[发明专利]应变超晶格隧道结紫外LED外延结构及其制备方法

说明书

【技术领域】

本发明属于半导体发光二级管技术领域，具体涉及一种利用应变超晶格隧道结结构增强p型氮化物材料性能的紫外LED外延结构及其制备方法。

【背景技术】

紫外发光二极管（light emitting diode，以下简称LED），因其波长短、光子能量高、光束均匀等优点，在物理杀菌、高显色指数的照明以及高密度光存储等领域有着重要的应用。目前，大量的研究已经在晶体质量、高Al组分和短波长结构设计等技术方面取得了重要突破，成功制备300纳米以下的深紫外LED器件，实现毫瓦级的功率输出，并在可靠性方面取得很大进展。

然而，高Al组分的AlGaN材料会降低载流子浓度和载流子迁移率。随着Al组分的增加，Mg原子的受主激活能线性增加，使得p型掺杂激活率很低，室温下空穴浓度很低，因此，p型欧姆接触的制备变得非常困难。良好的欧姆接触决定着电注入效率，从而直接影响半导体器件的整体性能。

目前，为了提高p型层的载流子浓度，降低p型欧姆接触电阻，所采用的技术主要是利用超晶格结构的p型层，然后在p型AlGaN上再生长一层p型GaN帽层作为欧姆接触层，并通过退火条件优化来实现。但是，这些方法只能在一定范围内优化p型欧姆接触，其电阻率仍比n型欧姆接触电阻率大几个数量级，而且厚的p型GaN帽层会产生光子的吸收损耗。

一种低电阻GaN/InGaN/GaN隧道结结构，将n型GaN和p型GaN均简并掺杂，在p型GaN上再生长一层n型GaN，并利用界面极化电荷产生的强电场使量子阱上方的GaNpn结满足隧道二极管的条件，这样p型GaN价带的电子就通过隧穿效应进入到n型GaN的导带，从而在p型GaN价带留下大量空穴。而上表面的接触电极是直接做在p型GaN上的n型GaN表面的，即正负接触电极都是在n型GaN结构下实现的，这不仅避免了p型欧姆接触，实现低阻率的目标，而且保持了器件的性能完整。但是，这种方法仍是利用了重掺杂来实现简并，从而得到隧穿结，但是p型氮化物掺杂的困难仍然存在。

当一种材料处于应变系统下，并产生弹性应变时，能带会有所改变。其中，正应变分量引起导带和价带的整体移动，移动量分别为：ΔE_c＝a_c(ε_xx+ε_yy+ε_zz)，ΔE_v＝a_v(ε_xx+ε_yy+ε_zz)，其中a_c、a_v分别为半导体材料导带边和价带边液体静压力形变势，ε是各个方向的正压力产生的应变。

在晶格失配较大的情况下（7%～9%），只要晶体各层的厚度足够薄，晶格失配所形成的应力就可以通过各层的弹性应变得到调节，这样就可以生长出无失配位错的应变超晶格（Strained Superlattice，简称SSL）。利用超晶格结构可以减小位错带来的缺陷态密度，提高有效载流子浓度；此外，通过控制超晶格的应变产生的应力场可以定量地使半导体材料的导带底和价带顶整体移动，这对于实现非简并的隧穿结有着十分重要的意义。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是提供一种隧道结紫外LED外延结构及制备方法，以提高p型AlGaN层的空穴载流子浓度，解决欧姆接触瓶颈问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种应变超晶格隧道结紫外LED外延结构，包括外延生长衬底，以及依次生长在外延生长衬底上的AlN缓冲层、n型AlGaN层、周期性多层量子阱、电子阻挡层、应变超晶格、n型简并掺杂AlGaN层、n型Si掺杂AlGaN帽层；其中，所述应变超晶格包括p型AlGaN层以及在其上继续生长的单层或多层Al_yGa_1-yN/Al_xGa_1-xN，其中，y>x>0.65。

作为本发明的优选实施例，所述多层量子肼的材料为Al_0.65Ga_0.35N/Al_0.7Ga_0.3N，交替生长。

作为本发明的优选实施例，所述电子阻挡层的材料为Al_0.8Ga_0.2N/Al_0.77Ga_0.23N。