CN110660890A - 一种紫外发光二极管外延结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紫外发光二极管外延结构，包括依次设于衬底上的AlN层、N型AlGaN层、渐变层、有源层、阻挡层和P型AlGaN层。本发明通过渐变层和阻挡层来提升外延结构的晶体质量，提高发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种紫外发光二极管外延结构。
背景技术
AlGaN半导体材料具有很宽的直接带隙，禁带宽度从3.4～6.2eV连续可调，使其光响应波段覆盖从近紫外(UVA)到深紫外(UVC)。相比于传统紫外光源，如汞灯和氙灯，紫外LED具有无汞污染、波长可控、体积小、耗电低、寿命长等优点，在高显色指数白光照明、防伪识别、紫外聚合物固化、杀菌消毒、医疗卫生、水与空气净化、高密度光学数据存贮等领域都有着广阔的应用前景和巨大的市场需求。
相较于成熟的GaN基蓝光外延结构，紫外发光二极管外延结构的发光效率普遍偏低，且发光效率随波长的减小急剧下降。如何制备结晶质量好、发光功率高的紫外发光二极管外延结构，是当前急需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种紫外发光二极管外延结构，晶体质量好，发光效率高。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种紫外发光二极管外延结构，包括依次设于衬底上的AlN层、N型AlGaN层、渐变层、有源层、阻挡层和P型 AlGaN层，
所述渐变层由n层N型AlGaN层组成，4≤n≤9，第1层和第n层的AlGaN 层的Al含量相同；
若n为单数，则第1层到第(n+1)/2层的AlGaN层的Al含量逐渐减少，第(n+1)/2层到第n层的AlGaN层的Al含量逐渐增加；
若n为双数，则第1层到第n/2层的AlGaN层的Al含量逐渐减少，第n/2 层到第n层的AlGaN层的Al含量逐渐增加；
所述阻挡层由第一AlGaN层、第一Mg层、第二Mg层、第二AlGaN层、第三Mg层和第四Mg层交替形成，第一AlGaN层中Al的含量与第二AlGaN 层中Al的含量不等。
作为上述方案的改进，所述渐变层由n层N型AlGaN层组成，第1层和第 n层的x＝0.5～0.6，第2层至第(n-1)层的x＝0.2～0.4。
作为上述方案的改进，第一Mg层中Mg的含量大于第二Mg层中Mg的含量，第三Mg层中Mg的含量大于第四Mg层中Mg的含量。
作为上述方案的改进，所述阻挡层中Mg的掺杂浓度为1～2E19 atom/cm3。
作为上述方案的改进，所述阻挡层由下述方法制得：
(1)通入流量为60～70slm的氮源、流量为150～180sccm的铝源、流量为 25～30sccm的镓源，生长厚度为1～10nm的第一AlGaN层；
(2)关闭铝源和镓源，通入流量为60～70slm的氮源和流量为900～1000sccm 的镁源，持续4～10分钟，形成第一Mg层；通入流量为50～60slm的氮源和流量为800～900sccm的镁源，持续1～5分钟，形成第二Mg层；
(3)关闭镁源，通入流量为60～70slm的氮源、流量为150～180sccm的铝源、流量为25～30sccm的镓源，生长厚度为1～10nm的第二AlGaN层；
(4)关闭铝源和镓源，通入流量为60～70slm的氮源和流量为900～1000sccm 的镁源，持续4～10分钟，形成第三Mg层；通入流量为50～60slm的氮源和流量为800～900sccm的镁源，持续1～5分钟，形成第四Mg层；
(5)重复步骤(1)、(2)、(3)和(4)若干次。
作为上述方案的改进，所述AlN层和N型AlGaN层之间设有缓冲层，所述缓冲层由m个周期的AlN/AlGaN超晶格结构组成，m≥3。
作为上述方案的改进，所述缓冲层由m个周期的AlN/AluGa1-uN超晶格结构组成，u＜0.8；每个AlN/AluGa1-uN超晶格结构的厚度为2～10nm；所述缓冲层的厚度为200～400nm。
作为上述方案的改进，所述有源层由5～9个周期的量子阱结构组成，所述量子阱结构包括AlxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层，0＜x＜0.3，y比x大40％以上。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明提供的一种紫外发光二极管外延结构，包括依次设于衬底上的AlN 层、N型AlGaN层、渐变层、有源层、阻挡层和P型AlGaN层。
本发明在AlN层和N型AlGaN层之间形成一层缓冲层，以将晶格失配产生的应力在缓冲层逐步释放，从而避免AlN层发生龟裂问题，AlN层的质量得到提升，位错和缺陷会大幅减少，从而提升外延结构的晶体质量，进而改善发光效率。另外，更低的外延材料位错和缺陷意味着更少的光子俘获中心，有利于更多的紫外光能够穿越外延结构向外出光，提高了出光效率，同时降低了光子被俘获后产生的总热量，对紫光LED器件的性能有极大提升。
本发明的阻挡层由第一AlGaN层、第一Mg层、第二Mg层、第二AlGaN 层、第三Mg层和第四Mg层交替形成。本发明的第一AlGaN层和第二AlGaN 层中没有Mg杂质的引入，不会形成堆垛位错，有效改善P型GaN层的结晶质量，降低位错密度，而Mg的掺入是在第一AlGaN层和第二AlGaN层形成之后，因此Mg原子可以自由选择最佳的位置进行掺杂，从而减少自补偿效应，提高P 型GaN层的空穴浓度及其迁移率。
第一AlGaN层中Al的含量与第二AlGaN层中Al的含量必须不同，这样才能产生势磊的差异，才能使阻挡层能带弯曲。本发明通过改变阻挡层的能带弯曲来提高Mg的掺杂浓度。本发明阻挡层的Mg的掺杂浓度可达1～2E19 atom/cm3，现有的电子阻挡层的Mg的掺杂浓度只有1E18 atom/cm3。
附图说明
图1是本发明外延结构的结构示意图。
图2是本发明阻挡层的生长工艺图；
图3是现有阻挡层的生长工艺图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
参见图1，本发明提供的一种紫外发光二极管外延结构，包括依次设于衬底 10上的AlN层20、N型AlGaN层40、渐变层50、有源层60、阻挡层70和P 型AlGaN层80。
本发明衬底10的材料可以为蓝宝石、碳化硅或硅，也可以为其他半导体材料。优选的，本发明的衬底10为蓝宝石衬底。
本发明AlN层20由AlN制成，作为外延结构的基材材料，其作用是为后续生长的N型AlGaN层40、有源层60和P型AlGaN层80做准备。由于AlN 的能级在III/V族体系中是最大的，对LED的吸光是最小的，采用AlN作为基础材料有效提高外延结构的出光效率。
优选的，AlN层20的厚度是2～4μm。若AlN层20的厚度小于2μm，则不能完全释放衬底与AlN材料的应力失配，影响AlN材料的晶体质量；若厚度太厚，则浪费时间和材料。
由于AlN层20和N型AlGaN层40之间存在较大的晶格差异，若直接在 AlN层上生长N型AlGaN层，会因应力聚集在两种材料界面导致龟裂的问题。本发明在AlN层20和N型AlGaN层40之间还设置了一层缓冲层30，以将晶格失配产生的应力在缓冲层30逐步释放，从而避免AlN层发生龟裂问题，AlN 层的质量得到提升，位错和缺陷会大幅减少，从而提升外延结构的晶体质量，进而改善发光效率。另外，更低的外延材料位错和缺陷意味着更少的光子俘获中心，有利于更多的紫外光能够穿越外延结构向外出光，提高了出光效率，同时降低了光子被俘获后产生的总热量，对紫光LED器件的性能有极大提升。
优选的，所述缓冲层的厚度为200～400nm。若缓冲层的厚度小于200nm，则不能很好地释放应力和降低错位，若厚度太厚，则浪费时间和材料。
由于AlN/AlGaN超晶格结构能够很好地释放AlN材料与N型AlGaN之间的应力，另外AlN/AlGaN超晶格结构能弯转位错线，从而达到提高晶体质量的目的。具体的，所述缓冲层30由m个周期的AlN/AluGa1-uN(u＜0.8)超晶格结构组成，m≥3。需要说明的是，若u大于0.8，则缓冲层不能很好释放应力。
每个AlN/AluGa1-uN超晶格结构的厚度为2～10nm，由于其厚度是几个原子层的厚度，因此AlN/AluGa1-uN超晶格结构对应力释放和降低位错效果最佳。
所述渐变层40由n层N型AlGaN层组成，4≤n≤9，第1层和第n层的 AlGaN层的Al含量相同；若n为单数，则第1层到第(n+1)/2层的AlGaN层的Al含量逐渐减少，第(n+1)/2层到第n层的AlGaN层的Al含量逐渐增加；若n为双数，则第1层到第n/2层的AlGaN层的Al含量逐渐减少，第n/2层到第n层的AlGaN层的Al含量逐渐增加。
本发明的渐变层可以有效地抑制量子限制斯塔克效应，削弱有源层的极化电场，最终提高紫外LED芯片的内量子效率。由于本发明的渐变层设置在有源层和N型AlGaN层之间，可以减少对未生长的有源层所造成的影响，以减少有源层中Al组分所发生的迁移，从而可以避免有源层中的能带结构发生变化，进而提高外延结构的发光效率
优选的，所述渐变层由n层N型AlGaN层组成，第1层和第n层的x＝0.5～0.6，第2层至第(n-1)层的x＝0.2～0.4。
为了提高有源层60的出光效率，本发明对有源层的结构做了特殊设计。所述有源层60由5～9个周期的量子阱结构组成，所述量子阱结构包括AlxGa1-xN 阱层和AlyGa1-yN垒层，0＜x＜0.3，y比x大40％以上。
需要说明的是，太少的量子阱不能完全限制电子和空穴对，影响亮度；由于空穴的迁移距离有限，太多的量子阱周期数不会提升亮度，但时间和原材料成本增加。
由于外延结构的发光波长由量子阱结构中的x决定，本发明针对波长为 260～320nm的紫外发光二极管，对应的Al组分为0～30％，即0＜x＜0.3。为了更好的限制电子空穴对在量子阱结构中的发光，y需要比x大40％以上。
本发明的N型AlGaN层40用于提供电子，P型AlGaN层80用于提供空穴。为了提高外延结构的出光效率，所述N型AlGaN层的掺杂浓度为2E19atom/cm3；所述P型AlGaN的掺杂浓度为2E20atom/cm3。
本发明在有源层40和P型GaN层60之间设置一层阻挡层50，不仅起到阻挡电流，提高电流扩展的作用，还可以提高P型GaN层的空穴浓度及其迁移率，为有源层提供更多的空穴-电子对，提高复合几率，提升亮度，从而提高外延结构的光电性能。
本发明的阻挡层由第一AlGaN层、第一Mg层、第二Mg层、第二AlGaN 层、第三Mg层和第四Mg层交替形成，第一AlGaN层中Al的含量与第二AlGaN 层中Al的含量不等，第一Mg层中Mg的含量大于第二Mg层中Mg的含量，第三Mg层中Mg的含量大于第四Mg层中Mg的含量。本发明的第一AlGaN 层和第二AlGaN层中没有Mg杂质的引入，不会形成堆垛位错，有效改善P型GaN层的结晶质量，降低位错密度，而Mg的掺入是在第一AlGaN层和第二 AlGaN层形成之后，因此Mg原子可以自由选择最佳的位置进行掺杂，从而减少自补偿效应，提高P型GaN层的空穴浓度及其迁移率。
第一AlGaN层中Al的含量与第二AlGaN层中Al的含量必须不同，这样才能产生势磊的差异，才能使阻挡层能带弯曲。本发明通过改变阻挡层的能带弯曲来提高Mg的掺杂浓度。
此外，设置在第一AlGaN层和第二AlGaN层中的第一Mg层中Mg的含量大于第二Mg层中Mg的含量，这样可以进一步提高Mg的掺杂浓度。本发明阻挡层的Mg的掺杂浓度可达1～2E19 atom/cm3，现有的电子阻挡层的Mg的掺杂浓度只有1E18 atom/cm3，Mg激活空穴的效率一般为Mg掺杂浓度的1％左右，越高的掺杂浓度越容易激发出空穴。
所述第一AlGaN层的厚度为1～10nm，所述第二AlGaN层的厚度为1～10nm。优选的，所述第一AlGaN层的厚度为2～6nm，所述第二AlGaN层的厚度为 2～6nm。本发明是通过改变阻挡层的能带弯曲来提高掺杂浓度的，第一AlGaN 层或第二AlGaN层的厚度太薄和太厚都会导致超晶格层的压电极化减弱，使能带弯曲减小，不利于Mg的掺杂。
参见图2，本发明的阻挡层由下述方法制得：
(1)通入流量为60～70slm的氮源、流量为150～180sccm的铝源、流量为 25～30sccm的镓源，生长厚度为1～10nm的第一AlGaN层；
(2)关闭铝源和镓源，通入流量为60～70slm的氮源和流量为900～1000sccm 的镁源，持续4～10分钟，形成第一Mg层；通入流量为50～60slm的氮源和流量为800～900sccm的镁源，持续1～5分钟，形成第二Mg层；
(3)关闭镁源，通入流量为60～70slm的氮源、流量为150～180sccm的铝源、流量为25～30sccm的镓源，生长厚度为1～10nm的第二AlGaN层；
(4)关闭铝源和镓源，通入流量为60～70slm的氮源和流量为900～1000sccm 的镁源，持续4～10分钟，形成第三Mg层；通入流量为50～60slm的氮源和流量为800～900sccm的镁源，持续1～5分钟，形成第四Mg层；
(5)重复步骤(1)、(2)、(3)和(4)若干次。
优选的，重复步骤(1)、(2)、(3)和(4)3～9次。
需要说明的是，所述氮源优选为NH3，铝源为TMAl，镓源为TMGa，镁源为Cp2Mg。优选的，步骤(3)中镓源的流量小于步骤(1)中镓源的流量。
参见图3，现有的阻挡层是同时通入氮源、铝源、镓源和镁源，会存在Mg 元素、Al元素、Ga元素同时与N元素结合的竞争关系，本发明在步骤(2)和(4)中只通入氮源和镁源，形成第一Mg层、第二Mg层、第三Mg层和第四 Mg层，因此不存在竞争关系，Mg元素的掺杂效率会提升。
本发明使用间断掺杂方式生长第一AlGaN层和第二AlGaN层的过程中，由于没有Mg杂质的引入，不会形成堆垛位错，从而提高阻挡层的晶体质量和改善 P型GaN层的结晶质量、降低位错密度，而Mg的掺入是在第一AlGaN层和第二AlGaN层形成之后，分别形成第一Mg层、第二Mg层、第三Mg层和第四 Mg层，因此Mg原子可以自由选择最佳的位置进行掺杂，从而减少自补偿效应，提高P型GaN层的空穴浓度及其迁移率。
此外，本发明的间断掺杂方式利用第一AlGaN层和第二AlGaN层不同的势磊差异促阻挡层能带弯曲。本发明通过改变阻挡层的能带弯曲来提高Mg的掺杂浓度，从而提高P型GaN层的空穴浓度及其迁移率。
需要说明的是，本发明通过提高阻挡层的材料质量和改善其能带结构，以使大部分Mg杂质位于费米能级之下来提高掺杂浓度。
为了得到能带弯曲的阻挡层，步骤(1)和步骤(3)中Al组分的含量是不能相同的。由于Mg在不同Al含量的AlGaN中的掺杂速率不同，步骤(2)和步骤(4)的持续时间设定也不同。Al组分含量越高，Mg越难掺杂，需要时间越长。若步骤(1)中Al组分的含量大于步骤(3)中Al组分的含量，则步骤 (2)中的持续时间长于步骤(4)中的持续时间。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种紫外发光二极管外延结构，其特征在于，包括依次设于衬底上的AlN层、N型AlGaN层、渐变层、有源层、阻挡层和P型AlGaN层，
所述渐变层由n层N型AlGaN层组成，4≤n≤9，第1层和第n层的AlGaN层的Al含量相同；
若n为单数，则第1层到第(n+1)/2层的AlGaN层的Al含量逐渐减少，第(n+1)/2层到第n层的AlGaN层的Al含量逐渐增加；
若n为双数，则第1层到第n/2层的AlGaN层的Al含量逐渐减少，第n/2层到第n层的AlGaN层的Al含量逐渐增加；
所述阻挡层由第一AlGaN层、第一Mg层、第二Mg层、第二AlGaN层、第三Mg层和第四Mg层交替形成，第一AlGaN层中Al的含量与第二AlGaN层中Al的含量不等。
2.如权利要求1所述的紫外发光二极管外延结构，其特征在于，所述渐变层由n层N型AlGaN层组成，第1层和第n层的x＝0.5～0.6，第2层至第(n-1)层的x＝0.2～0.4。
3.如权利要求1所述的紫外发光二极管外延结构，其特征在于，第一Mg层中Mg的含量大于第二Mg层中Mg的含量，第三Mg层中Mg的含量大于第四Mg层中Mg的含量。
4.如权利要求1所述的紫外发光二极管外延结构，其特征在于，所述阻挡层中Mg的掺杂浓度为1～2E19atom/cm3。
5.如权利要求1～4任一项所述的紫外发光二极管外延结构，其特征在于，所述阻挡层由下述方法制得：
(1)通入流量为60～70slm的氮源、流量为150～180sccm的铝源、流量为25～30sccm的镓源，生长厚度为1～10nm的第一AlGaN层；
(2)关闭铝源和镓源，通入流量为60～70slm的氮源和流量为900～1000sccm的镁源，持续4～10分钟，形成第一Mg层；通入流量为50～60slm的氮源和流量为800～900sccm的镁源，持续1～5分钟，形成第二Mg层；
(3)关闭镁源，通入流量为60～70slm的氮源、流量为150～180sccm的铝源、流量为25～30sccm的镓源，生长厚度为1～10nm的第二AlGaN层；
(4)关闭铝源和镓源，通入流量为60～70slm的氮源和流量为900～1000sccm的镁源，持续4～10分钟，形成第三Mg层；通入流量为50～60slm的氮源和流量为800～900sccm的镁源，持续1～5分钟，形成第四Mg层；
(5)重复步骤(1)、(2)、(3)和(4)若干次。
6.如权利要求1所述的紫外发光二极管外延结构，其特征在于，所述AlN层和N型AlGaN层之间设有缓冲层，所述缓冲层由m个周期的AlN/AlGaN超晶格结构组成，m≥3。
7.如权利要求6所述的紫外发光二极管外延结构，其特征在于，所述缓冲层由m个周期的AlN/AluGa1-uN超晶格结构组成，u＜0.8；每个AlN/AluGa1-uN超晶格结构的厚度为2～10nm；所述缓冲层的厚度为200～400nm。
8.如权利要求1所述的紫外发光二极管外延结构，其特征在于，所述有源层由5～9个周期的量子阱结构组成，所述量子阱结构包括AlxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层，0＜x＜0.3，y比x大40％以上。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN111244234A (zh) * | 2020-03-06 | 2020-06-05 | 山西中科潞安紫外光电科技有限公司 | 一种可改善n型欧姆接触的深紫外LED外延片 |
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