CN110752279B - 一种具有超薄铝铟氮插入层的紫外发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有超薄铝铟氮插入层的紫外发光二极管及其制备方法，涉及半导体技术领域。所述紫外发光二极管包括衬底和在所述衬底上依次生长的低温缓冲层、高温层、n型AlGaN层、发光有源区、插入层、p型AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN层和接触层，其中，所述插入层采用铝铟氮制成。所述紫外发光二极管能够尽可能阻挡电子向P层扩散，并保证空穴能够高效注入量子阱，提高器件的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种具有超薄铝铟氮插入层的紫外发光二极管及其制备方法。
背景技术
目前，因为紫外发光二极管具有环保无毒、耗电低、体积小以及寿命长等优点，符合新时代下环保、节能等要求。在紫外固化、空气与水净化、生物医疗、高密度储存、安全与保密通讯等领域，具有重要应用价值。
紫外发光二极管技术面临的首要问题是其光效低。波长365nm的紫外发光二极管的输出功率仅为输入功率的5％－8％。对于波长385nm以上的紫外发光二极管的光电转化效率，相对于短波长有明显提高，但输出功率只有输入功率的15％。如何有效提高紫外发光二极管的光效，成为大家关注的焦点问题。
因此，设计一种紫外发光二极管及其制备方法，能够尽可能阻挡电子向P层扩散，并保证空穴能够高效注入量子阱，提高器件的发光效率，这是目前急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有超薄铝铟氮插入层的紫外发光二极管及其制备方法，其能够尽可能阻挡电子向P层扩散，并保证空穴能够高效注入量子阱，提高器件的发光效率。
第一方面，本发明提供一种具有超薄铝铟氮插入层的紫外发光二极管，所述紫外发光二极管包括衬底和在所述衬底上依次生长的低温缓冲层、高温层、n型AlGaN层、发光有源区、插入层、p型AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN层和接触层，其中，所述插入层采用铝铟氮制成。
基于第一方面的第一实施例中，所述插入层中In组分值为0～50％中的某一个值，In组分值和Al组分值在此层中恒定不变。
基于第一方面的第二实施例中，所述插入层中In组分值沿着生长方向线性渐变减少，同时Al组分值在此层中沿着生长方向线性渐变增加。
基于第一方面的第三实施例中，所述插入层中In组分值沿着生长方向线性渐变增加，同时Al组分值在此层中沿着生长方向线性渐变减少。
基于第一方面的第四实施例中，所述插入层的厚度范围为：0.5nm～3nm。
基于第一方面的第五实施例中，所述发光有源区包括InxGa1-xN和AlyGa1-yN、且0.001≤x<y≤1。
基于第一方面的第六实施例中，所述发光有源区由量子阱层和量子垒层交替生长而成。
基于第一方面第四实施例的第五实施例中，所述量子阱层的厚度范围为：1.5nm～10nm，所述量子垒层的厚度范围为：4nm～20nm。
第二方面，本发明提供一种具有超薄铝铟氮插入层的紫外发光二极管的制备方法，包括：
在衬底上依次生长的低温缓冲层、高温层、n型AlGaN层；
在所述n型AlGaN层上生长发光有源区；
在所述发光有源区上生长插入层，所述插入层采用铝铟氮制成；
在所述插入层上依次生长p型AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN层和接触层。
基于第二方面的第一实施例中，所述插入层中In组分值为0～50％。
基于第二方面的第二实施例中，所述插入层的生长温度为：750℃～950℃，生长压力：50mbar～200mbar。
基于第一方面的第三实施例中，所述插入层的Mg掺杂浓度小于1E19/cm3，且Mg的掺杂浓度沿着生长方向逐渐增加。
本发明提供的具有超薄铝铟氮插入层的紫外发光二极管及其制备方法的有益效果是：
铝铟氮的插入层与发光有源区的晶格失配小，能降低最后一个量子垒中因极化电荷而产生的显著能带弯曲，从而提高p型AlGaN电子阻挡层的电子势垒高度，抑制紫外发光二极管中存在的大量的电子泄露。因此，铝铟氮的插入层尽可能阻挡电子向P层扩散并保证空穴能够高效注入量子阱，提高紫外发光二极管的发光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明第一实施例提供的紫外发光二极管的示意图。
图2为本发明第三实施例提供的紫外发光二极管的制备方法的流程图。
图3至图5为紫外发光二极管制备过程的结构示意图。
图标：100-紫外发光二极管；110-衬底；120-低温缓冲层；130-高温层；140-n型AlGaN层；150-发光有源区；160-插入层；170-p型AlGaN电子阻挡层；180-p型AlGaN层；190-接触层。
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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
限制紫外发光二极管的光效的一个关键因素是空穴注入不足及电子泄漏。Mg在GaN中的激活能在200meV左右，在高Al组分p-AlGaN中的激活能更高(在AlN中达到630meV)，能够热激活的空穴浓度更低，引起空穴注入的严重不足，导致大量电子从有源区泄漏到p型区损耗掉。Si在GaN中的激活能仅为15meV，在AlN中也高达282meV。
无论是N型掺杂还是P型掺杂，杂质在宽禁带AlGaN中的掺杂效率是非常低的。对于极性面生长的紫外发光二极管，极化效应会进一步加重电子电流泄漏。这些泄漏的电子不能有效发光，其能量只能以发热的形式耗散掉。为减少电子电流泄漏，在器件结构中最后一个量子垒(LQB)后引入了电子阻挡层(EBL)，利用LQB/EBL界面的导带阶阻挡电子泄漏。
蓝光发光二极管通常采用GaN作为LQB，AlGaN作为EBL；紫外发光二极管通常采用Al组分恒定的AlGaN作为LQB，较高Al组分的AlGaN作为EBL。然而，如此获得的结构又会使价带上移，对空穴形成势垒，使得空穴注入更为不足，从而不利于辐射复合，同时空穴注入的不足又会诱发更大的电子泄漏。因此，如何有效地提高紫外光半导体发光二极管的载流子注入效率，直接影响到其内量子效率和发光效率的提升。
本发明的以下实施例则主要用于提高紫外光半导体发光二极管的载流子注入效率，提升量子效率和发光效率。
第一实施例
请参阅图1，本实施例提供了一种具有超薄铝铟氮插入层的紫外发光二极管100，所述紫外发光二极管100包括衬底110和在所述衬底110上依次生长的低温缓冲层120、高温层130、n型AlGaN层140、发光有源区150、插入层160、p型AlGaN电子阻挡层170、p型AlGaN层180和接触层190。
首先，衬底110可以采用蓝宝石制成；然后，低温缓冲层120可以采用GaN或AlN制成，低温缓冲层120可以通过磁控溅射方法或者MOCVD方法外延生长；接着，在低温缓冲层120上依次生长高温层130和n型AlGaN层140，其中，n型AlGaN层140的厚度范围可以为：500nm～5000nm，硅掺杂浓度在1e17/cm3～1e20/cm3之间，生长温度的范围可以为：1000℃～1200℃。
发光有源区150包括InxGa1-xN和AlyGa1-yN、且0.001≤x<y≤1。所述发光有源区150由量子阱层和量子垒层交替生长而成。所述量子阱层的厚度范围为：1.5nm～10nm，所述量子垒层的厚度范围为：4nm～20nm。发光有源区150的生长温度都控制在700℃-950℃之间。
在发光有源区150的顶层的量子垒层上生长一层超薄的未掺杂的插入层160，所述插入层160采用未掺杂的铝铟氮制成，所述插入层160的厚度范围为：0.5nm～3nm。所述插入层160中In组分值为0～50％。所述插入层160的生长温度为：750℃～950℃，生长压力：50mbar～200mbar。通过调节生长过程中的Al流量和In流量来获取宽带隙的插入层160。
超薄的铝铟氮的插入层160与发光有源区150的晶格失配小，能降低最后一个量子垒层中因极化电荷而产生的显著能带弯曲，从而提高p型AlGaN电子阻挡层170的电子势垒高度，抑制器件中的大量的电子泄露。因此，超薄的铝铟氮的插入层160能够尽可能阻挡电子向P层扩散，并保证空穴能够高效注入量子阱层，提高器件的发光效率。
p型AlGaN电子阻挡层170、p型AlGaN层180和接触层190依次生长在插入层160上，最后，降至室温，结束生长。
本实施例提供的具有超薄铝铟氮插入层的紫外发光二极管100的有益效果：
通过在发光有源区150与p型AlGaN电子阻挡层170之间设置未掺杂的铝铟氮制成的插入层160，并且插入层160的厚度范围为：0.5nm～3nm。能降低最后一个量子垒中因极化电荷而产生的显著能带弯曲，从而提高p型AlGaN电子阻挡层170的电子势垒高度，抑制紫外发光二极管100中存在的大量的电子泄露。因此，铝铟氮的插入层160尽可能阻挡电子向P层扩散并保证空穴能够高效注入量子阱，提高紫外发光二极管100的发光效率。
第二实施例
本实施例提供一种紫外发光二极管100，其与第一实施例中的结构相近，不同之处在于，本实施例中的插入层160掺杂有少量的Mg。
在发光有源区150中的最后一个量子垒层上生长插入层160的过程中，通过调节Al流量和In流量来获取宽带隙的插入层160，并掺杂有少量的Mg，Mg掺杂浓度小于1E19/cm3，且Mg的掺杂浓度沿着生长方向逐渐增加。
插入层160在掺杂少量的Mg能够使热激活的空穴浓度较高，避免引起空穴注入的不足，从而减少电子从发光有源区150泄漏到p型区，进一步提升量子效率和发光效率。
第三实施例
请参阅图2，本实施例提供一种紫外发光二极管100的制备方法，主要用于制备第一实施例或第二实施例提供的紫外发光二极管100。
紫外发光二极管100的制备方法具体包括以下步骤：
S1：请参阅图3，在衬底110上依次生长的低温缓冲层120、高温层130、n型AlGaN层140。
首先，衬底110可以采用蓝宝石制成；然后，低温缓冲层120可以采用GaN或AlN制成，低温缓冲层120可以通过磁控溅射方法或者MOCVD方法外延生长；最后，在低温缓冲层120上依次生长高温层130和n型AlGaN层140，其中，n型AlGaN层140的厚度范围可以为：500nm～5000nm，硅掺杂浓度在1e17/cm3～1e20/cm3之间，生长温度的范围可以为：1000℃～1200℃。
S2：请参阅图4，在所述n型AlGaN层140上生长发光有源区150。
其中，发光有源区150包括InxGa1-xN和AlyGa1-yN、且0.001≤x<y≤1。所述发光有源区150由量子阱层和量子垒层交替生长而成。所述量子阱层的厚度范围为：1.5nm～10nm，所述量子垒层的厚度范围为：4nm～20nm。发光有源区150的生长温度都控制在700℃-950℃之间。
S3：请参阅图5，在所述发光有源区150上生长插入层160，所述插入层160采用铝铟氮制成。
作为一种可选的例子，在发光有源区150的顶层的量子垒层上生长一层超薄的未掺杂的插入层160，所述插入层160采用未掺杂的铝铟氮制成，所述插入层160的厚度范围为：0.5nm～3nm。所述插入层160中In组分值为0～50％中的某一个值，In组分值和Al组分值在此层中恒定不变。所述插入层160的生长温度为：750℃～950℃，生长压力：50mbar～200mbar。通过调节生长过程中的Al流量和In流量来获取宽带隙的插入层160。
作为另一种可选的例子，所述插入层160中In组分值沿着生长方向线性渐变减少，同时Al组分值在此层中沿着生长方向线性渐变增加。
作为另一种可选的例子，所述插入层160中In组分值沿着生长方向线性渐变增加，同时Al组分值在此层中沿着生长方向线性渐变减少。
作为另一种可选的例子，在发光有源区150中的最后一个量子垒层上生长插入层160的过程中，通过调节Al流量和In流量来获取宽带隙的插入层160，并掺杂有少量的Mg，Mg掺杂浓度小于1E19/cm3。插入层160在掺杂少量的Mg能够使热激活的空穴浓度较高，避免引起空穴注入的不足，从而减少电子从发光有源区150泄漏到p型区，提升量子效率和发光效率。
超薄的铝铟氮的插入层160与发光有源区150的晶格失配小，能降低最后一个量子垒层中因极化电荷而产生的显著能带弯曲，从而提高p型AlGaN电子阻挡层170的电子势垒高度，抑制器件中的大量的电子泄露。因此，超薄的铝铟氮的插入层160能够尽可能阻挡电子向P层扩散，并保证空穴能够高效注入量子阱层，提高器件的发光效率。
S4：请参阅图1，在所述插入层160上依次生长p型AlGaN电子阻挡层170、p型AlGaN层180和接触层190。
本实施例提供的紫外发光二极管100的制备方法的有益效果：
铝铟氮的插入层160与发光有源区150的晶格失配小，能降低最后一个量子垒中因极化电荷而产生的显著能带弯曲，从而提高p型AlGaN电子阻挡层170的电子势垒高度，抑制紫外发光二极管100中存在的大量的电子泄露。因此，铝铟氮的插入层160尽可能阻挡电子向P层扩散并保证空穴能够高效注入量子阱，提高紫外发光二极管100的发光效率。
本申请中只详细介绍了将插入层160运用于紫外发光二极管100的例子，本申请提供的插入层160当然还可以运用到其它结构形式的半导体器件中，在这里不再赘述，只要运用了本申请中提供的插入层160的构思，都应该属于本申请要求保护的范围。
需要说明的是，本申请中提到的数值，包括温度的取值、压力的取值等，都只是申请人通过实验和测算获得的较为可靠的数值，而不是严格限定对应的参数只能是这些取值。本领域的技术人员可能会在本申请的方案的基础上，做进一步的实验，获得其他效果相近的取值，这些取值也没有脱离本申请的核心，也应该属于本申请要求保护的范围。
本申请中各个层结构采用的材料，都只是申请人通过实验获得的较为可靠材料，而不是严格限定只能采用这些材料。本领域的技术人员可能会在本申请的方案的基础上，做进一步的实验，获得其他效果相近的材料，这些材料也没有脱离本申请的核心，也应该属于本申请要求保护的范围。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种具有超薄铝铟氮插入层的紫外发光二极管，其特征在于，所述紫外发光二极管包括衬底(100)和在所述衬底(100)上依次生长的低温缓冲层(120)、高温层(130)、n型AlGaN层(140)、发光有源区(150)、插入层(160)、p型AlGaN电子阻挡层(170)、p型AlGaN层(180)和接触层(190)，其中，所述插入层(160)采用铝铟氮制成、并掺杂有Mg，Mg掺杂浓度小于1E19/cm3，且Mg的掺杂浓度沿着生长方向逐渐增；
所述n型AlGaN层(140)的厚度范围为：500nm～5000nm，硅掺杂浓度在1e17/cm3～1e20/cm3之间，生长温度的范围为：1000℃～1200℃；
所述发光有源区(150)包括InxGa1-xN和AlyGa1-yN、且0.001≤x<y≤1，所述发光有源区150由量子阱层和量子垒层交替生长而成，所述量子阱层的厚度范围为：1.5nm～10nm，所述量子垒层的厚度范围为：4nm～20nm，所述发光有源区(150)的生长温度都控制在700℃-950℃之间；
所述插入层(160)的厚度范围为：0.5nm～3nm，所述插入层(160)中In组分值为0～50％，所述插入层(160)的生长温度为：750℃～950℃，生长压力：50mbar～200mbar，通过调节生长过程中的Al流量和In流量来获取宽带隙的所述插入层(160)。
2.根据权利要求1所述的紫外发光二极管，其特征在于，In组分值和Al组分值在此层中恒定不变。
3.根据权利要求1所述的紫外发光二极管，其特征在于，所述插入层(160)中In组分值沿着生长方向线性渐变减少，同时Al组分值在此层中沿着生长方向线性渐变增加。
4.根据权利要求1所述的紫外发光二极管，其特征在于，所述插入层(160)中In组分值沿着生长方向线性渐变增加，同时Al组分值在此层中沿着生长方向线性渐变减少。
5.一种具有超薄铝铟氮插入层的紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底(100)上依次生长的低温缓冲层(120)、高温层(130)、n型AlGaN层(140)；所述n型AlGaN层(140)的厚度范围为：500nm～5000nm，硅掺杂浓度在1e17/cm3～1e20/cm3之间，生长温度的范围为：1000℃～1200℃；
在所述n型AlGaN层(140)上生长发光有源区(150)；所述发光有源区(150)包括InxGa1-xN和AlyGa1-yN、且0.001≤x<y≤1，所述发光有源区150由量子阱层和量子垒层交替生长而成，所述量子阱层的厚度范围为：1.5nm～10nm，所述量子垒层的厚度范围为：4nm～20nm，所述发光有源区(150)的生长温度都控制在700℃-950℃之间；
在所述发光有源区(150)上生长插入层(160)，所述插入层(160)采用铝铟氮制成、并掺杂有Mg，Mg掺杂浓度小于1E19/cm3，且Mg的掺杂浓度沿着生长方向逐渐增；所述插入层(160)的厚度范围为：0.5nm～3nm，所述插入层(160)中In组分值为0～50％，所述插入层(160)的生长温度为：750℃～950℃，生长压力：50mbar～200mbar，通过调节生长过程中的Al流量和In流量来获取宽带隙的所述插入层(160)；
在所述插入层(160)上依次生长p型AlGaN电子阻挡层(170)、p型AlGaN层(180)和接触层(190)。
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