[發(fā)明專(zhuān)利]一種新型AlGaN基UV-LED器件及其制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011002799.X
• 申請(qǐng)日: 2020-09-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112103376A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊洪權(quán)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院
• 主分類(lèi)號(hào): H01L33/20
• 分類(lèi)號(hào): H01L33/20;H01L33/00;H01L33/06;H01L33/32
• 代理公司: 陜西增瑞律師事務(wù)所 61219
• 代理人: 孫衛(wèi)增

本發(fā)明提供一種新型AlGaN基UV?LED器件及其制備方法，包括：襯底、AlN成核層、緩沖層、n?AlGaN層、AlInGaN多量子阱、p型AlGaN層和p型GaN冒層；在p型GaN冒層處設(shè)有窗口區(qū)，p型GaN冒層采用纖鋅礦氮化硼作為p型層材料。運(yùn)用BN作為p型層，具有高導(dǎo)電率和對(duì)紫外線透明等優(yōu)點(diǎn)，要優(yōu)于傳統(tǒng)的p型AlGaN層。將纖鋅礦結(jié)構(gòu)的氮化硼薄膜作為AlGaN基紫外LED的P型層材料，纖鋅礦結(jié)構(gòu)氮化硼的晶格常數(shù)與AlGaN材料較為匹配，相互間可以較好地進(jìn)行異質(zhì)外延；纖鋅礦結(jié)構(gòu)氮化硼的帶隙5.46eV，對(duì)大部分紫外波段都是透明的。設(shè)置窗口區(qū)可以有效的提高了光的輸出功率以及器件的外量子效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微電子技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及到是一種新型AlGaN基UV-LED器件及其制備方法。

背景技術(shù)

研究、開(kāi)發(fā)半導(dǎo)體深紫外發(fā)光二極管(LED)是當(dāng)今寬帶隙半導(dǎo)體光電子器件的研究熱點(diǎn)。目前所用的傳統(tǒng)紫外光源是氣體激光器和汞燈，存在著低效率、體積大、不環(huán)保和電壓高等缺點(diǎn)。與之相反，半導(dǎo)體紫外光源是一種固態(tài)紫外光源，它具有效率高、壽命長(zhǎng)、體積小、質(zhì)量輕、環(huán)境友好、電壓低等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)防技術(shù)、信息科技、生物制藥、環(huán)境監(jiān)測(cè)、公共衛(wèi)生等領(lǐng)域具有及其廣大的應(yīng)用前景。高Al組分AlGaN材料是制備短波長(zhǎng)半導(dǎo)體發(fā)光器件不可替代的材料體系，無(wú)論在民用和軍用方面都有重大需求。在民用方面，AlGaN基紫外(UV)光源，具有無(wú)汞污染、波長(zhǎng)可調(diào)、體積小、集成性好、能耗低、壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)勢(shì)，在殺菌消毒、癌癥檢測(cè)、皮膚病治療等醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，在二惡英、多氯聯(lián)苯、農(nóng)藥等污染物快速分解、以及水與空氣凈化等環(huán)保領(lǐng)域，在高顯色指數(shù)白光照明能源領(lǐng)域，大容量信息傳輸和存儲(chǔ)等信息領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

基于高Al組分AlGaN及其低維量子結(jié)構(gòu)材料的半導(dǎo)體UV發(fā)光器件的研究始于上世紀(jì)90年代，初期主要探索了波長(zhǎng)在370-400nm之間的近紫外LED的外延生長(zhǎng)和器件研制。隨著AlGaN研究的不斷進(jìn)步，高Al組分AlGaN材料質(zhì)量不斷改善，相繼有各種更短波長(zhǎng)的UV-LED的報(bào)導(dǎo)。2005年美國(guó)南卡羅來(lái)納州立大學(xué)的.Khan等人采用脈沖原子層MOCVD技術(shù)，在藍(lán)寶石襯底上首次外延生長(zhǎng)出發(fā)光波長(zhǎng)305nm的UV-LED；隨后幾年，該研究組相繼報(bào)導(dǎo)了240-280nm的UV-LED；2006年日本NTT基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室采用AlN基p-i-n結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)光波長(zhǎng)210nm的深紫外LED。雖然人們通過(guò)調(diào)節(jié)AlGaN材料的Al組分已實(shí)現(xiàn)了從210-360nm波段的UV-LED，但是隨著LED發(fā)光波長(zhǎng)變短，AlGaN材料的Al組分相應(yīng)增大，從材料外延生長(zhǎng)到器件制作的難度也隨之增大，光輸出功率逐漸降低。對(duì)于210nm的AlN基LED，在40mA注入電流的發(fā)光功率僅為0.02μW，離實(shí)用相距很遠(yuǎn)。近幾年，提高發(fā)光功率和效率成為國(guó)際上UV-LED研究的主要內(nèi)容。通過(guò)研究人員的不懈努力，UV-LED的發(fā)光效率有了一定進(jìn)步和提高，2008年日本理化研究所報(bào)導(dǎo)了發(fā)光波長(zhǎng)227nm的UV-LED，30mA下輸出功率0.15mW；2009年該研究所和松下電工合作，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)282nm、輸出功率10.6mW的UV-LED。然而，與GaN基藍(lán)光LED相比，目前AlGaN基UV-LED的發(fā)光功率和效率還遠(yuǎn)不能令人們滿(mǎn)意，波長(zhǎng)短于320nm的UV-LED的發(fā)光效率普遍在1％以下。導(dǎo)致高Al組分AlGaN基深紫外LED效率偏低的一個(gè)主要原因是高Al組分的AlGaN材料的p型電導(dǎo)率過(guò)低。因?yàn)長(zhǎng)ED是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體器件。電光轉(zhuǎn)換過(guò)程主要由三步驟構(gòu)成，首先是電子和空穴的注入和傳輸?shù)交钚詤^(qū)，其次是電子和空穴在活性區(qū)的輻射復(fù)合發(fā)出光子，最后是光從器件表面出來(lái)。AlGaN材料施主、受主雜質(zhì)離化能隨Al組分的增加而增大，降低了載流子的濃度，尤其是p型高Al組分的AlGaN材料的空穴濃度極低，同時(shí)補(bǔ)償中心和散射中心的增多造成其遷移率也降低，使得P型AlGaN材料的電導(dǎo)率極低，并無(wú)法與金屬電極形成良好的歐姆接觸，從而不得不采用P型GaN作為最頂上的電極接觸層。但由于GaN會(huì)強(qiáng)烈吸收紫外線，使得從正面出光的效率很低，因此傳統(tǒng)的AlGaN基紫外LED都不得不采用倒裝焊的封裝形式，讓光從底部藍(lán)寶石襯底出射，這增加了芯片的制造的復(fù)雜性，增加了成本和降低了良率。因此，如何獲得一種能夠與AlGaN材料體系匹配，具有良好P型導(dǎo)電率，而且對(duì)紫外線透明的P型材料，是目前AlGaN基紫外LED研發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題。