CN109545916B - 一种紫外led外延片结构及其制备方法 - Google Patents

一种紫外led外延片结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种紫外LED外延片结构及其制备方法，属于半导体技术领域，由下而上依次包括：衬底、缓冲层、N型AlGaN层、多量子阱层、P型AlGaN插入层、电子阻档层、P型AlGaN层、P型GaN层；所述的P型AlGaN插入层包含多层，由底向上分为奇数层和偶数层，其中奇数层中AI组分含量线性增长、偶数层AI组分含量线性降低，或者奇数层中AI组分含量线性降低、偶数层AI组分含量线性增长，从而使P型AlGaN插入层中AI组分含量呈锯齿形。本发明可以改善紫外LED的内量子效率低和光输出功率低的问题。

Description

一种紫外LED外延片结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种紫外LED外延片结构及其制备方法。
背景技术
根据不同波长范围，紫外光可划分为：长波紫外UVA(320-400nm)、中波紫外UVB(280-320nm)、短波紫外UVC(200-280nm)和真空紫外Vacuum UV(10-200nm)。对于不同波长范围的紫外光在不同的领域具有非常强大的市场价值，如：长波紫外UVA(320-400nm)被应用在UV固化、防伪鉴定等。此外，紫外LED具有节能、环保、安全、寿命长、低耗、低热等优点。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材料，其禁带宽度适合制备出紫外波段器件，并且可以通过改变材料中Al组分來得到不同禁带宽度的AlGaN材料。因此，通常采用改变紫外LED量子阱内的Al组分的大小来制备出发射波长在200-400nm内变化的紫外LED。但是就目前工艺技术制备出的AlGaN仍存在如下问题：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面临内量子效率、光输出功率均比较低等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种紫外LED外延片结构及其制备方法,以解决现有紫外LED外延片多量子阱发光层中电子泄露、空穴注入效率低等问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
一种紫外LED外延片结构，由下而上依次包括：衬底、缓冲层、N型AlGaN层、AlxGa1- xN/AlyGa1-yN多量子阱层、P型AlGaN插入层、P型AlGaN电子阻档层、P型AlGaN层、P型GaN层；所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层中AI组分含量x<y；
所述的P型AlGaN插入层包含多层，由底向上分为奇数层和偶数层，其中奇数层中AI组分含量线性增长、偶数层中AI组分含量线性降低从而使P型AlGaN插入层中AI组分含量呈锯齿形，或者奇数层中AI组分含量线性降低、偶数层中AI组分含量线性增长从而使P型AlGaN插入层中AI组分含量呈锯齿形。
进一步的，所述的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层中，AlxGa1-xN为阱层，AlyGa1-yN为垒层，且AI组分含量0≤x<y<1。
进一步的，所述的P型AlGaN电子阻档层为AlmGa1-mN，AI组分含量m的取值范围为：y<m<1。
进一步的，所述的P型AlGaN插入层的总厚度为10-20nm。
进一步的，所述的P型AlGaN插入层中每一层AI组分厚度为1-4nm。
进一步的，所述的P型AlGaN插入层中除最后一层AI组分线性增加层以外其他AI组分线性增加层为AlznGa1-znN，zn为第n个组分线性增加结构层AI组分值,该层AI组分值zn以上一层AI组分值最小值为初始值线性递增到yan，其中yan为第n个Al组分线性增加结构层AI组分值最大值，其中y<yan<1；所述的P型AlGaN插入层除第一层和最后一层AI组分线性增加层以外其他AI组分线性增加层为AlaGa1-aN，该层Al组分值由初始值yb线性递增到a,其中a的取值范围为yb<a<1。
进一步的，所述的P型AlGaN插入层中AI组分线性下降的结构层为AlbnGa1-bnN，该层AI组分值bn以上一层AI组分值最大值为初始值线性降低到ybn，其中bn为第n个组分线性下降结构层AI组分值,ybn为第n个组分线性下降结构层AI组分值最小值,n为正整数，其中0<ybn<yan<1。
进一步的，所述的P型AlGaN插入层从底向上最后一层为AlnGa1-nN，该层AI组分值n以上一层下降结构层的组分最小值为初始值线性递增到m。
本发明还提供一种紫外LED外延片结构制备方法，包含以下步骤：
在氢气气氛、温度为1000-1100℃下，在衬底上生长一层2.5-3μm厚的非掺杂AlGaN缓冲层；
在氢气气氛且温度1000-1200℃下，在缓冲层上生长N型铝镓氮层，其厚度为2.5-3μm，N型掺杂浓度为1×1018-5×1018cm-3；
在氮气气氛、温度为1000℃下，在N型铝镓氮层上生长多量子阱发光层,其中量子阱厚度为3-7nm,量子垒厚度为9-20nm；
在氮气气氛、温度为900-1000℃下，在发光层上生长P型AlGaN插入层，所述P型AlGaN插入层包含多层，由底向上分为奇数层和偶数层，其中奇数层中AI组分含量线性增长、偶数层AI组分含量线性降低从而使P型AlGaN插入层中AI组分含量呈锯齿形，或者奇数层中AI组分含量线性降低、偶数层AI组分含量线性增长从而使P型AlGaN插入层中AI组分含量呈锯齿形；
在氮气气氛、温度为1000-1200℃下，在所述P型AlGaN插入层上生长P型AlGaN电子阻档层，其厚度为15-25nm，P型掺杂浓度为1×1017-2×1017cm-3；
在氮气气氛、温度为1000-1200℃下，在所述P型AlGaN电子阻档层上生长P型AlGaN层，其厚度为80-100nm，P型掺杂浓度为1×1017-2×1017cm-3；
最后在氢气气氛且温度为900-1000℃下生长P型铝镓氮层，其厚度为10-20nm，P型掺杂浓度为1×1018-2×1018cm-3。
本发明实现的紫外LED外延片结构及其制备方法，在外延片的发光层与电子阻挡层之间设置AI组份含量呈锯齿状的插入层，可以进一步阻挡电子的泄露，以及起到了储存空穴的作用，最终可以改善紫外LED的内量子效率低和光输出功率低的问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的AlGaN基紫外LED外延片的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的AlGaN基紫外LED外延片的结构中的插入层的结构示意图；
图3为本发明的AlGaN基紫外LED内量子效率结果图；
图4为本发明的AlGaN基紫外LED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。
本发明实施例提供一种紫外LED外延片结构，如图1所示，由下而上依次包括：衬底、缓冲层、N型AlGaN层、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层、P型AlGaN插入层、P型AlGaN电子阻档层、P型AlGaN层、P型GaN层；所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层中AI组分含量x<y；优选的，所述衬底优选蓝宝石衬底，所述缓冲层为未掺杂缓冲层，所述N型AlGaN层为Al0.15Ga0.85N，其厚度为3μm，掺杂元素为硅且浓度为5×1018cm-3；所述P型AlGaN电子阻档层为Al0.3Ga0.7N，其厚度为20nm，掺杂元素为镁且浓度为1×1017cm-3。所述P型AlGaN层为Al0.15Ga0.85N，其厚度为90nm，掺杂元素为镁且浓度为1×1017cm-3；所述P型GaN层，其厚度为10nm，掺杂元素为镁且浓度为2×1018cm-3。
本实施例所涉及的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层中，AlxGa1-xN为阱层，AlyGa1-yN为垒层，且AI组分含量0≤x<y<1；所述的P型AlGaN电子阻档层为AlmGa1-mN，AI组分含量m的取值范围为：y<m<1。例如，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层(x<y)为6个周期的GaN/Al0.15Ga0.85N多量子阱层，其中阱的厚度为3nm，垒的厚度为9nm。
本实施例所涉及的P型AlGaN插入层包含多层，如图2所示，由底向上分为奇数层和偶数层，每一层AI组分厚度为1-4nm；其中奇数层中AI组分含量线性增长、偶数层AI组分含量线性降低；或者奇数层中AI组分含量线性降低、偶数层AI组分含量线性增长，从而使P型AlGaN插入层中AI组分含量呈锯齿形。所述的P型AlGaN插入层的总厚度为10-20nm；所述的P型AlGaN插入层中除最后一层AI组分线性增加层以外其他AI组分线性增加层为AlznGa1-znN，zn为第n个组分线性增加结构层AI组分值,该层AI组分值zn以上一层AI组分值最小值为初始值线性递增到yan，其中yan为第n个Al组分线性增加结构层AI组分值最大值，其中y<yan<1；所述的P型AlGaN插入层除第一层和最后一层AI组分线性增加层以外其他AI组分线性增加层为AlaGa1-aN，该层Al组分值由初始值yb线性递增到a,其中a的取值范围为yb<a<1；P型AlGaN插入层中AI组分线性下降的结构层为AlbnGa1-bnN，该层AI组分值bn以上一层AI组分值最大值为初始值线性降低到ybn，其中bn为第n个组分线性下降结构层AI组分值,ybn为第n个组分线性下降结构层AI组分值最小值,n为正整数，其中0<ybn<yan<1；P型AlGaN插入层从底向上最后一层为AlnGa1-nN，该层AI组分值n以上一层下降结构层的组分最小值为初始值线性递增到m。举例来说，假如所述P型AlGaN插入层的总厚度为10nm，将其平均分成五等份：第一、二、三层为线性变化AI组分的Alz1Ga1-z1N层，其中z1由初始值0.15线性递增到0.3；第二、四层为线性变化AI组分的AlnGa1-nN,其中n由初始值0.3线性降低到0.15。如图3和图4所示，由于在多量子阱发光层和P型电子阻挡层之间插入锯齿状的插入层，能够提高紫外LED的电子限制能力、空穴注入效率，增强电子空穴辐射复合效率，从而提高紫外LED的内量子效率和光输出功率。
该紫外LED外延片结构制备过程为：
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；优选，所述衬底优选蓝宝石衬底，
在氢气气氛且温度1000-1200℃下，在缓冲层上生长N型铝镓氮层；优选，所述缓冲层为未掺杂缓冲层，所述N型AlGaN层为Al0.15Ga0.85N，其厚度为3μm，掺杂元素为硅且浓度为5×1018cm-3；
在氮气气氛、温度为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900-1000℃下，在发光层上生长P型AlGaN插入层，所述P型AlGaN插入层包含多层，由底向上分为奇数层和偶数层，其中奇数层中AI组分含量线性增长、偶数层AI组分含量线性降低，或者奇数层中AI组分含量线性降低、偶数层AI组分含量线性增长，从而使P型AlGaN插入层中AI组分含量呈锯齿形；例如，所述P型AlGaN插入层的总厚度为10nm，将其平均分成五等份：第一、二、三层为线性变化AI组分的Alz1Ga1-z1N层，其中z1由初始值0.15线性递增到0.3；
在氮气气氛、温度为1000-1200℃下，在所述P型AlGaN插入层上生长P型AlGaN电子阻档层；所述P型AlGaN电子阻档层为Al0.3Ga0.7N，其厚度为20nm，掺杂元素为镁且浓度为1×1017cm-3。
在氮气气氛、温度为1000-1200℃下，在所述P型AlGaN电子阻档层上生长P型AlGaN层；所述P型AlGaN层为Al0.15Ga0.85N，其厚度为90nm，掺杂元素为镁且浓度为1×1017cm-3。
最后在氢气气氛且温度为900-1000℃下生长P型GaN层；所述P型GaN层生长在P型AlGaN层上，其厚度为10nm，掺杂元素为镁且浓度为2×1018cm-3。
由于本发明是在多量子阱层与电子阻挡层之间加入锯齿状的插入层，该插入层能够减缓量子层与电子阻挡层间的极化效应，从而提高了紫外LED对电子的限制能力以及提高了空穴的有效注入，进而提高了载流子在多量子阱层的复合效率。另外，锯齿状插入层能够进一步阻挡电子的泄露以及能够充当空穴储存层。
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 (8)

1.一种紫外LED外延片结构，其特征在于：由下而上依次包括：衬底、缓冲层、N型AlGaN层、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层、P型AlGaN插入层、P型AlGaN电子阻档层、P型AlGaN层、P型GaN层；所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层中铝组分含量x<y；
所述的P型AlGaN插入层包含多层，由底向上分为奇数层和偶数层，其中奇数层中铝组分含量线性增长、偶数层铝组分含量线性降低从而使P型AlGaN插入层中铝组分含量呈锯齿形，或者奇数层中铝组分含量线性降低、偶数层铝组分含量线性增长；
所述的P型AlGaN电子阻档层为AlmGa1-mN，铝组分含量m的取值范围为：y<m<1。
2.根据权利要求1所述的紫外LED外延片结构，其特征在于，所述的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层中，AlxGa1-xN为阱层，AlyGa1-yN为垒层，且铝组分含量0≤x<y<1。
3.根据权利要求1所述的紫外LED外延片结构，其特征在于，所述的P型AlGaN插入层的总厚度为10-20nm。
4.根据权利要求1所述的紫外LED外延片结构，其特征在于，所述的P型AlGaN插入层中每一层铝组分厚度为1-4nm。
5.根据权利要求1所述的紫外LED外延片结构，其特征在于，所述的P型AlGaN插入层中除最后一层铝组分线性增加层以外，其他铝组分线性增加层为AlznGa1-znN，zn为第n个组分线性增加结构层铝组分值,该层铝组分值zn以上一层中铝组分最小值为初始值线性递增到yan，其中yan为第n个Al组分线性增加结构层铝组分值最大值，其中y<yan<1；所述的P型AlGaN插入层除第一层和最后一层铝组分线性增加层以外，其他铝组分线性增加层为AlaGa1-aN，该层Al组分值由初始值yb线性递增到a,其中a的取值范围为yb<a<1。
6.根据权利要求5所述的紫外LED外延片结构，其特征在于，所述的P型AlGaN插入层中铝组分线性下降的结构层为AlbnGa1-bnN，该层铝组分值bn以上一层中铝组分值最大值为初始值线性降低到ybn，其中bn为第n个组分线性下降结构层铝组分值,ybn为第n个组分线性下降结构层铝组分值最小值,n为正整数，其中0<ybn<yan<1。
7.根据权利要求6所述的紫外LED外延片结构，其特征在于，所述的P型AlGaN插入层从底向上最后一层为AlnGa1-nN，该层铝组分值n以上一层下降结构层的组分最小值为初始值线性递增到m。
8.一种紫外LED外延片结构制备方法，其特征在于包含以下步骤：
在氢气气氛、温度为1000-1100℃下，在衬底上生长一层2.5-3μm厚的非掺杂AlGaN缓冲层；
在氢气气氛且温度1000-1200℃下，在缓冲层上生长N型铝镓氮层，其厚度为2.5-3μm，N型掺杂浓度为1×1018-5×1018cm-3；
在氮气气氛、温度为1000℃下，在N型铝镓氮层上生长多量子阱发光层,其中量子阱厚度为3-7nm,量子垒厚度为9-20nm；
在氮气气氛、温度为900-1000℃下，在发光层上生长P型AlGaN插入层，所述P型AlGaN插入层包含多层，由底向上分为奇数层和偶数层，其中奇数层中铝组分含量线性增长、偶数层铝组分含量线性降低从而使P型AlGaN插入层中铝组分含量呈锯齿形，或者奇数层中铝组分含量线性降低、偶数层铝组分含量线性增长；
在氮气气氛、温度为1000-1200℃下，在所述P型AlGaN插入层上生长P型AlGaN电子阻档层，所述的P型AlGaN电子阻档层为AlmGa1-mN，铝组分含量m的取值范围为：y<m<1；其厚度为15-25nm，P型掺杂浓度为1×1017-2×1017cm-3；
在氮气气氛、温度为1000-1200℃下，在所述P型AlGaN电子阻档层上生长P型AlGaN层，其厚度为80-100nm，P型掺杂浓度为1×1017-2×1017cm-3；
最后在氢气气氛且温度为900-1000℃下生长P型铝镓氮层，其厚度为10-20nm，P型掺杂浓度为1×1018-2×1018cm-3。
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