CN111261758A - 紫外led外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种紫外LED外延结构及其制备方法，涉及发光二极管技术领域。紫外LED外延结构中，AlxGa1‑xN/AlyGa1‑yN多量子阱有源层包括第一发光结构和第二发光结构，由于第一发光结构的每个第一AlyGa1‑yN量子垒层掺Si，至少一个第一AlxGa1‑xN量子阱层掺Si，在AlGaN材料中掺入Si元素后会形成N型半导体，能够提高导通性，有利于降低多量子阱有源区的电阻，并进一步降低紫外LED的工作电压。此外，设置第一AlxGa1‑xN量子阱层中的Si掺杂浓度低于第一AlyGa1‑yN量子垒层中的Si掺杂浓度，也可以提高有源区对电子的限制作用，有利于提高紫外LED的发光强度。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，更具体地，涉及一种紫外LED(Light-EmittingDiode，发光二极管)外延结构及其制备方法。
背景技术
与传统的紫外光源相比，紫外LED具有光效高、寿命长、体积小、不含有毒物质等诸多优点，因而各个领域对紫外LED的研究也趋于热门。
通常，对于工作波长在365-400nm的近紫外LED，其量子阱为InGaN材料，外量子效率较高，可达到50-60％；而对于波长短于365nm的AlGaN基紫外LED，由于生长过程中Al原子的迁移率较低，导致AlGaN材料生长质量差，进而使外量子效率大幅度下降。并且，AlGaN材料的势垒较高，容易阻挡电子和空穴；随着Al组分的增加，掺杂效率也逐渐降低。目前，蓝光LED芯片的电压约为3V，而深紫外LED芯片的电压却在5.5-8V。
显然，过高的工作电压会严重影响紫外LED的发光效率及使用寿命，如何有效降低紫外LED的工作电压已成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种紫外LED外延结构及其制备方法，能够有效降低多量子阱有源区的阻值，进而降低紫外LED的工作电压，延长其使用寿命。
第一方面，本申请提供一种紫外LED外延结构，所述外延结构包括：
衬底；
位于所述衬底的表面的第一AlN层；
位于所述第一AlN层远离所述衬底一侧的第二AlN层；
位于所述第二AlN层远离所述衬底一侧的N型AlaGa1-aN欧姆接触层；
位于所述N型AlaGa1-aN欧姆接触层远离所述衬底一侧的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层；
位于所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层远离所述衬底一侧的P型AlbGa1-bN电子阻挡层；
位于所述P型AlbGa1-bN电子阻挡层远离所述衬底一侧的P型GaN欧姆接触层；
其中，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层包括第一发光结构，以及位于所述第一发光结构远离所述衬底一侧的第二发光结构；
所述第一发光结构包括交替生长n个周期的第一AlxGa1-xN量子阱层和第一AlyGa1- yN量子垒层，n≥1；所述第二发光结构包括一个第二AlxGa1-xN量子阱层和一个第二AlyGa1-yN量子垒层；
所述第一发光结构中，每个所述第一AlyGa1-yN量子垒层掺Si，至少一个所述第一AlxGa1-xN量子阱层掺Si，且所述第一AlxGa1-xN量子阱层中的Si掺杂浓度低于所述第一AlyGa1-yN量子垒层中的Si掺杂浓度；所述第二发光结构中，所述第二AlxGa1-xN量子阱层和所述第二AlyGa1-yN量子垒层均不掺Si。
可选地，所述第一发光结构中，n个第一AlxGa1-xN量子阱层中的Si掺杂浓度从靠近衬底的一层到远离衬底的一层递增、递减或恒定。
可选地，所述第一AlxGa1-xN量子阱层的Si掺杂浓度为1E+17cm-3～1E+19cm-3。
可选地，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层包括AlxGa1-xN量子阱层和AlyGa1-yN量子垒层；
其中，所述AlxGa1-xN量子阱层包括所述第一AlxGa1-xN量子阱层及所述第二AlxGa1- xN量子阱层，所述AlyGa1-yN量子垒层包括所述第一AlyGa1-yN量子垒层及所述第二AlyGa1-yN量子垒层，所述AlxGa1-xN量子阱层中的Al组分低于所述AlyGa1-yN量子垒层中的Al组分，即0<x<y≤1。
可选地，沿垂直于所述衬底所在平面的方向，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层的周期厚度为3-40nm；所述周期厚度是沿垂直于所述衬底所在平面的方向，所述第一发光结构中一个第一AlxGa1-xN量子阱层与一个第一AlyGa1-yN量子垒层的厚度之和。
可选地，所述N型AlaGa1-aN欧姆接触层中的Al组分以及所述P型AlbGa1-bN电子阻挡层中的Al组分均高于所述AlxGa1-xN量子阱层中的Al组分。
可选地，所述衬底为蓝宝石、氮化铝、硅或碳化硅中的一种。
第二方面，本申请提供一种用于制备上述第一方面中任一所述的紫外LED外延结构的方法，所述方法包括：
提供一衬底；
将所述衬底置入MOCVD机台反应腔，并在升温至第一预设温度后，向所述反应腔内通入III族Al源和NH3，在所述衬底的表面形成第一AlN层；
当所述反应腔内的温度升至第二预设温度时，在所述第一AlN层远离所述衬底的表面形成第二AlN层；所述第二预设温度高于所述第一预设温度；
当所述反应腔内的温度降至第三预设温度时，在所述第二AlN层远离所述衬底的一侧形成N型AlaGa1-aN欧姆接触层；
在所述N型AlaGa1-aN欧姆接触层远离所述衬底的一侧，交叠生长n个周期的第一AlxGa1-xN量子阱层和第一AlyGa1-yN量子垒层，形成第一发光结构；其中，n≥1，所述第一AlyGa1-yN量子垒层掺Si，至少一个所述第一AlxGa1-xN量子阱层掺Si，且所述第一AlxGa1-xN量子阱层中的掺Si浓度低于所述第一AlyGa1-yN量子垒层中的掺Si浓度；
在所述第一发光结构远离所述衬底的一侧生长第二AlxGa1-xN量子阱层，并在所述第二AlxGa1-xN量子阱层远离所述衬底的一侧生长第二AlyGa1-yN量子垒层，形成第二发光结构；所述第二AlxGa1-xN量子阱层和所述第二AlyGa1-yN量子垒层均不掺Si；所述第一发光结构和所述第二发光结构形成AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层；
在所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层远离所述衬底的一侧，形成P型AlbGa1- bN电子阻挡层；
在所述P型AlbGa1-bN电子阻挡层远离所述衬底的一侧形成P型GaN欧姆接触层，得到制备完成的所述紫外LED外延结构。
与现有技术相比，本发明提供的一种紫外LED外延结构及其制备方法，至少实现了如下的有益效果：
本申请所提供的紫外LED外延结构及其制备方法中，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层包括第一发光结构和第二发光结构；其中，第一发光结构包括交替生长n个周期的第一AlxGa1-xN量子阱层和第一AlyGa1-yN量子垒层，第二发光结构包括一个第二AlxGa1-xN量子阱层和一个第二AlyGa1-yN量子垒层。第一发光结构中，每个第一AlyGa1-yN量子垒层掺Si，至少一个第一AlxGa1-xN量子阱层掺Si，在AlGaN材料中掺入Si元素后，由于Si原子为+4价，掺入Si会形N型半导体，能够提高导通性，有利于降低多量子阱有源区的电阻，并进一步降低紫外LED的工作电压。并且，与第一AlyGa1-yN量子垒层相比，第一AlxGa1-xN量子阱层的厚度更小、Al组分更低，设置第一AlxGa1-xN量子阱层中的Si掺杂浓度低于第一AlyGa1-yN量子垒层中的Si掺杂浓度，也可以提高有源区对电子的限制作用，有利于提高紫外LED的发光强度。
当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1所示为本申请实施例所提供的紫外LED外延结构的一种结构示意图；
图2所示为图1实施例所提供的紫外LED外延结构中AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层的一种结构示意图；
图3所示为本申请实施例所提供的紫外LED外延结构的制备方法的一种流程图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
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讨论。
以下将结合附图和具体实施例进行详细说明。
图1所示为本申请实施例所提供的紫外LED外延结构的一种结构示意图，图2所示为图1实施例所提供的紫外LED外延结构中AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层的一种结构示意图。请参见图1及图2，本申请提供的一种紫外LED外延结构，包括：
衬底10；
位于衬底10的表面的第一AlN层20；
位于第一AlN层20远离衬底10一侧的第二AlN层30；
位于第二AlN层30远离衬底10一侧的N型AlaGa1-aN欧姆接触层40；
位于N型AlaGa1-aN欧姆接触层40远离衬底10一侧的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层50；
位于AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层50远离衬底10一侧的P型AlbGa1-bN电子阻挡层60；
位于P型AlbGa1-bN电子阻挡层60远离衬底10一侧的P型GaN欧姆接触70；
其中，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层50包括第一发光结构51，以及位于第一发光结构远离衬底10一侧的第二发光结构52；
第一发光结构51包括交替生长n个周期的第一AlxGa1-xN量子阱层511和第一AlyGa1-yN量子垒层512，n≥1；第二发光结构52包括一个第二AlxGa1-xN量子阱层521和一个第二AlyGa1-yN量子垒层522；
第一发光结构51中，每个第一AlyGa1-yN量子垒层512掺Si，至少一个第一AlxGa1-xN量子阱层511掺Si，且第一AlxGa1-xN量子阱层511中的Si掺杂浓度低于第一AlyGa1-yN量子垒层512中的Si掺杂浓度；第二发光结构52中，第二AlxGa1-xN量子阱层521和第二AlyGa1-yN量子垒层522均不掺Si。
具体地，第一AlN层20为低温AlN层，第二AlN层30为高温AlN层。这里，“低温”和“高温”分别指第一AlN层20和第二AlN层30的生长温度。示例性地，第一AlN层20的生长温度可以为600℃～1000℃，第二AlN层30的生长温度可以为1100℃～1400℃。
如图2所示，第一发光结构51由第一AlxGa1-xN量子阱层511和第一AlyGa1-yN量子垒层512交替生长n个周期而得到。本实施例中，n可以为5，也就是说第一发光结构51中包含5个第一AlxGa1-xN量子阱层511和5个第一AlyGa1-yN量子垒层512；其中，上述5个第一AlyGa1-yN量子垒层512中均掺Si，而5个第一AlxGa1-xN量子阱层511中，可以仅有一层掺Si，也可以有多层掺Si。可以理解的是，本实施例在第一AlxGa1-xN量子阱层511中掺入Si，而Si原子为+4价，掺入AlGaN材料后会形成N型半导体，因此能够提高有源区的导通性、降低电阻，进而降低紫外LED的工作电压。
示例性地，第一AlyGa1-yN量子垒层512中的Si掺杂浓度可以为8E+18cm-3，第一AlxGa1-xN量子阱层511的Si掺杂浓度可以为4.8E+18cm-3。
请继续参见图2，第二发光结构52仅包括一个第二AlxGa1-xN量子阱层521和一个第二AlyGa1-yN量子垒层522，并且二者都不掺Si。由于空穴的浓度及迁移率均低于电子，因而空穴只能注入到离P型层较近的后面几个量子阱层参与辐射复合发光。也就是说，电子和空穴在多量子阱有源层的最后一个量子阱层(即第二AlxGa1-xN量子阱层521)复合发光的概率要大于在其它量子阱层(即第一AlxGa1-xN量子阱层511)复合发光的概率。第二AlxGa1-xN量子阱层521不掺Si，能够最大限度地减少溢出到P型层的电子，将更多的电子限制在最后一个量子阱层内，并与空穴辐射复合，有利于提高紫外LED的发光亮度。
可选地，第一发光结构51中，第一AlxGa1-xN量子阱层511的Si掺杂浓度为1E+17cm-3～1E+19cm-3；
n个第一AlxGa1-xN量子阱层511中的Si掺杂浓度从靠近衬底的一层到远离衬底的一层递增、递减或恒定。
具体的，仍以n＝5为例。在一种可能的实施方式中，第一发光结构51中每个第一AlyGa1-yN量子垒层512的Si掺杂浓度均为8E+18cm-3，每个第一AlxGa1-xN量子阱层511的Si掺杂浓度均为4.8E+18cm-3。
在第二种可能的实施方式中，每个第一AlyGa1-yN量子垒层512的Si掺杂浓度均为8E+18cm-3，而从靠近衬底的一侧到远离衬底的一侧，5个第一AlxGa1-xN量子阱层511的Si掺杂浓度分别为6.4E+18cm-3、5.6E+18cm-3、4.8E+18cm-3、4E+18cm-3和3.2E+18cm-3。
在第三种可能的实施方式中，每个第一AlyGa1-yN量子垒层512的Si掺杂浓度均为8E+18cm-3，而从靠近衬底的一侧到远离衬底的一侧，5个第一AlxGa1-xN量子阱层511的Si掺杂浓度分别为3.2E+18cm-3、4E+18cm-3、4.8E+18cm-3、5.6E+18cm-3和6.4E+18cm-3。
本实施例还设置第一AlxGa1-xN量子阱层511中的Si掺杂浓度低于第一AlyGa1-yN量子垒层512中的Si掺杂浓度。由于第一AlyGa1-yN量子垒层512的厚度大于第一AlxGa1-xN量子阱层511的厚度，相应地，第一AlyGa1-yN量子垒层512的Al组分也高于第一AlxGa1-xN量子阱层511的Al组分，若设置第一AlxGa1-xN量子阱层511的Si掺杂浓度高于第一AlyGa1-yN量子垒层512，则会使电子更容易溢出到P型层，如此会对载流子的复合发光造成不利影响。
当然，第一AlxGa1-xN量子阱层511中的Si掺杂浓度也可以非均匀地递增或递减，本实施例不对各个第一AlxGa1-xN量子阱层511中Si掺杂浓度的变化方式进行限定。
可选地，如图2所示，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层50包括AlxGa1-xN量子阱层51S和AlyGa1-yN量子垒层52S；沿垂直于衬底10所在平面的方向，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层50的周期厚度为3-40nm；
其中，AlxGa1-xN量子阱层51S包括所述第一AlxGa1-xN量子阱层511及第二AlxGa1-xN量子阱层521，AlyGa1-yN量子垒层52S包括第一AlyGa1-yN量子垒层512及第二AlyGa1-yN量子垒层522，AlxGa1-xN量子阱层51S中的Al组分低于AlyGa1-yN量子垒层52S中的Al组分，即0<x<y≤1；
具体地，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层50的周期厚度是指沿垂直于衬底10所在平面的方向，一个第一AlxGa1-xN量子阱层511与一个第一AlyGa1-yN量子垒层512的厚度之和。
可以理解的是，量子垒52S中的Al组分太高或者太低都会对紫外LED的性能造成影响。量子垒中的Al组分越高，其量子阱深度就越深，有源区对电子的限制能力也越强，但与此同时，量子垒对空穴的限制能力也相应提高，因此，自n型层注入的电子很难穿越有源区到达靠近P型层的量子阱，P型层注入的大部分空穴也会在最后一个阱中积累，导致LED的量子效率下降。反之，若量子垒中Al组分过低，则对载流子限制能力不足，末垒与电子阻挡层的晶格失配较大，会严重降低发光器件的性能。
示例性地，量子垒层52S中的Al组分可以为57％，量子阱层51S中的Al组分可以为44％。
可选地，N型AlaGa1-aN欧姆接触层40中的Al组分以及P型AlbGa1-bN电子阻挡层60中的Al组分均高于AlxGa1-xN量子阱层51S中的Al组分。
具体而言，在紫外LED的外延结构中，若其它膜层的Al组分低于量子阱层中的Al组分，则会严重吸收从量子阱层中发出的深紫外光，因此，将AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层中的Al组分设置为最低，可以避免其发出的光线被吸收，有利于提高紫外LED外延结构的发光效率。
可选地，衬底10为蓝宝石、氮化铝、硅或碳化硅中的一种。
可见，本申请所提供的紫外LED外延结构中，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层包括第一发光结构和第二发光结构；其中，第一发光结构包括交替生长n个周期的第一AlxGa1-xN量子阱层和第一AlyGa1-yN量子垒层，第二发光结构包括一个第二AlxGa1-xN量子阱层和一个第二AlyGa1-yN量子垒层。第一发光结构中，每个第一AlyGa1-yN量子垒层掺Si，至少一个第一AlxGa1-xN量子阱层掺Si，在AlGaN材料中掺入Si元素后，由于Si原子为+4价，掺入Si会形N型半导体，能够提高导通性，有利于降低多量子阱有源区的电阻，并进一步降低紫外LED的工作电压。并且，与第一AlyGa1-yN量子垒层相比，第一AlxGa1-xN量子阱层的厚度更小、Al组分更低，设置第一AlxGa1-xN量子阱层中的Si掺杂浓度低于第一AlyGa1-yN量子垒层中的Si掺杂浓度，也可以提高有源区对电子的限制作用，有利于提高紫外LED的发光强度。
图3所示为本申请实施例所提供的紫外LED外延结构的制备方法的一种流程图。请参见图1及图3，本申请提供还提供一种紫外LED外延结构的制备方法，该方法包括：
步骤301、提供一衬底10；
步骤302、将衬底10置入MOCVD机台反应腔，并在升温至第一预设温度后，向反应腔内通入III族Al源和NH3，在所述衬底的表面形成第一AlN层20；可选地，第一预设温度范围为600℃～1000℃。
步骤303、当反应腔内的温度升至第二预设温度时，在第一AlN层20远离衬底10的表面形成第二AlN层30；第二预设温度高于第一预设温度；可选地，第二预设温度范围为1100℃～1400℃。
步骤304、当反应腔内的温度降至第三预设温度时，在第二AlN层30远离衬底10的一侧形成N型AlaGa1-aN欧姆接触层40；可选地，第三预设温度范围为1000℃～1200℃。
步骤305、在N型AlaGa1-aN欧姆接触层40远离衬底10的一侧，交叠生长n个周期的第一AlxGa1-xN量子阱层511和第一AlyGa1-yN量子垒层512，形成第一发光结构51；其中，n≥1，第一AlyGa1-yN量子垒层512掺Si，至少一个第一AlxGa1-xN量子阱层511掺Si，且第一AlxGa1-xN量子阱层511中的掺Si浓度低于第一AlyGa1-yN量子垒层512中的掺Si浓度；
步骤306、在第一发光结构51远离衬底10的一侧生长第二AlxGa1-xN量子阱层521，并在第二AlxGa1-xN量子阱层521远离衬底10的一侧生长第二AlyGa1-yN量子垒层522，形成第二发光结构52；第二AlxGa1-xN量子阱层521和第二AlyGa1-yN量子垒层522均不掺Si；第一发光结构51和第二发光结构52形成AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层50；
步骤307、在AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层50远离衬底10的一侧，形成P型AlbGa1-bN电子阻挡层60；
步骤308、在P型AlbGa1-bN电子阻挡层60远离衬底10的一侧形成P型GaN欧姆接触层70，得到制备完成的紫外LED外延结构。
下面以制备280nm波段的UVC-LED为例，对上述紫外LED外延结构的制备方法进行详细说明。
实施例一：
步骤1，将蓝宝石衬底置入MOCVD机台反应腔，并在800℃、反应腔压力50Torr下，通入TMAl、NH3和H2，在蓝宝石衬底的表面形成厚度为25nm的低温AlN层。
步骤2，在1270℃，反应腔压力50Torr下通入TMAl、NH3和H2，形成厚度约为3μm的高温AlN层。
步骤3，降低温度至1070℃，在反应腔压力50Torr下通入TMAl、TMGa、SiH4、NH3和H2，形成厚度约为2μm的N型AlaGa1-aN欧姆接触层；其中，SiH4为N型掺杂剂，Si浓度为1.5E+19cm-3。
步骤4，降低温度至1000℃，在反应腔压力50Torr下通入TMAl、TMGa、SiH4、NH3和H2，形成掺Si的第一AlxGa1-xN量子阱层，厚度约2nm，Al组分约为44％，Si的掺杂浓度为4.8E+18cm-3。
步骤5，在1000℃，反应腔压力50Torr下通入TMAl、TMGa、NH3和H2，形成掺Si的第一AlyGa1-yN量子垒层，厚度约12nm，Al组分约为57％，Si的掺杂浓度为8E+18cm-3；重复步骤4和步骤5五次之后，得到第一发光结构。
步骤6，在1000℃，反应腔压力50Torr下通入TMAl、TMGa、NH3和H2，形成不掺Si的第二AlxGa1-xN量子阱层，厚度约2nm，Al组分约为44％。
步骤7，在1000℃，反应腔压力50Torr下通入TMAl、TMGa、NH3和H2，形成不掺Si的第二AlyGa1-yN量子垒层，厚度约6nm，Al组分约为57％。
步骤8，降低温度至990℃，在反应腔压力50Torr下通入Cp2Mg、TMAl、TMGa、NH3和H2，形成厚度约为60nm的P型AlbGa1-bN电子阻挡层。
步骤9，降低温度至940℃，在反应腔压力100Torr下通入Cp2Mg、TMGa、NH3和H2，形成Mg浓度约4E+19cm-3、厚度约为100nm的P型GaN欧姆接触层，获得制备完成的紫外LED外延结构，记作外延结构1。
在第二种可行的实施方式中，多量子阱有源层可以采用如下方法制备得到：
步骤41，降低温度至1000℃，在反应腔压力50Torr下通入TMAl、TMGa、SiH4、NH3和H2，形成掺Si的第一AlxGa1-xN量子阱层，厚度约2nm，Al组分约为44％，Si的掺杂浓度为6.4E+18cm-3。
步骤51，在1000℃，反应腔压力50Torr下通入TMAl、TMGa、NH3和H2，形成掺Si的第一AlyGa1-yN量子垒层，厚度约12nm，Al组分约为57％，Si的掺杂浓度为8E+18cm-3；重复步骤41和步骤51五次，且每一次生长的第一AlxGa1-xN量子阱层中的Si掺杂浓度递减0.8E+18cm-3，得到第一发光结构。
本实施例中，制备紫外LED外延结构时的步骤1-3、步骤6-9均与上述实施例一相同，此处不再赘述。
将本实施例中制备得到的紫外LED外延结构记作外延结构2。
在第三种可行的实施方式中，多量子阱有源层可以采用如下方法制备得到：
步骤42，降低温度至1000℃，在反应腔压力50Torr下通入TMAl、TMGa、SiH4、NH3和H2，形成掺Si的第一AlxGa1-xN量子阱层，厚度约2nm，Al组分约为44％，Si的掺杂浓度为3.2E+18cm-3。
步骤52，在1000℃，反应腔压力50Torr下通入TMAl、TMGa、NH3和H2，形成掺Si的第一AlyGa1-yN量子垒层，厚度约12nm，Al组分约为57％，Si的掺杂浓度为8E+18cm-3；重复步骤41和步骤51五次，且每一次生长的第一AlxGa1-xN量子阱层中的Si掺杂浓度递增0.8E+18cm-3，得到第一发光结构。
本实施例中，制备紫外LED外延结构时的步骤1-3、步骤6-9均与上述实施例一相同，此处不再赘述。
将本实施例中制备得到的紫外LED外延结构记作外延结构3。
在第四种可行的实施方式中，不再形成如上述实施例一所述的掺Si的第一AlxGa1-xN量子阱层，而是形成不掺Si的第一AlxGa1-xN量子阱层，其他步骤均与实施例一中的步骤1-3、步骤6-9相同，此处不再赘述。
将本实施例中制备得到的紫外LED外延结构记作外延结构4。
将上述外延结构1、外延结构2、外延结构3及外延结构4分别制成约280nm波段，10×20mil尺寸的芯片1、芯片2、芯片3和芯片4，并通入40mA电流，进行裸芯光电测试，结果如表1所示：
表1
| 芯片 | 波长(nm) | 电压(v) | 亮度(nw) |
| 1 | 280.2 | 6.23 | 2.28 |
| 2 | 280.1 | 6.19 | 2.26 |
| 3 | 279.8 | 6.25 | 2.25 |
| 4 | 279.8 | 6.95 | 2.22 |
显然，由表1可见，与采用外延结构4制成的芯片4相比，芯片1-3的工作电压约下降10％。也就是说，在第一AlxGa1-xN量子阱层中掺入Si能够明显降低紫外LED的工作电压，延长其使用寿命。
本申请所提供的紫外LED外延结构的制备方法中，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层包括第一发光结构和第二发光结构；其中，第一发光结构包括交替生长n个周期的第一AlxGa1-xN量子阱层和第一AlyGa1-yN量子垒层，第二发光结构包括一个第二AlxGa1-xN量子阱层和一个第二AlyGa1-yN量子垒层。第一发光结构中，每个第一AlyGa1-yN量子垒层掺Si，至少一个第一AlxGa1-xN量子阱层掺Si，在AlGaN材料中掺入Si元素后，由于Si原子为+4价，掺入Si会形N型半导体，能够提高导通性，有利于降低多量子阱有源区的电阻，并进一步降低紫外LED的工作电压。并且，与第一AlyGa1-yN量子垒层相比，第一AlxGa1-xN量子阱层的厚度更小、Al组分更低，设置第一AlxGa1-xN量子阱层中的Si掺杂浓度低于第一AlyGa1-yN量子垒层中的Si掺杂浓度，也可以提高有源区对电子的限制作用，有利于提高紫外LED的发光强度。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (8)
1.一种紫外LED外延结构，其特征在于，所述外延结构包括：
衬底；
位于所述衬底的表面的第一AlN层；
位于所述第一AlN层远离所述衬底一侧的第二AlN层；
位于所述第二AlN层远离所述衬底一侧的N型AlaGa1-aN欧姆接触层；
位于所述N型AlaGa1-aN欧姆接触层远离所述衬底一侧的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层；
位于所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层远离所述衬底一侧的P型AlbGa1-bN电子阻挡层；
位于所述P型AlbGa1-bN电子阻挡层远离所述衬底一侧的P型GaN欧姆接触层；
其中，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层包括第一发光结构，以及位于所述第一发光结构远离所述衬底一侧的第二发光结构；
所述第一发光结构包括交替生长n个周期的第一AlxGa1-xN量子阱层和第一AlyGa1-yN量子垒层，n≥1；所述第二发光结构包括一个第二AlxGa1-xN量子阱层和一个第二AlyGa1-yN量子垒层；
所述第一发光结构中，每个所述第一AlyGa1-yN量子垒层掺Si，至少一个所述第一AlxGa1-xN量子阱层掺Si，且所述第一AlxGa1-xN量子阱层中的Si掺杂浓度低于所述第一AlyGa1-yN量子垒层中的Si掺杂浓度；所述第二发光结构中，所述第二AlxGa1-xN量子阱层和所述第二AlyGa1-yN量子垒层均不掺Si。
2.根据权利要求1所述的紫外LED外延结构，其特征在于，所述第一发光结构中，n个第一AlxGa1-xN量子阱层中的Si掺杂浓度从靠近衬底的一层到远离衬底的一层递增、递减或恒定。
3.根据权利要求2所述的紫外LED外延结构，其特征在于，所述第一AlxGa1-xN量子阱层的Si掺杂浓度为1E+17cm-3～1E+19cm-3。
4.根据权利要求1所述的紫外LED外延结构，其特征在于，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层包括AlxGa1-xN量子阱层和AlyGa1-yN量子垒层；
其中，所述AlxGa1-xN量子阱层包括所述第一AlxGa1-xN量子阱层及所述第二AlxGa1-xN量子阱层，所述AlyGa1-yN量子垒层包括所述第一AlyGa1-yN量子垒层及所述第二AlyGa1-yN量子垒层，所述AlxGa1-xN量子阱层中的Al组分低于所述AlyGa1-yN量子垒层中的Al组分，即0<x<y≤1。
5.根据权利要求4所述的紫外LED外延结构，其特征在于，沿垂直于所述衬底所在平面的方向，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层的周期厚度为3-40nm；所述周期厚度是沿垂直于所述衬底所在平面的方向，所述第一发光结构中一个第一AlxGa1-xN量子阱层与一个第一AlyGa1-yN量子垒层的厚度之和。
6.根据权利要求4所述的紫外LED外延结构，其特征在于，所述N型AlaGa1-aN欧姆接触层中的Al组分以及所述P型AlbGa1-bN电子阻挡层中的Al组分均高于所述AlxGa1-xN量子阱层中的Al组分。
7.根据权利要求1所述的紫外LED外延结构，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、氮化铝、硅或碳化硅中的一种。
8.一种用于制备权利要求1-7中任一所述的紫外LED外延结构的方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一衬底；
将所述衬底置入MOCVD机台反应腔，并在升温至第一预设温度后，向所述反应腔内通入III族Al源和NH3，在所述衬底的表面形成第一AlN层；
当所述反应腔内的温度升至第二预设温度时，在所述第一AlN层远离所述衬底的表面形成第二AlN层；所述第二预设温度高于所述第一预设温度；
当所述反应腔内的温度降至第三预设温度时，在所述第二AlN层远离所述衬底的一侧形成N型AlaGa1-aN欧姆接触层；
在所述N型AlaGa1-aN欧姆接触层远离所述衬底的一侧，交叠生长n个周期的第一AlxGa1- xN量子阱层和第一AlyGa1-yN量子垒层，形成第一发光结构；其中，n≥1，所述第一AlyGa1-yN量子垒层掺Si，至少一个所述第一AlxGa1-xN量子阱层掺Si，且所述第一AlxGa1-xN量子阱层中的掺Si浓度低于所述第一AlyGa1-yN量子垒层中的掺Si浓度；
在所述第一发光结构远离所述衬底的一侧生长第二AlxGa1-xN量子阱层，并在所述第二AlxGa1-xN量子阱层远离所述衬底的一侧生长第二AlyGa1-yN量子垒层，形成第二发光结构；所述第二AlxGa1-xN量子阱层和所述第二AlyGa1-yN量子垒层均不掺Si；所述第一发光结构和所述第二发光结构形成AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层；
在所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层远离所述衬底的一侧，形成P型AlbGa1-bN电子阻挡层；
在所述P型AlbGa1-bN电子阻挡层远离所述衬底的一侧形成P型GaN欧姆接触层，得到制备完成的所述紫外LED外延结构。
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