使用p-AlGaN作為電子阻擋層的非極性面ZnO紫外LED器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用空穴注入層作為電子阻擋層的非極性面紫外發(fā)光二極管。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的AlGaN基紫外LED器件均沿c面生長。由于GaN不具備中心對稱性，在極性軸
[0001]方向上具有很強的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)。沿此極軸生長的量子阱結(jié)構(gòu)中會存在大量的的剩余極化電荷，從而產(chǎn)生較高強度的內(nèi)建電場(?MV/cm量級)，使得能帶傾斜，電子空穴波函數(shù)在空間分離開來，降低輻射復(fù)合速率，從而降低了器件內(nèi)量子效率。同時，能帶的傾斜使得量子阱中的能級結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜，相對勢皇高度提高，使得材料的能帶調(diào)控與載流子輸運變得困難。由量子阱內(nèi)建電場引發(fā)的量子限制斯塔克效應(yīng)從物理原理上限制了c面量子阱內(nèi)量子效率的提高，阻礙了該材料在發(fā)光器件中的應(yīng)用。因此，使器件沿非極性面生長可以減少量子限制斯塔克效應(yīng)引起的內(nèi)量子效率下降。
[0003]GaN、ZnO等第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料被廣泛地應(yīng)用于藍(lán)光、紫外波段的發(fā)光二極管或探測器。與GaN相比，ZnO具有高達(dá)60meV的激子束縛能，遠(yuǎn)高于室溫?zé)崮?26meV)。另外，Zn0還具有原材料豐富、成膜特性好、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，在制備室溫藍(lán)紫光發(fā)光二極管、紫外探測器以及紫外半導(dǎo)體激光器等方面具有重要應(yīng)用前景。但由于ZnO材料自身存在大量鋅填隙和氧空位缺陷，背景電子濃度高達(dá)1018，本征點缺陷的自補償效應(yīng)，ZnO材料的P型摻雜異常困難。為了實現(xiàn)ZnO材料在光發(fā)射器件領(lǐng)域的應(yīng)用，在無法獲得穩(wěn)定可控的P型ZnO的條件下，利用其它P-GaN來與n-ZnO構(gòu)造異質(zhì)結(jié)器件成為一條切實可行的途徑。
[0004]另外，由于在半導(dǎo)體材料中，空穴的迀移率與電子相比要小的多，p-GaN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)中，從η型ZnO注入的電子往往會直接迀移到P型GaN層與其中的空穴復(fù)合發(fā)光。在GaN層復(fù)合的激子室溫發(fā)光波長為365nm，屬于GaN層發(fā)光，并非所設(shè)計的ZnO層發(fā)光。為了使PN結(jié)真正地做到ZnO層發(fā)光，大部分的做法是使用高禁帶寬度的插入層，如AlN、ZnS、MgO。通過在PN結(jié)中間生長此類插入層，p-GaN和n-ZnO的導(dǎo)帶之間會形成高的電子勢皇，阻擋ZnO層的電子向GaN層擴散，從而保證電子空穴在ZnO層復(fù)合。此方法的弊端是引入的插入層與上下外延層往往晶格失配大，導(dǎo)致晶體質(zhì)量差，從而導(dǎo)致內(nèi)量子效率下降。為解決此問題，本發(fā)明提出使用P型AlxGa1-A作為空穴注入層的同時，將其作為電子阻擋層，確保更多的電子在ZnO層與空穴復(fù)合發(fā)光。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出一種非極性面紫外LED器件及其制備方法，提高了芯片內(nèi)量子效率同時確保了電子空穴在ZnO層復(fù)合發(fā)光。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)光采用的技術(shù)方案為:
[0007]使用ρ-AlGaN作為電子阻擋層的非極性面ZnO紫外LED器件，該器件結(jié)構(gòu)從下向上的順序依次為襯底、高溫AlN成核層的厚度、AlxGai—xN本征層、P型AlxGai—xN層、η型ZnO厚度。
[0008]所述襯底為藍(lán)寶石，用于生長半導(dǎo)體材料的切割面為r面，外延層沿非極性a面或非極性m面生長。
[0009]在生長外延層之前，在氨氣氛圍下對藍(lán)寶石襯底進行氮化處理。
[0010]所述高溫AlN成核層的厚度為50?200納米。
[0011]AlxGa1-XN本征層的厚度為I?2微米。
[0012]P型AlxGapxN層的厚度為0.5?I微米。
[0013]AlxGapxN本征和P型AlxGapxN層的Al組分相同，A1組分在0.05?0.55之間。
[0014]η型ZnO層的厚度為0.5?I微米;P型AlxGapxN層上方設(shè)置有P電極，η型ZnO層上方設(shè)有η電極。
[0015]P電極為Ni/Au電極，Ni厚度為5?40納米，Au厚度為20?200納米;η電極為Ti/Au電極，Ti厚度為I?10納米，Au厚度為20?200納米。
[0016]使用p-AlGaN作為電子阻擋層的非極性面ZnO紫外LED器件的制備方法，包括如下步驟:(I)在r面藍(lán)寶石襯底上，利用MOCVD工藝，將所述襯底升溫至850攝氏度，生長高溫AlN成核層；(2)在所述高溫AlN成核層上，將生長溫度提高至900?1100攝氏度，生長AlxGapxN本征層；(3)在所述AlxGapxN本征層上，將溫度保持在1020攝氏度，生長P型AlxGapxN電子阻擋層；(4)利用PLD進行二次外延，700攝氏度下，在所述P型AlxGa1-XN層上生長η型ZnO層，開多成非極性面紫外LED外延片；(5)使用光刻和濕法刻蝕技術(shù)，刻蝕所述外延片至P型AlxGanN層；(6)在P型AlxGanN層臺面上光刻出P型電極圖形，然后使用金屬蒸鍍技術(shù)，在P型電極圖形區(qū)沉積金屬層，并在快速退火后形成P型電極；(7)在η型ZnO層臺面上光刻出η型電極圖形。在η型電極圖形區(qū)沉積金屬層形成η型電極。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，本發(fā)明采用的技術(shù)方案的有益效果如下:
[0018]按照本發(fā)明所述方案制作的非極性面紫外LED器件自身不存在量子限制斯塔克效應(yīng)導(dǎo)致的內(nèi)量子效率下降，因而擁有更高的內(nèi)量子效率。本發(fā)明使用AlxGanN而不是GaN作為空穴注入層，有利于阻擋電子擴散至P型層，能夠在不更多地降低晶體質(zhì)量的同時，確保電子空穴在ZnO層復(fù)合發(fā)光。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明實例提供的非極性面紫外發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為本發(fā)明實例中紫外發(fā)光二極管芯片正面電極圖形。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細(xì)描述。
[0022]實施例1:
[0023]如圖1所示，本實例提供一種使用P型AlxGanN層作為非極性面紫外LED器件結(jié)構(gòu)。該器件由下至上分別為:襯底101，設(shè)置在襯底101上的高溫AlN層102，設(shè)置在高溫AlN層102上的AlxGapxN本征層103，設(shè)置在AlxGapxN本征層103上的P型AlxGapxN層104，設(shè)置在P型AlxGapxN層104上的η型ZnO層105，設(shè)置在η型ZnO層105上的η型電極106和設(shè)置在P型AlxGa1-ΧΝ層104上的P型電極107。
[0024]本實施例中，器件俯視界面為正方形，邊長400微米。襯底101為r面藍(lán)寶石。高溫AlN層102的厚度在50?200納米之間，優(yōu)選地，厚度為100納米。AlxGai—xN本征層103的厚度在I?2微米之間，優(yōu)選地，厚度為1.5微米。P型AlxGapxN層104的厚度在0.5?I微米之間，優(yōu)選地，厚度為750納米。AlxGapxN本征層103和AlxGapxN層104的Al組分在0.05?0.55之間，優(yōu)選地，組分