使用p-AlGaN作为电子阻挡层的非极性面ZnO紫外LED器件制造技术

本发明专利技术涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种ZnO紫外发光二极管（light emitting diode, LED）器件。所述器件，从下至上依次包括：蓝宝石衬底，高温AlN成核层，AlxGa1-xN本征层，p型AlxGa1-xN层和n型ZnO层。本发明专利技术还提供了所述器件的制备方法。本发明专利技术叙述的器件外延层晶体生长方向为非极性面。沿非极性面生长的外延层中没有因极化效应导致的内量子效率下降等问题，有利于提高LED发光效率。同时，本发明专利技术使用AlxGa1-xN作为空穴注入层的同时，将其用作电子阻挡层，有利于电子在ZnO层与空穴复合发光。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体器件
，具体涉及一种采用空穴注入层作为电子阻挡层的非极性面紫外发光二极管。
技术介绍
传统的AlGaN基紫外LED器件均沿c面生长。由于GaN不具备中心对称性，在极性轴[0001]方向上具有很强的自发极化和压电极化效应。沿此极轴生长的量子阱结构中会存在大量的的剩余极化电荷，从而产生较高强度的内建电场(～MV/cm量级)，使得能带倾斜，电子空穴波函数在空间分离开来，降低辐射复合速率，从而降低了器件内量子效率。同时，能带的倾斜使得量子阱中的能级结构变化复杂，相对势垒高度提高，使得材料的能带调控与载流子输运变得困难。由量子阱内建电场引发的量子限制斯塔克效应从物理原理上限制了c面量子阱内量子效率的提高，阻碍了该材料在发光器件中的应用。因此，使器件沿非极性面生长可以减少量子限制斯塔克效应引起的内量子效率下降。GaN、ZnO等第三代宽禁带半导体材料被广泛地应用于蓝光、紫外波段的发光二极管或探测器。与GaN相比，ZnO具有高达60meV的激子束缚能，远高于室温热能(26meV)。另外，ZnO还具有原材料丰富、成膜特性好、热稳定性好等优势，在制备室温蓝紫光发光二极管、紫外探测器以及紫外半导体激光器等方面具有重要应用前景。但由于ZnO材料自身存在大量锌填隙和氧空位缺陷，背景电子浓度高达1018，本征点缺陷的自补偿效应，ZnO材料的p型掺杂异常困难。为了实现ZnO材料在光发射器件领域的应用，在无法获得稳定可控的p型ZnO的条件下，利用其它p-GaN来与n-ZnO构造异质结器件成为一条切实可行的途径。另外，由于在半导体材料中，空穴的迁移率与电子相比要小的多，p-GaN/n-ZnO异质结中，从n型ZnO注入的电子往往会直接迁移到p型GaN层与其中的空穴复合发光。在GaN层复合的激子室温发光波长为365nm，属于GaN层发光，并非所设计的ZnO层发光。为了使PN结真正地做到ZnO层发光，大部分的做法是使用高禁带宽度的插入层，如AlN、ZnS、MgO。通过在PN结中间生长此类插入层，p-GaN和n-ZnO的导带之间会形成高的电子势垒，阻挡ZnO层的电子向GaN层扩散，从而保证电子空穴在ZnO层复合。此方法的弊端是引入的插入层与上下外延层往往晶格失配大，导致晶体质量差，从而导致内量子效率下降。为解决此问题，本专利技术提出使用p型AlxGa1-xN作为空穴注入层的同时，将其作为电子阻挡层，确保更多的电子在ZnO层与空穴复合发光。
技术实现思路
本专利技术提出一种非极性面紫外LED器件及其制备方法，提高了芯片内量子效率同时确保了电子空穴在ZnO层复合发光。为了达到上述目的，本发光采用的技术方案为：使用p-AlGaN作为电子阻挡层的非极性面ZnO紫外LED器件，该器件结构从下向上的顺序依次为衬底、高温AlN成核层的厚度、AlxGa1-xN本征层、p型AlxGa1-xN层、n型ZnO厚度。所述衬底为蓝宝石，用于生长半导体材料的切割面为r面，外延层沿非极性a面或非极性m面生长。在生长外延层之前，在氨气氛围下对蓝宝石衬底进行氮化处理。所述高温AlN成核层的厚度为50～200纳米。AlxGa1-xN本征层的厚度为1～2微米。p型AlxGa1-xN层的厚度为0.5～1微米。AlxGa1-xN本征和p型AlxGa1-xN层的Al组分相同，Al组分在0.05～0.55之间。n型ZnO层的厚度为0.5～1微米；p型AlxGa1-xN层上方设置有p电极，n型ZnO层上方设有n电极。p电极为Ni/Au电极，Ni厚度为5～40纳米，Au厚度为20～200纳米；n电极为Ti/Au电极，Ti厚度为1～10纳米，Au厚度为20～200纳米。使用p-AlGaN作为电子阻挡层的非极性面ZnO紫外LED器件的制备方法，包括如下步骤：(1)在r面蓝宝石衬底上，利用MOCVD工艺，将所述衬底升温至850摄氏度，生长高温AlN成核层；(2)在所述高温AlN成核层上，将生长温度提高至900～1100摄氏度，生长AlxGa1-xN本征层；(3)在所述AlxGa1-xN本征层上，将温度保持在1020摄氏度，生长p型AlxGa1-xN电子阻挡层；(4)利用PLD进行二次外延，700摄氏度下，在所述p型AlxGa1-xN层上生长n型ZnO层，形成非极性面紫外LED外延片；(5)使用光刻和湿法刻蚀技术，刻蚀所述外延片至p型AlxGa1-xN层；(6)在p型AlxGa1-xN层台面上光刻出p型电极图形，然后使用金属蒸镀技术，在p型电极图形区沉积金属层，并在快速退火后形成p型电极；(7)在n型ZnO层台面上光刻出n型电极图形。在n型电极图形区沉积金属层形成n型电极。与现有技术方案相比，本专利技术采用的技术方案的有益效果如下：按照本专利技术所述方案制作的非极性面紫外LED器件自身不存在量子限制斯塔克效应导致的内量子效率下降，因而拥有更高的内量子效率。本专利技术使用AlxGa1-xN而不是GaN作为空穴注入层，有利于阻挡电子扩散至p型层，能够在不更多地降低晶体质量的同时，确保电子空穴在ZnO层复合发光。附图说明图1为本专利技术实例提供的非极性面紫外发光二极管的结构示意图；图2为本专利技术实例中紫外发光二极管芯片正面电极图形。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术技术方案进行详细描述。实施例1：如图1所示，本实例提供一种使用p型AlxGa1-xN层作为非极性面紫外LED器件结构。该器件由下至上分别为：衬底101，设置在衬底101上的高温AlN层102，设置在高温AlN层102上的AlxGa1-xN本征层103，设置在AlxGa1-xN本征层103上的p型AlxGa1-xN层104，设置在p型AlxGa1-xN层104上的n型ZnO层105，设置在n型ZnO层105上的n型电极106和设置在p型AlxGa1-xN层104上的p型电极107。本实施例中，器件俯视界面为正方形，边长400微米。衬底101为r面蓝宝石。高温AlN层102的厚度在50～200纳米之间，优选地，厚度为100纳米。AlxGa1-xN本征层103的厚度在1～2微米之间，优选地，厚度为1.5微米。p型AlxGa1-xN层104的厚度在0.5～1微米之间，优选地，厚度为750纳米。AlxGa1-xN本征层103和AlxGa1-xN层104的Al组分在0.05～0.55之间，优选地，组分为0.2。n型ZnO层105的厚度在0.5～1微米之本文档来自技高网...

【技术保护点】
使用p‑AlGaN作为电子阻挡层的非极性面ZnO紫外LED器件，其特征在于：该器件结构从下向上的顺序依次为衬底、高温AlN成核层的厚度、AlxGa1‑xN本征层、p型AlxGa1‑xN层、n型ZnO厚度。

【技术特征摘要】
1.使用p-AlGaN作为电子阻挡层的非极性面ZnO紫外LED器件，其特征在
于：该器件结构从下向上的顺序依次为衬底、高温AlN成核层的厚度、AlxGa1-xN
本征层、p型AlxGa1-xN层、n型ZnO厚度。
2.如权利要求1所述的使用p-AlGaN作为电子阻挡层的非极性面ZnO紫外
LED器件，其特征在于：所述衬底为蓝宝石，用于生长半导体材料的切割面为
r面，外延层沿非极性a面或非极性m面生长。
3.如权利要求1所述的使用p-AlGaN作为电子阻挡层的非极性面ZnO紫外
LED器件，其特征在于：在生长外延层之前，在氨气氛围下对蓝宝石衬底进行
氮化处理。
4.如权利要求1所述的使用p-AlGaN作为电子阻挡层的非极性面ZnO紫外
LED器件，其特征在于：所述高温AlN成核层的厚度为50～200纳米。
5.如权利要求1所述的使用p-AlGaN作为电子阻挡层的非极性面ZnO紫外
LED器件，其特征在于：AlxGa1-xN本征层的厚度为1～2微米。
6.如权利要求1所述的使用p-AlGaN作为电子阻挡层的非极性面ZnO紫外
LED器件，其特征在于：p型AlxGa1-xN层的厚度为0.5～1微米。
7.如权利要求5和6所述的使用p-AlGaN作为电子阻挡层的非极性面ZnO紫
外LED器件，其特征在于：AlxGa1-xN本征和p型AlxGa1-xN层的Al组分相同，
Al组分在0.05～0.55之间。
8.如权利要求1所述的使用p-AlGaN作为电子阻挡层的非极性面ZnO...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈景文，张骏，王帅，戴江南，陈长清，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42