无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管及制备方法

无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体技术领域，适用于AlGaN基紫外和深紫外发光二极管，特别是指一种无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管及制备方法，其不用掺杂任何杂质而获得η型导电和P型导电，从而实现LED发光的方法。
【背景技术】
[0002]近年来以GaN基LED为核心的半导体照明发展迅猛，白光LED效率有了很大提高，已逐渐成为新一代照明光源。目前，无论在GaN/InGaN多量子阱的蓝绿光LED中，还是在AlGaN基的紫外LED中，其η型和ρ型导电层均采用引入掺杂杂质的方式来实现。通常η型GaN掺杂杂质为Si，ρ型GaN的掺杂杂质为Mg。然而，为了获得较高的电子和空穴浓度，势必要掺杂大量的Si或Mg原子，这将对GaN材料的晶体质量造成影响，并降低电子或空穴的迀移率。另外Mg原子的扩散还将严重影响量子阱的质量，从而导致发光效率降低。
[0003]最近，有文献报道了一种新型掺杂方法-极化掺杂。该方法利用GaN基化合物的极化效应与组分的关系，通过使组分渐变获得均匀分布的净极化负电荷或净极化正电荷，并由此诱导产生自由空穴或电子，实现η型或ρ型导电。极化掺杂方法不依赖与热电离，而是依靠组分梯度带来的极化电场对外延材料中一些固有缺陷或杂质的电场电离。因此使用极化掺杂的方法，无需引入任何掺杂剂即可实现高导电性。据报道，目前利用极化掺杂方法获得的η型GaN基材料中电子和空穴浓度均高达lE18/cm3。此浓度的电子或空穴足以实现GaN基LED的发光。

【发明内容】

[0004]本发明的目的在于，提供一种无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管结构及制备方法，其不用引入任何参杂剂，可以提高晶体材料质量，并简化材料的生长步骤。
[0005]本发明提供一种无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管，包括:
[0006]—衬底；
[0007]—无掺杂剂η型层，其制作在衬底上；
[0008]一有源区，其制作在无掺杂剂η型层上；
[0009]一无掺杂剂ρ型层，其制作在有源区上。
[0010]本发明还提供一种无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管的生长方法，其包括:
[0011]步骤1:取一衬底；
[0012]步骤2:沿衬底上生长极性面或半极性面的无掺杂剂η型层，生长过程中不引入任何主动掺杂剂，对输入生长反应室的III族金属有机源材料Al的流量和金属有机源材料镓的流量进行控制，控制反应室中TMAl/(TMGa+TMAl)的比例，形成组分渐变的无掺杂剂η型层，其中Al组分渐变满足沿极化电场方向逐渐减小；
[0013]步骤3:在无掺杂剂η型层上生长有源区；
[0014]步骤4:在有源区上生长无掺杂剂P型层，生长过程中不引入任何主动掺杂剂，对输入生长反应室的III族金属有机源材料Al的流量和金属有机源材料镓的流量进行控制，控制反应室中TMAl/(TMGa+TMAl)的比例，形成组分渐变的ρ型AlGaN层，其中Al组分渐变满足沿极化电场方向逐渐增加，完成制备。
[0015]本发明的有益效果是，其不用引入任何参杂剂，可以提高晶体材料质量，并简化材料的生长步骤。
【附图说明】
[0016]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的详细说明，其中:
[0017]图1为无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管结构截面图。
[0018]图2为无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管结构在生长过程中的结构变化流程图。
[0019]图3为无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管结构沿(0001)极性面生长过程中反应室中的TMAl与TMGa随时间的变化情况。
【具体实施方式】
[0020]请参阅图1所示，本发明提供一种无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管，包括:
[0021]—衬底 1:
[0022]—无掺杂剂η型层2，其制作在衬底I上，所述无掺杂剂η型层2的材料为组分渐变的η型厚度为50_500nm，所述组分的L值沿极化电场方向线性减小，从L/变到L2，其中O ( L2< L1S 1，以保证极化电场线性增加，从而可利用非平衡极化电场电离杂质、缺陷等产生电子，该层作用为提供用于在有源区3复合发光的电子；
[0023]一有源区3，其制作在无掺杂剂η型层2上，所述有源区3是双异质结结构、单量子阱结构或者多量子阱结构，其提供能量以激发该紫外发光二极管的辐射输出，所述单量子阱结构或者多量子阱结构有源区3，量子阱结构的个数为1-15个，阱层的厚度为2-6nm，皇层厚度为5-12nm，该阱层的材料为AlGaN，其中Al的组分为X，O < x < 1，该层作用为限制载流子，使载流子在此区域复合发光；
[0024]一无掺杂剂ρ型层4，其制作在有源区3上，所述无掺杂P型层4为组分渐变的ρ型AlMGai_MN，厚度为50-500nm，所述组分的M值沿极化电场方向线性增加，从M/变到M 2，其中O < Mi< M2S 1，以保证极化电场线性减小，从而可利用非平衡极化电场电离杂质、缺陷等产生空穴，该层作用为提供用于在有源区3复合发光的空穴。
[0025]其中组分渐变的无掺杂剂η型ALGa』层2和无掺杂剂ρ型AlMGai_MN层4的Al组分最小值满足大于等于有源区3量子阱结构中势阱AlxGahN的Al组分含量，既是O彡X彡L2<L# I且O彡XSMfM2S I，以此保障有源区3发出的光子不会被无掺杂剂η型层2和无掺杂剂ρ型层4吸收。
[0026]请参阅图2，并结合参阅图1本发明还提供一种无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管的生长方法，其包括:
[0027]步骤1:取一衬底I ;
[0028]步骤2:沿衬底I上生长极性面或半极性面的无掺杂剂η型层2，生长过程中不引入任何主动掺杂剂，对输入生长反应室的III族金属有机源材料Al的流量和金属有机源材料镓的流量进行控制，控制反应室中TMAl/ (TMGa+TMAl)的比例，形成组分渐变的无掺杂剂η型层2，其中Al组分渐变满足沿极化电场方向逐渐减小，所述无掺杂剂η型层2的材料为组分渐变的η型AlfanN,厚度为50_500nm，所述组分的L值沿极化电场方向线性减小，从L1变到L2，其中O彡L2< L1S I ;
[0029]步骤3:在无掺杂剂η型层2上生长有源区3，所述有源区3是双异质结结构、单量子阱结构或者多量子阱结构，其提供能量以激发该紫外发光二极管的辐射输出，所述单量子阱结构或者多量子阱结构有源区3，量子阱结构的个数为1-15个，阱层的厚度为2-6nm，皇层厚度为5-12nm，该阱层的材料为AlGaN，其中Al的组分为x，0彡x彡I ;
[0030]步骤4:在有源区3上生长无掺杂剂ρ型层4，生长过程中不引入任何主动掺杂剂，对输入生长反应室的III族金属有机源材料Al的流量和金属有机源材料镓的流量进行控制，控制反应室中TMAl/ (TMGa+TMAl)的比例，形成组分渐变的ρ型AlGaN 层，其中Al组分渐变满足沿极化电场方向逐渐增加，所述无掺杂P型层4为组分渐变的ρ型AlMGai_MN，厚度为50-500nm，所述组分的M值沿极化电场方向线性增加，从M1变到M2，其中O彡M2S 1，完成制备。
[0031]其中无掺杂剂η型AlLGal-LN层2和无掺杂剂ρ型AlMGal-MN层4的Al组分最小值满足大于等于有源区3量子阱结构中势阱AlxGahN的Al组分含量，既是O < x < L2< L1彡 I 且O 彡 X 彡MfM2S I。
[0032]其中步骤2和步骤4可以交换顺序，即先生长无掺杂剂P型层4，接着生长有源区3，然后再生长无掺杂剂η型层2。
[0033]参阅图3，给出了本发明一优选实施例中所述无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管结构沿(0001)极性面制作过程中反应室中的TMAl与TMGa随时间的变化情况。
[0034]取一个衬底1，在衬底I上生长无掺杂剂η型层2，如在优选的(0001)极性面生长时，由于MOCVD法生长中AlGaN材料的极化电场与生长方向相反，则TMAl/ (TMGa+TMAl)的比例随生长时间逐渐增加(如图3中所示Otl段)，便能实现Al组分沿极化电场方向逐渐减小，生长出组分渐变的无掺杂剂η型层2 ;
[0035]在无掺杂剂η型层2上生长有源区3，相应的反应室中TMAl与TMGa的比例随生长时间如图3中所示tl-t2段；
[0036]在有源区3上生长无掺杂剂ρ型层4，在优选的(0001)极性面生长时，由于MOCVD法生长中AlGaN材料的极化电场与生长方向相反，则TMAl/ (TMGa+TMAl)的比例随生长时间逐渐减小(如图3中所示t2-t3段)，便能实现Al组分沿极化电场方向逐渐增加，生长出组分渐变的无掺杂剂P型层4。
[0037]其中步骤I和步骤3可以交换顺序，即先生长组分渐变的无掺杂剂P型层，接着生长AlGaN/AlGaN双异质结结构或量子阱结构，然后再生长组分渐变的无掺杂剂η型层。
[0038]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管，包括: 一衬底； 一无掺杂剂η型层，其制作在衬底上； 一有源区，其制作在无掺杂剂η型层上； 一无掺杂剂P型层，其制作在有源区上。2.如权利要求1所述的无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管，其中所述有源区是双异质结结构、单量子阱结构或者多量子阱结构，其提供能量以激发该紫外发光二极管的辐射输出。3.如权利要求2所述的无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管，其中所述单量子阱结构或者多量子阱结构有源区，量子阱结构的个数为1-15个，阱层的厚度为2-6nm，皇层厚度为5-12nm，该阱层的材料为AlGaN，其中Al的组分为X，O彡x彡I。4.如权利要求1所述的无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管，其中所述无掺杂剂η型层的材料为组分渐变的η型Alf &1_#，厚度为50_500nm，所述组分的L值沿极化电场方向线性减小，从L1变到L2，其中O彡L2<L#1。5.如权利要求1所述的无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管，其中所述无掺杂P型层为组分渐变的P型AlMGai_MN，厚度为50-500nm，所述组分的M值沿极化电场方向线性增加，从M1变到M2，其中O SMf M2S 16.如权利要求1所述的无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管，其中组分渐变的η型AlfanN层和P型AlMGai_MN层的Al组分最小值满足大于等于有源区量子阱结构中势阱AlxGa1^N的Al组分含量，既是O彡x彡L2< L # I且O彡x彡M丨< M 2彡I。7.一种无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管的生长方法，其包括: 步骤1:取一衬底； 步骤2:沿衬底上生长极性面或半极性面的无掺杂剂η型层，生长过程中不引入任何主动掺杂剂，对输入生长反应室的III族金属有机源材料Al的流量和金属有机源材料镓的流量进行控制，控制反应室中TMAl/ (TMGa+TMAl)的比例，形成组分渐变的无掺杂剂η型层，其中Al组分渐变满足沿极化电场方向逐渐减小； 步骤3:在无掺杂剂η型层上生长有源区； 步骤4:在有源区上生长无掺杂剂P型层，生长过程中不引入任何主动掺杂剂，对输入生长反应室的III族金属有机源材料Al的流量和金属有机源材料镓的流量进行控制，控制反应室中TMAl/(TMGa+TMAl)的比例，形成组分渐变的P型AlGaN层，其中Al组分渐变满足沿极化电场方向逐渐增加，完成制备。8.如权利要求7所述的无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管的生长方法，其中所述有源区是双异质结结构、单量子阱结构或者多量子阱结构，其提供能量以激发该紫外发光二极管的福射输出。9.如权利要求8所述的无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管的生长方法，其中所述单量子阱结构或者多量子阱结构有源区，量子阱结构的个数为1-15个，阱层的厚度为2-6nm，皇层厚度为5-12nm，该阱层的材料为AlGaN，其中Al的组分为x，0彡x彡I。10.如权利要求7所述的无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管的生长方法，其中所述无掺杂剂η型层的材料为组分渐变的η型厚度为50_500nm，所述组分的L值沿极化电场方向线性减小，从L1变到L2，其中O彡L2 SL1S I。11.如权利要求7所述的无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管的生长方法，其中所述无掺杂P型层为组分渐变的P型AlMGai_MN，厚度为50-500nm，所述组分的M值沿极化电场方向线性增加，从M1变到M2，其中O彡MfM2S I。12.如权利要求7所述的无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管的生长方法，其中组分渐变的η型Al^nN层和P型AImG^mN层的Al组分最小值满足大于等于有源区量子阱结构中势阱AlxGa1J的Al组分含量，既是O彡χ彡L2<L#1且O彡xSM^Mgl。13.如权利要求7所述的无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管的生长方法，其中步骤2和步骤4可以交换顺序，及先生长无掺杂剂组分渐变P型AlGaN层，接着生长AlGaN/AlGaN双异质结结构或量子阱结构，然后再生长无掺杂剂组分渐变η型AlGaN层。
【专利摘要】本发明一种无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管及制备方法，其中无掺杂剂的AlGaN基紫外发光二极管，包括：一衬底；一无掺杂剂n型层，其制作在衬底上；一有源区，其制作在无掺杂剂n型层上；一无掺杂剂p型层，其制作在有源区上。本发明不用引入任何参杂剂，可以提高晶体材料质量，并简化材料的生长步骤。
【IPC分类】H01L33/32, H01L33/00
【公开号】CN104882522
【申请号】CN201510308850
【发明人】张连, 张韵, 王军喜, 李晋闽
【申请人】中国科学院半导体研究所
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月8日