CN109524523B - 一种AlGaN基紫外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AlGaN基紫外LED外延结构及其制备方法，属于半导体发光器件技术领域，包括由底向上设置的衬底、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；所述的电子阻挡层是由n个AlxGa1‑ xN/AlyGa1‑yN/AlzGa1‑zN层和n‑1个间隔层AlmGa1‑ mN构成，其中x、z值均为线性变化值，y、m为固定值，且0<y≤0.8，m≤y，n≥1。本发明提供的结构可以有效减缓能带弯曲，减小电子泄露和提高空穴有效注入，从而提高紫外LED的内量子效率和发光效率。

Description

一种AlGaN基紫外LED外延结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种AlGaN基紫外LED外延结构及其制备方法。
背景技术
随着GaN基发光二极管(Light Emitting Diode，LED)制备技术的不断发展和成熟，紫外发光二极管在诸多领域中具有重大的应用价值，例如空气和水的净化、生物医疗、紫外通信等。并且紫外LED具有寿命长、能量高、照射均匀、效率高、体积小和不含有毒物质等优点。因此，研究者们逐渐将研究重点转移到紫外LED上。
III族氮化物AlGaN材料是当前制备紫外LED外延片的主要材料，其禁带宽度适合制备发出紫外波段光电器件，并且可以随着Al组分的变化而得到不同禁带宽度的AlGaN合金材料。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。
然而，制备紫外LED外延片的量子垒和电子阻挡层需要高Al组分的AlGaN材料，而就目前技术而言制备出的高Al组分的AlGaN材料中存在高缺陷密度，从而导致紫外LED的发光层中存在严重的非辐射复合；此外，由于III族氮化物AlGaN材料中存在较强的自发极化和压电极化，导致发光层内的电子和空穴的分离以及能带弯曲，从而引起电子泄露、空穴注入效率低等问题，最终导致紫外LED的内量子效率和发光功率都相对较低。这些因素导致紫外LED在各个领域中难以实现真正的应用价值。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种AlGaN基紫外LED外延结构及其制备方法,以解决现有技术中紫外LED中电子阻挡层与多量子阱层之间存在的极化效应导致能带弯曲，从而引起电子泄露、空穴注入效率低的问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
一种AlGaN基紫外LED外延结构，包括由底向上设置的衬底、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；
所述的电子阻挡层是由n个AlxGa1-xN/AlyGa1-yN/AlzGa1-zN层和n-1个间隔层AlmGa1-mN构成，其中x、z值均为线性变化值，y、m为固定值，且0<y≤0.8，m≤y，n≥1。
进一步的，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，其中铝组分含量a的取值范围为0<a<y；所述量子阱层为AlbGa1-bN，其中铝组分含量b的取值范围为0≤b<a。
进一步的，所述的电子阻挡层中的第一个AlxGa1-xN/AlyGa1-yN/AlzGa1-zN层生长在LED外延片结构的多量子阱层上，接着生长间隔层AlmGa1-mN层，然后再生长第二个AlxGa1-xN/AlyGa1-yN/AlzGa1-zN层。
进一步的，所述电子阻挡层中的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN/AlzGa1-zN层，其中x值是由初始值a线性增加到y，z值是由初始值y线性减小到a值。
进一步的，所述的电子阻挡层中间隔层AlmGa1-mN层的铝组分取值范围为m≥a。
进一步的，所述电子阻挡层总厚度为10-25nm。
进一步的，所述P型铝镓氮层厚80-100nm，P型氮化镓层厚10-20nm。
本发明还提供一种AlGaN基紫外LED外延结构制备方法，包括以下步骤：
在氢气气氛、温度为1000-1100℃下，在衬底上生长一层厚度2.5-3um的非掺杂AlGaN缓冲层；
在氢气气氛且温度1000-1100℃下，在缓冲层上生长N型铝镓氮层；
在氮气气氛、温度为900-1000℃下，在N型铝镓氮层上生长多量子阱发光层；
在氮气气氛、温度为1000-1200℃下，在所述多量子阱发光层上生长n个AlxGa1-xN/AlyGa1-yN/AlzGa1-zN层和n-1个间隔层AlmGa1-mN，形成电子阻挡层，其中x、z值均为线性变化值，y、m为固定值，且0<y≤0.8，m≤y，n≥1；
最后在氢气气氛且温度为900-1000℃下生长80-100nm的P型铝镓氮层和10-20nm厚的P型GaN层。
进一步的，所述电子阻挡层总厚度为10-25nm。
进一步的，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，其中铝组分含量a的取值范围为0<a<y；所述量子阱层为AlbGa1-bN，其中铝组分含量b的取值范围为0≤b<a；所述的电子阻挡层中间隔层AlmGa1-mN层的铝组分取值范围为m≥a。
本发明提供的AlGaN基紫外LED外延结构及其制备方法，主要利用线性渐变的铝组分电子阻挡层來减缓电子阻挡层与量子阱之间的极化效应，该种外延片结构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
图1为本发明实施例提供的AlGaN基紫外LED外延片结构的示意图；
图2为本发明AlGaN基紫外LED外延片结构中的电子阻挡层示意图；
图3为本发明AlGaN基紫外LED外延片结构中实施例的工作电流与内量子发光效率结果图；
图4为本发明AlGaN基紫外LED外延片结构中实施例的工作电流与光输出功率结果图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种AlGaN基紫外LED外延结构，如图1所示，包括由底向上设置的衬底、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；所述的电子阻挡层如图2所示，由n个AlxGa1-xN/AlyGa1-yN/AlzGa1-zN层和n-1个间隔层AlmGa1-mN构成；其中X、Z值均为线性变化值；y、m为固定值，且0<y≤0.8，m≤y，n≥1；所述电子阻挡层总厚度为10-25nm。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，其中铝组分含量a的取值范围为0<a<y；所述量子阱层为AlbGa1-bN，其中铝组分含量b的取值范围为0≤b<a。
例如，首先选取蓝宝石(Al2O3)衬底，在氢气气氛、温度为1000-1100℃下在衬底上生长一层厚度2.5-3um的非掺杂AlGaN缓冲层；
然后在氢气气氛且温度1000-1100℃下，于缓冲层上生长厚度为3um、Si掺杂的N型Al0.15Ga0.85N层，Si＝5×1018cm-3；
接着在氮气气氛、温度为900-1000℃下，在n型Al0.15Ga0.85N层上生长5周期GaN/Al0.15Ga0.85N的多量子阱发光层，GaN和Al0.15Ga0.85N厚度分别为3nm和9nm；
然后在氮气气氛、温度为1000-1200℃下，在发光层上生长电子阻档层，作为实例，3nm AlxGa1-xN/4nm AlyGa1-yN/3nm AlzGa1-zN，其中x值由初始值0.15线性变化到0.3，y值为固定值0.3，z值由初始值0.3线性变化到0.15；间隔层为2nm AlmGa1-mN，其中m值为0.15；AlxGa1-xN/AlyGa1-yN/AlzGa1-zN层个数n值取为2，间隔层AlmGa1-mN个位为n-1＝1；
最后在氢气气氛且温度为900-1000℃下生长90nm厚的P型Al0.15Ga0.85N层(Mg＝1×1017cm-3)和10nm厚的重掺杂P型GaN层。该外延结构可以采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法获得。
对该实施例的紫外LED外延结构进行光电性能分析得到结果见图3和图4所示。由图3得知，本发明的新型AlGaN基紫外LED外延结构与传统结构相比，在相同的电流情况下，具有更高的内量子效率，从而可以说明本实施例采用的电子阻挡层能很好限制电子的泄露和提高空穴注入效率。由图4得知，本实施例的AlGaN基紫外LED外延结构比传统结构有更高的光输出功率(对LED切割300um×300um尺寸芯片来进行测试比较)。
以上实施例的厚度、工艺参数等均为示意，熟悉本领域的技术人员在不违反本发明思想与精神的前提下所出的任何改变或修饰，均应视作在本发明的保护范围之内。例如作为更多的实例，在其他条件不变的情况下，使电子阻挡层中的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN/AlzGa1-zN和间隔层AlmGa1-mN的个数增加或减小，以及量子阱、量子垒的铝成分和厚度改变，通过同样的测试方法，在前述限定的范围内都同样能得出与上述实例相同的结论。
以上参照附图说明了本发明的优选实施例，并非因此局限本发明的权利范围。本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本发明的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种AlGaN基紫外LED外延结构，其特征在于，包括由底向上设置的衬底、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；
所述的电子阻挡层是由n个AlxGa1-xN/AlyGa1-yN/AlzGa1-zN层和n-1个间隔层AlmGa1-mN构成，其中x、z值均为线性变化值，y、m为固定值，且0<y≤0.8，m≤y，n≥1。
2.根据权利要求1所述的一种AlGaN基紫外LED外延结构，其特征在于，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，其中铝组分含量a的取值范围为0<a<y；所述量子阱层为AlbGa1-bN，其中铝组分含量b的取值范围为0≤b<a。
3.根据权利要求1所述的一种AlGaN基紫外LED外延结构，其特征在于，所述的电子阻挡层中的第一个AlxGa1-xN/AlyGa1-yN/AlzGa1-zN层生长在LED外延片结构的多量子阱层上，接着生长间隔层AlmGa1-mN层，然后再生长第二个AlxGa1-xN/AlyGa1-yN/AlzGa1-zN层。
4.根据权利要求1或3所述的一种AlGaN基紫外LED外延结构，其特征在于，所述电子阻挡层中的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN/AlzGa1-zN层，其中x值由初始值a线性增加到y，z值是由初始值y线性减小到a值。
5.根据权利要求2所述的一种AlGaN基紫外LED外延结构，其特征在于，所述的电子阻挡层中间隔层AlmGa1-mN层的铝组分m的取值范围为m≥a。
6.根据权利要求1所述的一种AlGaN基紫外LED外延结构，其特征在于，所述电子阻挡层总厚度为10-25nm。
7.根据权利要求1所述的一种AlGaN基紫外LED外延结构，其特征在于，所述P型铝镓氮层厚80-100nm，P型氮化镓层厚10-20nm。
8.一种AlGaN基紫外LED外延结构制备方法，其特征在于包括以下步骤：
在氢气气氛、温度为1000-1100℃下，在衬底上生长一层厚度2.5-3um的非掺杂AlGaN缓冲层；
在氢气气氛且温度1000-1100℃下，在缓冲层上生长N型铝镓氮层；
在氮气气氛、温度为900-1000℃下，在N型铝镓氮层上生长多量子阱层；
在氮气气氛、温度为1000-1200℃下，在所述多量子阱层上生长n个AlxGa1-xN/AlyGa1-yN/AlzGa1-zN层和n-1个间隔层AlmGa1-mN，形成电子阻挡层，其中x、z值均为线性变化值，y、m为固定值，且0<y≤0.8，m≤y，n≥1；
最后在氢气气氛且温度为900-1000℃下生长P型铝镓氮层和P型GaN层。
9.根据权利要求8所述的AlGaN基紫外LED外延结构制备方法，其特征在于：所述电子阻挡层总厚度为10-25nm。
10.根据权利要求8所述的AlGaN基紫外LED外延结构制备方法，其特征在于：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，其中铝组分含量a的取值范围为0<a<y；所述量子阱层为AlbGa1-bN，其中铝组分含量b的取值范围为0≤b<a；所述的电子阻挡层中间隔层AlmGa1-mN层的铝组分m的取值范围为m≥a。
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