深紫外发光二极管的制备流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述，但本发明不限于这些实施例。
如图1所示，本发明提供一种具有AlxGa1-xN/AlyGa1-yN(y＞x)异质结n型欧姆接触的AlGaN基深紫外发光二极管，该深紫外发光二极管由下而上依次包括衬底、缓冲层和外延片，其中外延片由下而上依次包括：n型AlGaN层、AlGaN多量子阱层、p型AlGaN层和p型GaN层，n型AlGaN层包括由下至上的n型AlxGa1-xN层和n型AlyGa1-yN层，p型AlGaN层包括由下至上的p型AlGaN电子阻挡层和p型AlGaN空穴注入层，p型GaN层上制备有p电极。
具体地，仍参见图1，本实施例的深紫外发光二极管由下而上依次包括衬底、缓冲层、n型AlxGa1-xN层、n型AlyGa1-yN层、AlGaN多量子阱层、p型AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN空穴注入层、p型GaN层，其中，在阴极与金属形成n型欧姆接触的半导体部分为AlxGa1-xN/AlyGa1-yN异质结，AlyGa1-yN为更靠近金属的一层，AlxGa1-xN为更靠近衬底的一层，x和y分别代表n型AlxGa1-xN层和n型AlyGa1-yN层中的Al组分含量，且0≤x<y<1，n型AlyGa1-yN层可视作阴极金属与n型AlxGa1-xN层的插入层，并设计有通孔结构，使金属与n型AlxGa1-xN层直接接触。
可选地，n型AlxGa1-xN层的厚度为200nm，n型AlyGa1-yN层的厚度为20nm，且x＝0.45，y＝0.5。
可选地，n型欧姆接触的通孔结构包括但不限于单个或多个圆形、六边形、正多边形中的任意一种。
可选地，缓冲层为经过降低位错密度处理后的AlN/AlGaN超晶格应力层，降低位错密度处理包括但不限于高温退火处理或者图形化处理。
可选地，缓冲层和外延片采用但不限于金属有机化学气相沉积法(Metal-organicChemical Vapor Deposition，MOCVD)或者物理气相传输法(Physical Vapor Transport，PVT)直接在衬底上生长而成。
可选地，选择衬底材料时，衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅等常规衬底材料中的任意一种。
本发明的主要目的是提供一种基于极化效应的AlGaN基深紫外LED结构，其基本原理为利用三族氮化物中存在的两种极化效应，即离子键成分和非中心对称的晶体结构导致的自发极化，以及材料拉伸或压缩应变改变键角而导致的压电极化。当两种不同组分的AlGaN材料形成异质结构时，根据高斯定律，异质结界面将产生固定的极化电荷，吸引自由载流子聚集，从而提高载流子浓度，这也是AlGaN异质结界面产生二维电子气(2DEG)的物理机制。n-AlGaN材料界面处产生的大量电子由于有效质量小、迁移率高，会扩散到n型金属-半导体欧姆接触下方的电子注入通道中，结合AlGaN异质结Al组分可控的优点，进而可以通过增强极化效应，提高电子浓度，提高电流注入，从而降低LED器件的接触电阻和正向电压，提高功率转换效率。
在另一个实施例中，本发明还提供一种低欧姆接触电阻的深紫外发光二极管的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
S1：选择衬底；例如，选择C面(即(0001)面)蓝宝石衬底；
S2：在衬底表面生长缓冲层；
S3：在缓冲层上依次外延生长n型AlxGa1-xN层、n型AlyGa1-yN层，例如外延生长200nm的n型Al0.45Ga0.55N层和20nm的n型Al0.50Ga0.50N层；
S4：在n型AlyGa1-yN层上依次外延生长AlGaN多量子阱层、p型AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN空穴注入层和p型GaN层；
S5：在外延片上采用但不限于光刻法、湿法腐蚀法、干法电感耦合等离子体刻蚀(inductively coupled plasma，ICP)、反应离子刻蚀法(Reactive Ion Etching，RIE)中的任意几种方法的结合分离开p-GaN材料p型区和n-AlGaN材料n型区；
S6：在已分离的n-AlGaN材料n型区上，制备出n型AlyGa1-yN层的通孔结构；可选地，采用但不限于光刻法、湿法腐蚀法、干法电感耦合等离子体刻蚀、反应离子刻蚀法中的任意几种方法的结合制备出n型AlyGa1-yN层的通孔结构。
S7：在p型GaN层上制备p电极，在通孔结构上制备n电极，且n电极与n型AlxGa1-xN层直接接触。可选地，采用光刻法、电子束蒸发法、热蒸发法、快速退火法中的任意一种制备p电极和n电极。
本发明所述制备方法能够有效降低n型欧姆接触电阻，降低AlGaN基深紫外LED器件的正向电压，提高功率转换效率。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种低欧姆接触电阻的深紫外发光二极管，其特征在于，所述深紫外发光二极管由下而上依次包括衬底、缓冲层和外延片，所述外延片由下而上依次包括n型AlGaN层、AlGaN多量子阱层、p型AlGaN层和p型GaN层；
所述n型AlGaN层包括由下至上的n型AlxGa1-xN层和n型AlyGa1-yN层，所述n型AlyGa1-yN层设有通孔结构，n电极通过所述通孔结构与所述n型AlxGa1-xN层直接接触，其中x和y分别代表n型AlxGa1-xN层和n型AlyGa1-yN层中的Al组分含量，且0≤x<y<1；
所述p型AlGaN层包括由下至上的p型AlGaN电子阻挡层和p型AlGaN空穴注入层；
所述p型GaN层上制备有p电极。
2.权利要求1所述的一种低欧姆接触电阻的深紫外发光二极管，其特征在于，
所述n型AlxGa1-xN层的厚度为200nm，所述n型AlyGa1-yN层的厚度为20nm，且x＝0.45，y＝0.5。
3.根据权利要求1或2所述的一种低欧姆接触电阻的深紫外发光二极管，其特征在于，
所述通孔结构为单个或多个圆形、六边形、正多边形中的任意一种。
4.根据权利要求1或2所述的一种低欧姆接触电阻的深紫外发光二极管，其特征在于，
所述缓冲层为经过降低位错密度处理后的AlN/AlGaN超晶格应力层。
5.根据权利要求4所述的一种低欧姆接触电阻的深紫外发光二极管，其特征在于，
所述降低位错密度处理为高温退火处理或者图形化处理。
6.根据权利要求1或2所述的一种低欧姆接触电阻的深紫外发光二极管，其特征在于，
所述缓冲层和所述外延片采用金属有机化学气相沉积法或者物理气相传输法直接在衬底上生长而成。
7.根据权利要求1或2所述的一种低欧姆接触电阻的深紫外发光二极管，其特征在于，
所述衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅中的任意一种。
8.一种低欧姆接触电阻的深紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：选择衬底；
S2：在衬底表面生长缓冲层；
S3：在缓冲层上依次外延生长n型AlxGa1-xN层、n型AlyGa1-yN层；
S4：在n型AlyGa1-yN层上依次外延生长AlGaN多量子阱层、p型AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN空穴注入层和p型GaN层；
S5：在外延片上利用光刻法、湿法腐蚀法、干法电感耦合等离子体刻蚀、反应离子刻蚀法中的任意几种方法的结合分离开p-GaN材料p型区和n-AlGaN材料n型区；
S6：在已分离的n-AlGaN材料n型区上，制备出n型AlyGa1-yN层的通孔结构；
S7：在p型GaN层上制备p电极，在通孔结构上制备n电极，且n电极与n型AlxGa1-xN层直接接触。
9.根据权利要求8所述的一种低欧姆接触电阻的深紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，
采用光刻法、湿法腐蚀法、干法电感耦合等离子体刻蚀法、反应离子刻蚀法中的任意几种方法的结合制备出n型AlyGa1-yN层的通孔结构。
10.根据权利要求8或9所述的一种低欧姆接触电阻的深紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，
采用光刻法、电子束蒸发法、热蒸发法、快速退火法中的任意几种方法的结合制备p电极和n电极。
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