一种具有电子注入层的深紫外发光二极管外延结构及其制备方法技术

本发明专利技术为一种具有电子注入层的深紫外发光二极管外延结构及其制备方法。该结构主体为沿着外延生长方向依次包括衬底、缓冲层、N‑型半导体传输层、电子注入层、多量子阱层、P‑型电流阻挡层、P‑型半导体传输层和P‑型重掺杂半导体传输层。其中，电子注入层通过AIN组分和掺杂浓度来精确调控N‑型AlGaN层内极化电场和耗尽电场，从而降低电子注入有源区时的能量，提高量子阱对电子的捕获能力，使器件性能得到大幅提升，且材料生长难度低，可重复性强。

【技术实现步骤摘要】
一种具有电子注入层的深紫外发光二极管外延结构及其制备方法
本专利技术涉及发光二极管半导体
，具体地说是一种具有电子注入层的深紫外发光二极管外延结构及其制备方法。
技术介绍
与传统深紫外汞灯相比，AlGaN基的深紫外发光二极管(DUVLED)具有工作电压低，节能环保和使用寿命长等优点，因此被广泛应用于紫外固化、防伪检测、显示通信和医疗卫生等领域，具备十分广阔的发展前景和商业价值。经过十几年的长足发展，AlGaN基DUVLED尽管在外延生长、器件工艺等方面取得了重要进步，但当前阶段，AlGaN基DUVLED的进一步发展仍然面临内量子效率和光提取效率低下等瓶颈，进而器件导致外量子效率难以满足当前的需求。由于AlGaN基DUVLEDTM模式偏振光占主导，而TM模式偏振光的光提取效率不到TE模式的十分之一，严重限制了AlGaN基DUVLED外量子效率的提升空间。研究人员表示通过采用超薄量子阱结构可以有效抑制DUVLED的有源区内TM模式偏振光并使TE模式偏振光占主导，从而提高器件光提取效率，进而提高器件外量子效率[KangkaiTian,ChunshuangChuetal.InterplaybetweenvariousactiveregionsandtheinterbandtransitionforAlGaN-baseddeep-ultravioletlight-emittingdiodestoenableareducedTM-polarizedemission,J.Appl.Phys.126,245702(2019)]，但是，由于电子相对于空穴具有更小的有效质量和更高的迁移率，使得电子在注入有源区的过程中拥有更高的能量，从而难以被量子阱所捕获。而这大大降低了量子阱内电子浓度，从而降低了器件内量子效率，所以若单独用超薄阱结构，由于有源区范围被缩减，则将近一步影响有源区量子阱对电子的捕获效率，降低内量子效率，从而限制器件外量子效率的提高效果。本课题组已经获得的专利号为CN108538982A的中国专利公开了一种发光二极管外延结构，该结构在N-型电子传输层和N-欧姆电极之间插入一层绝缘层形成金属-绝缘层-半导体(MIS)结构来降低肖特基势垒，提高电子注入效率。但此方法只是对注入电子数量的提高，并未提高量子阱电子捕获能力，效果有限。因此要进一步提高器件外量子效率，不管是对于标准深紫外发光二极管来说，或者是对于采用超薄阱结构或MIS结构的深紫外发光二极管而言，要保证器件性能提高的效果，提高量子阱对电子的捕获能力都十分重要。本课题组已经获得的专利号为CN105895765A的中国专利中公开了一种发光二极管外延结构，该结构在N-型电子传输层中插入一层相对介电常数取值为8.5-15.3的电子能量调节层来降低电子能量，提高有源区量子阱对电子的捕获效率，进而提高量子阱内电子浓度。然而上述现有技术涉及不同相对介电常数材料的交替生长，增加了材料生长的难度，而且相对介电常数的调整能力较为有限。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种具有电子注入层的深紫外发光二极管外延结构及其制备方法。该结构通过在N型电子传输层和多量子阱层之间引入电子注入层，沿着生长方向递减掺杂浓度来形成耗尽电场，并通过调整电子减速层AlN组分来调节极化电场，使两种电场方向与电子运动方向一致，从而使电子在经过电子注入层后被“减速”，进而降低电子注入有源区时的能量，提高量子阱对电子的捕获能力，从而提高量子阱内电子浓度，提高辐射复合效率，提高器件内量子效率。本专利技术所采用的技术方案是：一种具有电子注入层的深紫外发光二极管外延结构，包括衬底101，缓冲层102，N-型半导体传输层103，电子注入层104，多量子阱层105，P-型电流阻挡层106，P-型半导体传输层107，P-型重掺杂半导体传输层108。进一步的，所述电子注入层104材质为Alx1Ga1-x1N,其中，0≤x1≤1,0≤1-x1≤1，式中x1在0≤x1≤1范围内沿着[0001]([000-1])方向呈连续或阶梯性线性递减(递增)、非线性递减(递增)或线性与非线性二者结合递减(递增)。进一步的，所述衬底101为蓝宝石、SiC、Si、AlN、GaN或石英玻璃的其中一种；衬底沿着外延生长方向的不同可以分成极性面[0001]衬底或负极性面[000-1]衬底。进一步的，所述缓冲层102的材质是Alx2Ga1-x2N；其中，0≤x2≤1,0≤1-x2≤1，厚度为10～50nm。进一步的，所述电子减速层的厚度为0.01～1μm,掺杂浓度相较于N-型半导体传输层103掺杂浓度沿着生长方向呈连续或阶梯性线性递减、非线性递减或线性与非线性二者结合递减，n型杂质掺杂浓度为1e17～1e19cm-3；N-型半导体传输层103的材质为Alx3Ga1-x3N；其中，0≤x3≤1,0≤1-x3≤1，厚度为1～5μm；暴露部分的面积占总N-型半导体传输层面积的比例为5％～90％，厚度范围1～5μm。进一步的，所述多量子阱层105材质为Alx4Ga1-x4N/Alx5Ga1-x5N；其中，0≤x4≤1,0≤1-x4≤1，0≤x5≤1,0≤1-x5≤1，量子垒的禁带宽度应高于量子阱的禁带宽度，量子阱的个数大于等于1；量子阱Alx4Ga1-x4N厚度为0.5～5nm，量子垒Alx5Ga1-x5N厚度为3～50nm。进一步的，所述其特征为所述P-型电流阻挡层(6)的材质为Alx6Ga1-x6N；其中，0≤x6≤1,0≤1-x6≤1，厚度为10～100nm。进一步的，所述P-型半导体传输层107的材质为Alx7Ga1-x7N；其中，0≤x7≤1,0≤1-x7≤1，厚度为50～250nm。进一步的，所述P-型重掺杂半导体传输层108的材质为Alx8Ga1-x8N；其中，0≤x8≤1,0≤1-x8≤1，材料掺杂为P型重掺杂，厚度为10～50nm。一种具有电子注入层的深紫外发光二极管外延结构的制备方法，包括如下步骤：第一步，在MOCVD(即金属有机化合物化学气相沉淀)或者MBE(分子束外延)反应炉中，将衬底在950℃～1400℃进行环境下进行烘烤，以去除衬底表面异物；第二步，在MOCVD或者MBE反应炉中，在第一步处理后的衬底表面上外延生长GaN、AlN、AlGaN或超晶格作为缓冲层，其厚度为10～50nm；第三步，在MOCVD或者MBE反应炉中，在第二步得到的缓冲层上外延生长N-型半导体传输层，其厚度为1～5μm；第四步，在MOCVD或者MBE反应炉中，在第三步得到的N-型半导体传输层上外延生长电子注入层，所述电子注入层材质为Alx1Ga1-x1N,其中，0≤x1≤1,0≤1-x1≤1，式中x1在0≤x1≤1范围内沿着[0001]([000-1])方向呈连续或阶梯性线性递减(递增)、非线性递减(递增)或线性与非线性二者结合递减(递增)，厚度为0.01～1μm，掺杂浓度相较于N-型半导体传输层掺杂浓度沿着生长方向呈连续或阶梯性线性递减、非本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有电子注入层的深紫外发光二极管外延结构，其特征在于：包括衬底(101)，缓冲层(102)，N-型半导体传输层(103)，电子注入层(104)，多量子阱层(105)，P-型电流阻挡层(106)，P-型半导体传输层(107)，P-型重掺杂半导体传输层(108)。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有电子注入层的深紫外发光二极管外延结构，其特征在于：包括衬底(101)，缓冲层(102)，N-型半导体传输层(103)，电子注入层(104)，多量子阱层(105)，P-型电流阻挡层(106)，P-型半导体传输层(107)，P-型重掺杂半导体传输层(108)。


2.根据权利要求1所述的一种具有电子注入层的深紫外发光二极管外延结构，其特征在于：电子注入层(104)材质为Alx1Ga1-x1N,其中，0≤x1≤1,0≤1-x1≤1，式中x1在0≤x1≤1范围内沿着[0001]([000-1])方向呈连续或阶梯性线性递减(递增)、非线性递减(递增)或线性与非线性二者结合递减(递增)。


3.根据权利要求1-2所述的一种具有电子注入层的深紫外发光二极管外延结构，其特征在于：衬底(101)为蓝宝石、SiC、Si、AlN、GaN或石英玻璃的其中一种；衬底沿着外延生长方向的不同可以分成极性面[0001]衬底或负极性面[000-1]衬底。


4.根据权利要求1-3所述的一种具有电子注入层的深紫外发光二极管外延结构，其特征在于：缓冲层(102)的材质是Alx2Ga1-x2N；其中，0≤x2≤1,0≤1-x2≤1，厚度为10～50nm。


5.根据权利要求1-4所述的一种具有电子注入层的深紫外发光二极管外延结构，其特征在于：电子减速层的厚度为0.01～1μm,掺杂浓度相较于N-型半导体传输层(103)掺杂浓度沿着生长方向呈连续或阶梯性线性递减、非线性递减或线性与非线性二者结合递减，n型杂质掺杂浓度为1e17～1e19cm-3；N-型半导体传输层(103)的材质为Alx3Ga1-x3N；其中，0≤x3≤1,0≤1-x3≤1，厚度为1～5μm；暴露部分的面积占总N-型半导体传输层面积的比例为5％～90％，厚度范围1～5μm。


6.根据权利要求1-5所述的一种具有电子注入层的深紫外发光二极管外延结构，其特征在于：多量子阱层(105)材质为Alx4Ga1-x4N/Alx5Ga1-x5N；其中，0≤x4≤1,0≤1-x4≤1，0≤x5≤1,0≤1-x5≤1，量子垒的禁带宽度应高于量子阱的禁带宽度，量子阱的个数大于等于1；量子阱Alx4Ga1-x4N厚度为0.5～5nm，量子垒Alx5Ga1-x5N厚度为3～50nm。


7.根据权利要求1-6所述的一种具有电子注入层的深紫外发光二极管外延结构，其特征在于：其特征为所述P-型电流阻挡层(6)的材...

【专利技术属性】
技术研发人员：寇建权，
申请(专利权)人：天津赛米卡尔科技有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12