CN110112273B - 一种深紫外led外延结构及其制备方法和深紫外led - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种深紫外LED外延结构及其制备方法和深紫外LED。该深紫外LED外延结构，包括衬底以及自衬底向上依次层叠设置的缓冲层、N型AlGaN层、多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层；P型AlGaN层包括第一、第二和第三子层；第一子层为P型AlxGa1‑xN层；第二子层包括交替层叠设置的非掺杂AlyGa1‑yN层与掺杂AlyGa1‑yN层，交替次数≥1；第三子层为P型AlzGa1‑zN层，1＞x＞y＞z＞0。本发明提供的深紫外LED外延结构，通过改变P型AlGaN层的结构，提高了紫外LED的发光效率和内量子效率，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技术领域，具体涉及一种深紫外LED外延结构及其制备方法和深紫外LED。
背景技术
深紫外LED作为一种新型的紫外光源，具有能耗低、体积小、集成性好、寿命长、环保无毒等优点，在杀菌、印刷、通讯、探测、紫外固化等领域具有广泛的应用前景，是当前III-族氮化物半导体最有发展潜力的领域和产业之一
虽然深紫外LED市场潜力和应用前景十分巨大，但是由于其发光效率较低，严重制约了其商业化的发展。鉴于此，如何提供一种深紫外LED外延结构，使深紫外LED的发光效率得以提升，仍旧是目前有待解决的技术问题。
发明内容
针对上述缺陷，本发明提供一种深紫外LED外延结构，能够用于提高深紫外LED的发光效率。
本发明提供一种深紫外LED外延结构的制备方法，能够制得上述深紫外LED外延结构。
本发明提供一种深紫外LED，包括前述深紫外LED外延结构，该深紫外LED具有较高的发光效率。
为实现上述目的，本发明提供一种深紫外LED外延结构，包括衬底以及自衬底向上依次层叠设置的缓冲层、N型AlGaN层、多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层；
其中，自衬底向上，P型AlGaN层包括依次层叠设置的第一子层、第二子层和第三子层：
第一子层为P型AlxGa1-xN层；
第二子层包括交替层叠设置的非掺杂AlyGa1-yN层与掺杂AlyGa1-yN层，交替次数≥1；
第三子层为P型AlzGa1-zN层，1＞x＞y＞z＞0。
本发明提供的深紫外LED外延结构中，在电子阻挡层和P型GaN之间设置P型AlGaN层，该P型AlGaN层包括三种不同的P-AlGaN子层，且自衬底向上的方向，三个子层中的Al组分含量依次递减，且第二个P-AlGaN子层按照非掺杂-掺杂交替的方式生长，从整体上属于极化掺杂方式，从而能够获得更高的空穴浓度，提高空穴注入率，则有更多的空穴被注入到有源区的量子阱中，提高有源区与空穴辐射复合的概率，从而提高深紫外LED的内量子效率以及发射功率。
另一方面，通常电子阻挡层中的Al含量要不低于P型AlGaN层中的Al含量，特别是对于单层电子阻挡层来说，不然可能会导致漏电。而P型AlGaN层采用上述三个子层的结构，还能够减弱电子阻挡层与P型AlGaN层之间的极化作用，使电子阻挡层的有效势垒高度增加，从而对有源区里的电子泄露也起到了抑制作用，使电子和空穴的复合机率增大，因而进一步提高了深紫外LED的发光效率。
本发明中，为方便表述，在深紫外LED外延结构中，将自衬底至P型GaN层的方向称为“向上”，反之，将自P型GaN层至衬底的方向称为“向下”。所以“向上”和“向下”仅用于描述各功能层之间的相对位置关系。
本发明提供的深紫外LED外延结构，其衬底具体可以采用LED所常用的衬底材料，比如蓝宝石、Si衬底、SiC衬底等。在本发明具体实施过程中，是使用的蓝宝石衬底。蓝宝石常被运用的切面有A面、C面、R面。蓝宝石的C面与III-V族和II-VI族沉积薄膜之间的晶格常数适配率小，同时符合GaN垒晶制程中耐高温的要求，因此，本发明实施例中通常选用C面的蓝宝石衬底。
缓冲层用于消除衬底对外延的影响，其材质具体可以是AlN、GaN等LED外延片中常用缓冲层材料。在本发明具体实施过程中，缓冲层材质为AlN。缓冲层的厚度可以是当前深紫外LED外延结构中缓冲层的常规厚度，比如1～10μm。在本发明具体实施过程中，缓冲层的厚度为2～6μm。
N型AlGaN层主要是通过掺杂n型原子，提供电子。本发明并不严格限定N型AlGaN层中掺杂原子的选择及其掺杂浓度，具体可以是目前深紫外LED外延结构中所常用的n型掺杂原子及掺杂浓度，比如掺杂原子一般选择Si，其掺杂浓度可控制在1×1017cm-3～5×1019cm-3。本发明也不特别限定N型AlGaN层中的Al浓度，可以是目前深紫外LED外延结构中N型AlGaN层中常规的Al浓度，比如N型Al0.5Ga0.5N层。N型AlGaN层的厚度也可以是当前深紫外LED外延结构中N型AlGaN层的常规厚度，比如1～5μm，进一步为2～3μm。
多量子阱结构(或称为多量子阱有源层、量子阱发光层)包括交替设置的AlaGa1-aN垒层和AlbGa1-bN阱层，0＜a＜1，0＜b＜1。本发明并不特别限定多量子阱结构的掺杂浓度和Al组分含量，可以分别是当前深紫外LED外延结构中多量子阱结构中的常规掺杂浓度和Al含量。
本发明中，AlaGa1-aN垒层和AlbGa1-bN阱层可交替重复3～10个周期(即交替次数为3～10次)，比如7个周期。其中，AlaGa1-aN垒层的厚度可以是10～15nm，AlbGa1-b阱层的厚度可以是3～5nm。
电子阻挡层用于降低电子漏过率、提高空穴的注入效率。本发明中，电子阻挡层可以是AlGaN电子阻挡层，具体可以包括一层或多层AlGaN层。本发明对于电子阻挡层中的掺杂浓度和Al组分含量不做特别限定，可以是当前深紫外LED外延结构中电子阻挡层常规的掺杂浓度和Al含量，其中电子阻挡层中的Al含量不低于P型AlGaN层中的Al含量。
作为优选的实施方案，电子阻挡层中的Al含量最好不低于第一子层中的Al含量。比如电子阻挡层为AlcGa1-cN，0＜c＜1，而第一子层为P型AlxGa1-xN层，则1＞c≥x＞y＞z＞0，优选c＞x。由于在P型AlGaN层中，沿衬底向上的方向，Al含量逐次减小，因此从电子阻挡层至P型AlGaN层，Al含量呈递减趋势，从而能够减弱电子阻挡层与P型AlGaN层之间的极化作用，减小能带的倾斜，进一步提高内量子效率以及深紫外LED的发光效率。
P型GaN层用于形成良好的欧姆接触，本发明对于P型GaN层所选择的掺杂原子种类及其掺杂量不做特别限定，可以是当前深紫外LED外延结构中常规的掺杂原子和掺杂量，比如可以通过掺杂Mg原子以形成P型掺杂，Mg的掺杂浓度比如可以是1×1020cm-3～5×1020cm-3，比如2×1020cm-3左右。
如前所述，本发明所提供的深紫外LED外延结构中，自衬底向上，P型AlGaN层中Al浓度呈递减趋势(1＞x＞y＞z＞0)。其中，第一子层中的Al含量最高，一般可控制在40％～80％，即P型AlxGa1-xN层中，x的取值范围为0.4～0.8。
进一步的，第一子层中的Al含量与第三子层中的Al含量之间的差值范围尤其可以是10％～40％，即P型AlxGa1-xN层与P型AlzGa1-zN层之间，0.1≤x-z≤0.4，避免在整个P型AlGaN层中，因Al组分含量下降太快而导致晶格不匹配、产生位错而影响深紫外LED外延结构以及深紫外LED的性能。
第二子层包括交替层叠设置的非掺杂AlyGa1-yN层与掺杂AlyGa1-yN层，一般是先在第一子层上生长非掺杂AlyGa1-yN层，然后生长掺杂AlyGa1-yN层，然后再生长非掺杂AlyGa1-yN层和掺杂AlyGa1-yN层……，最后生长第三子层。其中非掺杂AlyGa1-yN层与掺杂AlyGa1-yN层交替周期数可以为1～9，比如1～3。
在本发明具体实施过程中，P型AlGaN层的三个子层中，第一子层的厚度可以是10～20nm、第二子层的总厚度可以是总厚度为10～20nm，第三子层的总厚度可以是5～10nm。P型AlGaN层的总厚度可以是25～50nm。
进一步的，第一子层的厚度最好大于第二子层的总厚度，第二子层的总厚度最好大于第三子层的厚度。由于P型AlGaN层中三个子层的Al组分自下至上依次递减，通过厚度依次递减，从而减少对光的吸收，达到减少亮度的损失的效果。
第二子层包括交替层叠的非掺杂AlyGa1-yN层与掺杂AlyGa1-yN层，其中非掺杂AlyGa1-yN层的厚度一般可以是1～5nm，掺杂AlyGa1-yN层的厚度一般可以是3～8nm。
进一步的，掺杂AlyGa1-yN层的厚度最好大于非掺杂AlyGa1-yN层的厚度，一般二者的厚度差为1～3nm。
本发明对于P型AlGaN层中所用的掺杂元素不做特别限定，可以是LED外延生产中所常用的p型掺杂元素，比如可以是Mg。在本发明具体实施过程中，所用的Mg源比如可以是Cp2Mg、二茂镁，双(异戊二烯基)镁。P型AlGaN层中Mg的平均掺杂浓度一般可控制在1×1019～5×1019cm-3。
在实际生产中，考虑到第二子层的生长以及整个P型AlGaN层的形成、甚至整个深紫外LED外延结构的生产都是在同一设备中完成的，因此为控制非掺杂AlyGa1-yN层与掺杂AlyGa1-yN层中p型元素(比如Mg)的掺杂量，一般可通过控制生长速率来控制掺杂浓度。比如非掺杂AlyGa1-yN层的生长速率略高，一般为0.2～0.5μm/h，掺杂AlyGa1-yN层的生长速率略低，一般为0.1～0.3μm/h。
进一步的，第二子层中掺杂元素的掺杂量不低于第一子层中掺杂元素的掺杂量；和/或，第二子层中掺杂元素的掺杂量不低于第三子层中掺杂元素的掺杂量。
本发明还提供一种上述深紫外LED外延结构的制备方法，包括：在衬底上依次形成缓冲层、N型AlGaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层。
本发明并不严格限定上述深紫外LED外延结构的制备方法，比如可以使用金属有机化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)设备、分子束外延设备MBE或者氢化物气相外延设备HVPE生长除衬底在外的其它各层结构。在本发明具体实施过程中，是采用MOCVD技术制备上述深紫外LED外延结构，具体可以包括如下步骤：
1、将c面蓝宝石衬底放置于MOCVD反应室中的载盘上，在1000～1200℃下高温处理5～10min。接着，在500～900℃下通入Al源和N源生长AlN缓冲层，缓冲层的厚度为2～6μm。
2、在1000～1300℃条件下，向反应室中通入Ga源、Al源、N源和Si源，在缓冲层上生长N型AlGaN层，厚度为2～3μm。
3、在1050～1200℃条件下，向反应室中通入Ga源、Al源、Si源和Mg源，生长量子阱发光层，其中，垒层厚度为10～15nm，量子阱厚度为3～5nm。
4、在1050～1100℃条件下，向反应室中通入Ga源、Al源和N源，生长电子阻挡层，整个电子阻挡层的厚度为20～40nm。
5、在950～1050℃条件下，向反应室中通入Al源，Ga源，N源和Mg源，生长P型AlGaN层，包括依次生长第一子层(P型AlxGa1-xN层、0.4≤x≤0.8)、第二子层和第三子层(P型AlzGa1-zN层，0.1≤x-z≤0.4)。
其中第二子层包括交替设置的非掺杂AlGaN和掺杂AlGaN。非掺杂层AlGaN的生长速率一般为0.2～0.5μm/h，掺杂AlyGa1-yN层的生长速率一般为0.1～0.3μm/h，
6、在900～980℃条件下，向反应室中通入Ga源、N源和Mg源，生长P型GaN层，厚度为100～250nm，Mg的掺杂浓度为1×1020～5×1020cm-3。
7、降温退火，比如降温至800℃，退火，得到深紫外LED外延结构。
在上述制备过程中，本发明实施例并不特别限定Ga源、Al源、N源和Mg源的具体形式，均可以采用现有常规的材料。可选的，Ga源为三甲基镓TMGa，Al源为三甲基铝TMAl，N源为氨气NH3，载气为H2，N型掺杂源和P型掺杂源分别为硅烷SiH4和二茂镁Cp2Mg。
本发明还提供一种深紫外LED，包括前述深紫外LED外延结构。此外该深紫外LED还可以包括形成在深紫外LED外延结构上的电极以及封装结构等。本发明对于深紫外LED的具体制备工艺不做特别限定，可首先按照第二个方面所述的制备方法获得深紫外LED外延，然后按照LED的常规加工工艺，对外延片进行清洗、镀电极、图案化、切割、封装等处理，得到深紫外LED。
本发明提供的深紫外LED外延结构，在电子阻挡层和P型GaN之间设有特殊结构的P型AlGaN层，该P型AlGaN层包括三种不同的AlGaN子层，且自衬底向上的方向，三个子层中的Al组分含量依次递减，且第二个P-AlGaN子层按照非掺杂-掺杂交替的方式生长，从整体上属于极化掺杂方式，从而能够获得更高的空穴浓度，提高空穴注入率，则有更多的空穴被注入到有源区的量子阱中，提高有源区与空穴辐射复合的概率，从而提高深紫外LED的内量子效率以及发射功率。
并且，上述P型AlGaN层结构，还能够减弱电子阻挡层与P型AlGaN层之间的极化作用，使电子阻挡层的有效势垒高度增加，从而对有源区里的电子泄露也起到了抑制作用，使电子和空穴的复合机率增大，因而进一步提高深紫外LED的发光效率。
本发明提供的深紫外LED外延结构的制备方法，工艺简单可控，可在常规深紫外LED外延结构加工工艺上进行改进，便于实际推广和应用。
本发明提供的深紫外LED，由于包括上述深紫外LED外延结构，因此较常规深紫外LED，能够进一步提高内量子效率和发光效率，其中亮度可提升10％左右，漏电良率可提升7％左右，因而具有更广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例提供的深紫外LED外延结构的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的深紫外LED外延结构中P型AlGaN层的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
以下实施例和对比例中，所采用的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H2，N型和P型掺杂源分别为硅烷SiH4和二茂镁Cp2Mg。
实施例1
本实施例提供一种深紫外LED外延结构，如图1和图2所示，包括衬底以及自衬底向上依次层叠设置的缓冲层、N型AlGaN层、多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层；
其中，自衬底向上，P型AlGaN层包括依次层叠设置的第一子层、第二子层和第三子层；第一子层为P型AlxGa1-xN层；第二子层包括交替层叠设置的非掺杂AlyGa1-yN层与掺杂AlyGa1-yN层，交替次数≥1；第三子层为P型AlzGa1-zN层，1＞x＞y＞z＞0。
该深紫外LED外延结构的制备工艺如下：
1、将c面蓝宝石衬底放置于MOCVD反应室中的载盘上，在1000～1200℃下高温处理5～10min。接着，在500～900℃下通入Al源和氮源，在衬底上生长AlN缓冲层，缓冲层的厚度为2～6μm。
2、在1000～1300℃条件下，向反应室中通入Ga源、Al源、氨气和硅烷SiH4，生长N型Al0.5Ga0.5N层，厚度为2～3μm。
3、在1050～1200℃条件下，向反应室中通入Ga源、Al源和氨气，生长多量子阱结构，其中，垒层AlaGa1-aN厚度为10～15nm，a为0.5～0.65，阱层AlbGa1-bN厚度为3～5nm，b约为0.43。整个多量子阱结构循环生长7个周期。
4、在1050～1100℃条件下，向反应室中通入Ga源、Al源和氨气，生长电子阻挡层AlcGa1-cN，c＝0.6；整个电子阻挡层的厚度为20～40nm。
5、在950～1050℃条件下，向反应室中通入Al源、Ga源、氨气和Mg源，在电子阻挡层上生长P型AlGaN层，其中：
第一子层为P型AlxGa1-xN层，x＝0.5，厚度为18nm；
第二子层结构为u-AlyGa1-yN/Mg-AlyGa1-yN(非掺杂AlGaN层/掺杂AlGaN层，下同)交替生长，y＝0.4，非掺杂u-AlGaN层厚度约为4nm，掺杂Mg-AlGaN层厚度约为6nm，第二子层的总厚度约为10nm；并且非掺杂u-AlGaN层生长速率为0.25μm/h，掺杂Mg-AlGaN层生长速率为0.2μm/h。
第三子层为P型AlzGa1-zN层，z＝0.35，厚度为5nm。
整个P型AlGaN层的Mg掺杂浓度平均为4.5×1019cm-3，其中第二子层的掺杂浓度高于第一子层和第三子层。
6、在950℃条件下，向反应室中通入Ga源、氨气和Mg源，生长P型GaN层，厚度为200nm，Mg的掺杂浓度为2×1020cm-3。
7、降温至800℃，退火40min，得到深紫外LED外延结构。
实施例2
本实施例提供一种深紫外LED外延结构，如图1和图2所示，包括衬底以及自衬底向上依次层叠设置的缓冲层、N型AlGaN层、多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层；
其中，自衬底向上，P型AlGaN层包括依次层叠设置的第一子层、第二子层和第三子层；第一子层为P型AlxGa1-xN层；第二子层包括交替层叠设置的非掺杂AlyGa1-yN层与掺杂AlyGa1-yN层，交替次数≥1；第三子层为P型AlzGa1-zN层，1＞x＞y＞z＞0。
该深紫外LED外延结构的制备工艺如下：
1、将c面蓝宝石衬底放置于MOCVD反应室中的载盘上，在1000～1200℃下高温处理5～10min。接着，在500～900℃下通入Al源和氮源，在衬底上生长AlN缓冲层，缓冲层的厚度为2～6μm。
2、在1000～1300℃条件下，向反应室中通入Ga源、Al源、氨气和硅烷SiH4，生长N型Al0.5Ga0.5N层，厚度为2～3μm。
3、在1050～1200℃条件下，向反应室中通入Ga源、Al源和氨气，生长多量子阱结构，其中，垒层AlaGa1-aN厚度为10～15nm，a为0.5～0.65；阱层AlbGa1-bN厚度为3～5nm，b约为0.43。整个多量子阱结构循环生长7个周期。
4、在1050～1100℃条件下，向反应室中通入Ga源、Al源和氨气，生长电子阻挡层AlcGa1-cN，c＝0.6；整个电子阻挡层的厚度为20～40nm。
5、在950～1050℃条件下，向反应室中通入Al源，Ga源，氨气和Mg源，在电子阻挡层上生长P型AlGaN层。其中：
第一子层为P型AlxGa1-xN层，x＝0.5，厚度为16nm；
第二子层结构为u-AlyGa1-yN/Mg-AlyGa1-yN交替生长，y＝0.4，u-AlyGa1-yN层厚度约为5nm，Mg-AlyGa1-yN层厚度约为7nm，第二子层的总厚度约为12nm；非掺杂层u-AlGaN生长速率为0.25μm/h，掺杂AlGaN层生长速率为0.2μm/h。
第三子层为P型AlzGa1-zN层，z＝0.35，厚度为5nm。
整个P型AlGaN层的Mg掺杂浓度平均为4.5×1019cm-3，其中第二子层的掺杂浓度高于第一子层和第三子层。
6、在950℃条件下，向反应室中通入Ga源、氨气和Mg源，生长P型GaN层，厚度为200nm，Mg的掺杂浓度为2×1020cm-3。
7、降温至800℃，退火40min，得到深紫外LED外延结构。
实施例3
本实施例提供一种深紫外LED外延结构，如图1和图2所示，包括衬底以及自衬底向上依次层叠设置的缓冲层、N型AlGaN层、多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层；
其中，自衬底向上，P型AlGaN层包括依次层叠设置的第一子层、第二子层和第三子层；第一子层为P型AlxGa1-xN层；第二子层包括交替层叠设置的非掺杂AlyGa1-yN层与掺杂AlyGa1-yN层，交替次数≥1；第三子层为P型AlzGa1-zN层，1＞x＞y＞z＞0。
该深紫外LED外延结构的制备工艺如下：
1、将c面蓝宝石衬底放置于MOCVD反应室中的载盘上，在1000～1200℃下高温处理5～10min。接着，在500～900℃下通入Al源和氮源，在衬底上生长AlN缓冲层，缓冲层的厚度为2～6μm。
2、在1000～1300℃条件下，向反应室中通入Ga源、Al源、氨气和硅烷SiH4，生长N型Al0.5Ga0.5N层，厚度为2～3μm。
3、在1050～1200℃条件下，向反应室中通入Ga源、Al源和氨气，生长多量子阱结构，其中，垒层AlaGa1-aN厚度为10～15nm，a为0.50～0.65；阱层AlbGa1-bN厚度为3～5nm，b约为0.43。整个多量子阱结构循环生长7个周期。
4、在1050～1100℃条件下，向反应室中通入Ga源、Al源和氨气，生长电子阻挡层AlcGa1-cN，c＝0.6；整个电子阻挡层的厚度为20～40nm。
5、在950～1050℃条件下，向反应室中通入Al源，Ga源，氨气和Mg源，在电子阻挡层上生长P型AlGaN层。其中：
第一子层为P型AlxGa1-xN层，x＝0.4，厚度为20nm；
第二子层结构为u-AlyGa1-yN/Mg-AlyGa1-yN交替生长，y＝0.35，非掺杂u-AlGaN层的厚度为3nm，掺杂Mg-AlGaN层的厚度为5nm，交替次数为2；非掺杂层u-AlGaN生长速率为0.3μm/h，掺杂Mg-AlGaN生长速率为0.25μm/h。
第三子层为P型AlzGa1-zN层，z＝0.35，厚度为3nm。
整个P型AlGaN层的Mg掺杂浓度平均为4.5×1019cm-3，其中第二子层的掺杂浓度高于第一子层和第三子层。
6、在950℃条件下，向反应室中通入Ga源、氨气和Mg源，生长P型GaN层，厚度为200nm，Mg的掺杂浓度为2×1020cm-3。
7、降温至800℃，退火40min，得到深紫外LED外延结构。
实施例4
本实施例提供一种深紫外LED外延结构，如图1和图2所示，包括衬底以及自衬底向上依次层叠设置的缓冲层、N型AlGaN层、多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层；
其中，自衬底向上，P型AlGaN层包括依次层叠设置的第一子层、第二子层和第三子层；第一子层为P型AlxGa1-xN层；第二子层包括交替层叠设置的非掺杂AlyGa1-yN层与掺杂AlyGa1-yN层，交替次数≥1；第三子层为P型AlzGa1-zN层，1＞x＞y＞z＞0。
该深紫外LED外延结构的制备工艺如下：
1、将c面蓝宝石衬底放置于MOCVD反应室中的载盘上，在1000～1200℃下高温处理5～10min。接着，在500～900℃下通入Al源和氮源，在衬底上生长AlN缓冲层，缓冲层的厚度为2～6μm。
2、在1000～1300℃条件下，向反应室中通入Ga源、Al源、氨气和硅烷SiH4，生长N型Al0.5Ga0.5N层，厚度为2～3μm；
3、在1050～1200℃条件下，向反应室中通入Ga源、Al源、氨气，生长多量子阱结构，其中，垒层AlaGa1-aN厚度为10～15nm，a为0.50～0.65；阱层AlbGa1-bN厚度为3～5nm，b约为0.43。整个量子阱发光层循环生长7个周期。
4、在1050～1100℃条件下，向反应室中通入Ga源、Al源和氨气，生长电子阻挡层AlcGa1-cN，c＝0.6；整个电子阻挡层的厚度为20～40nm；
5、在950～1050℃条件下，向反应室中通入Al源，Ga源，氨气和Mg源，在电子阻挡层上生长P型AlGaN层，其中：
第一子层为P型AlxGa1-xN层，x＝0.4，厚度为20nm。
第二子层结构为u-AlGaN/Mg-AlGaN交替生长，y＝0.4，非掺杂AlGaN层厚度为3nm，掺杂AlGaN层厚度为4nm，交替次数为2；非掺杂层u-AlGaN生长速率为0.25μm/h，掺杂AlGaN生长速率为0.2μm/h。
第三子层为P型AlzGa1-zN层，z＝0.35，厚度为3nm。
整个P型AlGaN层的Mg掺杂浓度平均为4.5×1019cm-3，其中第二子层的掺杂浓度高于第一子层和第三子层。
6、在950℃条件下，向反应室中通入Ga源、氨气和Mg源，生长P型GaN层，厚度为200nm，Mg的掺杂浓度为2×1020cm-3；
7、降温至800℃，退火40min，得到深紫外LED外延结构。
实施例5
本实施例提供一种深紫外LED外延结构，如图1和图2所示，包括衬底以及自衬底向上依次层叠设置的缓冲层、N型AlGaN层、多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层；
其中，自衬底向上，P型AlGaN层包括依次层叠设置的第一子层、第二子层和第三子层；第一子层为P型AlxGa1-xN层；第二子层包括交替层叠设置的非掺杂AlyGa1-yN层与掺杂AlyGa1-yN层，交替次数≥1；第三子层为P型AlzGa1-zN层，1＞x＞y＞z＞0。
该深紫外LED外延结构的制备工艺如下：
1、将c面蓝宝石衬底放置于MOCVD反应室中的载盘上，在1000～1200℃下高温处理5～10min。接着，在500～900℃下通入Al源和氮源，在衬底上生长AlN缓冲层，缓冲层的厚度为2～6μm。
2、在1000～1300℃条件下，向反应室中通入Ga源、Al源、氨气和硅烷SiH4，生长N型Al0.5Ga0.5N层，厚度为2～3μm；
3、在1050～1200℃条件下，向反应室中通入Ga源、Al源和氨气，生长多量子阱结构，其中，垒层AlaGa1-aN厚度为10～15nm，a为0.50～0.65；阱层AlbGa1-bN厚度为3～5nm，b约为0.43。整个量子阱发光层循环生长7个周期。
4、在1050～1100℃条件下，向反应室中通入Ga源、Al源和氨气，生长电子阻挡层AlcGa1-cN，c＝0.6；整个电子阻挡层的厚度为20～40nm。
5、在950～1050℃条件下，向反应室中通入Al源，Ga源，氨气和Mg源，在电子阻挡层上生长P型AlGaN层。其中：
第一子层为P型AlxGa1-xN层，x＝0.45，厚度为20nm。
第二子层结构为u-AlGaN/Mg-AlGaN交替生长，y＝0.3，非掺杂AlGaN层厚度为3nm，掺杂AlGaN层厚度为5nm，交替次数为2；非掺杂u-AlGaN层生长速率为0.25μm/h，掺杂AlGaN层生长速率为0.2μm/h。
第三子层为P型AlzGa1-zN层，z＝0.10，厚度为2nm。
整个P型AlGaN层的Mg掺杂浓度平均为4.5×1019cm-3，其中第二子层的掺杂浓度高于第一子层和第三子层。
6、在950℃条件下，向反应室中通入Ga源、氨气和Mg源，生长P型GaN层，厚度为200nm，Mg的掺杂浓度为2×1020cm-3；
7、降温至800℃，退火40min，得到深紫外LED外延结构。
实施例6
本实施例提供一种深紫外LED外延结构，如图1和图2所示，包括衬底以及自衬底向上依次层叠设置的缓冲层、N型AlGaN层、多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层；
其中，自衬底向上，P型AlGaN层包括依次层叠设置的第一子层、第二子层和第三子层；第一子层为P型AlxGa1-xN层；第二子层包括交替层叠设置的非掺杂AlyGa1-yN层与掺杂AlyGa1-yN层，交替次数≥1；第三子层为P型AlzGa1-zN层，1＞x＞y＞z＞0。
该深紫外LED外延结构的制备工艺如下：
1、将c面蓝宝石衬底放置于MOCVD反应室中的载盘上，在1000～1200℃下高温处理5～10min。接着，在500～900℃下通入Al源和氮源，在衬底上生长AlN缓冲层，缓冲层的厚度为2～6μm。
2、在1000～1300℃条件下，向反应室中通入Ga源、Al源、氨气和硅烷SiH4，生长N型Al0.5Ga0.5N层，厚度为2～3μm。
3、在1050～1200℃条件下，向反应室中通入Ga源、Al源和氨气，生长多量子阱结构，其中，垒层AlaGa1-aN厚度为10～15nm，a为0.50～0.65；阱层AlbGa1-bN厚度为3～5nm，b约为0.43。整个量子阱发光层循环生长7个周期。
4、在1050～1100℃条件下，向反应室中通入Ga源、Al源和氨气，生长电子阻挡层AlcGa1-cN，c＝0.6；整个电子阻挡层的厚度为20～40nm。
5、在950～1050℃条件下，向反应室中通入Al源，Ga源，氨气和Mg源，在电子阻挡层上生长P型AlGaN层。其中：
第一子层为P型AlxGa1-xN层，x＝0.45，厚度为20nm。
第二子层结构为u-AlGaN/Mg-AlGaN交替生长，y＝0.3，非掺杂AlGaN层厚度为3nm，掺杂AlGaN层厚度为5nm，交替次数为2；非掺杂u-AlGaN层生长速率为0.25μm/h，掺杂AlGaN层生长速率为0.15μm/h。
第三子层为P型AlzGa1-zN层，z＝0.10，厚度为2nm。
整个P型AlGaN层的Mg掺杂浓度平均为4.5×1019cm-3，其中第二子层的掺杂浓度高于第一子层和第三子层。
6、在950℃条件下，向反应室中通入Ga源、氨气和Mg源，生长P型GaN层，厚度为200nm，Mg的掺杂浓度为2×1020cm-3；
7、降温至800℃，退火40min，得到深紫外LED外延结构。
对比例1
本对比例提供一种LED外延结构，其结构与实施例1基本一致，区别仅在于采用实施例一中的第一子层作为本对比例LED外延结构中的P型AlGaN层。
将前述实施例1-6和对比例1所提供的LED外延片制成350μm×350μm的LED芯片，通入20mA的电流，与对比例1的外延片所制成的LED芯片相比，实施例1-6的深紫外LED芯片亮度提升约10％，漏电良率(IR)提升约7％。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (14)
1.一种深紫外LED外延结构，其特征在于，包括衬底以及自衬底向上依次层叠设置的缓冲层、N型AlGaN层、多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层；
其中，自衬底向上，所述P型AlGaN层包括依次层叠设置的第一子层、第二子层和第三子层：
所述第一子层为P型AlxGa1-xN层；
所述第二子层包括交替层叠设置的非掺杂AlyGa1-yN层与掺杂AlyGa1-yN层，交替次数≥1；
所述第三子层为P型AlzGa1-zN层，1＞x＞y＞z＞0。
2.根据权利要求1所述的深紫外LED外延结构，其特征在于，0.1≤x-z≤0.4。
3.根据权利要求1所述的深紫外LED外延结构，其特征在于，所述电子阻挡层包括至少一层AlGaN层，且所述电子阻挡层中的Al含量不低于所述第一子层中的Al含量。
4.根据权利要求2所述的深紫外LED外延结构，其特征在于，所述电子阻挡层包括至少一层AlGaN层，且所述电子阻挡层中的Al含量不低于所述第一子层中的Al含量。
5.根据权利要求1所述的深紫外LED外延结构，其特征在于，所述第二子层中掺杂元素的掺杂量不低于所述第一子层中掺杂元素的掺杂量；和/或，所述第二子层中掺杂元素的掺杂量不低于所述第三子层中掺杂元素的掺杂量。
6.根据权利要求1所述的深紫外LED外延结构，其特征在于，所述掺杂元素为Mg。
7.根据权利要求5所述的深紫外LED外延结构，其特征在于，所述掺杂元素为Mg。
8.根据权利要求1-7任一项所述的深紫外LED外延结构，其特征在于，所述第一子层的厚度为10～20nm，所述第二子层的总厚度为10～20nm，所述第三子层的厚度为5～10nm。
9.根据权利要求1所述的深紫外LED外延结构，其特征在于，在所述第二子层中，掺杂AlyGa1-yN层的厚度大于非掺杂AlyGa1-yN层的厚度。
10.根据权利要求8所述的深紫外LED外延结构，其特征在于，在所述第二子层中，掺杂AlyGa1-yN层的厚度大于非掺杂AlyGa1-yN层的厚度。
11.根据权利要求1所述的深紫外LED外延结构，其特征在于，所述第一子层的厚度大于第二子层的总厚度，所述第二子层的总厚度大于第三子层的厚度。
12.根据权利要求8所述的深紫外LED外延结构，其特征在于，所述第一子层的厚度大于第二子层的总厚度，所述第二子层的总厚度大于第三子层的厚度。
13.一种权利要求1-12任一项所述深紫外LED外延结构的制备方法，其特征在于，包括：在衬底上依次形成所述缓冲层、N型AlGaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层。
14.一种深紫外LED，其特征在于，包括权利要求1-12任一项所述的深紫外LED外延结构。
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