[发明专利]一种AlInGaN基光电二极管的外延结构

说明书

本发明公开了一种AlInGaN基光电二极管的外延结构，包括衬底、依次形成于衬底上的缓冲层、n型AlInGaN层、具有V坑的AlInGaN超晶格层、具有V坑的n区AlInGaN电子阻挡层、具有V坑的AlInGaN基多量子阱层、具有V坑的p区AlInGaN电子阻挡层、p型AlInGaN层，特征是：所述具有V坑的n区AlInGaN电子阻挡层的V坑侧壁厚度大于平台厚度；所述具有V坑的n区AlInGaN电子阻挡层和具有V坑的AlInGaN基多量子阱层之间含有具有V坑的n型AlInGaN高掺杂层；所述具有V坑的p区AlInGaN电子阻挡层的V坑侧壁厚度小于平台厚度；所述具有V坑的p区AlInGaN电子阻挡层和p型AlInGaN层之间含有合并V坑的p型AlInGaN高掺杂层。本发明具有提高空穴注入和收集的效率、调控电子和空穴注入和收集途径的作用，可应用于Micro‑LED、光电探测器、太阳电池。

技术领域

本发明涉及半导体光电子及显示技术领域，尤其涉及一种AlInGaN基光电二极管的外延结构。

背景技术

随着信息技术的日益更新，人们生活方式发生了深刻的变化。GaN基材料为代表的III族氮化物半导体具有禁带宽度宽、直接带隙、电子迁移率高、击穿电场高、电子饱和漂移速度高、热导率高、介电常数较小、耐高温、抗辐射性强、化学稳定性高等一系列特点，可通过调节其三元或四元化合物的组分可广泛用于光电探测器、太阳电池、LED照明和显示等领域。

GaN基LED芯片的尺寸缩小至几十微米甚至几微米时，称之为Micro-LED，Micro-LED在高分辨率显示、高速可见光通信、微型投影仪和可穿戴电子等领域具有重要的价值，但随着器件尺寸的减小，Micro-LED的侧边易产生漏电，侧边悬空键会导致非辐射复合，器件的性能急剧下降。光电探测器和太阳电池都是一种将光信号转化为电信号的器件，光电探测器需在反向偏压下工作，但本质都是电场分离光生电子空穴对，使光生电子被n区收集，光生空穴被p区收集。通常InGaN体系的光电探测器主要为PIN或MSM结构，太阳电池主要为异质结结构，光生载流子包括光生电子和光生空穴，光生空穴的迁移率低于光生电子，光生载流子的收集效率是限制光电探测器和太阳电池光电流大小的关键因素，而光生载流子的收集效率与器件内部的电场密切相关。对于InGaN和GaN材料体系而言，材料中存在强的自发极化效应，同时由于InGaN层受到双轴压应力会另外产生一个压电极化电场，将对光生载流子的输运效果产生重要影响，同时高In组分的InGaN光电探测器和太阳电池的阱垒界面势垒会对光生载流子的输运产生不利的影响。授权公告号为CN106298990B的中国发明专利“一种利用自发极化电场的非极性太阳能电池”，其非极性外延层面内存在平行于外延层面的单一方向的自发极化电场，从而有利于提高太阳能电池中光生载流子的横向分离和输运效率。授权公告号为CN107240615B的中国发明专利“一种具有非极性吸收层的紫外探测器”，其制作非极性吸收层，从而避免吸收层内的极化电场对p-n结内建电场的补偿作用，从而提高紫外探测器的光生电流。上述专利中非极性面或半极性面中的量子阱极化电荷少，极化场小，量子阱的能带倾斜减弱，因此要达到相同波长，需要含有更多的In组分，而且非极性面和半极性面上的In组分并入效率较低，需要更低的生长温度，如此会恶化量子阱的晶体质量。授权公告号为CN108269866B的中国发明专利“一种混合极性InGaN太阳能电池结构”，其光吸收层i层中的总极化电场与内建电场的方向相同，从而使极化效应不会阻碍光生载流子的分离和输运，以得到高效的InGaN太阳能电池。上述几篇专利仅针对低In组分的InGaN太阳电池和光电探测器有提升效果，且非极性和半极性的材料生长困难，晶体质量较差。目前文献报道的In组分高于25％的InGaN太阳电池，其电流-电压曲线出现“阶梯状”的异常特征，器件中光生载流子收集困难，但却并没有提出解决的方法(参见文献：Cai X M，Zheng Z W，Long H，et al.Abnormal staircase-like I-V curve in InGaN quantumwell solar cells[J].Applied Physics Letters，2018，112(16):161102.)。授权公告号为CN103400872B的中国发明专利中“表面电场增强的PIN光电探测器的结构及其制备方法”，其在靠近p电极之间的区域设置了p型重掺杂区，引入了水平方向的电场并加强了竖直方向的电场，提高了光生空穴的收集效率和器件的量子效率，但该方法引入的水平方向的电场只存在于p电极附近区域范围内，影响范围有限且制作工艺复杂，对于界面势垒较高的材料体系该种方法并不适用。