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CN117637950A - 一种具备空穴供给结构的深紫外发光二极管 - Google Patents

一种具备空穴供给结构的深紫外发光二极管 Download PDF

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CN117637950A
CN117637950A CN202311703762.3A CN202311703762A CN117637950A CN 117637950 A CN117637950 A CN 117637950A CN 202311703762 A CN202311703762 A CN 202311703762A CN 117637950 A CN117637950 A CN 117637950A
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CN
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layer
semiconductor layer
ultraviolet light
deep ultraviolet
emitting diode
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张骏
陈圣昌
单茂诚
张毅
岳金顺
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Wuhan Youweixin Technology Co ltd
Original Assignee
Wuhan Youweixin Technology Co ltd
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Publication date
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Abstract

本发明提供了一种具备空穴供给结构的深紫外发光二极管，包括沿生长方向依次层叠设置的衬底、本征层、电子注入层、电流扩展层、量子阱有源层、空穴供给层、电子阻挡层、空穴注入层以及欧姆接触层，空穴供给层沿生长方向包括层叠设置的第一半导体层和第二半导体层，其中，第一半导体层为AlGaN材料，且第一半导体层的Al组分含量大于或者等于量子阱有源层中最终势垒的Al组分含量；第二半导体层为整层Mg掺杂的AlGaN材料，且第二半导体层的生长温度小于或等于量子阱有源层的生长温度；本发明的第二半导体层能够提供足够多的空穴，同时，本发明的第一半导体层可以防止Mg杂质向量子阱有源层中扩散而形成缺陷，进而提高了深紫外发光二极管的发光效率。

Description

一种具备空穴供给结构的深紫外发光二极管
技术领域
本发明涉及半导体光电领域，尤其涉及一种具备空穴供给结构的深紫外发光二极管。
背景技术
在紫外线中，波长在200纳米至350纳米的光线被称为深紫外线。而深紫外发光二极管因其高效、环保、节能、可靠等优势，在照明、杀菌、医疗、印刷、生化检测、高密度的信息储存和保密通讯等领域具有重大的应用价值，这些优势是普通的紫外发光二极管所无法比拟的。
目前在AlGaN基的深紫外发光二极管中，常常需要用Al组分较高的AlGaN层作为电子阻挡层，防止电子溢流效应。然而电子阻挡层也会阻碍空穴向量子阱有源区中的输运。随着Al组分上升，虽然电子溢流得到了抑制，但空穴向量子阱中的输运也逐渐降低，反而会降低深紫外LED的发光效率。
故需要提出一种新的深紫外发光二极管设计方案用于解决现有技术所存在的上述问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种具备空穴供给结构的深紫外发光二极管及其制备方法，用于改善现有技术的深紫外发光二极管的光输出功率较低的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种具备空穴供给结构的深紫外发光二极管，包括沿生长方向依次层叠设置的衬底、本征层、电子注入层、电流扩展层、量子阱有源层、空穴供给层、电子阻挡层、空穴注入层以及欧姆接触层，空穴供给层沿生长方向包括层叠设置的第一半导体层和第二半导体层；
其中，第一半导体层为AlGaN材料，且第一半导体层的Al组分含量大于或者等于量子阱有源层中最终势垒的Al组分含量；第二半导体层为整层Mg掺杂的AlGaN材料，且第二半导体层的生长温度小于或等于量子阱有源层的生长温度。
优选地，第一半导体层的Al组分含量为x，最终势垒的Al组分含量为y；
其中，x和y之间满足以下关系：40％≤y≤x≤80％。
优选地，第一半导体层包括多个周期结构，每个周期结构沿生长方向依次包括层叠设置的第一子层和第二子层，周期结构的周期数为1～40。
优选地，第一子层为AlaGa1-aN，第一子层的厚度为H1；第二子层为AlbGa1-bN，第二子层的厚度为H2；最终势垒的Al组分含量为c；
其中，a、b、H1、H2和c之间满足以下关系：
40％≤c≤(a*H1+b*H2)/(H1+H2)≤80％且a≥b。
优选地，第一半导体层为整层非故意掺杂。
优选地，第一半导体层的厚度与最终势垒的厚度之和大于或等于5nm，且小于或等于20nm。
优选地，第二半导体层的Mg掺杂浓度为1E18cm-3～1E21cm-3。
优选地，深紫外发光二极管的发光波长为λ，第二半导体层的Al组分含量为m；
其中，λ和m之间满足以下关系：3.39*(1-m)+6.2*m≥1240/λ。
优选地，第二半导体层的生长温度为600℃至1100℃。
优选地，第二半导体层的厚度为1nm～100nm。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种具备空穴供给结构的深紫外发光二极管，包括沿生长方向依次层叠设置的衬底、本征层、电子注入层、电流扩展层、量子阱有源层、空穴供给层、电子阻挡层、空穴注入层以及欧姆接触层，空穴供给层沿生长方向包括层叠设置的第一半导体层和第二半导体层，其中，第一半导体层为AlGaN材料，且第一半导体层的Al组分含量大于或者等于量子阱有源层中最终势垒的Al组分含量，第二半导体层为整层Mg掺杂的AlGaN材料，且第二半导体层的生长温度小于或等于量子阱有源层的生长温度；本发明通过降低生长温度制备的第二半导体层可以大量掺杂Mg，进而提供足够多的空穴，同时，本发明还通过在第二半导体层之前设置第一半导体层，以防止Mg杂质向量子阱有源层中扩散而形成缺陷，进而提高了深紫外发光二极管的发光效率。
附图说明
图1是本发明实施例所提供的具备空穴供给结构的深紫外发光二极管的截面结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的具备空穴供给结构的深紫外发光二极管的外延生长方法工艺流程图；
图3为本发明实施例所提供的具备空穴供给结构的深紫外发光二极管与对比例的深紫外发光二极管的光功率对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的深紫外发光二极管100的截面结构示意图；本发明提供了一种具备空穴供给结构的深紫外发光二极管100，包括沿生长方向依次层叠设置的衬底11、本征层12、电子注入层13、电流扩展层14、量子阱有源层15、空穴供给层16、电子阻挡层17、空穴注入层18以及欧姆接触层19，空穴供给层16沿生长方向包括层叠设置的第一半导体层161和第二半导体层162；
其中，第一半导体层161为AlGaN材料，且第一半导体层161的Al组分含量大于或者等于量子阱有源层15中最终势垒的Al组分含量，第二半导体层162为整层Mg掺杂的AlGaN材料，且第二半导体层162的生长温度小于或等于量子阱有源层15的生长温度。
在本发明实施例中，衬底11为蓝宝石材料；蓝宝石材料有许多的优点：首先，蓝宝石材料的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底11。
在本发明实施例中，本征层12包括设置于衬底11上的低温缓冲层以及设置于低温缓冲层上的氮化铝层；其中，低温缓冲层的材料为氮化铝，其生长温度的范围在400摄氏度至800摄氏度之间，其厚度范围在10nm至50nm之间；氮化铝层的生长温度的范围在1200摄氏度至1400摄氏度之间，其厚度范围在500nm至4000nm之间。
在本发明实施例中，电子注入层13的材料为硅掺杂的氮化铝镓材料，掺杂剂为SiH4；其中，电子注入层13中铝元素的组分范围在20％至90％之间，电子注入层13厚度范围在500nm至4000nm之间，电子注入层13的生长温度的范围在800摄氏度至1200摄氏度之间。
在本发明实施例中，电流扩展层14设置于电子注入层13上，电流扩展层14的生长温度范围在700摄氏度至1100摄氏度之间；
具体地，电流扩展层14的材料为氮化铝镓，电流扩展层14中铝元素组分占电流扩展层14的百分数范围在20％至90％之间，电流扩展层14的厚度范围在10nm至300nm之间。其中，电流扩展层14的设置可以增强深紫外发光二极管100内部电流的横向扩展，进而可以极大地提高了深紫外发光二极管100的光提取效率。
在本发明实施例中，量子阱有源层15设置于电流扩展层14上，量子阱有源层15的生长温度范围在900摄氏度至1200摄氏度之间。
具体地，量子阱有源层15包括交替设置的至少一个势阱层和至少两个势垒层，每个势阱层插入在两个相邻的势垒层之间；其中，势阱层以及势垒层均包括AlGaN材料，且每一层势阱层的铝组分总含量比每一层势垒层的铝组分总含量低，这样是为了确保量子阱有源层15中的载流子被限制在势阱层内。
进一步地，势阱层的材料为Alx1Gay1N，其中，0＜x1＜80％，且x1+y1＝1；势垒层的材料为Alx2Gay2N，其中，20％＜x2＜100％，且x2+y2＝1。
进一步地，势阱层的厚度范围为0.1nm～5nm，势垒层的厚度范围为5nm～30nm。
进一步地，量子阱有源层15的周期数大于等于1且小于等于10，周期数为正整数。
在本发明实施例中，空穴供给层16生长于量子阱有源层15上，空穴供给层16沿生长方向包括层叠设置的第一半导体层161和第二半导体层162。
具体地，第一半导体层161为AlGaN材料，且第一半导体层161的Al组分含量大于或者等于量子阱有源层15中最终势垒的Al组分含量，这样设置是为了起到阻挡电子的作用，防止电子溢流。
具体地，第二半导体层162为整层Mg掺杂的AlGaN材料，且第二半导体层162的生长温度小于或等于量子阱有源层15的生长温度，这样设置是因为更低的温度有利于Mg源的掺杂。
优选地，第一半导体层161的Al组分含量为x，最终势垒的Al组分含量为y；
其中，x和y之间满足以下关系：40％≤y≤x≤80％。
优选地，第一半导体层161包括多个周期结构，每个周期结构沿生长方向依次包括层叠设置的第一子层和第二子层，周期结构的周期数为1～40。
优选地，第一子层为AlaGa1-aN，第一子层的厚度为H1；第二子层为AlbGa1-bN，第二子层的厚度为H2；最终势垒的Al组分含量为c；
其中，a、b、H1、H2和c之间满足以下关系：
40％≤c≤(a*H1+b*H2)/(H1+H2)≤80％且a≥b。
具体地，第一半导体层161的平均Al组分含量为(a*H1+b*H2)/(H1+H2)。
优选地，第一半导体层161为整层非故意掺杂。
优选地，第一半导体层161的厚度与最终势垒的厚度之和大于或等于5nm，且小于或等于20nm。
优选地，第二半导体层162的Mg掺杂浓度为1E18cm-3～1E21cm-3，其使用二茂镁作为掺杂剂。
优选地，深紫外发光二极管100的发光波长为λ，第二半导体层162的Al组分含量为m；
其中，λ和m之间满足以下关系：3.39*(1-m)+6.2*m≥1240/λ。
具体地，GaN材料的禁带宽度为3.39eV，AlN材料的禁带宽度为6.2eV，第二半导体层162的平均禁带宽度为[3.39*(1-m)+6.2*m]eV。
优选地，第二半导体层的生长温度为600℃至1100℃。
优选地，第二半导体层的厚度为1nm～100nm。
在本发明实施例中，电子阻挡层17设置于空穴供给层16上，电子阻挡层17的生长温度范围在700摄氏度至1100摄氏度之间；其中，电子阻挡层17为单层Mg掺杂的AlGaN结构，其使用二茂镁作为掺杂剂。
在本发明实施例中，空穴注入层18设置于电子阻挡层17上，空穴注入层18的生长温度范围在700摄氏度至1100摄氏度之间；其中，空穴注入层18的材料为P型掺杂的AlGaN材料，空穴注入层18中铝组分含量的百分数范围在0至100％之间，空穴注入层18的厚度范围在1nm至50nm之间，空穴注入层18采用二茂镁作为掺杂剂。
在本发明实施例中，欧姆接触层19设置于空穴注入层18上，欧姆接触层19的生长温度范围在400摄氏度至900摄氏度之间；其中，欧姆接触层19的材料为P型掺杂的GaN材料，欧姆接触层19中铝组分含量的百分数范围在0至100％之间，欧姆接触层19的厚度范围在1nm至20nm之间，欧姆接触层19用二茂镁作为掺杂剂。
进一步地，在本发明实施例中，深紫外发光二极管100还包括N型电极110和P型电极111；
其中，电流扩展层14与电子注入层13之间形成台阶状结构，且电流扩展层14的面积小于电子注入层13的面积，P型电极111设置于欧姆接触层19上，N型电极110设置于电子注入层13的台阶结构处。
相应地，本发明实施例还提供一种具备空穴供给结构的深紫外发光二极管100的制备方法，上述制备方法在MOCVD(金属有机化合物化学气相沉积)设备中进行。请参阅图1以及图2，图2为本发明实施例所提供的具备空穴供给结构的深紫外发光二极管100的外延生长方法工艺流程图，具体地，上述外延生长方法包括：
S10，在一衬底11上外延生长本征层12。
具体地，S10还包括：
首先，提供一衬底11，衬底11为蓝宝石材料；之后，在400摄氏度～800摄氏度下，在衬底11上低温生长低温缓冲层，低温缓冲层的厚度范围在10nm至50nm之间；最后，将生长温度升温至1200摄氏度至1400摄氏度之间，在低温缓冲层上生长氮化铝本征层12，氮化铝本征层12的厚度范围在500nm至4000nm之间。其中，低温缓冲层以及氮化铝本征层12构成本征层12，低温缓冲层以及氮化铝本征层12的材料均为氮化铝。
S20，在本征层12上外延生长电子注入层13。
具体的，S20还包括：
首先，将生长温度降低至800摄氏度至1200摄氏度之间；之后，在本征层12外延生长电子注入层1313。其中，电子注入层1313的材料为硅掺杂的氮化铝镓材料；其中，铝元素的组分范围在20％至90％之间，硅掺杂剂为SiH4。
S30，在电子注入层13上外延生长电流扩展层14。
具体地，S30还包括：
首先，将生长温度降温到700摄氏度至1100摄氏度之间，在电子注入层1313上外延生长电流扩展层14；其中，电流扩展层14的材料为非故意掺杂的氮化铝镓，电流扩展层14中铝元素组分的质量百分数范围在20％至90％之间，电流扩展层14的厚度范围在10nm至300nm之间。
S40，在电流扩展层14上外延生长量子阱有源层15。
具体地，S40还包括：
首先，将生长温度升高至900摄氏度至1200摄氏度之间，在电流扩展层14上外延生长量子阱有源层15；其中，量子阱有源层15包括交替设置的至少一个势阱层和至少两个势阱层，每个势阱层插入在两个相邻的势垒层之间；
其中，势阱层和势阱层的材料均为AlGaN。
S50，在量子阱有源层15上外延生长空穴供给层16。
具体地，S50还包括：
维持生长温度不变，在量子阱有源层15上外延生长第一半导体层161；之后，将生长温度降低至600摄氏度至1100摄氏度之间，在第一半导体层161上外延生长第二半导体层162。
S60，在空穴供给层16上外延生长电子阻挡层17。
具体的，S60还包括：
将MOCVD反应室的温度范围设置在700摄氏度至1100摄氏度之间，在空穴供给层16上外延生长电子阻挡层17。
S70，在电子阻挡层17上外延生长空穴注入层18。
具体地，S60还包括：
将生长温度维持到700摄氏度至1100摄氏度之间，在电子阻挡层17上外延生长空穴注入层18。其中，空穴注入层18的材料为P型掺杂的氮化铝镓材料，空穴注入层18中铝组分含量范围在0至100％之间，空穴注入层18的厚度范围在1nm至100nm之间，空穴注入层18采用二茂镁作为P型掺杂剂。
S80，在空穴注入层18上外延生长欧姆接触层19。
具体地，S80还包括：
将生长温度降温到400摄氏度至900摄氏度之间，在空穴注入层18上外延生长欧姆接触层19；其中，欧姆接触层19的材料为P型掺杂的氮化镓材料，欧姆接触层1917的厚度范围在1nm至20nm之间，欧姆接触层19采用二茂镁作为p型掺杂剂。
最后，在电流扩展层14的台阶结构处设置N型电极110，N型电极110与电流扩展层14相对且间隔设置；最后，在欧姆接触层19上形成P型电极111。
现结合具体实施例对本申请的技术方案进行描述。
实施例1：
本发明实施例1提供的具备空穴供给结构的深紫外发光二极管100的膜层结构沿生长方向依次如下所示：
衬底11，材料为蓝宝石材料；
本征层12，材料为氮化铝，其厚度为2000nm；
电子注入层13，材料为Si掺杂的氮化铝镓材料，其中，电子注入层13中的Al组分含量为50％，厚度为2500nm；
电流扩展层14，材料为非故意掺杂的氮化铝镓，电流扩展层14中Al组分含量为50％，电流扩展层14的厚度为100nm；
量子阱有源层15，包括交替设置的至少一个势阱层和至少两个势垒层，每个势阱层插入在两个相邻的势垒层之间；其中，势垒层的材料为氮化铝镓，Al组分的质量百分含量为60％，势垒层的厚度为10nm；势阱层的材料为氮化铝镓，Al组分含量为45％，势阱层的厚度为2nm；
空穴供给层16，沿生长方向包括层叠设置的第一半导体层161和第二半导体层162，第一半导体层161为单层AlGaN结构，Al组分含量为60％，厚度为8nm；第二半导体层162为整层Mg掺杂的AlGaN材料，Al组分含量为50％，厚度为30nm，掺杂浓度为1E20cm-3；
电子阻挡层17，单层Mg掺杂的AlGaN结构，厚度为10nm；
空穴注入层18，材质为Mg掺杂的氮化铝镓材料，Al组分含量为40％，厚度为20nm，采用二茂镁作为P型掺杂剂；
欧姆接触层19，材料为P型掺杂的氮化镓材料，欧姆接触层1917的厚度为10nm，欧姆接触层19采用二茂镁作为P型掺杂剂。
进一步地，采用常规方法在电子注入层13上均设置相同材料的N型电极110，并在欧姆接触层19上均设置相同材料的P型电极111，以构成完整的外延芯片结构，具体工艺在此不作赘述。其中，N型电极110以及P型电极1111均为多层复合金属材料。
实施例2：
本发明实施例2提供的具备空穴供给结构的深紫外发光二极管100的膜层结构与本发明实施例1提供的具备空穴供给结构的深紫外发光二极管100的膜层结构大致相同，不同之处仅在于：空穴供给层16的结构不同。
具体地，本发明实施例2提供的空穴供给层16沿生长方向包括层叠设置的第一半导体层161和第二半导体层162，第一半导体层161包括4个周期结构，每个周期结构沿生长方向依次包括层叠设置的第一子层和第二子层，第一子层为AlaGa1-aN，第一子层的Al组分含量为55％，厚度为1nm；第二子层为AlbGa1-bN，第二子层的Al组分含量为65％，厚度为1nm。
具体地，第二半导体层162为整层Mg掺杂的AlGaN材料，Al组分含量为50％，厚度为30nm，掺杂浓度为1E20cm-3。
对比例：
常规工艺制备的深紫外发光二极管100，对比例提供的深紫外发光二极管100的膜层结构与实施例1的结构和材料大致相同，不同之处仅在于其不存在空穴供给层16，对比例的其它膜层结构与本实施例1或者本实施例2的其它膜层结构相同：
进一步地，将本实施例1和本实施例2制备的深紫外发光二极管100与对比例制备的深紫外发光二极管100在不同驱动电流(mA)下的光功率进行对比，其测试结果如图3所示。
其中，由图3可知，本实施例1和本实施例2制备的深紫外发光二极管100相比对比例制备的深紫外发光二极管100在相同驱动电流下对应的光功率更高，这说明本实施例1和本实施例2制备的深紫外发光二极管100能够有效提高发光功率。
进一步地，将本实施例1与本实施例2进行对比可知，本实施例2制备的深紫外发光二极管100在相同驱动电流下对应的光功率更高，这说明具有AlaGa1-aN/AlbGa1-bN复合周期结构的第一半导体层161阻挡电子溢流效应更强，且防止Mg杂质向量子阱有源层15中扩散而形成缺陷的能力更强。
综上，区别于现有技术的情况，本发明在量子阱有源层15与电子阻挡层17之间设置空穴供给层16，其中，空穴供给层16中的第二半导体层162可以大量掺杂Mg，进而提供足够多的空穴，同时，空穴供给层16中的第一半导体层161，能够防止Mg杂质向量子阱有源层中扩散而形成缺陷，进而提高了深紫外发光二极管100的发光效率。。
需要说明的是，以上各实施例均属于同一发明构思，各实施例的描述各有侧重，在个别实施例中描述未详尽之处，可参考其他实施例中的描述。
以上实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种具备空穴供给结构的深紫外发光二极管，其特征在于，包括沿生长方向依次层叠设置的衬底、本征层、电子注入层、电流扩展层、量子阱有源层、空穴供给层、电子阻挡层、空穴注入层以及欧姆接触层，所述空穴供给层沿生长方向包括层叠设置的第一半导体层和第二半导体层；
其中，所述第一半导体层为AlGaN材料，且所述第一半导体层的Al组分含量大于或者等于所述量子阱有源层中最终势垒的Al组分含量；所述第二半导体层为整层Mg掺杂的AlGaN材料，且所述第二半导体层的生长温度小于或等于所述量子阱有源层的生长温度。
2.根据权利要求1所述的具备空穴供给结构的深紫外发光二极管，其特征在于，所述第一半导体层的Al组分含量为x，所述最终势垒的Al组分含量为y；
其中，x和y之间满足以下关系：40％≤y≤x≤80％。
3.根据权利要求1所述的具备空穴供给结构的深紫外发光二极管，其特征在于，所述第一半导体层包括多个周期结构，每个周期结构沿生长方向依次包括层叠设置的第一子层和第二子层，所述周期结构的周期数为1～40。
4.根据权利要求3所述的具备空穴供给结构的深紫外发光二极管，其特征在于，所述第一子层为AlaGa1-aN，所述第一子层的厚度为H1；所述第二子层为AlbGa1-bN，所述第二子层的厚度为H2；所述最终势垒的Al组分含量为c；
其中，a、b、H1、H2和c之间满足以下关系：
40％≤c≤(a*H1+b*H2)/(H1+H2)≤80％且a≥b。
5.根据权利要求2至4任意一项所述的具备空穴供给结构的深紫外发光二极管，其特征在于，所述第一半导体层为整层非故意掺杂。
6.根据权利要求2至4任意一项所述的具备空穴供给结构的深紫外发光二极管，其特征在于，所述第一半导体层的厚度与所述最终势垒的厚度之和大于或等于5nm，且小于或等于20nm。
7.根据权利要求1所述的具备空穴供给结构的深紫外发光二极管，其特征在于，所述第二半导体层的Mg掺杂浓度为1E18cm-3～1E21cm-3。
8.根据权利要求1所述的具备空穴供给结构的深紫外发光二极管，其特征在于，所述深紫外发光二极管的发光波长为λ，所述第二半导体层的Al组分含量为m；
其中，λ和m之间满足以下关系：3.39*(1-m)+6.2*m≥1240/λ。
9.根据权利要求1所述的具备空穴供给结构的深紫外发光二极管，其特征在于，所述第二半导体层的生长温度为600℃至1100℃。
10.根据权利要求1所述的具备空穴供给结构的深紫外发光二极管，其特征在于，所述第二半导体层的厚度为1nm～100nm。
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