一种深紫外发光二极管结构制造技术

本发明专利技术公开了一种深紫外发光二极管结构，针对AlGaN基深紫外发光二极管效率低的空穴注入和严重的电子泄露问题，基于铝镓合金相图对结构的p

【技术实现步骤摘要】
一种深紫外发光二极管结构


[0001]本专利技术涉及一种半导体器件，尤其涉及一种深紫外发光二极管结构。

技术介绍

[0002]AlGaN基紫外发光二极管（UV
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LED）为AlGaN基材料的重要应用之一，其禁带宽度从3.45eV（GaN）到6.28eV（AlN）连续可调，覆盖了整个紫外波段。国际上DUV
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LED（深紫外发光二极管）虽然取得了较大的研究进展，但其广泛的商业应用仍然受到了一定限制，这是由于其较低的外量子效率(EQE)，且其外量子效率显著落后于GaN基蓝色LED，这是因为高Al组分AlGaN薄膜中较高的位错密度、高Al组分AlGaN薄膜的掺杂效率低、电子泄露和量子限制斯达克效应(QCSE)等因素影响了深紫外LED内量子效率。
[0003]随着科研的进步以及GaN基蓝光LED与白光LED已经密不可分的参与了人们的日常生活，人们对深紫外LED的需求以及期望值也越来越高，社会迫切需要一种效率高、寿命长、安全环保的照明及生活器件，因此，提高AlGaN基深紫外发光二极管的量子效率，得到有实际应用价值的AlGaN基深紫外发光二极管极其重要。
[0004]一般来说，效率低的空穴注入和严重的电子泄露是导致内量子效率(IQE)降低的主要因素，这严重限制了光输出功率(LOP)的提升。虽然合理的AlGaN层结构设计可以有效的防止电子逸出到GaN层，但由于AlGaN层和GaN层之间的能带偏移，延缓了空穴的运输，并且LED外延结构的设计对载流子传输和注入AlGaN MQWs（多量子阱）有源区具有重大影响。由于迁移率和电导率不同，电子和空穴之间的浓度差异很大，因此 DUV LED中的电子很容易超过 MQWs有源区并泄漏到p侧。目前，通常采用p
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AlGaN EBL来阻止电子溢出。但是，p
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AlGaN EBL也会降低LED中空穴的注入。为解决此类问题，国内外众多学者提出了例如多层AlGaN层、极化倒置AlGaN层、Al组分梯度变化形等多种改进方案，按照p
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AlGaN EBL结构可以分为：传统单层EBL、复合EBL、线性或阶梯渐变EBL、超晶格EBL和啁啾超晶格EBL。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：针对上述现有技术，提出一种高光源利用率的深紫外发光二极管结构，解决AlGaN基深紫外发光二极管效率低的空穴注入和严重的电子泄露的问题。
[0006]技术方案：一种深紫外发光二极管结构，其特征在于，包括：蓝宝石衬底、未掺杂的AlN层、N型AlGaN层、多量子阱有源区、P型AlGaN的电子阻挡层、p
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AlGaN空穴注入层，以及GaN层；蓝宝石衬底为最底层；未掺杂的AlN层在所述蓝宝石衬底之上；N型AlGaN层在所述未掺杂的AlN层之上；由量子阱层和量子势垒交替堆叠构成的多量子阱有源区在所述N型AlGaN层之上，其中第一层量子阱层在所述N型AlGaN层之上；P型AlGaN的电子阻挡层在所述多量子阱有源区之上；p
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AlGaN空穴注入层在所述P型AlGaN的电子阻挡层之上；GaN层在所述p
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AlGaN空穴注入层之上；所述p
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AlGaN空穴注入层中从上往下，Al组分按照铝镓合金相图中Al在120℃
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20
℃的最大溶解度曲线降低。
[0007]进一步的，所述p
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AlGaN空穴注入层中，最终Al组分降低至40%。
[0008]有益效果：1.基于铝镓合金相图的p
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AlGaN空穴注入层中Al组分递减结构的有效电子势垒为530.72meV，远高于传统结构，另外，有效空穴势垒高度为454.58meV，远小于传统结构。上述结果表明，基于铝镓合金相图的p
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AlGaN空穴注入层中Al组分递减结构可以大大提高电子的约束力以及空穴的注入效率，显著地降低两侧的极化电荷积累，最后一层量子势垒与p
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AlGaN空穴注入层之间向下的能带弯曲受向下的负静电场的影响，会增加电子的有效势垒高度，同时减小空穴的有效势垒高度，这将有助于实现载流子的注入平衡。
[0009]2.具有基于铝镓合金相图的p
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AlGaN空穴注入层中Al组分递减结构的平均空穴浓度是传统结构的4倍以上。这说明基于铝镓合金相图的p
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AlGaN空穴注入层中Al组分递减结构有利于载流子注入效果。
[0010]3.基于铝镓合金相图的p
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AlGaN空穴注入层中Al组分递减结构的辐射复合速率（RRR）比传统结构增加了7.59倍，说明通过基于铝镓合金相图的p
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AlGaN空穴注入层中Al组分递减结构明显促进了辐射复合的效率。
附图说明
[0011]图1为铝镓合金相图；图2为AlGaN基深紫外LED结构示意图；图3为不同样品结构的内量子效率和输出功率；图4为电流密度100A/cm2下，不同样品的能带结构及准费米能级位置，其中图（a）对应样品A，图（b）对应样品B，图（c）对应样品C；图5为电流密度为100A/cm2时，样品A、B、C的近P
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AlGaN区域静电场强度分布；图6为电流密度为100A/cm2时，样品A、B、C的电子浓度与电子泄露情况；图7为电流密度为100A/cm2时，样品A、B、C的空穴浓度分布；图8为电流密度为100A/cm2时，样品A、B、C的有源区辐射复合速率情况。
实施方式
[0012]下面结合附图对本专利技术做更进一步的解释。
[0013]铝镓合金相图是铝
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镓二元合金系统的相图，随着铝含量的不同，铝镓合金中的镓也会出现不同的同素异形体，对铝就有不同的溶解度，其原因是不同的晶格结构及晶格常数。本专利技术在基于铝镓合金相图的特性下，在传统的深紫外LED的结构中改进空穴注入层的结构，设计改进的p
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AlGaN空穴注入层，从结构上改进深紫外LED，使其有更好的空穴注入效率和电子束缚能力。
[0014]一般MOS器件中的热载流子注入 (HCI，hot
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carrier injection)应力温度为120℃，据此温度，在铝镓合金相图上画出120℃等温线，如图1所示，此时Al的最大溶解度为80.4%，因为MOS器件尺寸较小，堆叠层材料组分多样，温度在堆叠方向变化研究困难，在此认为在热载流子注入时，从载流子注入层到最底层的蓝宝石结构温度为线性减少为常温。本专利技术中，为了保证热载流子注入的效率和MOS器件的材料利用率，将铝镓合金相图中120℃至20℃的Al元素最大溶解度曲线作为AlGaN基深紫外发光二极管中p
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AlGaN层Al组分随
（0001）方向上的减少曲线。
[0015]传统的AlGaN基深紫外发光二极管是基于蓝宝石衬底，在（0001）方向上的外延结构，如图2所示，样品A最底层为蓝宝石本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深紫外发光二极管结构，其特征在于，包括：蓝宝石衬底、未掺杂的AlN层、N型AlGaN层、多量子阱有源区、P型AlGaN的电子阻挡层、p
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AlGaN空穴注入层，以及GaN层；蓝宝石衬底为最底层；未掺杂的AlN层在所述蓝宝石衬底之上；N型AlGaN层在所述未掺杂的AlN层之上；由量子阱层和量子势垒交替堆叠构成的多量子阱有源区在所述N型AlGaN层之上，其中第一层量子阱层在所述N型AlGaN层之上；P型AlGaN的电子阻挡层在所述多量子阱有源区之上；...

【专利技术属性】
技术研发人员：田维原，周康，王彬，熊傲然，张永生，
申请(专利权)人：江苏游隼微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：