CN108288662A - 一种uv-led外延结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种UV‑LED外延结构及其制备方法，其外延结构包括：衬底；位于所述衬底上的底层外延层；以及，位于所述底层外延层上且自下至上层叠的第一类型外延层、量子阱结构层和第二类型外延层，且所述底层外延层的吸收波长短于所述量子阱结构层的发光波长。因所述底层外延层的吸收波长短于量子阱结构层的发光波长，则形成的UV‑LED外延结构能够避免材料本身对紫外波段的吸收，提高UV‑LED的发光效率。

Description

一种UV-LED外延结构及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体发光领域，特别是涉及一种UV-LED外延结构及其制备方法。
背景技术
随着发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)技术的不断发展，其发光波长已经由可见光波段拓展到紫外波段，基于三族氮化物(III-Nitride)宽禁带半导体材料的紫外发光二极管(Ultra-Violet Lighting-Emitting Diode，简称UV-LED)在医疗设备、杀菌消毒、环保、军事侦察、辨别真假、荧光分析、聚合物固化、紫外光通讯、以及普通照明灯领域具有广阔的应用前景。
然而，现有的UV-LED因以下两大问题严重限制其发光效率的提升：一、当材料本身的吸收波长大于UV-LED的发光波长(即量子阱的发光波长)时，就会出现材料本身对紫外波段的吸收，如氮化镓材料；二、在UV-LED外延结构的底层结构中直接掺铝，导致外延结构的晶体质量下降，从而出现材料缺陷对紫外波段的吸收。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种UV-LED外延结构及其制备方法。
发明内容
本发明针对UV-LED中出现材料本身及材料缺陷吸收紫外波段的问题，提供一种UV-LED外延结构及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种UV-LED外延结构包括：
衬底；
底层外延层，位于所述衬底上；
第一类型外延层，位于所述底层外延层上；
量子阱结构层，位于所述第一类型外延层上；
第二类型外延层，位于所述量子阱结构层上；
其中，所述底层外延层的吸收波长短于所述量子阱结构层的发光波长。
较佳的，在所述的UV-LED外延结构中，所述底层外延层包括位于所述衬底上且自下至上层叠的成核层和非掺杂氮化物层。
可选的，在所述的UV-LED外延结构中，所述成核层的吸收波长短于所述量子阱结构层的发光波长，且所述非掺杂氮化物层的吸收波长短于所述量子阱结构层的发光波长。
可选的，在所述的UV-LED外延结构中，所述成核层的材质包括AlGaN、InGaN或InAlGaN。
可选的，在所述的UV-LED外延结构中，所述非掺杂氮化物层的材质包括AlGaN、InGaN或InAlGaN。
较佳的，在所述的UV-LED外延结构中，所述非掺杂氮化物层为复合层结构。
可选的，在所述的UV-LED外延结构中，所述非掺杂氮化物层为包括GaN层、AlGaN层、InGaN层和InAlGaN层中的至少两种的复合层。
较佳的，在所述的UV-LED外延结构中，所述非掺杂氮化物层为超晶格结构。
可选的，在所述的UV-LED外延结构中，所述成核层的厚度为15nm～50nm。
可选的，在所述的UV-LED外延结构中，所述非掺杂氮化物层的厚度为2.0um～4.0um。
根据本发明的另一面，本发明还提供一种UV-LED外延结构的制备方法，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长底层外延层；
在所述底层外延层上生长第一类型外延层；
在所述第一类型外延层上生长量子阱结构层；
在所述量子阱结构层上生长第二类型外延层；
其中，所述底层外延层的吸收波长短于所述量子阱结构层的发光波长。
较佳的，在所述的制备方法中，所述底层外延层包括位于所述衬底上且自下至上层叠的成核层和非掺杂氮化物层。
可选的，在所述的制备方法中，所述成核层的吸收波长短于所述量子阱结构层的发光波长，且所述非掺杂氮化物层的吸收波长短于所述量子阱结构层的发光波长。
可选的，在所述的制备方法中，所述成核层包括AlGaN层、InGaN层或InAlGaN层。
较佳的，在所述的制备方法中，所述非掺杂氮化物层为复合层结构。
可选的，在所述的制备方法中，所述非掺杂氮化物层为包括GaN层、AlGaN层、InGaN层和InAlGaN层中的至少两种的复合层。
较佳的，在所述的制备方法中，所述非掺杂氮化物层为超晶格结构。
可选的，在所述的制备方法中，所述成核层的厚度为15nm～50nm。
可选的，在所述的制备方法中，所述非掺杂氮化物层的厚度为2.0um～4.0um。
可选的，在所述的制备方法中，所述成核层的生长温度在450摄氏度～650摄氏度。
可选的，在所述的制备方法中，所述非掺杂氮化物层的生长温度在900摄氏度～1200摄氏度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的UV-LED外延结构包括：衬底；位于所述衬底上的底层外延层；以及，位于所述底层外延层上且自下至上层叠的第一类型外延层、量子阱结构层和第二类型外延层，且所述底层外延层的吸收波长短于所述量子阱结构层的发光波长。因所述底层外延层的吸收波长短于量子阱结构层的发光波长，则形成的UV-LED外延结构能够避免材料本身对紫外波段的吸收，提高UV-LED的发光效率。
进一步的，本发明还提出了所述底层外延层包括位于所述衬底上且自下至上层叠的成核层和非掺杂氮化物层，且所述非掺杂氮化物层为复合层结构，如超晶格结构，则所述非掺杂氮化物层的这种复合层结构，可以大大提升底层外延层的晶体质量，为后续外延结构之成长提供高质量的平台，而高晶体质量的外延结构能够有效避免材料缺陷对紫外波段的吸收，进一步提高UV-LED的发光效率。
附图说明
图1为本发明一种UV-LED外延结构的制备方法的流程图；
图2至图4为本发明一种UV-LED外延结构的制备方法的各工艺步骤中外延结构的示意图。
具体实施方式
下面将结合流程图和示意图对本发明的一种UV-LED外延结构及其制备方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于，本发明提供一种UV-LED外延结构，包括：
衬底；
底层外延层，位于所述衬底上；
第一类型外延层，位于所述底层外延层上；
量子阱结构层，位于所述第一类型外延层上；
第二类型外延层，位于所述量子阱结构层上；
其中，所述底层外延层的吸收波长短于所述量子阱结构层的发光波长。
相应的，本发明还提供了一种UV-LED外延结构的制备方法，如图1所示：所述制备方法包括以下步骤：
步骤S1、提供一衬底；
步骤S2、在所述衬底上生长底层外延层，其中，所述底层外延层的吸收波长短于后续量子阱结构层的发光波长；
步骤S3、在所述底层外延层上生长第一类型外延层；
步骤S4、在所述第一类型外延层上生长量子阱结构层；
步骤S5、在所述量子阱结构层上生长第二类型外延层。
本发明因所述底层外延层的吸收波长短于量子阱结构层的发光波长，则形成的UV-LED外延结构能够避免材料本身对紫外波段的吸收，提高UV-LED的发光效率。
以下列举所述一种UV-LED外延结构及其制备方法的实施例，以清楚说明本发明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。
请参阅图1，首先，执行步骤S1，提供一衬底10，如图2所示。所述衬底10可以是适合III-V族半导体材料生长的材料，如蓝宝石衬底、氮化镓衬底、氮化铝衬底、硅衬底或碳化硅衬底等，本实施例的衬底10优选为蓝宝石衬底。
然后，如图1所示，执行步骤S2，在所述衬底10上生长底层外延层11，且所述底层外延层11的吸收波长短于后续量子阱结构层的发光波长，如图3所示。外延生长方法可以选用MOCVD(金属有机化学气相沉积)方法、CVD(化学气相沉积)方法、PECVD(等离子体增强化学气相沉积)方法、MBE(分子束外延)方法或HVPE(氢化物气相外延)方法等，本实施例中，外延生长方法可以优选MOCVD方法，在此并不做限定。所述底层外延层11能够减少由于衬底10和后续第一类型外延层之间的晶格常数导致的晶格失配度，而且，所述底层外延层11能够增强形成在该层上的半导体层的结晶性能。具体的，为了改善所述底层外延层11的晶体质量，为后续外延结构提供高质量的平台，所述底层外延层11包括自下至上层叠的成核层110和非掺杂氮化物层111，所述成核层110的生长温度在450摄氏度～650摄氏度之间，其生长厚度在15nm～50nm之间；所述非掺杂氮化物层111的生长温度在900摄氏度～1200摄氏度之间，其生长厚度为2.0um～4.0um。
为了避免材料本身对紫外波段的吸收，优选所述成核层110的吸收波长短于后续量子阱结构层的发光波长，且所述非掺杂氮化物层111的吸收波长也短于后续量子阱结构层的发光波长，因后续量子阱结构层的发光波长(即形成的UV-LED的发光波长)通常100nm至400nm的范围内，则在氮化镓材料的基础上可通过一定量的铟和/或铝组分的掺杂，便可形成吸收波长短于UV-LED发光波长的所述成核层110和所述非掺杂氮化物层111，例如，所述成核层110的材质可以包括AlGaN、InGaN或InAlGaN，所述非掺杂氮化物层111层的材质也可以包括AlGaN、InGaN或InAlGaN。
进一步的，为了提高所述底层外延层11的晶体质量，本实施例中，所述非掺杂氮化物层111的结构优选采用复合层结构，如可以为超晶格结构或交错堆叠的结构等。因相同厚度的复合层结构和单层结构相比，复合层结构的位错密度要大大减小，即复合层结构能够降低其位错密度，为后续提供更加平整的生长表面，而高晶体质量的外延结构可以避免材料缺陷对紫外波段的吸收，进一步提高UV-LED的发光效率。详细的，所述非掺杂氮化物层111可以为包括GaN层、AlGaN层、InGaN层和InAlGaN层中的至少两种的复合层，如所述非掺杂氮化物层111可以但不限于以下组合方式：所述非掺杂氮化物层111包括自下至上交错堆叠的AlGaN层和InGaN层；或所述非掺杂氮化物层111包括自下至上交错堆叠的AlGaN层、InGaN层和InAlGaN层等。
接下来，如图1所示，执行步骤S3，在所述底层外延层11上生长第一类型外延层12，如图4所示，所述第一类型外延层12可以但不限于为N型AlGaN层12，所述N型AlGaN层12的生长温度为900摄氏度～1200摄氏度，所述N型AlGaN层12的厚度为1um～4um，所述N型AlGaN层12的Si掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
接着，如图1所示，执行步骤S4，在所述第一类型外延层12上生长量子阱结构层13，如图4所示。当然，在实际工艺中，在所述第一类型外延层12和量子阱结构层13之间还可以生长一浅量子阱超晶格结构层(图中示意图省略)，如所述浅量子阱超晶格结构层可以由若干个周期交叠的InAlGaN势阱层和AlGaN势垒层组成，其中Al的组分在0～0.2之间，In的组分在0～0.05之间，InAlGaN势阱层厚度为1.0nm～4.0nm，AlGaN势垒层厚度为1.0nm～50.0nm，所述浅量子阱超晶格结构层的生长温度为700℃～900℃。所述量子阱结构层13包括周期层叠的势阱层和势垒层，所述势阱层的厚度为2.0nm～4.0nm，所述势垒层的厚度为3.0nm～15.0nm，所述量子阱结构层13的生长温度在700摄氏度～900摄氏度之间，所述势阱层的材质可以是包含In元素的InGaN、InAlGaN等三元或四元材料；所述势垒层可以但不限于AlGaN层，其中，Al的组分可以在0.01～0.2，以形成所需的发光波长的量子阱结构层13。
最后，如图1所示，执行步骤S5，在所述量子阱结构层13上生长第二类型外延层14，如图4所示。本实施例中，所述第二类型外延层14包括但不限于生长在所述量子阱结构层13上且自下至上层叠的P型电子阻挡层和P型氮化物层。具体的，P型电子阻挡层的作用是阻挡量子阱内的电子进入P型区，以增大电子在量子阱区与空穴的复合效率，即可以提高量子阱的内量子效率。所述P型电子阻挡层为P型AlGaN、P型InAlGaN和P型AlGaN/GaN中的至少一种，所述P型电子阻挡层可以为超晶格结构，所述P型电子阻挡层的厚度为30nm～80nm，Mg掺杂浓度为5e18cm-3～3.5e19cm-3。P型氮化物层的厚度为30nm～150nm，所述P型氮化物层的Mg掺杂浓度为5e18cm-3～1.0e20cm-3。
通过上述制备方法得到的UV-LED外延结构包括：衬底10；位于所述衬底10上的底层外延层11，所述底层外延层11包括成核层110和非掺杂氮化物层111，所述成核层110的吸收波长短于量子阱结构层13的发光波长，且所述非掺杂氮化物层111的吸收波长短于量子阱结构层13的发光波长，且所述非掺杂氮化物层111为复合层结构；以及位于所述底层外延层11上且自下至上层叠的第一类型外延层12、量子阱层13和第二类型外延层14，所述第二类型外延层14包括位于在所述量子阱结构层13上且自下至上层叠的P型电子阻挡层和P型氮化物层。显然，所述UV-LED外延结构并不限于通过上述制备方法得到。
在本实施例中，由于所述底层外延层11包括位于所述衬底10上且自下至上层叠的成核层110和非掺杂氮化物层111，其中，所述成核层110的吸收波长短于量子阱结构层13的发光波长，且所述非掺杂氮化物层111的吸收波长也短于量子阱结构层13的发光波长，则所述底层外延层11不会吸收UV-LED发出的紫外波段，从而提升UV-LED的发光效率；进一步的，所述非掺杂氮化物层111为复合层结构，能够大大降低其位错密度，提升底层外延层11的晶体质量，为后续的外延结构提供更加平整的生长表面，而高晶体质量的外延结构可以避免材料缺陷对紫外波段的吸收，进一步提高UV-LED的发光效率。
综上，本发明提供的UV-LED外延结构包括：衬底；位于所述衬底上的底层外延层；以及，位于所述底层外延层上且自下至上层叠的第一类型外延层、量子阱结构层和第二类型外延层，且所述底层外延层的吸收波长短于所述量子阱结构层的发光波长。因所述底层外延层的吸收波长短于所述量子阱结构层的发光波长，则形成的UV-LED外延结构能够避免材料本身对紫外波段的吸收，提高UV-LED的发光效率。
进一步的，本发明还提出了所述底层外延层包括位于所述衬底上且自下至上层叠的成核层和非掺杂氮化物层，且所述非掺杂氮化物层为复合层结构，如超晶格结构，则所述非掺杂氮化物层的这种复合层结构，可以大大提升底层外延层的晶体质量，为后续外延结构之成长提供高质量的平台，而高晶体质量的外延结构能够有效避免材料缺陷对紫外波段的吸收，进一步提高UV-LED的发光效率。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (21)

1.一种UV-LED外延结构，其特征在于，包括：
衬底；
底层外延层，位于所述衬底上；
第一类型外延层，位于所述底层外延层上；
量子阱结构层，位于所述第一类型外延层上；
第二类型外延层，位于所述量子阱结构层上；
其中，所述底层外延层的吸收波长短于所述量子阱结构层的发光波长。
2.如权利要求1所述的UV-LED外延结构，其特征在于，所述底层外延层包括位于所述衬底上且自下至上层叠的成核层和非掺杂氮化物层。
3.如权利要求2所述的UV-LED外延结构，其特征在于，所述成核层的吸收波长短于所述量子阱结构层的发光波长，且所述非掺杂氮化物层的吸收波长短于所述量子阱结构层的发光波长。
4.如权利要求2所述的UV-LED外延结构，其特征在于，所述成核层的材质包括AlGaN、InGaN或InAlGaN。
5.如权利要求2所述的UV-LED外延结构，其特征在于，所述非掺杂氮化物层的材质包括AlGaN、InGaN或InAlGaN。
6.如权利要求2所述的UV-LED外延结构，其特征在于，所述非掺杂氮化物层为复合层结构。
7.如权利要求6所述的UV-LED外延结构，其特征在于，所述非掺杂氮化物层为包括GaN层、AlGaN层、InGaN层和InAlGaN层中的至少两种的复合层。
8.如权利要求6所述的UV-LED外延结构，其特征在于，所述非掺杂氮化物层为超晶格结构。
9.如权利要求2所述的UV-LED外延结构，其特征在于，所述成核层的厚度为15nm～50nm。
10.如权利要求2所述的UV-LED外延结构，其特征在于，所述非掺杂氮化物层的厚度为2.0um～4.0um。
11.一种UV-LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长底层外延层；
在所述底层外延层上生长第一类型外延层；
在所述第一类型外延层上生长量子阱结构层；
在所述量子阱结构层上生长第二类型外延层；
其中，所述底层外延层的吸收波长短于所述量子阱结构层的发光波长。
12.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述底层外延层包括位于所述衬底上且自下至上层叠的成核层和非掺杂氮化物层。
13.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述成核层的吸收波长短于所述量子阱结构层的发光波长，且所述非掺杂氮化物层的吸收波长短于所述量子阱结构层的发光波长。
14.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述成核层包括AlGaN层、InGaN层或InAlGaN层。
15.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述非掺杂氮化物层为复合层结构。
16.如权利要求15所述的制备方法，其特征在于，所述非掺杂氮化物层为包括GaN层、AlGaN层、InGaN层和InAlGaN层中的至少两种的复合层。
17.如权利要求15所述的制备方法，其特征在于，所述非掺杂氮化物层为超晶格结构。
18.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述成核层的厚度为15nm～50nm。
19.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述非掺杂氮化物层的厚度为2.0um～4.0um。
20.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述成核层的生长温度在450摄氏度～650摄氏度。
21.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述非掺杂氮化物层的生长温度在900摄氏度～1200摄氏度。
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