应变超晶格隧道结紫外LED外延结构及其制备方法

摘要

本发明提供了一种应变超晶格隧道结紫外LED外延结构及其制备方法，外延结构自上而下为：外延生长衬底，AlN缓冲层、n型AlGaN层、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层；应变超晶格包括p型AlGaN层及Al

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。

作为本发明的优选实施例，所述单层或多层Al_yGa_1-yN/Al_xGa_1-xN为 Mg和Si-δ共掺。

作为本发明的优选实施例，所述超晶格中Al_xGa_1-xN中Al组分高于 量子阱材料中的Al组分以保证有源层发出的光子不被吸收。

作为本发明的优选实施例，所述n型简并掺杂AlGaN层的掺杂浓 度大于1×10¹⁹cm^-3，以使其能带为简并态，利于遂穿结的形成。

作为本发明的优选实施例，所述n型Si掺杂AlGaN帽层的掺杂浓 度大于1×10¹⁸cm^-3，作为制作器件的阳极欧姆接触层。

一种制备应变超晶格隧道结紫外LED外延结构的制备方法，包括以下 步骤：

（1）在外延生长衬底上制备AlN缓冲层，AlN缓冲层的厚度为 10nm～500nm；

（2）在生长好AlN缓冲层的外延生长衬底上生长Si掺杂n型 Al_0.77Ga_0.23N层；

（3）在n型AlGaN层上交替生长多量子阱层；多量子阱层材料 为Al_0.65Ga_0.35N/Al_0.7Ga_0.3N；

（4）在最顶层量子阱层上生长多层电子阻挡层，电子阻挡层材 料为Al_0.8Ga_0.2N/Al_0.77Ga_0.23N；

（5）在电子阻挡层上生长p型Al_0.77Ga_0.23N以及 Al_0.77Ga_0.23N/AlN SSL；

（6）在Al_0.77Ga_0.23N/AlN SSL上生长一薄层重掺杂n型 Al_0.77Ga_0.23N，然后在重掺杂n型Al_0.77Ga_0.23N上再生长一 层较轻掺杂n型Al_0.77Ga_0.23N。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明利用超晶格结 构所产生的应变场来影响能带结构。在超晶格能带结构中，AlGaN的能 带在极化电场的作用下，整体向低能量方向移动。超晶格结构再与重掺 杂的n型AlGaN接触后，形成p-AlGaN/SSL/n*-AlGaN隧道结，p型AlGaN 价带中的电子在外电场的作用下，通过隧道效应隧穿到n型AlGaN一侧， 在p型AlGaN形成空穴，即空穴载流子。同时，表层材料由p型AlGaN 变为n-AlGaN，避免了p型欧姆接触的问题，由n型接触电极作为LED 器件的阳极，极大地降低了电阻率，提高电流扩展性能，从而增强器件 的性能。

【附图说明】

图1是本发明含SSL隧道结的紫外LED外延结构示意图。

图2是电子阻挡层的结构示意图。

图3是Al_yGa_1-yN/Al_xGa_1-xN应变超晶格结构示意图。

图4是形成隧道结的能带示意图。

其中，1-外延生长衬底，2-AlN缓冲层，3-n型Si掺杂AlGaN层， 4-周期性多层量子阱，5-多层厚度渐变结构电子阻挡层，6-p型AlGaN 层、Al_yGa_1-yN/Al_xGa_1-xN超晶格，601-隧道结，7-n型简并Si掺杂AlGaN 层，8-n型Si掺杂AlGaN层，51-Al_0.8Ga_0.2N，52-Al_0.77Ga_0.23N，61-Al_yGa_1-yN， 62-Al_xGa_1-xN。

【具体实施方式】

本发明提供了一种隧道结增强型紫外LED外延结构的制造方法， 利用超晶格产生的应变场使SSL结构中AlGaN材料能带整体向低能量 方向移动，与n型AlGaN形成p-AlGaN/SSL/n*-AlGaN隧道结，提供空 穴载流子。至少包括以下步骤：

采用MOCVD（Metal-organic Chemical Vapor Depositiong，金属有 机化合物化学气相沉积）或PAMBE系统进行外延生长：

1）在外延衬底1上制备AlN缓冲层2，厚度为10nm～500nm；

2）在生长好AlN缓冲层2的衬底1上生长Si掺杂n型Al_0.77Ga_0.23N 层3；

3）在n型AlGaN层3上交替生长5个多量子阱层4；多量子阱层 材料为Al_0.65Ga_0.35N/Al_0.7Ga_0.3N；

4）在最顶层量子阱层上生长多层电子阻挡层5，电子阻挡层5厚度 渐变。材料为Al_0.8Ga_0.2N/Al_0.77Ga_0.23N。

5）在电子阻挡层上生长p型Al_0.77Ga_0.23N以及Al_0.77Ga_0.23N/AlN SSL；

6）在Al_0.77Ga_0.23N/AlN SSL上生长一薄层重掺杂n型Al_0.77Ga_0.23N， 然后在重掺杂n型Al_0.77Ga_0.23N上再生长一层较轻掺杂n型Al_0.77Ga_0.23N。

在制备隧道结时，可以根据所需隧道结的特性来选择相应的材料、 掺杂剂和掺杂浓度。隧道结材料若选用AlGaN/AlN SSL和n型AlGaN 制备时，用Mg和Si-δ共掺、Si元素分别作为AlGaN/AlN SSL和n型 AlGaN的掺杂剂，p型AlGaN区厚度相对较薄。

上述第2）步中，n型Al_0.77Ga_0.23N的Al组分所占比例根据量子阱 中心材料来进行适当的选择但必须比量子肼中Al组分高，以确保有源层 发出的光子不被吸收。

上述第3）步中，多量子阱层反光中心材料Al_0.65Ga_0.35N的Al组分 所占比例由所需要的波长决定。若选用Al_0.65Ga_0.35N作为量子阱发光中 心材料，所发光的中心波长是248nm。

上述第5）步中Al_0.77Ga_0.23N/AlN超晶格层数和厚度都是依据p型 AlGaN的Al组分进行变更，AlGaN/AlN超晶格的层数在1-10层之间变 更。每层的厚度均在0.5-2nm之间变更。

下面结合附图和具体实施例对本发明结构和制备方法进行进一步 说明。在具体的器件设计和制造中，本发明提出的紫外LED结构将根据 应用领域和工艺制程实施的需要，对其部分结构和材料作出修改和变通。

实施例详细描述本发明所述的应变超晶格隧道结增强型紫外LED 的制备过程，并对相关参数进行具体说明。

（1）选用蓝宝石作为外延生长衬底，首先在蓝宝石衬底1沿[0001]方向 上制备AlN缓冲层2，厚度为10nm-500nm。

（2）在低温的AlN缓冲层2上依次生长n型Si掺杂AlGaN层3、周期 性多层量子阱4，多层渐变的电子阻挡层5。

（3）生长完电子阻挡层5后继续生长p型AlGaN，以及Mg和Si-δ共 掺的单层或多层Al_yGa_1-yN/Al_xGa_1-xN应变超晶格6。其结构见图3。超晶 格中Al_xGa_1-xN中Al组分高于量子阱材料中的Al组分。超晶格的两种 材料的Al组分大小关系为y>x>0.65。超晶格中Al_xGa_1-xN和Al_yGa_1-yN 的厚度均在0.5nm-2nm之间。Al_yGa_1-yN/Al_xGa_1-xN应变超晶格的层数为 1-20之间。

（4）在Al_yGa_1-yN/Al_xGa_1-xN应变超晶格6上再生长一层重掺杂的n型 Si掺杂的AlGaN层7，掺杂浓度大于1×10¹⁹cm^-3，以使其能带为简并态， 利于遂穿结的形成。其厚度在1nm-500nm之间

（5）在简并掺杂的n型AlGaN层7上再生长一层较低掺杂浓度的Si掺 杂n型AlGaN层，掺杂浓度大于1×10¹⁸cm^-3，作为制作器件的阳极欧姆 接触层。

如图2所示电子阻挡层为多层AlGaN结构。阻挡层宽度是渐变结 构。电子阻挡层的层数为1-10层，厚度为2nm-10nm。根据不同的需要， 电子阻挡层厚度可以固定，也可以是渐变的。

如图3所示，使用Mg和Si-δ共掺的多层Al_yGa_1-yN/Al_xGa_1-xN应变 超晶格结构。其中，Al_yGa_1-yN层处于张应变状态，而Al_xGa_1-xN层处于 压应变状态，于是在Al_yGa_1-yN和Al_xGa_1-xN层中分别形成沿[0001]和 [000-1]方向的应变极化电场。该电场将导致超晶格中AlGaN的导带和价 带整体向低能量方向移动。参见图4，当p型AlGaN的价带能级高于应 变超晶格另一侧的n型AlGaN的导带能级时，而且应变超晶格层的厚度 很薄，就形成了隧道结601，这时p区价带的电子就可以通过这个隧道 结进入到n区导带，而在p区留下空穴。

参见图1-图4，为本发明所述的应变超晶格隧道结紫外LED外延结 构，其中包括：

—外延生长衬底1；

—AlN缓冲层2，位于该外延生长衬底1上；

—n型AlGaN层3，位于该AlN缓冲层2上；

—周期性多层量子阱4，位于该n型AlGaN层3上；

—电子阻挡层5，位于该多层量子阱4上；

—p型AlGaN层、Mg和Si-δ共掺的多层Al_yGa_1-yN/Al_xGa_1-xN应变 超晶格6，位于该电子阻挡层5上；

—n型简并掺杂AlGaN层7，位于该多层Al_yGa_1-yN/Al_xGa_1-xN应变超 晶格6上；

—n型Si掺杂AlGaN帽层8，位于该n型简并掺杂AlGaN层7上。

本发明在在外延生长衬底上以AlN缓冲层为起始层，接着按顺序依 次生长n型AlGaN层、多量子阱区、电子阻挡层、p型AlGaN层、 Al_yGa_1-yN/Al_xGa_1-xN应变超晶格、n型简并掺杂AlGaN层、n型AlGaN 帽层。利用Mg和Si-δ共掺的多层Al_yGa_1-yN/Al_xGa_1-xN应变超晶格改造 能带，使大量电子通过隧道结进入其上的n型AlGaN，从而在p区留下 了大量空穴载流子，为有源区发光提供了足够的空穴载流子浓度。此外， 上表层的n型AlGaN结构作为器件阳极接触层，解决了欧姆接触的问题， 降低器件开启电压，提高电流扩展能力。该方法制备的紫外LED芯片摆 脱了p型层掺杂困难，以及欧姆接触难以制作的困难，极大的改善了紫 外LED器件的性能。

本发明的优点包括：

1）利用Mg和Si-δ共掺的多层AlGaN/AlN SSL结构产生的应力场 来实现SSL中AlGaN的能带整体向低能量方向移动，从而与p型AlGaN 和重掺杂至简并态的n型AlGaN共同形成隧道结。这种方法利用应力实 现隧道结结构，而不是依靠单纯的Mg元素重掺杂实现简并态。

2）大量电子通过隧道结从p型材料的价带遂穿进入n型材料的导 带，这样就会在p型层中留下大量空穴载流子。这种方法解决了p型材 料Mg元素掺杂困难的问题，提高了载流子浓度。

3）在p型层表面覆盖了n型AlGaN，阳极欧姆接触就可以直接在 n型材料上制作，大大提高了欧姆接触性能，降低接触电阻，提高电流 扩展能力。