CN110783432A - 一种紫外led外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种紫外LED外延片及其制备方法，涉及材料化学技术领域，包括以下步骤：1)在N型AlGaN层上生长Q个量子阱结构，每个所述量子阱结构包含量子垒层和量子阱层，2≤Q≤100；2)在第Q个所述量子阱结构上生长末端量子垒层；其中，至少一个所述量子阱结构中含有Mg原子且至多Q‑1个量子阱结构中含有Mg原子，所述末端量子垒层中含有Mg原子。通过本发明提供的LED外延片的制备方法，可有效提高量子阱结构中的空穴浓度，进而提高了量子阱结构中电子空穴复合效率，提高了紫外LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及材料化学技术领域，尤其涉及一种紫外LED外延片及其制备方法。
背景技术
III族氮化物紫外材料(AlGaN)是紫外固体紫外光源的核心材料，AlGaN紫外LED产品能够发出200nm到365nm的紫外光，是目前紫外光电子的主流产品，被广泛应用于聚合物固化、杀菌消毒、生物探测、非视距通信、冷链运输等领域。例如，200nm～280nm的UVC段紫外LED是紫外杀菌装置的最主要杀菌材料，被广泛用于表面、空气、水等杀菌装置，并在军事上用于近距离无噪声通信；280nm～320nm的UVB波段具有优异的光疗作用，尤其对治疗白癜风有非常好的疗效；320nm～365nm波段具有很好的光固化功能，常被用于美甲固化、打印固化等固化领域；并且紫外LED在气体探测，光谱分析等领域也大展身手。
LED外延片作为LED类产品的核心部分，是指在衬底上生长出的半导体薄膜，薄膜主要由N型、量子阱、P型三个部分组成。通常来说，P型高Al组分的AlGaN材料位于紫外LED外延片的阳极一侧，而Mg原子已经成为了应用最广泛的III-V族氮化物的P型掺杂剂，用于传递空穴至量子阱层，但由于P型高Al组分的AlGaN材料中Al含量较高，导致空穴激活能高，因此，所产生的空穴浓度仍然有限；同时，电子阻挡层也由AlGaN材料组成，造成AlGaN电子阻挡层的势垒较高，所以导致在量子阱结构中参与有效辐射复合的空穴浓度非常低，空穴复合效率也非常低，最终导致紫外LED发光效率低。典型的20milx20mil的紫外AlGaN LED外延片在20mA驱动电流下发光亮度约2mW，从而导致杀菌、光疗以及固化的效率偏低，市场应用受到极大的限制。
发明内容
本发明提供一种紫外LED外延片及其制备方法，用于解决现有技术中参与有效辐射复合的空穴浓度低，空穴复合效率低，导致的紫外LED发光效率低的问题。
本发明提供了一种紫外LED外延片的制备方法，包括以下步骤：
1)在N型AlGaN层上生长Q个量子阱结构，每个所述量子阱结构包含量子垒层和量子阱层，2≤Q≤100；
2)在第Q个所述量子阱结构上生长末端量子垒层；
其中，至少一个所述量子阱结构中含有Mg原子且至多Q-1个量子阱结构中含有Mg原子，所述末端量子垒层中含有Mg原子。
本发明提供了一种紫外LED外延片的制备方法，在至少一个量子阱结构中掺入Mg原子后，可在量子阱结构中形成空穴，进一步提高了量子阱中的空穴浓度；同时，高Al组分的AlGaN层很好地限制了Mg的扩散，所以量子阱结构中的Mg原子不会向N型区扩散而降低量子阱结构中电子空穴的复合效率。因此，本发明提供的方法能够有效提高量子阱结构中的空穴浓度进而提升量子阱结构中电子空穴复合效率，提高了紫外LED的发光效率。此外，由于掺杂Mg原子可能会形成非辐射复合中心，为了保证掺杂Mg原子的效率，本发明至多在Q-1个量子阱结构中掺杂Mg原子，即至少存在一个不掺Mg原子的量子阱结构，以保证电子和空穴在复合时不受非辐射复合中心的影响，保证紫外LED的发光效率。
为了更好的阐述量子阱结构中掺杂Mg的具体方法，本发明还对步骤1)进行了进一步限定，具体地，步骤1)可以包括且不限于以下三种实施方式。
在第一种实施方式中，步骤1)包括：
a.调节温度为1050～1200℃，压力为20～200mbar，通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、Mg原子以及氨气，生长Mg掺杂量子垒层AlGaN；
b.通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、Mg原子以及氨气，生长Mg掺杂量子阱层AlGaN；
c.重复步骤a～b Z次，得到Z个含有Mg原子的所述量子阱结构，其中，1≤Z＜Q。
图1为本发明一实施例提供的量子阱结构掺杂Mg原子的结构示意图。如图1所示，按照上述第一种实施方式，Mg原子分别与量子垒层和量子阱层共同生长，得到具有Mg掺杂的Z个(Mg掺杂量子垒层AlGaN-Mg掺杂量子阱层AlGaN)的量子阱结构。
在第二种实施方式中，步骤1)包括：
a.调节温度为1050～1200℃，压力为20～200mbar，通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、以及氨气，生长量子垒层AlGaN；
b.通入Mg原子，在所述量子垒层AlGaN上生长Mg掺杂量子垒层AlGaN；
c.重复步骤a～b X次；
d.通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、以及氨气，生长量子阱层AlGaN；
e.通入Mg原子，在所述量子阱层AlGaN上生长Mg掺杂量子阱层AlGaN；
f.重复步骤d～e Y次；
g.重复步骤a～f Z次，得到Z个所述量子阱结构；
其中，1≤Z＜Q。
在该实施方式的步骤b或步骤e中，Mg掺杂量子阱层AlGaN或Mg掺杂量子垒层AlGaN的厚度为0.1～5nm。
图2为本发明又一实施例中提供的量子阱结构掺杂Mg原子的结构示意图。如图2所示，按照上述第二种实施方式，Mg原子在生长量子垒层和量子阱层时周期性通入，即，在步骤a-c中，先生长X个(量子垒层AlGaN-Mg掺杂量子垒层AlGaN)，然后在步骤d-e中，在X个(量子垒层AlGaN-Mg掺杂量子垒层AlGaN)上生长Y个(量子阱层AlGaN-Mg掺杂量子阱层AlGaN)，最后重复a～f Z次，得到Z个[X个(量子垒层AlGaN-Mg掺杂量子垒层AlGaN)-Y个(量子阱层AlGaN-Mg掺杂量子阱层AlGaN)]Mg掺杂的量子阱结构。
在第三种实施方式中，步骤1)包括：
a.调节温度为1050～1200℃，压力为20～200mbar，通入氢气、三甲基镓、三甲基铝以及氨气，生长量子垒层AlGaN；
b.停止通入氢气、三甲基镓、三甲基铝以及氨气，通入Mg原子，在所述量子垒层AlGaN上生长Mg层；
c.重复步骤a～b X次；
d.通入氢气、三甲基镓、三甲基铝以及氨气，生长量子阱层AlGaN；
e.停止通入所述氢气、三甲基镓、三甲基铝以及氨气，通入Mg原子，在所述量子阱层AlGaN上生长Mg层；
f.重复步骤d～e Y次；
g.重复步骤a～f Z次，得到Z个所述量子阱结构；
其中，1≤Z＜Q。
在该实施方式的步骤b或步骤e中，单独通入Mg原子的时间可以为1～600秒。
图3为本发明再一实施例中提供的量子阱结构掺杂Mg原子的结构示意图。如图3所示，按照上述第三种实施方式，Mg原子在生长量子垒层和量子阱层时周期性单独通入，即，在步骤a-c中，先生长X个(量子垒层AlGaN-Mg层)，然后在步骤d-e中，在X个(量子垒层AlGaN-Mg层)上生长Y个(量子阱层AlGaN-Mg层)，最后重复a～f Z次，得到Mg掺杂的Z个[X个(量子垒层AlGaN-Mg层)-Y个(量子阱层AlGaN-Mg层)]量子阱结构。
进一步地，一个所述量子阱结构中，所述量子垒层AlGaN中的Al组分大于所述量子阱层AlGaN中的Al组分，所述量子阱层或所述量子垒层中Al组分为10％～100％。
在一个量子阱结构中，量子垒层AlGaN中的Al组分大于所述量子阱层AlGaN中的Al组分，即量子垒层的能带高于量子阱层，即形成了能带高低高低的周期性量子阱结构。
其中，一个量子阱结构厚度为5～50nm，量子阱层厚度为1～10nm，量子垒层厚度为5～40nm。
在Q个量子阱结构中，至多有Q-1个量子阱结构中含有Mg原子，即至少有一个量子阱结构中不掺杂Mg原子，从而减少由于掺杂Mg原子可能形成非辐射复合中心对电子和空穴复合的影响，更好的保证紫外LED的发光效率。在上述三种实施方式的基础上，假设存在q个不掺杂Mg原子的量子阱结构，则q+Z＝Q，1≤q≤20。
q个不掺杂Mg原子的量子阱结构可以任意分布在Z个掺杂Mg原子的量子阱结构中，例如：q个不掺杂Mg原子的量子阱结构可间隔生长在Z个掺杂Mg原子的量子阱结构中，即为[m个不掺杂Mg原子的量子阱结构-K个掺杂Mg原子的量子阱结构-n个不掺杂Mg原子的量子阱结构-L个掺杂Mg原子的量子阱结构]的Q个量子阱结构，m+n＝q，K+L＝Z；也可以是q个不掺杂Mg原子的量子阱结构生长在Z个掺杂Mg原子的量子阱结构之前，即为[q个不掺杂Mg原子的量子阱结构-Z个掺杂Mg原子的量子阱结构]的Q个量子阱结构；还可以是q个不掺杂Mg原子的量子阱结构生长在Z个掺杂Mg原子的量子阱结构之后，即为[Z个掺杂Mg原子的量子阱结构-q个不掺杂Mg原子的量子阱结构]的Q个量子阱结构。
为了进一步优化上述不掺杂Mg原子的技术效果，可选的，在所述N型AlGaN层上生长的第一个到第q个量子阱结构中不含Mg原子。
特别的，可在上述不掺杂Mg原子的q个量子阱结构中掺杂硅原子。
在Q个量子阱结构生长完毕后，还包括生长末端量子垒层。具体地，步骤2)可以包括且不限于以下两种实施方式：
在第一种实施方式中，步骤2)包括：
调节温度为1050～1200℃，压力为20～200mbar，通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、Mg原子以及氨气，得到所述末端量子垒层。
在上述生长方式中，Mg原子与末端量子垒层共同生长，得到单层Mg掺杂的末端量子垒层。
在第二种实施方式中，步骤2)包括：
a.调节温度为1050～1200℃，压力为20～200mbar，通入氢气、三甲基镓、三甲基铝以及氨气，生长中间量子垒层AlGaN，
b.停止通入氢气、三甲基镓、三甲基铝以及氨气，通入Mg原子，在所述中间量子垒层AlGaN上生长Mg层；
c.重复步骤a-b X次，得到X个所述末端量子垒层；
其中，1≤X＜Q。
在上述生长方式中，Mg原子在生长末端量子垒层时周期性单独通入，即，生长一个周期的(量子垒层AlGaN-Mg层)，并重复X次，得到Mg掺杂的X个[(量子垒层AlGaN-Mg层)]末端量子垒层。
在上述Mg掺杂的量子阱结构或末端量子垒层中，所述量子阱层或所述量子垒层中Mg含量为1x1017cm-3～1x1020cm-3。
例如，在生长Q个量子阱结构的第二种实施方式中，X个(量子垒层AlGaN-Mg掺杂量子垒层AlGaN)中Mg含量为1x1017cm-3～1x1020cm-3，或，Y个(量子阱层AlGaN-Mg掺杂量子阱层AlGaN)中Mg含量为1x1017cm-3～1x1020cm-3。
在一个量子阱结构中的量子垒层或量子阱层中Mg的掺杂量可以相同或不相同，在任意量子阱结构中Mg掺杂量也可以相同或不相同，对此本发明不做特别限定。
通过以上对量子阱结构中掺杂Mg原子的方法的进一步限定，具体的，可以和量子阱层或量子垒层同时生长，也可以在生长好的量子阱层或量子垒层上单独生长Mg层。根据本发明提供的掺杂Mg原子的方法，可有效提高量子阱结构中的空穴浓度，进一步提高电子空穴复合效率，提高紫外LED的发光效率。
此外，该LED外延片的结构从下至上包括：衬底、非掺杂的AlN基础层、非掺的AlGaN层、N型AlGaN层、量子阱结构、P型电子阻挡层、P型空穴注入层，具体的，衬底、非掺杂的AlN基础层、非掺的AlGaN层、N型AlGaN层的制备方法可依据本领域现有技术生长，本发明不做赘述。接下来，本发明也对P型电子阻挡层和P型空穴注入层的制备方法作具体介绍，本领域技术人员可做相应的组合，本发明不做具体限定：
在末端量子垒层生长完毕后，还包括生长P型电子阻挡层。具体地，可以包括且不限于以下两种实施方式：
在第一种实施方式中，P型电子阻挡层的制备步骤包括：
a：维持温度在1050～1200℃，压力为20～200mbar，通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、Mg原子和氨气，形成高势垒的P型电子阻挡层AlGaN；
b：通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、Mg原子和氨气，形成低势垒的P型电子阻挡层AlGaN；
c：重复步骤a-b X次，1≤X≤50，得到X个周期的P型电子阻挡层AlGaN/AlGaN。
其中，高势垒的P型电子阻挡层AlGaN中Al组分含量高于低势垒的P型电子阻挡层AlGaN中Al含量，周期性P型电子阻挡层AlGaN/AlGaN的厚度为0.5～100nm，Mg原子的掺杂浓度为1x1017～1x1020 cm-3。
在上述生长方式中，P型电子阻挡层可以为高势垒/地势垒的周期性结构，Mg原子与P型电子阻挡层共同生长，得到具有Mg掺杂的X个周期的P型电子阻挡层AlGaN/AlGaN。
在第二种实施方式中，P型电子阻挡层的制备步骤包括：
维持温度在1050～1200℃，压力为20～200mbar，通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、Mg原子、氨气，生长单层的P型电子阻挡层AlGaN；
其中，P型电子阻挡层AlGaN的厚度为1～100nm，Mg原子的掺杂浓度为1x1017～1x1020cm-3。
在上述生长方式中，P型电子阻挡层可以为单层AlGaN，Mg原子与P型电子阻挡层共同生长，得到具有Mg掺杂的单层P型电子阻挡层AlGaN。
在P型电子阻挡层生长完毕后，还包括生长P型空穴注入层。具体地，可以包括且不限于以下五种实施方式：
在第一种实施方式中，P型空穴注入层的制备步骤包括：
维持温度为1050～1200℃，压力为20～200mbar，通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、Mg原子和氨气，生长P型空穴注入层AlGaN。
在第二种实施方式中，P型空穴注入层的制备步骤包括：
维持温度为1050～1200℃，压力为20～200mbar，通入氢气、三甲基镓、Mg原子和氨气，生长P型空穴注入层GaN。
在第三种实施方式中，P型空穴注入层的制备步骤包括：
a：维持温度为1050～1200℃，压力为20～200mbar，通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、Mg原子和氨气；
b：通入氢气、三甲基镓、Mg原子和氨气；
c：重复步骤a-b X个周期，其中，2≤X≤50，得到周期性P型空穴注入层AlGaN/GaN。
在第四种实施方式中，P型空穴注入层的制备步骤包括：
a：维持温度为1050～1200℃，压力为20～200mbar，通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、Mg原子和氨气，得到高势垒的P型空穴注入层AlGaN；
b：通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、Mg原子和氨气，得到低势垒的P型空穴注入层AlGaN；
c：重复步骤a-b X次，2≤X≤50，得到X个周期的P型空穴注入层AlGaN/AlGaN。
在该种制备方法中，高势垒的P型空穴注入层中Al组分含量高于低势垒的P型空穴注入层中Al含量。
在第五种实施方式中，P型空穴注入层的制备步骤包括：
a：维持温度为1050～1200℃，压力为20～200mbar，通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、Mg原子和氨气，得到P型空穴注入层AlGaN；
b：通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、Mg原子和氨气，得到P型空穴注入层AlGaN；
c：通入氢气、三甲基镓，Mg原子，得到P型空穴注入层Ga；
d：重复步骤a-c X次，2≤X≤50，得到X个周期的P型空穴注入层AlGaN/AlGaN/Ga。
在以上五种实施方式中，P型空穴注入层的厚度为5～500nm，Mg原子的掺杂浓度为1x1017～5x1020 cm-3。
按照上述方法得到的LED外延片结构中，Al组分含量t为10％～100％，Ga组分含量为1-t，即0％～90％，特别的，非掺杂的AlN基础层中Al组分可以为100％，即非掺杂的AlN基础层中Ga组分可以为零。该LED外延片其他层中，Al组分含量应该小于100％，具体的组分比例本申请不做赘述，本领域技术人员可依据现有技术自行配比。
以上，本发明提供了LED外延片各层的制备方法，本领域技术人员可对以上各层做相应的组合即可得该LED外延片，本发明对组合方式不做进一步的限定。本发明提供的制备方法主要通过在量子阱结构中掺杂Mg原子，提高了量子阱结构中的空穴浓度，进一步提高了电子空穴复合效率，提高了紫外LED的发光效率。
另一方面，本发明还提供一种上述制备方法得到的紫外LED外延片，如图4所示：其结构从下至上依次为：衬底、非掺杂的AlN基础层、非掺的AlGaN层、N型AlGaN层、量子阱、P型电子阻挡层、P型空穴注入层。
其中，所述量子阱包含Q个量子阱结构和末端量子垒层，2≤Q≤100，至少一个量子阱结构中含有Mg原子且至多Q-1个量子阱结构中含有Mg原子；所述末端量子垒层中含有Mg原子。
具体的，LED外延片通入350mA的电流时，其波长为230～360nm，亮度为50～200mW，正向电压为5～8V。
本发明得到的LED外延片，其在至少一个量子阱结构中掺杂Mg原子，使得量子阱结构中具有较高浓度的空穴，进一步提高了电子空穴复合效率，提高了LED芯片的发光效率；并且，由于至多Q-1个量子阱结构中含有Mg原子，可减少由于掺杂Mg原子可能形成的非辐射复合中心对电子和空穴复合产生的影响，进一步保证Mg掺杂的效果，保证紫外LED的发光效率
本发明的实施，至少具有以下优势：
1、量子阱结构中掺杂Mg原子，可有效提高量子阱结构中的空穴浓度；
2、量子阱或量子垒Mg掺杂处理不会导致Mg的扩散而影响量子阱中电子空穴复合效率；
3、由于掺杂Mg原子可能形成非辐射复合中心对电子和空穴复合产生影响，因此，在Q个量子阱结构中，至多有Q-1个量子阱结构中含有Mg原子，即至少有一个量子阱结构中不掺杂Mg原子，可更好的保证紫外LED的发光效率。
综上，本发明提供的LED外延片的制备方法可有效提高量子阱结构中的空穴浓度，进一步提高电子空穴复合效率，提高紫外LED的发光效率。
附图说明
图1为本发明一实施例中提供的量子阱结构掺杂Mg原子的结构示意图；
图2为本发明又一实施例中提供的量子阱结构掺杂Mg原子的结构示意图；
图3为本发明再一实施例中提供的量子阱结构掺杂Mg原子的结构示意图；
图4为本发明的紫外LED外延片结构示意图。
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，下面将结合本发明的实施例，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。
该LED外延片的生长设备选自金属有机化学气相沉积设备(MOCVD)、分子束外延设备(MBE)、氢化物气相外延设备(HVPE)中的一种。
具体实施例一：
1、MOCVD反应室温度升至900℃，压力为400mbar，同时通入三甲基铝(150ml/min)和氨气3min，在蓝宝石上发生反应，形成25nm的AlN缓冲层；将温度提高至1250℃，压力降低至100mbar，通入氢气、三甲基铝(400ml/min)和氨气90min，形成1500nm非掺杂的AlN基础层。
2、将温度降低至1160℃，压力维持在200mbar，通入氢气、三甲基镓(100ml/min)，三甲基铝(360ml/min)和氨气60min；生长一层厚度为1000nm的非掺的AlGaN层，AlGaN的Al组分为55％。
3、温度压力不变，通入氢气、三甲基镓(100ml/min)，三甲基铝(360ml/min)、硅烷和氨气90min；生长一层厚度为1500nm的N型AlGaN层；AlGaN的Al组分为55％，硅烷的掺杂浓度为1×1019cm-3。
4、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(200ml/min)、硅原子和氨气，生长AlGaN量子垒层；AlGaN的Al组分为58％，硅原子的掺杂浓度为5×1017cm-3；生长时间为1min，厚度为12nm。
5、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(40ml/min)和氨气，生长AlGaN量子阱层；AlGaN的Al组分为32％，生长时间为30s，厚度为3nm。
6、重复进行第4步至第5步3个循环。
7、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(200ml/min)、Mg原子和氨气，生长Mg掺杂AlGaN量子垒层；AlGaN的Al组分为58％，Mg原子的掺杂浓度为1×1018cm-3，生长时间为1min，厚度为12nm。
8、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(40ml/min)、Mg原子和氨气，生长Mg掺杂AlGaN量子阱层；AlGaN的Al组分为32％，Mg原子的掺杂浓度为1×1018cm-3，生长时间为30s，厚度为3nm。
9、重复进行第7步至第8步4个循环。
10、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(200ml/min)、Mg原子和氨气，生长末端量子垒层AlGaN；末端量子垒层AlGaN的Al组分为58％，Mg原子的掺杂浓度为1×1018cm-3，生长时间为1min，厚度为12nm。
11、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(250ml/min)、Mg原子和氨气，生长第一层电子阻挡层AlGaN；AlGaN的Al组分为68％，Mg原子的掺杂浓度为1×1019cm-3，生长时间为30s，厚度为7nm。
12、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(80ml/min)、Mg原子和氨气，生长第二层电子阻挡层AlGaN；AlGaN的Al组分为45％，Mg原子的掺杂浓度为1×1019cm-3，生长时间为30s，厚度为5nm。
13、重复进行第11步至第12步8个循环，得到8个周期的P型电子阻挡层AlGaN/AlGaN。
14、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(50ml/min)、Mg原子和氨气，生长P型空穴注入层AlGaN；AlGaN的Al组分为35％，Mg原子的掺杂浓度为2×1019cm-3，生长时间为1min，厚度为30nm。
此紫外LED外延生长结束，加工成1mm2大小的芯片，通入350mA的电流，波长为280nm，亮度为120mW，正向电压为6.5V。
具体实施例二：
1、MOCVD反应室温度升至950℃，压力为400mbar,同时通入三甲基铝(150ml/min)和氨气3min，在蓝宝石上发生反应，形成25nm的AlN缓冲层；将温度提高至1250℃，压力降低至100mbar，通入氢气,三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(400ml/min)和氨气90min，形成1500nm非掺杂的AlGaN层，Al组分为95％；
2、将温度降低至1160℃，压力维持在200mbar，通入氢气、三甲基镓(100ml/min)，三甲基铝(360ml/min)和氨气60min。生长一层厚度为1000nm的非掺的AlGaN层，AlGaN的Al组分为55％；
3、温度压力不变，通入氢气、三甲基镓(100ml/min)，三甲基铝(360ml/min)、硅烷和氨气60min，生长一层厚度为1000nm的N型AlGaN层，AlGaN的Al组分为55％，硅烷的掺杂浓度为1×1019cm-3。
4、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(200ml/min)、硅原子和氨气，生长AlGaN量子垒；AlGaN的Al组分为58％，硅原子的掺杂浓度为5×1017cm-3；生长时间为1min，厚度为12nm。
5、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(40ml/min)和氨气，生长AlGaN量子阱层；AlGaN的Al组分为32％，生长时间为30s，厚度为3nm。
6、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(200ml/min)、Mg原子和氨气，生长AlGaN量子垒层；AlGaN的Al组分为58％，Mg原子的掺杂浓度为1×1018cm-3，生长时间为1min，厚度为12nm。
7、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(40ml/min)、Mg原子和氨气，生长AlGaN量子阱层；AlGaN的Al组分为32％，Mg原子的掺杂浓度为1×1018cm-3，生长时间为30s，厚度为3nm。
8、重复进行第6步至第7步5个循环。
9、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(200ml/min)、Mg原子和氨气，生长末端量子垒层AlGaN；AlGaN的Al组分为58％，Mg原子的掺杂浓度为1×1018cm-3，生长时间为1min，厚度为12nm。
10、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(250ml/min)、Mg原子和氨气，生长第一层电子阻挡层AlGaN；AlGaN的Al组分为68％，Mg原子的掺杂浓度为1×1019cm-3，生长时间为30s，厚度为7nm。
11、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(80ml/min)、Mg原子和氨气，生长第二层电子阻挡层AlGaN；AlGaN的Al组分为45％，Mg原子的掺杂浓度为1×1019cm-3，生长时间为30s，厚度为5nm。
12、重复进行第11步至第12步8个循环，得到8个周期的P型电子阻挡层AlGaN/AlGaN。
13、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(50ml/min)、Mg原子和氨气，生长P型空穴注入层AlGaN；AlGaN的Al组分为35％，Mg原子的掺杂浓度为2×1019cm-3，生长时间为1min，厚度为30nm。
此紫外LED外延生长结束，加工成1mm2大小的芯片，通入350mA的电流，波长为280nm，亮度为110mW，正向电压为6.5V。
具体实施例三：
1、MOCVD反应室温度升至850℃，压力为400mbar，同时通入三甲基铝(150ml/min)和氨气3min，在蓝宝石上发生反应，形成25nm的AlN缓冲层；将温度提高至1200℃，压力降低至100mbar，通入氢气、三甲基铝(400ml/min)和氨气120min，形成2000nm非掺杂的AlN基础层。
2、将温度降低至1160℃，压力维持在200mbar，通入氢气、三甲基镓(100ml/min)，三甲基铝(360ml/min)和氨气90min；生长一层厚度为1500nm的非掺的AlGaN层，AlGaN的Al组分为55％。
3、温度压力不变，通入氢气、三甲基镓(100ml/min)，三甲基铝(360ml/min)、硅烷和氨气90min，生长一层厚度为1500nm的N型AlGaN层；AlGaN的Al组分为55％，硅烷的掺杂浓度为1×1019cm-3。
4、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(200ml/min)、硅原子和氨气，生长AlGaN量子垒层；AlGaN的Al组分为58％，硅原子的掺杂浓度为5×1017cm-3，生长时间为1min，厚度为12nm。
5、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(40ml/min)和氨气，生长AlGaN量子阱层；AlGaN的Al组分为32％，生长时间为30s，厚度为3nm。
6、重复进行第4步至第5步5个循环。
7、a：将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(200ml/min)和氨气，生长AlGaN量子垒层，生长时间为10s；
b：通入Mg原子，在量子垒层AlGaN上生长Mg掺杂量子垒层AlGaN，生长时间为10s；
c：重复a～b3次。
AlGaN量子垒层中的Al组分为58％，Mg原子的掺杂浓度为1×1018cm-3，总厚度为12nm。
8、d：将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(40ml/min)和氨气，生长AlGaN量子阱层，AlGaN生长时间为5s；
e：通入Mg原子，在量子阱层AlGaN上生长Mg掺杂量子阱层AlGaN，生长时间也为5s；
f：重复d～e3次。
AlGaN的Al组分为32％，Mg原子的掺杂浓度为1×1018cm-3，总厚度为3nm。
9、重复进行第7步至第8步6个循环。
10、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(200ml/min)、Mg原子和氨气，生长末端量子垒层AlGaN；AlGaN的Al组分为58％，Mg原子的掺杂浓度为1×1018cm-3，生长时间为1min，厚度为12nm。
11、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(250ml/min)、Mg原子和氨气，生长第一层电子阻挡层AlGaN；AlGaN的Al组分为68％，Mg原子的掺杂浓度为1×1019cm-3，生长时间为60s，厚度为14nm。
12、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(80ml/min)、Mg原子和氨气，生长第二层电子阻挡层AlGaN；AlGaN的Al组分为45％，Mg原子的掺杂浓度为1×1019cm-3，生长时间为30s，厚度为5nm。
13、重复进行第11步至第12步10个循环，得到10个周期的P型电子阻挡层AlGaN/AlGaN。
14、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(50ml/min)、Mg原子和氨气，生长P型空穴注入层AlGaN；AlGaN的Al组分为35％，Mg原子的掺杂浓度为2×1019cm-3，生长时间为5min，厚度为150nm。
此紫外LED外延生长结束，加工成1mm2大小的芯片，通入350mA的电流，波长为280nm，亮度为110mW，正向电压为6.0V。
具体实施例四：
1、MOCVD反应室温度升至920℃，压力为400mbar，同时通入三甲基铝(150ml/min)和氨气3min，在蓝宝石上发生反应，形成25nm的AlN缓冲层；将温度提高至1280℃，压力降低至100mbar，通入氢气，三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(400ml/min)和氨气120min，形成2000nm非掺杂的AlGaN基础层，Al组分为98％。
2、将温度降低至1160℃，压力维持在200mbar，通入氢气、三甲基镓(100ml/min)，三甲基铝(360ml/min)和氨气60min，生长一层厚度为1000nm的非掺的AlGaN层，AlGaN的Al组分为55％。
3、温度压力不变，通入氢气，三甲基镓(100ml/min)，三甲基铝(360ml/min)、硅烷和氨气60min，生长一层厚度为1000nm的N型AlGaN层；AlGaN的Al组分为55％，硅烷的掺杂浓度为1×1019cm-3。
4、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(200ml/min)、硅原子和氨气，生长AlGaN量子垒层；AlGaN的Al组分为58％，硅原子的掺杂浓度为5×1017cm-3，生长时间为1min，厚度为12nm。
5、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(40ml/min)和氨气，生长AlGaN量子阱层；AlGaN的Al组分为32％，生长时间为30s，厚度为3nm。
6、重复进行第4步至第5步8个循环。
7、a：将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(200ml/min)和氨气，生长中间AlGaN量子垒层，生长时间为10s；
b：停止通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、氨气，通入Mg原子，在中间量子垒层AlGaN上生长Mg层，通入时间为5s；
c：重复a～b6次。
AlGaN的Al组分为58％，总厚度为12nm。
8、d：将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(200ml/min)和氨气，生长中间AlGaN量子阱层，生长时间为10s；
e：停止通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、氨气，通入Mg原子，在中间量子垒层AlGaN上生长Mg层，通入时间为5s；
f：重复d～e3次。
AlGaN的Al组分为32％，总厚度为3nm。
9、重复进行第7步至第8步3个循环；
10、a：将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(200ml/min)和氨气，生长中间量子垒层AlGaN，生长时间为10s；
b：停止通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、氨气，通入Mg原子，在中间量子垒层AlGaN上生长Mg层，通入时间为5s；
c：重复步骤d～e6次，得到末端量子垒层AlGaN/Mg。总厚度为12nm。
11、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(250ml/min)、Mg原子和氨气，生长P型电子阻挡层AlGaN；AlGaN的Al组分为68％，Mg原子的掺杂浓度为1×1019cm-3，生长时间为120s，厚度为28nm。
12、将温度维持在1160℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(50ml/min)、Mg原子和氨气，生长P型空穴注入层AlGaN；AlGaN的Al组分为35％，Mg原子的掺杂浓度为2×1019cm-3，生长时间为2min，厚度为60nm。
13、将温度降低至950℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)、Mg原子和氨气，生长P型空穴注入层GaN；Mg原子的掺杂浓度为5×1019cm-3，生长时间为1min，厚度为15nm。
此紫外LED外延生长结束，加工成1mm2大小的芯片，通入350mA的电流，波长为280nm，亮度为110mW，正向电压为5.3V。
具体实施例五：
1、MOCVD反应室温度升至800℃，压力为400mbar，同时通入三甲基铝(150ml/min)和氨气3min，在蓝宝石上发生反应，形成25nm的AlN缓冲层；将温度提高至1250℃，压力降低至100mbar，通入氢气、三甲基铝(400ml/min)和氨气150min，形成2500nm非掺杂的AlN基础层。
2、将温度降低至1120℃，压力维持在200mbar，通入氢气、三甲基镓(100ml/min)，三甲基铝(360ml/min)和氨气60min，生长一层厚度为1000nm的非掺的AlGaN层，AlGaN的Al组分为45％。
3、温度压力不变，通入氢气、三甲基镓(100ml/min)，三甲基铝(360ml/min)、硅烷和氨气90min，生长一层厚度为1500nm的N型AlGaN层；AlGaN的Al组分为45％，硅烷的掺杂浓度为1×1019cm-3。
4、将温度维持在1120℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(200ml/min)、硅原子和氨气，生长AlGaN量子垒层；AlGaN的Al组分为48％，硅原子的掺杂浓度为5×1017cm-3，生长时间为1min，厚度为12nm。
5、将温度维持在1120℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(40ml/min)和氨气，生长AlGaN量子阱层，AlGaN的Al组分为22％，生长时间为30s，厚度为3nm。
6、重复进行第4步至第5步3个循环。
7、a：将温度维持在1120℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(200ml/min)和氨气，生长AlGaN量子垒层，生长时间为10s；
b：通入Mg原子，在量子垒层AlGaN上生长Mg掺杂量子垒层AlGaN，生长时间为10s；
c：重复a～b3次。
AlGaN量子垒层中的Al组分为48％，Mg原子的掺杂浓度为2×1018cm-3，总厚度为15nm。
8、d：将温度维持在1120℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(40ml/min)和氨气，生长AlGaN量子阱层，AlGaN生长时间为5s；
e：通入Mg原子，在量子阱层AlGaN上生长Mg掺杂量子阱层AlGaN，生长时间也为5s；
f：重复d～e3次。
AlGaN的Al组分为22％，掺杂浓度为2×1018cm-3，总厚度为3nm。
9、重复进行第7步至第8步3个循环；
10、将温度维持在1120℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(200ml/min)、Mg原子和氨气，生长末端量子垒层AlGaN；AlGaN的Al组分为48％，Mg原子的掺杂浓度为2×1018cm-3，生长时间为1min，厚度为12nm。
11、将温度维持在1120℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(250ml/min)、Mg原子和氨气，生长第一层电子阻挡层AlGaN；AlGaN的Al组分为58％，Mg原子的掺杂浓度为1×1019cm-3，生长时间为30s，厚度为8nm。
12、将温度维持在1120℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(80ml/min)、Mg原子和氨气，生长第二层电子阻挡层AlGaN；AlGaN的Al组分为35％，Mg原子的掺杂浓度为1×1019cm-3，生长时间为30s，厚度为6nm。
13、重复进行第11步至第12步7个循环，形成7个周期的P型电子阻挡层AlGaN/AlGaN；
14、将温度维持在1120℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(50ml/min)、Mg原子和氨气，生长P型空穴注入层AlGaN；AlGaN的Al组分为25％，Mg原子的掺杂浓度为2×1019cm-3，生长时间为3min，厚度为100nm。
此紫外LED外延生长结束，加工成1mm2大小的芯片，通入350mA的电流，波长为310nm，亮度为110mW，正向电压为5.8V。
具体实施例六：
1、MOCVD反应室温度升至900℃，压力为400mbar，同时通入三甲基铝(150ml/min)和氨气3min，在蓝宝石上发生反应，形成25nm的AlN缓冲层；将温度提高至1250℃，压力降低至100mbar，通入氢气、三甲基铝(400ml/min)和氨气90min，形成1500nm非掺杂的AlN基础层。
2、将温度降低至1120℃，压力维持在200mbar，通入氢气、三甲基镓(100ml/min)，三甲基铝(360ml/min)和氨气60min，生长一层厚度为1000nm的非掺的AlGaN层，AlGaN的Al组分为45％。
3、温度压力不变，通入氢气、三甲基镓(100ml/min)，三甲基铝(360ml/min)、硅烷和氨气90min，生长一层厚度为1500nm的N型AlGaN层；AlGaN的Al组分为45％，硅烷的掺杂浓度为1×1019cm-3。
4、将温度维持在1120℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(200ml/min)、硅原子和氨气，生长AlGaN量子垒层，AlGaN的Al组分为48％，硅原子的掺杂浓度为5×1017cm-3，生长时间为1min，厚度为12nm。
5、将温度维持在1120℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(40ml/min)和氨气，生长AlGaN量子阱层，AlGaN的Al组分为22％，生长时间为30s，厚度为3nm。
6、将温度维持在1120℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(200ml/min)、Mg原子和氨气，生长Mg掺杂AlGaN量子垒层；AlGaN的Al组分为48％，Mg原子的掺杂浓度为5×1017cm-3，生长时间为60s，厚度为15nm。
7、a：将温度维持在1120℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(40ml/min)和氨气，生长AlGaN量子阱层，AlGaN生长时间为5s；
b：通入Mg原子，在量子阱层AlGaN上生长Mg掺杂量子阱层AlGaN，生长时间也为5s；
c：重复d～e3次。
AlGaN的Al组分为22％，Mg原子的掺杂浓度为2×1018cm-3，总厚度为3nm。
8、重复进行第7步至第8步5个循环。
9、将温度维持在1120℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(200ml/min)、Mg原子和氨气，生长末端量子垒层AlGaN；AlGaN的Al组分为48％，Mg原子的掺杂浓度为5×1017cm-3，生长时间为60s，厚度为15nm。
10、将温度维持在1120℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(250ml/min)、Mg原子和氨气，生长P型电子阻挡层AlGaN；AlGaN的Al组分为58％，Mg原子的掺杂浓度为1×1019cm-3，生长时间为150s，厚度为40nm。
11、将温度维持在1120℃，压力调为200mbar，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)，三甲基铝(50ml/min)、Mg原子和氨气，生长P型空穴注入层AlGaN；AlGaN的Al组分为25％，Mg原子的掺杂浓度为2×1019cm-3，生长时间为3min，厚度为100nm。
此紫外LED外延生长结束，加工成1mm2大小的芯片，通入350mA的电流，波长为310nm，亮度为115mW，正向电压为5.5V。
以上实施例提供了一种紫外LED外延片及其制备方法，通过对量子阱结构进行Mg掺杂处理，从而在量子阱结构中形成空穴，进一步提高了量子阱中的空穴浓度；同时，高Al组分的AlGaN层很好地限制了Mg的扩散，所以量子阱层或量子垒层中的Mg原子不会向N型区扩散而降低量子阱的复合效率。因此，本实施例提供的方法及制备得到的LED芯片提高了量子阱结构中电子空穴复合效率，进一步提高了紫外LED的发光效率。
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 (10)
1.一种紫外LED外延片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在N型AlGaN层上生长Q个量子阱结构，每个所述量子阱结构包含量子垒层和量子阱层，2≤Q≤100；
2)在第Q个所述量子阱结构上生长末端量子垒层；
其中，至少一个所述量子阱结构中含有Mg原子且至多Q-1个量子阱结构中含有Mg原子，所述末端量子垒层中含有Mg原子。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)包括：
a.调节温度为1050～1200℃，压力为20～200mbar，通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、Mg原子以及氨气，生长Mg掺杂量子垒层AlGaN；
b.通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、Mg原子以及氨气，生长Mg掺杂量子阱层AlGaN；
c.重复步骤a～bZ次，得到Z个含有Mg原子的所述量子阱结构，其中，1≤Z＜Q。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)包括：
a.调节温度为1050～1200℃，压力为20～200mbar，通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、以及氨气，生长量子垒层AlGaN；
b.通入Mg原子，在所述量子垒层AlGaN上生长Mg掺杂量子垒层AlGaN；
c.重复步骤a～bX次；
d.通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、以及氨气，生长量子阱层AlGaN；
e.通入Mg原子，在所述量子阱层AlGaN上生长Mg掺杂量子阱层AlGaN；
f.重复步骤d～eY次；
g.重复步骤a～fZ次，得到Z个所述量子阱结构；
其中，1≤Z＜Q。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)包括：
a.调节温度为1050～1200℃，压力为20～200mbar，通入氢气、三甲基镓、三甲基铝以及氨气，生长量子垒层AlGaN：
b.停止通入氢气、三甲基镓、三甲基铝以及氨气，通入Mg原子，在所述量子垒层AlGaN上生长Mg层；
c.重复步骤a～b X次；
d.通入氢气、三甲基镓、三甲基铝以及氨气，生长量子阱层AlGaN；
e.停止通入氢气、三甲基镓、三甲基铝以及氨气，通入Mg原子，在所述量子阱层AlGaN上生长Mg层；
f.重复步骤d～e Y次；
g.重复步骤a～f Z次，得到Z个所述量子阱结构；
其中，1≤Z＜Q。
5.根据权利要求1-4任一所述的制备方法，其特征在于，一个所述量子阱结构中，所述量子垒层AlGaN中的Al组分大于所述量子阱层AlGaN中的Al组分，所述量子阱层或所述量子垒层中Al组分为10％～100％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)包括：调节温度为1050～1200℃，压力为20～200mbar，通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、Mg原子以及氨气，得到所述末端量子垒层。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)包括：
a.调节温度为1050～1200℃，压力为20～200mbar，通入氢气、三甲基镓、三甲基铝以及氨气，生长中间量子垒层AlGaN：
b.停止通入氢气、三甲基镓、三甲基铝以及氨气，通入Mg原子，在所述中间量子垒层AlGaN上生长Mg层；
c.重复步骤a-bX次，得到X个所述末端量子垒层；
其中，1≤X＜Q。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述量子阱层或所述量子垒层中Mg含量为1x1017cm-3～1x1020cm-3。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述N型AlGaN层上生长的第一个到第q个量子阱结构中不含Mg原子，其中1≤q≤20。
10.一种如权利要求1-9所述的任一制备方法得到的紫外LED外延片，其特征在于，其结构从下至上依次为：衬底、非掺杂的AlN基础层、非掺的AlGaN层、N型AlGaN层、量子阱、P型电子阻挡层、P型空穴注入层；
其中，所述量子阱包含Q个量子阱结构和末端量子垒层，2≤Q≤100，至少一个量子阱结构中含有Mg原子且至多Q-1个量子阱结构中含有Mg原子；所述末端量子垒层中含有Mg原子。
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