CN108231965B - 一种提高光输出的AlGaN基深紫外LED外延结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高光输出的AlGaN基深紫外LED外延结构，外延结构从下往上依次是：衬底，未掺杂的AlGaN缓冲层，掺杂N型AlGaN层，AlxGa1‑xN/AlyGa1‑yN多量子阱有源区，插入层，P型掺杂的电子阻挡层，P型AlGaN层，P型GaN帽层。本发明通过将深紫外AlGaN基LED外延结构中的量子阱有源区发光层的垒层设计为Al组分成锯齿形渐变的尖峰和沟槽，增强了有源区对电子的储藏功能，能够减少电子的溢出，提升深紫外LED器件的光输出功率。
Description
技术领域
本发明属于紫外LED技术领域，尤其涉及一种提高光输出的AlGaN基深紫外LED外延结构。
背景技术
随着紫外LED方面技术的发展，AlGaN(铝镓氮)基材料的深紫外LED作为一种新型的的紫外光源，其体积小、耗能低、寿命长、环保无毒，特别是发光波长在200-380nm的深紫外LED，具有传统的光源所没有的特性而受到了人们的普遍关注，在生物杀毒、紫外固化、护照验证等方面有广泛的应用，具有广阔的市场前景。
深紫外发光二极管(DUV Light Emitting Diode，DUV-LED)和传统的紫外LED相比，由于其A1组分较高生长较为困难，在多量子阱区域由于存在晶格失配产生的压电极化和自发极化效应导从而致能带弯曲，以致发生严重的电子泄露问题，影响了其发光效率，导致输出光功率相对较低，鉴于此，对于如何提高深紫外LED的有源区电子溢出问题，以及增强其载流子的储存能力。
进而提高AlGaN基深紫外LED发光功率也成为一个迫切要求解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种新的多量子阱有源区垒层的外延结构，通过设计特殊的有源区的垒层结构来提升AlGaN基深紫外LED的光输出功率。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：一种提高光输出的AlGaN基深紫外LED外延结构，其特征在于，所述外延结构从下往上依次设置有衬底，未掺杂的AlGaN缓冲层，掺杂N型AlGaN层，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区，插入层，P型掺杂的电子阻挡层，P型AlGaN层，P型GaN帽层；其中：
所述衬底采用C面蓝宝石衬底；
所述未掺杂的AlGaN缓冲层生长于所述衬底上面，所述未掺杂的AlGaN缓冲层的厚度为1.5μm，Al的组分为0.5，Ga的组分也为0.5，生长的温度为1000-1100℃；
所述掺杂N型AlGaN层生长于所述未掺杂的AlGaN缓冲层的上面，所述掺杂N型AlGaN层生长的厚度为3μm，N型的掺杂浓度为5×1018㎝-3，生长温度为1000-1100℃；
所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区生长于所述掺杂N型AlGaN层的上面，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区设置有AlxGa1-xN为量子垒层和AlyGa1-yN量子阱层，其中，x变化范围为0.4-0.6，y的值为0.36；所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区的每个垒层中的Al组分在每2nm范围内形成渐变的垒，渐变的垒组合在一起，形成一个10nm的Al组分渐变的含有锯齿形势垒尖峰和沟槽的量子垒；
所述插入层生长于所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区的上面，所述插入层为AlzGa1-zN/Al0.36Ga0.64N超晶格层，其中z变化范围0.51-0.57，每一层超晶格层的厚度均为1nm，生长的温度为990℃；
所述P型掺杂的电子阻挡层生长于所述插入层的上面，所述P型掺杂的电子阻挡层生长的厚度为10nm，P型掺杂的浓度为2×1017㎝-3，生长的温度范围为900-1200℃；
所述P型AlGaN层生长于所述P型掺杂的电子阻挡层的上面，所述P型AlGaN层生长的厚度为10nm，掺杂的浓度为2×1017㎝-3，生长的温度为990℃；
所述P型GaN帽层生长于所述P型AlGaN层的上面，所述P型GaN帽层生长的厚度为0.1μm，生长的温度为990℃；
优选地，所述衬底为平片蓝宝石衬底。
优选地，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区第一个势垒的0-2nm范围内AlxGa1-xN垒中x的值由0.4逐渐上升至0.6，在有源区第一个势垒的2-4nm范围内AlxGa1-xN势垒中x的值又由0.6逐渐下降至0.4，在有源区第一个势垒的4-6nm范围内AlxGa1-xN势垒中x的值又由0.4逐渐上升至0.6，在有源区第一个势垒的6-8nm范围内AlxGa1-xN势垒中x的值又由0.6逐渐降至0.4，在有源区第一个势垒的8-10nm范围内AlxGa1-xN势垒中x的值又由0.4逐渐上升至0.6，然后将这5个Al组分在每2nm范围内成：上升-下降-上升-下降-上升，渐变的垒组合在一起形成一个10nm的Al组分渐变的含有锯齿形势垒尖峰和沟槽的量子垒，在Al组分从下降-上升的4nm变化过程中形成沟槽，在Al组分从上升-下降的4nm变化过程中形成尖峰。
优选地，每一个10nm的组合AlxGa1-xN量子垒层上面生长一层y值为0.36的3nm的AlyGa1-yN量子阱层，总共形成5对阱垒有源区。
优选地，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区的最上层AlyGa1-yN量子阱层上面还生长一层AlxGa1-xN量子垒层。
优选地，所述超晶格层包括交叠的AlzGa1-zN和Al0.36Ga0.64N层，所述交叠的AlzGa1- zN和Al0.36Ga0.64N层包括7个周期，整个插入层的厚度为7nm。
优选地，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区的发光波长的范围为300-360nm。
与传统的深紫外LED相比，本发明取得的有益效果为：本发明提供的一种新的AlGaN基深紫外LED外延结构，将多量子阱有源区的每一个垒层都设计为Al组分在2nm范围内成：上升-下降-上升-下降-上升，渐变然后组合成一个10nm完整的带有尖峰和沟槽的锯齿形势垒结构，这种新的结构，通过形成的势垒尖峰能够有效提高最后一层的有效势垒的高度阻挡电子的溢出，提高有源区整体的电子浓度，同时通过Al组分在4nm范围内的先下降后上升形成的沟槽，能够有效的储藏一部分电子使其与空穴发生辐射复合发光，从而增强了发光效率，在电子阻挡层和多量子阱的最后一层垒之间插入的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构能够减少电子泄露到P区，从而提升AlGaN基深紫外LED整体的发光效率，提高输出功率。
附图说明
图1为本发明中AlGaN基深紫外LED的外延结构的结构示意图；
图2为本发明中AlGaN基深紫外LED的外延结构和普通AlGaN基深紫外LED的外延结构的软件模拟输出功率对比图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、完整的描述，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，显然，下面描述的实施例时本发明的一些实施例，但本发明要求保护的范围并不局限于下属具体实施例。
如图1所示，本发明采用蓝宝石作为生长基底，进行异质外延生长，运用MOCVD(金属有机物化学气相沉积)技术来完成整个外延过程。所述LED外延结构从下往上依次设置有蓝宝石衬底层1，未掺杂的Al0.5Ga0.5N缓冲层2，N型掺杂的Al0.5Ga0.5N层3，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区4，超晶格插入层5，P型掺杂的电子阻挡层6，P型AlGaN层7，P型GaN帽层8；
所述衬底1为C面蓝宝石衬底，所述衬底1也可以为平片蓝宝石衬底、或其他材料的平片或图形化衬底。
所述未掺杂的Al0.5Ga0.5N缓冲层2生长于所述衬底1的上面，所述未掺杂的Al0.5Ga0.5N缓冲层的生长温度为1000-1100℃，生长的厚度为1.5μm。
所述N型掺杂的Al0.5Ga0.5N层3生长于所述未掺杂的Al0.5Ga0.5N缓冲层2的上面，所述N型掺杂的Al0.5Ga0.5N层3的生长温度控制在1000-1100℃，生长的厚度控制为3μm，同时N型的掺杂浓度为5×1018㎝-3。
所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区4生长于所述N型掺杂的Al0.5Ga0.5N层3上面，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区4为若干周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱垒层，；在本实施例中，AlxGa1-xN为垒层，AlyGa1-yN为阱层，通过模拟得到的最优值为，阱层中Al的组分保持为0.36，而对于每个10nm厚的垒层，在生长时将其平均分为5个组分渐变的2nm层，然后组合在一起，形成一个完整的势垒；对于第一个10nm厚的势垒：第一阶段在0-2nm范围内生长AlxGa1-xN垒时x的值由0.4逐渐上升至0.6；之后在第一阶段的基础上第一个势垒的2-4nm范围内生长AlxGa1-xN垒时x的值又由0.6逐渐下降至0.4；之后在第二阶段的基础上第一个势垒的4-6nm范围内生长AlxGa1-xN垒时x的值又由0.4逐渐上升至0.6；之后在第三阶段的基础上第一个势垒的6-8nm范围内生长AlxGa1-xN垒时x的值又由0.6逐渐降至0.4；最后在第四阶段的基础上第一个势垒的8-10nm范围内生长AlxGa1-xN垒时x的值又由0.4逐渐上升至0.6；然后将这5个组分渐变的层状势垒组合堆叠在一起形成了第一个10nm的Al组分渐变的锯齿形势垒；AlxGa1-xN为垒层生长的温度控制在1000-1100℃范围内，在该层之后生长一层y的值为0.36的AlyGa1-yN阱层，生长的温度范围也在1000-1100℃范围内，在这之后然后重复上述的第一个10nm的Al组分成渐变的锯齿形势垒形成一个周期为5的多量子阱垒层，最后再在阱层上面生长一层10nm的Al组分成渐变的锯齿形势垒，同样的它们的生长温度均为1000-1100℃范围内，使整个有源区的厚度为75nm。所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区4的发光波长的范围为300-360nm。
所述超晶格插入层5生长于所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区4的上面，所述插入层为AlzGa1-zN/Al0.36Ga0.64N超晶格层；所述插入层降低生长温度至990℃，超晶格层包括交叠的AlzGa1-zN和Al0.36Ga0.64N层。所述交叠的AlzGa1-zN和Al0.36Ga0.64N层包括7个周期，层叠设置的厚度为1nm，且z的变化范围为0.51-0.57，整个超晶格插入层的厚度为7nm。
所述AlGaN电子阻挡层6生长于所述插入层5的上面，所述AlGaN电子阻挡层6保持上述的生长温度恒定生长一层厚度为10nm的P型掺杂浓度为2×1017㎝-3的Al0.65Ga35N电子阻挡层，生长的温度为900-1200℃。
所述P型掺杂的AlGaN层7生长于所述AlGaN电子阻挡层6上面，所述P型掺杂的AlGaN层7控制生长温度为990℃，生长一层P型掺杂浓度为2×1017㎝-3的P型Al0.5Ga0.5N层。
所述P型掺杂的GaN覆盖层8生长于所述P型掺杂的AlGaN层7表面，P型GaN覆盖层的生长温度也为990℃，掺杂的浓度为1×1018㎝-3，生长的厚度为0.1μm。
本发明通过垒层设计为Al组分成V形渐变的锯齿层取代传统的AlGaN/AlGaN多量子阱垒层，通过形成的沟槽能够实现对有源区电子的储藏功能，可以减小有源区电子的溢出问题，另外由于势垒尖峰的存在，可以在电子注入的纵向将最后一层的势垒的有效高度提升，有助于减少载流子在有源区的泄露；
此外，由于AlGaN具有较高的势垒，在电子阻挡层和最后一层多量子阱垒层之间插入AlGaN/AlGaN超晶格层，可以提高电子阻挡层的有效势垒高度，同时减小了空穴的有效势垒高度减少了电子的泄露，进一步提升LED的发光效率。
对于本领域技术人员而言，显然本发明中的Al源、Ga源、N源的具体选择不做限定，本实例选用的为；使用三甲基铝TMAl作为外延生长所需要的Al源，使用三甲基镓TMGa作为外延生长所需要的Ga源，N型和P型掺杂分别使用硅烷和镁掺杂，载气选用H2，NH3提供氮源。
如图2所示，为整个LED在电流变化时的输出功率。结果发现多量子阱垒区Al组分成锯齿形渐变的LED外延结构整体输出功率明显大于普通的多量子阱区垒层Al组分保持不变时的LED外延结构的输出功率值。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权力要求的保护范围为准，根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了更好说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (7)
1.一种提高光输出的AlGaN基深紫外LED外延结构，其特征在于，所述外延结构从下往上依次设置有衬底，未掺杂的AlGaN缓冲层，掺杂N型AlGaN层，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区，插入层，P型掺杂的电子阻挡层，P型AlGaN层和P型GaN帽层；其中：
所述衬底采用C面蓝宝石衬底；
所述未掺杂的AlGaN缓冲层生长于所述衬底上面，所述未掺杂的AlGaN缓冲层的厚度为1.5μm，Al的组分为0.5，Ga的组分也为0.5，生长的温度为1000-1100℃；
所述掺杂N型AlGaN层生长于所述未掺杂的AlGaN缓冲层的上面，所述掺杂N型AlGaN层生长的厚度为3μm，N型的掺杂浓度为5×1018㎝-3，生长温度为1000-1100℃；
所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区生长于所述掺杂N型AlGaN层的上面，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区设置有AlxGa1-xN为量子垒层和AlyGa1-yN量子阱层，其中x变化范围为0.4-0.6，y的值为0.36；所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区的AlxGa1-xN为量子垒层的每个垒层中的Al组分在每2nm范围内形成渐变的垒，渐变的垒组合在一起，形成一个10nm的Al组分渐变的含有锯齿形势垒尖峰和沟槽的量子垒；
所述插入层生长于所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区的上面，所述插入层为AlzGa1-zN/Al0.36Ga0.64N超晶格层，其中z变化范围0.51-0.57，每一层超晶格层的厚度均为1nm，生长的温度为990℃；
所述P型掺杂的电子阻挡层生长于所述插入层的上面，所述P型掺杂的电子阻挡层生长的厚度为10nm，P型掺杂的浓度为2×1017㎝-3，生长的温度范围为900-1200℃；
所述P型AlGaN层生长于所述P型掺杂的电子阻挡层的上面，所述P型AlGaN层生长的厚度为10nm，掺杂的浓度为2×1017㎝-3，生长的温度为990℃；
所述P型GaN帽层生长于所述P型AlGaN层的上面，所述P型GaN帽层生长的厚度为0.1μm，生长的温度为990℃。
2.如权利要求1所述的一种提高光输出的AlGaN基深紫外LED外延结构，其特征在于，所述衬底为平片蓝宝石衬底。
3.如权利要求1所述的一种提高光输出的AlGaN基深紫外LED外延结构，其特征在于，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区第一个势垒的0-2nm范围内，AlxGa1-xN垒中x的值由0.4逐渐上升至0.6；在有源区第一个势垒的2-4nm范围内，AlxGa1-xN势垒中x的值又由0.6逐渐下降至0.4；在有源区第一个势垒的4-6nm范围内，AlxGa1-xN势垒中x的值又由0.4逐渐上升至0.6；在有源区第一个势垒的6-8nm范围内，AlxGa1-xN势垒中x的值又由0.6逐渐降至0.4；在有源区第一个势垒的8-10nm范围内AlxGa1-xN势垒中x的值又由0.4逐渐上升至0.6；然后将这5个Al组分在每2nm范围内成：上升-下降-上升-下降-上升，渐变的垒组合在一起形成一个10nm的Al组分渐变的含有锯齿形势垒尖峰和沟槽的量子垒，在Al组分从下降-上升的4nm变化过程中形成沟槽，在Al组分从上升-下降的4nm变化过程中形成尖峰。
4.如权利要求1所述的一种提高光输出的AlGaN基深紫外LED外延结构，其特征在于，每一个10nm的组合AlxGa1-xN量子垒层上面生长一层y值为0.36的3nm的AlyGa1-yN量子阱层，总共形成5对阱垒。
5.如权利要求4所述的一种提高光输出的AlGaN基深紫外LED外延结构，其特征在于，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区的最上层AlyGa1-yN量子阱层上面还生长一层AlxGa1- xN量子垒层。
6.如权利要求1所述的一种提高光输出的AlGaN基深紫外LED外延结构，其特征在于，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区的发光波长的范围为300-360nm。
7.如权利要求1所述的一种提高光输出的AlGaN基深紫外LED外延结构，其特征在于，所述超晶格层包括交叠的AlzGa1-zN和Al0.36Ga0.64N层，所述交叠的AlzGa1-zN和Al0.36Ga0.64N层包括7个周期，整个插入层的厚度为7nm。
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