[发明专利]一种具有微孔结构的NiO‑AlGaN紫外发光管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体发光器件及其制备技术领域，特别是涉及一类具有微孔结构的NiO-AlGaN紫外发光管及其制备方法。

背景技术

随着第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿、白光发光二极管的问世，继半导体技术引发微电子革命之后，又在孕育一场新的产业革命———照明革命，其标志是半导体灯将逐步替代白炽灯和荧光灯。由于半导体照明(亦称固态照明)具有节能、长寿命、免维护、环保等优点，业内普遍认为，如同晶体管替代电子管一样，半导体灯替代传统的白炽灯和荧光灯，也是科学技术发展的必然和大势所趋。目前用于半导体照明的白光发光管(LED)主要是用GaN材料系的蓝光发光管涂覆黄光荧光粉构成，其发光效率不高。如果用紫外光发光管直接激发白光荧光粉发光效率会大大提高。此外，紫外光发光管在丝网印刷、聚合物固化、环境保护、曝光照明以及军事探测等领域都有重大应用价值。所以AlGaN紫外光发光管是近几年人们研究开发的热点。目前大多数的AlGaN LED是在Al₂O₃单晶衬底上外延生长多层AlGaN系材料薄膜制备的。但是由于Al₂O₃单晶和AlGaN晶格失配比和GaN晶格失配还大，所以外延生长的AlGaN系薄膜晶体质量不好，位错密度可能高达10E10～10E9/cm³，导致发光效率低。另一方面，AlGaN随着Al组分的提高，施主和受主的离化能逐渐增大，载流子浓度降低，特别是p型AlGaN解决不好，使空穴注入效率低，也导致发光效率低。

为了克服上述AlGaN材料系紫外发光管制备的这一困难，本发明提出一种新型具有微孔结构的NiO-AlGaN紫外发光管及其制备方法。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述AlGaN材料系紫外发光管的这一问题，在外延生长发光有源层之前制备一层具有微孔结构的AlGaN下限制层，对AlGaN薄膜内应力与位错高效吸收，以提高AlGaN系量子阱有源层晶体质量；同时利用具有高空穴浓度的p-NiO做空穴注入层，以提高空穴注入效率，提高紫外LED发光效率，从而提供一种新型具有微孔结构的NiO-AlGaN紫外发光管及其制备方法。

本发明的技术方案是：

本发明所设计的一种新型具有微孔结构的NiO-AlGaN紫外发光管(见附图1和附图说明)，其特征在于：由衬底1、衬底1上制备的AlN缓冲层2、AlN缓冲层2上制备的下限制层3、下限制层3上制备的相互分立的AlGaN材料系多量子阱发光层4和下电极7、多量子阱发光层4上制备的p型AlGaN上限制层5、p型上限制层5上面制备的p型空穴注入层6、空穴注入层6上面制备的上电极8构成，衬底1是Al₂O₃单晶片，下限制层3是两次生长得到的内部具有椭球形微孔结构的n-Al_x1Ga_1-x1N外延层(第一次生长时n-Al_x1Ga_1-x1N下限制层3的厚度为1～3微米，第二次生长时下限制层3的厚度为2～200纳米)，p型空穴注入层6是p型NiO薄膜，p型AlGaN上限制层5的厚度为5～150nm，以使p型空穴注入层的空穴能有效的注入到多量子阱发光层4中，多量子阱发光层4由5～10对量子阱组成，阱层与垒层由Al组分不同的AlGaN材料制成，垒层材料为Al_x2Ga_1-x2N，阱层材料为Al_x3Ga_1-x3N；其中，0≤x3≤0.8，且x1≥x2>x3；阱层厚度为2～5nm，垒层厚度为10～20nm。

该种发光管为倒装(即外延层面向下装配焊接在支架或热沉上)结构，电子与空穴在多量子阱发光层4中复合发光并出射。衬底出光，出光方向如箭头9所示。

进一步地为了克服极化效应对发光效率的影响，使器件发光效率进一步提高，可以制备非极性或半极性面AlGaN材料系多量子阱发光层4的具有微孔结构的NiO-AlGaN紫外发光管。这种器件结构的特征在于：控制具有微孔结构n-Al_x1Ga_1-x1N下限制层3的微孔上面的生长厚度(即下限制层3二次生长时的厚度)要薄，厚度控制在2～100nm之间，使微孔上面的n-AlGaN外延层表面呈现更多的非极性面或半极性面，这样在下限制层3上外延生长的多量子阱发光层4就会有更多非极性或半极性生长，如图2所示的多量子阱发光层4。