CN108682722B - 一种AlGaN基紫外LED外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种AlGaN基紫外LED外延片及其制备方法。所述AlGaN基紫外LED外延片由底向上依次包括：衬底、缓冲层、N型铝镓氮层、多量子阱层、电子阻挡层、P型铝镓氮层和P型氮化镓层；电子阻挡层由底向上依次包括第一层、第二层和第三层；第一层和第三层均为AlxGa1‑xN层，其中第一铝组分含量x是固定的；第二层为AlyGa1‑yN层，其中第二铝组分含量y是逐渐变化的，y的初始值为x，且y由x逐渐降低；第一层的厚度均小于第二层的厚度和第三层的厚度。本发明通过设置包括三个不同厚度、不同Al组分的铝镓氮层作为电子阻挡层，提高了紫外LED的发光功率和内量子效率，从而改善了紫外LED的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，特别是涉及一种AlGaN基紫外LED外延片及其制备方法。
背景技术
随着发光二极管(Light Emitting Diode，LED)科技的不断发展，紫外发光二极管在商业领域中越来越重要，其具有重大的应用价值。并且，与传统的紫外光源汞灯相比，紫外LED具有超长寿命、无热辐射、能量高、照射均匀、效率高、体积小和不含有毒物质等优势，这就使紫外LED最有可能取代传统的紫外光光源。因此，紫外LED越来越受研究者们的关注。
当前制备紫外LED外延片主要采用III族氮化物AlGaN(铝镓氮)材料，其禁带宽度适合制备出自紫外波段器件，并且可以随着Al组分的变化而得到不同禁带宽度的AlGaN材料，因此，通常采用改变Al组分的大小来制备出发射波长在200-400nm内变化的紫外LED。但是目前使用AlGaN材料制备高质量的紫外LED仍然比较困难。
目前采用AlGaN材料制备紫外LED，存在如下缺陷：1)高Al组分III族氮化物材料的高缺陷密度导致严重的非辐射复合；2)强大的极化场引起能带弯曲致使量子阱内大部分电子的泄露。这就使得紫外LED面临效率下降效应这一重大挑战，即当紫外LED注入电流比较小时，LED的效率慢慢增加；当继续增加注入电流时，LED效率随着注入电流的增加而减小。因此，目前AlGaN基紫外LED的发光功率和内量子效率都相对较低。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够提高紫外LED的发光功率和内量子效率的AlGaN基紫外LED外延片及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种AlGaN基紫外LED外延片，所述AlGaN基紫外LED外延片由底向上依次包括：衬底、缓冲层、N型铝镓氮层、多量子阱层、电子阻挡层、P型铝镓氮层和P型氮化镓层；
所述电子阻挡层由底向上依次包括第一层、第二层和第三层；所述第一层和所述第三层均为AlxGa1-xN层，其中第一铝组分含量x是固定的；所述第二层为AlyGa1-yN层，其中第二铝组分含量y是逐渐变化的，y的初始值为x，且y由x逐渐降低；所述第一层的厚度均小于所述第二层的厚度和所述第三层的厚度。
可选的，所述第二铝组分含量y由x逐渐降低到0.05。
可选的，所述电子阻挡层的厚度为15-45nm。
可选的，所述第一层的厚度为2-5nm；所述第二层的厚度为10-20nm；所述第三层的厚度为10-20nm。
可选的，所述第一铝组分含量x的取值范围为0.2<x<0.8。
可选的，所述电子阻挡层中掺杂有镁元素。
可选的，所述电子阻挡层中镁元素的掺杂浓度为1×1017-5×1017cm-3。
可选的，所述多量子阱层包括量子垒层和量子阱层；所述量子垒层为AlaGa1-aN，其中第三铝组分含量a的取值范围为0<a<x；所述量子阱层为AlbGa1-bN，其中第四铝组分含量b的取值范围为0≤b<a。
可选的，所述缓冲层中不掺杂氮化铝。
本发明还提供了一种如上述所述的AlGaN基紫外LED外延片的制备方法，所述方法包括：
将蓝宝石衬底放置在金属有机化合物化学气相沉积外延反应室中，设置氢气环境且温度为1280℃，烘焙处理所述衬底5分钟；
设置氢气环境且温度为550℃，在所述衬底上生长一层缓冲层；
设置氢气环境且温度为1000℃-1200℃，在所述缓冲层上生长N型铝镓氮层，所述N型铝镓氮层中电子掺杂浓度为5×1018cm-3；
设置氮气环境且温度为1000℃，在所述N型铝镓氮层上生长6周期的所述多量子阱层，其中量子垒层为9nm，量子阱层为3nm；
设置氮气环境且温度为1000℃-1200℃，在所述多量子阱层上生长第一层；所述第一层为AlxGa1-xN层，第一铝组分含量x的取值范围为0.2<x<0.8，所述第一层的厚度为2-5nm；
设置氮气环境且温度为1000℃-1200℃，在所述第一层上生长第二层，所述第二层为AlyGa1-yN层，其中第二铝组分含量y是逐渐变化的，y的初始值为x，且y由x逐渐降低到0.05，所述第二层的厚度为10-20nm；
设置氮气环境且温度为1000℃-1200℃，在所述第二层上生长第三层，所述第三层为AlxGa1-xN层，所述第三层的厚度为10-20nm；
设置氮气环境且温度为1000℃-1200℃，在所述第三层上生长P型铝镓氮层，所述P型铝镓氮层的厚度为100nm，所述P型铝镓氮层中空穴浓度为1.0×1017-2.0×1017cm-3；
设置氢气环境且温度为900℃-1000℃，在所述P型铝镓氮层上生长P型氮化镓层，所述P型氮化镓层的厚度为10nm，所述P型氮化镓层中空穴浓度为1.0×1018-2.0×1018cm-3。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种AlGaN基紫外LED外延片及其制备方法，所述AlGaN基紫外LED外延片由底向上依次包括：衬底、缓冲层、N型铝镓氮层、多量子阱层、电子阻挡层、P型铝镓氮层和P型氮化镓层；电子阻挡层由底向上依次包括第一层、第二层和第三层；第一层和第三层均为AlxGa1-xN层，其中第一铝组分含量x是固定的；第二层为AlyGa1-yN层，其中第二铝组分含量y是逐渐变化的，y的初始值为x，且y由x逐渐降低；第一层的厚度均小于第二层的厚度和第三层的厚度。本发明中的电子阻挡层包括三个不同厚度、不同Al组分的铝镓氮层，不仅可以有效的改善空穴注入有源区，同时能够显著减弱电子阻挡层中的静电场，从而对有源区里的电子泄露也起到了抑制作用，因此，提高了紫外LED的发光功率和内量子效率，改善了紫外LED的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种AlGaN基紫外LED外延片的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例一种AlGaN基紫外LED外延片的结构示意图。
参见图1，实施例的AlGaN基紫外LED外延片由底向上依次包括：衬底1、缓冲层2、N型铝镓氮层3、多量子阱层4、电子阻挡层5、P型铝镓氮层6和P型氮化镓层7。
所述电子阻挡层5由底向上依次包括第一层51、第二层52和第三层53；所述第一层51和所述第三层53均为AlxGa1-xN层，其中第一铝组分含量x是固定的；所述第二层52为AlyGa1-yN层，其中第二铝组分含量y是逐渐变化的，y的初始值为x，且y由x逐渐降低；所述第一层51和所述第三层53中的第一铝组分含量是相等的；所述第一层51的厚度均小于所述第二层52的厚度和所述第三层53的厚度，靠近所述多量子阱层4的所述第一层51的厚度比较薄是为了使所述第二层52通过极化掺杂产生的空穴更好的遂穿进入所述多量子阱层4(有源区)；所述缓冲层2中不掺杂氮化铝，为未掺杂缓冲层。
作为一种可选的实施方式，所述第二铝组分含量y由x逐渐降低到0.05，其作用是利用极化掺杂产生高浓度的空穴。
作为一种可选的实施方式，所述电子阻挡层的厚度为15-45nm；所述第一层的厚度为2-5nm；所述第二层的厚度为10-20nm；所述第三层的厚度为10-20nm。
作为一种可选的实施方式，所述第一铝组分含量x的取值范围为0.2<x<0.8。
作为一种可选的实施方式，所述电子阻挡层中掺杂有镁元素；所述电子阻挡层中镁元素的掺杂浓度为1×1017-5×1017cm-3。
作为一种可选的实施方式，所述多量子阱层包括量子垒层和量子阱层；所述量子垒层为AlaGa1-aN，其中第三铝组分含量a的取值范围为0<a<x；所述量子阱层为AlbGa1-bN，其中第四铝组分含量b的取值范围为0≤b<a。
本实施例中的AlGaN基紫外LED外延片设置电子阻挡层5包括三个不同厚度、不同Al组分的铝镓氮层，其中靠近多量子阱层4的第一层51的厚度比较薄使得第二层52通过极化掺杂产生的空穴更好的遂穿进入有源区，第二铝组分含量y由x逐渐降低到0.05，保证了可以利用极化掺杂产生高浓度的空穴。该AlGaN基紫外LED外延片不仅可以有效的改善空穴注入有源区，同时能够显著减弱电子阻挡层5中的静电场，从而对有源区里的电子泄露也起到了抑制作用，因此，本实施例提供的AlGaN基紫外LED外延片提高了紫外LED的发光功率和内量子效率，改善了紫外LED的性能。
本发明还提供了一种如上述所述的AlGaN基紫外LED外延片的制备方法，实施例的AlGaN基紫外LED外延片的制备方法包括：
步骤201：将蓝宝石衬底放置在金属有机化合物化学气相沉积(Metal OrganicChemical Vapor Deposition，MOCVD)外延反应室中，设置氢气环境且温度为1280℃，烘焙处理所述衬底5分钟，去除表面的水分和氧气。
具体为：采用金属有机化合物化学气相沉淀外延生长技术生长AlGaN基紫外LED外延片，以蓝宝石作为生长衬底，进行外延生长，并采用三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、氨气(NH3)、硅烷(SiH4)和二茂镁(Cp2Mg)分别提供生长所需要的镓源、铝源、氮源、硅源和镁源。
步骤202：设置氢气环境且温度为550℃，在所述衬底上生长一层缓冲层。
步骤203：设置氢气环境且温度为1000℃-1200℃，在所述缓冲层上生长N型铝镓氮层；所述N型铝镓氮层中电子掺杂浓度为5×1018cm-3；所述N型铝镓氮层中掺杂有硅原子，掺杂浓度为5.0×1018cm-3。
步骤204：设置氮气环境且温度为1000℃，在所述N型铝镓氮层上生长6周期的所述多量子阱层；其中量子垒层为9nm，量子阱层为3nm。
步骤205：设置氮气环境且温度为1000℃-1200℃，在所述多量子阱层上生长第一层；所述第一层为AlxGa1-xN层，第一铝组分含量x的取值范围为0.2<x<0.8，所述第一层的厚度为2-5nm，所述第一层掺杂有镁元素，所述镁元素的掺杂浓度为1×1017-5×1017cm-3。
步骤206：设置氮气环境且温度为1000℃-1200℃，在所述第一层上生长第二层，所述第二层为AlyGa1-yN层，其中第二铝组分含量y是逐渐变化的，y的初始值为x，且y由x逐渐降低到0.05，所述第二层的厚度为10-20nm；所述第二层掺杂有镁元素，所述镁元素的掺杂浓度为1×1017-5×1017cm-3。
步骤207：设置氮气环境且温度为1000℃-1200℃，在所述第二层上生长第三层；所述第三层为AlxGa1-xN层，所述第三层中的第一铝组分含量与所述第一层中的第一铝组分含量相等；所述第三层的厚度为10-20nm；所述第二层掺杂有镁元素，所述镁元素的掺杂浓度为1×1017-5×1017cm-3。
步骤208：设置氮气环境且温度为1000℃-1200℃，在所述第三层上生长P型铝镓氮层；所述P型铝镓氮层的厚度为100nm，所述P型铝镓氮层中空穴浓度为1.0×1017-2.0×1017cm-3；所述P型铝镓氮层中掺杂元素为镁原子，掺杂浓度为1.0×1017-2.0×1017cm-3。
步骤209：设置氢气环境且温度为900℃-1000℃，在所述P型铝镓氮层上生长P型氮化镓层；所述P型氮化镓层的厚度为10nm，所述P型氮化镓层中空穴浓度为1.0×1018-2.0×1018cm-3；所述P型氮化镓层中掺杂元素为镁原子，掺杂浓度为1.0×1018-2.0×1018cm-3。
下面通过实验的方法来验证上述AlGaN基紫外LED外延片的制备方法的有效性。
对比实施例：
1)在MOCVD反应室中把晶型为<0001>面的蓝宝石衬底加热，同时在氢气气氛下除去衬底表面的水分和氧气。
2)按常规方法生长不掺杂缓冲层。
3)按常规方法生长N型掺杂的铝镓氮，掺杂元素为硅原子，掺杂浓度为5.0×1018cm-3。
4)按常规方法生长6个周期的铝镓氮/铝镓氮多量子阱结构，其中阱层厚度为3nm，垒层厚度为9nm。
5)按常规方法生长电子阻挡层，所述电子阻挡层为固定铝组分的铝镓氮层，掺杂元素为镁原子，掺杂浓度为1.0×1017-2.0×1017cm-3。
6)按常规方法生长P型铝镓氮层，其厚度为100nm，掺杂元素为镁原子，掺杂浓度为1.0×1017-2.0×1017cm-3。
7)按常规方法生长P型氮化镓层，其厚度为10nm，掺杂元素为镁原子，掺杂浓度为1.0×1018-2.0×1018cm-3。
由对比实施例与本发明上述AlGaN基紫外LED外延片的制备方法的实施例对比可知，二者的区别仅在于电子阻挡层的结构和组分不同，其余外延层的结构和厚度等完全相同。本发明1)通过设计改变电子阻挡层结构，将原始电子阻挡层拆分三个不同厚度且铝成分不同的层，使第二部分渐变的铝组分层由极化掺杂产生的空穴能够遂穿通过第一层薄的铝组分层，最终进入有源区，从而增大了电子和空穴的复合概率，提升了紫外LED器件的内部量子效率；2)该种结构的电子阻挡层也使其中的静电场发生了改变，减缓了电子阻挡层的能带弯曲，从而降低电子逃逸的概率，进一步提高了辐射复合效率，从而改善紫外LED器件的光电性能。
本发明实施例的AlGaN基紫外LED外延片的制备方法，通过改变电子阻挡层的制备方法，提高了紫外LED的发光功率和内量子效率，改善了紫外LED的性能。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种AlGaN基紫外LED外延片，其特征在于，所述AlGaN基紫外LED外延片由底向上依次包括：衬底、缓冲层、N型铝镓氮层、多量子阱层、电子阻挡层、P型铝镓氮层和P型氮化镓层；
所述电子阻挡层由底向上依次包括第一层、第二层和第三层；所述第一层和所述第三层均为AlxGa1-xN层，其中第一铝组分含量x是固定的；所述第二层为AlyGa1-yN层，其中第二铝组分含量y是逐渐变化的，y的初始值为x，且y由x逐渐降低；所述第一层的厚度均小于所述第二层的厚度和所述第三层的厚度；所述第二铝组分含量y由x逐渐降低到0.05；所述第一铝组分含量x的取值范围为0.2<x<0.8；所述第一层的厚度为2-5nm；所述第二层的厚度为10-20nm；所述第三层的厚度为10-20nm；所述多量子阱层包括量子垒层和量子阱层；所述量子垒层为AlaGa1-aN，其中第三铝组分含量a的取值范围为0<a<x；所述量子阱层为AlbGa1-bN，其中第四铝组分含量b的取值范围为0≤b<a。
2.根据权利要求1所述的一种AlGaN基紫外LED外延片，其特征在于，所述电子阻挡层的厚度为15-45nm。
3.根据权利要求1所述的一种AlGaN基紫外LED外延片，其特征在于，所述电子阻挡层中掺杂有镁元素。
4.根据权利要求3所述的一种AlGaN基紫外LED外延片，其特征在于，所述电子阻挡层中镁元素的掺杂浓度为1×1017-5×1017cm-3。
5.根据权利要求1所述的一种AlGaN基紫外LED外延片，其特征在于，所述缓冲层中不掺杂氮化铝。
6.一种如权利要求1-5中任意一项所述的AlGaN基紫外LED外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
将蓝宝石衬底放置在金属有机化合物化学气相沉积外延反应室中，设置氢气环境且温度为1280℃，烘焙处理所述衬底5分钟；
设置氢气环境且温度为550℃，在所述衬底上生长一层缓冲层；
设置氢气环境且温度为1000℃-1200℃，在所述缓冲层上生长N型铝镓氮层，所述N型铝镓氮层中电子掺杂浓度为5×1018cm-3；
设置氮气环境且温度为1000℃，在所述N型铝镓氮层上生长6周期的所述多量子阱层，其中量子垒层为9nm，量子阱层为3nm；
设置氮气环境且温度为1000℃-1200℃，在所述多量子阱层上生长第一层；所述第一层为AlxGa1-xN层，第一铝组分含量x的取值范围为0.2<x<0.8，所述第一层的厚度为2-5nm；
设置氮气环境且温度为1000℃-1200℃，在所述第一层上生长第二层，所述第二层为AlyGa1-yN层，其中第二铝组分含量y是逐渐变化的，y的初始值为x，且y由x逐渐降低到0.05，所述第二层的厚度为10-20nm；
设置氮气环境且温度为1000℃-1200℃，在所述第二层上生长第三层，所述第三层为AlxGa1-xN层，所述第三层的厚度为10-20nm；
设置氮气环境且温度为1000℃-1200℃，在所述第三层上生长P型铝镓氮层，所述P型铝镓氮层的厚度为100nm，所述P型铝镓氮层中空穴浓度为1.0×1017-2.0×1017cm-3；
设置氢气环境且温度为900℃-1000℃，在所述P型铝镓氮层上生长P型氮化镓层，所述P型氮化镓层的厚度为10nm，所述P型氮化镓层中空穴浓度为1.0×1018-2.0×1018cm-3。
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