CN111463328A - 一种GaN基紫外LED外延结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种GaN基紫外LED外延结构及其制造方法，由于每个多量子阱中阱层是由AlxGa1‑xN层、AlyGa1‑yN层以及AlzGa1‑zN层构成，y的值小于x的值，因此形成的量子阱能带结构中阱层会形成斜面过渡。通过调整位于中间的AlyGa1‑yN层中y的取值，实现调节能带结构中三角形势垒弯曲程度的效果，从而优化电子和空穴的波函数的重合度。同时由于在阱层和AlaGa1‑aN垒层之间设置了AlbGa1‑bN高势垒层，AlbGa1‑bN高势垒层中b的取值相对于x、y的取值都大，说明其Al的含量最高，通过调整b的取值来控制AlbGa1‑bN高势垒层的能带高度，可以有效阻挡电子溢出，防止电子泄露，提高了紫外LED的内量子效率和发射功率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管制造技术领域，具体涉及一种GaN基紫外LED外延结构及其制造方法。
背景技术
紫外发光二极管(UV Light Emitting Diode，UV-LED)是一种能够直接将电能转化为紫外光线的固态的半导体器件。与目前市面上使用的汞灯和氙灯等传统气体紫外光源相比，紫外LED具备超长寿命、冷光源、无热辐射、寿命不受开闭次数影响、能量高、照射均匀效率高，不含有毒物质等强大优势，使其最有希望取代现有的紫外高压水银灯，成为下一代的紫外光光源。
随着技术的发展,紫外发光二极管在生物医疗、防伪鉴定、净化(水、空气等)领域、计算机数据存储和军事等方面有着广阔的市场应用前景。除此之外，紫外LED 也越来越受到照明市场的关注。因为通过紫外LED激发三基色荧光粉，可获得普通照明的白光。而且随着技术的发展,新的应用会不断出现以替代原有的技术和产品,紫外LED有着广阔的市场应用前景。
但是目前紫外LED正处于技术发展期，还存在一些难以突破的问题，如AlGaN基紫外LED的内量子效率和发射功率相对较低等。
因此，如何提高AlGaN基紫外LED的内量子效率和发射功率成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种具有抑制电子泄露、提升AlGaN基紫外LED的内量子效率和发射功率的GaN基紫外LED外延结构及其制造方法。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种GaN基紫外LED外延结构，自下至上依次包括衬底、成核层、未掺杂AlGaN层、n型AlGaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层以及欧姆接触层，所述多量子阱层周期性生长的多量子阱构成，周期数为1-50，每个周期的多量子阱中由阱层、生长于阱层上方的AlbGa1-bN高势垒层及生长于AlbGa1-bN高势垒层上方的AlaGa1-aN垒层构成，其中阱层自下至上包括AlxGa1-xN层、AlyGa1-yN层以及AlzGa1-zN层，其中0≤y＜x≤a≤b≤1，0≤z≤1。
优选的，一个周期的多量子阱的厚度为3-600nm，多量子阱中的阱层厚度为1-300nm，AlbGa1-bN高势垒层的厚度为1-100nm，AlaGa1-aN垒层的厚度为1-200nm。
优选的，AlxGa1-xN层中的x=0.5，AlyGa1-yN层中的y=0.35，AlzGa1-zN层中的z=0.5，AlbGa1-bN高势垒层中的b=1，AlaGa1-aN垒层中的a=0.7。
优选的，AlxGa1-xN层的厚度为4nm，AlyGa1-yN层的厚度1nm，AlzGa1-zN层的厚度为4nm，AlbGa1-bN高势垒层的厚度为1nm，AlaGa1-aN垒层的厚度为10nm。
一种制造权利要求1中GaN基紫外LED外延结构的方法，包括如下步骤：
a)在MOCVD设备的反应室内，按常规紫外LED外延生长条件在衬底上依次生长成核层、未掺杂AlGaN层以及n型AlGaN层；
b) 在MOCVD设备的反应室内于n型AlGaN层上周期性生长多量子阱，周期性生长的各个多量子阱组成多量子阱层，每个多量子阱由阱层、生长于阱层上方的AlbGa1-bN高势垒层及生长于AlbGa1-bN高势垒层上方的AlaGa1-aN垒层构成，其中阱层自下至上包括AlxGa1-xN层、AlyGa1-yN层以及AlzGa1-zN层，其中0≤y＜x≤a≤b≤1，0≤z≤1；
c)在MOCVD设备的反应室内按常规紫外LED外延生长条件在多量子阱层上依次生长电子阻挡层、P型GaN才能以及欧姆接触层。
进一步的，步骤b)中每个周期内的多量子阱的制备工艺包括如下步骤：
b-1)生长多量子阱时调整MOCVD设备的反应室温度至700-1600℃，调整MOCVD设备的反应室压力至5-200torr，通入1-2000sccm的TMAl、5-2000sccm的TMGa、20000-150000sccm的
、0-150000 sccm的
、1000-90000sccm的
，生长厚度为1-100nm的AlxGa1-xN层；
b-2)将MOCVD设备的反应室温度保持700-1600℃，MOCVD设备的反应室压力保持5-200torr，通入1-2000sccm的TMAl、5-2000sccm的TMGa、20000-150000sccm的
、0-150000sccm的
、1000-90000sccm的
，在AlxGa1-xN层上生长厚度为1-100nm的AlyGa1-yN层；
b-3) 将MOCVD设备的反应室温度保持700-1600℃，MOCVD设备的反应室压力保持5-200torr，通入1-2000sccm的TMAl、5-2000sccm的TMGa、20000-150000sccm的
、0-150000sccm的
、1000-90000sccm的
，在AlyGa1-yN层上生长厚度为1-100nm的AlzGa1-zN层；
b-4)将MOCVD设备的反应室温度保持700-1600℃，MOCVD设备的反应室压力保持5-200torr，通入1-2000sccm的TMAl、5-2000sccm的TMGa、20000-150000sccm的
、0-150000sccm的
、1000-90000sccm的
，在AlzGa1-zN层上生长厚度为1-100nm的AlbGa1-bN高势垒层；
b-5)将MOCVD设备的反应室温度保持700-1600℃，MOCVD设备的反应室压力保持5-200torr，通入1-2000sccm的TMAl、5-2000sccm的TMGa、20000-150000sccm的
、0-150000sccm的
、1000-90000sccm的
，在AlbGa1-bN高势垒层上生长厚度为1-200nm的AlaGa1-aN垒层。
优选的，步骤b)中多量子阱层中多量子阱的循环周期为1-50。
本发明的有益效果是：由于每个多量子阱中阱层是由AlxGa1-xN层、AlyGa1-yN层以及AlzGa1-zN层构成，y的值小于x的值，因此形成的量子阱能带结构中阱层会形成斜面过渡。通过调整位于中间的AlyGa1-yN层中y的取值，实现调节能带结构中三角形势垒弯曲程度的效果，从而优化电子和空穴的波函数的重合度。同时由于在阱层和AlaGa1-aN垒层之间设置了AlbGa1-bN高势垒层，AlbGa1-bN高势垒层中b的取值相对于x、y的取值都大，说明其Al的含量最高，通过调整b的取值来控制AlbGa1-bN高势垒层的能带高度，可以有效阻挡电子溢出，防止电子泄露，提高了紫外LED的内量子效率和发射功率。
附图说明
图1为本发明的紫外LED外延结构的示意图；
图2为本发明的紫外LED中量子阱层的结构示意图；
图中，1.衬底 2.成核层 3.未掺杂AlGaN层 4.n型AlGaN层 5.多量子阱层 6.电子阻挡层 7.P型GaN层 8.欧姆接触层 51.AlxGa1-xN层 52.AlyGa1-yN层 53.AlzGa1-zN层54.AlbGa1-bN高势垒层 55.AlaGa1-aN垒层。
具体实施方式
下面结合附图1、附图2对本发明做进一步说明。
一种GaN基紫外LED外延结构，自下至上依次包括衬底1、成核层2、未掺杂AlGaN层3、n型AlGaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、P型GaN层7以及欧姆接触层8，多量子阱层5周期性生长的多量子阱构成，周期数为1-50，每个周期的多量子阱中由阱层、生长于阱层上方的AlbGa1-bN高势垒层54及生长于AlbGa1-bN高势垒层54上方的AlaGa1-aN垒层55构成，其中阱层自下至上包括AlxGa1-xN层51、AlyGa1-yN层52以及AlzGa1-zN层53，其中0≤y＜x≤a≤b≤1，0≤z≤1。由于每个多量子阱中阱层是由AlxGa1-xN层51、AlyGa1-yN层52以及AlzGa1-zN层53构成，y的值小于x的值，因此形成的量子阱能带结构中阱层会形成斜面过渡。通过调整位于中间的AlyGa1-yN层52中y的取值，实现调节能带结构中三角形势垒弯曲程度的效果，从而优化电子和空穴的波函数的重合度。同时由于在阱层和AlaGa1-aN垒层55之间设置了AlbGa1-bN高势垒层54，AlbGa1-bN高势垒层54中b的取值相对于x、y的取值都大，说明其Al的含量最高，通过调整b的取值来控制AlbGa1-bN高势垒层54的能带高度，可以有效阻挡电子溢出，防止电子泄露，提高了紫外LED的内量子效率和发射功率。
实施例1：
一个周期的多量子阱的厚度为3-600nm，多量子阱中的阱层厚度为1-300nm，AlbGa1-bN高势垒层54的厚度为1-100nm，AlaGa1-aN垒层55的厚度为1-200nm。
实施例2：
AlxGa1-xN层51中的x=0.5，AlyGa1-yN层52中的y=0.35，AlzGa1-zN层53中的z=0.5，AlbGa1-bN高势垒层54中的b=1，AlaGa1-aN垒层55中的a=0.7。
实施例3：
AlxGa1-xN层51的厚度为4nm，AlyGa1-yN层52的厚度1nm，AlzGa1-zN层53的厚度为4nm，AlbGa1-bN高势垒层54的厚度为1nm，AlaGa1-aN垒层55的厚度为10nm。
一种制造权利要求1中GaN基紫外LED外延结构的方法，包括如下步骤：
a)在MOCVD设备的反应室内，按常规紫外LED外延生长条件在衬底1上依次生长成核层2、未掺杂AlGaN层3以及n型AlGaN层4；
b) 在MOCVD设备的反应室内于n型AlGaN层4上周期性生长多量子阱，周期性生长的各个多量子阱组成多量子阱层5，每个多量子阱由阱层、生长于阱层上方的AlbGa1-bN高势垒层54及生长于AlbGa1-bN高势垒层54上方的AlaGa1-aN垒层55构成，其中阱层自下至上包括AlxGa1-xN层51、AlyGa1-yN层52以及AlzGa1-zN层53，其中0≤y＜x≤a≤b≤1，0≤z≤1；
c)在MOCVD设备的反应室内按常规紫外LED外延生长条件在多量子阱层5上依次生长电子阻挡层6、P型GaN才能7以及欧姆接触层8。
整个工艺中，制备采用常规制备方法制作衬底1、成核层2、未掺杂AlGaN层3、n型AlGaN层4、电子阻挡层6、P型GaN层7以及欧姆接触层8。通过制备lxGa1-xN层51、AlyGa1-yN层52、AlzGa1-zN层53、AlbGa1-bN高势垒层54及AlaGa1-aN垒层55的多量子阱结构，AlbGa1-bN高势垒层54可以阻挡电子溢出，防止电子泄露，通过调整y值可以调节能带结构中三角形势垒的弯曲程度。
实施例4：
步骤b)中每个周期内的多量子阱的制备工艺包括如下步骤：
b-1)生长多量子阱时调整MOCVD设备的反应室温度至700-1600℃，调整MOCVD设备的反应室压力至5-200torr，通入1-2000sccm的TMAl、5-2000sccm的TMGa、20000-150000sccm的
、0-150000 sccm的
、1000-90000sccm的
，生长厚度为1-100nm的AlxGa1-xN层51；
b-2)将MOCVD设备的反应室温度保持700-1600℃，MOCVD设备的反应室压力保持5-200torr，通入1-2000sccm的TMAl、5-2000sccm的TMGa、20000-150000sccm的
、0-150000sccm的
、1000-90000sccm的
，在AlxGa1-xN层51上生长厚度为1-100nm的AlyGa1-yN层52；
b-3) 将MOCVD设备的反应室温度保持700-1600℃，MOCVD设备的反应室压力保持5-200torr，通入1-2000sccm的TMAl、5-2000sccm的TMGa、20000-150000sccm的
、0-150000sccm的
、1000-90000sccm的
，在AlyGa1-yN层52上生长厚度为1-100nm的AlzGa1-zN层53；
b-4)将MOCVD设备的反应室温度保持700-1600℃，MOCVD设备的反应室压力保持5-200torr，通入1-2000sccm的TMAl、5-2000sccm的TMGa、20000-150000sccm的
、0-150000sccm的
、1000-90000sccm的
，在AlzGa1-zN层53上生长厚度为1-100nm的AlbGa1-bN高势垒层54；
b-5)将MOCVD设备的反应室温度保持700-1600℃，MOCVD设备的反应室压力保持5-200torr，通入1-2000sccm的TMAl、5-2000sccm的TMGa、20000-150000sccm的
、0-150000sccm的
、1000-90000sccm的
，在AlbGa1-bN高势垒层54上生长厚度为1-200nm的AlaGa1-aN垒层55。
实施例5：
步骤b)中多量子阱层5中多量子阱的循环周期为1-50。
Claims (7)
1.一种GaN基紫外LED外延结构，其特征在于，自下至上依次包括衬底（1）、成核层（2）、未掺杂AlGaN层（3）、n型AlGaN层（4）、多量子阱层（5）、电子阻挡层（6）、P型GaN层（7）以及欧姆接触层（8），所述多量子阱层（5）周期性生长的多量子阱构成，周期数为1-50，每个周期的多量子阱中由阱层、生长于阱层上方的AlbGa1-bN高势垒层（54）及生长于AlbGa1-bN高势垒层（54）上方的AlaGa1-aN垒层（55）构成，其中阱层自下至上包括AlxGa1-xN层（51）、AlyGa1-yN层（52）以及AlzGa1-zN层（53），其中0≤y＜x≤a≤b≤1，0≤z≤1。
2.根据权利要求1所述的GaN基紫外LED外延结构，其特征在于：一个周期的多量子阱的厚度为3-600nm，多量子阱中的阱层厚度为1-300nm，AlbGa1-bN高势垒层（54）的厚度为1-100nm，AlaGa1-aN垒层（55）的厚度为1-200nm。
3.根据权利要求1所述的GaN基紫外LED外延结构，其特征在于：AlxGa1-xN层（51）中的x=0.5，AlyGa1-yN层（52）中的y=0.35，AlzGa1-zN层（53）中的z=0.5，AlbGa1-bN高势垒层（54）中的b=1，AlaGa1-aN垒层（55）中的a=0.7。
4.根据权利要求2所述的GaN基紫外LED外延结构，其特征在于：AlxGa1-xN层（51）的厚度为4nm，AlyGa1-yN层（52）的厚度1nm，AlzGa1-zN层（53）的厚度为4nm，AlbGa1-bN高势垒层（54）的厚度为1nm，AlaGa1-aN垒层（55）的厚度为10nm。
5.一种制造权利要求1中GaN基紫外LED外延结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)在MOCVD设备的反应室内，按常规紫外LED外延生长条件在衬底（1）上依次生长成核层（2）、未掺杂AlGaN层（3）以及n型AlGaN层（4）；
b) 在MOCVD设备的反应室内于n型AlGaN层（4）上周期性生长多量子阱，周期性生长的各个多量子阱组成多量子阱层（5），每个多量子阱由阱层、生长于阱层上方的AlbGa1-bN高势垒层（54）及生长于AlbGa1-bN高势垒层（54）上方的AlaGa1-aN垒层（55）构成，其中阱层自下至上包括AlxGa1-xN层（51）、AlyGa1-yN层（52）以及AlzGa1-zN层（53），其中0≤y＜x≤a≤b≤1，0≤z≤1；
c)在MOCVD设备的反应室内按常规紫外LED外延生长条件在多量子阱层（5）上依次生长电子阻挡层（6）、P型GaN才能（7）以及欧姆接触层（8）。
6.根据权利要求5中GaN基紫外LED外延结构的制造方法，其特征在于，步骤b)中每个周期内的多量子阱的制备工艺包括如下步骤：
b-1)生长多量子阱时调整MOCVD设备的反应室温度至700-1600℃，调整MOCVD设备的反应室压力至5-200torr，通入1-2000sccm的TMAl、5-2000sccm的TMGa、20000-150000sccm的
、0-150000 sccm的
、1000-90000sccm的
，生长厚度为1-100nm的AlxGa1-xN层（51）；
b-2)将MOCVD设备的反应室温度保持700-1600℃，MOCVD设备的反应室压力保持5-200torr，通入1-2000sccm的TMAl、5-2000sccm的TMGa、20000-150000sccm的
、0-150000sccm的
、1000-90000sccm的
，在AlxGa1-xN层（51）上生长厚度为1-100nm的AlyGa1-yN层（52）；
b-3) 将MOCVD设备的反应室温度保持700-1600℃，MOCVD设备的反应室压力保持5-200torr，通入1-2000sccm的TMAl、5-2000sccm的TMGa、20000-150000sccm的
、0-150000sccm的
、1000-90000sccm的
，在AlyGa1-yN层（52）上生长厚度为1-100nm的AlzGa1-zN层（53）；
b-4)将MOCVD设备的反应室温度保持700-1600℃，MOCVD设备的反应室压力保持5-200torr，通入1-2000sccm的TMAl、5-2000sccm的TMGa、20000-150000sccm的
、0-150000sccm的
、1000-90000sccm的
，在AlzGa1-zN层（53）上生长厚度为1-100nm的AlbGa1-bN高势垒层（54）；
b-5)将MOCVD设备的反应室温度保持700-1600℃，MOCVD设备的反应室压力保持5-200torr，通入1-2000sccm的TMAl、5-2000sccm的TMGa、20000-150000sccm的
、0-150000sccm的
、1000-90000sccm的
，在AlbGa1-bN高势垒层（54）上生长厚度为1-200nm的AlaGa1-aN垒层（55）。
7.根据权利要求5中GaN基紫外LED外延结构的制造方法，其特征在于，步骤b)中多量子阱层（5）中多量子阱的循环周期为1-50。
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