CN111223969B - 一种具有可见光波段的深紫外led器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有可见光波段的深紫外LED器件及其制备方法，所述具有可见光波段的深紫外LED器件由下至上依次设置有蓝宝石衬底、AlN本征层、n型AlGaN层、电流扩展层、深紫外波段量子阱有源层、可见波段量子阱有源层、电子阻挡层、p型AlGaN注入层、p型GaN接触层、DBR层、p电极以及n电极。本发明通过在外延结构中单片集成基于AlGaN材料的深紫外波段量子阱与基于InGaN材料的可见光波段的量子阱，从而真正实现单颗器件既有深紫外波段发光又有可见光波段发光，并简化了双色灯珠器件的制作工序，降低了双色灯珠器件制作成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电领域，特别是一种具有可见光波段的深紫外LED器件及其制备方法。
背景技术
目前Ⅲ族氮化物作为宽禁带半导体材料中的杰出代表，已经实现了高效的蓝绿光发光二极管(即light-emitting diodes，简称LED)、激光器等固态光源器件，其在平板显示、白光照明等应用方面取得了巨大成功。近十年来，人们期望将这种高效的发光材料应用于紫外波段，以满足日益增长的紫外光源需求。紫外波段根据其生物效应通常可分为：长波紫外(简称UVA，波长范围320～400nm)、中波紫外(简称UVB，波长范围280～320nm)、短波紫外(简称UVC，200～280nm)以及真空紫外(简称VUV，波长范围10～200nm)。紫外线虽然不能被人类眼睛所感知，但其应用却非常广泛。长波紫外光源在医学治疗、紫外固化、紫外光刻、信息存储、植物照明等领域有着巨大的应用前景；而中波紫外及短波紫外(统称深紫外)则在杀菌消毒、水净化、生化探测、非视距通信等方面有着不可替代的作用。目前，传统紫外光源主要是汞灯，具有体积大、功耗高、电压高、污染环境等缺点，不利于其在日常生活及特殊环境下的应用。因此，人们迫切希望研制出一种高效的半导体紫外光源器件以替代传统的汞灯。现有研究表明Ⅲ族氮化物中的AlGaN是制备半导体紫外光源器件的最佳候选材料。AlGaN基紫外LED具有无毒环保、小巧便携、低功耗、低电压、易集成、寿命长、波长可调等诸多优势，有望在未来几年取得突破性进展以及广泛应用，并逐步取代传统紫外汞灯。但深紫紫外波段实际为不可见波长，深紫外器件在工作时与关闭时无法清晰的识别，导致深紫外器件的终端客户使用体验不佳，目前市场上常规的做法是将深紫外器件与可见光器件合并为一个器件，称之为双色灯珠器件，双色灯珠器件的深紫外器件起到杀菌抑菌效果，可见光器件起到工作状态氛围显示效果。故需要提出一种新的能够覆盖可见光波段的深紫外LED器件用于解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供了一种具有可见光波段的深紫外LED器件及其制备方法，用于解决现有技术中深紫外器件不能同时覆盖可见光波段，导致工作时难以识别的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了第一解决方案：一种具有可见光波段的深紫外LED器件，由下至上依次设置有蓝宝石衬底、AlN本征层、n型AlGaN层、电流扩展层、深紫外波段量子阱有源层、可见波段量子阱有源层、电子阻挡层、p型AlGaN注入层、p型GaN接触层、DBR层、p电极以及n电极；可见波段量子阱有源层为InaGa1-aN层与AlbGa1-bN层组成的超晶格结构，其中0<a<1且0<b<1，InaGa1-aN层与AlbGa1-bN层的厚度均分别为1～200nm。
其中，深紫外波段量子阱有源层为AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层组成的超晶格结构，其中0.4<x<1且0.4<y<1，AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层的厚度均分别为1～200nm。
其中，电子阻挡层为单层AlcGa1-cN结构，其中0＜c＜1，厚度为1nm～100nm。
其中，电子阻挡层为AldGa1-dN层与AleGa1-eN层组成的超晶格结构，其中0.4<d<1且0.4<e<1，AldGa1-dN层与AleGa1-eN层的厚度均分别为1～50nm。
其中，P型AlGaN注入层为单层AlpGa1-pN结构，其中0＜p＜1，厚度为1nm～600nm。
其中，DBR层为低折射率膜层与高折射率膜层交替层叠构成，膜层生长温度为90～270℃，层数为20～80层，单层膜层厚度为10～1000nm，DBR放射层整体厚度为1～10μm。
其中，n型AlGaN层与电流扩展层之间形成台阶状结构，且n型AlGaN层的面积大于电流扩展层的面积；DBR层设置于p型GaN接触层上，以及包覆电流扩展层、深紫外波段量子阱有源层、可见波段量子阱有源层、电子阻挡层、p型AlGaN注入层和p型GaN接触层的台阶结构；p电极设置于p型GaN接触层上，n电极设置于n型AlGaN层台阶结构处并位于DBR层远离电流扩展层一侧。
其中，p型AlGaN注入层和p型GaN接触层中所采用的掺杂剂为Mg。
为解决上述技术问题，本发明提供了第二解决方案：一种如前述具有可见光波段的深紫外LED器件的制备方法，其步骤包括：在400～800℃条件下，于蓝宝石衬底上生长AlN本征层中的缓冲层，厚度为10～50nm；升温至1200～1400℃，于AlN本征层中的缓冲层上生长AlN本征层，AlN本征层的总厚度为500～4000nm；降温至800～1200℃，于AlN本征层上生长n型AlGaN层，其中Al组分百分数为20～90％，厚度为500～4000nm；降温至700℃～1100℃，于n型AlGaN层上一侧依次生长电流扩展层和深紫外波段量子阱有源层，n型AlGaN层与电流扩展层之间形成台阶状结构，深紫外波段量子阱有源层的势垒厚度为5～30nm且势垒中Al组分百分数为20～100％，势阱厚度为0.1～5nm且势阱中Al组分百分数为0～80％；降温至700℃～1100℃，于深紫外波段量子阱有源层上生长AlGaN终势垒，厚度为5～50nm，Al组分百分数为50～100％；降温至500℃～1000℃，于AlGaN终势垒上生长可见波段量子阱有源层，可见波段量子阱有源层的势垒厚度为5～30nm且势垒中Al组分百分数为0～100％，势阱厚度为0.1～5nm且势阱中Al组分百分数为0～100％；在500～1000℃条件下，于可见波段量子阱有源层上生长电子阻挡层，厚度为5～50nm，Al组分百分数为30～100％；在500～1000℃条件下，于电子阻挡层上生长p型AlGaN注入层，Al组分百分数为0～100％，厚度为1～50nm，并采用Mg作为p型掺杂剂；在400～900℃条件下，于p型AlGaN注入层上生长p型GaN接触层，厚度为1～20nm，并采用Mg作为p型掺杂剂；在120～200℃条件下，于p型GaN接触层上生长DBR层，同时DBR层还包覆生长于电流扩展层、深紫外波段量子阱有源层、可见波段量子阱有源层、电子阻挡层、p型AlGaN注入层和p型GaN接触层的台阶结构处，DBR层均为SiO2膜层与Ti3O5膜层交替层叠，层数为20～80层，DBR层整体厚度为1～4μm；于p型GaN接触层上设置p电极，于n型AlGaN层台阶结构处设置n电极。
其中，p电极与n电极的电极材质均为Cr、Al、Ni、Ti、Pt与Au组成的合金，厚度均为0.5～4μm，其中Cr、Al、Ni、Ti、Pt的质量百分数为0.5～20％，Au的质量百分数为80～99.5％。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种具有可见光波段的深紫外LED器件及其制备方法，通过在外延结构中单片集成基于AlGaN材料的深紫外波段量子阱与基于InGaN材料的可见光波段的量子阱，从而真正实现单颗器件既有深紫外波段发光又有可见光波段发光，并简化了双色灯珠器件的制作工序，降低了双色灯珠器件制作成本。
附图说明
图1是本发明中具有可见光波段的深紫外LED器件一实施方式的结构示意图；
图2是本发明中具有可见光波段的深紫外LED器件制备方法一实施方式的工艺流程图；
图中：1：蓝宝石衬底；2：AlN本征层；3：n型AlGaN层；4：电流扩展层；5：深紫外波段量子阱有源层；6：可见波段量子阱有源层；7：电子阻挡层；8：p型AlGaN注入层；9：p型GaN接触层；10：DBR层；11：p电极；12：n电极。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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，均属于本发明保护的范围。
对于本发明提出的第一解决方案，请参阅图1，图1是本发明中具有可见光波段的深紫外LED器件一实施方式的结构示意图。本发明中具有可见光波段的深紫外LED器件由下至上依次设置有蓝宝石衬底1、AlN本征层2、n型AlGaN层3、电流扩展层4、深紫外波段量子阱有源层5、可见波段量子阱有源层6、电子阻挡层7、p型AlGaN注入层8、p型GaN接触层9、DBR层10、p电极11以及n电极12，下面对该具有可见光波段的深紫外LED器件各个组成部分分别进行详细描述。
本实施方式中，深紫外波段量子阱有源层5为AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层组成的超晶格结构，其中0.4<x<1且0.4<y<1，AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层的厚度均分别为1～200nm；可见波段量子阱有源层6为InaGa1-aN层与AlbGa1-bN层组成的超晶格结构，其中0<a<1且0<b<1，InaGa1-aN层与AlbGa1-bN层的厚度均分别为1～200nm。
电子阻挡层7存在两种设置方式，一种为单层AlcGa1-cN结构，其中0＜c＜1，厚度为1nm～100nm；另一种为AldGa1-dN层与AleGa1-eN层组成的超晶格结构，其中0.4<d<1且0.4<e<1，AldGa1-dN层与AleGa1-eN层的厚度均分别为1～50nm；两种设置方式可根据实际情况进行适应性选择，在此不作限定。
P型AlGaN注入层8为单层AlpGa1-pN结构，其中0＜p＜1，厚度为1nm～600nm；p型AlGaN注入层8和p型GaN接触层9中所采用的掺杂剂为Mg。
DBR层10为低折射率膜层与高折射率膜层交替层叠构成，本实施方式中优选低折射率膜层材料为SiO2，高反射膜层材料为Ti3O5，膜层生长温度为90～270℃，层数为20～80层，单层膜层厚度为10～1000nm，DBR放射层整体厚度为1～10μm。
该具有可见光波段的深紫外LED器件中，n型AlGaN层3与电流扩展层4之间形成台阶状结构，且n型AlGaN层3的面积大于电流扩展层4的面积；DBR层10设置于p型GaN接触层9上，以及包覆电流扩展层4、深紫外波段量子阱有源层5、可见波段量子阱有源层6、电子阻挡层7、p型AlGaN注入层8和p型GaN接触层9的台阶结构；p电极11设置于p型GaN接触层9上，n电极12设置于n型AlGaN层3台阶结构处并位于DBR层10远离电流扩展层4一侧。
对于本发明提出的第二解决方案为一种具有可见光波段的深紫外LED器件的制备方法，该方法用于制备前述第一解决方案中具有可见光波段的深紫外LED器件，如图2所示，其步骤包括：
S1：生长AlN本征层中的缓冲层。本步骤具体为：生长在400～800℃条件下，于蓝宝石衬底上生长AlN本征层中的缓冲层，厚度为10～50nm。
S2：生长AlN本征层。本步骤具体为：升温至1200～1400℃，于AlN本征层中的缓冲层上生长AlN本征层，AlN本征层的总厚度为500～4000nm。
S3：生长n型AlGaN层。本步骤具体为：降温至800～1200℃，于AlN本征层上生长n型AlGaN层，其中Al组分百分数为20～90％，厚度为500～4000nm。
S4：生长电流扩展层和深紫外波段量子阱有源层。本步骤具体为：降温至700℃～1100℃，于n型AlGaN层上一侧依次生长电流扩展层和深紫外波段量子阱有源层，n型AlGaN层与电流扩展层之间形成台阶状结构，深紫外波段量子阱有源层的势垒厚度为5～30nm且势垒中Al组分百分数为20～100％，势阱厚度为0.1～5nm且势阱中Al组分百分数为0～80％。
S5：生长AlGaN终势垒。本步骤具体为：降温至700℃～1100℃，于深紫外波段量子阱有源层上生长AlGaN终势垒，厚度为5～50nm，Al组分百分数为50～100％。
S6：生长可见波段量子阱有源层。本步骤具体为：降温至500℃～1000℃，于AlGaN终势垒上生长可见波段量子阱有源层，可见波段量子阱有源层的势垒厚度为5～30nm且势垒中Al组分百分数为0～100％，势阱厚度为0.1～5nm且势阱中Al组分百分数为0～100％。
S7：生长电子阻挡层。本步骤具体为：在500～1000℃条件下，于可见波段量子阱有源层上生长电子阻挡层，厚度为5～50nm，Al组分百分数为30～100％。
S8：生长p型AlGaN注入层。本步骤具体为：在500～1000℃条件下，于电子阻挡层上生长p型AlGaN注入层，Al组分百分数为0～100％，厚度为1～50nm，并采用Mg作为p型掺杂剂。
S9：生长p型GaN接触层。本步骤具体为：在400～900℃条件下，于p型AlGaN注入层上生长p型GaN接触层，厚度为1～20nm，并采用Mg作为p型掺杂剂。
S10：生长DBR层。本步骤具体为：在120～200℃条件下，于p型GaN接触层上生长DBR层，同时DBR层还包覆生长于电流扩展层、深紫外波段量子阱有源层、可见波段量子阱有源层、电子阻挡层、p型AlGaN注入层和p型GaN接触层的台阶结构处，DBR层均为SiO2膜层与Ti3O5膜层交替层叠，层数为20～80层，DBR层整体厚度为1～4μm。
S11：设置p电极和n电极。本步骤具体为：于p型GaN接触层上设置p电极，于n型AlGaN层台阶结构处设置n电极；本步骤中p电极与n电极的电极材质均为Cr、Al、Ni、Ti、Pt与Au组成的合金，厚度均为0.5～4μm，其中Cr、Al、Ni、Ti、Pt的质量百分数为0.5～20％，Au的质量百分数为80～99.5％。
进一步地，对上述具有可见光波段的深紫外LED器件及其制备方法的原理和优势进行阐述：1)AlGaN材料的禁带宽度可通过改变Al组分实现从3.4eV(GaN)到6.2eV(AlN)范围内的连续可调，能够实现从365～200nm光谱范围内的发光；而InGaN材料的禁带宽度可通过改变In组分实现从3.4eV(GaN)到0.7eV(InN)范围内的连续可调，能够实现从365～1770nm光谱范围内的发光；本发明在外延结构中单片集成基于AlGaN材料的深紫外波段量子阱与基于InGaN材料的可见光波段的量子阱，使器件整体既能覆盖深紫外波段，也能覆盖可见光波段，实现了深紫外器件工作时能够可视识别的效果，有效简化了现有技术中双色灯珠器件的制作工序，降低了双色灯珠器件制作成本。2)引入SiO2膜层与Ti3O5膜层交替层叠构成的DBR层，并使DBR层对器件中的有源发光层进行了一定包覆，可以对特定波长范围的光产生高反射，从而加强了器件工作时，对其可视识别度。
区别于现有技术的情况，本发明提供了一种具有可见光波段的深紫外LED器件及其制备方法，通过在外延结构中单片集成基于AlGaN材料的深紫外波段量子阱与基于InGaN材料的可见光波段的量子阱，从而真正实现单颗器件既有深紫外波段发光又有可见光波段发光，并简化了双色灯珠器件的制作工序，降低了双色灯珠器件制作成本。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种具有可见光波段的深紫外LED器件，其特征在于，所述具有可见光波段的深紫外LED器件由下至上依次设置有蓝宝石衬底、AlN本征层、n型AlGaN层、电流扩展层、深紫外波段量子阱有源层、可见波段量子阱有源层、电子阻挡层、p型AlGaN注入层、p型GaN接触层、DBR层、p电极以及n电极；
所述可见波段量子阱有源层为InaGa1-aN层与AlbGa1-bN层组成的超晶格结构，其中0<a<1且0<b<1，所述InaGa1-aN层与AlbGa1-bN层的厚度均分别为1～200nm。
2.根据权利要求1中所述的具有可见光波段的深紫外LED器件，其特征在于，所述深紫外波段量子阱有源层为AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层组成的超晶格结构，其中0.4<x<1且0.4<y<1，所述AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层的厚度均分别为1～200nm。
3.根据权利要求1中所述的具有可见光波段的深紫外LED器件，其特征在于，所述电子阻挡层为单层AlcGa1-cN结构，其中0＜c＜1，厚度为1nm～100nm。
4.根据权利要求1中所述的具有可见光波段的深紫外LED器件，其特征在于，所述电子阻挡层为AldGa1-dN层与AleGa1-eN层组成的超晶格结构，其中0.4<d<1且0.4<e<1，所述AldGa1-dN层与AleGa1-eN层的厚度均分别为1～50nm。
5.根据权利要求1中所述的具有可见光波段的深紫外LED器件，其特征在于，所述p 型AlGaN注入层为单层AlpGa1-pN结构，其中0＜p＜1，厚度为1nm～600nm。
6.根据权利要求1中所述的具有可见光波段的深紫外LED器件，其特征在于，所述DBR层为低折射率膜层与高折射率膜层交替层叠构成，膜层生长温度为90～270℃，层数为20～80层，单层膜层厚度为10～1000nm，所述DBR放射层整体厚度为1～10μm。
7.根据权利要求1中所述的具有可见光波段的深紫外LED器件，其特征在于，所述n型AlGaN层与电流扩展层之间形成台阶状结构，且所述n型AlGaN 层的面积大于所述电流扩展层的面积；
所述DBR层设置于所述p型GaN接触层上，以及包覆所述电流扩展层、深紫外波段量子阱有源层、可见波段量子阱有源层、电子阻挡层、p型AlGaN注入层和p型GaN接触层的台阶结构；
所述p电极设置于所述p型GaN接触层上，所述n电极设置于所述n型AlGaN层台阶结构处并位于所述DBR层远离所述电流扩展层一侧。
8.根据权利要求1中所述的具有可见光波段的深紫外LED器件，其特征在于，所述p型AlGaN注入层和p型GaN接触层中所采用的掺杂剂为Mg。
9.一种如权利要求1～8中任一所述具有可见光波段的深紫外LED器件的制备方法，其特征在于，其步骤包括：
在400～800℃条件下，于蓝宝石衬底上生长AlN本征层中的缓冲层，厚度为10～50nm；
升温至1200～1400℃，于AlN本征层中的缓冲层上生长AlN本征层，所述AlN本征层的总厚度为500～4000nm；
降温至800～1200℃，于所述AlN本征层上生长n型AlGaN层，其中Al组分百分数为20～90％，厚度为500～4000nm；
降温至700℃～1100℃，于所述n型AlGaN层上一侧依次生长电流扩展层和深紫外波段量子阱有源层，所述n型AlGaN层与电流扩展层之间形成台阶状结构，所述深紫外波段量子阱有源层的势垒厚度为5～30nm且势垒中Al组分百分数为20～100％，势阱厚度为0.1～5nm且势阱中Al组分百分数为0～80％；
降温至700℃～1100℃，于所述深紫外波段量子阱有源层上生长AlGaN终势垒，厚度为5～50nm，Al组分百分数为50～100％；
降温至500℃～1000℃，于所述AlGaN终势垒上生长可见波段量子阱有源层，所述可见波段量子阱有源层的势垒厚度为5～30nm且势垒中Al组分百分数为0～100％，势阱厚度为0.1～5nm且势阱中Al组分百分数为0～100％；
在500～1000℃条件下，于所述可见波段量子阱有源层上生长电子阻挡层，厚度为5～50nm，Al组分百分数为30～100％；
在500～1000℃条件下，于所述电子阻挡层上生长p型AlGaN注入层，Al组分百分数为0～100％，厚度为1～50nm，并采用Mg作为p型掺杂剂；
在400～900℃条件下，于所述p型AlGaN注入层上生长p型GaN接触层，厚度为1～20nm，并采用Mg作为p型掺杂剂；
在120～200℃条件下，于所述p型GaN接触层上生长DBR层，同时所述DBR层还包覆生长于所述电流扩展层、深紫外波段量子阱有源层、可见波段量子阱有源层、电子阻挡层、p型AlGaN注入层和p型GaN接触层的台阶结构处，所述DBR层均为SiO2膜层与Ti3O5膜层交替层叠，层数为20～80层，所述DBR层整体厚度为1～4μm；
于所述p型GaN接触层上设置p电极，于所述n型AlGaN层台阶结构处设置n电极。
10.根据权利要求9中具有可见光波段的深紫外LED器件的制备方法，其特征在于，所述p电极与n电极的电极材质均为Cr、Al、Ni、Ti、Pt与Au组成的合金，厚度均为0.5～4μm，其中Cr、Al、Ni、Ti、Pt的质量百分数为0.5～20％，Au的质量百分数为80～99.5％。
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