[发明专利]使用p-AlGaN作为电子阻挡层的非极性面ZnO紫外LED器件

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种采用空穴注入层作为电子 阻挡层的非极性面紫外发光二极管。

背景技术

传统的AlGaN基紫外LED器件均沿c面生长。由于GaN不具备中心对称 性，在极性轴[0001]方向上具有很强的自发极化和压电极化效应。沿此极轴 生长的量子阱结构中会存在大量的的剩余极化电荷，从而产生较高强度的内建 电场(～MV/cm量级)，使得能带倾斜，电子空穴波函数在空间分离开来，降 低辐射复合速率，从而降低了器件内量子效率。同时，能带的倾斜使得量子阱 中的能级结构变化复杂，相对势垒高度提高，使得材料的能带调控与载流子输 运变得困难。由量子阱内建电场引发的量子限制斯塔克效应从物理原理上限制 了c面量子阱内量子效率的提高，阻碍了该材料在发光器件中的应用。因此， 使器件沿非极性面生长可以减少量子限制斯塔克效应引起的内量子效率下降。

GaN、ZnO等第三代宽禁带半导体材料被广泛地应用于蓝光、紫外波段的 发光二极管或探测器。与GaN相比，ZnO具有高达60meV的激子束缚能，远 高于室温热能(26meV)。另外，ZnO还具有原材料丰富、成膜特性好、热稳 定性好等优势，在制备室温蓝紫光发光二极管、紫外探测器以及紫外半导体激 光器等方面具有重要应用前景。但由于ZnO材料自身存在大量锌填隙和氧空 位缺陷，背景电子浓度高达10¹⁸，本征点缺陷的自补偿效应，ZnO材料的p型 掺杂异常困难。为了实现ZnO材料在光发射器件领域的应用，在无法获得稳 定可控的p型ZnO的条件下，利用其它p-GaN来与n-ZnO构造异质结器件成 为一条切实可行的途径。

另外，由于在半导体材料中，空穴的迁移率与电子相比要小的多， p-GaN/n-ZnO异质结中，从n型ZnO注入的电子往往会直接迁移到p型GaN 层与其中的空穴复合发光。在GaN层复合的激子室温发光波长为365nm，属 于GaN层发光，并非所设计的ZnO层发光。为了使PN结真正地做到ZnO层 发光，大部分的做法是使用高禁带宽度的插入层，如AlN、ZnS、MgO。通过 在PN结中间生长此类插入层，p-GaN和n-ZnO的导带之间会形成高的电子势 垒，阻挡ZnO层的电子向GaN层扩散，从而保证电子空穴在ZnO层复合。此 方法的弊端是引入的插入层与上下外延层往往晶格失配大，导致晶体质量差， 从而导致内量子效率下降。为解决此问题，本发明提出使用p型Al_xGa_1-xN作 为空穴注入层的同时，将其作为电子阻挡层，确保更多的电子在ZnO层与空 穴复合发光。

发明内容

本发明提出一种非极性面紫外LED器件及其制备方法，提高了芯片内量 子效率同时确保了电子空穴在ZnO层复合发光。

为了达到上述目的，本发光采用的技术方案为：

使用p-AlGaN作为电子阻挡层的非极性面ZnO紫外LED器件，该器件结 构从下向上的顺序依次为衬底、高温AlN成核层的厚度、Al_xGa_1-xN本征层、p 型Al_xGa_1-xN层、n型ZnO厚度。

所述衬底为蓝宝石，用于生长半导体材料的切割面为r面，外延层沿非极 性a面或非极性m面生长。

在生长外延层之前，在氨气氛围下对蓝宝石衬底进行氮化处理。

所述高温AlN成核层的厚度为50～200纳米。

Al_xGa_1-xN本征层的厚度为1～2微米。

p型Al_xGa_1-xN层的厚度为0.5～1微米。

Al_xGa_1-xN本征和p型Al_xGa_1-xN层的Al组分相同，Al组分在0.05～0.55 之间。

n型ZnO层的厚度为0.5～1微米；p型Al_xGa_1-xN层上方设置有p电极，n 型ZnO层上方设有n电极。

p电极为Ni/Au电极，Ni厚度为5～40纳米，Au厚度为20～200纳米；n 电极为Ti/Au电极，Ti厚度为1～10纳米，Au厚度为20～200纳米。