CN116978998A - 一种AlGaN基深紫外发光二极管及其制备方法 - Google Patents
一种AlGaN基深紫外发光二极管及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116978998A CN116978998A CN202310911505.2A CN202310911505A CN116978998A CN 116978998 A CN116978998 A CN 116978998A CN 202310911505 A CN202310911505 A CN 202310911505A CN 116978998 A CN116978998 A CN 116978998A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- type
- deep ultraviolet
- algan
- emitting diode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 57
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 8
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims abstract description 86
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims abstract description 86
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims abstract description 63
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 49
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 37
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims abstract description 25
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 249
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 23
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 21
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 17
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 15
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims description 12
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 12
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 11
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 10
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 238000003780 insertion Methods 0.000 claims description 9
- 230000037431 insertion Effects 0.000 claims description 9
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 6
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 6
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 5
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 4
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- UOSXPFXWANTMIZ-UHFFFAOYSA-N cyclopenta-1,3-diene;magnesium Chemical compound [Mg].C1C=CC=C1.C1C=CC=C1 UOSXPFXWANTMIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 claims description 3
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 3
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N triethylgallium Chemical compound CC[Ga](CC)CC RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N trimethylaluminium Chemical compound C[Al](C)C JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical compound C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000000969 carrier Substances 0.000 abstract description 4
- 230000010287 polarization Effects 0.000 abstract description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 7
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 6
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 4
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 4
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 4
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- 101100207343 Antirrhinum majus 1e20 gene Proteins 0.000 description 1
- INQLNSVYIFCUML-QZTLEVGFSA-N [[(2r,3s,4r,5r)-5-(6-aminopurin-9-yl)-3,4-dihydroxyoxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl] [(2r,3s,4r,5r)-5-(4-carbamoyl-1,3-thiazol-2-yl)-3,4-dihydroxyoxolan-2-yl]methyl hydrogen phosphate Chemical compound NC(=O)C1=CSC([C@H]2[C@@H]([C@H](O)[C@@H](COP(O)(=O)OP(O)(=O)OC[C@@H]3[C@H]([C@@H](O)[C@@H](O3)N3C4=NC=NC(N)=C4N=C3)O)O2)O)=N1 INQLNSVYIFCUML-QZTLEVGFSA-N 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/14—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a carrier transport control structure, e.g. highly-doped semiconductor layer or current-blocking structure
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/005—Processes
- H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
- H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
- H01L33/007—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/005—Processes
- H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
- H01L33/0075—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds comprising nitride compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/14—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a carrier transport control structure, e.g. highly-doped semiconductor layer or current-blocking structure
- H01L33/145—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a carrier transport control structure, e.g. highly-doped semiconductor layer or current-blocking structure with a current-blocking structure
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
本发明涉及一种AlGaN基深紫外发光二极管及其制备方法，属于半导体光电二极管技术领域，从下至上依次包括衬底、缓冲层、n型半导体电子注入层、多量子阱有源层、p型电子阻挡层、界面势垒调控层、p型半导体空穴注入层、p型接触层、p型电极、n型电极。本发明电子阻挡层/调控层界面以及调控层/空穴注入层界面间会产生负极化诱导电荷，吸引空穴聚集，使得电子阻挡层与空穴注入层之间形成“M”状的空穴聚集区。同时，调控层能够减小电子阻挡层和空穴注入层之间的价带偏移使得两者间的界面势垒高度降低，让更多的载流子能够翻越电子阻挡层进入有源区，解决了因电子阻挡层和空穴注入层界面势垒所带来的DUV LED的载流子注入不足的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种AlGaN基深紫外发光二极管及其制备方法，属于半导体光电二极管技术领域。
背景技术
与传统汞灯的深紫外光源相比，AlGaN基深紫外发光二极管(DUV LEDs)凭借着更小体积、更高可靠性以及更快响应速度等特点成为了下一代光源的有力候选者。面对其在农业、医疗、交通、探测和保密通讯的巨大应用需求，AlGaN基深紫外LED的器件性能提升工作也因此受到了人们的高度重视。
目前AlGaN基深紫外LED的外量子效率很低(小于10％)同时伴随着严重的效率下降等问题，是其全面取代传统紫外汞灯以及实现高市场渗透率所面临的主要挑战之一。外量子效率通常与载流子注入效率和光提取率有关，因此提高载流子注入效率是提高LED外量子效率的有效途径之一。但随着LED工作电流密度的提高，载流子泄露引起的效率droop效应也降低了载流子的注入效率。究其原因，主要是电子和空穴的有效质量相差较大，电子的迁移率远大于空穴的迁移率，同时p-AlGaN层中较大的空穴激活能，使得空穴注入层中有效空穴载流子浓度较低。电子和空穴间的输运不平衡容易导致电子泄露到p型层中，造成了载流子注入效率的下降。为了抑制电子泄露，通常会在有源区和空穴注入层间引入高Al组分的p-AlGaN作为电子阻挡层(EBL)，但由于EBL的价带与空穴注入层的价带之间偏移量较大，易形成阻碍空穴注入的界面势垒，该势垒限制了AlGaN基深紫外LED外量子效率的提高。并且，空穴翻越EBL注入有源区后，动能会发生改变，动能的改变量和EBL与空穴注入层的界面势垒高度有关。当界面势垒高度过大时，即使空穴能够翻越EBL，也会损失大量动能，导致跨过EBL势垒的这些空穴聚集在靠近p型区的量子阱中，造成了有源区中载流子分布不均，使得LED光输出功率的降低。以上因素会对AlGaN基DUV LED的载流子注入效率产生负面影响，限制了AlGaN基DUV LED外量子效率和光功率的提高。
公开号为CN115148872的中国专利文件提供了一种深紫外LED外延结构，该结构通过在多量子阱有源层与空穴注入层之间引入一个复合电子阻挡层结构。沿生长方向，该复合电子阻挡层包括AlGaN层、多对InGaN/AlGaN层和AlGaN层。该复合电子阻挡层能够减小最后一层势垒和电子阻挡层之间的极化电场，实现了对电子的高效阻挡的同时也提高了空穴的注入效率；同时还能在InGaN/AlGaN层中实现溢流电子与空穴的辐射复合，有效减小了电子溢流导致的空穴注入效率低的问题。但是该结构的外延工艺复杂，需要引入额外前驱物，且为未解决因电子阻挡层/空穴注入层界面较大能带偏移引起的空穴注入问题。
公开号CN105870238B的中国专利提供了一种由金属极性面p型电子阻挡层和氮极性面p型电子阻挡层构成的复合极性面p型电子阻挡层的深紫外LED，接着又在复合极性面两侧分别引入金属极性面p型AlGaN层和氮极性面p型GaN层。该复合极性面电子阻挡层一方面能在导带形成较高的电子势垒，有效减小漏电流；另一方面其中氮极性面p型氮化物层的价带相对平坦，减弱了因金属极性面p型电子阻挡层带来的空穴注入效率低的问题，提高了LED的发光效率。同时引入的金属极性面p型AlGaN层能够缓解电子阻挡层与有源区间的晶格失配以及强极化电场的影响。但是，由于氮极性面p型电子层/氮极性面p型GaN层界面诱导产生的正极化电荷会阻碍空穴的注入，造成LED的效率下降。另外，氮极性面AlGaN层生长工艺也较为复杂，难以实现具有高晶体质量的外延结构。
基于上述分析，有必要设计能有效调控EBL和空穴注入层间的界面势垒高度的结构，该结构能够解决深紫外LED载流子注入效率低以及效率下降严重的问题，为实现深紫外LED产业化提供更多可能性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种AlGaN基深紫外发光二极管器件结构及制备方法。本发明提出在深紫外发光二极管的电子阻挡层(EBL)和空穴注入层之间引入一个界面势垒调控层,该层的Al组分界于电子阻挡层和空穴注入层的Al组分之间。电子阻挡层/调控层界面以及调控层/空穴注入层界面间会产生负极化诱导电荷，吸引空穴聚集，使得电子阻挡层与空穴注入层之间形成“M”状的空穴聚集区。同时，调控层能够减小电子阻挡层和空穴注入层之间的价带偏移使得两者间的界面势垒高度降低，让更多的载流子能够翻越电子阻挡层进入有源区，解决了因电子阻挡层和空穴注入层界面势垒所带来的DUV LED的载流子注入不足的问题；同时电子阻挡层与空穴注入层之间的界面势垒高度减小，空穴翻越电子阻挡层后的动能的损失量减小，解决了载流子分布不均匀的问题，改善了高工作电流密度下的效率droop效应，从而提高了AlGaN基DUV LED的外量子效率和发光效率。
本发明的技术方案如下：
一种AlGaN基深紫外发光二极管，从下至上依次包括衬底、缓冲层、n型半导体电子注入层，n型半导体电子注入层一侧上方依次包括多量子阱有源层、p型电子阻挡层、界面势垒调控层、p型半导体空穴注入层、p型接触层、p型电极，n型半导体电子注入层另一侧上方设有n型电极。
优选的，所述衬底的材质为蓝宝石、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)或硅(Si)中的一种，并且极性衬底可以沿着外延生长方向的不同分为极性面、半极性面、以及非极性面衬底，从而影响发光二极管外延层的生长方向。
优选的，缓冲层的材质为Alx1Ga1-x1N，其中,0≤x1≤1，0≤1-x1≤1。
优选的，所述n型半导体电子注入层的材质为n-Alx2Ga1-x2N，其中n-Alx2Ga1-x2N的Al组分x2的取值范围为0≤x2≤1，0≤1-x2≤1。
优选的，多量子阱有源区为交替生长Alx3Ga1-x3N势垒层和Alx4Ga1-x4N势阱层，进一步优选的，势垒层中Al组分x3大于势阱层中Al组分x4。
优选的，p型电子阻挡层的材质为Alx5Ga1-x5N，其中0≤x5≤1，0≤1-x5≤1。
优选的，p型半导体空穴注入层的材质为Alx7Ga1-x7N，其中，0≤x7≤1，0≤1-x7≤1。
进一步优选的，界面势垒调控层的材质为AlGaN，结构为单层Alx6Ga1-x6N层或交替层叠设置的超晶格层；当调控层为单层Alx6Ga1-x6N层时，其中x7≤x6≤x5，1-x5≤1-x6≤1-x7，厚度为1～5nm；当调控层为交替层叠设置的超晶格层时，所述超晶格层包括依次交替层叠设置的Alx6aGa1-x6aN和Alx6bGa1-x6bN层，其中x7≤x6a＜x6b≤x5，1-x5≤1-x6b＜1-x6a≤1-x7，每层厚度为1～2nm。
优选的，p型接触层的材质为Alx8Ga1-x8N，其中，0≤x8≤1，0≤1-x8≤1。
优选的，p型电极的材质为金属Ni/Au、Cr/Au、Ni/Al或Pt/Au。
优选的，n型电极的材质为金属Ti/Al/Ti/Au、Al/Au或Cr/Au。
一种AlGaN基深紫外发光二极管器件结构的制备方法，包括步骤如下：
(1)在MOCVD的反应室中，在蓝宝石衬底表面生长AlN缓冲层；
(2)在MOCVD的反应室中，在(1)中的缓冲层上接着生长n型半导体电子注入层，其材料为n-Alx2Ga1-x2N材料，并通过引入Si掺杂形成n型半导体；
(3)在MOCVD的反应室中，在(2)中的n型半导体电子注入层上交替生长Alx3Ga1-x3N势垒层与Alx4Ga1-x4N势阱层，其中势垒层中Al组分x3应大于势阱层中Al组分x4；
(4)在MOCVD的反应室中，在(3)中的由周期性量子垒和量子阱组成的有源区上接着生长AlGaN电子阻挡层，并通过引入Mg杂质进行p型掺杂；
(5)在MOCVD的反应室中，在(4)中的p型电子阻挡层表面生长一个非故意掺杂的界面势垒调控层；
(6)在MOCVD的反应室中，在(5)中得到的插入层的表面接着生长p型半导体AlGaN空穴注入层，并通过引入Mg杂质进行p型掺杂；
(7)在MOCVD的反应室中，在(6)中得到的空穴注入层的表面接着生长p型接触层，其材料为GaN，并通过引入Mg杂质进行p型重掺杂；
(8)接着通过光刻、刻蚀等步骤刻蚀出AlGaN基深紫外发光二极管的台面，并暴露出一部分的n型电子注入层，然后通过光刻、电子束蒸发等工艺制作p型电极，电流扩展层以及n型电极。
优选的，在上述MOCVD外延生长AlGaN基深紫外发光二极管的方法中，将三甲基镓或三乙基镓作为为镓源，将三甲基铝作为铝源；将氨气作为氮源，将硅烷作为Si杂质源，将二茂镁作为Mg杂质源。
本发明的有益效果在于：
本发明在传统深紫外发光二极管的外延结构中引入一个调控界面势垒的超薄AlGaN层，该调控层位于电子阻挡层和空穴注入层之间，其Al组分略高于空穴注入层的Al组分。由于该调控层在电子阻挡层和空穴注入层的界面处诱导产生负的极化电荷，该负极化电荷会吸引空穴，使得电子阻挡层和空穴注入层之间的区域成为了空穴聚集区。同时又由于调控层与电子阻挡层之间的价带偏移量较小，减小了因电子阻挡层与空穴注入层之间较大价带偏移引起的界面势垒高度，有利于空穴进入电子阻挡层中，电子阻挡层中的空穴浓度增加，从而减小了电子阻挡层的空穴势垒高度，使得更多的空穴被注入到了有源区中，提高了器件的载流子注入效率。
另外，空穴聚集区会耗尽泄露到p型区的电子，造成电阻阻挡层中电子浓度降低，其电子势垒高度会有所提高，从而在提高载流子注入效率的同时抑制了电子泄露。与此同时，由于电子阻挡层的空穴势垒高度降低，翻越电子阻挡层的空穴动能损失量变小，有足够动能到达靠近n型区的阱中，故而有源区中的载流子分布更加均匀，有利于辐射复合率的提高，最终提高深紫外发光二极管的外量子效率和光功率。
而且，器件的正向特性并没有因该结构的引入而发生明显改变，该结构为实现高效节能的深紫外光源提供了可靠的选择。最后，本发明中利用TCAD仿真辅助分析薄插入层的引入对DUV LED的性能的影响，可以节约大量时间和成本，更好地指导后续的DUV LED的制备工艺。
附图说明
图1为本发明提出的一种AlGaN基深紫外发光二极管的结构示意图，其中101为衬底，102是缓冲层，103是n型半导体电子注入层，104是多量子阱有源层，105是p型电子阻挡层，106是界面势垒调控层，107是p型半导体空穴注入层，108是p型接触层，109是p型电极，1010是n型电极。
图2a为AlGaN基深紫外发光二极管的有源区中最后一个量子阱与量子垒、电子阻挡层、AlGaN插入层、空穴注入层的部分价带结构示意图，图中的局部放大图为因插入层的引入而形成的空穴聚集区，界面势垒高度ΔΦh，空穴有效势垒高度ΔΦH，Efh代表空穴费米能级，Ev代表价带。
图2b为实施例1标准深紫外发光二极管以及本发明提出的深紫外发光二极管的一个具体实施例的空穴浓度在电子阻挡层中的分布图。
图3a为实施例1标准深紫外发光二极管以及本发明提出的深紫外发光二极管的一个具体实施例的电子浓度在有源层的分布图。
图3b为实施例1标准深紫外发光二极管以及本发明提出的深紫外发光二极管的一个具体实施例的空穴浓度在有源层的分布图。
图4a为实施例1标准深紫外发光二极管以及本发明提出的深紫外发光二极管的一个具体实施例的外量子效率与电流密度的关系图。
图4b为实施例1标准深紫外发光二极管以及本发明提出的深紫外发光二极管的一个具体实施例的光功率与电流密度的关系图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
一种AlGaN基深紫外发光二极管，沿着外延生长方向，如图1所示，外延层结构从下至上依次包括衬底101，缓冲层102，n型半导体电子注入层103，n型半导体电子注入层一侧上方依次包括多量子阱有源层104、p型电子阻挡层105、界面势垒调控层106、p型半导体空穴注入层107、p型接触层108、p型电极109，n型半导体电子注入层另一侧上方设有n型电极1010。
本实施例中，衬底101的材质为蓝宝石，缓冲层102的材质为AlN，厚度为100nm，n型半导体电子注入层103的材质为n-Al0.6Ga0.4N，掺杂浓度为8e18 cm-3，厚度为4um，多量子阱有源层104的材质为交替生长的势垒层Al0.57Ga0.43N和势阱层Al0.45Ga0.55N，厚度分别为10nm和3nm，p型电子阻挡层105的材质为p-Al0.6Ga0.4N，掺杂浓度为2e19 cm-3，厚度为10nm，单层AlGaN层106的材质为AlxGa1-xN(x＝0.45)，厚度为1nm，p型半导体空穴注入层107的材质为p-Al0.4Ga0.6N，掺杂浓度为4e19 cm-3，厚度为50nm，p型接触层108的材质为重掺杂的p-GaN，掺杂浓度为1e20 cm-3，厚度为50nm，p型电极109的材质为Ni/Au(5/5nm)，n型电极110的材质为Ti/Al/Ti/Au(30/120/30/200nm)。
由图2a可知，电子阻挡层/薄插入层界面以及薄插入层/空穴注入层界面间会产生负极化诱导电荷，吸引空穴聚集，使得电子阻挡层与空穴注入层之间形成“M”状的空穴聚集区。减弱了电子阻挡层和空穴注入层之间的能带偏移程度使得两者间的界面势垒高度降低，使得更多的载流子通过电子阻挡层进入有源区，解决了因电子阻挡层和空穴注入层界面势垒所带来的DUV LED的载流子注入不足的问题。
图3a为实施例1标准深紫外发光二极管以及本发明提出的深紫外发光二极管的一个具体实施例的电子浓度在有源层的分布图，为了对比清晰，本发明提出的深紫外发光二极管的电子浓度对应的横坐标相对于标准深紫外发光二极管的电子浓度的横坐标移动了2nm。从图3a中可以看出，相较于标准深紫外发光二极管，本发明提出的深紫外发光二极管有源区中的电子浓度有明显增加。
图3b为实施例1标准深紫外发光二极管以及本发明提出的深紫外发光二极管的一个具体实施例的空穴浓度在有源层的分布图，为了对比清晰，本发明提出的深紫外发光二极管的空穴浓度对应的横坐标相对于标准深紫外发光二极管的空穴浓度的横坐标移动了2nm。从图3b中可以看出，相较于标准深紫外发光二极管，本发明提出的深紫外发光二极管有源区中的空穴浓度有明显增加。
图4a为实施例1标准深紫外发光二极管以及本发明提出的深紫外发光二极管的一个具体实施例的外量子效率与电流密度的关系图。从图4a中可以看出本发明提出的深紫外发光二极管的外量子效率(电流密度为100A/cm2的条件下)相较于标准深紫外二极管提升了40.5％，并且效率droop效应也得到改善。
图4b为实施例1标准深紫外发光二极管以及本发明提出的深紫外发光二极管的一个具体实施例的光功率与电流密度的关系图。从图4b中可以看出本发明提出的深紫外发光二极管的光功率相较于标准深紫外发光二极管有明显提升。
实施例2：
一种AlGaN基深紫外发光二极管，其结构如实施例1所述，所不同的是，所述衬底的材质为碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)或硅(Si)中的一种，并且极性衬底可以沿着外延生长方向的不同分为极性面、半极性面、以及非极性面衬底，从而影响发光二极管外延层的生长方向。
缓冲层的材质为Alx1Ga1-x1N，其中,x1＝0。
所述n型半导体电子注入层的材质为n-Alx2Ga1-x2N，其中n-Alx2Ga1-x2N的Al组分x2＝1。
p型电子阻挡层的材质为Alx5Ga1-x5N，其中x5＝1。
p型半导体空穴注入层的材质为Alx7Ga1-x7N，其中，x7＝0。
界面势垒调控层的材质为AlGaN，调控层为交替层叠设置的超晶格层时，所述超晶格层包括依次交替层叠设置的Alx6aGa1-x6aN和Alx6bGa1-x6bN层，x6a＝0.3，x6b＝0.6，每层厚度为1～2nm。
p型接触层的材质为Alx8Ga1-x8N，其中，x8＝1。
p型电极的材质为金属Cr/Au、Ni/Al或Pt/Au。
n型电极的材质为金属Al/Au或Cr/Au。
实施例3：
一种AlGaN基深紫外发光二极管，其结构如实施例1所述，所不同的是，本实施例中单层AlGaN层106的材质是AlxGa1-xN，其中x为0.55，插入层的厚度为1nm。
实施例4：
一种制备实施例1所述AlGaN基深紫外发光二极管器件结构的制备方法，包括步骤如下：
(1)在MOCVD的反应室中，在蓝宝石衬底表面生长AlN缓冲层；
(2)在MOCVD的反应室中，在(1)中的缓冲层上接着生长n型半导体电子注入层，其材料为n-Alx2Ga1-x2N材料，并通过引入Si掺杂形成n型半导体；
(3)在MOCVD的反应室中，在(2)中的n型半导体电子注入层上交替生长Alx3Ga1-x3N势垒层与Alx4Ga1-x4N势阱层，其中势垒层中Al组分x3应大于势阱层中Al组分x4；
(4)在MOCVD的反应室中，在(3)中的由周期性量子垒和量子阱组成的有源区上接着生长AlGaN电子阻挡层，并通过引入Mg杂质进行p型掺杂；
(5)在MOCVD的反应室中，在(4)中的p型电子阻挡层表面生长一个非故意掺杂的界面势垒调控层；
(6)在MOCVD的反应室中，在(5)中得到的插入层的表面接着生长p型半导体AlGaN空穴注入层，并通过引入Mg杂质进行p型掺杂；
(7)在MOCVD的反应室中，在(6)中得到的空穴注入层的表面接着生长p型接触层，其材料为GaN，并通过引入Mg杂质进行p型重掺杂；
(8)接着通过光刻、刻蚀等步骤刻蚀出AlGaN基深紫外发光二极管的台面，并暴露出一部分的n型电子注入层，然后通过光刻、电子束蒸发等工艺制作p型电极，电流扩展层以及n型电极。
在上述MOCVD外延生长AlGaN基深紫外发光二极管的方法中，将三甲基镓或三乙基镓作为为镓源，将三甲基铝作为铝源；将氨气作为氮源，将硅烷作为Si杂质源，将二茂镁作为Mg杂质源。
上述所述工艺仅是本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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (10)
1.一种AlGaN基深紫外发光二极管，其特征在于，从下至上依次包括衬底、缓冲层、n型半导体电子注入层，n型半导体电子注入层一侧上方依次包括多量子阱有源层、p型电子阻挡层、界面势垒调控层、p型半导体空穴注入层、p型接触层、p型电极，n型半导体电子注入层另一侧上方设有n型电极。
2.根据权利要求1所述的AlGaN基深紫外发光二极管，其特征在于，所述AlGaN基深紫外发光二极管包括以下方案之一：
Ⅰ、所述衬底的材质为蓝宝石、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)或硅(Si)中的一种；
Ⅱ、缓冲层的材质为Alx1Ga1-x1N，其中，0≤x1≤1，0≤1-x1≤1；
Ⅲ、所述n型半导体电子注入层的材质为n-Alx2Ga1-x2N，其中n-Alx2Ga1-x2N的Al组分x2的取值范围为0≤x2≤1，0≤1-x2≤1；
Ⅳ、多量子阱有源区为交替生长Alx3Ga1-x3N势垒层和Alx4Ga1-x4N势阱层，进一步优选的，势垒层中Al组分x3大于势阱层中Al组分x4。
3.根据权利要求1所述的AlGaN基深紫外发光二极管，其特征在于，p型电子阻挡层的材质为Alx5Ga1-x5N，其中0≤x5≤1，0≤1-x5≤1。
4.根据权利要求3所述的AlGaN基深紫外发光二极管，其特征在于，p型半导体空穴注入层的材质为Alx7Ga1-x7N，其中，0≤x7≤1，0≤1-x7≤1。
5.根据权利要求4所述的AlGaN基深紫外发光二极管，其特征在于，界面势垒调控层的材质为AlGaN，结构为单层Alx6Ga1-x6N层或交替层叠设置的超晶格层；当调控层为单层Alx6Ga1-x6N层时，其中x7≤x6≤x5，1-x5≤1-x6≤1-x7，厚度为1～5nm；当调控层为交替层叠设置的超晶格层时，所述超晶格层包括依次交替层叠设置的Alx6aGa1-x6aN和Alx6bGa1-x6bN层，其中x7≤x6a＜x6b≤x5，1-x5≤1-x6b＜1-x6a≤1-x7，每层厚度为1～2nm。
6.根据权利要求1所述的AlGaN基深紫外发光二极管，其特征在于，p型接触层的材质为Alx8Ga1-x8N，其中，0≤x8≤1，0≤1-x8≤1。
7.根据权利要求1所述的AlGaN基深紫外发光二极管，其特征在于，p型电极的材质为金属Ni/Au、Cr/Au、Ni/Al或Pt/Au。
8.根据权利要求1所述的AlGaN基深紫外发光二极管，其特征在于，n型电极的材质为金属Ti/Al/Ti/Au、Al/Au或Cr/Au。
9.一种制备权利要求1-8任意一项权利要求所述AlGaN基深紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)在MOCVD的反应室中，在衬底表面生长缓冲层；
(2)在MOCVD的反应室中，在(1)中的缓冲层上接着生长n型半导体电子注入层，其材料为n-Alx2Ga1-x2N材料，并通过引入Si掺杂形成n型半导体；
(3)在MOCVD的反应室中，在(2)中的n型半导体电子注入层上交替生长Alx3Ga1-x3N势垒层与Alx4Ga1-x4N势阱层，其中势垒层中Al组分x3大于势阱层中Al组分x4；
(4)在MOCVD的反应室中，在(3)中的由周期性量子垒和量子阱组成的有源区上接着生长AlGaN电子阻挡层，并通过引入Mg杂质进行p型掺杂；
(5)在MOCVD的反应室中，在(4)中的p型电子阻挡层表面生长一个界面势垒调控层；
(6)在MOCVD的反应室中，在(5)中得到的插入层的表面接着生长p型半导体AlGaN空穴注入层，并通过引入Mg杂质进行p型掺杂；
(7)在MOCVD的反应室中，在(6)中得到的空穴注入层的表面接着生长p型接触层，并通过引入Mg杂质进行p型掺杂；
(8)接着通过光刻、刻蚀步骤刻蚀出AlGaN基深紫外发光二极管的台面，并暴露出一部分的n型电子注入层，然后通过光刻、电子束蒸发工艺制作p型电极，电流扩展层以及n型电极。
10.根据权利要求9所述的AlGaN基深紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，在上述MOCVD外延生长AlGaN基深紫外发光二极管的方法中，将三甲基镓或三乙基镓作为为镓源，将三甲基铝作为铝源；将氨气作为氮源，将硅烷作为Si杂质源，将二茂镁作为Mg杂质源。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310911505.2A CN116978998A (zh) | 2023-07-24 | 2023-07-24 | 一种AlGaN基深紫外发光二极管及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310911505.2A CN116978998A (zh) | 2023-07-24 | 2023-07-24 | 一种AlGaN基深紫外发光二极管及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116978998A true CN116978998A (zh) | 2023-10-31 |
Family
ID=88484452
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310911505.2A Pending CN116978998A (zh) | 2023-07-24 | 2023-07-24 | 一种AlGaN基深紫外发光二极管及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116978998A (zh) |
-
2023
- 2023-07-24 CN CN202310911505.2A patent/CN116978998A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8039830B2 (en) | Semiconductor light emitting device and wafer | |
| KR100850950B1 (ko) | 질화물계 발광 소자 | |
| US6881602B2 (en) | Gallium nitride-based semiconductor light emitting device and method | |
| JP2890390B2 (ja) | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 | |
| CN102545058B (zh) | 一种氮化镓基激光器外延结构及其制作方法 | |
| KR101393897B1 (ko) | 반도체 발광소자 및 그 제조방법 | |
| JP2011155241A (ja) | 歪平衡発光デバイス及びその製造方法 | |
| US20150311382A1 (en) | Method of growing n-type nitride semiconductor, light emitting diode and method of fabricating the same | |
| KR101650720B1 (ko) | 나노로드 기반의 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 | |
| KR20130078345A (ko) | 스트레인 완충층을 이용하여 발광효율이 우수한 질화물계 발광소자 | |
| CN111628059B (zh) | AlGaN基深紫外发光二极管器件及其制备方法 | |
| CN108831975B (zh) | 一种发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN114883466A (zh) | 一种调控深紫外发光二极管有源区内建电场的方法 | |
| KR101117484B1 (ko) | 반도체 발광소자 | |
| CN113451455B (zh) | Led外延的制备方法及led外延结构与led芯片 | |
| CN114420812A (zh) | 一种深紫外半导体发光元件 | |
| CN116978998A (zh) | 一种AlGaN基深紫外发光二极管及其制备方法 | |
| KR100643262B1 (ko) | 질화갈륨계 발광장치 | |
| EP3796401A1 (en) | Light-emitting diode | |
| JPH11220172A (ja) | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 | |
| CN114464711B (zh) | 一种深紫外发光二极管及其制备方法 | |
| CN109524523B (zh) | 一种AlGaN基紫外LED外延结构及其制备方法 | |
| CN117810332B (zh) | 氮化镓基发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN115036402B (zh) | 诱导增强型Micro-LED同质外延结构及其制备方法 | |
| US20220399476A1 (en) | Light-emitting device with polarization modulated last quantum barrier |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |