CN112701196B - AlGaN基半导体紫外器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种AlGaN基半导体紫外器件及其制备方法，涉及半导体技术领域。AlGaN基半导体紫外器件包括衬基底以及在衬基底上依次生长的缓冲层、n型电子注入层、AlGaN发光有源层、非均布量子阱结构层、p型AlGaN电子阻挡层、p型空穴注入层和接触层；AlGaN发光有源层包括沿生长方向依次层叠设置的量子阱发光层和量子势垒层，量子阱发光层包括AlxGa1‑xN，量子势垒层包括AlyGa1‑yN，其中，0.001≤x<y≤1；非均布量子阱结构层包括AlGaN、且Al组分在生长方向上呈非均匀分布。这样能够有效地利用载流子分布不均匀的特性来提高器件的载流子注入效率，提升内量子效率和发光效率的提升。

Description

AlGaN基半导体紫外器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种AlGaN基半导体紫外器件及其制备方法。
背景技术
紫外发光二极管因为具有环保无毒、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，所以，在紫外固化、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。然而，相对于商业化高亮度的蓝光发光二极管，紫外发光二极管面临的首要问题是其较低的内量子效率和发光效率。如何有效提高紫外发光二极管的发光效率成为大家关注的焦点问题。
限制紫外发光二极管的发光效率的主要有两方面的难点，一方面是材料之间有严重的晶格失配，生长过程中各种缺陷会形成非辐射复合中心，严重影响了辐射复合效率，继而导致了内量子效率低下。另一方面更为重要的是较低的载流子注入效率。第一，Mg在GaN中的激活能在200meV左右，已经非常之大，在高Al组分p-AlGaN中受主杂质激活能更高(AlN中达到630meV之巨)，能够热激活的空穴浓度更低，这就使得获得有效的P型掺杂极其困难；第二，空穴相对于电子来说，质量较大，这会导致空穴的迁移率比较低；第三，在常规的设计中，都会通过在电子阻挡层中采用更高Al组分的AlGaN材料，来阻挡电子从有源区的泄露，但同时也会拉高价带，增大对空穴注入的有效势垒，这些因素都会导致了有源区内大量的电子无法与空穴进行有效的复合，泄露到P型区域，进一步的降低了内量子效率。至此，这对空穴从P型层传输到有源区带来了巨大挑战。大部分学者多采用超晶格电子阻挡层，渐变的量子阱或者各种量子势垒的变化，这些方法都主要集中在促进有源区内的空穴的传输，或者避免电子泄露到p型区域，旨在改善载流子分布的不均匀性。其实，在实际的外延生长过程中，无论是提高AlGaN材料中的Al组分或Mg的掺杂，还是注入更多的空穴进入有源区，这些都是极其困难的。因此，大量的空穴与未复合的电子都会集聚在电子阻挡层最后一个量子势垒的中间界面区域，严重降低了载流子注入效率。
因此，避免载流子分布不均匀是极其困难的，如何有效地利用载流子分布不均匀的特性来提高AlGaN基紫外发光二极管的载流子注入效率，直接影响到内量子效率和发光效率的提升。
发明内容
本发明的实施例的目的包括提供了一种AlGaN基半导体紫外器件及其制备方法，其能够有效地利用载流子分布不均匀的特性来提高AlGaN基紫外发光二极管的载流子注入效率，提升内量子效率和发光效率的提升。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明提供一种AlGaN基半导体紫外器件，AlGaN基半导体紫外器件包括衬基底以及在衬基底上依次生长的缓冲层、n型电子注入层、AlGaN发光有源层、非均布量子阱结构层、p型AlGaN电子阻挡层、p型空穴注入层和接触层；
其中，AlGaN发光有源层包括沿生长方向依次层叠设置的量子阱发光层和量子势垒层，量子阱发光层包括AlxGa1-xN，量子势垒层包括AlyGa1-yN，其中，0.001≤x<y≤1；
非均布量子阱结构层包括AlGaN、且Al组分在生长方向上呈非均匀分布。
在可选的实施方式中，非均布量子阱结构层中最高的Al组分的数值小于或者等于p型AlGaN电子阻挡层中Al组分的数值。
在可选的实施方式中，非均布量子阱结构层中最低的Al组分的数值不低于量子阱发光层中Al组分的数值。
在可选的实施方式中，非均布量子阱结构层中，Al组分在生长方向上呈阶梯形式降低。
在可选的实施方式中，非均布量子阱结构层中，Al组分在生长方向上先保持不变、接着呈直线形式降低、最后呈阶梯形式增加。
在可选的实施方式中，非均布量子阱结构层中，Al组分在生长方向上先呈阶梯形式降低、再呈阶梯形式增加。
在可选的实施方式中，非均布量子阱结构层中，Al组分在生长方向上先保持不变、接着呈直线形式降低、最后保持不变。
在可选的实施方式中，在生长方向上最后一个量子势垒层中，0.01≤x<y≤1。
第二方面，本发明提供一种AlGaN基半导体紫外器件的制备方法，方法包括：
在衬基底上依次生长缓冲层、n型电子注入层、AlGaN发光有源层、非均布量子阱结构层、p型AlGaN电子阻挡层、p型空穴注入层和接触层；
其中，AlGaN发光有源层包括沿生长方向依次层叠设置的量子阱发光层和量子势垒层，量子阱发光层包括AlxGa1-xN，量子势垒层包括AlyGa1-yN，其中，0.001≤x<y≤1；
非均布量子阱结构层包括AlGaN、且Al组分在生长方向上呈非均匀分布。
在可选的实施方式中，生长非均布量子阱结构层包括：
在MOCVD反应腔室中，将温度调节在900℃～1200℃，通过调节Al源流量和Ga源流量随生长时间逐渐变化，生长Al组分在生长方向上呈非均匀分布的非均布量子阱结构层。
本发明实施例提供的AlGaN基半导体紫外器件及其制备方法的有益效果包括：
1.在生长方向上最后一个量子势垒层与p型AlGaN电子阻挡层之间插入非均布量子阱结构层，由于极化效应导致的非均布量子阱结构层深阱相比于原来的有源区内的量子阱更深，更多的电子会在此集聚，也会促使更多从P型注入的空穴在此集聚，这些集聚的电子与空穴会进行有效的辐射复合，能够改善内量子效率及发光效率；
2.插入非均布量子阱结构层会带来阱带宽的变化，可能会使波长有一部分的红移，通过改变Al组分的变化，使非均布量子阱结构层中Al组分在生长方向上呈非均匀分布，可调节发光峰重新回到原来的位置，保证发光性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明第一实施例提供的AlGaN基半导体紫外器件的结构示意图；
图2为现有紫外器件中Al组分在生长方向上的分布示意图；
图3～图7为本发明第一实施例提供的AlGaN基半导体紫外器件中Al组分在生长方向上的分布示意图；
图8为本发明第一实施例提供的AlGaN基半导体紫外器件与现有紫外器件的发光效率的对比示意图。
图标：100-AlGaN基半导体紫外器件；110-衬基底；120-缓冲层；130-n型电子注入层；140-AlGaN发光有源层；141-量子阱发光层；142-量子势垒层；150-非均布量子阱结构层；160-p型AlGaN电子阻挡层；170-p型空穴注入层；180-接触层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
第一实施例
请参考图1，本实施例提供了一种AlGaN基半导体紫外器件100，AlGaN基半导体紫外器件100包括衬基底110以及在衬基底110上依次生长的缓冲层120、n型电子注入层130、AlGaN发光有源层140、非均布量子阱结构层150、p型AlGaN电子阻挡层160、p型空穴注入层170和接触层180。
其中，衬基底110可以是蓝宝石、SiC、Si、GaN等各种半导体衬基底110。缓冲层120可以包括AlN。n型电子注入层130包括AlGaN，n型电子注入层130也可以简称为n型层或n型AlGaN层。接触层180可以包括p型GaN。
AlGaN发光有源层140包括沿生长方向依次层叠设置的量子阱发光层141和量子势垒层142，量子阱发光层141和量子势垒层142的数量均为N个，其中，2≤N≤20。量子阱发光层141包括AlxGa1-xN，量子势垒层142包括AlyGa1-yN，其中，0.001≤x<y≤1，其中，在生长方向上最后一个量子势垒层142中，0.01≤x<y≤1。
非均布量子阱结构层150沿着生长方向上是由5nm～30nm组成。非均布量子阱结构层150包括AlGaN、且Al组分在生长方向上呈非均匀分布。这里的Al组分在生长方向上呈非均匀分布主要是指Al组分在生长方向上是渐变的、不是一直保持不变的，当然可以包括阶梯渐变、线性渐变等各种变化形式。这样，通过在AlGaN基半导体紫外器件100中引入非均布量子阱结构层150，优化器件的能带结构，能有效地集聚电子与空穴，调控载流子非均匀分布，提高内量子阱中的辐射复合速率，改善器件的发光效率。
其中，非均布量子阱结构层150中最高的Al组分的数值小于或者等于p型AlGaN电子阻挡层160中Al组分的数值，也可以设计非均布量子阱结构层150中最低的Al组分的数值不低于量子阱发光层141中Al组分的数值。
请参阅图2，坐标轴中Y轴表示Al组分的含量，X轴表示紫外器件生长方向上的层结构。现有紫外器件中，在阻挡层之前即为有源层(图2中虚线框中的区域)，有源层中Al组分是一直保持不变的。
请参阅图3～图7，坐标轴中Y轴表示Al组分的含量，X轴表示本实施例提供的AlGaN基半导体紫外器件100生长方向上的层结构，图中虚线框中的区域表示非均布量子阱结构层150。图3～图7示出了非均布量子阱结构层150中Al组分的含量五种不同形式的分布情况，本实施例提供的AlGaN基半导体紫外器件100可以采用其中任一种分布情况。
请参阅图3，本实施例提供的AlGaN基半导体紫外器件100中，非均布量子阱结构层150中，Al组分在生长方向上可以呈阶梯形式降低。
请参阅图4，本实施例提供的AlGaN基半导体紫外器件100中，非均布量子阱结构层150中，Al组分在生长方向上可以先保持不变、接着呈直线形式降低、最后呈阶梯形式增加。
请参阅图5，本实施例提供的AlGaN基半导体紫外器件100中，非均布量子阱结构层150中，Al组分在生长方向上可以先保持不变、接着呈直线形式降低、再保持不变、最后呈直线形式增加，其中，直线形式降低的速率大于直线形式增加的速率。
请参阅图6，本实施例提供的AlGaN基半导体紫外器件100中，非均布量子阱结构层150中，Al组分在生长方向上可以先保持不变、接着呈直线形式降低、最后保持不变。
请参阅图7，本实施例提供的AlGaN基半导体紫外器件100中，非均布量子阱结构层150中，Al组分在生长方向上可以先呈阶梯形式降低、再呈阶梯形式增加，其中，阶梯形式降低的曲线与阶梯形式增加的曲线可以呈对称的形式。
综上，在图3～图6中，非均布量子阱结构层150中Al组分在生长方向上的变化曲线为非对称形式。在图7中，非均布量子阱结构层150中Al组分在生长方向上的变化曲线为对称形式。
容易理解的是，非均布量子阱结构层150中Al组分在生长方向上的变化曲线还可以有其它的形式，例如：先呈直线形式降低、接着保持不变、最后呈直线形式增加，其中，直线形式降低的速率小于直线形式增加的速率。
本实施例提供的AlGaN基半导体紫外器件100的核心在于：在生长方向上最后一个量子势垒层142与p型AlGaN电子阻挡层160之间插入非均布量子阱结构层150，形成的AlGaN基半导体紫外器件100具有以下优势：
a)通过能带的调控，大量的电子与空穴会在非均布量子阱结构层150集聚，进行辐射复合，提高发光效率，具体的，请参阅图8，图8中虚线表示本实施例提供的AlGaN基半导体紫外器件100的发光效率曲线，实线表示现有紫外器件的发光效率曲线；
b)非均布量子阱结构层150的引入可充分避免由于实际生长中，p型层中的Mg的激活率过低，同时注入到有源区内难的缺点；
c)常规的紫外器件中，电子与空穴的浓度分布在有源区内极其不匹配，大量未复合的电子会积聚在最后一个量子垒及电子阻挡层之间，或者会泄漏到p型区域内，严重降低了电子的有效利用，本申请中器件的使用进一步加强电子在非均布量子阱结构层150内集聚，最后与集聚的空穴发生辐射复合，提高发光效率。
综上，本实施例提供的AlGaN基半导体紫外器件100的优点在于：优化AlGaN基半导体紫外器件100的能带结构，此在引入非均布量子阱结构层150来调控载流子分布，优化器件的能带结构，能有效地增加电子限制效果、增强空穴注入效率，从而提高AlGaN基半导体紫外器件100的内量子效率和发光效率，尤其对高注入下AlGaN基半导体紫外器件100更为有效。而且，插入非均布量子阱结构层150会带来阱带宽的变化，可能会使波长有一部分的红移，通过改变Al组分的变化，使非均布量子阱结构层150中Al组分在生长方向上呈非均匀分布，可调节发光峰重新回到原来的位置，保证发光性能。
第二实施例
本实施例提供一种AlGaN基半导体紫外器件的制备方法，该制备方法主要用于制备第一实施例中的AlGaN基半导体紫外器件。
该制备方法包括：在衬基底上依次生长缓冲层、n型电子注入层、AlGaN发光有源层、非均布量子阱结构层、p型AlGaN电子阻挡层、p型空穴注入层和接触层。
其中，AlGaN发光有源层包括沿生长方向依次层叠设置的量子阱发光层和量子势垒层，量子阱发光层包括AlxGa1-xN，量子势垒层包括AlyGa1-yN，其中，0.001≤x<y≤1。非均布量子阱结构层包括AlGaN、且Al组分在生长方向上呈非均匀分布。制备的各层结构的特征与第一实施例中对应层结构的特征相同，这里不再赘述。
其中，生长非均布量子阱结构层包括：在MOCVD反应腔室中，将温度调节在900℃～1200℃，通过调节Al源流量和Ga源流量随生长时间逐渐变化，生长Al组分在生长方向上呈非均匀分布的非均布量子阱结构层。
本实施例提供的AlGaN基半导体紫外器件的制备方法的核心在于：在生长方向上最后一个量子势垒层与p型AlGaN电子阻挡层之间插入非均布量子阱结构层，形成的AlGaN基半导体紫外器件具有以下优势：
a)通过能带的调控，大量的电子与空穴会在非均布量子阱结构层集聚，进行辐射复合，提高发光效率(请参阅图8)；
b)非均布量子阱结构层的引入可充分避免由于实际生长中，p型层中的Mg的激活率过低，同时注入到有源区内难的缺点；
c)常规的紫外器件中，电子与空穴的浓度分布在有源区内极其不匹配，大量未复合的电子会积聚在最后一个量子垒及电子阻挡层之间，或者会泄漏到p型区域内，严重降低了电子的有效利用，本申请中器件的使用进一步加强电子在非均布量子阱结构层内集聚，最后与集聚的空穴发生辐射复合，提高发光效率。
综上，本实施例提供的AlGaN基半导体紫外器件的制备方法的优点在于：优化AlGaN基半导体紫外器件的能带结构，此在引入非均布量子阱结构层来调控载流子分布，优化器件的能带结构，能有效地增加电子限制效果、增强空穴注入效率，从而提高AlGaN基半导体紫外器件的内量子效率和发光效率，尤其对高注入下AlGaN基半导体紫外器件更为有效。而且，插入非均布量子阱结构层会带来阱带宽的变化，可能会使波长有一部分的红移，通过改变Al组分的变化，使非均布量子阱结构层中Al组分在生长方向上呈非均匀分布，可调节发光峰重新回到原来的位置，保证发光性能。
容易理解的是，以上实施例提供的AlGaN基半导体紫外器件及其制备方法可以适用于正装、倒装、垂直等结构形式的紫外器件，也可以适用于所有发光波段的紫外器件。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种AlGaN基半导体紫外器件，其特征在于，所述AlGaN基半导体紫外器件包括衬基底(110)以及在所述衬基底(110)上依次生长的缓冲层(120)、n型电子注入层(130)、AlGaN发光有源层(140)、非均布量子阱结构层(150)、p型AlGaN电子阻挡层(160)、p型空穴注入层(170)和接触层(180)；
其中，所述AlGaN发光有源层(140)包括沿生长方向依次层叠设置的量子阱发光层(141)和量子势垒层(142)，所述量子阱发光层(141)包括AlxGa1-xN，所述量子势垒层(142)包括AlyGa1-yN，其中，0.001≤x<y≤1，在生长方向上最后一个所述量子势垒层(142)中，0.01≤x<y≤1；
所述非均布量子阱结构层(150)包括AlGaN、且Al组分在生长方向上呈非均匀分布，所述非均布量子阱结构层(150)中，Al组分在生长方向上呈阶梯形式降低，或者Al组分在生长方向上先保持不变、接着呈直线形式降低、最后呈阶梯形式增加，或者Al组分在生长方向上先呈阶梯形式降低、再呈阶梯形式增加，或者Al组分在生长方向上先保持不变、接着呈直线形式降低、最后保持不变；
所述非均布量子阱结构层(150)中最高的Al组分的数值小于所述p型AlGaN电子阻挡层(160)中Al组分的数值；
所述非均布量子阱结构层(150)中最低的Al组分的数值不低于所述量子阱发光层(141)中Al组分的数值。
2.一种AlGaN基半导体紫外器件的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
在衬基底上依次生长缓冲层、n型电子注入层、AlGaN发光有源层、非均布量子阱结构层、p型AlGaN电子阻挡层、p型空穴注入层和接触层；
其中，所述AlGaN发光有源层包括沿生长方向依次层叠设置的量子阱发光层和量子势垒层，所述量子阱发光层包括AlxGa1-xN，所述量子势垒层包括AlyGa1-yN，其中，0.001≤x<y≤1，在生长方向上最后一个所述量子势垒层中，0.01≤x<y≤1；
所述非均布量子阱结构层包括AlGaN、且Al组分在生长方向上呈非均匀分布，所述非均布量子阱结构层中，Al组分在生长方向上呈阶梯形式降低，或者Al组分在生长方向上先保持不变、接着呈直线形式降低、最后呈阶梯形式增加，或者Al组分在生长方向上先呈阶梯形式降低、再呈阶梯形式增加，或者Al组分在生长方向上先保持不变、接着呈直线形式降低、最后保持不变；
所述非均布量子阱结构层(150)中最高的Al组分的数值小于所述p型AlGaN电子阻挡层(160)中Al组分的数值；
所述非均布量子阱结构层(150)中最低的Al组分的数值不低于所述量子阱发光层(141)中Al组分的数值。
3.根据权利要求2所述的AlGaN基半导体紫外器件的制备方法，其特征在于，生长所述非均布量子阱结构层包括：
在MOCVD反应腔室中，将温度调节在900℃～1200℃，通过调节Al源流量和Ga源流量随生长时间逐渐变化，生长Al组分在生长方向上呈非均匀分布的所述非均布量子阱结构层。
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