CN106910802A - 一种实现短波长紫外led的外延结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现短波长紫外LED的外延结构，所述外延结构自下而上包括依次设置的衬底、GaN缓冲层、未掺杂的GaN层、掺杂N型GaN层、多量子阱AlGaN/GaN层、P型AlGaN电子阻挡层、渐变P型AlGaN层和P型GaN层，所述衬底为蓝宝石衬底，所述GaN缓冲层的厚度为20～25nm，生长温度为530‑550℃，并在1030‑1080℃恒温6‑8分钟使GaN缓冲层重结晶，所述未掺杂的GaN层的厚度为2.0～2.5μm，生长温度为1030‑1080℃，所述掺杂N型GaN层的厚度为2.5‑3μm，生长温度为1030‑1080℃。本发明采用渐变P型AlGaN层，能减少极化效应，削弱电子阻挡层EBL到P型层之间的能带弯曲，使得红移现象得到改善，呈现更短的发光波长，发光强度也随之增大。
Description
技术领域
本发明属于紫外LED领域，具体的说是通过设计一种新的外延结构，从而获得发光波长更短的紫外LED，并且提高输出功率，提高芯片亮度，使其呈现更佳的发光性能。
背景技术
自上世界90年代，研究者将研究重心转向III族氮化物紫外发光器件，紫外LED发展到目前已经取得了阶段性的成就。紫外LED应用范围很广，如空气和水的净化、消毒，紫外医疗，高密度光学存储系统，全彩显示器，以及固态白光照明等等。然而依然存在一些难以突破的问题，如AlGaN基紫外LED的内量子效率和发射功率依然相对较低。
目前高Al组分的AlGaN基深紫外LED光源发光效率低的原因主要有：缺少能与AlGaN材料相匹配的衬底，晶格失配和热失配的外延层容易开裂；AlGaN材料的外延技术目前还不成熟，Al原子较大的粘性系数以及预反应的激烈程度都使得材料存在很大的缺陷；高Al组分AlGaN材料的载流子注入效率低，制约了紫外LED内量子效率的提高；高Al组分AlGaN材料的结构性质决定其出光效率低。
因此，如何提高AlGaN基紫外LED的内量子效率和发射功率，仍是亟待研究的课题。
发明内容
本发明的目的在于设计一种实现短波长紫外LED的外延结构，从而获得发光波长更短的紫外LED，并且提高输出功率，提高芯片亮度，使其呈现更佳的发光性能。
本发明所采用的技术方案：一种实现短波长紫外LED的外延结构，所述外延结构自下而上包括依次设置的衬底、GaN缓冲层、未掺杂的GaN层、掺杂N型GaN层、多量子阱AlGaN/GaN层、P型AlGaN电子阻挡层、渐变P型AlGaN层和P型GaN层。
优选的，所述衬底为蓝宝石衬底。
优选的，所述GaN缓冲层的厚度为20～25nm，生长温度为530-550℃，并在1030-1080℃恒温6-8分钟使GaN缓冲层重结晶。
优选的，所述未掺杂的GaN层的厚度为2.0～2.5μm，生长温度为1030-1080℃。
优选的，所述掺杂N型GaN层的厚度为2.5-3μm，生长温度为1030-1080℃。
优选的，所述多量子阱AlGaN/GaN层由多量子阱AlGaN层和多量子阱GaN层按6个周期的交替生长而成，其中每层多量子阱AlGaN层组分比例为Al0.15Ga0.85N，厚度为8-10nm；每层多量子阱GaN层为2-3nm厚，生长温度为1020-1050℃。
优选的，所述P型AlGaN电子阻挡层的组分比例为Al0.3Ga0.7N，厚度为10-15nm，生长温度为960-1000℃。
优选的，所述渐变P型AlGaN层具体组分为AlxGa1-x，x为从0.25到0.1的线性降低，厚度为90-110nm，生长温度为960-1000℃。
优选的，所述P型GaN层的厚度为20-25nm，生长温度为960-1000℃，并在680-730℃下退火20-25分钟。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明采用渐变P型AlGaN层，能减少极化效应，削弱电子阻挡层EBL到P型层之间的能带弯曲，使得红移现象得到改善，呈现更短的发光波长，发光强度也随之增大。(2)本发明由于采用渐变P型AlGaN层，使得该紫外LED芯片的输出功率得到大幅度提升，且输出功率随电流的增幅增大，呈现较好的功率性能。(3)本发明由于采用渐变P型AlGaN层，降低了电子和空穴复合的难易程度，因而所需的能量下降，使得具有更小的开启电压。(4)本发明由于采用渐变P型AlGaN层，使得芯片随电流的增加其电压改变较小，显示出更好的二极管性能。(5)本发明由于采用渐变P型AlGaN层，能更有效实现P性掺杂，增强导电性，促使电阻降低，从而减小工作电压，这有利于减少紫外LED芯片的能耗，节约能源。
附图说明
图1为本发明一种实现短波长紫外LED的外延结构的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
传统高Al组分的AlGaN基深紫外LED光源发光效率较低，存在诸多原因：缺少能与AlGaN材料相匹配的衬底，晶格失配和热失配的外延层容易开裂；AlGaN材料的外延技术目前还不成熟，Al原子较大的粘性系数以及预反应的激烈程度都使得材料存在很大的缺陷；高Al组分AlGaN材料的载流子注入效率低，制约了紫外LED内量子效率的提高；高Al组分AlGaN材料的结构性质决定其出光效率低。
在本发明中，1、衬底即为蓝宝石衬底，即三氧化二铝晶体；2、未掺杂的GaN层即为未掺杂的GaN晶体；3、N型GaN层即为掺杂的GaN晶体，采用硅烷SiH4作为掺杂源，采用业内主流的Si掺杂，电子为多子，空穴为少子；4、P型GaN层即为掺杂的P型GaN晶体，采用二茂镁Cp2Mg作为掺杂源，即采用主流的Mg作为掺杂源，空穴为多子，电子为少子；5、同理，P型AlGaN电子阻挡层、渐变P型AlGaN层均为在AlGaN晶体中进行Mg掺杂，其中，渐变P型AlGaN层为控制掺杂量的渐变式改变掺杂；6、多量子阱结构是一个GaN层和一个AlGaN层是一个周期，其中，量子阱层中电子和空穴复合的场所为有源区，即LED发光的区域。
本发明的一种实现短波长紫外LED的外延结构，所述外延结构自下而上包括依次设置的衬底1、GaN缓冲层2、未掺杂的GaN层3、掺杂N型GaN层4、多量子阱AlGaN/GaN层5、P型AlGaN电子阻挡层6、渐变P型AlGaN层7和P型GaN层8。
其中，所述衬底1为蓝宝石衬底1，所述GaN缓冲层2的厚度为20～25nm，生长温度为530-550℃，并在1030-1080℃恒温6-8分钟使GaN缓冲层2重结晶，所述未掺杂的GaN层3的厚度为2.0～2.5μm，生长温度为1030-1080℃，所述掺杂N型GaN层4的厚度为2.5-3μm，生长温度为1030-1080℃。
其中，所述多量子阱AlGaN/GaN层5由多量子阱AlGaN层和多量子阱GaN层按6个周期的交替生长而成，其中每层多量子阱AlGaN层组分比例为Al0.15Ga0.85N，厚度为8-10nm；每层多量子阱GaN层为2-3nm厚，生长温度为1020-1050℃，所述P型AlGaN电子阻挡层6的组分比例为Al0.3Ga0.7N，厚度为10-15nm，生长温度为960-1000℃，所述渐变P型AlGaN层7具体组分为AlxGa1-x，x为从0.25到0.1的线性降低，厚度为90-110nm，生长温度为960-1000℃，所述P型GaN层8的厚度为20-25nm，生长温度为960-1000℃，并在680-730℃下退火20-25分钟。
实施例一
如图1所示，本发明提出一种实现短波长紫外LED的外延结构，所述外延结构自下而上包括依次设置的衬底1、GaN缓冲层2、未掺杂的GaN层3、掺杂N型GaN层4、多量子阱AlGaN/GaN层5、P型AlGaN电子阻挡层6、渐变P型AlGaN层7和P型GaN层8。
在本发明的具体技术方案中，所述衬底1为蓝宝石衬底1，所述GaN缓冲层2的厚度为20nm，生长温度为530℃，并在1050℃恒温6分钟使GaN缓冲层2重结晶，所述未掺杂的GaN层3的厚度为2.0μm，生长温度为1050℃，所述掺杂N型GaN层4的厚度为2.5μm，生长温度为1050℃，所述多量子阱AlGaN/GaN层5由多量子阱AlGaN层和多量子阱GaN层按6个周期的交替生长而成，其中每层多量子阱AlGaN层组分比例为Al0.15Ga0.85N，厚度为8nm；每层多量子阱GaN层为3nm厚，生长温度为1020℃，所述P型AlGaN电子阻挡层6的组分比例为Al0.3Ga0.7N，厚度为15nm，生长温度为990℃，所述渐变P型AlGaN层7具体组分为AlxGa1-x，x为从0.25到0.1的线性降低，厚度为100nm，生长温度为990℃，所述P型GaN层8的厚度为20nm，生长温度为990℃，并在700℃下退火20分钟。
具体地，衬底1为蓝宝石衬底1，在蓝宝石衬底1上生长20nm的GaN缓冲层2。接着，在GaN缓冲层2上，生长一层2μm未掺杂的u-GaN层。然后在2μm未掺杂的u-GaN层上，生长一层2.5μm的N型GaN层。紧接着，在2.5μm的N型GaN层上，生长AlGaN/GaN多量子阱结构，其中AlGaN组分比例为Al0.15Ga0.85N，厚度为8nm；GaN层为3nm厚，两者交替生长为6个周期。在上述AlGaN/GaN多量子阱结构之上，生长一层P型AlGaN电子阻挡层6，具体组分比例为Al0.3Ga0.7N，厚度为15nm。接着，在P型AlGaN电子阻挡层6之上，生长渐变AlxGa1-xN材料的P型层，其中x从0.25至0.1线性降低，厚度为100nm。然后，在渐变AlxGa1-xN材料的P型层之上，生长一层P型GaN层8，厚度为20nm。
作为本实施例的优选实施方式，对于上述的LED外延片器件，利用MOCVD这一生长设备来制备，而其具体生长过程为：
首先，将蓝宝石衬底1装入反应室。然后，在1090℃通高纯氢气高温灼烧沉底。接着，在530℃下通Ga源和氨气生长低温GaN缓冲层2，厚度约为20nm。然后，升温到1050℃并恒温6分钟左右，使得缓冲层重结晶。随后，在1050℃下通入Ga源和氨气生长未掺杂的GaN(u-GaN)，厚度约为2.0μm。接下来，在1050℃下通入Ga源、氨气和硅烷生长N型GaN层，厚度约为2.5μm。然后，降温到1020℃并通入Al源生长8nm厚的Al0.15Ga0.85N量子垒。接着，在1020℃生长3nm厚的GaN量子阱。重复前两步步骤，共生长6个周期的AlGaN/GaN多量子阱结构，其中前五个掺Si，最后一个不掺杂Si。紧接着，降温到990℃，通入Al源，Ga源，氨气和Mg源，生长P型Al0.3Ga0.7N层，即电子阻挡层EBL，厚度约为15nm。然后，在990℃，通入Al源Ga源，氨气和Mg源，生长P型AlxGa1-xN，厚度约为100nm，其中Al含量(x)为从0.25渐变至0.1线性降低。随后，在990℃，通入Al源Ga源，氨气和Mg源，生长P型GaN层8，厚度约为20nm。最后，在700℃退火20分钟，得到高空穴浓度的P型层。
上述制备过程，所采用的仪器为MOCVD，所采用的Ga源为三甲基镓TMGa，Al源为三甲基铝TMAl，氮源为氨气NH3，载气为H2，N型和P型掺杂源分别为硅烷SiH4和二茂镁Cp2Mg。
由上述制备紫外LED芯片采用了渐变P型AlGaN层7，能减少极化效应，削弱电子阻挡层EBL到P型层之间的能带弯曲，使得红移现象得到改善，呈现更短的发光波长，发光强度也随之增大；输出功率能得到大幅度提升，且输出功率随电流的增幅增大，呈现较好的功率性能；降低了电子和空穴复合的难易程度，因而所需的能量下降，使得具有更小的开启电压；由于新结构的设计，可使得芯片随电流的增加其电压改变较小，显示出更好的二极管性能；再者，能更有效实现P性掺杂，增强导电性，促使电阻降低，从而减小工作电压，这有利于减少紫外LED芯片的能耗，节约能源。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种实现短波长紫外LED的外延结构，其特征在于：所述外延结构自下而上包括依次设置的衬底、GaN缓冲层、未掺杂的GaN层、掺杂N型GaN层、多量子阱AlGaN/GaN层、P型AlGaN电子阻挡层、渐变P型AlGaN层和P型GaN层。
2.根据权利要求1所述的一种实现短波长紫外LED的外延结构，其特征在于：所述衬底为蓝宝石衬底。
3.根据权利要求1所述的一种实现短波长紫外LED的外延结构，其特征在于：所述GaN缓冲层的厚度为20～25nm，生长温度为530-550℃，并在1030-1080℃恒温6-8分钟使GaN缓冲层重结晶。
4.根据权利要求1所述的一种实现短波长紫外LED的外延结构，其特征在于：所述未掺杂的GaN层的厚度为2.0～2.5μm，生长温度为1030-1080℃。
5.根据权利要求1所述的一种实现短波长紫外LED的外延结构，其特征在于：所述掺杂N型GaN层的厚度为2.5-3μm，生长温度为1030-1080℃。
6.根据权利要求1所述的一种实现短波长紫外LED的外延结构，其特征在于：所述多量子阱AlGaN/GaN层由多量子阱AlGaN层和多量子阱GaN层按6个周期的交替生长而成，其中每层多量子阱AlGaN层组分比例为Al0.15Ga0.85N，厚度为8-10nm；每层多量子阱GaN层为2-3nm厚，生长温度为1020-1050℃。
7.根据权利要求1所述的一种实现短波长紫外LED的外延结构，其特征在于：所述P型AlGaN电子阻挡层的组分比例为Al0.3Ga0.7N，厚度为10-15nm，生长温度为960-1000℃。
8.根据权利要求1所述的一种实现短波长紫外LED的外延结构，其特征在于：所述渐变P型AlGaN层具体组分为AlxGa1-x，x为从0.25到0.1的线性降低，厚度为90-110nm，生长温度为960-1000℃。
9.根据权利要求1所述的一种实现短波长紫外LED的外延结构，其特征在于：所述P型GaN层的厚度为20-25nm，生长温度为960-1000℃，并在680-730℃下退火20-25分钟。
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