CN111564538A - 紫外发光二极管外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种紫外发光二极管外延结构及其制备方法，涉及发光二极管生产技术领域，包括：衬底、第一AlN层，第二AlN层，SiNx/AlaGa1‑aN结构层，SiNx/AlaGa1‑aN结构层包括交替层叠的非晶SiNx插入层和AlaGa1‑aN过渡层，交替周期大于等于2；N型AlbGa1‑bN欧姆接触层，AluGa1‑uN/AltGa1‑tN多量子阱有源层，P型AlcGa1‑ cN电子阻挡层，P型GaN欧姆接触层。本申请能够使位错转向，阻挡位错沿垂直衬底方向向上传播，有效降低位错密度并释放应力，提高了紫外LED外延结构的晶体质量从而提高紫外LED的输出功率和使用寿命。
Description
技术领域
本申请涉及发光二极管生产技术领域，具体地说，涉及一种紫外发光二极管外延结构及其制备方法。
背景技术
紫外线根据波长可划分为320-400nm的长波紫外线(简称UVA)，280-320nm的中波紫外线(简称UVB)以及200-280nm的短波紫外线(简称UVC)。随着发光二极管技术的不断进步，近年来，紫外光波段的发光二极管(light emitting diode，LED)也被高度关注。
通常，制备紫外LED的过程中，依次在蓝宝石衬底表面生长AlN缓冲层和AlGaN层，AlN缓冲层、AlGaN层与蓝宝石衬底的晶格不同，存在晶格失配及热失配的问题，导致外延层生长过程中的应力堆积，使翘曲增大，表面容易开裂，导致产出率较低。此外，由于Al原子的迁移率低，难以迁移到合适的晶格位置，导致AlN缓冲层和AlGaN层在生长过程中形成高密度的穿透位错，大量穿透位错沿垂直衬底的方向向上传播，使AlGaN出现缺陷并捕获电子及空穴，导致输出功率变差，而且使电子和空穴在位错处进行非辐射复合，使发光频谱中出现杂波，从而导致发光效率降低。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种紫外发光二极管外延结构及其制备方法，能够使位错转向，阻挡位错沿垂直衬底方向向上传播，有效降低位错密度并释放应力，提高了紫外LED外延结构的晶体质量从而提高紫外LED的输出功率和使用寿命。
为了解决上述技术问题，本申请有如下技术方案：
一方面，本申请提供一种紫外发光二极管外延结构，包括：
衬底；
第一AlN层，所述第一AlN层位于所述衬底的一侧表面；
第二AlN层，所述第二AlN层位于所述第一AlN层远离所述衬底的一侧；
SiNx/AlaGa1-aN结构层，所述SiNx/AlaGa1-aN结构层位于所述第二AlN层远离所述第一AlN层的一侧；所述SiNx/AlaGa1-aN结构层包括交替层叠的非晶SiNx插入层和AlaGa1-aN过渡层，交替周期大于等于2；
N型AlbGa1-bN欧姆接触层，所述N型AlbGa1-bN欧姆接触层位于所述SiNx/AlaGa1-aN结构层远离所述第二AlN层的一侧；
AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层，所述AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层位于所述N型AlbGa1-bN欧姆接触层远离所述SiNx/AlaGa1-aN结构层的一侧；
P型AlcGa1-cN电子阻挡层，所述P型AlcGa1-cN电子阻挡层位于所述AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层远离所述N型AlbGa1-bN欧姆接触层的一侧；
P型GaN欧姆接触层，所述P型GaN欧姆接触层位于所述P型AlcGa1-cN电子阻挡层远离所述AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层的一侧。
可选地，其中：
沿所述衬底指向所述SiNx/AlaGa1-aN结构层的方向上，各所述AlaGa1-aN过渡层中的Al组分随着周期增加而逐渐减少；其中，0.5<a≤1。
可选地，其中：
所述非晶SiNx插入层的厚度为h1，0nm<h1<10nm。
可选地，其中：
所述AlaGa1-aN过渡层的厚度为h2，0nm<h2≤2000nm。
可选地，其中：
沿所述衬底指向所述SiNx/AlaGa1-aN结构层的方向上，同一所述AlaGa1-aN过渡层中的Al组分恒定或渐增或渐减。
可选地，其中：
沿所述衬底指向所述SiNx/AlaGa1-aN结构层的方向上，各所述AlaGa1-aN过渡层的厚度为恒定值或渐增或渐减。
另一方面，本申请还提供一种紫外发光二极管外延结构制备方法，利用金属有机化学气相沉积法形成，包括：
提供衬底，将所述衬底放入反应腔内；
向所述反应腔内通入TMAl、NH3和H2，在所述衬底上形成第一AlN层；
向所述反应腔内通入TMAl、NH3和H2，在所述第一AlN层远离所述衬底的一侧形成第二AlN层；
在所述第二AlN层远离所述第一AlN层的一侧生长SiNx/AlaGa1-aN结构层，具体为：向所述反应腔内通入SiH4、NH3和H2，形成非晶SiNx插入层；向所述反应腔内通入TMAl/(TMAl+TMGa)摩尔流量比为Y的TMAl、TMGa、H2和NH3，形成AlaGa1-aN过渡层；交替生长所述SiNx插入层和所述AlaGa1-aN过渡层，交替周期大于等于2；
向所述反应腔内通入TMAl、TMGa、SiH4、H2和NH3，在所述SiNx/AlaGa1-aN结构层远离所述第二AlN层的一侧形成N型AlbGa1-bN欧姆接触层；其中，SiH4为N型掺杂剂，Si的掺杂浓度为1.5E+19cm-3；
在所述N型AlbGa1-bN欧姆接触层远离所述SiNx/AlaGa1-aN结构层的一侧生长AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层；
向所述反应腔内通入Cp2Mg、TMAl、TMGa、H2和NH3，在所述AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层远离所述N型AlbGa1-bN欧姆接触层的一侧形成P型AlcGa1-cN电子阻挡层；
向所述反应腔内通入Cp2Mg、TMGa、H2和NH3，在所述P型AlcGa1-cN电子阻挡层远离所述AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层的一侧形成P型GaN欧姆接触层，其中，Mg的掺杂浓度为5E+19cm-3。
可选地，其中：
生长不同所述AlaGa1-aN过渡层时，向反应腔内通入的TMAl/(TMAl+TMGa)摩尔流量比Y不同，且沿所述衬底指向所述SiNx/AlaGa1-aN结构层的方向上，Y随着周期增加而逐渐减小。
可选地，其中：
生长同一所述AlaGa1-aN过渡层时，向反应腔内通入的TMAl/(TMAl+TMGa)摩尔流量比Y可为恒定或渐增或渐减。
可选地，其中：
沿所述衬底指向所述SiNx/AlaGa1-aN结构层的方向上，生长不同所述Ala1Ga1-a1N过渡层时，向所述反应腔内通入TMAl、TMGa、H2和NH3的时间T可为恒定值或渐增或渐减。
与现有技术相比，本申请所述的紫外发光二极管外延结构及其制备方法，达到了如下效果：
本申请所提供的紫外发光二极管外延结构及其制备方法，在第二AlN层和N型AlbGa1-bN欧姆接触层之间生长SiNx/AlaGa1-aN结构层，通过非晶SiNx插入层使部分位错发生转向，避免位错沿垂直衬底的方向向上传播，降低位错密度，逐步释放晶格失配导致的应力，从而获得无龟裂、高质量的紫外LED外延结构。此外，降低位错密度，还能够降低电子和空穴在位错处进行非辐射复合的几率，从而能够提高紫外LED的输出功率，进而提高发光效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1所示为现有技术中所提供的紫外发光二极管外延结构的一种结构示意图；
图2所示为本申请实施例所提供的紫外发光二极管外延结构的一种结构示意图；
图3所示为本申请实施例所提供的SiNx/AlaGa1-aN结构层的一种结构示意图；
图4所示为本申请实施例所提供的非晶SiNx插入层和AlaGa1-aN过渡层的一种结构示意图；
图5所示为本申请实施例所提供的AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层的一种结构示意图；
图6所示为本申请实施例所提供的紫外发光二极管外延结构制备方法的一种流程图；
图7所示为本申请实施例所提供的生长SiNx/AlaGa1-aN结构层的一种流程图；
图8所示为本申请实施例所提供的生长SiNx/AlaGa1-aN结构层的另一种流程图；
图9所示为本申请实施例所提供的生长AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层的一种流程图；
图10所示为本申请实施例所提供的非晶SiNx插入层的一种位错转向示意图；
图11所示为与图10相比非晶SiNx插入层厚度增加的位错转向示意图；
图12所示为与图10相比非晶SiNx插入层密度增加的位错转向示意图；
图13所示为不同的紫外LED的EL测量结果图。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
图1所示为现有技术中所提供的紫外发光二极管外延结构001的一种结构示意图，图1所示的紫外发光二极管外延结构包括依次设置的衬底01、低温AlN层02、高温AlN层03、N型AlGaN欧姆接触层04、AlGaN/AlGaN多量子阱有源层05、P型AlGaN电子阻挡层06和P型GaN欧姆接触层07。由于AlN、AlGaN与衬底的晶格不同，存在晶格失配及热失配的问题，导致外延层生长过程中的应力堆积，使翘曲增大，表面容易开裂，导致产出率较低。此外，由于Al原子的迁移率低，难以迁移到合适的晶格位置，导致AlN和AlGaN在生长过程中形成高密度的穿透位错，大量穿透位错沿垂直衬底的方向向上传播，使AlGaN出现缺陷并捕获电子及空穴，导致输出功率变差，而且会使电子和空穴在位错处进行非辐射复合，使发光频谱中出现杂波。
有鉴于此，本申请提供了一种紫外发光二极管外延结构及其制备方法，能够使位错转向，阻挡位错沿垂直衬底方向向上传播，有效降低位错密度并释放应力，提高了紫外LED外延结构的晶体质量从而提高紫外LED的输出功率和使用寿命。
以下结合附图和具体实施例进行详细说明。
图2所示为本申请实施例所提供的紫外发光二极管外延结构100的一种结构示意图，图3所示为本申请实施例所提供的SiNx/AlaGa1-aN结构层140的一种结构示意图，请参考图2和图3，本申请实施例所提供的紫外发光二极管外延结构100，包括：
衬底110；
第一AlN层120，第一AlN层120位于衬底110的一侧表面；
第二AlN层130，第二AlN层130位于第一AlN层120远离衬底110的一侧；
SiNx/AlaGa1-aN结构层140，SiNx/AlaGa1-aN结构层140位于第二AlN层130远离第一AlN层120的一侧；SiNx/AlaGa1-aN结构层140包括交替层叠的非晶SiNx插入层141和AlaGa1-aN过渡层142，交替周期大于等于2；
N型AlbGa1-bN欧姆接触层150，N型AlbGa1-bN欧姆接触层150位于SiNx/AlaGa1-aN结构层140远离第二AlN层130的一侧；
AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层160，AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层160位于N型AlbGa1-bN欧姆接触层150远离SiNx/AlaGa1-aN结构层140的一侧；
P型AlcGa1-cN电子阻挡层170，P型AlcGa1-cN电子阻挡层170位于AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层160远离N型AlbGa1-bN欧姆接触层150的一侧；
P型GaN欧姆接触层180，P型GaN欧姆接触层180位于P型AlcGa1-cN电子阻挡层170远离AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层160的一侧。
具体地，请参考图2，本申请实施例所提供的紫外发光二极管外延结构100，包括衬底110以及在衬底110上依次设置的第一AlN层120、第二AlN层130、SiNx/AlaGa1-aN结构层140、N型AlbGa1-bN欧姆接触层150、AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层160、P型AlcGa1-cN电子阻挡层170和P型GaN欧姆接触层180。示例性的，第一AlN层120是在温度为750℃、反应腔压力为40Torr的条件下生成，因此，第一AlN层120也可称为低温AlN层，第一AlN层120的厚度为30nm。第二AlN层130是在温度为1250℃、反应腔压力为40Torr的条件下生成，因此，第二AlN层130也可称为高温AlN层，第二AlN层130的厚度为2000nm。
N型AlbGa1-bN欧姆接触层150是在温度为1100℃、反应腔压力为50Torr的条件下生成，b的取值范围例如可以为0<b<1，其厚度可以为1800nm，其中掺杂有Si，且Si的浓度为1.5E+19cm-3。AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层160中u和t的取值范围为0<u<t<1，P型AlcGa1-cN电子阻挡层170中c的取值范围为0.5<c<1，P型AlcGa1-cN电子阻挡层170中的Al组分大于AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层160中的Al组分，通过P型AlcGa1-cN电子阻挡层170抑制电子泄漏，提高发光效率。
在外延层的生长过程中，由于相邻两层之间的晶格常数不同，会产生晶格失配现象，例如，当在衬底110上生长AlN时，由于两种物质的晶格常数不同，会在生长界面附近产生应力，并使得AlN内的位错密度很高，如果直接在AlN上生长AlGaN，则会在AlN和AlGaN之间形成高密度的穿透位错，进而产生晶体缺陷。
因此，本申请在第二AlN层130和N型AlbGa1-bN欧姆接触层150之间生长SiNx/AlaGa1-aN结构层140，其中，SiNx/AlaGa1-aN结构层140包括交替层叠的非晶SiNx插入层141和AlaGa1-aN过渡层142，交替周期大于等于2。请参考图3，示例性的，设置反应腔的温度为1150℃、反应腔压力为50Torr，向反应腔内通入SiH4、NH3和H2，在第二AlN层130上形成第一非晶SiNx插入层143，关闭SiH4，继续通入NH3、H2和TMAl、TMGa，在第一非晶SiNx插入层143上形成第一AlaGa1-aN过渡层144；在相同的反应腔条件下，依次生长第二非晶SiNx插入层145、第二AlaGa1-aN过渡层146以及第三非晶SiNx插入层147、第三AlaGa1-aN过渡层148。在第二AlN层130和N型AlbGa1-bN欧姆接触层150之间生长SiNx/AlaGa1-aN结构层140，通过非晶SiNx插入层141使部分位错发生转向，起到阻断位错的作用，降低位错密度，有利于提高外延结构的结晶质量。
需要说明的是图3所示仅仅是对SiNx/AlaGa1-aN结构层140的一种示意性说明，并不代表SiNx/AlaGa1-aN结构层140的实际结构，在其他实施例中，非晶SiNx插入层141和AlaGa1- aN过渡层142的交替周期还可以为其他值，例如可以为4、5、6、7等，本申请对此不做具体限定。此外，本申请对非晶SiNx插入层141和AlaGa1-aN过渡层142的生长顺序也不做限定，例如，在其他实施例中，形成第二AlN层130后，也可以先生长一层AlaGa1-aN过渡层142，然后生长一层非晶SiNx插入层141，以此类推，形成交替堆叠的AlaGa1-aN过渡层142和非晶SiNx插入层141。
此外，本申请对衬底110的材料没有具体限定，衬底110的材料例如可以为蓝宝石、氮化铝等。上述实施例中对温度、反应腔压力和厚度的取值，仅仅是在本实施例中的一种实施方式，并不作为对本申请的限制，实际上，温度、厚度等均可以是某一范围内的值。而且图2和图3中各个膜层的厚度也仅是示意性说明，并不代表各个膜层的实际厚度。
本申请实施例所提供的紫外发光二极管外延结构100，在第二AlN层130和N型AlbGa1-bN欧姆接触层150之间生长SiNx/AlaGa1-aN结构层140，通过非晶SiNx插入层141使部分位错发生转向，避免位错沿垂直衬底110的方向向上传播，降低位错密度，逐步释放晶格失配导致的应力，从而获得无龟裂、高质量的紫外LED外延结构。此外，降低位错密度，还能够降低电子和空穴在位错处进行非辐射复合的几率，从而能够提高紫外LED的输出功率，进而提高发光效率。
可选地，请参考图2和图3，沿衬底110指向SiNx/AlaGa1-aN结构层140的方向上，各AlaGa1-aN过渡层142中的Al组分随着周期增加而逐渐减少；其中，0.5<a≤1。具体地，请参考图2和图3，本实施例中设置AlaGa1-aN过渡层142中，a的取值范围为0.5<a≤1，也就是说，该AlaGa1-aN过度层既不是单纯的AlN或者GaN，而是AlGaN化合物。此外，本实施例中还设置沿衬底110指向SiNx/AlaGa1-aN结构层140的方向上，如图3中第一方向，各AlaGa1-aN过渡层142中的Al组分逐渐减少，例如，在图3中，第一AlaGa1-aN过渡层144中的Al组分大于第二AlaGa1- aN过渡层146中的Al组分，第二AlaGa1-aN过渡层146中的Al组分大于第三AlaGa1-aN过渡层148中的Al组分。
示例性的，第一AlaGa1-aN过渡层144中的Al组分可以为90％，第二AlaGa1-aN过渡层146中的Al组分可以为75％，第三AlaGa1-aN过渡层148中的Al组分可以为60％。通过使SiNx/AlaGa1-aN结构层140中各AlaGa1-aN过渡层142中的Al组分逐渐减小，可以对第二AlN和N型AlbGa1-bN欧姆接触层150起到过渡作用，从而能够逐步释放晶格失配导致的应力，改善AlbGa1-bN欧姆接触层的生长质量，进而改善紫外LED外延结构的晶体质量。
需要说明的是，上述实施例中对各个AlaGa1-aN过渡层142中Al组分的取值，仅仅是在本实施例中的一种实施方式，并不作为对本申请的限制，在其他实施例中，也可以取其他值。而且当AlaGa1-aN过渡层142和非晶SiNx插入层141的堆叠周期为其他值例如6、8、9等时，依然需要满足沿衬底110指向SiNx/AlaGa1-aN结构层140的方向上，各AlaGa1-aN过渡层142中的Al组分逐渐减少，但需要注意的是，AlaGa1-aN过渡层142中Al组分需要大于AlbGa1-bN欧姆接触层中的Al组分，能够改善AlbGa1-bN欧姆接触层的生长质量。
可选地，图4所示为本申请实施例所提供的非晶SiNx插入层141和AlaGa1-aN过渡层142的一种结构示意图，请参考图4，非晶SiNx插入层141的厚度为h1，0nm<h1<10nm。具体地，请参考图4，虽然非晶SiNx插入层141可以使得位错转向，但如果非晶SiNx插入层141过厚，会对后续生长AlaGa1-aN过渡层142造成生长质量变差的不良影响，因此，本实施例中设置非晶SiNx插入层141的厚度取值范围为0nm-10nm，形成非连续的非晶SiNx插入层141，通过该非连续的非晶SiNx插入层141，使AlN层内的部分位错发生转向，阻断向垂直衬底110的方向向上传播的位错，从而能够降低位错密度，提高外延结构的结晶质量。同时又能避免非晶SiNx插入层141造成AlaGa1-aN过渡层142生长不良的问题。
其中，各个非晶SiNx插入层141的厚度可以为相同，也可以为不同，例如，当非晶SiNx插入层141和AlaGa1-aN过渡层142的生长周期为图3所示的3个周期时，第一非晶SiNx插入层143、第二非晶SiNx插入层145、第三非晶SiNx插入层147的厚度都可以设置为1nm、2nm、3nm、5nm等等，本申请对此不进行具体限定。
需要说明的是，图4中非晶SiNx插入层141的形状只是一种示意性说明，并不作为对本申请的限定，在其他实施例中，非晶SiNx插入层141还可以设置为其它形状，例如半圆形、椭圆形等等。
可选地，请参考图4，AlaGa1-aN过渡层142的厚度为h2，0nm<h2≤2000nm。优选地，沿衬底指向SiNx/AlaGa1-aN结构层的方向上，各AlaGa1-aN过渡层的厚度为恒定值或渐增或渐减。
具体地，请参考图4，本实施例中设置AlaGa1-aN过渡层142的厚度取值范围为0nm-2000nm，其中，各个AlaGa1-aN过渡层142的厚度可以相等，或者，各个AlaGa1-aN过渡层142的厚度沿衬底指向SiNx/AlaGa1-aN结构层的方向上逐渐增大或逐渐减小，例如，当非晶SiNx插入层141和AlaGa1-aN过渡层142的生长周期为图3所示的3个周期时，可以设置第一AlaGa1-aN过渡层144的厚度为500nm，第二AlaGa1-aN过渡层146的厚度为800nm，第三AlaGa1-aN过渡层148的厚度为1000nm；或者，设置第一AlaGa1-aN过渡层144的厚度为1800nm，第二AlaGa1-aN过渡层146的厚度为1200nm，第三AlaGa1-aN过渡层148的厚度为700nm；或者也可以设置三个AlaGa1- aN过渡层142的厚度相等，例如，第一AlaGa1-aN过渡层144、第二AlaGa1-aN过渡层146、第三AlaGa1-aN过渡层148的厚度均设置为800nm或者900nm或者1400nm等等，本申请对此不做具体限定。
通过设置AlaGa1-aN过渡层142为合适的厚度范围，能够避免AlaGa1-aN过渡层142厚度过厚，造成应力变大以及SiNx/AlaGa1-aN结构层140厚度过厚的问题，从而有利于调控应变并改善表面裂纹。
可选地，请参考图3，沿衬底指向SiNx/AlaGa1-aN结构层的方向上，同一AlaGa1-aN过渡层中的Al组分恒定或渐增或渐减。具体地，请参考图3，本实施例中设置同一AlaGa1-aN过渡层142中的Al组分为恒定值，如图3中的第一AlaGa1-aN过渡层144中的Al组分为90％。或者沿衬底110指向SiNx/AlaGa1-aN结构层140的方向上，如图3中第一方向，同一AlaGa1-aN过渡层142中的Al组分可调，如逐渐增大或者逐渐减小，通过设置每层AlaGa1-aN过渡层142中的Al组分的变化趋势，能够进一步调控AlaGa1-aN过渡层142的应力。
可选地，图5所示为本申请实施例所提供的AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层160的一种结构示意图，请参考图5，AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层160包括交替层叠的AluGa1-uN量子阱层161和AltGa1-tN量子垒层162，交替周期为1-20个；其中，0<u<t≤1。
具体地，请参考图5，AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层160中包括多层交替层叠的AluGa1-uN量子阱层161和掺Si的AltGa1-tN量子垒层162，交替周期可以为1-20，且每一个周期的厚度范围可以为3nm-30nm。示例性的，AluGa1-uN量子阱层161的厚度可以为2nm，且AluGa1-uN量子阱层161中Al的组分可以为45％；AltGa1-tN量子垒层162的厚度可以为12nm，AltGa1-tN量子垒层162中Al的组分可以为60％。通过交替生长多周期的AluGa1-uN量子阱层161和掺Si的AltGa1-tN量子垒层162，能够减少电子向P型AlcGa1-cN电子阻挡层170泄漏，将更多的载流子限制在有源区，从而使更多的载流子在多量子阱有源区复合发光，有利于提高发光效率。
需要说明的是，图5中AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层160仅仅是一种示意性说明，并不代表AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层160的实际结构，在其他实施例中，AluGa1- uN/AltGa1-tN多量子阱有源层160中量子阱层和量子垒层的交替周期可以为3个周期、5个周期、6个周期、8个周期等等，本申请对此不作限定。而且上述实施例中对厚度、Al组分等的取值，仅仅是在本实施例中的一种实施方式，并不作为对本申请的限制。
可选地，请参考图5，AluGa1-uN量子阱层161中Al的组分小于AltGa1-tN量子垒层162中Al的组分。具体地，请参考图5，AluGa1-uN量子阱层161为主要的电子与空穴复合发光区，本实施例中设置主要的电子与空穴复合发光区AluGa1-uN量子阱层161中Al的组分小于AltGa1-tN量子垒层162中Al的组分，使得AltGa1-tN量子垒层162的能隙比较大，能够抑制AluGa1-uN量子阱层161发光区中的电子及空穴泄漏，使更多的电子和空穴在多量子阱有源区复合发光，从而能够提高发光效率。
请参考图2和图5，在紫外LED的工作过程中，N型AlbGa1-bN欧姆接触层150提供电子，P型AlcGa1-cN电子阻挡层170提供空穴，电子和空穴分别向AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层160输运，电子和空穴在AluGa1-uN量子阱层161进行辐射复合发光。
为了能够使更多的载流子在有源区复合，本实施例中设置N型AlbGa1-bN欧姆接触层150中Al组分大于AluGa1-uN量子阱层161中的Al组分，以防止吸光。常见的N型AlbGa1-bN欧姆接触层150中Al组分通常大于AltGa1-tN量子垒层162中的Al组分。进一步的，还可以设置AltGa1-tN量子垒层162中的Al组分小于P型AlcGa1-cN电子阻挡层170中的Al组分，通过P型AlcGa1-cN电子阻挡层170进一步阻挡电子泄漏，使更多的载流子在多量子阱有源区复合发光，有利于进一步提高发光效率。
基于同一发明构思，本申请还提供一种紫外发光二极管外延结构100制备方法，图6所示为本申请实施例所提供的紫外发光二极管外延结构100制备方法的一种流程图，图7所示为本申请实施例所提供的生长SiNx/AlaGa1-aN结构层140的一种流程图，请参考图2、图3、图6和图7，本申请实施例所提供的紫外发光二极管外延结构100利用金属有机化学气相沉积法形成，包括：
步骤10：提供衬底110，将衬底110放入反应腔内；
步骤20：向反应腔内通入TMAl、NH3和H2，在衬底110上形成第一AlN层120；
步骤30：向反应腔内通入TMAl、NH3和H2，在第一AlN层120远离衬底110的一侧形成第二AlN层130；
步骤40：在第二AlN层130远离第一AlN层120的一侧生长SiNx/AlaGa1-aN结构层140，具体为：步骤41向反应腔内通入SiH4、NH3和H2，形成非晶SiNx插入层141；步骤42：向反应腔内通入TMAl、TMGa、H2和NH3，形成AlaGa1-aN过渡层142；交替生长SiNx插入层和AlaGa1-aN过渡层142，交替周期大于等于2；
步骤50：向反应腔内通入TMAl、TMGa、SiH4、H2和NH3，在SiNx/AlaGa1-aN结构层140远离第二AlN层130的一侧形成N型AlbGa1-bN欧姆接触层150；其中，SiH4为N型掺杂剂，Si的掺杂浓度为1.5E+19cm-3；
步骤60：在N型AlbGa1-bN欧姆接触层150远离SiNx/AlaGa1-aN结构层140的一侧生长AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层160；
步骤70：向反应腔内通入Cp2Mg、TMAl、TMGa、H2和NH3，在AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层160远离N型AlbGa1-bN欧姆接触层150的一侧形成P型AlcGa1-cN电子阻挡层170；
步骤80：向反应腔内通入Cp2Mg、TMGa、H2和NH3，在P型AlcGa1-cN电子阻挡层170远离AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层160的一侧形成P型GaN欧姆接触层180，其中，Mg的掺杂浓度为5E+19cm-3。
具体地，请参考图2和图6，本申请实施例所提供的紫外发光二极管外延结构100制备方法，首先通过步骤10提供衬底110，在步骤20中设置反应腔的温度大约为750℃、反应腔压力大约为40Torr，并通入TMAl、NH3和H2，在衬底110上形成厚度大约为30nm的第一AlN层120。形成第一AlN层120之后，在步骤30中将反应腔的温度上升至大约1250℃，并在反应腔压力大约为40Torr的条件下通入TMAl、NH3和H2，在第一AlN层120远离衬底110的一侧形成厚度大约为200nm的第二AlN层130。
请参考图2、图3、图6和图7，生成第二AlN层130之后，通过步骤40在第二AlN层130远离第一AlN层120的一侧生长SiNx/AlaGa1-aN结构层140，生长SiNx/AlaGa1-aN结构层140时，通过步骤41，设置反应腔的温度大约为1150℃、反应腔压力大约为50Torr，向反应腔内通入SiH4、NH3和H2，生长非晶SiNx插入层141；然后通过步骤42在与步骤41相同的生长条件下，向反应腔内通入NH3、H2和TMAl、TMGa，在非晶SiNx插入层141上形成AlaGa1-aN过渡层142，多次交替生长形成堆叠的多层非晶SiNx插入层141和AlaGa1-aN过渡层142。通过在第二AlN层130上生长SiNx/AlaGa1-aN结构层140，通过非晶SiNx插入层141使第二AlN层130内的部分位错发生转向，起到阻断位错的作用，阻止位错继续向上延伸，能够降低位错密度，有利于提高外延结构的结晶质量。
需要说明的是，图7所示生长SiNx/AlaGa1-aN结构层140的流程仅是一种示意性说明，并不作为对本申请的限定，在实际制作时，对上述步骤41和步骤42的先后顺序不做限定，也可以先进行步骤42，然后在进行步骤41，如图8所示，图8所示为本申请实施例所提供的生长SiNx/AlaGa1-aN结构层140的另一种流程图。而且图7和图8中非晶SiNx插入层141和AlaGa1-aN过渡层142的交替周期也仅是示意性说明，并不作为对非晶SiNx插入层141和AlaGa1-aN过渡层142的交替周期的限定。
本申请实施例所提供的紫外发光二极管外延结构100制备方法，在第二AlN层130和N型AlbGa1-bN欧姆接触层150之间生长SiNx/AlaGa1-aN结构层140，通过非晶SiNx插入层141使部分位错发生转向，避免位错沿垂直衬底110的方向向上传播，降低位错密度，逐步释放晶格失配导致的应力，从而获得无龟裂、高质量的紫外LED外延结构。此外，降低位错密度，还能够降低电子和空穴在位错处进行非辐射复合的几率，从而能够提高紫外LED的输出功率，进而提高发光效率。
可选地，图9所示为本申请实施例所提供的生长AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层160的一种流程图，请参考图9，在N型AlbGa1-bN欧姆接触层150远离SiNx/AlaGa1-aN结构层140的一侧生长AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层160，具体为：步骤61：向反应腔内通入TMAl、TMGa、NH3和H2，形成AluGa1-uN量子阱层161；步骤62：向反应腔内通入TMAl、TMGa、SiH4、NH3和H2，形成掺Si的AltGa1-tN量子垒层162；交替堆叠AluGa1-uN量子阱层161和AltGa1-tN量子垒层162，交替周期为1-20个。
具体地，请参考图9，上述步骤60中，生长AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层160时，通过步骤61，设置反应腔的温度为1000℃，并在反应腔压力大约为50Torr的条件下，向反应腔内通入TMAl、TMGa、NH3和H2，形成厚度大约为2nm的AluGa1-uN量子阱层161，且AluGa1- uN量子阱层161中Al的组分大约为45％；然后通过步骤62，在与步骤61相同的生长条件下，向反应腔内通入TMAl、TMGa、SiH4、NH3和H2，形成厚度大约为12nm掺Si的AltGa1-tN量子垒层162，AltGa1-tN量子垒层162中Al的组分大约为60％。通过交替生长多周期的AluGa1-uN量子阱层161和掺Si的AltGa1-tN量子垒层162，能够减少电子向P型AlcGa1-cN电子阻挡层170泄漏，将更多的载流子禁锢在有源区，从而使更多的载流子在多量子阱有源区复合发光，有利于提高发光效率。
可选地，请参考图3，生长不同AlaGa1-aN过渡层时，向反应腔内通入的TMAl/(TMAl+TMGa)摩尔流量比Y不同，且沿衬底指向SiNx/AlaGa1-aN结构层的方向上，Y随着周期增加而逐渐减小。
具体地，请参考图3，生长AlaGa1-aN过渡层142时，对于不同的AlaGa1-aN过渡层142，向反应腔内内通入的TMAl/(TMAl+TMGa)摩尔流量比Y不同，且沿图3中第一方向上，Y随着周期增加而逐渐减小，例如，在图3中，生长第一AlaGa1-aN过渡层144时通入的TMAl/(TMAl+TMGa)摩尔流量比为Y1，生长第二AlaGa1-aN过渡层146时通入的TMAl/(TMAl+TMGa)摩尔流量比为Y2，生长第三AlaGa1-aN过渡层148时通入的TMAl/(TMAl+TMGa)摩尔流量比为Y3，其中，Y1>Y2>Y3。
本实施例中通过改变通入的TMAl/(TMAl+TMGa)摩尔流量比Y，从而改变各个AlaGa1-aN过渡层142中的Al组分，使SiNx/AlaGa1-aN结构层140中各AlaGa1-aN过渡层142中的Al组分逐渐减小，可以对第二AlN和N型AlbGa1-bN欧姆接触层150起到过渡作用，从而能够逐步释放晶格失配导致的应力，改善AlbGa1-bN欧姆接触层的生长质量，进而改善紫外LED外延结构的晶体质量。
可选地，请参考图3，生长同一AlaGa1-aN过渡层时，向反应腔内通入的TMAl/(TMAl+TMGa)摩尔流量比Y可为恒定或渐增或渐减。
具体地，请参考图3，生长AlaGa1-aN过渡层时，通过控制通入反应腔内的TMAl/(TMAl+TMGa)摩尔流量比Y，来调控同一AlaGa1-aN过渡层142中的Al组分。例如，当摩尔流量比Y为恒定值时，生成的AlaGa1-aN过渡层142中的Al组分为恒定值，如图3中的第一AlaGa1-aN过渡层144中的Al组分为90％。当摩尔流量比Y逐渐增大时，沿图3中第一方向上，同一AlaGa1-aN过渡层142中的Al组分逐渐增大。当摩尔流量比Y逐渐减小时，沿图3中第一方向上，同一AlaGa1-aN过渡层142中的Al组分逐渐减小。通过改变摩尔流量Y值，来调节每层AlaGa1-aN过渡层142中的Al组分的变化趋势，能够进一步调控AlaGa1-aN过渡层142的应力。
可选地，请参考图3，沿衬底指向SiNx/AlaGa1-aN结构层的方向上，生长不同Ala1Ga1-a1N过渡层时，向反应腔内通入TMAl、TMGa、H2和NH3的时间T可为恒定值或渐增或渐减。具体地，请参考图3，生长各个AlaGa1-aN过渡层时，通过控制向反应腔内通入气体的时间T，来调控各AlaGa1-aN过渡层142的厚度为恒定或逐渐增大或逐渐减小。
例如，如果生长每层AlaGa1-aN过渡层142时，通入MO源和气体的时间为恒定值，则生成的各个AlaGa1-aN过渡层142的厚度为恒定值，如图3中第一AlaGa1-aN过渡层144、第二AlaGa1-aN过渡层146、第三AlaGa1-aN过渡层148的厚度均相等。
如果生长每层AlaGa1-aN过渡层142时，通入MO源和气体的时间沿图3中第一方向上逐渐增大，则生成的各个AlaGa1-aN过渡层142的厚度沿图3中第一方向上逐渐增大，如图3中各膜层的厚度例如可以为，第一AlaGa1-aN过渡层144的厚度为500nm，第二AlaGa1-aN过渡层146的厚度为800nm，第三AlaGa1-aN过渡层148的厚度为1000nm等等。
如果生长每层AlaGa1-aN过渡层142时，通入MO源和气体的时间沿图3中第一方向上逐渐减小，则生成的各个AlaGa1-aN过渡层142的厚度沿图3中第一方向上逐渐减小，如图3中各膜层的厚度例如可以为，第一AlaGa1-aN过渡层144的厚度为1700nm，第二AlaGa1-aN过渡层146的厚度为1300nm，第三AlaGa1-aN过渡层148的厚度为900nm等等。
上述对各个AlaGa1-aN过渡层142厚度的取值，仅是一种示意性说明，并不作为对本申请的限制，在其他实施例中，各个AlaGa1-aN过渡层142的厚度还可以取为其他值，如：300nm、400nm、450nm、1100nm等等。通过设置通入气体的时间，来调节AlaGa1-aN过渡层142为合适的厚度范围，能够避免AlaGa1-aN过渡层142厚度过厚，造成应力变大以及SiNx/AlaGa1-aN结构层140厚度过厚的问题，从而有利于调控应变并改善表面裂纹。
以下结合具体数据进行测试说明：
图10所示为本申请实施例所提供的非晶SiNx插入层141的一种位错转向示意图，图11所示为与图10相比非晶SiNx插入层141厚度增加的位错转向示意图，图12所示为与图10相比非晶SiNx插入层141密度增加的位错转向示意图，图13所示为不同的紫外LED的EL测量结果图，请参考图10-图13。
图10-图12所示实施例中，在衬底110上依次生长第一AlN层120、第二AlN层130、SiNx/AlaGa1-aN结构层140、N型AlbGa1-bN欧姆接触层150、AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层160、P型AlcGa1-cN电子阻挡层170和P型GaN欧姆接触层180。
图10所示实施例形成的紫外LED101中，SiNx/AlaGa1-aN结构层140中非晶SiNx插入层141和AlaGa1-aN过渡层142交替生长3个周期，形成有第一非晶SiNx插入层143、第一AlaGa1-aN过渡层144、第二非晶SiNx插入层145、第二AlaGa1-aN过渡层146、第三非晶SiNx插入层147和第三AlaGa1-aN过渡层148，其中各层非晶SiNx插入层141的厚度均为2nm，参考图10，AlN层中的部分位错发生转向，阻断了位错向上延伸。
图11所示实施例与图10所示实施例的不同之处仅在于，图11所示实施例形成的紫外LED102中，第一非晶SiNx插入层143的厚度为4nm，第二非晶SiNx插入层145的厚度为3nm，第三非晶SiNx插入层147的厚度为2nm。图12所示实施例与图10所示实施例的不同之处仅在于，图12所示实施例形成的紫外LED103，在生长过程中改变气流条件，使非晶SiNx插入层141得密度增大。结合图13所示的EL测试结果图，在AlN层和N型AlbGa1-bN欧姆接触层150之间加入SiNx/AlaGa1-aN结构层140后，紫外LED的EL强度有明显提升，进一步的，增加非晶SiNx插入层141的厚度或密度，能够进一步提升EL强度，进而能够提升紫外LED的发光效率。
通过以上各实施例可知，本申请存在的有益效果是：
本申请所提供的紫外发光二极管外延结构及其制备方法，在第二AlN层和N型AlbGa1-bN欧姆接触层之间生长SiNx/AlaGa1-aN结构层，通过非晶SiNx插入层使部分位错发生转向，避免位错沿垂直衬底的方向向上传播，降低位错密度，逐步释放晶格失配导致的应力，从而获得无龟裂、高质量的紫外LED外延结构。此外，降低位错密度，还能够降低电子和空穴在位错处进行非辐射复合的几率，从而能够提高紫外LED的输出功率，进而提高发光效率。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种紫外发光二极管外延结构，其特征在于，包括：
衬底；
第一AlN层，所述第一AlN层位于所述衬底的一侧表面；
第二AlN层，所述第二AlN层位于所述第一AlN层远离所述衬底的一侧；
SiNx/AlaGa1-aN结构层，所述SiNx/AlaGa1-aN结构层位于所述第二AlN层远离所述第一AlN层的一侧；所述SiNx/AlaGa1-aN结构层包括交替层叠的非晶SiNx插入层和AlaGa1-aN过渡层，交替周期大于等于2；
N型AlbGa1-bN欧姆接触层，所述N型AlbGa1-bN欧姆接触层位于所述SiNx/AlaGa1-aN结构层远离所述第二AlN层的一侧；
AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层，所述AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层位于所述N型AlbGa1-bN欧姆接触层远离所述SiNx/AlaGa1-aN结构层的一侧；
P型AlcGa1-cN电子阻挡层，所述P型AlcGa1-cN电子阻挡层位于所述AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层远离所述N型AlbGa1-bN欧姆接触层的一侧；
P型GaN欧姆接触层，所述P型GaN欧姆接触层位于所述P型AlcGa1-cN电子阻挡层远离所述AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层的一侧。
2.根据权利要求1所述的紫外发光二极管外延结构，其特征在于，
沿所述衬底指向所述SiNx/AlaGa1-aN结构层的方向上，各所述AlaGa1-aN过渡层中的Al组分随着周期增加而逐渐减少；其中，0.5<a≤1。
3.根据权利要求1所述的紫外发光二极管外延结构，其特征在于，
所述非晶SiNx插入层的厚度为h1，0nm<h1<10nm。
4.根据权利要求1所述的紫外发光二极管外延结构，其特征在于，
所述AlaGa1-aN过渡层的厚度为h2，0nm<h2≤2000nm。
5.根据权利要求1所述的紫外发光二极管外延结构，其特征在于，
沿所述衬底指向所述SiNx/AlaGa1-aN结构层的方向上，同一所述AlaGa1-aN过渡层中的Al组分恒定或渐增或渐减。
6.根据权利要求1所述的紫外发光二极管外延结构，其特征在于，
沿所述衬底指向所述SiNx/AlaGa1-aN结构层的方向上，各所述AlaGa1-aN过渡层的厚度为恒定值或渐增或渐减。
7.一种紫外发光二极管外延结构制备方法，其特征在于，利用金属有机化学气相沉积法形成，包括：
提供衬底，将所述衬底放入反应腔内；
向所述反应腔内通入TMAl、NH3和H2，在所述衬底上形成第一AlN层；
向所述反应腔内通入TMAl、NH3和H2，在所述第一AlN层远离所述衬底的一侧形成第二AlN层；
在所述第二AlN层远离所述第一AlN层的一侧生长SiNx/AlaGa1-aN结构层，具体为：向所述反应腔内通入SiH4、NH3和H2，形成非晶SiNx插入层；向所述反应腔内通入TMAl/(TMAl+TMGa)摩尔流量比为Y的TMAl、TMGa、H2和NH3，形成AlaGa1-aN过渡层；交替生长所述SiNx插入层和所述AlaGa1-aN过渡层，交替周期大于等于2；
向所述反应腔内通入TMAl、TMGa、SiH4、H2和NH3，在所述SiNx/AlaGa1-aN结构层远离所述第二AlN层的一侧形成N型AlbGa1-bN欧姆接触层；其中，SiH4为N型掺杂剂，Si的掺杂浓度为1.5E+19cm-3；
在所述N型AlbGa1-bN欧姆接触层远离所述SiNx/AlaGa1-aN结构层的一侧生长AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层；
向所述反应腔内通入Cp2Mg、TMAl、TMGa、H2和NH3，在所述AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层远离所述N型AlbGa1-bN欧姆接触层的一侧形成P型AlcGa1-cN电子阻挡层；
向所述反应腔内通入Cp2Mg、TMGa、H2和NH3，在所述P型AlcGa1-cN电子阻挡层远离所述AluGa1-uN/AltGa1-tN多量子阱有源层的一侧形成P型GaN欧姆接触层，其中，Mg的掺杂浓度为5E+19cm-3。
8.根据权利要求7所述的紫外发光二极管外延结构制备方法，其特征在于，生长不同所述AlaGa1-aN过渡层时，向反应腔内通入的TMAl/(TMAl+TMGa)摩尔流量比Y不同，且沿所述衬底指向所述SiNx/AlaGa1-aN结构层的方向上，Y随着周期增加而逐渐减小。
9.根据权利要求7所述的紫外发光二极管外延结构制备方法，其特征在于，生长同一所述AlaGa1-aN过渡层时，向反应腔内通入的TMAl/(TMAl+TMGa)摩尔流量比Y可为恒定或渐增或渐减。
10.根据权利要求7所述的紫外发光二极管外延结构制备方法，其特征在于，沿所述衬底指向所述SiNx/AlaGa1-aN结构层的方向上，生长不同所述Ala1Ga1-a1N过渡层时，向所述反应腔内通入TMAl、TMGa、H2和NH3的时间T可为恒定值或渐增或渐减。
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