一种深紫外AlGaN基多量子阱发光二极管及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体是一种深紫外AlGaN基多量子阱发光二极管及其制备方法。

背景技术

AlGaN材料的发光范围主要覆盖200nm-365nm的紫外光波段。由于紫外光在水消毒、医疗器械消毒、紫外线治疗、文件验证、加密通信等方面具有广泛的应用，以AlGaN为代表的Ⅲ族氮化物基紫外发光二极管引起了越来越多的关注。与蓝绿光发光二极管(LED)相比，深紫外LED的量子效率和发光功率普遍较低。这主要是由于为了获得深紫外的短波长发光，LED的量子阱必须采用AlGaN材料，相应的，就需要采用Al组分更高的AlGaN层作为量子垒层。进一步地，为了有效抑制电子泄漏，在深紫外LED中就必须采用Al组分极高的电子阻挡层(EBL)，从而增大了材料的外延生长难度，并有可能产生大量的晶体缺陷，使得材料外延质量变差，器件内部非辐射复合过程增强，导致LED发光效率降低。另一方面，极高Al组分的EBL会对空穴的输运带来不利影响，降低了空穴的注入效率，减小了有源区内的空穴浓度,进一步恶化了深紫外LED的发光性能。因此，提高对电子的阻挡能力，有效抑制电子泄漏，同时，改善空穴的注入效率，将是提高AlGaN基深紫外LED器件整体性能的一个关键因素。

发明内容

为了克服传统深紫外发光二极管存在的量子效率及发光功率较低的不足，本发明提出了一种深紫外AlGaN基多量子阱发光二极管及制备方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种深紫外AlGaN基多量子阱发光二极管，主要包括衬底、AlN本征层、N型AlGaN模板层、多量子阱有源区、AlGaN复合势垒层、P型AlGaN盖层、P型GaN欧姆接触层、N型欧姆电极、P型欧姆电极。

二极管为层状结构，衬底位于底层，P型GaN欧姆接触层位于顶层。

自底层至顶层依次为AlN本征层、N型AlGaN模板层、多量子阱有源区、AlGaN复合势垒层、P型AlGaN盖层，层层依次相接。

AlN本征层以底层衬底为基础生长而成，N型AlGaN模板层在AlN本征层上生长而成，依次类推。

在N型AlGaN模板层，设置有台阶，台阶面与组成二极管的各层面平行，上台阶面与多量子阱有源区相连接，下台阶面与有N型欧姆电极相连接。

P型欧姆电极位于P型GaN欧姆接触层上侧。

衬底材料为蓝宝石。

AlN本征层生长在衬底上，厚度为500～1000nm。

N型AlGaN模板层生长在AlN本征层上，厚度为2～4μm，N型AlGaN模板层中，用Si作n型掺杂剂，掺杂浓度不小于1×10

多量子阱有源区生长在N型AlGaN模板层上，多量子阱有源区中量子阱层为AlGaN层，其厚度为3～4nm；量子垒层为Al组分高于量子阱中Al组分的AlGaN层，其厚度为10～15nm；AlGaN量子阱与AlGaN量子垒交替生长的重复周期数不小于2。

AlGaN复合势垒层生长在多量子阱有源区上，其厚度为20-30nm，同时满足不小于多量子阱有源区中量子垒层厚度的2倍。AlGaN复合势垒层中Al组分沿外延生长方向逐渐减小，AlGaN复合势垒层中用Mg做p型掺杂剂，对远离量子阱的区域进行掺杂，保证掺杂区域的厚度等于AlGaN复合势垒层的总厚度减去多量子阱有源区中量子垒层厚度，掺杂浓度不小于1×10

P型AlGaN盖层生长Al组分线性渐变的AlGaN复合势垒层上，厚度为50～100nm。AlGaN盖层中，用Mg作p型掺杂剂，掺杂浓度不小于2×10

P型GaN欧姆接触层生长在P型AlGaN盖层上，厚度为100～300nm，用Mg作p型掺杂剂，掺杂浓度不小于2×10

N型欧姆电极是点状结构，N型欧姆电极沉积在刻蚀出的N型AlGaN模板层台阶上。

P型欧姆电极是点状结构，P型欧姆电极沉积在P型GaN欧姆接触层上。

上述的二极管，所述衬底材料还可以为SiC。

上述的二极管，所述衬底材料还可以为AlN。

上述的二极管，所述N型欧姆电极还可以是环形结构。

上述的二极管，所述P型欧姆电极还可以是环形结构。

一种深紫外AlGaN基发光二极管的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：取一衬底，该衬底的材料为蓝宝石、SiC或AlN。

步骤2：在该衬底上依次生长AlN本征层、N型AlGaN模板层、多量子阱有源区、AlGaN复合势垒层、P型AlGaN盖层、P型GaN欧姆接触层。

步骤3：通过光刻和刻蚀等工艺，形成台面器件结构，并分别在N型AlGaN模板层上和P型GaN欧姆接触层上沉积N电极和P电极，随后在氮气气氛下退火降温，完成生长。

本发明的有益效果是：

提出一种深紫外AlGaN/AlGaN多量子阱发光二极管结构，使用AlGaN复合势垒层(CQB)取代了传统LED中最后一个量子垒(LQB)与电子阻挡层(EBL)，从而消除了原有的在LQB/EBL界面处的异质结结构，并减弱了整个结构中的极化效应，抑制了能带弯曲，从而提高了载流子的输运效率。

本发明结构，使用AlGaN-CQB层提高了导带有效势垒高度，增强了阻挡电子的能力，使更多的电子在有源区内发生辐射复合，使器件发光性能得到提升。

本发明结构，使用AlGaN-CQB层还降低了价带的有效势垒高度，改善了空穴注入，使器件发光性能得到提升。

本发明结构，与传统LED结构中的EBL相比，AlGaN复合势垒层中的平均Al含量并没有增加，反而可以更低。众所周之，极高的Al含量将导致外延材料中总应力的增加，是深紫外LED研制的核心难点。因此，采用本发明有利于减小整个LED结构中的总应力，从而降低了深紫外LED外延生长的制备难度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明发光二极管的剖面结构示意图；

图2是本发明的一种深紫外AlGaN/AlGaN深紫外多量子阱发光二极管的生长方法流程图。

图3是本发明具体实施例1的AlGaN复合势垒层5的结构示意图；

图4是传统结构对比例的AlGaN复合势垒层5的结构示意图；

图5是本发明AlGaN复合势垒层具体实施例1与传统结构对比例的内量子效率比较图；

图6是本发明AlGaN复合势垒层具体实施例1与传统结构对比例的光输出功率比较图。

图中：1.衬底；2.AlN本征层；3.N型AlGaN模板层；4.多量子阱有源区；5.AlGaN复合势垒层；6.P型AlGaN盖层；7.P型GaN欧姆接触层；8.N型欧姆电极；9.P型欧姆电极。

具体实施方式

实施例1、2、3：

一种深紫外AlGaN/AlGaN多量子阱发光二极管，主要包括衬底1、AlN本征层2、N型AlGaN模板层3、多量子阱有源区4、AlGaN复合势垒层5、P型AlGaN盖层6、P型GaN欧姆接触层7、N型欧姆电极8、P型欧姆电极9，如图1所示。

二极管为层状结构，衬底1位于底层，P型GaN欧姆接触层7位于顶层。

自底层至顶层依次为AlN本征层2、N型AlGaN模板层3、多量子阱有源区4、AlGaN复合势垒层5、P型AlGaN盖层6，层层依次相接。

AlN本征层2以底层衬底1为基础生长而成，N型AlGaN模板层3在AlN本征层2上生长而成，依次类推。

在N型AlGaN模板层3层，设置有台阶，台阶面与组成二极管的各层面平行，上台阶面与多量子阱有源区4相连接，下台阶面与有N型欧姆电极8相连接。

P型欧姆电极9位于P型GaN欧姆接触层7上侧。

衬底1材料为蓝宝石、或者为SiC、或者为AlN。

AlN本征层2生长在衬底1上，厚度为a1。

N型AlGaN模板层3生长在AlN本征层2上，厚度为a2。N型AlGaN模板层中，Al组分的原子百分比为50％，用Si作n型掺杂剂，掺杂浓度为1×10

多量子阱有源区4生长在N型AlGaN模板层3上。多量子阱有源区4包含交替生长的量子阱层和量子垒层，其中量子阱层厚度a3，成分为Al组分为47％的Al

AlGaN复合势垒层5生长在多量子阱有源区4上，厚度为a5，a5＝a4+a6。其中a4为多量子阱有源区4中量子垒层的厚度，a6为传统结构深紫外发光二极管中电子阻挡层的厚度，且a6≥a4。

AlGaN复合势垒层5中Al组分沿外延生长方向逐渐减小，Al组分由85％线性渐变至65％。AlGaN复合势垒层5中用Mg做p型掺杂剂，对远离量子阱的厚度为a6的区域进行掺杂，掺杂浓度为1×10

P型AlGaN盖层6生长Al组分线性渐变的AlGaN复合势垒层5上，厚度为a7。p型AlGaN盖层6中Al的原子百分比为50％。用Mg作p型掺杂剂，掺杂浓度为2×10

P型GaN欧姆接触层7生长在P型AlGaN盖层6上，厚度为a8。用Mg作p型掺杂剂，掺杂浓度为2×10

N型欧姆电极8是点状结构或环形结构，N型欧姆电极8沉积在刻蚀出的N型AlGaN模板层3台阶上。

P型欧姆电极9是点状结构或环形结构，P型欧姆电极8沉积在P型GaN欧姆接触层7上。

实施例1、2、3的部分相关参数如表1所示

表1相关参数

实施例1与传统结构的制备与性能对比：

参照图1和图2，提出一种具体的深紫外AlGaN基多量子阱发光二极管结构及其制备方式，包括如下步骤：

步骤1，衬底处理

取一衬底1，该衬底1的材料为蓝宝石、SiC或AlN。将所述衬底1在1200℃氢气气氛里进行高温清洁处理5～20min，然后进行氮化处理。

步骤2，生长履层

第一步，生长AlN本征层2

在该衬底1上依次生长AlN本征层2。在600℃条件下，先在衬底上生长AlN本征层中的低温缓冲层，厚度为50nm。再升温至1400℃，在低温缓冲层上生长550nm的AlN本征层，AlN本征层的总厚度为600nm。

第二步，在AlN本征层2上生长N型AlGaN模板层3

在AlN本征层上生长3μm的AlGaN模板层，生长温度为1200℃，其中Al组分百分数为50％，用Si作n型掺杂剂，掺杂浓度为1×10

第三步，在N型AlGaN模板层3上生长多量子阱有源区4

在1000℃下交替生长4个周期的Al

第四步，在多量子阱有源区4上生长AlGaN复合势垒层5

不改变反应室温度，直接生长厚度为20nm，Al组分百分数从85％线性递减到65％的AlGaN线性渐变层，并用Mg作p型掺杂剂对远离多量子阱有源区4厚度为10nm的区域进行掺杂，掺杂浓度为1×10

第五步，在AlGaN复合势垒层5上生长P型AlGaN盖层6

不改变反应室温度，生长50nm厚的AlGaN盖层6，用Mg作p型掺杂剂,掺杂浓度为2×10

第六步，生长P型GaN欧姆接触层7

降低反应室温度到800℃，再生长100nm厚的GaN接触层17，用Mg作p型掺杂剂，掺杂浓度为2×10

步骤3，加工台面，沉积电极

通过光刻和刻蚀等工艺，形成台面器件结构，并分别在N型AlGaN模板层3上和P型GaN欧姆接触层7上沉积点状结构的N型欧姆电极8和P型欧姆电极9，之后用热退火合金工艺来改善欧姆接触特性并完成器件生长。

实施例1二极管与现有二极管的结构对比如下：

在传统结构对比例中，基于之前所述的步骤，仅改变AlGaN复合势垒层5的生长步骤，改为先生长10nm厚的Al

实施例1二极管与现有二极管性能对比测试如下：

将本发明实施例与传统结构对比例进行光电性能测试，本发明显著提升了深紫外AlGaN多量子阱发光二极管的内量子效率与光输出功率，对照结果如图5和图6所示。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均属于本发明要求保护的范围。