[发明专利]一种AlGaN基深紫外LED器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及半导体器件，特别是一种AlGaN基深紫外LED器件及其制造方法，可用于水处理、医疗与生物医学及白光照明领域。

背景技术

研究、开发半导体深紫外发光二极管（LED）是当今宽带隙半导体光电子器件的研究热点。目前所用的传统紫外光源是气体激光器和汞灯，存在着低效率、体积大、不环保和电压高等缺点。与之相反，半导体紫外光源是一种固态紫外光源，它具有效率高、寿命长、体积小、质量轻、环境友好、电压低等优点，在国防技术、信息科技、生物制药、环境监测、公共卫生等领域具有及其广大的应用前景。高Al组分AlGaN材料是制备短波长半导体发光器件不可替代的材料体系，无论在民用和军用方面都有重大需求。在民用方面，AlGaN基紫外(UV)光源，具有无汞污染、波长可调、体积小、集成性好、能耗低、寿命长等诸多优势，在杀菌消毒、癌症检测、皮肤病治疗等医疗卫生领域，在二恶英、多氯联苯、农药等污染物快速分解、以及水与空气净化等环保领域，在高显色指数白光照明能源领域，大容量信息传输和存储等信息领域具有广泛应用。

基于高Al组分AlGaN及其低维量子结构材料的半导体UV发光器件的研究始于上世纪90年代，初期主要探索了波长在370-400 nm之间的近紫外LED的外延生长和器件研制。随着AlGaN研究的不断进步，高Al组分AlGaN材料质量不断改善，相继有各种更短波长的UV-LED的报导。2005年美国南卡罗来纳州立大学的.Khan等人采用脉冲原子层MOCVD技术，在蓝宝石衬底上首次外延生长出发光波长305 nm的UV-LED；随后几年，该研究组相继报导了240-280 nm的UV-LED；2006年日本NTT基础研究实验室采用AlN基p-i-n结构，实现了发光波长210 nm的深紫外LED。虽然人们通过调节AlGaN材料的Al组分已实现了从210-360 nm波段的UV-LED，但是随着LED发光波长变短，AlGaN材料的Al组分相应增大，从材料外延生长到器件制作的难度也随之增大，光输出功率逐渐降低。对于210 nm的AlN基LED，在40 mA注入电流的发光功率仅为0.02 μW，离实用相距很远。近几年，提高发光功率和效率成为国际上UV-LED研究的主要内容。通过研究人员的不懈努力，UV-LED的发光效率有了一定进步和提高，2008年日本理化研究所报导了发光波长227 nm 的UV-LED，30 mA下输出功率0.15 mW；2009年该研究所和松下电工合作，实现了波长282 nm、输出功率10.6 mW的UV-LED。然而，与GaN基蓝光LED相比，目前AlGaN基UV-LED的发光功率和效率还远不能令人们满意，波长短于320 nm的UV-LED的发光效率普遍在1%以下。导致高Al组分AlGaN基深紫外LED效率偏低的一个主要原因是高Al组分的AlGaN材料的p型电导率过低。因为LED是一种将电能转换为光能的半导体器件。电光转换过程主要由三步骤构成，首先是电子和空穴的注入和传输到活性区，其次是电子和空穴在活性区的辐射复合发出光子，最后是光从器件表面出来。AlGaN材料施主、受主杂质离化能随Al组分的增加而增大，降低了载流子的浓度，尤其是p型高Al组分的AlGaN材料的空穴浓度极低，同时补偿中心和散射中心的增多造成其迁移率也降低，使得P型AlGaN材料的电导率极低，并无法与金属电极形成良好的欧姆接触，从而不得不采用P型GaN作为最顶上的电极接触层。但由于GaN会强烈吸收紫外线，使得从正面出光的效率很低，因此传统的AlGaN基紫外LED都不得不采用倒装焊的封装形式，让光从底部蓝宝石衬底出射，这增加了芯片的制造的复杂性，增加了成本和降低了良率。因此，如何获得一种能够与AlGaN材料体系匹配，具有良好P型导电率，而且对紫外线透明的P型材料，是目前AlGaN基紫外LED研发的关键问题。  　

发明内容

本发明目的就是在于解决上述的已有技术的关键问题，提出采用纤锌矿结构的氮化硼薄膜作为AlGaN基深紫外LED的P型层材料，提供一种AlGaN基深紫外LED器件及其制造方法。

本发明的目的是通过以下技术方案得以实施的：

一种AlGaN基深紫外LED器件，衬底是蓝宝石、碳化硅或AlN等，器件外延结构包括 AlN本征层、n型 AlGaN底层、AlGaN多量子阱有源区、p型层，其中采用纤锌矿氮化硼(WBN)作为p型层材料。