CN114373837B - 一种AlGaN基深紫外发光二极管器件结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及化合物半导体光电子器件领域，尤其涉及一种高性能AlGaN基深紫外发光二极管器件(LED)的器件结构及其制备方法。本发明所述的AlGaN基深紫外发光二极管器件结构具有V形立体p‑n结注入结构。所述V形立体p‑n结注入结构是通过在AlGaN基量子阱部分的V形腐蚀坑的侧壁的半极性面上进一步形成AlGaN电子阻挡层(EBL)、p‑AlGaN和p‑GaN接触层而形成的。该V形立体p‑n结注入结构改变了目前广泛使用的在(0001)面蓝宝石衬底上生长的AlGaN基深紫外LED中空穴只能沿着[000‑1]方向注入这一固有限制，从而有效解决空穴迁移能力不足导致的注入效率低下的问题，显著提升LED器件量子阱中空穴浓度和均匀分布，进而提升器件的光输出功率，同时有效解决了大电流注入下的Droop效应问题。
Description
技术领域
本发明涉及化合物半导体光电子器件领域，尤其涉及一种高性能AlGaN基深紫外发光二极管器件(LED)的器件结构及其制备方法。
背景技术
近年来，AlGaN基深紫外(DUV)发光器件，如发光二极管(LED)因其在医疗、杀菌、数据存储、探测以及保密通讯等方面的巨大应用需求，逐渐引起了人们的重视，而提高AlGaN基深紫外LED的器件性能也因此成为十分重要的工作。
一般而言，深紫外LED的光输出功率主要由外量子效率(EQE)决定，而外量子效率可以表述为载流子注入效率、内量子效率和光提取效率的乘积，因此提高载流子注入效率是有效提高深紫外LED的光输出功率的核心环节。同时，在LED结构中，随着LED光输出功率要求的提高，工作电流密度相应的增加，由俄歇复合和载流子泄露效应产生的Droop效应会严重的影响LED的载流子注入效率，从而进一步影响光输出功率。因此，发展一种能够有效提高载流子注入效率的方法对提高深紫外LED的性能，尤其是在大电流注入下的性能改善极为重要。
针对这一问题，目前国际上提出通过对电子阻挡层(EBL)进行结构设计，利用极化效应进行能带结构调制，以期增加空穴的注入效率，同时减少电子泄露造成的Droop效应影响。然而，由于空穴和电子有效质量的差异，空穴和电子在AlGaN材料中的迁移能力有着很大的差别，空穴的迁移率远小于电子；同时，在高Al组分的AlGaN材料中，p-AlGaN的空穴激活能很高，因此p-AlGaN中的空穴浓度往往远小于n-AlGaN中的电子浓度。
可见，由于上述因素的影响，即使通过结构设计提高空穴注入效率，然而多量子阱中的空穴分布仍然十分不均匀，一般只有靠近p-AlGaN区的一到两对量子阱辐射发光强度较高，而靠近n-AlGaN区域量子阱的发光强度则较弱。特别是在大电流注入下，由于这种不均匀的空穴分布导致大量电子来不及在量子阱中复合而是泄露到p型层中；而且大电流注入下的俄歇复合现象较为严重，从而导致载流子注入效率处于比较低的水平。
基于上述分析可知，有必要发展能有效地向多量子阱中较为均匀注入空穴的结构，从而提高深紫外LED的注入效率。
发明内容
本发明提出一种新的AlGaN基深紫外(DUV)发光器件结构，其可有效解决深紫外LED结构的载流子注入效率低、注入不均匀及大电流下Droop效应的问题。
本发明所述的AlGaN基深紫外发光二极管器件结构具有V形立体p-n结注入结构。利用该V形立体p-n结注入结构可以实现载流子的侧壁注入，从而使载流子可以较均匀的横向注入到各个量子阱中，进而显著提高载流子注入效率，并避免Droop效应的影响。
进一步地，所述V形立体p-n结注入结构是通过在AlGaN基量子阱部分的V形腐蚀坑的侧壁的半极性面上进一步形成AlGaN电子阻挡层(EBL)、p-AlGaN和p-GaN接触层而形成的。
本发明通过在AlGaN基量子阱结构中人为的引入大量V形腐蚀坑(V-pit)，并通过其侧壁制备立体的p-n结注入结构，从而有效的提高空穴注入效率，能有效解决一般在(0001)面蓝宝石衬底上生长的AlGaN基深紫外LED中，空穴只能沿着[000-1]方向注入时，电子、空穴在量子阱发光有源区分布不均匀和大电流条件下Droop效应的问题，从而大幅提高AlGaN深紫外LED的器件性能。
进一步地，所述V形腐蚀坑的密度在1×107-6×108cm-2之间；所述V形腐蚀坑的深度小于AlGaN基量子阱的总厚度。AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱对应的总厚度范围为30-300nm，周期数4-25对为宜。通过控制V形腐蚀坑(V-pit)的密度和深度，以与AlGaN基量子阱的周期数和总厚度相匹配，从而最大程度的实现空穴通过V形腐蚀坑的侧壁注入，以提升空穴载流子的注入效率。
更进一步地，所述V形腐蚀坑是利用AlGaN基量子阱中有位错处与无位错处区域之间的应力差异，通过对有位错区域腐蚀而形成的。
具体地，可通过控制腐蚀条件以调整V形腐蚀坑(V-pit)的密度和尺寸。V形腐蚀坑的密度与腐蚀条件、位错密度相关；而V形腐蚀坑的深度可以通过腐蚀时间和温度进行调整。
所述腐蚀的方法包括：湿法腐蚀(如热磷酸和热硫酸混合液，熔融KOH湿法腐蚀)或者气态腐蚀(如高温HCl气体腐蚀等)。优选湿法腐蚀，其对AlGaN基量子阱表面损伤较小，容易进行再生长。
更进一步地，在形成AlGaN电子阻挡层之前，利用MOCVD使所得具有V形腐蚀坑的AlGaN基量子阱在氢气氛围下进行热处理实现再生长。在这一过程中，须控制氢气吹扫时间和氢气吹扫温度，将腐蚀之后量子阱表面形成的氧化物等沾污物通过表面的脱附物理过程清理干净，从而消除可能形成的表面缺陷态(界面态)的影响(如形成表面复合中心等)，进而保证再生长之后的p型结构层可以有效地通过V形腐蚀坑的侧壁向量子阱中高效注入空穴。
本发明还提供上述AlGaN基深紫外发光二极管器件结构的制备方法，包括：
形成AlGaN基量子阱；
通过腐蚀在所得AlGaN基量子阱中形成V形腐蚀坑；
通过在所得V形腐蚀坑的侧壁的半极性面上生长AlGaN电子阻挡层(EBL)、p-AlGaN和p-GaN接触层，形成立体p-n结注入结构。
作为本发明的具体实施方式之一，以AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱器件为例，所述制备方法包括如下步骤：
步骤(1)：在AlN模板上生长i-AlGaN和n-AlGaN层，再进一步生长得到AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱；
步骤(2)：借助位错应力场的选择性，通过湿法腐蚀在AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱中形成V形腐蚀坑；
步骤(3)：采用MOCVD对步骤(2)所得AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱进行再生长；其中利用脱附过程去除步骤(2)腐蚀过程引入的氧化物；
步骤(4)：对步骤(3)所得AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱继续外延生长，得到EBL、p-AlGaN和p-GaN结构，形成具有立体p-n结注入结构的AlGaN基深紫外发光二极管器件结构。
其中，步骤(1)中，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱的总厚度为30-300nm，对应的量子阱周期数为4-25。
步骤(2)中，所述腐蚀温度为300-500℃，优选为350-450℃，腐蚀的时间为1-15min，优选为2-6min；通过控制腐蚀时间和温度以控制V形腐蚀坑的密度和尺寸，使其与AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱的周期数和总厚度相匹配，从而最大程度的实现空穴通过V形腐蚀坑的侧壁注入，以提升空穴载流子的注入效率。
步骤(3)中，所述脱附过程中，氢气的吹扫时间为1-10min，优选为2-4min，吹扫温度为950-1130℃，优选为1050℃-1100℃。
本发明所取得的有益效果如下：
本发明着力于解决AlGaN基深紫外LED中注入效率低和大电流下Droop效应的问题。具体是利用AlGaN材料体系中位错具有刻蚀选择性很强的特点，在量子阱结构中人为的引入大量V形腐蚀坑，进而通过在其侧壁上继续生长EBL、p-AlGaN和p-GaN结构，形成三维p-n结构，改变了目前广泛使用的在(0001)面蓝宝石衬底上生长的AlGaN基深紫外LED中空穴只能沿着[000-1]方向注入这一固有限制，从而有效解决空穴迁移能力不足导致的载流子分布不均匀进而引发注入效率下降的问题，显著提升LED器件的注入效率，进而提升器件的光输出功率，同时有效解决了大电流注入下的Droop效应问题。
具体说来，本发明对LED器件性能的提升有以下有益的效果：
(1)相对于(0001)面，本发明所述的V形腐蚀坑的半极性侧壁的极化电荷密度大幅度降低，从而能有效降低空穴注入势垒高度，显著提高载流子注入效率；
(2)基于V形腐蚀坑结构，载流子可以横向注入到各个量子阱中；而这一横向路径的实现保证了注入空穴在有源区域的均匀分布，实现了在大电流注入下Droop效应较弱；
(3)利用AlGaN材料体系中位错具有刻蚀选择性强的特点，实现V形腐蚀坑的制备，而且这一位错选择蚀刻过程还抑制了注入载流子的非辐射复合，从而显著提高量子阱的发光内量子效率。
由此可见，本发明所述的基于人为引入的V形腐蚀坑的三维空穴注入策略为追求大功率、高效率的DUV发射器提供了一种有前景的方法。利用人工引入V形腐蚀坑途径来提高深紫外LED的注入效率的方法具有效率高、可控性好的特点，有效解决了深紫外LED的注入效率低以及在大电流下工作时会出现的Droop效应的问题，适合推广到深紫外发光器件的产业化应用中。
附图说明
图1为本发明实施例1所述深紫外LED器件结构制备的工艺流程图。
图2为本发明实施例1所得深紫外LED器件结构的结构示意图及电流注入模型图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明具体提供一种利用人为引入V形腐蚀坑来提高深紫外LED的注入效率的方法，其利用熔融KOH腐蚀(湿法腐蚀)AlGaN材料形成六角形腐蚀坑，进而实现空穴的横向注入。同时利用该方法可制得具有立体p-n结注入结构的深紫外LED器件。
具体包括以下步骤：
S1：采用MOCVD在(0001)面蓝宝石衬底上制备AlN模板、应力调整层和器件结构层，便于后续的生长；
具体为：首先在2英寸c面蓝宝石衬底上制备AlN模板，然后在AlN模板上生长多周期AlGaN/AlN应力调整层，接着生长一定厚度的非故意掺杂的i-AlGaN，之后生长n-AlGaN，并进一步在n-AlGaN上生长AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱器件结构层；
S2：用刚玉坩埚将KOH加热，使固体KOH变为熔融状态；
S3：将生长结束后得到的量子阱样品放入熔融KOH中腐蚀，之后取出，用去离子水清洗干净，之后用氮气枪吹干；
S4：将腐蚀之后的量子阱样品放回MOCVD反应室中，升高温度到合适的温度，然后在氢气氛围下热处理，利用脱附过程去除和空气接触过程中引入氧化物；
S5：调整生长温度，继续生长p-EBL、p-AlGaN和p-GaN层，实现基于人为引入V形腐蚀坑的深紫外LED样品。
其中，S1和S5中，外延所用镓源选自三甲基镓(TMGa)、三乙基镓；所用铝源选自三甲基铝(TMAl)；n-AlGaN生长所用硅源选自硅烷(SiH4)。
S5所用镁源选用二茂镁源(Cp2Mg)。
S1中，所述AlN层、多周期AlGaN/AlN应力调整层、i-AlGaN层和n-AlGaN层的厚度并没有具体限定，根据实际情况选定即可。本实例中所用AlN层厚度为1微米，i-AlGaN层厚度为300纳米，n-AlGaN层厚度为1.5-2微米。
S5中，所述p-EBL、p-AlGaN和p-GaN层的厚度并没有具体限定，根据实际情况选定即可。本实例中所用p-EBL层厚度为20纳米，p-AlGaN层厚度为50纳米，p-GaN层厚度为150纳米。
S1和S5中，外延过程中金属源的载气选择氢气或氢气和氮气的混合气，AlN层的生长温度为1150-1250℃，i-AlGaN和n-AlGaN层的生长温度为1070-1150℃，AlxGa1-xN/AlyGa1- yN多量子阱生长温度为1040-1110℃，量子阱对数为4-25对，所选用的垒层厚度为7-10nm，所选用的阱层厚度为1.5-2.5nm，p-EBL生长温度为1060-1080℃，p-AlGaN生长温度为1010-1090℃，p-GaN生长温度为850℃-980℃。
S2和S3中的腐蚀温度为300-500℃，优选为350-450℃，腐蚀的时间为1-15min，优选为2-6min，通过控制腐蚀的温度和腐蚀的时间可以调整腐蚀坑的密度和尺寸。
S1中的量子阱总厚度为30-300nm，优选地，所选周期为5-12对，总厚度为50-150nm，所选量子阱厚度应略大于腐蚀坑的纵向深度。
S4中的吹扫过程时间通常为1-10min，温度为950-1130℃，时间优选为2-4min，温度优选为1050℃-1100℃。
实施例1利用侧壁的高注入效率深紫外LED结构的制备
本实施例提供一种利用V形腐蚀坑侧壁的高注入效率深紫外LED结构的制备方法，如图1所示，包括：
S1：在MOCVD设备(3×2”Aixtron CCS FP-MOCVD)反应室中放入(0001)面蓝宝石衬底，通入H2，反应室压力为40mbar，在1100℃下烘烤300s，清洗衬底后降温到930℃，通入氨气和TMAl生长AlN成核层10nm后升温到1250℃，外延生长AlN，厚度为1微米；
然后降温到1160℃，通入氨气、TMAl和TMGa，生长20周期的Al0.6Ga0.4N/AlN应力调整层后生长Al组分为0.6的AlGaN，厚度为300纳米(即i-AlGaN)。
之后，通入SiH4，生长Al组分同样为0.6的n-AlGaN，厚度为1.5微米，载流子(电子)浓度为3×1018cm-3。
S2：保持反应室氛围为氢气，调整生长温度到1090℃，通入氨气、TMAl和TMGa，生长得到十个周期的Al0.5Ga0.5N/Al0.35Ga0.65N多量子阱，垒的厚度为10nm，阱的厚度为2.3nm，发光波长为280nm，之后生长一个两倍厚度(20nm)的垒层(last barrier)。
S3：关掉TMGa、TMAl源，降温结束生长，将得到的量子阱样品从反应室取出。
S4：使用刚玉坩埚将固体KOH升温到450℃，使KOH变为熔融状态，然后将取出的量子阱样品放入熔融KOH中腐蚀4min，之后将样品取出，用去离子水将表面反复清洗干净，然后用氮气枪吹干。
S5：将腐蚀后的样品放入反应室，通入氢气，将温度升温到1060℃进行吹扫180秒，之后通入氨气和TMGa、TMAl源，同时通入Cp2Mg源，生长p-EBL层，结构为p-Al0.75Ga0.25N，厚度为10nm，然后继续降温到1050℃，生长p-Al0.51Ga0.49N层，厚度为50nm。
S6：关掉TMAl源，保持氨气通入的氛围，降温到920℃，生长100nm的p-GaN层，之后关掉TMGa源、Cp2Mg源和氨气，关掉氢气。然后通入氮气后并降温到800℃，退火600s，然后降温到室温结束生长，实现基于V形腐蚀坑的高注入效率的深紫外LED全结构。
图2为本发明实施例1所得深紫外LED器件结构的结构示意图及电流注入模型图。
效果验证
将实施例1所得深紫外LED全结构按本领域常用检测方法进行测试，结果如下：
(1)通过高分辨透射电子显微镜和能量色散X射线检测，测试得到实施例1所得的深紫外LED结构的V形腐蚀坑的深度为120nm，其与量子阱的底部的距离约为20nm，侧面组分略低于未经过腐蚀的平面部分。
(2)通过积分球的测试发现，经过腐蚀的芯片光输出功率在电流100mA时提升了86％，光输出功率发生Droop效应的起始电流大小从380mA提高到了580mA。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (12)
1.一种AlGaN基深紫外发光二极管器件结构，其特征在于，具有V形立体p-n结注入结构；
所述V形立体p-n结注入结构是通过在AlGaN基量子阱中V形腐蚀坑的侧壁的半极性面上进一步形成AlGaN电子阻挡层、p-AlGaN和p-GaN接触层而形成的。
2.根据权利要求1所述的AlGaN基深紫外发光二极管器件结构，其特征在于，所述V形腐蚀坑的密度在1×107-6×108cm-2之间；
所述V形腐蚀坑的深度小于AlGaN基量子阱的总厚度。
3.根据权利要求2所述的AlGaN基深紫外发光二极管器件结构，其特征在于，所述V形腐蚀坑是利用AlGaN基量子阱中有位错处与无位错处区域之间的应力差异，通过对有位错区域腐蚀而形成的。
4.根据权利要求3所述的AlGaN基深紫外发光二极管器件结构，其特征在于，所述腐蚀的方法包括湿法腐蚀或者气态腐蚀。
5.根据权利要求4所述的AlGaN基深紫外发光二极管器件结构，其特征在于，所述腐蚀的方法包括湿法腐蚀。
6.根据权利要求2-5任一项所述的AlGaN基深紫外发光二极管器件结构，其特征在于，在形成所述AlGaN电子阻挡层之前，利用MOCVD使所得具有V形腐蚀坑的AlGaN基量子阱在氢气氛围下进行热处理再生长。
7.一种AlGaN基深紫外发光二极管器件结构的制备方法，其特征在于，包括：
形成AlGaN基量子阱；
通过腐蚀在所得AlGaN基量子阱中形成V形腐蚀坑；
通过在所得V形腐蚀坑的侧壁的半极性面上生长AlGaN电子阻挡层、p-AlGaN和p-GaN接触层，形成立体p-n结注入结构。
8.根据权利要求7所述的AlGaN基深紫外发光二极管器件结构的制备方法，其特征在于，包括：
步骤(1)：在AlN模板上生长i-AlGaN和n-AlGaN层，再进一步生长得到AlxGa1-xN/AlyGa1- yN量子阱；
步骤(2)：借助位错应力场的选择性，通过湿法腐蚀在AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱中形成V形腐蚀坑；
步骤(3)：采用MOCVD对步骤(2)所得AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱进行再生长；其中利用脱附过程去除步骤(2)腐蚀过程引入的氧化物；
步骤(4)：对步骤(3)所得AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱继续外延生长，得到EBL、p-AlGaN和p-GaN结构，形成具有立体p-n结注入结构的AlGaN基深紫外发光二极管器件结构。
9.根据权利要求8所述的AlGaN基深紫外发光二极管器件结构的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱的厚度为30-300nm，对应的周期数4-25对；
步骤(2)中，所述湿法腐蚀的温度为300-500℃，腐蚀的时间为1-15min。
10.根据权利要求9所述的AlGaN基深紫外发光二极管器件结构的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述湿法腐蚀的温度为350-450℃，腐蚀的时间为2-6min。
11.根据权利要求9所述的AlGaN基深紫外发光二极管器件结构的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述脱附过程中，氢气的吹扫时间为1-10min，吹扫温度为950-1130℃。
12.根据权利要求11所述的AlGaN基深紫外发光二极管器件结构的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述脱附过程中，氢气的吹扫时间为2-4min，吹扫温度为1050℃-1100℃。
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