一种半导体紫外光源器件制造技术

本发明专利技术提出一种半导体固态紫外光源器件，所述器件的外延结构中量子阱和量子垒在外延生长方向上存在组份梯度，量子阱和量子垒在外延生长方向上的组份梯度方向相反。本发明专利技术通过调整利用AlInGaN材料Al组份的变化来调节异质结构如多量子阱的能带结构，减少量子垒、阱的能带边倾斜，减少电子、空穴注入势垒，降低紫外LED的正向工作电压，提高量子阱的发光效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体器件领域，特别涉及一种半导体固态紫外光源器件的外延结构。
技术介绍
III族氮化物AlInGaN材料的能带宽度从0.7 eV到6.2 eV连续可调，是制作半导体固态紫外发光二极管(LED)主要材料体系。AlInGaN半导体紫外LED较传统紫外线光源有着无公害、体积小、寿命长、效率高、反应快、波长可调、光功率密度大、应用产品设计灵活等多方优点，故其在多种场合逐渐发挥着重要角色。高功率365 nm LED可望取代高压汞灯(12线，365 nm)成为下一代高效紫外固化光源；高功率深紫外LED (波长〈290 nm)则肯定会取代低压汞灯(253.7 nm线)成为下一代紫外消毒的主要光源；其它波段的紫外LED也都在特定的应用场合有着显著的应用前景，如:297 nm紫外LED能增加人体维生素D3的合成和钙的吸收，311 nm紫外LED可以在医疗上如皮肤病治疗中有着广泛应用。目前的紫外LED (峰值波长Xp〈350 nm)的外延结构基本都是基于Zhang等人的设计:先是在蓝宝石上外延一高质量的AlN基底，然后是一套AlN/AlGaN超晶格以进一步降低AlN基底材料中的穿透位错密度和预备应力过度到随后的厚膜N-型AlGaN电子提供层，其后是AlGaN/AlGaN多量子阱(MQW)发光区，随后是p-型AlGaN电子阻挡层和p_型GaN欧姆电极接触层。自深紫外LED问世以来，提高其发光效率(外量子效率EQE和电光转换效率WPE) —直是该领域的研究要点。深紫外LED的外量子效率EQE主要取决于其内量子效率IQE和光萃取效率LEE，光电转换效率WPE则进一步取决于紫外LED的工作电压Vf。现有技术中紫外LED的外延一般是沿着c方向()进行。AlInGaN材料在c方向上存在着最大的自极化和压电极化现 象，因此，c平面异质界面存在大量的界面电荷，面密度可以超过IO1Vcm2，产生超过I MV/cm的极化电场强度，严重改变异质结的能带结构。图1示出的是一现有紫外LED量子阱的能带结构图，其阱、垒Al组份都是均匀分布，上图为导带，下图为价带。为了简化起见，所示的只是一个量子阱包裹在两个量子垒中间。实际的紫外LED发光区可以包含多个类似的量子阱，得到多量子阱发光区。图1中还显示了两个异质界面，位于量子阱以下(图中为左)的异质界面SI和位于量子阱以上(图中为右)异质界面S2。导带和在导带中输运的电子及价带和在价带中输运的空穴也示意在图1中，且假设了电子从量子阱左边注入，空穴从量子阱右边注入，注入的电子和空穴被限制在量子阱中最终通过辐射复合而发出所需要的紫外光。由于AlInGaN材料在c方向具有极化特性，且极化强度在异质界面处不连续，因此c平面异质界面上有着过剩的空间电荷分布。具体到图1所示的量子阱来说，在异质界面SI上有着不可移动的负电荷，在异质界面S2上有着不可移动的正电荷(都未在图中显示)。这两处极化电荷在量子阱中形成偶极电场Ea ew，方向从右指向左(-C方向)。考虑到多量子阱的情形，同理，在量子垒的两个终端界面也存在极化电荷，导致极化电场Ea Q8，方向从左指向右(c方向)。在量子阱、垒中不同方向的极化电场导致了阱、垒能带边的不同方向的倾斜。在图1中，极化电场导致垒的能带边沿着c方向递增，阱的能带边沿着C方向递减。垒中的极化电场阻碍了电子和空穴向量子阱的注入，使得LED的工作电压升高。阱中的极化电场导致注入阱中的电子和空穴在空间上分离，导致发光效率下降波长红移。这些都是现有紫外LED的缺点。从以上分析可以看出:提高内量子效率IQE可以从降低材料缺陷密度和提高LED器件外延结构两方面着手。基于此，从提闻内量子效率IQE考虑提出一种发光效率闻的半导体紫外光源器件则成为本专利技术所面临的课题。
技术实现思路
本专利技术针对现有LED发光效率低的问题，提出一种半导体紫外光源器件，其采用如下技术方案予以实现: 一种半导体固态紫外光源器件，所述器件的外延结构包括:至少一个N-型层、至少一个P-型层和至少一个发光区，所述发光区在所述N-型层和所述P-型层之间且包含至少一个量子阱，所述量子阱至少被量子垒所包裹，其中，所述量子阱和所述量子垒在外延生长方向上存在组份梯度，所述量子阱和所述量子垒在外延生长方向上的组份梯度方向相反。进一步地,所述量子讲和所述量子鱼含有1%_90%的Al组份。进一步地，所述 量子阱含有1%_60%的Al组份，所述量子垒含有5%_85%的Al组份。进一步地，所述量子阱、量子垒组份梯度是线性渐变的、陡变的或阶梯状变化的。进一步地，所述量子阱含的Al组份沿外延生长方向增加，所述量子垒的Al组份沿外延生长方向减少。进一步地，所述量子阱含的铝组份沿外延生长方向线性增加，梯度范围在0.6%/纳米至12%/纳米，所述量子垒的铝组份沿外延生长方向线性减少，梯度范围在-0.1%/纳米至-2%/纳米。进一步地，所述量子垒中施主浓度沿外延生长方向上增加。进一步地，所述量子垒中施主浓度沿外延生长方向上具有IO17 cm_3/nm至IO18cnT3/nm的浓度梯度。进一步地，所述量子阱中施主浓度沿外延生长方向上减少。进一步地，所述量子阱中的施主浓度沿外延生长方向上具有-2X IO18 Cm_3/nm至-2X1017 CnT3Aim的浓度梯度。所述量子垒中或量子阱中施主浓度在外延生长方向上的变化是线性渐变的，非线性渐变的，或者阶梯变化的。进一步地，所述N-型层的铝组份大于或等于所述量子垒的铝组份。进一步地，所述N-型层的铝组份是所述量子垒的铝组份的1.1倍至1.2倍。进一步地，所述器件外延材料为纤锌矿结构的三族氮化物。进一步地，所述器件外延结构的主要外延生长面为(0001)面。与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果是如下: 本专利技术利用AlInGaN材料Al (铝)组份的变化来调节异质结构如多量子阱的能带结构，减少量子垒、阱的能带边的倾斜，减少电子、空穴注入势垒，降低紫外LED的正向工作电压，提高量子阱的发光效率。Al组份的增减能导致AlInGaN材料禁带宽带的增减，具体地，Al组份增加，能导致图1示意的导带边向上移动，价带边向下移动；A1组份减少，能导致图1示意的导带边向下移动，价带边向上移动。由此，通过Al组份的适当梯度变化，可以减缓或消除极化电场对能带边的倾斜作用，从而降低了材料缺陷密度和极化电场对电子、空穴的影响，提高内量子效率IQE。结合附图阅读本专利技术的具体实施方式后，本专利技术的其他特点和优点将变得更加清附图说明图1为现有紫外LED量子阱/垒的能带结构示意 图2-1本专利技术实施例一、二紫外LED实施例中发光区量子阱/垒的Al组份变化示意 图2-2为本专利技术实施例三紫外LED实施例中发光区量子阱/垒的Al组份变化示意图；图2-3为本专利技术实施例四紫外LED实施例中发光区量子阱/垒的Al组份和掺杂施主浓度变化示意 图3为按照本专利技术实施例一制作的280 nm LED的外量子效率实验数据和模拟曲线及拟合得到的内量子效率曲线； 图4为示意了本专利技术实施例一紫外LED外延层状结构示意图。具体实施例方式本专利技术实现思想如下:AlInGaN紫外LED包含很多异质界面，在异质界面处，III族元素组份发生突变，导致很多材料、物理参数如晶格本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体固态紫外光源器件，所述器件的外延结构包括：至少一N?型层、至少一P?型层和至少一发光区，所述发光区在所述N?型层和所述P?型层之间且包含至少一个量子阱，所述量子阱至少被量子垒所包裹，其特征在于：所述量子阱和所述量子垒在外延生长方向上存在组份梯度，所述量子阱和所述量子垒在外延生长方向上的组份梯度方向相反。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张剑平，高英，
申请(专利权)人：青岛杰生电气有限公司，
类型：发明
国别省市：