[发明专利]一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构及其制造方法

说明书

本发明涉及一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构及其制造方法，本发明针对基于隧穿效应的紫外发光二极管进行光提取结构优化处理。采用n‑p‑n型隧穿结构的紫外发光二极管非常有效的规避了传统p型氮化镓在紫外二极管的pn结构中对紫外光的吸收，即，采用n型氮化铝镓（其铝组分足够高，使得其能带带宽对来自有源层的紫外光基本透光）和一层非常薄的n型或者非掺杂氮化镓（5纳米及以下），以及一层p型氮化铝镓（其铝组分足够高，使得其能带带宽对来自有源层的紫外光基本透光）的基于隧穿效应的载子注入结构。采用此结构的紫外发光二极管，需结合新型光提取结构和技术，才能将传统紫外发光二极管中被吸收的紫外光，有效的从p面提取出来。

技术领域

本发明涉及半导体的技术领域，尤其是指一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构及其制造方法。

背景技术

基于氮化铟镓和铝铟镓磷材料系统的可见光谱LED已经成熟，目前正在批量生产。然而，紫外光LED的发展仍然受到许多困难的阻碍，包括氮化铝镓合金的基本材料性能，特别是高铝含量的合金。例如，与外部量子效率大于50%（EQE，提取光子与注入电子-空穴对的比率）的可见光谱范围内的LED相比，发射小于300纳米的深紫外LED仅具有可达1%的EQE。预计发射波长在230-350纳米范围内的紫外发光二极管将有广泛的应用，其中大部分基于紫外辐射和生物材料之间的相互作用。典型应用包括表面消毒、水净化、医疗设备和生物化学、超高密度光记录光源、白光照明、荧光分析、传感和零排放车辆。尽管经过多年的深入研究，紫外发光二极管，尤其是那些发射小于300纳米的，与蓝色或绿色器件相比仍然效率低下。

紫外发光二极管效率低下的一个重要原因来自p型氮化镓材料对紫外光的吸收。由于高铝组分的p型氮化铝镓难以提供足够的空穴浓度和导电率，紫外发光二极管仍然继续使用p型氮化镓的pn结构。于是，寻找新的p型层结构方案，同时满足对紫外线透光和高导电率，是突破紫外发光二极管效率限制的关键因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构及其制造方法，其具有将传统紫外发光二极管中被吸收的紫外光，有效的从p面提取出来的效果。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构，包含设置在衬底和氮化铝缓冲层上的第一层n-型氮化铝镓，氮化铝镓有源层，p-型氮化铝镓，和沿着外延生长方向置于p-型氮化铝镓上方的第二层n-型氮化铝镓结构，所述氮化铝镓有源层的主发光波长介于255纳米到340纳米之间，在p-型氮化铝镓外延层和第二层n-型氮化铝镓外延层的中间，包含一个主要为氮化镓的外延层，其能带带宽小于上述p-型氮化铝镓和第二层n-型氮化铝镓外延层，在第二层n-型氮化铝镓的表面有粗化结构。

优选的，所述第二层n-型氮化铝镓层，其厚度为100纳米。

优选的，所述第二层n-型氮化铝镓层，其厚度为100纳米至200纳米。

优选的，所述第二层n-型氮化铝镓层，其厚度为100纳米至300纳米。

优选的，所述第二层n-型氮化铝镓层，其厚度为200纳米至500纳米。

优选的，所述第二层n-型氮化铝镓层，其厚度为该紫外发光二极管发光主波长的0.8倍到3倍之间。

一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构的制造方法，所述粗化结构通过湿法刻蚀和光刻掩膜工艺形成，使得第二层n-型氮化铝镓的表面形成金字塔形状的微观结构。

一种基于氮化铝镓材料的发光二极管外延结构的制造方法，所述粗化结构通过干法刻蚀和光刻掩膜工艺，使得第二层n-型氮化铝镓的表面出现在x-y平面（即，与外延生长方向垂直的二维平面）的不连续性，且该类不连续性可以破坏紫外光在该外延层内的传输（即，破坏光在该平面的波导传输或全反射）而促进出光。