[发明专利]一种深紫外半导体发光二极管外延结构

说明书

本发明为一种深紫外半导体发光二极管外延结构。该外延结构沿着外延方向依次包括图形衬底、半导体缓冲层、n型半导体材料层、多量子阱层、p型电子阻挡层、p型半导体材料传输层；所述的图形衬底上刻蚀有凹槽，每个凹槽上，均向上垂直生长有一个空腔结构，空腔结构穿过半导体缓冲层、n型半导体材料层、多量子阱层，顶部位置为以下三种：第一种，聚合在p型电子阻挡层，空腔在p型电子阻挡层内的聚合深度为10～100nm，或者，第二种，继续穿过p型电子阻挡层，聚合在p型半导体材料传输层，空腔在p型半导体材料传输层内的聚合深度为10～500nm，或者，第三种，继续穿过p型电子阻挡层和p型半导体材料传输层，空腔不聚合，在p型半导体材料传输层表面显现为圆孔。本发明可以提高深紫外LED的内量子效率；并且量子阱中并入空腔结构，可以有效改善光的散射特性，提高深紫外发光二极管的光提取效率。

技术领域

本发明的技术方案涉及半导体器件,具体地说是一种深紫外半导体发光二极管及其制备方法。

背景技术

深紫外光是指波长小于300nm的紫外光。由于其波长较短，在传感、医学、消毒、光的固化以及水的净化等领域有极大的发展潜能。深紫外发光二极管(DUV LED)即是能发射深紫外光的发光二极管，相较于传统的汞灯，其具有使用寿命长、工作电压低、设计灵巧和无毒环保的一系列优点，因此受到了各界的广泛关注。AlGaN基DUV LED就是一种以AlGaN为p-n结的DUV LED，也是目前最为普遍的DUV LED。

常规的AlGaN基DUV LED的是生长在蓝宝石衬底上，由于蓝宝石具有高透光性和较成熟的LED工艺。但是在蓝宝石衬底上生长高Al组分的n型AlGaN会产生严重的晶格失配和热膨胀系数失配，并且Al原子在蓝宝石的表面迁移率也较低。这些缺点严格限制了在平面蓝宝石衬底(FSS)上的高铝AlGaN的晶体质量。纳米图形衬底能够释放外延层中的应力，并且通过横向外延生长过程位错弯曲从而减少外延层的位错密度。

因此当前图形蓝宝石图形衬底(PSS)已经被应用到深紫外AlGaN深紫外LED生长中。目前的PSS上的外延技术是在完全合并的AlN外延层上在生长nAlGaN、多量子阱(MQWs)及pAlGaN结构。而AlN外延工艺过程中，AlN易在纳米图形衬底上没有图形的地方优先生长出单晶外延层，然后在外延过程已经生长的外延层会缓慢横向生长，并最终在图形衬底有图形的上方合并，衬底图形的作用和目的是通过图形有效释放衬底上生长缓冲层的应力，并且通过前期由于无法直接合并而自然形成的空腔使位错向空腔边界弯曲，从而可以有效减少位错的延伸，提高外延层的质量。而在这些空气锥合并的时候会由于晶向取向不同而产生大量的位错，这些位错会直接延伸到量子阱里面，从而降低深紫外LED的内量子效率(IQE)。另外，通常AlGaN基深紫外LED采用pGaN作为空穴传输层和欧姆接触层，其对光存在大量的吸收，尽管PSS引入了散射中心，但是在这些散射中心上面发出的光首先是大部分被散射向pGaN，其大部分是被pGaN吸收，并不能有效提高深紫外LED的光提取效率。

发明内容

本发明的目的为针对当前技术存在的不足，提供一种深紫外半导体发光二极管外延结构及其制备方法。该结构将空腔结构延伸至p型电子阻挡层甚至p型半导体材料传输层中，量子阱结构被生长在空腔结构完全合并之前，从而减少量子阱中的位错密度，可以提高深紫外LED的内量子效率；并且量子阱中并入空腔结构，可以有效改善光的散射特性，提高深紫外发光二极管的光提取效率。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：

一种深紫外半导体发光二极管外延结构，该外延结构沿着外延方向依次包括图形衬底、半导体缓冲层、n型半导体材料层、多量子阱层、p型电子阻挡层和p型半导体材料传输层；

所述的图形衬底上刻蚀有凹槽，凹槽为凹坑或者条状，尺寸在500nm～20um之间；相邻凹槽之间的间距5～30μm；

所述的凹槽规则排列，在衬底上形成矩形阵列或环形放射状排列图形。