一種新型AlGaN基紫外發光二極體的製作方法

2023-06-01 10:52:26 1

本發明涉及半導體光電子器件技術領域，具體為一種新型AlGaN基紫外發光二極體。

背景技術：

紫外光波段範圍為100-400nm，與可見光波段相比，紫外光光子能量更高，穿透能力更強，並且對於生物病毒有很強的殺傷力，因而紫外光源在生物化學有害物質檢測、水淨化、高密度存儲和短波長安全通信以及軍事等領域有著重大應用價值。四元化合物AlxInyGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1)的能帶隙範圍為0.7-6.2eV，可通過改變Al和In組分進行連續的調節，使其吸收光譜的波長範圍可以從200nm(深紫外)一直到1770nm(近紅外)，在高亮度藍、綠、紫光發光二極體，藍、紫色雷射器以及抗輻射、耐高溫、大功率微波器件等領域有著廣泛的應用潛力和良好的市場前景。

然而，與GaN基藍光LED相比，在大電流注入條件下，紫外LED發光效率下降明顯，且發光峰值波長往藍光光譜方向移動。造成發光峰值波長藍移的現象是由於隨著注入電流的增大，內部電場因載流子屏蔽作用而逐漸減小導致的。研究結果表明，電子溢出有源區和空穴注入效率低已被證實是導致大電流驅動下效率衰減的關鍵因素。

ZnO是一種直接帶隙寬禁帶半導體材料，其室溫禁帶寬度為3.37eV。ZnO無論在晶格結構、晶胞參數還是在禁帶寬度上都與GaN相似，且具有比GaN更高的熔點和更大的激子束縛能，又具有較低的光致發光和受激輻射的閾值以及良好的機電耦合特性、熱穩定性和化學穩定性。而未摻雜的NiO薄膜材料由於本身存在大量的固有受主缺陷，從而表現為一種典型的p型半導體薄膜材料，室 溫下其禁帶寬度為3.6-4.0eV。另外，NiO薄膜材料具有與GaN相近的晶格常數，極大地減小了材料晶格失配帶來的影響。ZnMgNiO合金的禁帶寬度可以隨著Mg以及Ni組分的不同得到調節。目前還沒有具有p型ZnMgNiO層結構以及p型NiO/AlInGaN超晶格電子阻擋層結構紫外發光二極體及其製備方法的報導。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題在於克服現有技術的缺陷，提供一種新型AlGaN基紫外發光二極體。所述新型AlGaN基紫外發光二極體具有載流子在有源區的複合效率高、減少電子與空穴波函數在空間上的分離，提高載流子的輻射複合效率。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種新型AlGaN基紫外發光二極體，包括管體，所述管體內由下至上依次設有藍寶石襯底、AlN成核層、非摻雜u型Alx1Iny1Ga1-x1-y1N緩衝層、n型Alx2Iny2Ga1-x2-y2N層、Alx3Iny3Ga1-x3-y3N/Alx4Iny4Ga1-x4-y4N量子阱有源區、p型NiO/Alx5Iny5Ga1-x5-y5N超晶格結構電子阻擋層、p型Znz1Mgz2Ni1-z1-z2O層和氧化銦錫透明導電層，在所述氧化銦錫透明導電層上引出p型歐姆電極，在所述n型Alx2Iny2Ga1-x2-y2N層上引出n型歐姆電極。

優選的，所述藍寶石襯底為r面、m面或a面中的任意一種。

優選的，所述AlN成核層的厚度為20～100nm，非摻雜u型Alx1Iny1Ga1-x1-y1N緩衝層和n型Alx2Iny2Ga1-x2-y2N層的厚度均為500～1000nm，Alx3Iny3Ga1-x3-y3N/Alx4Iny4Ga1-x4-y4N量子阱有源區的周期數為10～15對，p型NiO/Alx5Iny5Ga1-x5-y5N超晶格結構電子阻擋層的厚度為20～100nm，p型Znz1Mgz2Ni1-z1-z2O層的厚度為100～250nm。

優選的，所述非摻雜u型Alx1Iny1Ga1-x1-y1N緩衝層中下標x1，y1滿足如下要求： 0≤x1≤1，0≤y1≤0.5。

優選的，所述n型Alx2Iny2Ga1-x2-y2N層中，採用Si進行n型摻雜，其中Si的摻雜濃度介於1×1019～1×1020cm-3。

優選的，所述n型Alx2Iny2Ga1-x2-y2N層中下標x2，y2滿足如下要求：0≤x2≤1，0≤y2≤0.5。

優選的，所述Alx3Iny3Ga1-x3-y3N/Alx4Iny4Ga1-x4-y4N量子阱有源區中下標x3，y3，x4，y4滿足如下要求：0≤x3≤1，0≤y3≤1，0≤x4≤1，0≤y4≤1。

優選的，所述p型NiO/Alx5Iny5Ga1-x5-y5N超晶格結構電子阻擋層將Alx3Iny3Ga1-x3-y3N/Alx4Iny4Ga1-x4-y4N量子阱有源區和p型Znz1Mgz2Ni1-z1-z2O分隔開。

優選的，所述p型NiO/Alx5Iny5Ga1-x5-y5N超晶格結構電子阻擋層中的Alx5Iny5Ga1-x5-y5N層中採用摻雜Mg，其中Mg的摻雜濃度介於1×1018～1×1020cm-3，所述p型NiO/Alx5Iny5Ga1-x5-y5N超晶格結構電子阻擋層中超晶格的重複周期數為5～10對，且下標x5，y5滿足如下要求：0≤x5≤1，0≤y5≤0.2，所述p型Znz1Mgz2Ni1-z1-z2O層中採用摻雜Mg，其中Mg的摻雜濃度介於1×1018～1×1020cm-3。

優選的，所述p型Znz1Mgz2Ni1-z1-z2O層中，下標z1，z2滿足如下要求：0.7≤z1≤0.9，0.1≤z2≤0.3。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明，四元化合物AlInGaN材料的引入，可以使得材料的禁帶寬度以及晶格常數可以獨立調節，從而極大地降低了由於材料晶格失配而導致的極化電場，有效地提高外延層的晶體質量。由於p型NiO/Alx5Iny5Ga1-x5-y5N超晶格結構具有高吸收係數、高橫向載流子遷移率，對載流子具有強的量子限制效應，作為電子阻擋層能夠有效抑制電子溢出有源區。另外，採用p型Zny2Mgy3Ni1-y2-y3O層，能夠極大地增加p型區的空穴濃度，降低空穴激活能，提高空穴注入效率，從而提高載流子在有源區的複合效率。同 時，採用r面、m面或者a面的藍寶石作為襯底材料，能夠得到非極性或者半極性AlGaN材料，可以從根本上消除或者削弱量子阱中由於材料極化效應引起的能帶彎曲，減少電子與空穴波函數在空間上的分離，提高載流子的輻射複合效率。

附圖說明

圖1為本發明結構示意圖；

圖2為現有技術製備的發光二極體層結構示意圖。

圖中：1管體、101藍寶石襯底、102AlN成核層、103非摻雜u型Alx1Iny1Ga1-x1-y1N緩衝層、104n型Alx2Iny2Ga1-x2-y2N層、105Alx3Iny3Ga1-x3-y3N/Alx4Iny4Ga1-x4-y4N量子阱有源區、106p型NiO/Alx5Iny5Ga1-x5-y5N超晶格結構電子阻擋層、107p型Znz1Mgz2Ni1-z1-z2O層、108氧化銦錫透明導電層、109p型歐姆電極、110n型歐姆電極。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

請參閱圖1-2，本發明提供一種技術方案：

一種新型AlGaN基紫外發光二極體，包括管體1，管體1內由下至上依次有藍寶石襯底101、AlN成核層102、非摻雜u型Alx1Iny1Ga1-x1-y1N緩衝層103、n型Alx2Iny2Ga1-x2-y2N層104、Alx3Iny3Ga1-x3-y3N/Alx4Iny4Ga1-x4-y4N量子阱有源區105、p型NiO/Alx5Iny5Ga1-x5-y5N超晶格結構電子阻擋層106、p型Znz1Mgz2Ni1-z1-z2O層107和氧化銦錫透明導電層108，在氧化銦錫透明導電層108上引出p型歐姆電極109， 在n型Alx2Iny2Ga1-x2-y2N層104上引出n型歐姆電極110。

藍寶石襯底101為r面、m面或a面中的任意一種，AlN成核層102的厚度為20～100nm，非摻雜u型Alx1Iny1Ga1-x1-y1N緩衝層103和n型Alx2Iny2Ga1-x2-y2N層104的厚度均為500～1000nm，Alx3Iny3Ga1-x3-y3N/Alx4Iny4Ga1-x4-y4N量子阱有源區105的周期數為10～15對，p型NiO/Alx5Iny5Ga1-x5-y5N超晶格結構電子阻擋層106的厚度為20～100nm，p型Znz1Mgz2Ni1-z1-z2O層107的厚度為100～250nm。

非摻雜u型Alx1Iny1Ga1-x1-y1N緩衝層103中下標x1，y1滿足如下要求：0≤x1≤1，0≤y1≤0.5，n型Alx2Iny2Ga1-x2-y2N層104中，採用Si進行n型摻雜，其中Si的摻雜濃度介於1×1019～1×1020cm-3，n型Alx2Iny2Ga1-x2-y2N層104中下標x2，y2滿足如下要求：0≤x2≤1，0≤y2≤0.5。

Alx3Iny3Ga1-x3-y3N/Alx4Iny4Ga1-x4-y4N量子阱有源區105中下標x3，y3，x4，y4滿足如下要求：0≤x3≤1，0≤y3≤1，0≤x4≤1，0≤y4≤1，p型NiO/Alx5Iny5Ga1-x5-y5N超晶格結構電子阻擋層106將Alx3Iny3Ga1-x3-y3N/Alx4Iny4Ga1-x4-y4N量子阱有源區105和p型Znz1Mgz2Ni1-z1-z2O分隔開。

p型NiO/Alx5Iny5Ga1-x5-y5N超晶格結構電子阻擋層106中的Alx5Iny5Ga1-x5-y5N層中採用摻雜Mg，其中Mg的摻雜濃度介於1×1018～1×1020cm-3，p型NiO/Alx5Iny5Ga1-x5-y5N超晶格結構電子阻擋層106中超晶格的重複周期數為5～10對，且下標x5，y5滿足如下要求：0≤x5≤1，0≤y5≤0.2，p型Znz1Mgz2Ni1-z1-z2O層107中採用摻雜Mg，其中Mg的摻雜濃度介於1×1018～1×1020cm-3，p型Znz1Mgz2Ni1-z1-z2O層107中，下標z1，z2滿足如下要求：0.7≤z1≤0.9，0.1≤z2≤0.3。

四元化合物AlInGaN材料的引入，可以使得材料的禁帶寬度以及晶格常數可以獨立調節，從而極大地降低了由於材料晶格失配而導致的極化電場，有效地 提高外延層的晶體質量。由於p型NiO/Alx5Iny5Ga1-x5-y5N超晶格結構具有高吸收係數、高橫向載流子遷移率，對載流子具有強的量子限制效應，作為電子阻擋層能夠有效抑制電子溢出有源區。另外，採用p型Zny2Mgy3Ni1-y2-y3O層，能夠極大地增加p型區的空穴濃度，降低空穴激活能，提高空穴注入效率，從而提高載流子在有源區的複合效率。同時，採用r面、m面或者a面的藍寶石作為襯底材料，能夠得到非極性或者半極性AlGaN材料，可以從根本上消除或者削弱量子阱中由於材料極化效應引起的能帶彎曲，減少電子與空穴波函數在空間上的分離，提高載流子的輻射複合效率。

儘管已經示出和描述了本發明的實施例，對於本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由所附權利要求及其等同物限定。