CN114824009A - 一种AlInGaN基光电二极管的外延结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种AlInGaN基光电二极管的外延结构，包括衬底、依次形成于衬底上的缓冲层、n型AlInGaN层、具有V坑的AlInGaN超晶格层、具有V坑的n区AlInGaN电子阻挡层、具有V坑的AlInGaN基多量子阱层、具有V坑的p区AlInGaN电子阻挡层、p型AlInGaN层，特征是：所述具有V坑的n区AlInGaN电子阻挡层的V坑侧壁厚度大于平台厚度；所述具有V坑的n区AlInGaN电子阻挡层和具有V坑的AlInGaN基多量子阱层之间含有具有V坑的n型AlInGaN高掺杂层；所述具有V坑的p区AlInGaN电子阻挡层的V坑侧壁厚度小于平台厚度；所述具有V坑的p区AlInGaN电子阻挡层和p型AlInGaN层之间含有合并V坑的p型AlInGaN高掺杂层。本发明具有提高空穴注入和收集的效率、调控电子和空穴注入和收集途径的作用，可应用于Micro‑LED、光电探测器、太阳电池。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子及显示技术领域，尤其涉及一种AlInGaN基光电二极管的外延结构。
背景技术
随着信息技术的日益更新，人们生活方式发生了深刻的变化。GaN基材料为代表的III族氮化物半导体具有禁带宽度宽、直接带隙、电子迁移率高、击穿电场高、电子饱和漂移速度高、热导率高、介电常数较小、耐高温、抗辐射性强、化学稳定性高等一系列特点，可通过调节其三元或四元化合物的组分可广泛用于光电探测器、太阳电池、LED照明和显示等领域。
GaN基LED芯片的尺寸缩小至几十微米甚至几微米时，称之为Micro-LED，Micro-LED在高分辨率显示、高速可见光通信、微型投影仪和可穿戴电子等领域具有重要的价值，但随着器件尺寸的减小，Micro-LED的侧边易产生漏电，侧边悬空键会导致非辐射复合，器件的性能急剧下降。光电探测器和太阳电池都是一种将光信号转化为电信号的器件，光电探测器需在反向偏压下工作，但本质都是电场分离光生电子空穴对，使光生电子被n区收集，光生空穴被p区收集。通常InGaN体系的光电探测器主要为PIN或MSM结构，太阳电池主要为异质结结构，光生载流子包括光生电子和光生空穴，光生空穴的迁移率低于光生电子，光生载流子的收集效率是限制光电探测器和太阳电池光电流大小的关键因素，而光生载流子的收集效率与器件内部的电场密切相关。对于InGaN和GaN材料体系而言，材料中存在强的自发极化效应，同时由于InGaN层受到双轴压应力会另外产生一个压电极化电场，将对光生载流子的输运效果产生重要影响，同时高In组分的InGaN光电探测器和太阳电池的阱垒界面势垒会对光生载流子的输运产生不利的影响。授权公告号为CN106298990B的中国发明专利“一种利用自发极化电场的非极性太阳能电池”，其非极性外延层面内存在平行于外延层面的单一方向的自发极化电场，从而有利于提高太阳能电池中光生载流子的横向分离和输运效率。授权公告号为CN107240615B的中国发明专利“一种具有非极性吸收层的紫外探测器”，其制作非极性吸收层，从而避免吸收层内的极化电场对p-n结内建电场的补偿作用，从而提高紫外探测器的光生电流。上述专利中非极性面或半极性面中的量子阱极化电荷少，极化场小，量子阱的能带倾斜减弱，因此要达到相同波长，需要含有更多的In组分，而且非极性面和半极性面上的In组分并入效率较低，需要更低的生长温度，如此会恶化量子阱的晶体质量。授权公告号为CN108269866B的中国发明专利“一种混合极性InGaN太阳能电池结构”，其光吸收层i层中的总极化电场与内建电场的方向相同，从而使极化效应不会阻碍光生载流子的分离和输运，以得到高效的InGaN太阳能电池。上述几篇专利仅针对低In组分的InGaN太阳电池和光电探测器有提升效果，且非极性和半极性的材料生长困难，晶体质量较差。目前文献报道的In组分高于25％的InGaN太阳电池，其电流-电压曲线出现“阶梯状”的异常特征，器件中光生载流子收集困难，但却并没有提出解决的方法(参见文献：Cai X M，Zheng Z W，Long H，et al.Abnormal staircase-like I-V curve in InGaN quantumwell solar cells[J].Applied Physics Letters，2018，112(16):161102.)。授权公告号为CN103400872B的中国发明专利中“表面电场增强的PIN光电探测器的结构及其制备方法”，其在靠近p电极之间的区域设置了p型重掺杂区，引入了水平方向的电场并加强了竖直方向的电场，提高了光生空穴的收集效率和器件的量子效率，但该方法引入的水平方向的电场只存在于p电极附近区域范围内，影响范围有限且制作工艺复杂，对于界面势垒较高的材料体系该种方法并不适用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种AlInGaN基光电二极管的外延结构，此结构利用高掺杂层获得较强的V坑侧壁水平分量的内建电场，以提高空穴注入和收集的效率，同时利用电子阻挡层调控电子和空穴的输运途径，使得电子从平台注入和收集，空穴从V坑侧壁注入和收集，从而降低器件的暗电流和尺寸效应，可应用于Micro-LED、光电探测器、太阳电池。
本发明的目的是这样实现的：
一种AlInGaN基光电二极管的外延结构，包括衬底、依次形成于衬底上的缓冲层、n型AlInGaN层、具有V坑的AlInGaN超晶格层、具有V坑的n区AlInGaN电子阻挡层、具有V坑的AlInGaN基多量子阱层、具有V坑的p区AlInGaN电子阻挡层、p型AlInGaN层，其特征在于：所述具有V坑的n区AlInGaN电子阻挡层的V坑侧壁厚度大于平台厚度；所述具有V坑的n区AlInGaN电子阻挡层和具有V坑的AlInGaN基多量子阱层之间含有具有V坑的n型AlInGaN高掺杂层；所述具有V坑的p区AlInGaN电子阻挡层的V坑侧壁厚度小于平台厚度；所述具有V坑的p区AlInGaN电子阻挡层和p型AlInGaN层之间含有合并V坑的p型AlInGaN高掺杂层。
所述具有V坑的n型AlInGaN高掺杂层的掺Si浓度为1×1019～5×1020cm-3。
所述合并V坑的p型AlInGaN高掺杂层的掺Mg浓度3×1019～1×1021cm-3。
所述具有V坑的n区AlInGaN电子阻挡层的禁带宽度大于所述具有V坑的AlInGaN基多量子阱层中所有量子垒的禁带宽度。
所述具有V坑的p区AlInGaN电子阻挡层的禁带宽度大于所述具有V坑的AlInGaN基多量子阱层中所有量子垒的禁带宽度。
所述平台为生长平面且为极性面，即(0001)晶面族，V坑在平台的投影为正六边形，V坑的侧壁为半极性面，以(1011)晶面族为最优。
所述具有V坑的AlInGaN基多量子阱层的第一个量子阱下表面到末量子阱上表面的平台厚度为d1，V坑在末量子阱上表面的正六边形投影的对边之间的距离为d2，两者之间的关系满足d2＞d1×2tan28°，d1、d2的单位为nm。
所述V坑在末量子阱上表面的所有正六边形投影的面积之和与末量子阱上表面的面积之比为δ，δ值范围为15％～50％。
所述V坑在末量子阱上表面的密度为ρ，即单位面积的V坑个数，ρ值范围为1×108cm-2～1×1010cm-2。
所述衬底为Al2O3、SiC、GaN或Si中的一种。
本发明利用高掺杂层获得较强的V坑侧壁水平分量的内建电场，以提高空穴注入和收集的效率，同时利用电子阻挡层调控电子和空穴的输运途径，使得电子从平台注入和收集，空穴从V坑侧壁注入和收集，从而降低器件的暗电流和尺寸效应。因此，本发明的特点是：
1、设置了具有V坑的n型AlInGaN高掺杂层和合并V坑的p型AlInGaN高掺杂层，能够有效增强V坑侧壁内建电场强度，进而增大V坑侧壁内建电场水平分量的电场强度，提高空穴注入和收集的效率；
2、设置了具有V坑的n区AlInGaN电子阻挡层，n区AlInGaN电子阻挡层的V坑侧壁厚度大于平台厚度，可调控电子优先从平台区域输运，且V坑侧壁比平台越厚则调控效果更显著，能够防止电子和空穴从V坑泄露，降低器件暗电流；
3、设置了具有V坑的p区AlInGaN电子阻挡层，p区AlInGaN电子阻挡层的V坑侧壁厚度小于平台厚度，且AlInGaN基多量子阱层的V坑侧壁厚度较薄，且是半极性面，极化较弱，可调控空穴优先从V坑侧壁输运，且V坑侧壁比平台越薄则调控效果更显著，能够提高局域载流子浓度，减弱器件的尺寸效应。
本发明可应用于Micro-LED、光电探测器、太阳电池。
附图说明：
图1为本发明处于正偏压时载流子的注入和复合途径；图中：101为衬底、201为缓冲层、301为n型AlInGaN层、401为具有V坑的AlInGaN超晶格层、501为具有V坑的n区AlInGaN电子阻挡层、601为具有V坑的n型AlInGaN高掺杂层、701为具有V坑的AlInGaN基多量子阱层、801为具有V坑的p区AlInGaN电子阻挡层、901为合并V坑的p型AlInGaN高掺杂层、1001为p型AlInGaN层；图中→表示电子和空穴的输运方向，图中●表示电子，图中○表示空穴；图中：过程①表示空穴从p区AlInGaN电子阻挡层801的V坑侧壁注入AlInGaN基多量子阱层701中，过程②表示电子从n区AlInGaN电子阻挡层501的平台注入AlInGaN基多量子阱层701中，过程③表示电子和空穴在AlInGaN基多量子阱层701中辐射复合；
图2为本发明处于零偏压或者反偏压时光生载流子的分离和收集途径；图中：101为衬底、201为缓冲层、301为n型AlInGaN层、401为具有V坑的AlInGaN超晶格层、501为具有V坑的n区AlInGaN电子阻挡层、601为具有V坑的n型AlInGaN高掺杂层、701为具有V坑的AlInGaN基多量子阱层、801为具有V坑的p区AlInGaN电子阻挡层、901为合并V坑的p型AlInGaN高掺杂层、1001为p型AlInGaN层；图中→表示光生电子和光生空穴的输运方向，图中●表示光生电子，图中○表示光生空穴，图中表示V坑侧壁水平分量的内建电场方向；图中：过程①表示光生空穴向V坑横向迁移，过程②表示光生电子向V坑反方向横向迁移，过程③表示向V坑横向迁移的光生空穴从AlInGaN基多量子阱层701和p区AlInGaN电子阻挡层801的V坑侧壁收集到p极，过程④表示向V坑反方向横向迁移的光生电子从AlInGaN基多量子阱层701和n区AlInGaN电子阻挡层501的平台收集到n极；
─
图3为侧面为{1011}面的V坑结构示意图；
图4为本发明实施例1中的外延结构示意图；图中：101为衬底、201为缓冲层、301为n型AlInGaN层、401为具有V坑的AlInGaN超晶格层、501为具有V坑的n区AlInGaN电子阻挡层、601为具有V坑的n型AlInGaN高掺杂层、701为具有V坑的AlInGaN基多量子阱层、701a为第一个量子阱、701b为第一个量子垒、701c为第二个量子阱、701d为第二个量子垒、701e为第三个量子阱、701f为第三个量子垒、701g为第四个量子阱、701h为第四个量子垒、701i为第五个量子阱、701j为第五个量子垒、701k为第六个量子阱、701l为第六个量子垒、701m为第七个量子阱、701n为第七个量子垒、701o为第八个量子阱(末量子阱)、701p为第八个量子垒(末量子垒)、801为具有V坑的p区AlInGaN电子阻挡层、901为合并V坑的p型AlInGaN高掺杂层、1001为p型AlInGaN层；图中：d1为第一个量子阱701a下表面到末量子阱701o上表面的平台厚度，图中d2为V坑在末量子阱701o上表面的正六边形投影的对边之间的距离。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明的结构处于正向偏压时，n型AlInGaN高掺杂层601和p型AlInGaN高掺杂层901能够增强V坑侧壁水平分量的内建电场，提高空穴注入效率；p区AlInGaN电子阻挡层801的V坑侧壁厚度小于平台厚度，且AlInGaN基多量子阱层701的V坑侧壁厚度较薄，且是半极性面，极化较弱，大部分空穴如过程①从p区AlInGaN电子阻挡层801的V坑侧壁注入AlInGaN基多量子阱层701中；n区AlInGaN电子阻挡层501的V坑侧壁厚度大于平台厚度，大部分电子如过程②从n区AlInGaN电子阻挡层501的平台注入AlInGaN基多量子阱层701中；由V坑侧壁注入的空穴在V坑附近区域与电子如过程③复合而快速消耗，而远离V坑的区域空穴数量急剧下降，发光减弱。这将使得发光区分成两个区域：V坑附近的强发光区和远离V坑的弱发光区。V坑附近区域可类比量子点，空穴被局域于此处发光，大大减小了有效复合区体积，该结构制成的LED芯片可在电流密度不变情况下，提高局域载流子浓度，减弱芯片的尺寸效应，可应用于Micro-LED领域。
如图2所示，本发明的结构处于零偏压或者反向偏压时，n型AlInGaN高掺杂层601和p型AlInGaN高掺杂层901能够增强V坑侧壁水平分量的内建电场，使得AlInGaN基多量子阱层701中光生空穴和光生电子在水平方向上发生分离，空穴如过程①向V坑迁移，电子如过程②向反方向迁移，其中向V坑迁移的空穴如过程③从AlInGaN基多量子阱层701和p区AlInGaN电子阻挡层801的V坑侧壁收集到p极，向反方向迁移的电子如过程④从AlInGaN基多量子阱层701和n区AlInGaN电子阻挡层501的平台收集到n极，能够有效提高光生载流子的分离和收集；同时，n区AlInGaN电子阻挡层501的V坑侧壁比平台厚，可防止电子和空穴经由V坑泄漏，降低器件暗电流，可应用于光电探测器和太阳电池领域。
下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步的说明。
实施例1：
如图4所示为一种AlInGaN基光电二极管的外延结构，包括衬底101、依次形成于衬底101上的缓冲层201、n型AlInGaN层301、具有V坑的AlInGaN超晶格层401、具有V坑的n区AlInGaN电子阻挡层501、具有V坑的AlInGaN基多量子阱层701、具有V坑的p区AlInGaN电子阻挡层801和p型AlInGaN层1001。其中，具有V坑的n区AlInGaN电子阻挡层501的V坑侧壁厚度大于平台厚度，具有V坑的n区AlInGaN电子阻挡层501的V坑侧壁厚度与平台厚度之比为3；具有V坑的n区AlInGaN电子阻挡层501和具有V坑的AlInGaN基多量子阱层701之间含有具有V坑的n型AlInGaN高掺杂层601；具有V坑的p区AlInGaN电子阻挡层801的V坑侧壁厚度小于平台厚度，具有V坑的p区AlInGaN电子阻挡层801的V坑侧壁厚度与平台厚度之比为1/3；具有V坑的p区AlInGaN电子阻挡层801和p型AlInGaN层1001之间含有合并V坑的p型AlInGaN高掺杂层901。
具有V坑的n区AlInGaN电子阻挡层501的禁带宽度和具有V坑的p区AlInGaN电子阻挡层801的禁带宽度均大于具有V坑的AlInGaN基多量子阱层701中所有量子垒的禁带宽度。
具有V坑的n型AlInGaN高掺杂层601的掺Si浓度为1×1019～5×1020cm-3。
合并V坑的p型AlInGaN高掺杂层901的掺Mg浓度为3×1019～1×1021cm-3。
平台为生长平面且为极性面，即(0001)晶面族，V坑在平台的投影为正六边形，V坑的侧壁为半极性面，以(1011)晶面族为最优。
具有V坑的AlInGaN基多量子阱层701有8个阱垒周期，其中701a为第一个量子阱、701b为第一个量子垒、701c为第二个量子阱、701d为第二个量子垒、701e为第三个量子阱、701f为第三个量子垒、701g为第四个量子阱、701h为第四个量子垒、701i为第五个量子阱、701j为第五个量子垒、701k为第六个量子阱、701l为第六个量子垒、701m为第七个量子阱、701n为第七个量子垒、701o为第八个量子阱(末量子阱)、701p为第八个量子垒(末量子垒)。
具有V坑的AlInGaN基多量子阱层701的第一个量子阱701a下表面到末量子阱701o上表面的平台厚度为d1，d1＝111nm，V坑在末量子阱701o上表面的正六边形投影的对边之间的距离为d2，d2＝120nm。
V坑在末量子阱701o上表面的所有正六边形投影的面积之和与末量子阱701o上表面的面积之比为δ，δ值范围为15％～50％。
V坑在末量子阱701o上表面的密度为ρ，即单位面积的V坑个数，ρ值范围为1×108cm-2～1×1010cm-2。
衬底101为Al2O3、SiC、GaN或Si中的一种。
上述实施例中：
衬底101为硅衬底，缓冲层201为AlN，n型AlInGaN层301为掺Si浓度5×1018cm-3的GaN，AlInGaN超晶格层401为32个周期的In0.08Ga0.92N/GaN周期结构，n区AlInGaN电子阻挡层501为掺Si浓度5×1018cm-3的Al0.2Ga0.8N，n型AlInGaN高掺杂层601为掺Si浓度3×1019cm-3的In0.1Ga0.9N，AlInGaN基多量子阱层701为8个周期的In0.3Ga0.7N/GaN周期结构，p区AlInGaN电子阻挡层801为掺Mg浓度5×1019cm-3的Al0.2Ga0.8N，合并V坑的p型AlInGaN高掺杂层901为掺Mg浓度1×1020cm-3的In0.1Ga0.9N，p型AlInGaN层1001为掺Mg浓度5×1019cm-3的GaN。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种AlInGaN基光电二极管的外延结构，包括衬底、依次形成于衬底上的缓冲层、n型AlInGaN层、具有V坑的AlInGaN超晶格层、具有V坑的n区AlInGaN电子阻挡层、具有V坑的AlInGaN基多量子阱层、具有V坑的p区AlInGaN电子阻挡层、p型AlInGaN层，其特征在于：所述具有V坑的n区AlInGaN电子阻挡层的V坑侧壁厚度大于平台厚度；所述具有V坑的n区AlInGaN电子阻挡层和具有V坑的AlInGaN基多量子阱层之间含有具有V坑的n型AlInGaN高掺杂层；所述具有V坑的p区AlInGaN电子阻挡层的V坑侧壁厚度小于平台厚度；所述具有V坑的p区AlInGaN电子阻挡层和p型AlInGaN层之间含有合并V坑的p型AlInGaN高掺杂层。
2.根据权利要求1所述的AlInGaN基光电二极管的外延结构，其特征在于：所述具有V坑的n型AlInGaN高掺杂层的掺Si浓度为1×1019～5×1020cm-3。
3.根据权利要求1所述的AlInGaN基光电二极管的外延结构，其特征在于：所述合并V坑的p型AlInGaN高掺杂层的掺Mg浓度3×1019～1×1021cm-3。
4.根据权利要求1所述的AlInGaN基光电二极管的外延结构，其特征在于：所述具有V坑的n区AlInGaN电子阻挡层的禁带宽度大于所述具有V坑的AlInGaN基多量子阱层中所有量子垒的禁带宽度。
5.根据权利要求1所述的AlInGaN基光电二极管的外延结构，其特征在于：所述具有V坑的p区AlInGaN电子阻挡层的禁带宽度大于所述具有V坑的AlInGaN基多量子阱层中所有量子垒的禁带宽度。
6.根据权利要求1所述的AlInGaN基光电二极管的外延结构，其特征在于：所述平台为生长平面且为极性面，即(0001)晶面族，V坑在平台的投影为正六边形，V坑的侧壁为半极性面，以
晶面族为最优。
7.根据权利要求1所述的AlInGaN基光电二极管的外延结构，其特征在于：所述具有V坑的AlInGaN基多量子阱层的第一个量子阱下表面到末量子阱上表面的平台厚度为d1，V坑在末量子阱上表面的正六边形投影的对边之间的距离为d2，两者之间的关系满足d2＞d1×2tan28°，d1、d2的单位为nm。
8.根据权利要求1或7所述的AlInGaN基光电二极管的外延结构，其特征在于：所述V坑在末量子阱上表面的所有正六边形投影的面积之和与末量子阱上表面的面积之比为δ，δ值范围为15％～50％。
9.根据权利要求1或7所述的AlInGaN基光电二极管的外延结构，其特征在于：所述V坑在末量子阱上表面的密度为ρ，即单位面积的V坑个数，ρ值范围为1×108cm-2～1×1010cm-2。
10.根据权利要求1所述的AlInGaN基光电二极管的外延结构，其特征在于：所述衬底为Al2O3、SiC、GaN或Si中的一种。
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