CN109585622A - 一种紫外led外延结构及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种紫外LED外延结构，包括衬底；位于所述衬底第一侧的缓冲层；位于所述缓冲层背离所述衬底一侧的未掺杂的GaN层；位于所述未掺杂的GaN层背离所述缓冲层一侧的N型GaN层；位于所述N型GaN层背离所述未掺杂的GaN层一侧的多量子阱结构层；位于所述多量子阱结构层背离所述N型GaN层一侧的Al组分变化的电子阻挡层；位于所述Al组分变化的电子阻挡层背离所述多量子阱结构层一侧的P型GaN层。本申请中阻挡层为Al组分变化的电子阻挡层，抑制极化电场带来的量子限制斯达克效应，减少电子从多量子阱结构层隧穿至P型GaN层，从而提高内量子效率。本申请还提供一种具有上述优点的紫外LED外延结构生长方法。
Description
技术领域
本申请涉及LED技术领域，特别是涉及一种紫外LED外延结构及其生长方法。
背景技术
紫外LED(Light Emitting Diode，发光二极管)具有使用成本低、寿命长、环保等优点，其应用范围十分广泛，例如空气和水的净化、消毒，紫外医疗，高密度光学存储系统，全彩显示器，以及固态白光照明等等。
但是，紫外LED仍然存在一些问题需要解决，例如AlGaN基紫外LED的内量子效率较低。目前主要是通过引入电子阻挡层，减少多量子阱有源区电子泄露，从而提高内量子效率，而在紫外LED中，要想达到理想的电子阻挡效果，对电子阻挡层中AlGaN材料中Al组分的要求较高，高掺杂Al阻挡层生长非常困难。
发明内容
本申请的目的是提供一种紫外LED外延结构及其生长方法，以提高紫外LED的内量子效率。
为解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：
一种紫外LED外延结构，包括：
衬底；
位于所述衬底第一侧的缓冲层；
位于所述缓冲层背离所述衬底一侧的未掺杂的GaN层；
位于所述未掺杂的GaN层背离所述缓冲层一侧的N型GaN层；
位于所述N型GaN层背离所述未掺杂的GaN层一侧的多量子阱结构层；
位于所述多量子阱结构层背离所述N型GaN层一侧的Al组分变化的电子阻挡层；
位于所述Al组分变化的电子阻挡层背离所述多量子阱结构层一侧的P型GaN层。
可选的，所述Al组分变化的电子阻挡层包括：
位于所述多量子阱结构层背离所述N型GaN层一侧的Al0.1Ga0.9N 层；
位于所述Al0.1Ga0.9N层上表面的Al0.15Ga0.85N层；
位于所述Al0.15Ga0.85N层上表面的Al0.2Ga0.8N层；
位于所述Al0.2Ga0.8N层上表面的Al0.25Ga0.75N层。
可选的，所述未掺杂的GaN层长温度为1030℃-1050℃，厚度为 2.5μm。
可选的，所述缓冲层生长温度为510℃-530℃，厚度为25nm，并在1030℃-1050℃下恒温预设时间以使所述缓冲层重结晶。
可选的，所述多量子阱结构层包括依次层叠六个周期的AlxGa1-xN 层和GaN层。
可选的，所述N型GaN层的厚度为3μm，生长温度为1030℃ -1050℃，Si掺杂浓度为5×1018cm-3。
可选的，所述P型GaN层的厚度为100nm，生长温度为970℃ -990℃，Mg掺杂浓度为5×1017cm-3。
本申请还提供一种紫外LED外延结构制作方法，包括：
在衬底上表面制备缓冲层；
在所述缓冲层背离所述衬底一侧形成未掺杂的GaN层；
在所述未掺杂的GaN层背离所述缓冲层一侧形成N型GaN层；
在所述N型GaN层背离所述未掺杂的GaN层一侧形成多量子阱结构层；
在所述多量子阱结构层背离所述N型GaN层一侧形成Al组分变化的电子阻挡层；
在所述Al组分变化的电子阻挡层背离所述多量子阱结构层一侧形成P型GaN层。
可选的，所述在所述多量子阱结构层背离所述N型GaN层一侧形成Al组分变化的电子阻挡层包括：
在所述多量子阱结构层背离所述N型GaN层一侧形成Al0.1Ga0.9N 层；
在所述Al0.1Ga0.9N层的上表面形成Al0.15Ga0.85N层；
在所述Al0.15Ga0.85N层上表面形成Al0.2Ga0.8N层；
在所述Al0.2Ga0.8N层上表面形成Al0.25Ga0.75N层。
可选的，所述在所述N型GaN层背离所述未掺杂的GaN层一侧形成多量子阱结构层包括：
温度为1010℃-1020℃，在所述N型GaN层背离所述未掺杂的 GaN层一侧形成10nmAlxGa1-xN层；
温度为1010℃-1020℃，在所述AlxGa1-xN层上表面形成3nm GaN 层；
生长所述AlxGa1-xN层和所述GaN层为一个生长周期，重复生长周期六次。
本申请所提供的紫外LED外延结构，包括衬底；位于所述衬底第一侧的缓冲层；位于所述缓冲层背离所述衬底一侧的未掺杂的GaN 层；位于所述未掺杂的GaN层背离所述缓冲层一侧的N型GaN层；位于所述N型GaN层背离所述未掺杂的GaN层一侧的多量子阱结构层；位于所述多量子阱结构层背离所述N型GaN层一侧的Al组分变化的电子阻挡层；位于所述Al组分变化的电子阻挡层背离所述多量子阱结构层一侧的P型GaN层。本申请中阻挡层为Al组分变化的电子阻挡层，抑制了极化电场带来的量子限制斯达克效应，减少电子从多量子阱结构层隧穿至P型GaN层，从而提高内量子效率。此外，本申请还提供一种具有上述优点的紫外LED外延结构生长方法。
附图说明
为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请所提供的紫外LED外延结构的一种结构示意图；
图2为本申请所提供的紫外LED外延结构制作方法的一种流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术部分所述，在紫外LED中，要想达到理想的电子阻挡效果，对电子阻挡层中AlGaN材料中Al组分的要求较高，高掺杂 Al阻挡层生长非常困难。
有鉴于此，本申请提供了一种紫外LED外延结构，请参考图1，图1为本申请所提供的紫外LED外延结构的一种结构示意图，包括：
衬底1；
位于所述衬底1第一侧的缓冲层2；
位于所述缓冲层2背离所述衬底1一侧的未掺杂的GaN层3；
位于所述未掺杂的GaN层3背离所述缓冲层2一侧的N型GaN 层4；
位于所述N型GaN层4背离所述未掺杂的GaN层3一侧的多量子阱结构层5；
位于所述多量子阱结构层5背离所述N型GaN层4一侧的Al组分变化的电子阻挡层6；
位于所述Al组分变化的电子阻挡层6背离所述多量子阱结构层5 一侧的P型GaN层7。
本实施例中，将电子阻挡层设置成Al组分变化的电子阻挡层，目的是抑制极化电场带来的量子限制斯达克效应，减少电子从多量子阱结构层5隧穿至P型GaN层7，即可以有效提升电子限制能力，从而提高内量子效率。
需要说明的是，本实施例中对所述衬底1的材料并不做具体限定，可以根据实际情况自行选择。例如，衬底1可以为蓝宝石衬底，还可以为碳化硅衬底、氮化镓衬底、硅衬底或者氧化锌衬底等等。
需要指出的是，本实施例中对所述缓冲层2的厚度不做具体限定，可以根据情况设定。同理，本实施例中对所述未掺杂的GaN层3的厚度不做具体限定，可以根据情况设定。
具体的，在本申请的一个实施例中，位于所述缓冲层2背离所述衬底1一侧的可以为未掺杂的u型GaN层。
需要说明的是，本实施例中对Al组分变化的具体情况不做具体限定，可以自行设定。同理，本实施例对电子阻挡层中包括的变化的 Al组分层数也不做具体限定，可以视情况而定。进一步的，本实施例中不同Al组分层的厚度以及不同Al组分层厚度间的关系也不做具体限定，可以根据情况设定。
本申请所提供的紫外LED外延结构，包括衬底1；位于所述衬底 1第一侧的缓冲层2；位于所述缓冲层2背离所述衬底1一侧的未掺杂的GaN层3；位于所述未掺杂的GaN层3背离所述缓冲层2一侧的N 型GaN层4；位于所述N型GaN层4背离所述未掺杂的GaN层3一侧的多量子阱结构层5；位于所述多量子阱结构层5背离所述N型GaN 层4一侧的Al组分变化的电子阻挡层6；位于所述Al组分变化的电子阻挡层6背离所述多量子阱结构层5一侧的P型GaN层7。本申请中阻挡层为Al组分变化的电子阻挡层6，抑制了极化电场带来的量子限制斯达克效应，减少电子从多量子阱结构层5隧穿至P型GaN层7，从而提高内量子效率。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述缓冲层2生长温度为510℃-530℃，厚度为25nm，且在1030℃-1050℃下恒温预设时间得到的重结晶缓冲层。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述未掺杂的GaN层3长温度为1030℃-1050℃，厚度为2.5μm。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述N 型GaN层4的厚度为3μm，生长温度为1030℃-1050℃，Si掺杂浓度为5×1018cm-3。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述Al 组分变化的电子阻挡层6包括：
位于所述多量子阱结构层5背离所述N型GaN层4一侧的 Al0.1Ga0.9N层；
位于所述Al0.1Ga0.9N层上表面的Al0.15Ga0.85N层；
位于所述Al0.15Ga0.85N层上表面的Al0.2Ga0.8N层；
位于所述Al0.2Ga0.8N层上表面的Al0.25Ga0.75N层。
具体的，在本申请的一个实施例中，在生长温度为970℃-990℃条件下，依次生长厚度为3nm未掺杂u型Al0.1Ga0.9N层，厚度为3nm 未掺杂u型Al0.15Ga0.85N层，厚度为3nm未掺杂u型Al0.2Ga0.8N层，厚度为3nm未掺杂u型Al0.25Ga0.75N层。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述多量子阱结构层5包括依次层叠六个周期的AlxGa1-xN层和GaN层。
具体的，在依次层叠的前五个周期的AlxGa1-xN层和GaN层中， Si掺杂浓度为5×1018cm-3，第六个周期的AlxGa1-xN层和GaN层中不掺杂Si。
需要指出的是，本实施例中对所述多量子阱结构层5的AlxGa1-xN 层中Al组分x不作具体限定，可以根据情况自行设定。同理，对的 AlxGa1-xN层的厚度和GaN层的厚度也不做具体限定。
可选的，在本申请的一个实施例中，所述多量子阱结构层5的 AlxGa1-xN层中Al组分x可以设置为0.15。
可选的，在本申请的一个实施例中，AlxGa1-xN层的厚度可以为 10nm，GaN层的厚度可以为3nm。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述P 型GaN层7的厚度为100nm，生长温度为970℃-990℃，Mg掺杂浓度为5×1017cm-3。
具体的，所述P型GaN层7为厚度为100nm，生长温度为970℃ -990℃，且在700℃-730℃退火20分钟得到的。
在上述任一实施例中，Ga源为三甲基镓(TMGa)，Al源为三甲基铝(TMAl)，氮源为氨气(NH3)，载气为氢气(H2)，N型和P型掺杂源分别为硅烷(SiH4)和二茂镁(Cp2Mg)。
本申请还提供一种紫外LED外延结构制作方法，请参考图2，图 2为本申请所提供的紫外LED外延结构制作方法的一种流程图，包括：
步骤S101：在衬底上表面制备缓冲层。
具体的，将温度控制在510℃-530℃，在衬底上表面制备GaN缓冲层。其中，衬底可以选择蓝宝石衬底，还可以选择碳化硅衬底、或者氮化镓衬底、或者硅衬底等，本实施例不做具体限定。
步骤S102：在所述缓冲层背离所述衬底一侧形成未掺杂的GaN 层。
步骤S103：在所述未掺杂的GaN层背离所述缓冲层一侧形成N 型GaN层。
步骤S104：在所述N型GaN层背离所述未掺杂的GaN层一侧形成多量子阱结构层。
本实施例中，在形成所述多量子阱结构层过程中，对所述多量子阱结构层包括的量子阱层和量子垒层的层数不作具体按限定，可以自行设定。
步骤S105：在所述多量子阱结构层背离所述N型GaN层一侧形成Al组分变化的电子阻挡层。
本实施例中，在形成所述Al组分变化的电子阻挡层过程中，对 Al组分具体变化情况不作具体限定，同理，对形成不同Al组分的层数以及形成每一层不同Al组分的厚度也不做具体限定，可以视情况而定。
步骤S106：在所述Al组分变化的电子阻挡层背离所述多量子阱结构层一侧形成P型GaN层。
本申请所提供的紫外LED外延结构制作方法制作的紫外LED外延结构，包括衬底；位于所述衬底第一侧的缓冲层；位于所述缓冲层背离所述衬底一侧的未掺杂的GaN层；位于所述未掺杂的GaN层背离所述缓冲层一侧的N型GaN层；位于所述N型GaN层背离所述未掺杂的GaN层一侧的多量子阱结构层；位于所述多量子阱结构层背离所述N型GaN层一侧的Al组分变化的电子阻挡层；位于所述Al组分变化的电子阻挡层背离所述多量子阱结构层一侧的P型GaN层。阻挡层为Al组分变化的电子阻挡层，抑制了极化电场带来的量子限制斯达克效应，减少电子从多量子阱结构层隧穿至P型GaN层，从而提高内量子效率。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述在所述多量子阱结构层背离所述N型GaN层一侧形成Al组分变化的电子阻挡层包括：
在所述多量子阱结构层背离所述N型GaN层一侧形成Al0.1Ga0.9N 层；
在所述Al0.1Ga0.9N层的上表面形成Al0.15Ga0.85N层；
在所述Al0.15Ga0.85N层上表面形成Al0.2Ga0.8N层；
在所述Al0.2Ga0.8N层上表面形成Al0.25Ga0.75N层。
具体的，在本申请的一个实施例中，将生长温度控制在970℃ -990℃之间，依次生长厚度为3nm未掺杂u型Al0.1Ga0.9N层，厚度为 3nm未掺杂u型Al0.15Ga0.85N层，厚度为3nm未掺杂u型Al0.2Ga0.8N 层，厚度为3nm未掺杂u型Al0.25Ga0.75N层。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述在所述N型GaN层背离所述未掺杂的GaN层一侧形成多量子阱结构层包括：
温度为1010℃-1020℃，在所述N型GaN层背离所述未掺杂的 GaN层一侧形成10nmAlxGa1-xN层；温度为1010℃-1020℃，在所述 AlxGa1-xN层上表面形成3nm GaN层；生长所述AlxGa1-xN层和所述 GaN层为一个生长周期，重复生长周期六次，在所述N型GaN层背离所述未掺杂的GaN层一侧形成依次叠加六个周期的AlxGa1-xN层和GaN层。
需要说明的是，在本实施例中，在形成AlxGa1-xN层时，对Al的掺加组分不做具体限定，可以自行设定。
具体的，在本申请的一个实施例中，在形成AlxGa1-xN层时，可以将Al的组分x取值为0.15。
具体的，在本申请的一个实施例中，在形成依次层叠的前五个周期的AlxGa1-xN层和GaN层时，Si掺杂浓度为5×1018cm-3，在形成第六个周期的AlxGa1-xN层和GaN层中不掺杂Si。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，控制生长温度为970℃-990℃，Mg掺杂浓度为5×1017cm-3，形成厚度为100nm P型GaN层，然后控制温度在700℃-730℃，退火20分钟得到高空穴浓度P型GaN层。
在上述任一实施例中，在紫外LED外延结构制作方法过程中，利用的Ga源为三甲基镓(TMGa)，Al源为三甲基铝(TMAl)，氮源为氨气(NH3)，载气为氢气(H2)，N型和P型掺杂源分别为硅烷(SiH4) 和二茂镁(Cp2Mg)。
下面以一具体情况，对本申请中紫外LED外延结构制作方法进行进一步阐述。
采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺。
首先，将蓝宝石衬底装入反应室。然后在1090℃下，通高纯氢气高温灼烧蓝宝石衬底。接着，在530℃下通三甲基镓和氨气生长低温 GaN缓冲层，厚度约为25nm。然后，将温度升温到1050℃并恒温6 分钟左右，使得缓冲层重结晶。随后，在1050℃下通入三甲基镓和氨气生长未掺杂的u型GaN层，厚度约为2.5μm。接下来，在1050℃下通入三甲基镓、氨气和硅烷生长N型GaN层，厚度约为3μm，其中Si掺杂浓度为5x1018cm-3。然后，降温到1020℃并通入三甲基铝生长厚度为10nm的Al0.15Ga0.85N量子垒，接着，在1020℃温度下，生长厚度为3nm的GaN量子阱；重复生长Al0.15Ga0.85N量子垒和GaN 量子阱的步骤，共生长6个周期的AlGaN/GaN多量子阱结构，其中前五个掺Si，Si掺杂浓度为5x1018cm-3，最后一个不掺杂Si。接着，降温到990℃，先通入三甲基铝，三甲基镓，氨气，生长厚度为3nm 的未掺杂的u型Al0.1Ga0.9N层，重复此过程，改变Al组分，生长厚度均为3nm的u型Al0.15Ga0.85N、u型Al0.2Ga0.8N、u型Al0.25Ga0.75N。然后，在990℃，通入三甲基铝，三甲基镓，氨气和二茂镁，生长P 型GaN层，厚度约为100nm，其中Mg掺杂浓度为5x1017cm-3。最后，在700℃退火20分钟，得到高空穴浓度的P型层。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本申请所提供的紫外LED外延结构及其制作方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请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申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种紫外LED外延结构，其特征在于，包括：
衬底；
位于所述衬底第一侧的缓冲层；
位于所述缓冲层背离所述衬底一侧的未掺杂的GaN层；
位于所述未掺杂的GaN层背离所述缓冲层一侧的N型GaN层；
位于所述N型GaN层背离所述未掺杂的GaN层一侧的多量子阱结构层；
位于所述多量子阱结构层背离所述N型GaN层一侧的Al组分变化的电子阻挡层；
位于所述Al组分变化的电子阻挡层背离所述多量子阱结构层一侧的P型GaN层。
2.如权利要求1所述的紫外LED外延结构，其特征在于，所述Al组分变化的电子阻挡层包括：
位于所述多量子阱结构层背离所述N型GaN层一侧的Al0.1Ga0.9N层；
位于所述Al0.1Ga0.9N层上表面的Al0.15Ga0.85N层；
位于所述Al0.15Ga0.85N层上表面的Al0.2Ga0.8N层；
位于所述Al0.2Ga0.8N层上表面的Al0.25Ga0.75N层。
3.如权利要求1所述的紫外LED外延结构，其特征在于，所述未掺杂的GaN层长温度为1030℃-1050℃，厚度为2.5μm。
4.如权利要求1所述的紫外LED外延结构，其特征在于，所述缓冲层生长温度为510℃-530℃，厚度为25nm，并在1030℃-1050℃下恒温预设时间以使所述缓冲层重结晶。
5.如权利要求1所述的紫外LED外延结构，其特征在于，所述多量子阱结构层包括依次层叠六个周期的AlxGa1-xN层和GaN层。
6.如权利要求1所述的紫外LED外延结构，其特征在于，所述N型GaN层的厚度为3μm，生长温度为1030℃-1050℃，Si掺杂浓度为5×1018cm-3。
7.如权利要求1至6任一项所述的紫外LED外延结构，其特征在于，所述P型GaN层的厚度为100nm，生长温度为970℃-990℃，Mg掺杂浓度为5×1017cm-3。
8.一种紫外LED外延结构制作方法，其特征在于，包括：
在衬底上表面制备缓冲层；
在所述缓冲层背离所述衬底一侧形成未掺杂的GaN层；
在所述未掺杂的GaN层背离所述缓冲层一侧形成N型GaN层；
在所述N型GaN层背离所述未掺杂的GaN层一侧形成多量子阱结构层；
在所述多量子阱结构层背离所述N型GaN层一侧形成Al组分变化的电子阻挡层；
在所述Al组分变化的电子阻挡层背离所述多量子阱结构层一侧形成P型GaN层。
9.如权利要求8所述的紫外LED外延结构制作方法，其特征在于，所述在所述多量子阱结构层背离所述N型GaN层一侧形成Al组分变化的电子阻挡层包括：
在所述多量子阱结构层背离所述N型GaN层一侧形成Al0.1Ga0.9N层；
在所述Al0.1Ga0.9N层的上表面形成Al0.15Ga0.85N层；
在所述Al0.15Ga0.85N层上表面形成Al0.2Ga0.8N层；
在所述Al0.2Ga0.8N层上表面形成Al0.25Ga0.75N层。
10.如权利要求8所述的紫外LED外延结构制作方法，其特征在于，所述在所述N型GaN层背离所述未掺杂的GaN层一侧形成多量子阱结构层包括：
温度为1010℃-1020℃，在所述N型GaN层背离所述未掺杂的GaN层一侧形成10nmAlxGa1-xN层；
温度为1010℃-1020℃，在所述AlxGa1-xN层上表面形成3nm GaN层；
生长所述AlxGa1-xN层和所述GaN层为一个生长周期，重复生长周期六次。
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| CN110459655A (zh) * | 2019-08-21 | 2019-11-15 | 苏州紫灿科技有限公司 | 一种量子垒掺杂的深紫外led及制备方法 |
| CN114335278A (zh) * | 2022-03-16 | 2022-04-12 | 至芯半导体(杭州)有限公司 | 一种uvb芯片的外延结构及其应用 |
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2018
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