一种AlGaN基深紫外发光二极管器件结构及其制备方法技术

本发明专利技术涉及化合物半导体光电子器件领域，尤其涉及一种高性能AlGaN基深紫外发光二极管器件(LED)的器件结构及其制备方法。本发明专利技术所述的AlGaN基深紫外发光二极管器件结构具有V形立体p

【技术实现步骤摘要】
一种AlGaN基深紫外发光二极管器件结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及化合物半导体光电子器件领域，尤其涉及一种高性能AlGaN基深紫外发光二极管器件(LED)的器件结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，AlGaN基深紫外(DUV)发光器件，如发光二极管(LED)因其在医疗、杀菌、数据存储、探测以及保密通讯等方面的巨大应用需求，逐渐引起了人们的重视，而提高AlGaN基深紫外LED的器件性能也因此成为十分重要的工作。
[0003]一般而言，深紫外LED的光输出功率主要由外量子效率(EQE)决定，而外量子效率可以表述为载流子注入效率、内量子效率和光提取效率的乘积，因此提高载流子注入效率是有效提高深紫外LED的光输出功率的核心环节。同时，在LED结构中，随着LED光输出功率要求的提高，工作电流密度相应的增加，由俄歇复合和载流子泄露效应产生的Droop效应会严重的影响LED的载流子注入效率，从而进一步影响光输出功率。因此，发展一种能够有效提高载流子注入效率的方法对提高深紫外LED的性能，尤其是在大电流注入下的性能改善极为重要。
[0004]针对这一问题，目前国际上提出通过对电子阻挡层(EBL)进行结构设计，利用极化效应进行能带结构调制，以期增加空穴的注入效率，同时减少电子泄露造成的Droop效应影响。然而，由于空穴和电子有效质量的差异，空穴和电子在AlGaN材料中的迁移能力有着很大的差别，空穴的迁移率远小于电子；同时，在高Al组分的AlGaN材料中，p
‑
AlGaN的空穴激活能很高，因此p
‑
AlGaN中的空穴浓度往往远小于n
‑
AlGaN中的电子浓度。
[0005]可见，由于上述因素的影响，即使通过结构设计提高空穴注入效率，然而多量子阱中的空穴分布仍然十分不均匀，一般只有靠近p
‑
AlGaN区的一到两对量子阱辐射发光强度较高，而靠近n
‑
AlGaN区域量子阱的发光强度则较弱。特别是在大电流注入下，由于这种不均匀的空穴分布导致大量电子来不及在量子阱中复合而是泄露到p型层中；而且大电流注入下的俄歇复合现象较为严重，从而导致载流子注入效率处于比较低的水平。
[0006]基于上述分析可知，有必要发展能有效地向多量子阱中较为均匀注入空穴的结构，从而提高深紫外LED的注入效率。

技术实现思路

[0007]本专利技术提出一种新的AlGaN基深紫外(DUV)发光器件结构，其可有效解决深紫外LED结构的载流子注入效率低、注入不均匀及大电流下Droop效应的问题。
[0008]本专利技术所述的AlGaN基深紫外发光二极管器件结构具有V形立体p
‑
n结注入结构。利用该V形立体p
‑
n结注入结构可以实现载流子的侧壁注入，从而使载流子可以较均匀的横向注入到各个量子阱中，进而显著提高载流子注入效率，并避免Droop效应的影响。
[0009]进一步地，所述V形立体p
‑
n结注入结构是通过在AlGaN基量子阱部分的V形腐蚀坑的侧壁的半极性面上进一步形成AlGaN电子阻挡层(EBL)、p
‑
AlGaN和p
‑
GaN接触层而形成
的。
[0010]本专利技术通过在AlGaN基量子阱结构中人为的引入大量V形腐蚀坑(V
‑
pit)，并通过其侧壁制备立体的p
‑
n结注入结构，从而有效的提高空穴注入效率，能有效解决一般在(0001)面蓝宝石衬底上生长的AlGaN基深紫外LED中，空穴只能沿着[000
‑
1]方向注入时，电子、空穴在量子阱发光有源区分布不均匀和大电流条件下Droop效应的问题，从而大幅提高AlGaN深紫外LED的器件性能。
[0011]进一步地，所述V形腐蚀坑的密度在1
×
107‑6×
108cm
‑2之间；所述V形腐蚀坑的深度小于AlGaN基量子阱的总厚度。Al
x
Ga1‑
x
N/Al
y
Ga1‑
y
N量子阱对应的总厚度范围为30
‑
300nm，周期数4
‑
25对为宜。通过控制V形腐蚀坑(V
‑
pit)的密度和深度，以与AlGaN基量子阱的周期数和总厚度相匹配，从而最大程度的实现空穴通过V形腐蚀坑的侧壁注入，以提升空穴载流子的注入效率。
[0012]更进一步地，所述V形腐蚀坑是利用AlGaN基量子阱中有位错处与无位错处区域之间的应力差异，通过对有位错区域腐蚀而形成的。
[0013]具体地，可通过控制腐蚀条件以调整V形腐蚀坑(V
‑
pit)的密度和尺寸。V形腐蚀坑的密度与腐蚀条件、位错密度相关；而V形腐蚀坑的深度可以通过腐蚀时间和温度进行调整。
[0014]所述腐蚀的方法包括：湿法腐蚀(如热磷酸和热硫酸混合液，熔融KOH湿法腐蚀)或者气态腐蚀(如高温HCl气体腐蚀等)。优选湿法腐蚀，其对AlGaN基量子阱表面损伤较小，容易进行再生长。
[0015]更进一步地，在形成AlGaN电子阻挡层之前，利用MOCVD使所得具有V形腐蚀坑的AlGaN基量子阱在氢气氛围下进行热处理实现再生长。在这一过程中，须控制氢气吹扫时间和氢气吹扫温度，将腐蚀之后量子阱表面形成的氧化物等沾污物通过表面的脱附物理过程清理干净，从而消除可能形成的表面缺陷态(界面态)的影响(如形成表面复合中心等)，进而保证再生长之后的p型结构层可以有效地通过V形腐蚀坑的侧壁向量子阱中高效注入空穴。
[0016]本专利技术还提供上述AlGaN基深紫外发光二极管器件结构的制备方法，包括：
[0017]形成AlGaN基量子阱；
[0018]通过腐蚀在所得AlGaN基量子阱中形成V形腐蚀坑；
[0019]通过在所得V形腐蚀坑的侧壁的半极性面上生长AlGaN电子阻挡层(EBL)、p
‑
AlGaN和p
‑
GaN接触层，形成立体p
‑
n结注入结构。
[0020]作为本专利技术的具体实施方式之一，以Al
x
Ga1‑
x
N/Al
y
Ga1‑
y
N量子阱器件为例，所述制备方法包括如下步骤：
[0021]步骤(1)：在AlN模板上生长i
‑
AlGaN和n
‑
AlGaN层，再进一步生长得到Al
x
Ga1‑
x
N/Al
y
Ga1‑
y
N量子阱；
[0022]步骤(2)：借助位错应力场的选择性，通过湿法腐蚀在Al
x
Ga1‑
x
N/Al
y
Ga1‑
y
N量子阱中形成V形腐蚀坑；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种AlGaN基深紫外发光二极管器件结构，其特征在于，具有V形立体p
‑
n结注入结构。2.根据权利要求1所述的AlGaN基深紫外发光二极管器件结构，其特征在于，所述V形立体p
‑
n结注入结构是通过在AlGaN基量子阱中V形腐蚀坑的侧壁的半极性面上进一步形成AlGaN电子阻挡层、p
‑
AlGaN和p
‑
GaN接触层而形成的。3.根据权利要求2所述的AlGaN基深紫外发光二极管器件结构，其特征在于，所述V形腐蚀坑的密度在1
×
107‑6×
108cm
‑2之间；所述V形腐蚀坑的深度小于AlGaN基量子阱的总厚度。4.根据权利要求3所述的AlGaN基深紫外发光二极管器件结构，其特征在于，所述V形腐蚀坑是利用AlGaN基量子阱中有位错处与无位错处区域之间的应力差异，通过对有位错区域腐蚀而形成的。5.根据权利要求4所述的AlGaN基深紫外发光二极管器件结构，其特征在于，所述腐蚀的方法包括湿法腐蚀或者气态腐蚀；优选湿法腐蚀。6.根据权利要求2
‑
5任一项所述的AlGaN基深紫外发光二极管器件结构，其特征在于，在形成所述AlGaN电子阻挡层之前，利用MOCVD使所得具有V形腐蚀坑的AlGaN基量子阱在氢气氛围下进行热处理再生长。7.一种AlGaN基深紫外发光二极管器件结构的制备方法，其特征在于，包括：形成AlGaN基量子阱；通过腐蚀在所得AlGaN基量子阱中形成V形腐蚀坑；通过在所得V形腐蚀坑的侧壁的半极性面上生长AlGaN电子阻挡层、p
‑
AlGaN和p
‑
GaN接触层，形成立体p
‑
n结注入结构。8.根据权利要求7所述的AlGaN基深紫外发光二极管器件结构的制备方法，其特征在于，包括：步骤(1)：在AlN模板上生长i
‑
AlGaN和n
‑
AlGaN层，再进一步生长得到Al
x
Ga1‑
x
N/Al
...

【专利技术属性】
技术研发人员：许福军，沈波，王嘉铭，郎婧，康香宁，秦志新，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：