CN105449063B - 提高紫外led紫外光纯度的结构及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高紫外LED紫外光纯度的结构，包括Mg掺杂氮化镓层、活性层、高纯度不掺杂氮化镓层、Si掺杂GaN层、缓冲层和衬，其中，所述缓冲层生长在所述衬底上部；所述Si掺杂GaN层生长在所述缓冲层上部；所述活性层生长在所述高纯度不掺杂氮化镓层上部；所述Mg掺杂氮化镓层生长在所述活性层上部。本发明所述提高紫外LED紫外光纯度的结构及其方法通过引入高纯度不掺杂的氮化镓层，降低活性层中Mg元素的浓度，进而降低紫外LED中蓝色光的发光强度，提高紫外LED的紫外光纯度。

Description

提高紫外LED紫外光纯度的结构及其方法
技术领域
本发明涉及紫外LED领域，尤其涉及一种提高紫外LED紫外光纯度的结构及其方法。
背景技术
氮化镓基紫外LED是一种新兴的固态发光元器件，该种元器件在印刷行业，光固化行业以及全色彩白光照明行业有着巨大的应用潜力。如图1所示，通常先在蓝宝石衬底50上生长缓冲层40，接着生长一层掺杂有Si元素的Si掺杂氮化镓层30作为电子注入层，然后生长用于发光的活性层20，最后再生长一层掺杂有Mg元素的Mg掺杂氮化镓层10作为空穴注入层。活性层使用铟镓氮材料生长，通过改变铟元素与镓元素的比例关系来调整半导体材料的禁带宽度，这样氮化镓紫外LED的发光波长可以在360nm至410nm之间连续改变，以满足获得所需波长的紫外LED。
发明内容
在紫外LED中使用Mg元素作为掺杂剂生长p型氮化镓时，存在问题：由于Mg在氮化镓材料中的空穴电离能较高，为了获得足够浓度的空穴浓度，具有实际应用价值的Mg掺杂氮化镓中，Mg掺杂量通常达到1～3E19/cm3量级；Mg掺杂氮化镓层的晶体生长温度通常在1000K到1300K之间，由于Mg元素的离子半径较Ga元素小很多和Mg掺杂氮化镓中Mg掺杂浓度过高，因此在扩散定律的作用下，将会导致Mg元素向活性层扩散；在紫外LED中，如果Mg元素扩散至活性层中，则在其发光谱中存在一个430nm的蓝色发光峰。由于以上三个因素的作用，发光波长在360nm至410nm的紫外LED在发射紫外光的同时也会发射一定强度的蓝色光，导致紫外LED发出蓝紫色光，因此导致紫外LED的紫外光纯度降低。
为此，本发明提出了一种可以解决上述问题的至少一部分的新高紫外LED紫外光纯度的结构及其方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种提高紫外LED紫外光纯度的结构，包括Mg掺杂氮化镓层、活性层、高纯度不掺杂氮化镓层、Si掺杂GaN层、缓冲层和衬，其中，所述缓冲层生长在所述衬底上部；所述Si掺杂GaN层生长在所述缓冲层上部；所述活性层生长在所述高纯度不掺杂氮化镓层上部；所述Mg掺杂氮化镓层生长在所述活性层上部。
可选地，根据本发明的提高紫外LED紫外光纯度的结构，进一步包括：不掺杂铝镓氮帽层和Si掺杂铝镓氮层，其中，所述不掺杂铝镓氮帽层生长在所述Si掺杂铝镓氮层上部，所述高纯度不掺杂氮化镓层生长在所述不掺杂铝镓氮帽层上部。
可选地，根据本发明的提高紫外LED紫外光纯度的结构，其中，所述衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底。
可选地，根据本发明的提高紫外LED紫外光纯度的结构，其中，所述不掺杂铝镓氮帽层厚度范围为2-10nm，所述Si掺杂铝镓氮层厚度范围为0.02-0.2um。
可选地，根据本发明的提高紫外LED紫外光纯度的结构，其中，所述不掺杂铝镓氮帽层厚度为6nm，所述Si掺杂铝镓氮层厚度为0.1um。
可选地，根据本发明的提高紫外LED紫外光纯度的结构，其中，所述Mg掺杂氮化镓层厚度范围为200-300nm，所述活性层厚度范围为200-300nm，所述高纯度不掺杂氮化镓层厚度范围为200-400nm，所述Si掺杂GaN层厚度范围为1-2um，所述缓冲层厚度范围为20-30nm。
可选地，根据本发明的提高紫外LED紫外光纯度的结构，其中，所述Mg掺杂氮化镓层厚度为250nm，所述活性层厚度为250nm，所述高纯度不掺杂氮化镓层范围为300nm，所述Si掺杂GaN层厚度为1.5um，所述缓冲层厚度为25nm。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种提高紫外LED紫外光纯度的方法，所述方法包括：步骤S30：在Si掺杂GaN层上生长Si掺杂铝镓氮层，使得Si掺杂铝镓氮层的厚度为0.02-0.2um；步骤S40：在Si掺杂铝镓氮层上生长不掺杂铝镓氮帽层，使得不掺杂铝镓氮帽层的厚度为2-10nm；步骤S50：在不掺杂铝镓氮帽层上生长高纯度不掺杂氮化镓层，使得高纯度不掺杂氮化镓层的厚度为200-400nm。
可选地，根据本发明的提高紫外LED紫外光纯度的结构，进一步包括：步骤S10：在衬底上生长缓冲层，使得缓冲层的厚度为2-5um；步骤S20：在缓冲层上生长Si掺杂GaN层，使得Si掺杂GaN层的厚度为1-2um；步骤S60：在高纯度不掺杂氮化镓层上生长活性层，使得活性层的厚度为200-400nm；步骤S70：在活性层上生长Mg掺杂氮化镓层，使得Mg掺杂氮化镓层的厚度为200-300nm。
可选地，根据本发明的提高紫外LED紫外光纯度的结构，其中，步骤S10的生长条件为：利用金属有机物化学气相沉积在0.4～1bar，温度为500～650℃，N2，H2和NH3混合气氛下生长；步骤S20的生长条件为：利用金属有机物化学气相沉积在0.4～1bar，温度为1000～1100℃，N2，H2和NH3混合气氛下生长；步骤S30的生长条件为：利用金属有机物化学气相沉积在0.4～1bar，温度为1000～1100℃，N2，H2和NH3混合气氛下生长；步骤S40的生长条件为：利用金属有机物化学气相沉积在50～100mbar，温度为1000～1100℃，N2，H2和NH3混合气氛下生长；步骤S50的生长条件为：利用金属有机物化学气相沉积在50～100mbar，温度为1000～1100℃，N2，H2和NH3混合气氛下生长；步骤S60的生长条件为：利用金属有机物化学气相沉积在50～100mbar，温度为700～850℃，N2，H2和NH3混合气氛下生长；步骤S70的生长条件为：利用金属有机物化学气相沉积在50～100mbar，温度为850～1000℃，N2，H2和NH3混合气氛下生长。
本发明所述提高紫外LED紫外光纯度的结构及其方法通过引入高纯度不掺杂的氮化镓层，降低活性层中Mg元素的浓度，进而降低紫外LED中蓝色光的发光强度，提高紫外LED的紫外光纯度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中在附图中，参考数字之后的字母标记指示多个相同的部件，当泛指这些部件时，将省略其最后的字母标记。在附图中：
图1示出了现有技术中紫外LED器件结构示意图；
图2示出了根据本发明的一个实施方式的提高紫外LED紫外光纯度的结构示意图。
在附图中，使用相同或类似的标号来指代相同或类似的元素。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的描述。
图2示出了根据本发明的一个实施方式的提高紫外LED紫外光纯度的结构示意图。如图2所示，提高紫外LED紫外光纯度的结构包括高纯度不掺杂氮化镓层3。
根据图2所示，提高紫外LED紫外光纯度的结构进一步包括不掺杂铝镓氮帽层4和Si掺杂铝镓氮层5，其中，所述不掺杂铝镓氮帽层4生长在所述Si掺杂铝镓氮层5上部，所述高纯度不掺杂氮化镓层3生长在所述不掺杂铝镓氮帽层4上部。
根据图2所示，提高紫外LED紫外光纯度的结构进一步包括Mg掺杂氮化镓层1、活性层2、Si掺杂GaN层6、缓冲层7和衬底8，其中，所述缓冲层7生长在所述衬底8上部；所述Si掺杂GaN层6生长在所述缓冲层7上部；所述活性层2生长在所述高纯度不掺杂氮化镓层3上部；所述Mg掺杂氮化镓层1生长在所述活性层2上部。
在本发明中，由于扩散定律的作用，Mg掺杂氮化镓层1中的Mg会向活性层进行第一次扩散。由于高纯度不掺杂氮化镓层3的存在，由Mg掺杂氮化镓层1扩散到活性层2中的Mg元素会继续向高纯度不掺杂氮化镓层3进行第二次扩散。通过第二次扩散作用，活性层2中的部分Mg元素扩散至高纯度不掺杂氮化镓层3，因此降低了活性层中Mg元素的浓度。
根据本发明的提高紫外LED紫外光纯度的结构中，衬底8可以选择蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底其中的一种。本发明中使用的衬底为蓝宝石衬底。
根据本发明的提高紫外LED紫外光纯度的结构中，所述高纯度不掺杂氮化镓层3生长的厚度范围为200-400nm，所述不掺杂铝镓氮帽层4生长的厚度范围为2-10nm，所述Si掺杂铝镓氮层5生长的厚度范围为0.02-0.2um，所述Mg掺杂氮化镓层1生长的厚度范围为200-300nm，所述活性层2生长的厚度范围为200-300nm，所述Si掺杂GaN层6生长的厚度范围为1-2um，所述缓冲层7生长的厚度范围为20～30nm。
优选的，所述Mg掺杂氮化镓层1厚度为250nm，所述活性层2厚度为250nm，所述高纯度不掺杂氮化镓层3范围为300nm，所述不掺杂铝镓氮帽层4厚度为6nm，所述Si掺杂铝镓氮层5厚度为0.1um，所述Si掺杂GaN层6厚度为1.5um，所述缓冲层7厚度为25nm。
根据本发明的另一方面，还提供了一种提高紫外LED紫外光纯度的方法，所述方法包括：
步骤S30：在Si掺杂GaN层6上生长Si掺杂铝镓氮层5，使得Si掺杂铝镓氮层5的厚度为0.02-0.2um；
步骤S40：在Si掺杂铝镓氮层5上生长不掺杂铝镓氮帽层4，使得不掺杂铝镓氮帽层4的厚度为2-10nm；
步骤S50：在不掺杂铝镓氮帽层4上生长高纯度不掺杂氮化镓层3，使得高纯度不掺杂氮化镓层3的厚度为200-400nm。
根据本发明的另一实施方式，所述方法进一步包括：
步骤S10：在衬底8上生长缓冲层7，使得缓冲层7的厚度为20～30nm；
步骤S20：在缓冲层7上生长Si掺杂GaN层6，使得Si掺杂GaN层6的厚度为1-2um；
步骤S60：在高纯度不掺杂氮化镓层3上生长活性层2，使得活性层2的厚度为200-400nm；
步骤S70：在活性层2上生长Mg掺杂氮化镓层1，使得Mg掺杂氮化镓层1的厚度为200-300nm。
步骤S10至步骤S70都在MOCVD反应室中进行，MOCVD即金属有机化合物化学气相沉淀，是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。
下面根据具体的实施例详细描述提高紫外LED紫外光纯度的方法。
如图2所示，在蓝宝石衬底8上首先生长缓冲层7，其厚度为20～30nm；然后生长Si掺杂GaN层6，其厚度为1～2微米，其生长条件为:利用金属有机物化学气相沉积在0.4～1bar，温度为1000～1100℃，N2，H2和NH3混合气氛下生长；接着生长Si掺杂铝镓氮层5，其厚度为0.02～0.2微米，其生长条件为:利用金属有机物化学气相沉积在0.4～1bar，温度为1000～1100℃，N2，H2和NH3混合气氛下生长；接着生长不掺杂铝镓氮帽层4，其厚度为2-10nm，使得不掺杂铝镓氮帽层4作为隔离层，其生长条件为:利用金属有机物化学气相沉积在0.4～1bar，温度为1000～1100℃，N2，H2和NH3混合气氛下生长。由于整个不掺杂铝镓氮帽层的晶格常数小于氮化镓材料的晶格常数，因此不掺杂铝镓氮帽层4将先前生长的氮化镓晶格中的有害杂质阻挡住，防止有害杂质向后续将要生长的高纯度不掺杂氮化镓层扩散。生长完不掺杂铝镓氮帽层4后，降低压力至50～100mbar，并通入高纯度氮气对MOCVD的反应室进行5～15min的吹扫，由于反应室压力降低，相同气体流量下，气流的流速会增大，该条件下有利于反应室内吸附的有害杂质原子脱附，脱附的有害元素会随着高流速气流排出反应室。由于反应室内吸附的有害杂质的减少，后续生长氮化镓材料中的有害杂质将会显著降低。等待吹扫过程结束后，再生长一层200～400纳米高纯度不掺杂氮化镓层3；接着生长厚度为200～300纳米的活性层2，其生长条件为:利用金属有机物化学气相沉积在0.4～1bar，温度为700～850℃，N2，H2和NH3混合气氛下生长；最后生长厚度为200～300纳米的Mg掺杂氮化镓层1，其生长条件为:利用金属有机物化学气相沉积在0.4～1bar，温度为850～1000℃，N2，H2和NH3混合气氛下生长。
金属有机物化学气相沉积又称有机金属化合物气相淀积法,利用有机金属热分解反应进行气相外延生长薄膜的化学气相沉积技术。
当生长至Mg掺杂氮化镓层1时，由于扩散定律的作用，在高温作用下Mg掺杂氮化镓层1中的Mg会向活性层2进行第一次扩散。由于高纯度不掺杂氮化镓层3的存在，由Mg掺杂氮化镓层1扩散到活性层2中的Mg元素会继续向高纯度不掺杂氮化镓层3进行第二次扩散。通过第二次扩散作用，活性层2中的部分Mg元素扩散至高纯度不掺杂氮化镓层3，因此降低了活性层中Mg元素的浓度。在本实施例中，Mg掺杂氮化镓层1开始时的Mg浓度在1.0e19cm-1～2.0e20cm-1的范围内，经过第一次扩散后，活性层2中的Mg浓度在1.0e17cm-1～1e18cm-1范围内。经过第二次扩散后，活性层2中的Mg浓度降低至1.0e16cm-1～1.0e17cm-1范围内。
在本实施例中，在395～400nm波长段，紫外LED的半高宽由16～19nm降低至10～14nm；360-370nm波长段，紫外LED的半高宽由11～14nm降低至9～11nm。从而可见有效降低紫外LED中蓝色光的发光强度，大大提高紫外LED的紫外光纯度。
在本发明中，防止紫外LED发射蓝色光的关键在于减少由Mg掺杂氮化镓层1扩散至活性层2中的Mg浓度。因此该方法中引入高纯度不掺杂的氮化镓层3吸收扩散至活性层2中的Mg元素。
本发明所述提高紫外LED紫外光纯度的结构及其方法通过引入高纯度不掺杂的氮化镓层，降低活性层中Mg元素的浓度，进而降低紫外LED中蓝色光的发光强度，提高紫外LED的紫外光纯度。
应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims (3)

1.一种提高紫外LED紫外光纯度的方法，所述方法包括：
步骤S30：在Si掺杂GaN层（6）上生长Si掺杂铝镓氮层（5），使得Si掺杂铝镓氮层（5）的厚度为0.02-0.2um；
步骤S40：在Si掺杂铝镓氮层（5）上生长不掺杂铝镓氮帽层（4），使得不掺杂铝镓氮帽层（4）的厚度为2-10nm；
步骤S50：在不掺杂铝镓氮帽层（4）上生长高纯度不掺杂氮化镓层（3），使得高纯度不掺杂氮化镓层（3）的厚度为200-400nm；
步骤S60：在高纯度不掺杂氮化镓层（3）上生长活性层（2），使得活性层（2）的厚度为200-400nm；
步骤S70：在活性层（2）上生长Mg掺杂氮化镓层（1），使得Mg掺杂氮化镓层（1）的厚度为200-300nm。
2.根据权利要求1所述的提高紫外LED紫外光纯度的方法，进一步包括：步骤S10：在衬底（8）上生长缓冲层（7），使得缓冲层（7）的厚度为2-5um；
步骤S20：在缓冲层（7）上生长Si掺杂GaN层（6），使得Si掺杂GaN层（6）的厚度为1-2um。
3.根据权利要求2所述的提高紫外LED紫外光纯度的方法，其中，步骤S10的生长条件为：利用金属有机物化学气相沉积在0.4~1 bar，温度为500~650℃，N2，H2和NH3混合气氛下生长；
步骤S20的生长条件为：利用金属有机物化学气相沉积在0.4~1 bar，温度为1000~1100℃，N2，H2和NH3混合气氛下生长；
步骤S30的生长条件为：利用金属有机物化学气相沉积在0.4~1 bar，温度为1000~1100℃，N2，H2和NH3混合气氛下生长；
步骤S40的生长条件为：利用金属有机物化学气相沉积在0.4~1 bar，温度为1000~1100℃，N2，H2和NH3混合气氛下生长；
步骤S50的生长条件为：利用金属有机物化学气相沉积在0.4~1 bar，温度为1000~1100℃，N2，H2和NH3混合气氛下生长；
步骤S60的生长条件为：利用金属有机物化学气相沉积在0.4~1 bar，温度为700~850℃，N2，H2和NH3混合气氛下生长；
步骤S70的生长条件为：利用金属有机物化学气相沉积在0.4~1 bar，温度为850~1000℃，N2，H2和NH3混合气氛下生长。
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Denomination of invention: A structure and a method for raising the purity of UV LED ultraviolet light

Effective date of registration: 20200401

Granted publication date: 20171114

Pledgee: Industrial Bank Limited by Share Ltd Xi'an branch

Pledgor: XI'AN ZOOMVIEW OPTOELECTRONICS SCIENCE & TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Registration number: Y2020980001224