一种AlGaN基深紫外发光二极管及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种AlGaN基深紫外发光二极管及其制备方法，属于半导体光电二极管技术领域，从下至上依次包括衬底、缓冲层、n型半导体电子注入层、多量子阱有源层、p型电子阻挡层、界面势垒调控层、p型半导体空穴注入层、p型接触层、p型电极、n型电极。本发明专利技术电子阻挡层/调控层界面以及调控层/空穴注入层界面间会产生负极化诱导电荷，吸引空穴聚集，使得电子阻挡层与空穴注入层之间形成“M”状的空穴聚集区。同时，调控层能够减小电子阻挡层和空穴注入层之间的价带偏移使得两者间的界面势垒高度降低，让更多的载流子能够翻越电子阻挡层进入有源区，解决了因电子阻挡层和空穴注入层界面势垒所带来的DUV LED的载流子注入不足的问题。LED的载流子注入不足的问题。LED的载流子注入不足的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种AlGaN基深紫外发光二极管及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种AlGaN基深紫外发光二极管及其制备方法，属于半导体光电二极管


技术介绍

[0002]与传统汞灯的深紫外光源相比，AlGaN基深紫外发光二极管(DUV LEDs)凭借着更小体积、更高可靠性以及更快响应速度等特点成为了下一代光源的有力候选者。面对其在农业、医疗、交通、探测和保密通讯的巨大应用需求，AlGaN基深紫外LED的器件性能提升工作也因此受到了人们的高度重视。
[0003]目前AlGaN基深紫外LED的外量子效率很低(小于10％)同时伴随着严重的效率下降等问题，是其全面取代传统紫外汞灯以及实现高市场渗透率所面临的主要挑战之一。外量子效率通常与载流子注入效率和光提取率有关，因此提高载流子注入效率是提高LED外量子效率的有效途径之一。但随着LED工作电流密度的提高，载流子泄露引起的效率droop效应也降低了载流子的注入效率。究其原因，主要是电子和空穴的有效质量相差较大，电子的迁移率远大于空穴的迁移率，同时p
‑
AlGaN层中较大的空穴激活能，使得空穴注入层中有效空穴载流子浓度较低。电子和空穴间的输运不平衡容易导致电子泄露到p型层中，造成了载流子注入效率的下降。为了抑制电子泄露，通常会在有源区和空穴注入层间引入高Al组分的p
‑
AlGaN作为电子阻挡层(EBL)，但由于EBL的价带与空穴注入层的价带之间偏移量较大，易形成阻碍空穴注入的界面势垒，该势垒限制了AlGaN基深紫外LED外量子效率的提高。并且，空穴翻越EBL注入有源区后，动能会发生改变，动能的改变量和EBL与空穴注入层的界面势垒高度有关。当界面势垒高度过大时，即使空穴能够翻越EBL，也会损失大量动能，导致跨过EBL势垒的这些空穴聚集在靠近p型区的量子阱中，造成了有源区中载流子分布不均，使得LED光输出功率的降低。以上因素会对AlGaN基DUV LED的载流子注入效率产生负面影响，限制了AlGaN基DUV LED外量子效率和光功率的提高。
[0004]公开号为CN115148872的中国专利文件提供了一种深紫外LED外延结构，该结构通过在多量子阱有源层与空穴注入层之间引入一个复合电子阻挡层结构。沿生长方向，该复合电子阻挡层包括AlGaN层、多对InGaN/AlGaN层和AlGaN层。该复合电子阻挡层能够减小最后一层势垒和电子阻挡层之间的极化电场，实现了对电子的高效阻挡的同时也提高了空穴的注入效率；同时还能在InGaN/AlGaN层中实现溢流电子与空穴的辐射复合，有效减小了电子溢流导致的空穴注入效率低的问题。但是该结构的外延工艺复杂，需要引入额外前驱物，且为未解决因电子阻挡层/空穴注入层界面较大能带偏移引起的空穴注入问题。
[0005]公开号CN105870238B的中国专利提供了一种由金属极性面p型电子阻挡层和氮极性面p型电子阻挡层构成的复合极性面p型电子阻挡层的深紫外LED，接着又在复合极性面两侧分别引入金属极性面p型AlGaN层和氮极性面p型GaN层。该复合极性面电子阻挡层一方面能在导带形成较高的电子势垒，有效减小漏电流；另一方面其中氮极性面p型氮化物层的价带相对平坦，减弱了因金属极性面p型电子阻挡层带来的空穴注入效率低的问题，提高了
LED的发光效率。同时引入的金属极性面p型AlGaN层能够缓解电子阻挡层与有源区间的晶格失配以及强极化电场的影响。但是，由于氮极性面p型电子层/氮极性面p型GaN层界面诱导产生的正极化电荷会阻碍空穴的注入，造成LED的效率下降。另外，氮极性面AlGaN层生长工艺也较为复杂，难以实现具有高晶体质量的外延结构。
[0006]基于上述分析，有必要设计能有效调控EBL和空穴注入层间的界面势垒高度的结构，该结构能够解决深紫外LED载流子注入效率低以及效率下降严重的问题，为实现深紫外LED产业化提供更多可能性。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种AlGaN基深紫外发光二极管器件结构及制备方法。本专利技术提出在深紫外发光二极管的电子阻挡层(EBL)和空穴注入层之间引入一个界面势垒调控层,该层的Al组分界于电子阻挡层和空穴注入层的Al组分之间。电子阻挡层/调控层界面以及调控层/空穴注入层界面间会产生负极化诱导电荷，吸引空穴聚集，使得电子阻挡层与空穴注入层之间形成“M”状的空穴聚集区。同时，调控层能够减小电子阻挡层和空穴注入层之间的价带偏移使得两者间的界面势垒高度降低，让更多的载流子能够翻越电子阻挡层进入有源区，解决了因电子阻挡层和空穴注入层界面势垒所带来的DUV LED的载流子注入不足的问题；同时电子阻挡层与空穴注入层之间的界面势垒高度减小，空穴翻越电子阻挡层后的动能的损失量减小，解决了载流子分布不均匀的问题，改善了高工作电流密度下的效率droop效应，从而提高了AlGaN基DUV LED的外量子效率和发光效率。
[0008]本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种AlGaN基深紫外发光二极管，从下至上依次包括衬底、缓冲层、n型半导体电子注入层，n型半导体电子注入层一侧上方依次包括多量子阱有源层、p型电子阻挡层、界面势垒调控层、p型半导体空穴注入层、p型接触层、p型电极，n型半导体电子注入层另一侧上方设有n型电极。
[0010]优选的，所述衬底的材质为蓝宝石、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)或硅(Si)中的一种，并且极性衬底可以沿着外延生长方向的不同分为极性面、半极性面、以及非极性面衬底，从而影响发光二极管外延层的生长方向。
[0011]优选的，缓冲层的材质为Al
x1
Ga1‑
x1
N，其中,0≤x1≤1，0≤1
‑
x1≤1。
[0012]优选的，所述n型半导体电子注入层的材质为n
‑
Al
x2
Ga1‑
x2
N，其中n
‑
Al
x2
Ga1‑
x2
N的Al组分x2的取值范围为0≤x2≤1，0≤1
‑
x2≤1。
[0013]优选的，多量子阱有源区为交替生长Al
x3
Ga1‑
x3
N势垒层和Al
x4
Ga1‑
x4
N势阱层，进一步优选的，势垒层中Al组分x3大于势阱层中Al组分x4。
[0014]优选的，p型电子阻挡层的材质为Al
x5
Ga1‑
x5
N，其中0≤x5≤1，0≤1
‑
x5≤1。
[0015]优选的，p型半导体空穴注入层的材质为Al
x7
Ga1‑
x7
N，其中，0≤x7≤1，0≤1
‑
x7≤1。
[0016]进一步优选的，界面势垒调控层的材质为AlGaN，结构为单层Alx6Ga1
‑
x6N层或交替层叠设置的超晶格层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种AlGaN基深紫外发光二极管，其特征在于，从下至上依次包括衬底、缓冲层、n型半导体电子注入层，n型半导体电子注入层一侧上方依次包括多量子阱有源层、p型电子阻挡层、界面势垒调控层、p型半导体空穴注入层、p型接触层、p型电极，n型半导体电子注入层另一侧上方设有n型电极。2.根据权利要求1所述的AlGaN基深紫外发光二极管，其特征在于，所述AlGaN基深紫外发光二极管包括以下方案之一：Ⅰ、所述衬底的材质为蓝宝石、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)或硅(Si)中的一种；Ⅱ、缓冲层的材质为Al
x1
Ga1‑
x1
N，其中，0≤x1≤1，0≤1
‑
x1≤1；Ⅲ、所述n型半导体电子注入层的材质为n
‑
Al
x2
Ga1‑
x2
N，其中n
‑
Al
x2
Ga1‑
x2
N的Al组分x2的取值范围为0≤x2≤1，0≤1
‑
x2≤1；Ⅳ、多量子阱有源区为交替生长Al
x3
Ga1‑
x3
N势垒层和Al
x4
Ga1‑
x4
N势阱层，进一步优选的，势垒层中Al组分x3大于势阱层中Al组分x4。3.根据权利要求1所述的AlGaN基深紫外发光二极管，其特征在于，p型电子阻挡层的材质为Al
x5
Ga1‑
x5
N，其中0≤x5≤1，0≤1
‑
x5≤1。4.根据权利要求3所述的AlGaN基深紫外发光二极管，其特征在于，p型半导体空穴注入层的材质为Al
x7
Ga1‑
x7
N，其中，0≤x7≤1，0≤1
‑
x7≤1。5.根据权利要求4所述的AlGaN基深紫外发光二极管，其特征在于，界面势垒调控层的材质为AlGaN，结构为单层Alx6Ga1
‑
x6N层或交替层叠设置的超晶格层；当调控层为单层Al
x6
Ga1‑
x6
N层时，其中x7≤x6≤x5，1
‑
x5≤1
‑
x6≤1
‑
x7，厚度为1～5nm；当调控层为交替层叠设置的超晶格层时，所述超晶格层包括依次交替层叠设置的Al
x6a
Ga1‑
x6a
N和Al
x6b
Ga1‑
x6b
N层，其中x7≤x
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘超，田文韬，
申请(专利权)人：山东大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：