一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片及其制备方法技术

一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片及其制备方法，属于半导体发光器件技术领域。该芯片由衬底、AlN模板层、组分渐变Al

AlGaN based UV LED chip with dual polarization induced doping layer and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体发光器件
，具体涉及一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着III族氮化物半导体LED技术的不断发展，其市场应用前景也在不断扩大，特别是AlGaN基紫外LED，在空气净化、消毒杀菌等领域具有较大应用潜力。AlGaN作为直接带隙半导体材料，通过调控Al组分，其禁带宽度在3.4～6.2eV之间连续可调，发光波长覆盖范围为365～200nm，是制备紫外LED的理想材料。与紫外汞灯、氙灯等传统紫外光源相比，AlGaN基紫外LED具有高效节能、安全环保、可靠耐用、体积小等优点。然而，目前AlGaN基紫外LED的发光效率较低，大多在10％以下，而且随着波长变短其发光效率呈指数函数下降。AlGaN材料通常通过Mg受主掺杂实现p型，而AlGaN材料中Mg受主激活能较大且会随Al组分增加而线性增大(从GaN材料的150meV增加至AlN材料的600meV)。高的Mg受主激活能使得AlGaN材料p型掺杂困难，即其空穴浓度较低，这是导致AlGaN基紫外LED发光效率低的重要原因之一。同时，随着AlGaN材料Al组分的增加，材料中Si施主的激活能也会逐渐增大(从GaN的约20meV增加至AlN的约250meV)。因此，对于短波长AlGaN基紫外LED，其结构中高Al组分AlGaN的p型掺杂和n型掺杂都将十分困难，这也使得短波长AlGaN基紫外LED的发光效率更加难以提高。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的就是为解决上述AlGaN基紫外LED发光效率低的问题，从提高AlGaN材料p型和n型载流子浓度及外延层结晶质量、简化器件制作工艺和改善器件性能等方面综合考虑，提出一种具有双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片结构及其制备方法。该紫外LED器件结构中，通过组分渐变AlGaN来实现AlGaN材料的高载流子浓度极化诱导n型和p型掺杂，有利于提高AlGaN基紫外LED的发光性能，尤其是短波长AlGaN基紫外LED。
[0004]本专利技术的技术方案是：
[0005]本专利技术所设计的一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片(见附图1和附图说明)，其特征在于：其从下至上依次由衬底1、AlN模板层2、组分渐变Al
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Ga1‑
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N极化诱导n型掺杂层3、有源区发光层4、组分渐变Al
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N极化诱导p型掺杂层5组成；在组分渐变Al
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N极化诱导p型掺杂层5上设置有p电极6，将有源区发光层4、组分渐变Al
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N极化诱导p型掺杂层5进行刻蚀，露出组分渐变Al
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N极化诱导n型掺杂层3，并对组分渐变Al
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N极化诱导n型掺杂层3进行一定深度地刻蚀，然后在剩余的组分渐变Al
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N极化诱导n型掺杂层3上设置有n电极7；本专利技术采用组分渐变AlGaN来实现AlGaN材料的高载流子浓度极化诱导n型和p型掺杂，有利于提高AlGaN基紫外LED的发光性能；并且采用与双极化诱导掺杂层组分匹配的AlGaN材料作为有源区发光层，该芯片可以采用氮极性AlGaN材料或金属极性AlGaN材料进行制备。
[0006]如上所述的一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片，其特征在于：衬底1可以是蓝宝石衬底、SiC衬底、Si衬底、AlN衬底或者其它可用于氮化物外延生长的单晶衬底。
[0007]衬底1上各层材料的极性可由衬底的类型或衬底表面预处理工艺进行调控，如在碳面SiC衬底上可获得氮极性AlGaN基紫外LED，而在硅面SiC衬底上可获得金属极性AlGaN基紫外LED；在经过高温氮化处理的蓝宝石及Si衬底(温度≥900℃，处理时间在10s～10min之间)上可获得氮极性AlGaN基紫外LED，在经过低温氮化处理的蓝宝石及Si衬底上(温度≤700℃，处理时间在10s～10min之间)能获得金属极性AlGaN基紫外LED；在金属极性AlN衬底上能获得金属极性AlGaN基紫外LED，在氮极性AlN衬底上能获得氮极性AlGaN基紫外LED。
[0008]如上所述的一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片，其特征在于：组分渐变Al
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Ga1‑
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N极化诱导n型掺杂层3沿外延生长方向其Al组分从x1渐变至x2，0≤x1≤1，0≤x2≤1，厚度为10～200nm；组分渐变Al
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N极化诱导p型掺杂层5沿外延生长方向其Al组分从y1渐变至y2，0≤y1≤1，0≤y2≤1，其厚度为10～200nm。
[0009]如上所述的一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片，其特征在于：有源区发光层4为Al
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N单层或多对Al
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Ga1‑
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N/Al
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N量子阱构成，其中Al
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N单层的厚度为1～10nm，0＜z1＜1；Al
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N/Al
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N量子阱的对数为1～20对，0＜z2＜z3＜1，Al
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N厚度为1～10nm，Al
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N厚度为5～15nm。
[0010]如上所述的一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片，其特征在于：该芯片可以为氮极性AlGaN基紫外LED，即在碳面SiC衬底、在经过高温氮化处理的蓝宝石及Si衬底(温度≥900℃，处理时间在10s～10min之间)和氮极性AlN衬底1上，AlN模板层2、组分渐变Al
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N极化诱导n型掺杂层3、有源区发光层4、组分渐变Al
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N极化诱导p型掺杂层5均沿方向生长；对于氮极性AlGaN基紫外LED，组分渐变Al
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N极化诱导n型掺杂层3要求渐变组分x1＞x2，组分渐变Al
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N极化诱导p型掺杂层5要求渐变组分y1＜y2，且对于有源区发光层Al
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N单层要求Al组分z1≤x2和z1≤y1，对于有源区发光层多对Al
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N/Al
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片，其特征在于：从下至上依次由衬底(1)、AlN模板层(2)、组分渐变Al
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N极化诱导n型掺杂层(3)、有源区发光层(4)、组分渐变Al
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N极化诱导p型掺杂层(5)组成；在组分渐变Al
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N极化诱导p型掺杂层(5)上设置有p电极(6)，将有源区发光层(4)、组分渐变Al
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N极化诱导p型掺杂层(5)进行刻蚀，露出组分渐变Al
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N极化诱导n型掺杂层(3)，并对组分渐变Al
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N极化诱导n型掺杂层(3)进行一定深度地刻蚀，然后在剩余的组分渐变Al
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N极化诱导n型掺杂层(3)上设置有n电极(7)；衬底(1)是蓝宝石衬底、SiC衬底、Si衬底或AlN衬底。2.如权利要求1所述的一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片，其特征在于：组分渐变Al
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N极化诱导n型掺杂层(3)沿外延生长方向其Al组分从x1渐变至x2，0≤x1≤1，0≤x2≤1，厚度为10～200nm；组分渐变Al
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N极化诱导p型掺杂层(5)沿外延生长方向其Al组分从y1渐变至y2，0≤y1≤1，0≤y2≤1，其厚度为10～200nm；有源区发光层(4)为Al
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N单层或多对Al
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N量子阱构成，其中Al
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N单层的厚度为1～10nm，0＜z1＜1；Al
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N量子阱的对数为1～20对，0＜z2＜z3＜1，Al
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N厚度为1～10nm，Al
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N厚度为5～15nm。3.如权利要求2所述的一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片，其特征在于：芯片为氮极性AlGaN基紫外LED，衬底(1)为碳面SiC衬底、经过高温氮化处理的蓝宝石或Si衬底、氮极性AlN衬底之一，AlN模板层(2)、组分渐变Al
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N极化诱导n型掺杂层(3)、有源区发光层(4)、组分渐变Al
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N极化诱导p型掺杂层(5)均沿方向生长；其中x1＞x2，y1＜y2，z1≤x2和z1≤y1，z2＜z3≤x2和z2＜z3≤y1。4.如权利要求2所述的一种双极化诱导掺杂层的AlGaN基紫外LED芯片，其特征在于：芯片为金属极性AlGaN基紫外LED，衬底(1)为硅面SiC衬底、经过低温氮化处理的蓝宝石或Si衬底、金属极性AlN衬底之一，AlN模板层(2)、组分渐变Al
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【专利技术属性】
技术研发人员：张源涛，牛云飞，邓高强，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：