CN114583026B - 一种半导体深紫外光源结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体深紫外光源结构，沿着材料的生长方向，从底部到顶部包括：衬底、第二层、有源层、基于氮化铝镓的电子阻挡层、基于隧穿效应的p型载子注入结构及n型氮化铝镓结构，第二层包括n型的氮化铝镓层和反射层，n型的氮化铝镓层含有的铝组分大于等于10％，反射层的反光波段峰值在220纳米到360纳米之间，反射层的在反光波段的反光率在50％以上，有源层包括氮化镓、氮化铝镓及氮化铝外延材料组成的量子阱、量子点和量子盘结构，有源层的发光波段位于255纳米到340纳米之间，基于氮化铝镓的电子阻挡层的掺杂元素为镁元素，n型氮化铝镓结构厚度大于等于50纳米，本发明具有大幅度提高深紫外LED的出光效率的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及半导体的技术领域，尤其是指一种半导体深紫外光源结构。
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，深紫外光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纳米的深深紫外LED仅具有高达1％的EQE。预计发射波长在230-350纳米范围内的深紫外发光二极管将有广泛的应用，其中大部分基于深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，深紫外发光二极管，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。
目前，深紫外LED发光效率受到光提取效率限制而普遍较低。由于针对传统蓝光LED的衬底激光剥离(laser lift-off)工艺对于深紫外LED不能普遍适用，深紫外LED的出光面仍然保留其蓝宝石衬底层，从而造成大部分n面出光被全反射，出光效率普遍在4％甚至更低的水平。此外，由于深紫外LED仍然保留p型氮化镓层作为电流扩散和p型欧姆金属接触层，所有p面出光的深紫外光，以及经过n面的蓝宝石/空气和蓝宝石/氮化铝层反射到p面的深紫外光均被该氮化镓层所吸收。
为了提高深紫外LED的出光效率，需要开发新型深紫外LED结构，能够同时满足以下几个要素：
大幅度减少或者消除p面对深紫外光的吸收，
大幅度减少p面光的全反射，从而达到提高p面出光效率的目的，
大幅度减少或者消除n面对深紫外光的全反射，或者将n面的出光经过反射后从p面导出，
增加出光效率的同时，保持或者提升深紫外LED的载子注入效率和电流扩散长度(current spreading length)，
增加出光效率的同时，保持或者提升深紫外LED的晶体质量，降低晶体的位错密度，避免晶圆表面裂纹的形成。
发明内容
本发明的目的是提供一种半导体深紫外光源结构，其具有大幅度提高深紫外LED的出光效率的效果。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种半导体深紫外光源结构，沿着材料的生长方向，从底部到顶部依次包括：衬底、第二层、有源层、基于氮化铝镓的电子阻挡层、基于隧穿效应的p型载子注入结构及n型氮化铝镓结构，
所述第二层包括n型的氮化铝镓层和反射层，所述n型的氮化铝镓层含有的铝组分大于等于10％，所述反射层的反光波段峰值在220纳米到360纳米之间，所述反射层的在反光波段的反光率在50％以上，
所述有源层包括氮化镓、氮化铝镓及氮化铝外延材料组成的量子阱、量子点和量子盘结构，所述有源层的发光波段位于255纳米到340纳米之间，
所述基于氮化铝镓的电子阻挡层的掺杂元素为镁元素，
所述n型氮化铝镓结构厚度大于等于50纳米。
优选的，所述衬底为具备n型导电能力的材料制成，所述n型的氮化铝镓层位于所述衬底与所述反射层之间，所述衬底为n型硅衬底、n型碳化硅衬底、n型氮化镓衬底、n型氮化铝镓衬底或n型氮化铝衬底。
优选的，所述衬底为绝缘体或者半绝缘体，所述n型的氮化铝镓层位于反射层与有源层之间，所述衬底为蓝宝石、硅片、氮化铝、氮化镓、氮化铝镓或碳化硅衬底。
优选的，所述反射层为分布式布拉格反射层结构。
优选的，所述反射层包含不低于5组的对层，每个所述对层包含AlxGa(1-x)N和AlyGa(1-y)N的氮化铝镓结构，且0<x<y<1，所述对层的厚度在20纳米到100纳米之间。
优选的，沿着外延生长方向，所述对层包含AlxGa(1-x)N和AlyGa(1-y)N，所述AlxGa(1-x)N厚度为30纳米，x为50％，所述AlyGa(1-y)N厚度等于所述AlxGa(1-x)N，y为85％。
优选的，沿着外延生长方向，所述对层包含AlxGa(1-x)N和AlyGa(1-y)N，所述AlxGa(1-x)N，其厚度为30纳米，x介于20％到60％，所述AlyGa(1-y)N厚度等于所述AlxGa(1-x)N，y为x+35％。
优选的，沿着外延生长方向，所述对层包含AlxGa(1-x)N和AlyGa(1-y)N，所述AlxGa(1-x)N厚度为介于20到50纳米，x介于20％到60％，所述AlyGa(1-y)N厚度等于所述AlxGa(1-x)N，y为x+35％。
优选的，沿着外延生长方向，所述对层包含AlxGa(1-x)N和AlyGa(1-y)N，所述AlxGa(1-x)N厚度介于20到50纳米，x为按照正弦关系，从x1变化至x2，且x1+delta＝x2，所述AlyGa(1-y)N厚度等于AlxGa(1-x)N，y为按照正弦关系，从y1变化至y2，且y1＝x2，y2＝x1，0.2<delta<0.5。
优选的，沿着外延生长方向，所述对层包含AlxGa(1-x)N和AlyGa(1-y)N，所述AlxGa(1-x)N厚度介于20到50纳米，x为按照线性关系，从x1变化至x2，且x1+delta＝x2，所述AlyGa(1-y)N厚度等于AlxGa(1-x)N，y为按照正弦关系，从y1变化至y2，且y1＝x2，y2＝x1，0.2<delta<0.5。
优选的，所述基于隧穿效应的p型载子注入结构沿着外延生长方向包括：
一层p型氮化铝镓结构，
一层氮化镓层结构，所述氮化镓层结构厚度为2纳米到5纳米之间，且为不掺杂，
一层n型氮化铝镓结构。
优选的，所述基于隧穿效应的p型载子注入结构包括：
一层p型氮化铝镓结构，
一层氮化铟镓层结构，所述氮化铟镓层结构厚度为2纳米到5纳米之间，且为不掺杂，
一层n型氮化铝镓结构。
优选的，所述基于隧穿效应的p型载子注入结构为：
一层氮化镓层结构，所述氮化镓层结构厚度为2纳米到5纳米之间，且为不掺杂。
优选的，所述基于隧穿效应的p型载子注入结构为：
一层氮化铟镓层结构，所述氮化铟镓层结构厚度为2纳米到5纳米之间，且为不掺杂。
优选的，在所述n型氮化铝镓结构表面通过粗化工艺形成不规则的表面结构。
优选的，在所述n型氮化铝镓结构表面通过纳米压印工艺形成规则的表面结构。
综上所述，本发明的有益效果：
对深紫外发光二极管(Deep UV LED)进行光提取结构的优化处理，通过在衬底上形成具备深紫外光反射功能的n型层，同时在p面上形成基于隧穿效应的p型载子注入层，从而完成一个新型p面出光的深紫外LED结构，大幅度提高深紫外LED的出光效率至10％到50％。
附图说明
图1为本发明的具体实施例一中的剖面结构示意图，
图2为本发明中对层结构的剖面示意图，
图3为本发明中具体实施例二中的剖面结构示意图，
图4为本发明中具体实施例三中的剖面结构示意图，
图5为本发明中具体实施例四中的剖面结构示意图。
1、衬底，2、氮化铝镓层，3、反射层，31、对层，311、AlxGa(1-x)N，312、AlyGa(1-y)N，4、有源层，5、基于氮化铝镓的电子阻挡层，6、基于隧穿效应的p型载子注入结构，7、n型氮化铝镓结构，8、金属电极。
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。
一种半导体深紫外光源结构，包含：
1、采用氮化铝镓材料制成的有源层4，其主发光波长包含从220纳米到350纳米的范围，其主要发光结构包含量子阱、纳米线和量子点等等。
2、采用量子隧穿结构形成的p面载子注入和电流扩散层(也就是基于隧穿效应的p型载子注入结构6)，包含一层(或多层)的p型氮化铝镓(采用镁作为掺杂元素)，且该p型氮化铝镓外延层对来自有源层4的深紫外出光不构成吸收或吸收率低于50％，在该p型氮化铝镓层2上形成的一层(或多层)的中间层外延层，其主要材料为氮化铟镓(InGaN)、氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铝铟(AlInN)等，其禁带宽度小于p型氮化铝镓层，该中间层一般为非故意掺杂的本征层(Intrinsic Layer)，但是也可以对该中间层进行n型掺杂，在该本征层上形成的一层(或多层)的n型氮化铝镓外延层(主要采用硅或者锗为掺杂元素)，且该n型氮化铝镓外延层对来自有源层4的深紫外出光不构成吸收或者吸收率低于50％。
3、采用氮化铝镓材料形成的n型反射层3外延层。该反射层3包含至少5组以上的具有不同铝组分的氮化铝镓对层31(即，由两层具有不同铝组分的氮化铝镓组成的等厚度层，例如Al(x)Ga(1-x)N311和Al(y)Ga(1-y)N312，其中，0<x<y<1)，且每个对层31的厚度在20纳米到100纳米之间。该反射层3针对来自有源层4的深紫外光的反射率一般不低于30％，该反射层3一般采用n型掺杂，掺杂元素为硅或者锗，此外，该反射层3也具备一定含量的二维电子气，从而有助于电流的横向扩散。
4、采用常用衬底1材料对上述的外延层提供外延层生成所必须的支撑，包括成核(nucleation)等。根据不同衬底1材料的导电性，采用横向结构的LED器件设计(即，通过刻蚀工艺，部分去除n型层、有源层4、p型层和隧穿层，在暴露出的n型层部分和未被刻蚀的n型层部分形成同一面的金属电极8)或者采用垂直结构的LED器件设计(即，在衬底1层的背面和顶部的n型氮化铝镓层7的表面的表面分别形成金属电极8)。
具体实施例一：
参见图1，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。
其采用的衬底1为具备n型导电能力的材料制成：n型硅衬底、n型碳化硅衬底等等，
在衬底1表面，形成一个n型层。其采用的n型层包括但不限于：掺有硅元素的氮化铝镓层2，其含铝组分高于10％。
在氮化铝镓层2的上方，形成一个反射层3。其采用的反射层3包括但不限于：掺有硅元素的氮化铝镓对层31，对层31数量不低于5组，对层31厚度在20纳米到100纳米之间(如图2所示)，反射层3的反光波段在260纳米到290纳米之间，反射层3的反光率在50％以上。
在反射层3的上方沿着晶圆的外延生长方向，形成有源层4，有源层4采用的外延材料包括但不限于：氮化镓，氮化铝镓，氮化铝等外延层组成的量子阱、量子点、量子盘等发光结构。
在其有源层4的上方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，该电子阻挡层5的掺杂元素为镁元素。
在其电子阻挡层5的上方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6上方沿着晶圆的外延生长方向，生长一个n型氮化铝镓结构7，并且其厚度不低于50纳米。
在n型衬底1的背面形成n型金属电极8和欧姆接触，在完整外延结构的最表面层形成n型金属电极8和欧姆接触。
具体实施例二：
参见图3，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。
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，该衬底1为绝缘体或者半绝缘体。
在衬底1表面的上方，形成一个反射层3。其采用的反射层3包括但不限于：对层31数量不低于5组，对层31厚度在20纳米到100纳米之间(如图2所示)，反射层3的反光波段在260纳米到290纳米之间，反射层3的反光率在50％以上。
在反射层3的上方，形成一个n型层，其采用的n型层包括但不限于：掺有硅元素的氮化铝镓层2，其含铝组分高于10％。
在氮化铝镓层2的上方沿着晶圆的外延生长方向，形成有源层4。有源层4采用的外延材料包括但不限于：氮化镓，氮化铝镓，氮化铝等外延层组成的量子阱、量子点、量子盘等发光结构。
在有源层4的上方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5的上方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6上方沿着晶圆的外延生长方向，生长一个n型氮化铝镓结构7，并且其厚度不低于200纳米。
通过刻蚀工艺，暴露出有源层4下方，反射层3上方的氮化铝镓层2，并在暴露的部分形成金属电极8和欧姆接触，在外延层最顶部的n型氮化铝镓结构7表层形成金属电极8和欧姆接触。
具体实施例三：
参见图4，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。
其采用的衬底1为具备n型导电能力的材料：n型硅衬底1、n型碳化硅衬底1等等。
在衬底1表面，形成一个n型层，其采用的n型层包括但不限于：掺有硅元素的氮化铝镓层2，其含铝组分高于10％。
在n型层(氮化铝镓层2)的上方，形成一个反射层3。其采用的反射层3包括但不限于：掺有硅元素的氮化铝镓对层31，对层31数量不低于5组，对层31厚度在20纳米到100纳米之间(如图2所示)，反射层3的反光波段在260纳米到290纳米之间，反射层3的反光率在50％以上。
在反射层3的上方沿着晶圆的外延生长方向，形成有源层4。有源层4采用的外延材料包括但不限于：氮化镓，氮化铝镓，氮化铝等外延层组成的量子阱、量子点、量子盘等发光结构。
在其有源层4的上方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。该电子阻挡层的掺杂元素为镁元素。
在其电子阻挡层5的上方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6上方沿着晶圆的外延生长方向，生长一个n型氮化铝镓结构7，并且其厚度不低于50纳米。
对n型氮化铝镓层7进行表面粗化工艺，使得其表面产生不均匀分布的三维结构，且该三维结构能够产生有利于增加光提取和提升光输出功率的效果。
在n型衬底1的背面形成n型金属电极8和欧姆接触，在完整外延结构的最表面层形成n型金属电极8和欧姆接触。
具体实施例四：
参见图5，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。
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，该衬底1为绝缘体或者半绝缘体。
在衬底1表面的上方，形成一个反射层3。其采用的反射层3包括但不限于：对层31数量不低于5组，对层31厚度在20纳米到100纳米之间(如图2所示)，反射层3的反光波段在260纳米到290纳米之间，反射层3的反光率在50％以上。
在反射层3的上方，形成一个n型层，其采用的n型层包括但不限于：掺有硅元素的氮化铝镓层2，其含铝组分高于10％。
在氮化铝镓层2的上方沿着晶圆的外延生长方向，形成有源层4。有源层4采用的外延材料包括但不限于：氮化镓，氮化铝镓，氮化铝等外延层组成的量子阱、量子点、量子盘等发光结构。
在有源层4的上方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5的上方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6上方沿着晶圆的外延生长方向，生长一个n型氮化铝镓结构7，并且其厚度不低于200纳米。
对n型氮化铝镓层7进行表面粗化工艺，使得其表面产生不均匀分布的三维结构，且该三维结构能够产生有利于增加光提取和提升光输出功率的效果。
通过刻蚀工艺，暴露出有源层4下方，反射层3上方的氮化铝镓层2，并在暴露的部分形成金属电极8和欧姆接触，在外延层最顶部的n型氮化铝镓结构7表层形成金属电极8和欧姆接触。
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)
1.一种半导体深紫外光源结构，其特征在于，沿着材料的生长方向，从底部到顶部依次包括：衬底（1）、第二层、有源层（4）、基于氮化铝镓的电子阻挡层（5）、基于隧穿效应的p 型载子注入结构
（6）及n 型氮化铝镓结构（7），
所述第二层包括n 型的氮化铝镓层（2）和反射层（3），所述n 型的氮化铝镓层（2）含有的铝组分大于等于 10%，所述反射层（3） 的反光波段峰值在 220 纳米到 360 纳米之间，所述反射层（3）的在反光波段的反光率在 50%以上，
所述有源层（4）包括氮化镓、氮化铝镓及氮化铝外延材料组成的量子阱、量子点和量子盘结构，所述有源层（4）的发光波段位于255 纳米到 340 纳米之间，
所述基于氮化铝镓的电子阻挡层（5）的掺杂元素为镁元素， 所述n 型氮化铝镓结构（7）厚度大于等于 50 纳米；
所述衬底（1）为绝缘体，所述n 型的氮化铝镓层（2）位于反射层（3）与有源层（4）之间，所述衬底（1）为蓝宝石、氮化铝；
所述反射层（3）包含不低于 5 组的对层（31），每个对层（31） 包含 AlxGa(1-x)N（311）和 AlyGa(1-y)N（312）的氮化铝镓结构， 且 0<x<y<1，所述对层（31）的厚度在 20 纳米到100 纳米之间；
沿着外延生长方向，所述对层（31）包含 AlxGa(1-x)N（311）和AlyGa(1-y)N（312），所述AlxGa(1-x)N（311）厚度介于 20 纳米到50 纳米，x 为按照正弦关系，从 x1 持续增大变化到x2，x1+delta=x2，
0.2<delta<0.5，且 x1 为在厚度区间正弦变化的铝组分最小值，且 x2 为在厚度区间正弦变化的铝组分最大值；所述 AlyGa(1-y)N（312）厚度等于 AlxGa(1-x)N（311），y 为按照正弦关系，从 y1 持续减小变化到y2，y1=x2，y2=x1，且y1 为在厚度区间内正弦变化的铝组分最大值，y2 为在厚度区间正弦变化的铝组分最小值。
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