CN116053370A - 紫外发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紫外发光二极管及其制备方法，所述紫外发光二极管包括衬底及依次层叠于所述衬底上的N型半导体层、有源区发光层、电子阻挡层、P型半导体层和P型接触层，以及设于所述N型半导体层上的N电极和设于所述P型接触层上的P电极；所述P型接触层包括依次层叠于所述P型半导体层上的多孔AlxGa(1‑x)N层和P型GaN层。本发明提供的紫外发光二极管在兼顾良好的P型欧姆接触的同时，可减少P型材料的面内全反射及吸光损耗，有利于提高紫外发光二极管的光提取效率。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种紫外发光二极管及其制备方法。
背景技术
基于III族氮化物半导体材料的紫外发光二极管具有小巧便携、易于集成、无汞环保、低功耗、切换迅速等一系列优异的特性，发光波长覆盖长波紫外线(UVA，315～400nm)、中波紫外线(UVB，280～315nm)至短波紫外线(UVC，210～280nm)波段，在杀菌消毒、医疗卫生、工业催化、光固化、非视距通信和生化检测等领域有广泛的应用需求，被视为替代汞灯等传统紫外光源的理想选择。
然而，现今的紫外发光二极管发光效率仍然处于较低水平，大多在10％以下，而且随着波长变短其发光效率呈指数函数下降，其主要原因之一在于P型材料的吸光损耗严重，光提取效率较低。由于AlGaN材料一般通过Mg受主掺杂实现p型，而AlGaN材料中Mg受主激活能较大且会随Al组分增加而线性增大，从GaN材料的150meV增加至AlN材料的600meV，高的Mg受主激活能使得AlGaN材料p型掺杂困难，即其空穴浓度较低，同时后续的P型欧姆接触电阻也偏大，导致紫外发光二极管发光效率低。由于实现p-AlGaN的高效掺杂十分困难，紫外发光二极管的p型层通常使用自由空穴浓度更高、晶体质量更好的p-GaN材料，但p-GaN对紫外波段光不透明，几乎完全吸收了正面出射的紫外光，由于外延层的吸收损耗导致紫外LED低的光提取效率较低，使得短波长AlGaN基紫外LED的发光效率更加难以提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种紫外发光二极管，其在兼顾良好的P型欧姆接触的同时，减少P型材料的面内全反射及吸光损耗，有利于提高紫外发光二极管的光提取效率。
本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种紫外发光二极管的制备方法，其工艺简单，能够稳定制得上述性能良好的紫外发光二极管。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种紫外发光二极管，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的N型半导体层、有源区发光层、电子阻挡层、P型半导体层和P型接触层，以及设于所述N型半导体层上的N电极和设于所述P型接触层上的P电极；
所述P型接触层包括依次层叠于所述P型半导体层上的多孔AlxGa(1-x)N层和P型GaN层，其中，x≤0.4，所述多孔AlxGa(1-x)N层上设有孔洞，所述P型GaN层的GaN材料填充所述孔洞以使所述多孔AlxGa(1-x)N层和P型GaN层无间隙层叠。
在一种实施方式中，所述多孔AlxGa(1-x)N层上的孔洞的密度为1×107/cm2-1×1010/cm2。
在一种实施方式中，所述多孔AlxGa(1-x)N层的Mg掺杂浓度为2×1019atoms/cm3-5×1022atoms/cm3；
所述P型GaN层的Mg掺杂浓度为2×1020atoms/cm3-5×1022atoms/cm3。
在一种实施方式中，所述多孔AlxGa(1-x)N层的厚度为0.01μm-0.2μm；
所述P型GaN层的厚度为0.02μm-0.5μm。
在一种实施方式中，所述P型半导体层为掺杂Mg元素的AlyGa(1-y)N层，其中，0.2≤y≤0.6；
所述P型半导体层的厚度为0.01μm-2μm；
所述P型半导体层的Mg掺杂浓度为2×1018atoms/cm3-5×1021atoms/cm3。
在一种实施方式中，所述N型半导体层为掺杂Si元素的AlzGa(1-z)N层，其中0.4≤z≤1；
所述N型半导体层的厚度为0.1μm-20μm；
所述N型半导体层的Si掺杂浓度为1×1018atoms/cm3-1×1020atoms/cm3。
在一种实施方式中，所述有源区发光层为交替生长的AlaGaN量子垒层与AlbGaN量子阱层，其中，0.5≤a≤1，0＜b＜a。
在一种实施方式中，所述电子阻挡层为Al组分梯形递减的AlcGa(1-c)N多层结构，其中，0.4≤c≤1；
所述电子阻挡层的厚度为1nm-500nm。
为解决上述问题，本发明还提供了一种紫外发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
准备衬底；
在所述衬底上依次沉积N型半导体层、有源区发光层、电子阻挡层、P型半导体层、P型接触层；
在所述P型接触层上制备P电极，在所述N型半导体层上制备N电极，得到成品；
所述P型接触层包括依次层叠于所述P型半导体层上的多孔AlxGa(1-x)N层和P型GaN层，其中，x≤0.4，所述多孔AlxGa(1-x)N层上设有孔洞，所述P型GaN层的GaN材料填充所述孔洞以使所述多孔AlxGa(1-x)N层和P型GaN层无间隙层叠。
在一种实施方式中，在沉积所述P型接触层前，对所述P型半导体层进行H2处理；
所述H2处理的温度为900℃1200℃，时间为10s200s。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明提供的紫外发光二极管，所述P型接触层包括依次层叠于所述P型半导体层上的多孔AlxGa(1-x)N层和P型GaN层，其中，x≤0.4，所述多孔AlxGa(1-x)N层上设有孔洞，所述P型GaN层的GaN材料填充所述孔洞以使所述多孔AlxGa(1-x)N层和P型GaN层无间隙层叠。本发明的紫外发光二极管在兼顾良好的P型欧姆接触和工作电压的前提下，尽量的减少P型接触层中GaN材料的用量，可减少P型材料中的面内全反射及由GaN材料引起的吸光损耗，以提高紫外发光二极管的光提取效率，并最终提高紫外发光二极管的发光效率。
附图说明
图1为本发明提供的紫外发光二极管的结构示意图。
其中：衬底1、N型半导体层2、有源区发光层3、电子阻挡层4、P型半导体层5、P型接触层6、N电极7、P电极8、多孔AlxGa(1-x)N层61和P型GaN层62。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明作进一步地详细描述。
除非另外说明或存在矛盾之处，本文中使用的术语或短语具有以下含义：
本发明中，“优选”仅为描述效果更好的实施方式或实施例，应当理解，并不构成对本发明保护范围的限制。
本发明中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。
本发明中，涉及到数值区间，如无特别说明，则包括数值区间的两个端点。
传统的紫外发光二极管P型层通常采用P-AlGaN层或P-GaN层。然而，实现P-AlGaN的高效掺杂十分困难，导致欧姆接触电阻偏高等问题。而P型层采用自由空穴浓度更高、晶体质量更好的P-GaN材料时，又存在P-GaN对紫外波段光不透明，几乎完全吸收了正面出射的紫外光，导致紫外LED光提取效率较低的问题。
为解决上述问题，本发明提供了一种紫外发光二极管，如图1所示，包括衬底1及依次层叠于所述衬底1上的N型半导体层2、有源区发光层3、电子阻挡层4、P型半导体层5和P型接触层6，以及设于所述N型半导体层2上的N电极7和设于所述P型接触层6上的P电极8；
所述P型接触层6包括依次层叠于所述P型半导体层上的多孔AlxGa(1-x)N层61和P型GaN层62，其中，x≤0.4，所述多孔AlxGa(1-x)N层61上设有孔洞，所述P型GaN层62的GaN材料填充所述孔洞以使所述多孔AlxGa(1-x)N层61和P型GaN层62无间隙层叠。
本发明的紫外发光二极管在兼顾良好的P型欧姆接触和工作电压的前提下，尽量的减少P型接触层中GaN材料的用量，可减少P型材料中的面内全反射及由GaN材料引起的吸光损耗，以提高紫外发光二极管的光提取效率，并最终提高紫外发光二极管的发光效率。发明人发现所述AlxGa(1-x)N层上设有孔洞是实现上述效果的关键所在。在一种实施方式中，所述AlxGa(1-x)N层上设有大小一致、分布均匀的孔洞。优选地，所述多孔AlxGa(1-x)N层61上的孔洞的密度为1×107/cm2-1×1010/cm2。更佳地，所述多孔AlxGa(1-x)N层61的孔洞是一种V型孔洞，所述V型孔洞是通过控制材料生长条件而形成的截面为V字型的坑洞。在一种实施方式中，在沉积所述多孔AlxGa(1-x)N层61前，对所述P型半导体层5进行H2处理；所述H2处理的温度为900℃1200℃，时间为10s200s。上述特定的H2处理对P型半导体层表面进行刻蚀，结晶质量差的晶体优先分解，从而形成凹凸不平的粗糙的P型半导体层表面。这使得在后沉积的所述多孔AlxGa(1-x)N层61能够在凹凸不平的表面进行沉积，这利于所述多孔AlxGa(1-x)N层61中V坑的形成。
除此之外，在一种实施方式中，所述多孔AlxGa(1-x)N层61的Mg掺杂浓度为2×1019atoms/cm3-5×1022atoms/cm3；所述多孔AlxGa(1-x)N层61的厚度为0.01μm-0.2μm；所述P型GaN层62的Mg掺杂浓度为2×1020atoms/cm3-5×1022atoms/cm3；所述P型GaN层62的厚度为0.02μm-0.5μm。
在一种实施方式中，所述P型半导体层5为掺杂Mg元素的AlyGa(1-y)N层，其中，0.2≤y≤0.6；所述P型半导体层5的厚度为0.01μm-2μm；所述P型半导体层5的Mg掺杂浓度为2×1018atoms/cm3-5×1021atoms/cm3。
在一种实施方式中，所述N型半导体层2为掺杂Si元素的AlzGa(1-z)N层，其中0.4≤z≤1；所述N型半导体层2的厚度为0.1μm-20μm；所述N型半导体层2的Si掺杂浓度为1×1018atoms/cm3-1×1020atoms/cm3。
在一种实施方式中，所述有源区发光层3为交替生长的AlaGaN量子垒层与AlbGaN量子阱层，其中，0.5≤a≤1，0＜b＜a。
在一种实施方式中，所述电子阻挡层4为Al组分梯形递减的AlcGa(1-c)N多层结构，其中，0.4≤c≤1；所述电子阻挡层4的厚度为1nm-500nm。
相应地，本发明提供了一种紫外发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
准备衬底1；
在所述衬底1上依次沉积N型半导体层3、有源区发光层3、电子阻挡层4、P型半导体层5、P型接触层6；
在所述P型接触层6上制备P电极8，在所述N型半导体层2上制备N电极7，得到成品；
所述P型接触层6包括依次层叠于所述P型半导体层5上的多孔AlxGa(1-x)N层61和P型GaN层62，其中，x≤0.4，所述多孔AlxGa(1-x)N层61上设有孔洞，所述P型GaN层62的GaN材料填充所述孔洞以使所述多孔AlxGa(1-x)N层61和P型GaN层62无间隙层叠。
在一种实施方式中在沉积所述P型接触层6前，对所述P型半导体层5进行H2处理；所述H2处理的温度为900℃1200℃，时间为10s200s。经过上述H2处理的P型半导体层的表面形成了凹凸不平的粗化面，这可以减少P型材料的面内全反射。同时，对P型半导体层5进行H2处理也更有利于多孔AlxGa(1-x)N层61形成V坑。
在一种实施方式中，所述在所述P型接触层6上制备P电极8，在所述N型半导体层2上制备N电极7，包括以下步骤：
采用干法蚀刻对P型接触层6刻蚀，刻蚀深度自表面到N型半导体层2中部；
采用溅射金属的方法在未刻蚀的P型接触层6上淀积金属形成P电极8，采用溅射金属的方法在刻蚀出的N型半导体层2上淀积金属形成N电极7。
以上采用MOCVD设备、CVD设备或PVD设备完成制备过程，本发明不作具体限定。
下面以具体实施例进一步说明本发明：
实施例1
本实施例提供一种紫外发光二极管，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的N型半导体层、有源区发光层、电子阻挡层、P型半导体层、P型接触层、N电极和P电极，以及设于所述N型半导体层上的N电极和设于所述P型接触层上的P电极；
所述P型接触层包括依次层叠于所述P型半导体层上的多孔AlxGa(1-x)N层和P型GaN层，其中，x为0.2，所述多孔AlxGa(1-x)N层上设有孔洞，所述P型GaN层的GaN材料填充所述孔洞以使所述多孔AlxGa(1-x)N层和P型GaN层无间隙层叠。
所述AlxGa(1-x)N层的Mg掺杂浓度为1×1020atoms/cm3，厚度为0.1μm。
所述P型GaN层的Mg掺杂浓度为1×1021atoms/cm3，厚度为0.3μm。
所述P型半导体层为掺杂Mg元素的AlyGa(1-y)N层，其中，y为0.4，所述P型半导体层的厚度为1μm，Mg掺杂浓度为1×1019atoms/cm3。
上述紫外发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
准备衬底；
在所述衬底上依次沉积N型半导体层、有源区发光层、电子阻挡层、P型半导体层、P型接触层；
在所述P型接触层上制备P电极，在所述N型半导体层上制备N电极，得到成品；
在沉积所述P型接触层前，对所述P型半导体层进行H2处理；所述H2处理的温度为1100℃，时间为60s。
实施例2
本实施例提供一种紫外发光二极管，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的N型半导体层、有源区发光层、电子阻挡层、P型半导体层、P型接触层、N电极和P电极，以及设于所述N型半导体层上的N电极和设于所述P型接触层上的P电极；
所述P型接触层包括依次层叠于所述P型半导体层上的多孔AlxGa(1-x)N层和P型GaN层，其中，x为0.4，所述多孔AlxGa(1-x)N层上设有孔洞，所述P型GaN层的GaN材料填充所述孔洞以使所述多孔AlxGa(1-x)N层和P型GaN层无间隙层叠。
所述AlxGa(1-x)N层的Mg掺杂浓度为2×1019atoms/cm3，厚度为0.18μm。
所述P型GaN层的Mg掺杂浓度为5×1020atoms/cm3，厚度为0.45μm。
所述P型半导体层为掺杂Mg元素的AlyGa(1-y)N层，其中，y为0.4，所述P型半导体层的厚度为1μm，Mg掺杂浓度为1×1019atoms/cm3。
上述紫外发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
准备衬底；
在所述衬底上依次沉积N型半导体层、有源区发光层、电子阻挡层、P型半导体层、P型接触层；
在所述P型接触层上制备P电极，在所述N型半导体层上制备N电极，得到成品；
在沉积所述P型接触层前，对所述P型半导体层进行H2处理；所述H2处理的温度为1200℃，时间为30s。
实施例3
本实施例提供一种紫外发光二极管，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的N型半导体层、有源区发光层、电子阻挡层、P型半导体层、P型接触层、N电极和P电极，以及设于所述N型半导体层上的N电极和设于所述P型接触层上的P电极；
所述P型接触层包括依次层叠于所述P型半导体层上的多孔AlxGa(1-x)N层和P型GaN层，其中，x为0.1，所述多孔AlxGa(1-x)N层上设有孔洞，所述P型GaN层的GaN材料填充所述孔洞以使所述多孔AlxGa(1-x)N层和P型GaN层无间隙层叠。
所述AlxGa(1-x)N层的Mg掺杂浓度为1×1022atoms/cm3，厚度为0.1μm。
所述P型GaN层的Mg掺杂浓度为5×1022atoms/cm3，厚度为0.3μm。
所述P型半导体层为掺杂Mg元素的AlyGa(1-y)N层，其中，y为0.4，所述P型半导体层的厚度为1μm，Mg掺杂浓度为1×1019atoms/cm3。
上述紫外发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
准备衬底；
在所述衬底上依次沉积N型半导体层、有源区发光层、电子阻挡层、P型半导体层、P型接触层；
在所述P型接触层上制备P电极，在所述N型半导体层上制备N电极，得到成品；
在沉积所述P型接触层前，对所述P型半导体层进行H2处理；所述H2处理的温度为900℃，时间为180s。
实施例4
本实施例提供一种紫外发光二极管，其与实施例1不同之处在：在沉积所述P型接触层前，不对所述P型半导体层进行H2处理。其余均与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供一种紫外发光二极管，其与实施例1不同之处在：所述P型接触层包括依次层叠于所述P型半导体层上的AlxGa(1-x)N层和P型GaN层，其中，x为0.2，所述AlxGa(1-x)N层上不设有孔洞。其余均与实施例1相同。
以实施例1-实施例4和对比例1制得紫外发光二极管进行测试。具体测试结果如表1所示。
表1实施例1-实施例4和对比例1制得紫外发光二极管性能测试结果
由上述结果可知，本发明提供的紫外发光二极管，所述P型接触层包括依次层叠于所述P型半导体层上的多孔AlxGa(1-x)N层和P型GaN层，其中，x≤0.4，所述多孔AlxGa(1-x)N层上设有孔洞，所述P型GaN层的GaN材料填充所述孔洞以使所述多孔AlxGa(1-x)N层和P型GaN层无间隙层叠。本发明的紫外发光二极管在兼顾良好的P型欧姆接触和工作电压的前提下，尽量的减少P型接触层中GaN材料的用量，可减少P型材料中的面内全反射及由GaN材料引起的吸光损耗，以提高紫外发光二极管的光提取效率，并最终提高紫外发光二极管的发光效率。
以上所述是发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种紫外发光二极管，其特征在于，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的N型半导体层、有源区发光层、电子阻挡层、P型半导体层和P型接触层，以及设于所述N型半导体层上的N电极和设于所述P型接触层上的P电极；
所述P型接触层包括依次层叠于所述P型半导体层上的多孔AlxGa(1-x)N层和P型GaN层，其中，x≤0.4，所述多孔AlxGa(1-x)N层上设有孔洞，所述P型GaN层的GaN材料填充所述孔洞以使所述多孔AlxGa(1-x)N层和P型GaN层无间隙层叠。
2.如权利要求1所述的紫外发光二极管，其特征在于，所述多孔AlxGa(1-x)N层上的孔洞的密度为1×107/cm2-1×1010/cm2。
3.如权利要求1所述的紫外发光二极管，其特征在于，所述多孔AlxGa(1-x)N层的Mg掺杂浓度为2×1019atoms/cm3-5×1022atoms/cm3；
所述P型GaN层的Mg掺杂浓度为2×1020atoms/cm3-5×1022atoms/cm3。
4.如权利要求1所述的紫外发光二极管，其特征在于，所述多孔AlxGa(1-x)N层的厚度为0.01μm-0.2μm；
所述P型GaN层的厚度为0.02μm-0.5μm。
5.如权利要求1～4任一项所述的紫外发光二极管，其特征在于，所述P型半导体层为掺杂Mg元素的AlyGa(1-y)N层，其中，0.2≤y≤0.6；
所述P型半导体层的厚度为0.01μm-2μm；
所述P型半导体层的Mg掺杂浓度为2×1018atoms/cm3-5×1021atoms/cm3。
6.如权利要求1～4任一项所述的紫外发光二极管，其特征在于，所述N型半导体层为掺杂Si元素的AlzGa(1-z)N层，其中0.4≤z≤1；
所述N型半导体层的厚度为0.1μm-20μm；
所述N型半导体层的Si掺杂浓度为1×1018atoms/cm3-1×1020atoms/cm3。
7.如权利要求1～4任一项所述的紫外发光二极管，其特征在于，所述有源区发光层为交替生长的AlaGaN量子垒层与AlbGaN量子阱层，其中，0.5≤a≤1，0＜b＜a。
8.如权利要求1～4任一项所述的紫外发光二极管，其特征在于，所述电子阻挡层为Al组分梯形递减的AlcGa(1-c)N多层结构，其中，0.4≤c≤1；
所述电子阻挡层的厚度为1nm-500nm。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
准备衬底；
在所述衬底上依次沉积N型半导体层、有源区发光层、电子阻挡层、P型半导体层、P型接触层；
在所述P型接触层上制备P电极，在所述N型半导体层上制备N电极，得到成品；
所述P型接触层包括依次层叠于所述P型半导体层上的多孔AlxGa(1-x)N层和P型GaN层，其中，x≤0.4，所述多孔AlxGa(1-x)N层上设有孔洞，所述P型GaN层的GaN材料填充所述孔洞以使所述多孔AlxGa(1-x)N层和P型GaN层无间隙层叠。
10.如权利要求9所述的紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，在沉积所述P型接触层前，对所述P型半导体层进行H2处理；
所述H2处理的温度为900℃1200℃，时间为10s200s。
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|---|---|---|---|---|
| CN116565080A (zh) * | 2023-07-11 | 2023-08-08 | 江西兆驰半导体有限公司 | 发光二极管及其制备方法 |
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