基于稀土氮化物隧穿结的深紫外Micro-LED外延结构及制备方法技术

本申请公开了基于稀土氮化物隧穿结的深紫外Micro

【技术实现步骤摘要】
基于稀土氮化物隧穿结的深紫外Micro
‑
LED外延结构及制备方法


[0001]本申请涉及半导体器件的
，尤其涉及基于稀土氮化物隧穿结的深紫外Micro
‑
LED外延结构及制备方法。

技术介绍

[0002]基于深紫外线(特别是波长介于280～320nm的UV
‑
C波段)的灭活方法相比于高温和化学灭活方法，具有清洁、无损和高效的特点，可在人流量大的公共场所以及具有潜在传播病毒能力的中央空调通风管等特殊场景进行持续消杀，以保障公共卫生安全。此外，深紫外UV
‑
C由于其特有的日盲和强散射特性，可应用于保密性强的非视距日盲光通信系统。然而，目前主要的深紫外光源为低压、中压汞灯，它们不仅会造成环境污染，并且体积庞大，开关速度缓慢，工作寿命较短，严重背离绿色环保、节能高效的发展理念。深紫外发光二极管(Light Emitting Diodes，LED)具有效率高、能耗低、寿命长、响应速度快等优点，已逐渐发展为替代汞灯的优质深紫外光源。随着半导体材料外延水平和芯片加工工艺的不断进步，单个LED芯片尺寸可以缩小至几十微米甚至几微米，即所谓的Micro
‑
LED。与传统大尺寸(几百微米)LED相比，Micro
‑
LED具有亮度高、色域宽、能耗低、响应速度快等优点，因此深紫外Micro
‑
LED在生物医学、微型显示、日盲光通信等领域具有十分广阔的应用前景。
[0003]随着Micro
‑r/>LED芯片尺寸的不断减小，干法刻蚀工艺带来的芯片侧壁表面损伤问题愈发严重，会导致Micro
‑
LED芯片表面非辐射复合比例上升，辐射复合占比下降，从而导致内量子效率下降。此外，在深紫外Micro
‑
LED中，高Al组分p
‑
AlGaN材料的掺杂效率很低，且室温下的Mg的激活能高达510
‑
600meV，严重制约了载流子由电极注入到器件有源区内部的效率，进一步降低深紫外Micro
‑
LED内量子效率。研究人员发现，如果采用同质隧穿结(例如p
++
‑
GaAs/n
++
‑
GaAs，p
++
‑
GaN/n
++
‑
GaN)，可以提高载流子注入效率，提升芯片的量子效率，但是隧穿结区域的电场强度严重受限于施主和受主的掺杂浓度。之后采用极化隧穿结(例如p
++
‑
GaN/InGaN/n
++
‑
GaN，p
++
‑
GaN/AlN/n
++
‑
GaN)优化提升隧穿结区域载流子隧穿几率，即利用III
‑
V氮化物体系中的自发极化和压电极化来增强隧穿结区的电场强度，但该类结构严重依赖材料的生长极性，且InGaN异质生长难度大，在深紫外波段吸光严重等问题进一步制约该类结构在深紫外Micro
‑
LED中的应用。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本申请提供基于稀土氮化物隧穿结的深紫外Micro
‑
LED外延结构及制备方法，可显著提高深紫外Micro
‑
LED载流子注入效率、内量子效率和光输出功率。
[0005]第一方面，本申请提供一种深紫外Micro
‑
LED外延结构，包括深紫外LED外延层和隧穿结；
[0006]其中，所述隧穿结包括相对于深紫外LED外延层由近至远依次堆叠的p型重掺杂半导体材料层、纳米结构稀土氮化物功能层、n型重掺杂半导体材料层。
[0007]可选地，所述深紫外LED外延层包括相对于衬底由由近至远依次堆叠的成核层、超晶格缓冲层、n型半导体材料层、多量子阱层、p型电子阻挡层、p型半导体材料层。
[0008]可选地，所述衬底为蓝宝石、AlN、Si或SiC；
[0009]优选地，所述成核层为AlN；
[0010]优选地，所述成核层的厚度为2
‑
3μm；
[0011]优选地，所述超晶格缓冲层为AlN/Al
X1
Ga1‑
X1
N，其中，0≤x1≤1，0≤1
‑
x1≤1；
[0012]优选地，所述超晶格缓冲层的厚度为20
‑
40nm；
[0013]优选地，所述n型半导体材料层为Al
X2
Ga1‑
X2
N，其中，0≤x2≤1，0≤1
‑
x2≤1；
[0014]优选地，所述n型半导体材料层的厚度为1
‑
2μm；
[0015]优选地，所述多量子阱层为Al
X3
Ga1‑
x3
N/Al
y1
Ga1‑
y1
N，其中，0≤x3≤1、0≤y1≤1、0≤1
‑
x3≤1、0≤1
‑
y1≤1、x3<y1；
[0016]优选地，所述Al
X3
Ga1‑
x3
N的厚度为1
‑
5nm，所述Al
y1
Ga1‑
y1
N的厚度为8
‑
10nm，量子阱对数大于等于1；
[0017]优选地，所述p型电子阻挡层为Al
X4
Ga1‑
X4
N，其中，0≤x4≤1，0≤1
‑
x4≤1；
[0018]优选地，所述p型电子阻挡层的厚度为20
‑
60nm；
[0019]优选地，所述p型半导体材料层为Al
X5
Ga1‑
X5
N，其中，0≤x5≤1，0≤1
‑
x5≤1；
[0020]优选地，所述p型半导体材料层的厚度为10
‑
50nm。
[0021]可选地，所述p型重掺杂半导体材料层的Al
X6
Ga1‑
X6
N，其中，0≤x6≤1，0≤1
‑
x6≤1。
[0022]可选地，所述x6沿生长方向线性减小。
[0023]可选地，所述p型重掺杂半导体材料层的厚度为10
‑
20nm。
[0024]可选地，所述纳米结构稀土氮化物功能层为氮化钆(GdN)、氮化钐(SmN)、或氮化铕(EuN)。
[0025]可选地，所述纳米结构稀土氮化物功能层的厚度为0.1
‑
0.5nm。
[0026]可选地，所述n型重掺杂半导体材料层为Al
X7
Ga1‑
X7
N，其中，0≤x7≤1，0≤1
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深紫外Micro
‑
LED外延结构，其特征在于，包括深紫外LED外延层和隧穿结；其中，所述隧穿结包括相对于深紫外LED外延层由近至远依次堆叠的p型重掺杂半导体材料层、纳米结构稀土氮化物功能层、n型重掺杂半导体材料层。2.根据权利要求1所述深紫外Micro
‑
LED外延结构，其特征在于，所述深紫外LED外延层包括相对于衬底由由近至远依次堆叠的成核层、超晶格缓冲层、n型半导体材料层、多量子阱层、p型电子阻挡层、p型半导体材料层。3.根据权利要求2所述深紫外Micro
‑
LED外延结构，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、AlN、Si或SiC；优选地，所述成核层为AlN；优选地，所述成核层的厚度为2
‑
3μm；优选地，所述超晶格缓冲层为AlN/Al
X1
Ga1‑
X1
N，其中，0≤x1≤1，0≤1
‑
x1≤1；优选地，所述超晶格缓冲层的厚度为20
‑
40nm；优选地，所述n型半导体材料层为Al
X2
Ga1‑
X2
N，其中，0≤x2≤1，0≤1
‑
x2≤1；优选地，所述n型半导体材料层的厚度为1
‑
2μm；优选地，所述多量子阱层为Al
X3
Ga1‑
x3
N/Al
y1
Ga1‑
y1
N，其中，0≤x3≤1、0≤y1≤1、0≤1
‑
x3≤1、0≤1
‑
y1≤1、x3<y1；优选地，所述Al
X3
Ga1‑
x3
N的厚度为1
‑
5nm，所述Al
y1
Ga1‑
y1
N的厚度为8
‑
10nm，量子阱对数大于等于1；优选地，所述p型电子阻挡层为Al
X4
Ga1‑
X4
N，其中，0≤x4≤1，0≤1
‑
x4≤1；优选地，所述p型电子阻挡层的厚度为20
‑
60nm；优选地，所述p型半导体材料层为Al
X5
Ga1‑
X5
N，其中，0≤x5≤1，0≤1
‑
x5≤1；优选地，所述p型半导体材料层的厚度为10
‑
50nm。4.根据权利要求1所述深紫外Micro<...

【专利技术属性】
技术研发人员：周圣军，张子琦，杜鹏，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：