CN109950371B - 紫外led外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紫外LED外延结构及其制备方法，属于氮化物半导体发光器件的外延生长技术领域，包含：衬底、缓冲层、N型铝镓氮层、多量子阱发光层、电子阻挡层、P型铝镓氮层和P型氮化镓层；多量子阱发光层中的每一个量子垒层包含多个子层，所述子层的厚度和铝分子的含量按照由底向上的生长方向先递增后递减，递增和递减的分界层为每个量子垒层位于中间的子层。本发明提升了AlGaN基紫外LED的内量子效率和光输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及氮化物半导体发光器件的外延生长，尤其涉及一种紫外LED外延结构及其制备方法。
背景技术
随着GaN基蓝光LED应用和发展，研究者们发现紫光LED在照明，生物医疗、防伪鉴定、空气，水质净化、生化检测、高密度信息储存等方面具有广阔的应用价值。与现有的紫外汞灯相比，其具有体积小、耗能低、寿命长、环保无毒等优点。因此，紫外LED将来很有可能完全取代传统紫外光源。
目前，制备紫外LED的材料主要是AlGaN材料，然而由于高质量的AlGaN材料比较难获得以及材料之间存在较强的极化效应从而限制了紫外LED在各方面的应用。为了获得深紫外LED，只能通过提高外延材料中的Al组分，尤其是改变量子阱中的铝组分。但是当提高外延材料的铝组分时，实现高质量和高浓度P型掺杂都是比较难的。同时，由于量子阱和量子垒之间的组分差异较大，从而使量子阱内存在较强的极化电场。有源区内存在强的极化电场，会导致紫外LED的能带弯曲以及有源区内电子与空穴函数的空间分离，从而降低了辐射复合效率，最终使紫外LED存在低的内量子效率、低的光输出功率和效率下降等问题。
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外延结构及其制备方法,以解决现有紫外LED存在低的内量子效率、低的光输出功率和效率下降的问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
一种紫外LED外延结构，由底向上依次包括：衬底、缓冲层、N型铝镓氮层、多量子阱发光层、电子阻挡层、P型铝镓氮层和P型氮化镓层；所述多量子阱发光层中的每一个量子垒层包含多个子层，所述子层的厚度和铝分子的含量按照由底向上的生长方向先递增后递减，递增和递减的分界层为每个量子垒层位于中间的子层。
进一步的，所述多量子阱发光层中的每一个量子垒层包含5个子层，按照由底向上的生长方向依次排列为Aly1Ga1-y1N、Aly2Ga1-y2N层、Aly3Ga1-y3N层、Aly4Ga1-y4N层、Aly5Ga1-y5N层，所述5个子层的厚度及其中的铝组分含量都不同。
进一步的，所述多量子阱发光层中每一个量子垒层厚度为10-20nm。
进一步的，所述多量子阱发光层中的每一个量子垒层包含5个子层，按照由底向上的生长方向依次排列为Aly1Ga1-y1N、Aly2Ga1-y2N层、Aly3Ga1-y3N层、Aly4Ga1-y4N层、Aly5Ga1-y5N层，第一层与第五层的厚度均为1.5-3nm，第二层与第四层的厚度均为2-4nm，第三层的厚度为3-6nm。
进一步的，所述多量子阱发光层中的每一个量子垒层包含5个子层，按照由底向上的生长方向依次排列为Aly1Ga1-y1N、Aly2Ga1-y2N层、Aly3Ga1-y3N层、Aly4Ga1-y4N层、Aly5Ga1-y5N层，其中y1＝y5、y2＝y4。
进一步，所述多量子阱发光层包含多个量子垒层，所述多个量子垒层的中间子层的铝组分按照生长方向由底向上逐渐递增。
进一步的，所述多量子阱发光层中的每一个量子垒层包含5个子层，按照由底向上的生长方向依次排列为Aly1Ga1-y1N、Aly2Ga1-y2N层、Aly3Ga1-y3N层、Aly4Ga1-y4N层、Aly5Ga1-y5N层，5个子层的铝组分含量为0<y1<y2<y3<0.8。
以及，本发明还提供一种紫外LED外延结构的制备方法，包括：
设置氢气环境和温度，对蓝宝石衬底进行预处理；
在所述衬底上生长一层缓冲层；
在所述缓冲层上生长N型铝镓氮层；
设置氮气环境且温度为900-1100℃，在所述N型铝镓氮层上生多量子阱层，所述多量子阱发光层中的每一个量子垒层包含多个子层，所述子层的厚度和铝分子的含量按照由底向上的生长方向先递增后递减，递增和递减的分界层为每个量子垒层位于中间的子层；
在所述多量子阱层上生长电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上生长P型铝镓氮层；
设置氢气环境和温度，在所述P型铝镓氮层上生长P型氮化镓层。
进一步的，所述多量子阱发光层包含多个量子垒层，所述多个量子垒层的中间子层的铝组分按照生长方向由底向上逐渐递增；所述多量子阱发光层中每一个量子垒层厚度为10-20nm。
进一步的，所述多量子阱发光层中的每一个量子垒层包含5个子层，按照由底向上的生长方向依次排列为Aly1Ga1-y1N、Aly2Ga1-y2N层、Aly3Ga1-y3N层、Aly4Ga1-y4N层、Aly5Ga1-y5N层，第一层与第五层的厚度均为1.5-3nm，第二层与第四层的厚度均为2-4nm，第三层的厚度为3-6nm；且y1＝y5、y2＝y4，0<y1<y2<y3<0.8。
本发明实现的紫外LED外延结构及其制备方法，通过设置特殊的有源区量子垒层结构，将每一个量子垒层都设计为Al组分在一定厚度内先梯度上升后梯度下降的结构，这种新的结构，能够减缓多量子阱有源区内的量子限制斯塔克效应，增强有源区电子与空穴的辐射复合的几率；同时也能够增强紫外LED对电子的限制作用，进而提高LED的发光效率。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的紫外LED外延结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的量子垒层结构示意图；
图3为本发明紫外LED外延结构工作电流与内量子发光效率结果图；
图4为本发明紫外LED外延结构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。
实施例一
本发明第一实施例提供一种紫外LED外延结构，如图1所示，由底向上依次包括：衬底、缓冲层、N型铝镓氮层、多量子阱发光层、电子阻挡层、P型铝镓氮层和P型氮化镓层；如图2所示，所述多量子阱发光层中的每一个量子垒层包含多个子层，优选子层的数量为奇数；所述子层的厚度和铝分子的含量按照由底向上的生长方向先递增后递减，递增和递减的分界层为每个量子垒层位于中间的子层。所述多量子阱发光层包含多个量子垒层，所述多个量子垒层的中间子层的铝组分按照生长方向由底向上逐渐递增；所述多量子阱发光层中每一个量子垒层厚度为10-20nm。
作为优选的一种方式，所述多量子阱发光层中的每一个量子垒层包含5个子层，按照由底向上的生长方向依次排列为Aly1Ga1-y1N、Aly2Ga1-y2N层、Aly3Ga1-y3N层、Aly4Ga1-y4N层、Aly5Ga1-y5N层，位于中间的Aly3Ga1-y3N层为分界层，Aly1Ga1-y1N、Aly2Ga1-y2N层、Aly3Ga1-y3N层的厚度和铝组份含量呈阶梯递增，Aly3Ga1-y3N层、Aly4Ga1-y4N层、Aly5Ga1-y5N层厚度和铝组份含量呈阶梯递减。其中所述5个子层的厚度及其中的铝组分含量都不同；或者可选的，第一层与第五层的厚度相同，例如均为1.5-3nm，第二层与第四层的厚度相同，例如均为2-4nm，第三层的厚度最大，例如为3-6nm。其中铝组份的含量y1＝y5、y2＝y4且5个子层的铝组分含量为0<y1<y2<y3<0.8。
本实施例实现的紫外LED外延结构，通过设置特殊的有源区垒层结构，将每一个垒层都设计为Al组分在一定厚度内成梯度上升后梯度下降的结构，这种新的结构，能够减缓多量子阱有源区内的量子限制斯塔克效应，增强有源区电子与空穴的辐射复合的几率；同时也能够增强紫外LED对电子的限制作用，进而提高LED的发光效率。
实施例二
本发明第二实施例提供一种紫外LED外延结构的制备方法，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950-1200℃，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；
设置氮气环境且温度为900-1000℃，在所述N型铝镓氮层上生多量子阱层，所述多量子阱发光层中的每一个量子垒层包含多个子层，所述子层的厚度和铝分子的含量按照由底向上的生长方向先递增后递减，递增和递减的分界层为每个量子垒层位于中间的子层；
设置氮气环境且温度为1000℃-1200℃，在所述多量子阱层上生长电子阻挡层；
设置氮气环境且温度为1000℃，在所述电子阻挡层上生长P型铝镓氮层；
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。
本实施例中，AlGaN基紫外LED外延结构是在蓝宝石(Al2O3)衬底上首先生长一层厚度2.5-3um厚的高温非掺杂的缓冲层，接着依次生长Si掺杂n型Al0.15Ga0.85N层(厚度为3um,浓度为2×1018cm-3)、6周期GaN/AlyGa1-yN的多量子阱发光层(作为实例，多量子阱发光层中每一个量子垒被分成五部分，第一个量子垒从底向上依次为1.5nm的Al0.12Ga0.88N层、2nm的Al0.15Ga0.85N层、3nm的Al0.18Ga0.82N层、2nm的Al0.15Ga0.85N层、1.5nm的Al0.12Ga0.88N层，第二个量子垒从底向上依次为1.5nm的Al0.15Ga0.85N层、2nm的Al0.18Ga0.82N层、3nm的Al0.21Ga0.79N层、2nm的Al0.18Ga0.82N层、1.5nm的Al0.15Ga0.85N层，第三个量子垒从底向上依次为1.5nm的Al0.18Ga0.82N层、2nm的Al0.21Ga0.79N层、3nm的Al0.24Ga0.76N层、2nm的Al0.21Ga0.79N层、1.5nm的Al0.18Ga0.82N层，第四个量子垒从底向上依次为1.5nm的Al0.21Ga0.79N层、2nm的Al0.24Ga0.76N层、3nm的Al0.27Ga0.73N层、2nm的Al0.24Ga0.76N层、1.5nm的Al0.21Ga0.79N层，第五个量子垒从底向上依次为1.5nm的Al0.24Ga0.76N层、2nm的Al0.27Ga0.73N层、3nm的Al0.30Ga0.70N层、2nm的Al0.27Ga0.73N层、1.5nm的Al0.24Ga0.76N层，第六个量子垒从底向上依次为1.5nm的Al0.27Ga0.73N层、2nm的Al0.30Ga0.70N层、3nm的Al0.33Ga0.67N层、2nm的Al0.30Ga0.70N层、1.5nm的Al0.27Ga0.73N层、Mg掺杂p型型Al0.35Ga0.65N层，厚度为20nm,浓度为1×1017cm-3电子阻档层和Mg掺杂的p型Al0.15Ga0.85N层，厚度0.1um,浓度为1×1017cm-3，重掺杂的p型GaN层，厚度10nm,浓度为7×1018cm-3。该外延结构采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)外延生长方法。
对该实施例的紫外LED外延结构进行光电性能分析，得到的分析结果见图3和图4所示。由图3得知，与传统统AlGaN基紫外LED外延结构相比，本发明的新型AlGaN基紫外LED外延结构有更好的内量子效率，特别在较大工作电流(300mA)下，具有较低的衰减(仅9.3％)，表明本实施例采用的对称台阶型的量子垒能够减缓多量子阱发光层内的量子限制斯塔克效应以及提高了紫外LED对电子限制能力。由图4得知，本实施例的AlGaN基紫外LED外延结构比对LED切割成300um×300um尺寸传统结构芯片的测试结果表明本实施例的结构有更高的光输出功率。
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，可以有多种变型方案实现本发明，比如作为一个实施例的特征可用于另一实施例而得到又一实施例。凡在运用本发明的技术构思之内所作的任何修改、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 外延结构，由底向上依次包括：衬底、缓冲层、N型铝镓氮层、多量子阱发光层、电子阻挡层、P型铝镓氮层和P型氮化镓层；其特征在于：
所述多量子阱发光层中的每一个量子垒层包含5个子层，按照由底向上的生长方向依次排列为Aly1Ga1-y1N、Aly2Ga1-y2N层、Aly3Ga1-y3N层、Aly4Ga1-y4N层、Aly5Ga1-y5N层，所述子层的厚度和铝分子的含量按照由底向上的生长方向先递增后递减，递增和递减的分界层为每个量子垒层位于中间的子层，其中中间子层的铝组分按照生长方向由底向上逐渐递增。
2.根据权利要求1所述的紫外LED 外延结构，其特征在于：所述多量子阱发光层中每一个量子垒层厚度为10-20nm。
3.根据权利要求1所述的紫外LED 外延结构，其特征在于：所述多量子阱发光层中的每一个量子垒层包含5个子层，按照由底向上的生长方向依次排列为Aly1Ga1-y1N、Aly2Ga1-y2N层、Aly3Ga1-y3N层、Aly4Ga1-y4N层、Aly5Ga1-y5N层，第一层与第五层的厚度均为1.5-3nm，第二层与第四层的厚度均为2-4nm，第三层的厚度为3-6nm。
4.根据权利要求1所述的紫外LED 外延结构，其特征在于：所述多量子阱发光层中的每一个量子垒层包含5个子层，按照由底向上的生长方向依次排列为Aly1Ga1-y1N、Aly2Ga1-y2N层、Aly3Ga1-y3N层、Aly4Ga1-y4N层、Aly5Ga1-y5N层，其中y1=y5、y2=y4。
5.根据权利要求1所述的紫外LED 外延结构，其特征在于：所述多量子阱发光层中的每一个量子垒层包含5个子层，按照由底向上的生长方向依次排列为Aly1Ga1-y1N、Aly2Ga1-y2N层、Aly3Ga1-y3N层、Aly4Ga1-y4N层、Aly5Ga1-y5N层，5个子层的铝组分含量为0<y1<y2<y3<0.8。
6.一种如权利要求1-5中任意一项所述的紫外LED 外延结构的制备方法，其特征在于包括：
设置氢气环境和温度，对蓝宝石衬底进行预处理；
在所述衬底上生长一层缓冲层；
在所述缓冲层上生长N型铝镓氮层；
设置氮气环境且温度为900-1100℃，在所述N 型铝镓氮层上生多量子阱层，所述多量子阱发光层中的每一个量子垒层包含5个子层，按照由底向上的生长方向依次排列为Aly1Ga1-y1N、Aly2Ga1-y2N层、Aly3Ga1-y3N层、Aly4Ga1-y4N层、Aly5Ga1-y5N层，所述子层的厚度和铝分子的含量按照由底向上的生长方向先递增后递减，递增和递减的分界层为每个量子垒层位于中间的子层，其中中间子层的铝组分按照生长方向由底向上逐渐递增；
在所述多量子阱层上生长电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上生长P型铝镓氮层；
设置氢气环境和温度，在所述P型铝镓氮层上生长P型氮化镓层。
7.根据权利要求6所述的紫外LED 外延结构的制备方法，其特征在于：所述多量子阱发光层包含多个量子垒层，所述多个量子垒层的中间子层的铝组分按照生长方向由底向上逐渐递增；所述多量子阱发光层中每一个量子垒层厚度为10-20nm。
8.根据权利要求6所述的紫外LED 外延结构的制备方法，其特征在于：所述多量子阱发光层中的每一个量子垒层包含5个子层，第一层与第五层的厚度均为1.5-3nm，第二层与第四层的厚度均为2-4nm，第三层的厚度为3-6nm；且y1=y5、y2=y4，0<y1<y2<y3<0.8。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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