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CN110611019B - 一种无应变AlInGaN深紫外LED外延结构 - Google Patents

一种无应变AlInGaN深紫外LED外延结构 Download PDF

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Abstract

本发明属于深紫外LED半导体及其制造的技术领域，提供了一种基于非极性面AlN自支撑衬底的无应变AlInGaN深紫外LED外延结构。其结构为依次排布的非极性面AlN自支撑衬底、N型掺杂的AlaGa(1‑a)N层、晶格匹配的AlxGa(1‑x)N/AlyInzGa(1‑y‑z)N多量子阱有源区发光层、与有源区最后一个垒层匹配的P型AlbIncGa(1‑b‑c)N电子阻挡层以及P型AlaGa(1‑a)N层，本发明能够从根本上除去深紫外LED结构中强极化，消除所有对有源区能带结构的弯曲影响，极大的提高有源区的内电子与空穴的复合，从而提高深紫外LED内量子量效率，改善发光。

Description

一种无应变AlInGaN深紫外LED外延结构
技术领域
本发明属于深紫外LED半导体及其制造的技术领域，具体涉及一种基于非极性面AlN自支撑衬底的无应变AlInGaN深紫外LED外延结构。
背景技术
LED与传统的光源相比拥有低能耗、体积小、寿命长等优势。特别是波长在200-400nm的紫外LED，在照明、杀菌、医疗、印刷、聚合物固化、环境保护、生化检测、高密度的信息储存和保密通讯等领域具有重大应用价值，近年来引起了人们的高度关注，成为全球半导体领域研究和投资的新热点。
目前紫外LED的核心技术壁垒在于其外延材料和芯片制备方面，紫外LED波长越短，技术难度越大，但同时产业附加值也越高。以 AlGaN代表的Ⅲ族氮化物半导体材料是实现紫外和深紫外LED的核心。经过研究者们多年的不断努力，AlGaN深紫外LED虽然取得了大幅度进展，但由于高Al组分AlGaN结构材料存在着缺陷密度高、强极化、掺杂激活难、正面出光少等科学和技术难题，因而所制备的紫外LED发光器件仍存在内量子效率、载流子注入效率和沿C轴方向正面出光效率较低的难题，因而制约了高效深紫外LED的发展。
常规AlGaN基深紫外LED结构大多数是生长在蓝宝石衬底上。然而蓝宝石C面上外延AlGaN基深紫外LED中存在极强的极化电场。极化电场来自于沿C轴方向的自发极化和压电极化。这种极化会使得深紫外LED的多量子阱区能带弯曲严重，电子和空穴的波函数在空间上分离，这种分离导致有源区内电子空穴的有效的复合几率降低，从而影响AlGaN基LED发光效率。同时，极化电场使得载流子输运受阻，最终导致载流子分布不均匀，也就是说，要改善器件的发光性能，需要抑制极化效应。
发明内容
针对以上问题，因同质外延可以大幅提高外延材料与器件性能，而使用AlN自支撑衬底同质外延出高铝组分的高质量AlGaN晶体，可消除材料本身的自极化，用于深紫外发光；并利用能带裁剪工程，寻找与深紫外的有源区阱层晶格常数匹配(也称无应变)的四元AlyInzGa(1-y-z)N垒层来消除压电极化。同时考虑电子阻挡层对有源区能带弯曲的影响，设计了与有源区中最后一个垒层AlyInzGa(1-y-z)晶格匹配的电子阻挡AlbIncGa(1-b-c)N层。
本发明的技术内容如下：
本发明的目的在于提供一种基于非极性面AlN自支撑衬底的无应变AlInGaN深紫外LED外延结构，其结构为依次排布的非极性面 AlN自支撑衬底、N型掺杂的AlaGa(1-a)N层、晶格匹配的AlxGa(1-x) N/AlyInzGa(1-y-z)N多量子阱有源区发光层、与有源区最后一个垒层匹配的P型AlbIncGa(1-b-c)N电子阻挡层以及P型AlaGa(1-a)N层；
深紫外LED的发光的波长范围为200～300nm；
所述非极性面AlN自支撑衬底的厚度为200-300微米；
所述N型掺杂的AlaGa(1-a)N层生长于所述非极性面AlN自支撑衬底上面，这种同质衬底的外延生长，不需要生长缓冲层，直接高温生长，简化了外延生长步骤，N型掺杂的AlaGa(1-a)N层的生长厚度为2～3μm，使用Si完成N型掺杂，N型浓度范围为5×1018～1×1019cm-3，生长温度为1000～1100℃，a取值范围为0.5～1；
所述晶格匹配的AlxGa(1-x)N/AlyInzGa(1-y-z)N多量子阱有源区发光层生长于N型掺杂的AlaGa(1-a)N层的上面，其设置有AlxGa(1-x) N量子阱层和AlyInzGa(1-y-z)N量子垒层，其每个四元AlyInzGa(1-y-z) N垒层中的晶格常数与三元AlxGa(1-x)N阱层的晶格常数相匹配且满足垒层的阱带宽度大于阱层的阱带宽度；AlxGa(1-x)N/AlyInzGa(1-y-z) N多量子阱有源区有3～6对量子阱，量子阱的阱厚度为1～3nm，量子阱的垒层厚度为10～15nm，生长温度为850～950℃，x取值的范围为0.27～1，y取值的范围为0.5～1，z取值的范围为0～0.5，且AlxGa(1-x) N/AlyInzGa(1-y-z)N多量子阱有源区中y>x(有源区垒层的带宽度大于阱层的阱带宽度)；
所述P型AlbIncGa(1-b-c)N电子阻挡层生长于AlxGa(1-x)N/AlyInzGa (1-y-z)N多量子阱有源区发光层上面，其晶格常数与有源区的最后一个量子垒层AlyInzGa(1-y-z)N匹配并且满足电子阻挡层的阱带宽度大于垒层阱带宽度，生长厚度为20～30nm，P浓度范围为 5×1017～1×1018cm-3，生长温度范围为900～1000℃，b取值的范围为 0.6～1，且b>y>x，c取值的范围为0～0.5；
所述P型AlaGa(1-a)N层生长于P型电子阻挡层的上面，其生长厚度为100～200nm，生长温度为900～1000℃，P浓度范围为 5×1017～1×1018cm-3，a取值范围为0.5～1。
本发明的有益效果如下：
本发明的深紫外LED外延结构，其采用的非极性AlN自支撑衬底能降低AlGaN基外延材料缺陷密度，降低错位密度，提高深紫外 LED外延晶体质量，自从根本上消除AlGaN基材料中存在的强极化，消除了LED本身内部的自极化；对深紫外LED有源区，使用了与阱层匹配的四元AlyInzGa(1-y-z)N垒层来消除压电极化；进一步考虑电子阻挡层对有源区的能带影响，使用了与最后一个垒层匹配的四元P 型AlbIncGa(1-b-c)N电子阻挡层，在这些结构的共同作用下，有源区能带结构的弯曲影响降到最低，消除了有源区内的强极化，使得有源区的电子和空穴更易发生辐射复合，提高深紫外LED内量子效率，改善深紫外LED发光。
说明书附图
图1为本发明的深紫外LED外延结构的示意图；
图2为本发明中与有源区中阱层晶格匹配的四元AlyInzGa(1-y-z) N垒层，与有源区最后一个垒层晶格匹配的四元AlbIncGa(1-b-c)N电子阻挡层，Al、In组分选择范围示意图；
图3为本发明的无应变AlInGaN深紫外LED与常规AlGaN有源区垒深紫外LED的输出功率对比图。
具体实施方式
以下通过具体的实施案例以及附图说明对本发明作进一步详细的描述，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
一种基于非极性面AlN自支撑衬底的无应变AlInGaN深紫外 LED外延结构，其结构如图1所示，本实施例选用发光波长为260nm，对应的多量子阱有源区的阱层为Al0.54Ga0.46N，其晶格常数为3.147，与该阱层晶格常数匹配的(无应变)的四元垒层AlyInzGa1-y-zN根据图2来选择，如图2所对应的直线2上圈1中线段上的所有的四元 AlyInzGa1-y-zN与三元Al0.92In0.08N组分，其中y的取值范围为0.68～0.92， z的取值范围为0～0.08；
采用非极性面AlN作为生长基底进行同质外延生长，运用 MOCVD(金属有机物化学气相沉积)技术来完成整个外延过程，以非极性面AlN为自支撑衬底(1)，依次生长n型掺杂Al0.68Ga0.32N层 (2)，Al0.54Ga0.46N/Al0.71In0.04Ga0.25N多量子阱有源区(3)，P型Al0.81In0.06Ga0.13N电子阻挡层(4)，P型Al0.68Ga0.32N层(5)，即得到深紫外LED外延结构；
所述衬底1为非极性面AlN自支撑衬底(1)，厚度为200～300μm；
所述N型Al0.68Ga0.32N层(2)生长于所述非极性面AlN衬底的上面，所述N型Al0.68Ga0.32N层(2)生长温度控制在1100℃，生长厚度控制在3μm，同时N型掺杂浓度为5×1018cm-3；
所述Al0.54Ga0.46N/Al0.71In0.04Ga0.25N有源区(3)生长于所述N型Al0.68Ga0.32N层(2)上面，5个周期的多量子阱，整个有源区厚度为 60nm。在本实施例中，AlxGa1-xN为阱层，阱层中Al的组分保持为 0.54，即：Al0.54Ga0.46N，其生长温度为880℃，厚度为2nm。与阱层晶格匹配的垒层AlyInzGa(1-y-z)N，y取值为：0.71、z取值为：0.04，即：Al0.71In0.04Ga0.25N，厚度为10nm，生长温度也为880℃，所述 Al0.54Ga0.46N/Al0.71In0.04Ga0.25N多量子阱有源区3的发光波长为260nm；
所述Al0.81In0.06Ga0.13N电子阻挡层(4)生长于所述 Al0.54Ga0.46N/Al0.71In0.04Ga0.25N多量子阱有源区(3)的上面，所述电子阻挡层(4)中Al组分为0.81，In组分为0.06，即：Al0.81In0.06Ga0.13N，生长温度为950℃，生长厚度为25nm，P型掺杂剂为镁，P型电子阻挡层的浓度为5×1018㎝-3；
所述P型Al0.68Ga0.32N层(5)生长于所述Al0.81In0.06Ga0.13N电子阻挡层(4)上面，生长温度为990℃，生长厚度150nm，P型层的浓度为5×1018㎝-3；
本发明中的Al源、Ga源、N源的具体选择不做限定，本实施例中，包括使用三甲基铝TMAl作为外延生长所需要的Al源，使用三甲基镓TMGa作为外延生长所需要的Ga源，N型和P型掺杂分别使用硅烷和镁掺杂，载气选用H2，NH3提供氮源。
如图3所示，其为深紫外LED在电流变化的输出功率，可以看出采用非极性面AlN自支撑衬底无应变多量子阱的LED外延结构整体输出功率明显大于常规的ALGaN/AlGaN多量子阱的结构的，因此本实施例得到的深紫外LED具有提高内量子效率、改善发光的作用。

Claims (7)

1.一种基于非极性面AlN自支撑衬底的无应变AlInGaN深紫外LED外延结构，其特征在于，其结构为依次排布的非极性面AlN自支撑衬底、N型掺杂的AlaGa（1-a）N层、晶格匹配的AlxGa（1-x）N/AlyInzGa（1-y-z）N多量子阱有源区发光层、与有源区最后一个垒层匹配的P型AlbIncGa(1-b-c)N电子阻挡层以及P型AlaGa（1-a）N层；
所述AlxGa（1-x）N/AlyInzGa（1-y-z）N多量子阱有源区有3~6对量子阱，量子阱的阱厚度为1~3 nm，量子阱的垒层厚度为10~15 nm；
所述P型AlbIncGa(1-b-c)N电子阻挡层的生长厚度为20~30 nm。
2.由权利要求1所述的无应变AlInGaN深紫外LED外延结构，其特征在于，所述非极性面AlN自支撑衬底的厚度为200~300 μm。
3.由权利要求1所述的无应变AlInGaN深紫外LED外延结构，其特征在于，所述N型掺杂的AlaGa（1-a）N层的生长厚度为2~3 μm，使用Si完成N型掺杂，N型浓度范围为5×1018~1×1019cm-3，生长温度为1000~1100℃，a取值范围：0.5~1。
4.由权利要求1或2或3所述的无应变AlInGaN深紫外LED外延结构，其特征在于，所述晶格匹配的AlxGa（1-x）N/AlyInzGa（1-y-z）N多量子阱有源区发光层设置有AlxGa（1-x）N量子阱层和AlyInzGa（1-y-z）N量子垒层。
5.由权利要求4所述的无应变AlInGaN深紫外LED外延结构，其特征在于，所述AlxGa（1-x）N/AlyInzGa（1-y-z）N多量子阱有源区的生长温度为850~950℃，x取值的范围为0.27~1，y取值的范围为0.5~1，z取值的范围为0~0.5，且AlxGa（1-x）N/AlyInzGa（1-y-z）N多量子阱有源区中y>x。
6.由权利要求1或2或3所述的无应变AlInGaN深紫外LED外延结构，其特征在于，所述P型AlbIncGa(1-b-c)N电子阻挡层中P浓度范围为5×1017~1×1018 cm-3，生长温度范围为900~1000℃，b取值的范围为0.6~1，c取值的范围为0~0.5。
7.由权利要求6所述的无应变AlInGaN深紫外LED外延结构，其特征在于，所述P型AlaGa（1-a）N层的生长厚度为100~200 nm，生长温度为900~1000℃，P浓度范围为5×1017~1×1018cm-3，a取值范围为0.5~1。
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