CN114497307B

CN114497307B - 一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构及其制造方法

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Publication number: CN114497307B
Application number: CN202210409685.XA
Authority: CN
Inventors: 廖翊韬
Original assignee: Xuzhou Liyu High Tech Co ltd
Current assignee: Xuzhou Liyu High Tech Co ltd
Priority date: 2022-04-19
Filing date: 2022-04-19
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2042-04-19
Also published as: CN114497307A; WO2023202331A1

Abstract

本发明涉及一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构及其制造方法，本发明针对基于隧穿效应的紫外发光二极管进行光提取结构优化处理。采用n‑p‑n型隧穿结构的紫外发光二极管非常有效的规避了传统p型氮化镓在紫外二极管的pn结构中对紫外光的吸收，即，采用n型氮化铝镓（其铝组分足够高，使得其能带带宽对来自有源层的紫外光基本透光）和一层非常薄的n型或者非掺杂氮化镓（5纳米及以下），以及一层p型氮化铝镓（其铝组分足够高，使得其能带带宽对来自有源层的紫外光基本透光）的基于隧穿效应的载子注入结构。采用此结构的紫外发光二极管，需结合新型光提取结构和技术，才能将传统紫外发光二极管中被吸收的紫外光，有效的从p面提取出来。

Description

一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体的技术领域，尤其是指一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构及其制造方法。

背景技术

基于氮化铟镓和铝铟镓磷材料系统的可见光谱LED已经成熟，目前正在批量生产。然而，紫外光LED的发展仍然受到许多困难的阻碍，包括氮化铝镓合金的基本材料性能，特别是高铝含量的合金。例如，与外部量子效率大于50%（EQE，提取光子与注入电子-空穴对的比率）的可见光谱范围内的LED相比，发射小于300纳米的深紫外LED仅具有可达1%的EQE。预计发射波长在230-350纳米范围内的紫外发光二极管将有广泛的应用，其中大部分基于紫外辐射和生物材料之间的相互作用。典型应用包括表面消毒、水净化、医疗设备和生物化学、超高密度光记录光源、白光照明、荧光分析、传感和零排放车辆。尽管经过多年的深入研究，紫外发光二极管，尤其是那些发射小于300纳米的，与蓝色或绿色器件相比仍然效率低下。

紫外发光二极管效率低下的一个重要原因来自p型氮化镓材料对紫外光的吸收。由于高铝组分的p型氮化铝镓难以提供足够的空穴浓度和导电率，紫外发光二极管仍然继续使用p型氮化镓的pn结构。于是，寻找新的p型层结构方案，同时满足对紫外线透光和高导电率，是突破紫外发光二极管效率限制的关键因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构及其制造方法，其具有将传统紫外发光二极管中被吸收的紫外光，有效的从p面提取出来的效果。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构，包含设置在衬底和氮化铝缓冲层上的第一层n-型氮化铝镓，氮化铝镓有源层，p-型氮化铝镓，和沿着外延生长方向置于p-型氮化铝镓上方的第二层n-型氮化铝镓结构，所述氮化铝镓有源层的主发光波长介于255纳米到340纳米之间，在p-型氮化铝镓外延层和第二层n-型氮化铝镓外延层的中间，包含一个主要为氮化镓的外延层，其能带带宽小于上述p-型氮化铝镓和第二层n-型氮化铝镓外延层，在第二层n-型氮化铝镓的表面有粗化结构。

优选的，所述第二层n-型氮化铝镓层，其厚度为100纳米。

优选的，所述第二层n-型氮化铝镓层，其厚度为100纳米至200纳米。

优选的，所述第二层n-型氮化铝镓层，其厚度为100纳米至300纳米。

优选的，所述第二层n-型氮化铝镓层，其厚度为200纳米至500纳米。

优选的，所述第二层n-型氮化铝镓层，其厚度为该紫外发光二极管发光主波长的0.8倍到3倍之间。

一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构的制造方法，所述粗化结构通过湿法刻蚀和光刻掩膜工艺形成，使得第二层n-型氮化铝镓的表面形成金字塔形状的微观结构。

一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构的制造方法，所述粗化结构通过干法刻蚀和光刻掩膜工艺，使得第二层n-型氮化铝镓的表面出现在x-y平面（即，与外延生长方向垂直的二维平面）的不连续性，且该类不连续性可以破坏紫外光在该外延层内的传输（即，破坏光在该平面的波导传输或全反射）而促进出光。

一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构的制造方法，所述粗化结构通过电子束光刻工艺或者纳米压印工艺，使得第二层n-型氮化铝镓的表面出现在x-y平面（即，与外延生长方向垂直的二维平面）的不连续性，且该类不连续性可以破坏紫外光在该外延层内的传输（即，破坏光在该平面的波导传输或全反射）而促进出光，该第二层n-型氮化铝镓的表面形成类似于光子晶体和纳米线的三维几何结构。

综上所述，本发明的有益效果：

在前序三种方案的基础上，进一步采用A-D的光提取结构方案，可以达到增加紫外光在p面输出的效果，其达到的效果包括但不限于：

1、增加紫外发光二极管整体量子效率的效果，其主要增量的贡献来自于光提取效率的增加。

2、减少紫外光在氮化铝镓外延层的光波导传输效应。

3、减少紫外发光二极管的发热效应。

4、提高紫外发光二极管的光功率输出值。

5、提高紫外发光二极管的外量子效率（EQE）。

附图说明

图1为本发明的未处理的外延层结构；

图2为湿法化学刻蚀工艺处理的外延层结构；

图3为干法化学刻蚀工艺处理的外延层结构；

图4为电子束光刻工艺或者纳米压印工艺处理的外延层结构。

图中标识分别为，1、衬底；2、氮化铝缓冲层；3、第一层n-型氮化铝镓；4、氮化铝镓有源层；5、p-型氮化铝镓；6、氮化镓层；7、第二层n-型氮化铝镓。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。以下结合附图对本发明进行详细的描述。

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

氮化铝镓层可生长在基板、缓冲层、另一III-V族材料层或另一种材料上，并形成半导体结构的一部分，该半导体结构用于光电或电子元件或装置，例如发射器、激光器、二极管、光电管、太阳能电池、晶体管、存储装置、微处理器，本发明的另一方面是通过该方法制成的半导体结构。该半导体结构包括含有使用非平面生长模式制成的氮化铝镓材料的层。该层的生长表面是原子平滑的，并且通过AFM测量的RMS粗糙度小于约1纳米。其中，第一量子阱层由从以下组成的组中选择的方法生长：分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD，或MOVPE）、和原子层沉积（ALD）。其中，所述第一量子层包括具有不同氮化铝（AlN）摩尔分数的区域，所述区域作为生长过程的结果而垂直于生长方向分布。其中，所述第一量子阱层中的氧杂质浓度小于1×10¹⁸个原子每cm³。其中，所述生长步骤产生具有光滑表面的量子阱层。其中，所述光滑表面基本没有面结构，所述光滑表面具有由原子力显微镜法测量的小于约1纳米的均方根表面粗糙度。其中，不包括产生与所述量子阱层相关联的超晶格结构。其中，所述势垒层中的氧杂质浓度小于1×10¹⁸个原子每cm³。还包括直接在衬底的表面上生长AlN、GaN、氮化铝镓或含有In的氮化铝镓的缓冲层。其中，所述衬底包括从由以下组成的组中选择的材料：宝石、硅片、氮化铝、氮化镓、氮化铝镓、碳化硅。其中，所述缓冲层具有从约1微米到约5微米范围中的厚度。其中，所述缓冲层包括多晶或非单晶结构。其中，所述衬底是蓝宝石，并且在生长所述缓冲层之前，通过暴露于氨或等离子体活化的氮来使所述缓冲层在其上生长的所述蓝宝石衬底的所述表面氮化。其中，还包括在所述缓冲层上生长n型氮化铝镓层。其中，由分子式Al（x）Ga（1-x）N来描述所述n型氮化铝镓层的氮化铝镓材料，其中，0≤x≤1。其中，所述n型氮化铝镓层具有从约100纳米到约10微米范围中的厚度。其中，以硅（Si）或锗（Ge）掺杂所述n型氮化铝镓层。其中，所制造的LED具有从约200纳米到约365纳米范围中的电致发光发射峰。其中，所述掺杂元素是Si，并且所述Si浓度处于从约1×10¹⁶cm^-3到约1×10²¹cm^-3的范围中。

参见图1到图4，一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构，包含设置在衬底1和氮化铝缓冲层2上的第一层n-型氮化铝镓3，氮化铝镓有源层4，p-型氮化铝镓5，和沿着外延生长方向置于p型氮化铝镓上方的第二层n型氮化铝镓结构，所述氮化铝镓有源层4的主发光波长介于255纳米到340纳米之间，在p-型氮化铝镓5外延层和第二层n-型氮化铝镓7外延层的中间，包含一个主要为氮化镓层6的外延层，其能带带宽小于上述p-型氮化铝镓5和第二层n-型氮化铝镓7外延层，在第二层n-型氮化铝镓7的表面有粗化结构。

制备过程：采用基于氮化铝镓材料系统的深紫外LED结构，其发光波段为介于255纳米到340纳米之间。

1、其采用的衬底1包括但不限于：蓝宝石、硅片、氮化铝、氮化镓、氮化铝镓、碳化硅等等。

2、其采用的n-型层包括但不限于：掺有硅元素的氮化铝镓外延层，其含铝组分高于10%。

3、其采用的有源层包括但不限于：氮化镓，氮化铝镓，氮化铝等外延层组成的量子阱、量子点、量子盘等结构。

4、在其有源层的上方（即，沿着晶圆的外延生长方向），有一层基于氮化铝镓的电子阻挡层。

5、在其电子阻挡层的上方（即，沿着晶圆的外延生长方向），生长一个基于隧穿效应的p型载子注入结构。

6、在其基于隧穿效应的p-型载子注入结构上方（即，沿着晶圆的外延生长方向），生长一个n-型氮化铝镓结构，并且其厚度不低于100纳米。

在以上方案的基础上，对第6步骤中的n-型氮化铝镓结构进行光提取的优化设计和工艺制程开发，使得其结构能够最大程度的提取从有源层发射至p面的紫外光。包括但不限于：

方案一：参见图2，一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构的制造方法，所述粗化结构通过湿法刻蚀和光刻掩膜工艺形成，使得第二层n-型氮化铝镓7的表面形成金字塔形状的微观结构。

方案二：参见图3，一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构的制造方法，所述粗化结构通过干法刻蚀和光刻掩膜工艺，使得第二层型氮化铝镓的表面出现在x-y平面（即，与外延生长方向垂直的二维平面）的不连续性，且该类不连续性可以破坏紫外光在该外延层内的传输（即，破坏光在该平面的波导传输或全反射）而促进出光。

方案三：参见图4，一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构的制造方法，所述粗化结构通过电子束光刻工艺或者纳米压印工艺，使得第二层n-型氮化铝镓7的表面出现在x-y平面（即，与外延生长方向垂直的二维平面）的不连续性，且该类不连续性可以破坏紫外光在该外延层内的传输（即，破坏光在该平面的波导传输或全反射）而促进出光，该第二层n-型氮化铝镓7的表面形成类似于光子晶体和纳米线的三维几何结构。

以上三种方案主要能够增加紫外光在P面输出的效果，其达到的效果包括但不限于：

2、减少紫外光在氮化铝镓外延层的光波导传输效应。

3、减少紫外发光二极管的发热效应。

4、提高紫外发光二极管的光功率输出值。

5、提高紫外发光二极管的外量子效率（EQE）。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当利用上述揭示的技术内容作出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构，其特征在于：包含设置在衬底（1）和氧化铝缓冲层（2）上的第一层n-型氮化铝镓（3），氮化铝镓有源层（4），p-型氮化铝镓（5），和沿着外延生长方向置于p-型氮化铝镓（5）上方的第二层n-型氮化铝镓结构（7），所述氮化铝镓有源层（4）的主发光波长介于255纳米到340纳米之间，在p-型氮化铝镓（5）外延层和第二层n-型氮化铝镓（7）外延层的中间，包含一个主要为氮化镓层（6）的外延层，其能带带宽小于上述p-型氮化铝镓（5）和第二层n-型氮化铝镓（7）外延层，在第二层n-型氮化铝镓（7）的表面有粗化结构。

2.根据权利要求1所述一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构，其特征在于：所述第二层n-型氮化铝镓（7）层，其厚度为100纳米。

3.根据权利要求1所述一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构，其特征在于：所述第二层n-型氮化铝镓（7）层，其厚度为100纳米至200纳米。

4.根据权利要求1所述一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构，其特征在于：所述第二层n-型氮化铝镓（7）层，其厚度为100纳米至300纳米。

5.根据权利要求1所述一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构，其特征在于：所述第二层n-型氮化铝镓（7）层，其厚度为200纳米至500纳米。

6.根据权利要求1所述一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构，其特征在于：上述第二层n-型氮化铝镓（7）层，其厚度为该氮化铝镓有源层（4）发光主波长的0.8倍到3倍之间。

7.实现权利要求1到6任意一项所述一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构的制造方法，其特征在于：所述粗化结构通过湿法刻蚀和光刻掩膜工艺形成，使得第二层n-型氮化铝镓（7）的表面形成金字塔形状的微观结构。

8.实现权利要求1到6任意一项所述一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构的制造方法，其特征在于：所述粗化结构通过干法刻蚀和光刻掩膜工艺，使得第二层n-型氮化铝镓（7）的表面出现在x-y平面的不连续性，且该类不连续性可以破坏紫外光在该外延层内的传输而促进出光。

9.实现权利要求1到6任意一项所述一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构的制造方法，其特征在于：所述粗化结构通过电子束光刻工艺或者纳米压印工艺，使得第二层n-型氮化铝镓（7）的表面出现在x-y平面的不连续性，且该类不连续性可以破坏紫外光在该外延层内的传输而促进出光，该第二层n-型氮化铝镓（7）的表面形成类似于光子晶体和纳米线的三维几何结构。