[发明专利]一种Mg掺杂量子阱的AlGaN基深紫外LED外延结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种利用Mg掺杂量子阱增强发光效率的AlGaN基深紫外LED外延结构及其制备方法。该深紫外LED结构包括衬底、缓冲层、AlN层、超晶格应力调控/位错过滤层、非掺杂AlGaN层、n型AlGaN层、Mg掺杂的有源发光区多量子阱层、p型AlGaN层以及p型GaN接触层。本发明在LED的多量子阱有源发光层的阱层中间三分之一进行Mg杂质掺杂，以提高LED的内量子效率和光提取效率。相比于非掺杂多量子阱结构，Mg掺杂多量子阱结构可抑制量子限制斯塔克效应，提高电子和空穴波函数的空间交叠以及辐射复合效率，并可提供更多空穴参与辐射复合，提高内量子效率。并且Mg掺杂还可引入局域应变场，加大量子阱中的压应变，提升TE偏振光比例，最终提高AlGaN基深紫外LED光提取效率。

技术领域

本发明属于半导体光电子技术领域，涉及半导体器件，特别是一种利用Mg掺杂量子阱增强发光效率的AlGaN基深紫外LED外延结构及其制备方法。

背景技术

AlGaN基的半导体深紫外LED在高密度光存储、白光照明、印刷、杀菌消毒、空气和水净化、非视距军事保密通信、生物化学、医学诊断等方面都有着重大的应用价值和广泛的市场空间。近二十多年来，在研究者和产业界多方努力下，AlGaN基深紫外LED获得了极大的发展和进步，然而AlGaN基深紫外LED目前的发光效率仍受到量子阱结构的影响。AlGaN材料具有纤锌矿晶体结构，晶体中固有的自发极化和晶格失配引起的压电极化产生强烈的内建电场，导致量子阱的能带产生弯曲。在跃迁能量减小的同时，引起电子和空穴分布在空间上分离，波函数交叠减少，形成所谓的量子限制斯塔克效应，进一步降低了电子空穴对辐射复合发光的概率，极大地削弱了辐射复合，成为限制AlGaN基深紫外LED的内量子效率重要因素。

AlGaN纤锌矿结构沿c轴方向缺乏反演对称中心亦引入了光学各向异性的问题。以往的研究表明随着Al组分的增加，AlGaN的发光由正向出射的TE偏振光快速转变为由侧向传播的TM偏振光。跟正向出射的TE偏振光相比，侧向传播的TM偏振光更容易在器件内部产生多次全反射和重吸收，因此更加难以被提取出来。在波长较短的深紫外LED中，量子阱的发光以TM偏振光为主导，导致光提取效率低。实验报道的AlGaN基深紫外LED的光提取效率在大部分的器件结构中只有不到5％，这进一步限制了LED的整体发光效率。

在解决量子限制斯塔克效应导致的低内量子效率问题上，极化场较弱的半极性面和非极性面上外延AlGaN可避免强极化引起的量子限制斯塔克效应，但半极性面和非极性面材料生长困难，层错密度高，难以应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种利用Mg掺杂量子阱增强发光效率的AlGaN基深紫外LED外延结构及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种Mg掺杂量子阱的AlGaN基深紫外LED外延结构，包括由下至上依次设置的衬底、低温AlN缓冲层、高温AlN层、AlN/AlGaN超晶格应力调控/位错过滤层、非掺杂AlGaN层、n型AlGaN层、有源发光区AlGaN/AlGaN多量子阱、p型AlGaN层以及p型GaN接触层；所述有源发光区AlGaN/AlGaN多量子阱包括周期性重复叠设的垒层和阱层，其中各阱层的中间三分之一掺杂Mg。

优选的，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、氮化铝、氮化镓、氧化镓和氧化锌衬底中的任何一种。

优选的，所述垒层Al组分比阱层Al组分高10％～40％。

优选的，所述垒层厚度为5～20nm，阱层厚度为3～10nm。

优选的，所述有源发光区AlGaN/AlGaN多量子阱的重复周期数为3～10个。

优选的，所述AlGaN阱层中间三分之一Mg掺杂浓度为1×10¹⁶～1×10¹⁹cm^-3。