CN113809211A - 一种具有隧穿结构的深紫外led及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有隧穿结构的深紫外LED及其制备方法，该具有隧穿结构的深紫外LED由下至上依次设置有蓝宝石衬底、AlN缓冲层、AlN本征层、n型AlGaN电子注入层、量子阱有源层、p型AlGaN电子阻挡层、GaN隧穿层以及n型AlGaN接触层，p型AlGaN电子阻挡层、GaN隧穿层以及n型AlGaN接触层构成复合隧穿结构。本发明提供了一种具有隧穿结构的深紫外LED及其制备方法，通过P‑AlGaN/i‑GaN/n‑AlGaN复合隧穿结构来提高注入到量子阱中的载流子浓度，进而提高深紫外LED的量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电领域，特别是一种具有隧穿结构的深紫外LED及其制备方法。
背景技术
AlGaN是一种直接带隙宽禁带半导体材料，其禁带宽度可通过改变Al元素的掺入量从3.4eV(GaN)到6.2eV(AlN)连续可调，实现365nm到200nm光谱范围内的发光，且具有物理化学性质稳定、耐高温、抗辐照等优异性能，是当前制备半导体深紫外光源器件的最佳候选材料。而且，AlGaN基深紫外发光二极管(LED)相比于传统汞灯具有体积小、功耗低、环保安全和集成度高等诸多优势，将有望在未来几年取得突破性进展以及巨大应用，近年来受到越来越多的关注和重视。
目前对于AlGaN材料，一般采用Mg来作为P型掺杂剂。随着AlGaN材料中Al组分的升高，Mg的激活能会从160meV增加到510～630meV。因此如果采用P型AlGaN材料来作为深紫外LED的空穴注入层，器件中的空穴浓度较低，所以目前深紫外LED主要采用P-GaN作为空穴注入层。虽然P-GaN层有较高的空穴浓度，但其禁带宽度较窄，从量子阱中出射的紫外光有一半会被P-GaN层吸收，这大大降低了深紫外LED的外量子效率。故需要提出一种新的深紫外LED设计方法用于解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供了一种具有隧穿结构的深紫外LED及其制备方法，用于解决现有技术中P-GaN空穴注入层会吸收较多紫外光而导致深紫外LED外量子效率较低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的第一解决方案为一种具有隧穿结构的深紫外LED，该具有隧穿结构的深紫外LED由下至上依次设置有蓝宝石衬底、AlN缓冲层、AlN本征层、n型AlGaN电子注入层、量子阱有源层、p型AlGaN电子阻挡层、GaN隧穿层以及n型AlGaN接触层，p型AlGaN电子阻挡层、GaN隧穿层以及n型AlGaN接触层构成复合隧穿结构。
优选的，p型AlGaN电子阻挡层的Al组分百分数为50～100％，厚度为1～200nm，p型AlGaN电子阻挡层中使用Mg作为p型掺杂剂。
优选的，GaN隧穿层的厚度为1～30nm。
优选的，n型AlGaN接触层的Al组分百分数为50～100％，厚度为1～500nm，n型AlGaN接触层中使用Si作为n型掺杂剂，电子浓度为1×1018～5×1019cm-3。
优选的，具有隧穿结构的深紫外LED还包括第一电极和第二电极，第一电极设置于n型AlGaN电子注入层与量子阱有源层形成的台阶结构处，第二电极设置于n型AlGaN接触层远离GaN隧穿层一侧。
为解决上述技术问题，本发明提供的第二解决方案为一种具有隧穿结构的深紫外LED的制备方法，该制备方法用于制备前述第一解决方案中具有隧穿结构的深紫外LED，其步骤包括：
(1)在400～800℃下，于蓝宝石衬底上生长AlN低温缓冲层，且AlN低温缓冲层的厚度为10～50nm；
(2)升温至1200～1400℃，于AlN低温缓冲层上生长AlN本征层，且AlN本征层的厚度为500～4000nm；
(3)降温至800～1200℃，于AlN本征层上生长n型AlGaN电子注入层，其中Al的组分百分数为20～90％，厚度为500～4000nm；
(4)调温至700～1100℃，于n型AlGaN电子注入层上生长量子阱有源层，量子阱有源层中势垒厚度为5～30nm，Al组分百分数为20～100％，势阱厚度为0.1～5nm，Al组分百分数为0.1％～80％；
(5)维持温度700～1100℃，于量子阱有源层上生长p型AlGaN电子阻挡层，且p型AlGaN电子阻挡层的厚度为1～200nm；
(6)维持温度700～1100℃，于p型AlGaN电子阻挡层上生长GaN隧穿层，且GaN隧穿层的厚度为1～30nm。
(7)维持温度700～1100℃，于GaN隧穿层上生长n型AlGaN接触层，且n型AlGaN接触层的厚度为1～500nm，电子浓度为1×1018～5×1019cm-3。
其中，步骤(5)中，生长p型AlGaN电子阻挡层的V/III比为50～10000，采用Mg作为p型掺杂剂。
其中，步骤(6)中，生长GaN隧穿层的V/III比为50～10000。
其中，步骤(7)中，生长V/III比为50～10000，采用Si作为n型掺杂剂，原料中SiH4流量为0.01～50SCCM。
其中，具有隧穿结构的深紫外LED的制备方法还包括：(8)在n型AlGaN电子注入层与量子阱有源层形成的台阶结构处设置第一电极，在n型AlGaN接触层远离GaN隧穿层一侧设置第二电极。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种具有隧穿结构的深紫外LED及其制备方法，通过P-AlGaN/i-GaN/n-AlGaN复合隧穿结构来提高注入到量子阱中的载流子浓度，进而提高深紫外LED的量子效率。
附图说明
图1是本发明中具有隧穿结构的深紫外LED与传统深紫外LED的结构对比图；
图2是本发明中具有隧穿结构的深紫外LED与传统深紫外LED的载流子复合效率对比图；
图3是本发明中具有隧穿结构的深紫外LED与传统深紫外LED的光输出功率对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
对于本发明提供的第一解决方案，请参阅图1，该具有隧穿结构的深紫外LED由下至上依次设置有蓝宝石衬底1、AlN缓冲层2、AlN本征层3、n型AlGaN电子注入层4、量子阱有源层5、p型AlGaN电子阻挡层6、GaN隧穿层7、n型AlGaN接触层8、第一电极9和第二电极10。其中，第一电极设置于n型AlGaN电子注入层与量子阱有源层形成的台阶结构处，第二电极设置于n型AlGaN接触层远离GaN隧穿层一侧；本实施方式中第一电极9和第二电极10均为n电极。
本实施方式中，p型AlGaN电子阻挡层的Al组分百分数为50～100％，厚度为1～200nm，p型AlGaN电子阻挡层中使用Mg作为p型掺杂剂；GaN隧穿层的厚度优选为1～30nm；n型AlGaN接触层的Al组分百分数为50～100％，厚度为1～500nm，n型AlGaN接触层中使用Si作为n型掺杂剂，具有较高的Si掺杂浓度，电子浓度为1×1018～5×1019cm-3。
由图1本发明中具有隧穿结构的深紫外LED与传统深紫外LED的结构对比，对本发明的结构机理进行分析，其中(a)为传统深紫外LED的结构，(b)为具有隧穿结构的深紫外LED的结构。本发明相较于现有技术的区别在于，引入GaN隧穿层和高掺杂的n型AlGaN接触层，来代替传统的p型GaN空穴注入层，并由p型AlGaN电子阻挡层、GaN隧穿层以及n型AlGaN接触层构成复合隧穿结构；因为复合隧穿结构的氮化物材料中存在着较强的自发极化和压电极化效应，在P-AlGaN/GaN/n-AlGaN异质界面处会产生明显的极化电荷与极化电场；极化电场会使得材料的能带倾斜，有助于将n型AlGaN接触层的导带与p型AlGaN电子阻挡层的价带对齐，同时减小耗尽区的宽度，提高电子的隧穿概率，从而提高载流子浓度，实现深紫外LED量子效率的提高。
对于本发明提供的第二解决方案，一种具有隧穿结构的深紫外LED的制备方法，该制备方法用于制备前述第一解决方案中具有隧穿结构的深紫外LED，其步骤包括：
(1)在400～800℃下，于蓝宝石衬底上生长AlN低温缓冲层，且AlN低温缓冲层的厚度为10～50nm。
(2)升温至1200～1400℃，于AlN低温缓冲层上生长AlN本征层，且AlN本征层的厚度为500～4000nm。
(3)降温至800～1200℃，于AlN本征层上生长n型AlGaN电子注入层，其中Al的组分百分数为20～90％，厚度为500～4000nm。
(4)调温至700～1100℃，于n型AlGaN电子注入层上生长量子阱有源层，量子阱有源层中势垒厚度为5～30nm，Al组分百分数为20～100％，势阱厚度为0.1～5nm，Al组分百分数为0.1％～80％。
(5)维持温度700～1100℃，于量子阱有源层上生长p型AlGaN电子阻挡层，p型AlGaN电子阻挡层的厚度为1～200nm。本步骤中，生长p型AlGaN电子阻挡层的V/III比为50～10000，采用Mg作为p型掺杂剂。
(6)维持温度700～1100℃，于p型AlGaN电子阻挡层上生长GaN隧穿层，且GaN隧穿层的厚度为1～30nm。本步骤中，生长GaN隧穿层的V/III比为50～10000，且并未进行掺杂。
(7)维持温度700～1100℃，于GaN隧穿层上生长n型AlGaN接触层，且n型AlGaN接触层的厚度为1～500nm，电子浓度为1×1018～5×1019cm-3。本步骤中，生长V/III比为50～10000，采用Si作为n型掺杂剂进行重掺杂，原料中SiH4流量为0.01～50SCCM。
(8)在n型AlGaN电子注入层与量子阱有源层形成的台阶结构处设置第一电极，在n型AlGaN接触层远离GaN隧穿层一侧设置第二电极。本步骤中所设置的第一电极和第二电极均为n电极。
下面通过具体实施例对上述具有隧穿结构的深紫外LED的性能效果进行表征对比。
实施例1
本实施例中，采用前述具有隧穿结构的深紫外LED的制备方法进行深紫外LED制备，其中，p型AlGaN电子阻挡层的厚度为200nm，Mg的掺杂浓度为2×1019cm-3；GaN隧穿层的厚度为6nm，生长温度为1000℃；n型AlGaN接触层的厚度为300nm，Al组分百分数为60％，电子浓度约为1×1019cm-3；所设置的第一电极和第二电极均为n电极。
对比例1
本对比例与实施例1相比，将GaN隧穿层和n型AlGaN接触层替换成p型GaN空穴注入层，p型GaN空穴注入层的厚度为100nm，掺杂浓度为3×1019cm-3，并且将第二电极设置为p电极，其他制备工艺与实施例1保持一致。
将实施例1和对比例1所制备的深紫外LED发光性能的测试，测试结果如图2和图3所示。图2是本发明中具有隧穿结构的深紫外LED与传统深紫外LED的载流子复合效率对比图，该图是通过理论计算并统计出深紫外LED量子阱区域的载流子辐射复合速率；可以看出，本发明中具备隧穿结构的深紫外LED的载流子辐合速率显著提高，由于辐射复合速率和LED的光输出功率通常为正相关关系，因此辐射复合速率的提高说明本发明中的复合隧穿结构可以显著增强深紫外LED的光输出功率。
图3是本发明中具有隧穿结构的深紫外LED与传统深紫外LED的光输出功率对比图，起初在注入电流为100mA时，传统结构的深紫外LED的光输出功率为15mW，而本发明中具有隧穿结构的深紫外LED的光输出功率为36mW，并且随着注入电流的逐渐提升，传统结构的深紫外LED和本发明中具有隧穿结构的深紫外LED两者光输出功率之间的差距更加明显；这是利用P-AlGaN/i-GaN/n-AlGaN复合隧穿结构，可以将载流子从高掺杂的n型AlGaN接触层的导带隧穿到p型AlGaN层的价带中，提高了注入到量子阱中的载流子浓度，从而大大提高了深紫外LED的光输出功率。故由图2和图3的对比分析证明了本发明中P-AlGaN/i-GaN/n-AlGaN复合隧穿结构能够有效提高深紫外LED的量子效率。
区别于现有技术的情况，本发明提供了一种具有隧穿结构的深紫外LED及其制备方法，通过P-AlGaN/i-GaN/n-AlGaN复合隧穿结构来提高注入到量子阱中的载流子浓度，进而提高深紫外LED的量子效率。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，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)
1.一种具有隧穿结构的深紫外LED，其特征在于，所述具有隧穿结构的深紫外LED由下至上依次设置有蓝宝石衬底、AlN缓冲层、AlN本征层、n型AlGaN电子注入层、量子阱有源层、p型AlGaN电子阻挡层、GaN隧穿层以及n型AlGaN接触层，所述p型AlGaN电子阻挡层、GaN隧穿层以及n型AlGaN接触层构成复合隧穿结构。
2.根据权利要求1中所述的具有隧穿结构的深紫外LED，其特征在于，所述p型AlGaN电子阻挡层的Al组分百分数为50～100％，厚度为1～200nm，所述p型AlGaN电子阻挡层中使用Mg作为p型掺杂剂。
3.根据权利要求1中所述的具有隧穿结构的深紫外LED，其特征在于，GaN隧穿层的厚度为1～30nm。
4.根据权利要求1中所述的具有隧穿结构的深紫外LED，其特征在于，所述n型AlGaN接触层的Al组分百分数为50～100％，厚度为1～500nm，所述n型AlGaN接触层中使用Si作为n型掺杂剂，电子浓度为1×1018～5×1019cm-3。
5.根据权利要求1中所述的具有隧穿结构的深紫外LED，其特征在于，所述具有隧穿结构的深紫外LED还包括第一电极和第二电极，所述第一电极设置于所述n型AlGaN电子注入层与量子阱有源层形成的台阶结构处，所述第二电极设置于所述n型AlGaN接触层远离所述GaN隧穿层一侧。
6.一种如权利要求1～5中任一所述具有隧穿结构的深紫外LED的制备方法，其特征在于，其步骤包括：
(1)在400～800℃下，于蓝宝石衬底上生长AlN低温缓冲层，且所述AlN低温缓冲层的厚度为10～50nm；
(2)升温至1200～1400℃，于所述AlN低温缓冲层上生长AlN本征层，且所述AlN本征层的厚度为500～4000nm；
(3)降温至800～1200℃，于所述AlN本征层上生长n型AlGaN电子注入层，其中Al的组分百分数为20～90％，厚度为500～4000nm；
(4)调温至700～1100℃，于所述n型AlGaN电子注入层上生长量子阱有源层，所述量子阱有源层中势垒厚度为5～30nm，Al组分百分数为20～100％，势阱厚度为0.1～5nm，Al组分百分数为0.1％～80％；
(5)维持温度700～1100℃，于所述量子阱有源层上生长p型AlGaN电子阻挡层，且所述p型AlGaN电子阻挡层的厚度为1～200nm；
(6)维持温度700～1100℃，于所述p型AlGaN电子阻挡层上生长GaN隧穿层，且所述GaN隧穿层的厚度为1～30nm；
(7)维持温度700～1100℃，于所述GaN隧穿层上生长n型AlGaN接触层，且所述n型AlGaN接触层的厚度为1～500nm，电子浓度为1×1018～5×1019cm-3。
7.根据权利要求6中所述具有隧穿结构的深紫外LED的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，生长所述p型AlGaN电子阻挡层的V/III比为50～10000，采用Mg作为p型掺杂剂。
8.根据权利要求6中所述具有隧穿结构的深紫外LED的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中，生长所述GaN隧穿层的V/III比为50～10000。
9.根据权利要求6中所述具有隧穿结构的深紫外LED的制备方法，其特征在于，所述步骤(7)中，生长所述V/III比为50～10000，采用Si作为n型掺杂剂，原料中SiH4流量为0.01～50SCCM。
10.根据权利要求6中所述具有隧穿结构的深紫外LED的制备方法，其特征在于，所述具有隧穿结构的深紫外LED的制备方法还包括：
(8)在所述n型AlGaN电子注入层与量子阱有源层形成的台阶结构处设置第一电极，在所述n型AlGaN接触层远离所述GaN隧穿层一侧设置第二电极。
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