一种深紫外发光二极管结构的制作方法

1.本发明涉及一种半导体器件，尤其涉及一种深紫外发光二极管结构。


背景技术：

2.algan基紫外发光二极管（uv-led）为algan基材料的重要应用之一，其禁带宽度从3.45ev（gan）到6.28ev（aln）连续可调，覆盖了整个紫外波段。国际上duv-led（深紫外发光二极管）虽然取得了较大的研究进展，但其广泛的商业应用仍然受到了一定限制，这是由于其较低的外量子效率(eqe)，且其外量子效率显著落后于gan基蓝色led，这是因为高al组分algan薄膜中较高的位错密度、高al组分algan薄膜的掺杂效率低、电子泄露和量子限制斯达克效应(qcse)等因素影响了深紫外led内量子效率。
3.随着科研的进步以及gan基蓝光led与白光led已经密不可分的参与了人们的日常生活，人们对深紫外led的需求以及期望值也越来越高，社会迫切需要一种效率高、寿命长、安全环保的照明及生活器件，因此，提高algan基深紫外发光二极管的量子效率，得到有实际应用价值的algan基深紫外发光二极管极其重要。
4.一般来说，效率低的空穴注入和严重的电子泄露是导致内量子效率(iqe)降低的主要因素，这严重限制了光输出功率(lop)的提升。虽然合理的algan层结构设计可以有效的防止电子逸出到gan层，但由于algan层和gan层之间的能带偏移，延缓了空穴的运输，并且led外延结构的设计对载流子传输和注入algan mqws（多量子阱）有源区具有重大影响。由于迁移率和电导率不同，电子和空穴之间的浓度差异很大，因此 duv led中的电子很容易超过 mqws有源区并泄漏到p侧。目前，通常采用p-algan ebl来阻止电子溢出。但是，p-algan ebl也会降低led中空穴的注入。为解决此类问题，国内外众多学者提出了例如多层algan层、极化倒置algan层、al组分梯度变化形等多种改进方案，按照p-algan ebl结构可以分为：传统单层ebl、复合ebl、线性或阶梯渐变ebl、超晶格ebl和啁啾超晶格ebl。


技术实现要素：

5.发明目的：针对上述现有技术，提出一种高光源利用率的深紫外发光二极管结构，解决algan基深紫外发光二极管效率低的空穴注入和严重的电子泄露的问题。
6.技术方案：一种深紫外发光二极管结构，其特征在于，包括：蓝宝石衬底、未掺杂的aln层、n型algan层、多量子阱有源区、p型algan的电子阻挡层、p-algan空穴注入层，以及gan层；蓝宝石衬底为最底层；未掺杂的aln层在所述蓝宝石衬底之上；n型algan层在所述未掺杂的aln层之上；由量子阱层和量子势垒交替堆叠构成的多量子阱有源区在所述n型algan层之上，其中第一层量子阱层在所述n型algan层之上；p型algan的电子阻挡层在所述多量子阱有源区之上；p-algan空穴注入层在所述p型algan的电子阻挡层之上；gan层在所述p-algan空穴注入层之上；所述p-algan空穴注入层中从上往下，al组分按照铝镓合金相图中al在120℃-20
℃的最大溶解度曲线降低。
7.进一步的，所述p-algan空穴注入层中，最终al组分降低至40%。
8.有益效果：1.基于铝镓合金相图的p-algan空穴注入层中al组分递减结构的有效电子势垒为530.72mev，远高于传统结构，另外，有效空穴势垒高度为454.58mev，远小于传统结构。上述结果表明，基于铝镓合金相图的p-algan空穴注入层中al组分递减结构可以大大提高电子的约束力以及空穴的注入效率，显著地降低两侧的极化电荷积累，最后一层量子势垒与p-algan空穴注入层之间向下的能带弯曲受向下的负静电场的影响，会增加电子的有效势垒高度，同时减小空穴的有效势垒高度，这将有助于实现载流子的注入平衡。
9.2.具有基于铝镓合金相图的p-algan空穴注入层中al组分递减结构的平均空穴浓度是传统结构的4倍以上。这说明基于铝镓合金相图的p-algan空穴注入层中al组分递减结构有利于载流子注入效果。
10.3.基于铝镓合金相图的p-algan空穴注入层中al组分递减结构的辐射复合速率（rrr）比传统结构增加了7.59倍，说明通过基于铝镓合金相图的p-algan空穴注入层中al组分递减结构明显促进了辐射复合的效率。
附图说明
11.图1为铝镓合金相图；图2为algan基深紫外led结构示意图；图3为不同样品结构的内量子效率和输出功率；图4为电流密度100a/cm2下，不同样品的能带结构及准费米能级位置，其中图（a）对应样品a，图（b）对应样品b，图（c）对应样品c；图5为电流密度为100a/cm2时，样品a、b、c的近p-algan区域静电场强度分布；图6为电流密度为100a/cm2时，样品a、b、c的电子浓度与电子泄露情况；图7为电流密度为100a/cm2时，样品a、b、c的空穴浓度分布；图8为电流密度为100a/cm2时，样品a、b、c的有源区辐射复合速率情况。
实施方式
12.下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
13.铝镓合金相图是铝-镓二元合金系统的相图，随着铝含量的不同，铝镓合金中的镓也会出现不同的同素异形体，对铝就有不同的溶解度，其原因是不同的晶格结构及晶格常数。本发明在基于铝镓合金相图的特性下，在传统的深紫外led的结构中改进空穴注入层的结构，设计改进的p-algan空穴注入层，从结构上改进深紫外led，使其有更好的空穴注入效率和电子束缚能力。
14.一般mos器件中的热载流子注入 (hci，hot-carrier injection)应力温度为120℃，据此温度，在铝镓合金相图上画出120℃等温线，如图1所示，此时al的最大溶解度为80.4%，因为mos器件尺寸较小，堆叠层材料组分多样，温度在堆叠方向变化研究困难，在此认为在热载流子注入时，从载流子注入层到最底层的蓝宝石结构温度为线性减少为常温。本发明中，为了保证热载流子注入的效率和mos器件的材料利用率，将铝镓合金相图中120℃至20℃的al元素最大溶解度曲线作为algan基深紫外发光二极管中p-algan层al组分随
（0001）方向上的减少曲线。
15.传统的algan基深紫外发光二极管是基于蓝宝石衬底，在（0001）方向上的外延结构，如图2所示，样品a最底层为蓝宝石衬底，芯片的大小设置为300μm
×
300μm；未掺杂的aln层厚度设为1.5μm；n型al
0.6
ga
0.4
n层厚度设置为2.3μm，n型掺杂浓度nd=5.0*10
18
cm-3
；紧接着是由5个周期的量子阱层和量子势垒交替堆叠构成的多量子阱(mqws)有源区，其中第一层量子阱层在n型al
0.6
ga
0.4
n层之上，量子阱层为n-al
0.4
ga
0.6
n，量子势垒为p-al
0.5
ga
0.5
n，量子阱层设为3nm厚，量子势垒为12nm厚；在多量子阱(mqws)有源区之上设置10nm厚的掺mg浓度为5.0*10
17
cm-3
的p型al
0.65
ga
0.35
n的电子阻挡层（ebl）；p-algan空穴注入层在电子阻挡层（ebl）之上；gan层在p-algan空穴注入层之上。
16.样品a为参考结构，如图2的（a）所示，其p-algan空穴注入层为常规设计，al组分恒定为50%。样品a由于低效率的空穴注入和严重的电子泄露导致内量子效率（iqe）降低，从而限制了光输出功率（lop）的提升。具体的，由于多量子阱(mqws)有源区的最后一层量子势垒（lqb）与p-algan空穴注入层之间的界面极化导致传统的p-algan空穴注入层能带弯曲，从而降低电子的有效束缚性和空穴的注入效率，此外p-algan空穴注入层和gan层之间的能带偏移还延缓了空穴的运输。
17.如图2的（b）所示，样品b在p-algan空穴注入层上与样品a存在区别，具体的，样品b为一个阶梯型p-al
x
ga
1-x
n层，共设有5个台阶，每个台阶的厚度均为2 μm，从上往下各台阶中al的组分x依次为0.65、0.6、0.55、0.5、0.45。阶梯型p-algan空穴注入层可以有效的提高空穴注入效率，但仍然存在严重的电子泄露，其原因为：1、阶梯型p-algan空穴注入层只是将热载流子注入时al载流子吸收能量多的外层中al组分相对于温度低的内层al组分按机械制造精度减少，并未根据al载流子在铝镓合金材料algan中的实际流通性去对应减少al组分，所以阶梯型algan层提高空穴注入效率有限；2、虽然阶梯型p-algan空穴注入层相较于传统结构改善了由于最后一层量子势垒（lqb）与p-algan空穴注入层之间的界面极化导致能带弯曲的问题，但最后一层量子势垒（lqb）与阶梯型p-algan空穴注入层界面附近的导带还不够平坦，还是有明显的能带弯曲现象，说明该界面的电子聚焦仍然很多，从而导致严重的电子泄露。因此有必要寻求一种更为科学合理的结构设计来保证高电子束缚能力和空穴注入效率。
18.如图2的（c）所示，样品c在p-algan空穴注入层上与样品a存在区别，具体的，样品c的p-algan空穴注入层中，al组分被设置为如铝镓合金相图中al在120℃-20℃的最大溶解度曲线递减，最终al组分至40%。
19.以上样品c对应的新型algan基深紫外发光二极管结构的制备方法，包括如下步骤：步骤1：以（0001）方向为轴，设置100 μm厚的蓝宝石衬底。
20.步骤2：在蓝宝石衬底上依次制备厚度为1.5μm的未掺杂的aln层，厚度为2.3μm的n型al
0.6
ga
0.4
n层，n型掺杂浓度nd=5.0*10
18
cm-3
，然后制备由5个周期的量子阱层和量子势垒组成的多量子阱(mqws)有源区，其中每个周期中量子阱层为3nm厚，量子势垒为12nm厚，量子阱层为n-al
0.4
ga
0.6
n，量子势垒为p-al
0.5
ga
0.5
n，第一层量子阱层在n型al
0.6
ga
0.4
n层之上。
21.步骤3：接着多量子阱有源区之上设置10nm厚的掺mg浓度为5.0*10
17
cm-3
的p型al
0.65
ga
0.35
的电子阻挡层（ebl）。
22.步骤4：接着制备30nm厚的mg掺杂的p-algan空穴注入层，p型掺杂=2.0*10
25
cm-3
，该新型空穴注入层中从上往下，al组分被设置为如铝镓合金相图中al在120℃-20℃的最大溶解度曲线降低，最终al组分降低至40%。
23.步骤5：p-algan空穴注入层之上 覆盖120nm厚的gan层，p型掺杂=1.0*10
25
cm-3
。
24.本发明采用apsys软件进行仿真计算，在适当的边界条件下求解波函数及电流连续性方程。考虑到极化效应，将极化水平参数设置为40%，也即极化电荷的60%因应变弛豫而释放，在所有结构层中的内部吸收速率为2000m-1
，价带与导带带隙比δec/δeg设为0.7，对于有源区中的每一对量子阱而言，假设其辐射复合寿命设5ns，俄歇系数取1.0*10-30
cm6s-1
，工作温度设定400k。
25.表1在电流注入120ma时各器件的iqe和powerled结构maximumiqe(%)efficiencydroop@120ma/cm2（%）power(mw)样品a41.428.0824.1样品b46.119.8428.9样品c47.216.6830.5由图3和表1可知，传统的led器件，iqe效率不高，且在电流增大后会有效率陡降现象，改进后的样品c相比于样品a和样品b均有提高，最大内量子效率均提高6%左右，efficiency droop改善了40.6%和15.9%，功率则是提高了26%和5.5%。
26.在图4中，绘制了三个样品在注入电流为100a/cm2时模拟的能带结构以及准费米能级所处的位置，探究了不同p-algan层设计下各结构的性能差异及其物理机制。对于样品c，计算得到的有效电子势垒为530.72mev，远高于样品a和b的464.75mev和526.34mev。另外，样品c的有效空穴势垒高度为454.58mev，远小于样品a、样品b的592.66mev、486.02mev，上述结果表明，基于铝镓合金相图的空穴注入层中al组分递减结构可以大大提高电子的约束力以及空穴的注入效率。此外，样品 a和样品b的导带在靠近最后一层量子势垒的p-algan界面处明显弯曲，这正是由于极化效应引起的，因此，大量的电子会聚集在这个界面上，导致更多的电子可能跃过或隧穿到algan层，继而内量子效率减小，当注入电流显著增加时，这种下降趋势会更加严重，把图4的各样本图中标记的区域相比，样品c在最后一层量子势垒与algan界面附近的导带分布较为平坦，说明该界面的电子聚集的较少，这也说明了c样品具有更好的防止电子泄露能力。
27.为了验证上述结果，继续计算了不同样品algan层两端的平均电场强度（efs），如图5所示，最后一层量子势垒与aigan层界面处的平均电场强度分别为-0.104、-0.539和-0.582mv/cm。除此之外，三个样品中algan层与gan层之间界面处的平均电场强度分别为-0.78mv/cm、-1.27mv/cm和-2.39mv/cm。上述数据表明，基于铝镓合金相图的空穴注入层中al组分递减结构，可以显著地降低algan层两侧的极化电荷积累，最后一层量子势垒与p-algan空穴注入层之间向下的能带弯曲受向下的负静电场的影响，会增加电子的有效势垒高度，同时减小空穴的有效势垒高度，这将有助于实现载流子的注入平衡，即同时保证电子的约束力增强又保证空穴可以有效的进入有源区内，此外，较强的平均电场强度将有利于减小载波函数的重叠。
28.如图6所示，样品a、样品b在有源区的电子浓度较为接近。相比之下，样品c在每个量子阱中的电子浓度都非常高，此外，图中三个样品中p型区域的电子浓度差异很大，样品b
的p型区电子浓度高于样品c，说明样品c的结构设计具有更好的电子阻挡效果。
29.通过仿真计算得到的样品a、b、c的载流子浓度如图7所示。图中描述了电子泄露状态，同时也计算出样品b及样品c在有源区内的平均空穴浓度，相较于参考样品a，样品b和样品c的平均空穴浓度分别是样品a的3.89倍和4.25倍。这些结果与上述实验结果也是一致的。
30.图8中进一步显示了三个样品在有源区内的辐射复合速率(rrr)。样品b的辐射复合速率比样品a增加了6.08倍，而样品c的rrr比样品a增加了7.59倍。这个结论与图3所示的光输出功率结果相对应，进一步说明了通过基于铝镓合金相图的空穴注入层中al组分递减结构明显促进了辐射复合的效率。
31.本发明针对algan基深紫外发光二极管效率低的空穴注入和严重的电子泄露的问题，对aigan基深紫外led的载流子注入行为进行了深入研究，提出了一种基于铝镓合金相图的新型深紫外发光二极管空穴注入层结构。结果表明，这种基于铝镓合金相图对al组分进行渐变式结构能够有效地保持较高的电子约束能力和较高的空穴注入效率，从而显著提高量子阱中的辐射复合率，大大提高器件的性能。
32.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种深紫外发光二极管结构，其特征在于，包括：蓝宝石衬底、未掺杂的aln层、n型algan层、多量子阱有源区、p型algan的电子阻挡层、p-algan空穴注入层，以及gan层；蓝宝石衬底为最底层；未掺杂的aln层在所述蓝宝石衬底之上；n型algan层在所述未掺杂的aln层之上；由量子阱层和量子势垒交替堆叠构成的多量子阱有源区在所述n型algan层之上，其中第一层量子阱层在所述n型algan层之上；p型algan的电子阻挡层在所述多量子阱有源区之上；p-algan空穴注入层在所述p型algan的电子阻挡层之上；gan层在所述p-algan空穴注入层之上；所述p-algan空穴注入层中从上往下，al组分按照铝镓合金相图中al在120℃-20℃的最大溶解度曲线降低。2.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管结构，其特征在于，所述p-algan空穴注入层中，最终al组分降低至40%。

技术总结
本发明公开了一种深紫外发光二极管结构，针对AlGaN基深紫外发光二极管效率低的空穴注入和严重的电子泄露问题，基于铝镓合金相图对结构的p-AlGaN空穴注入层中Al组分进行渐变式设计，具体的，深紫外发光二极管结构的p-AlGaN空穴注入层中从上往下，Al组分按照铝镓合金相图中Al在120℃-20℃的最大溶解度曲线降低，该结构能够有效地保持较高的电子约束能力和较高的空穴注入效率，从而显著提高量子阱中的辐射复合率，大大提高器件的性能。大大提高器件的性能。大大提高器件的性能。


技术研发人员：田维原 周康 王彬 熊傲然 张永生
受保护的技术使用者：江苏游隼微电子有限公司
技术研发日：2023.08.02
技术公布日：2023/9/9