一种新型AlGaN基紫外发光二极管的制作方法

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，具体为一种新型AlGaN基紫外发光二极管。

背景技术：

紫外光波段范围为100-400nm，与可见光波段相比，紫外光光子能量更高，穿透能力更强，并且对于生物病毒有很强的杀伤力，因而紫外光源在生物化学有害物质检测、水净化、高密度存储和短波长安全通信以及军事等领域有着重大应用价值。四元化合物Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1)的能带隙范围为0.7-6.2eV，可通过改变Al和In组分进行连续的调节，使其吸收光谱的波长范围可以从200nm(深紫外)一直到1770nm(近红外)，在高亮度蓝、绿、紫光发光二极管，蓝、紫色激光器以及抗辐射、耐高温、大功率微波器件等领域有着广泛的应用潜力和良好的市场前景。

然而，与GaN基蓝光LED相比，在大电流注入条件下，紫外LED发光效率下降明显，且发光峰值波长往蓝光光谱方向移动。造成发光峰值波长蓝移的现象是由于随着注入电流的增大，内部电场因载流子屏蔽作用而逐渐减小导致的。研究结果表明，电子溢出有源区和空穴注入效率低已被证实是导致大电流驱动下效率衰减的关键因素。

ZnO是一种直接带隙宽禁带半导体材料，其室温禁带宽度为3.37eV。ZnO无论在晶格结构、晶胞参数还是在禁带宽度上都与GaN相似，且具有比GaN更高的熔点和更大的激子束缚能，又具有较低的光致发光和受激辐射的阈值以及良好的机电耦合特性、热稳定性和化学稳定性。而未掺杂的NiO薄膜材料由于本身存在大量的固有受主缺陷，从而表现为一种典型的p型半导体薄膜材料，室 温下其禁带宽度为3.6-4.0eV。另外，NiO薄膜材料具有与GaN相近的晶格常数，极大地减小了材料晶格失配带来的影响。ZnMgNiO合金的禁带宽度可以随着Mg以及Ni组分的不同得到调节。目前还没有具有p型ZnMgNiO层结构以及p型NiO/AlInGaN超晶格电子阻挡层结构紫外发光二极管及其制备方法的报道。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种新型AlGaN基紫外发光二极管。所述新型AlGaN基紫外发光二极管具有载流子在有源区的复合效率高、减少电子与空穴波函数在空间上的分离，提高载流子的辐射复合效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种新型AlGaN基紫外发光二极管，包括管体，所述管体内由下至上依次设有蓝宝石衬底、AlN成核层、非掺杂u型Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N缓冲层、n型Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N层、Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N/Al_x4In_y4Ga_1-x4-y4N量子阱有源区、p型NiO/Al_x5In_y5Ga_1-x5-y5N超晶格结构电子阻挡层、p型Zn_z1Mg_z2Ni_1-z1-z2O层和氧化铟锡透明导电层，在所述氧化铟锡透明导电层上引出p型欧姆电极，在所述n型Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N层上引出n型欧姆电极。

优选的，所述蓝宝石衬底为r面、m面或a面中的任意一种。

优选的，所述AlN成核层的厚度为20～100nm，非掺杂u型Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N缓冲层和n型Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N层的厚度均为500～1000nm，Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N/Al_x4In_y4Ga_1-x4-y4N量子阱有源区的周期数为10～15对，p型NiO/Al_x5In_y5Ga_1-x5-y5N超晶格结构电子阻挡层的厚度为20～100nm，p型Zn_z1Mg_z2Ni_1-z1-z2O层的厚度为100～250nm。

优选的，所述非掺杂u型Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N缓冲层中下标x1，y1满足如下要求： 0≤x1≤1，0≤y1≤0.5。

优选的，所述n型Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N层中，采用Si进行n型掺杂，其中Si的掺杂浓度介于1×10¹⁹～1×10²⁰cm^-3。

优选的，所述n型Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N层中下标x2，y2满足如下要求：0≤x2≤1，0≤y2≤0.5。

优选的，所述Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N/Al_x4In_y4Ga_1-x4-y4N量子阱有源区中下标x3，y3，x4，y4满足如下要求：0≤x3≤1，0≤y3≤1，0≤x4≤1，0≤y4≤1。

优选的，所述p型NiO/Al_x5In_y5Ga_1-x5-y5N超晶格结构电子阻挡层将Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N/Al_x4In_y4Ga_1-x4-y4N量子阱有源区和p型Zn_z1Mg_z2Ni_1-z1-z2O分隔开。

优选的，所述p型NiO/Al_x5In_y5Ga_1-x5-y5N超晶格结构电子阻挡层中的Al_x5In_y5Ga_1-x5-y5N层中采用掺杂Mg，其中Mg的掺杂浓度介于1×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3，所述p型NiO/Al_x5In_y5Ga_1-x5-y5N超晶格结构电子阻挡层中超晶格的重复周期数为5～10对，且下标x5，y5满足如下要求：0≤x5≤1，0≤y5≤0.2，所述p型Zn_z1Mg_z2Ni_1-z1-z2O层中采用掺杂Mg，其中Mg的掺杂浓度介于1×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3。

优选的，所述p型Zn_z1Mg_z2Ni_1-z1-z2O层中，下标z1，z2满足如下要求：0.7≤z1≤0.9，0.1≤z2≤0.3。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明，四元化合物AlInGaN材料的引入，可以使得材料的禁带宽度以及晶格常数可以独立调节，从而极大地降低了由于材料晶格失配而导致的极化电场，有效地提高外延层的晶体质量。由于p型NiO/Al_x5In_y5Ga_1-x5-y5N超晶格结构具有高吸收系数、高横向载流子迁移率，对载流子具有强的量子限制效应，作为电子阻挡层能够有效抑制电子溢出有源区。另外，采用p型Zn_y2Mg_y3Ni_1-y2-y3O层，能够极大地增加p型区的空穴浓度，降低空穴激活能，提高空穴注入效率，从而提高载流子在有源区的复合效率。同 时，采用r面、m面或者a面的蓝宝石作为衬底材料，能够得到非极性或者半极性AlGaN材料，可以从根本上消除或者削弱量子阱中由于材料极化效应引起的能带弯曲，减少电子与空穴波函数在空间上的分离，提高载流子的辐射复合效率。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为现有技术制备的发光二极管层结构示意图。

图中：1管体、101蓝宝石衬底、102AlN成核层、103非掺杂u型Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N缓冲层、104n型Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N层、105Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N/Al_x4In_y4Ga_1-x4-y4N量子阱有源区、106p型NiO/Al_x5In_y5Ga_1-x5-y5N超晶格结构电子阻挡层、107p型Zn_z1Mg_z2Ni_1-z1-z2O层、108氧化铟锡透明导电层、109p型欧姆电极、110n型欧姆电极。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：

一种新型AlGaN基紫外发光二极管，包括管体1，管体1内由下至上依次有蓝宝石衬底101、AlN成核层102、非掺杂u型Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N缓冲层103、n型Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N层104、Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N/Al_x4In_y4Ga_1-x4-y4N量子阱有源区105、p型NiO/Al_x5In_y5Ga_1-x5-y5N超晶格结构电子阻挡层106、p型Zn_z1Mg_z2Ni_1-z1-z2O层107和氧化铟锡透明导电层108，在氧化铟锡透明导电层108上引出p型欧姆电极109， 在n型Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N层104上引出n型欧姆电极110。

蓝宝石衬底101为r面、m面或a面中的任意一种，AlN成核层102的厚度为20～100nm，非掺杂u型Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N缓冲层103和n型Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N层104的厚度均为500～1000nm，Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N/Al_x4In_y4Ga_1-x4-y4N量子阱有源区105的周期数为10～15对，p型NiO/Al_x5In_y5Ga_1-x5-y5N超晶格结构电子阻挡层106的厚度为20～100nm，p型Zn_z1Mg_z2Ni_1-z1-z2O层107的厚度为100～250nm。

非掺杂u型Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N缓冲层103中下标x1，y1满足如下要求：0≤x1≤1，0≤y1≤0.5，n型Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N层104中，采用Si进行n型掺杂，其中Si的掺杂浓度介于1×10¹⁹～1×10²⁰cm^-3，n型Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N层104中下标x2，y2满足如下要求：0≤x2≤1，0≤y2≤0.5。

Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N/Al_x4In_y4Ga_1-x4-y4N量子阱有源区105中下标x3，y3，x4，y4满足如下要求：0≤x3≤1，0≤y3≤1，0≤x4≤1，0≤y4≤1，p型NiO/Al_x5In_y5Ga_1-x5-y5N超晶格结构电子阻挡层106将Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N/Al_x4In_y4Ga_1-x4-y4N量子阱有源区105和p型Zn_z1Mg_z2Ni_1-z1-z2O分隔开。

p型NiO/Al_x5In_y5Ga_1-x5-y5N超晶格结构电子阻挡层106中的Al_x5In_y5Ga_1-x5-y5N层中采用掺杂Mg，其中Mg的掺杂浓度介于1×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3，p型NiO/Al_x5In_y5Ga_1-x5-y5N超晶格结构电子阻挡层106中超晶格的重复周期数为5～10对，且下标x5，y5满足如下要求：0≤x5≤1，0≤y5≤0.2，p型Zn_z1Mg_z2Ni_1-z1-z2O层107中采用掺杂Mg，其中Mg的掺杂浓度介于1×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3，p型Zn_z1Mg_z2Ni_1-z1-z2O层107中，下标z1，z2满足如下要求：0.7≤z1≤0.9，0.1≤z2≤0.3。

四元化合物AlInGaN材料的引入，可以使得材料的禁带宽度以及晶格常数可以独立调节，从而极大地降低了由于材料晶格失配而导致的极化电场，有效地 提高外延层的晶体质量。由于p型NiO/Al_x5In_y5Ga_1-x5-y5N超晶格结构具有高吸收系数、高横向载流子迁移率，对载流子具有强的量子限制效应，作为电子阻挡层能够有效抑制电子溢出有源区。另外，采用p型Zn_y2Mg_y3Ni_1-y2-y3O层，能够极大地增加p型区的空穴浓度，降低空穴激活能，提高空穴注入效率，从而提高载流子在有源区的复合效率。同时，采用r面、m面或者a面的蓝宝石作为衬底材料，能够得到非极性或者半极性AlGaN材料，可以从根本上消除或者削弱量子阱中由于材料极化效应引起的能带弯曲，减少电子与空穴波函数在空间上的分离，提高载流子的辐射复合效率。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。