CN112242464B - 一种具有空穴蓄积结构的深紫外led及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有空穴蓄积结构的深紫外LED及其制备方法，所述具有空穴蓄积结构的深紫外LED由下至上依次设置有蓝宝石衬底、AlN本征层、n型AlGaN电子注入层、电流扩展层、量子阱有源层、空穴蓄积层、电子阻挡层、p型AlGaN空穴注入层和p型GaN接触层；所述空穴蓄积层为Mg掺杂的单层AlGaN结构，生长温度为600～1000℃。本发明通过在量子阱有源层与电子阻挡层之间增加单层结构的空穴蓄积层，在提高电子阻挡层等效势垒高度的同时，提高注入到量子阱有源区中的空穴浓度，最终提高深紫外LED器件的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电领域，特别是一种具有空穴蓄积结构的深紫外LED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(light-emitting diodes，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(UVA，320nm～400nm)、中波紫外(UVB，280nm～320nm)、短波紫外(UVC，200nm～280nm)以及真空紫外(VUV，10nm～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。
AlxGa1-xN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365nm到200nm光谱范围内的发光。GaN的带边发光波长通常作为氮化物紫外发光二极管(全称Ultraviolet light-emitting diodes，简称UV-LED)发光波段的一个划分标志。发光波长大于360nm的UV LED的有源区采用和蓝光LED类似的GaN/InGaN量子阱(简称QWs)结构。其相关研究早在上世纪90年代就已开始，目前已成功商业化，外量子效率(简称EQE)也已超过40％，达到了与蓝光LED相比拟的水平。相比之下，发光波长小于360nm的UV-LED则主要采用AlGaN量子阱结构作为有源区，其量子效率远没有这么令人满意。
导致高Al组分AlGaN基深紫外LED效率偏低的一个主要原因是存在明显的电子溢流效应，来源于电子注入层的电子越过电子阻挡层至p型空穴注入层造成了p型空穴注入层发光，从而降低了内量子效率；另一方面，由于电子阻挡层的阻拦作用，导致空穴很难输运到量子阱有源区之中，由于现有技术中存在着这两方面的制约，使得内量子效率难以提高，进而器件的发光效率也难以有所提高。故需要提出一种新的深紫外LED结构用于解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供了一种具有空穴蓄积结构的深紫外LED及其制备方法，用于解决现有技术中电子溢流效应和电子阻挡层的阻拦作用使深紫外LED发光效率偏低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供第一解决方案为：一种具有空穴蓄积结构的深紫外LED，具有空穴蓄积结构的深紫外LED由下至上依次设置有蓝宝石衬底、AlN本征层、n型AlGaN电子注入层、电流扩展层、量子阱有源层、空穴蓄积层、电子阻挡层、p型AlGaN空穴注入层和p型GaN接触层；空穴蓄积层为Mg掺杂的单层AlGaN结构，生长温度为600～1000℃。
其中，当量子阱有源层中势阱的Al组分百分数为x，厚度为t1时；空穴蓄积层的Al组分百分数为y，厚度为t2，并满足y＝x，t2＝t1·(3～10)。
其中，当量子阱有源层中势阱的Al组分百分数为a，势垒的Al组分百分数为b，厚度为t3时；空穴蓄积层的Al组分百分数为c，厚度为t4，并满足a<c<b，t4＝t3·(2～8)。
其中，空穴蓄积层的生长过程中，掺杂Mg源为二茂镁。
其中，具有空穴蓄积结构的深紫外LED还包括n电极和p电极；n型AlGaN电子注入层与电流扩展层之间形成台阶状结构，且n型AlGaN电子注入层的面积大于电流扩展层的面积，p电极设置于p型GaN接触层上，n电极设置于n型AlGaN电子注入层台阶结构处。
为解决上述技术问题，本发明提供第二解决方案为：一种具有空穴蓄积结构的深紫外LED的制备方法，该制备方法用于制备前述第一解决方案中的具有空穴蓄积结构的深紫外LED，其步骤包括：在400～800℃条件下，于蓝宝石衬底上生长AlN本征层中的低温缓冲层，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电子注入层，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电子注入层上依次生长电流扩展层和量子阱有源层，n型AlGaN层与电流扩展层之间形成台阶状结构，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600℃～1000℃，于量子阱有源层上生长空穴蓄积层，且空穴蓄积层为Mg掺杂的单层AlGaN结构；升温至700℃～1100℃，于空穴蓄积层上生长电子阻挡层，其中Al组分百分数为30～100％，厚度为5～50nm；在700～1100℃条件下，于电子阻挡层上生长p型AlGaN空穴注入层，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空穴注入层上生长p型GaN接触层，厚度为1～100nm，并采用Mg作为p型掺杂剂；于p型GaN接触层上设置p电极，于n型AlGaN电子注入层台阶结构处设置n电极。
其中，于量子阱有源层上生长空穴蓄积层的步骤中满足：当量子阱有源层中势阱的Al组分百分数为x，厚度为t1时；空穴蓄积层的Al组分百分数为y，厚度为t2，且y＝x，t2＝t1·(3～10)。
其中，于量子阱有源层上生长空穴蓄积层的步骤中满足：当量子阱有源层中势阱的Al组分百分数为a，势垒的Al组分百分数为b，厚度为t3时；空穴蓄积层的Al组分百分数为c，厚度为t4，并满足a<c<b，t4＝t3·(2～8)。
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空穴蓄积结构的深紫外LED及其制备方法，通过在量子阱有源层与电子阻挡层之间增加单层结构的空穴蓄积层，在提高电子阻挡层等效势垒高度的同时，提高注入到量子阱有源区中的空穴浓度，最终提高深紫外LED器件的发光效率。
附图说明
图1是本发明中具有空穴蓄积结构的深紫外LED一实施方式的结构示意图；
图2是本发明中具有空穴蓄积结构的深紫外LED的制备方法一实施方式的工艺流程图；
图3是本发明实施例1与对比例1中深紫外LED的结构对比图：a为对比例1中深紫外LED的结构示意图，b为实施例1中深紫外LED的结构示意图；
图4是本发明实施例1与对比例1中深紫外LED的能带对比图：a为对比例1中深紫外LED的能带图，b为实施例1中深紫外LED的能带图；
图5是本发明实施例1与对比例1中深紫外LED的出光功率对比图：a为对比例1中深紫外LED的出光功率图，b为实施例1中深紫外LED的出光功率图；
图中：蓝宝石衬底1，AlN本征层2，n型AlGaN电子注入层3，电流扩展层4，量子阱有源层5，空穴蓄积层6，电子阻挡层7，p型AlGaN电子注入层8，p型GaN接触层9，n电极10，p电极11。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，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。
对于本发明提供第一解决方案，请参阅图1，图1是本发明中具有空穴蓄积结构的深紫外LED一实施方式的结构示意图。本发明中具有空穴蓄积结构的深紫外LED由下至上依次设置有蓝宝石衬底1、AlN本征层2、n型AlGaN电子注入层3、电流扩展层4、量子阱有源层5、空穴蓄积层6、电子阻挡层7、p型AlGaN空穴注入层8和p型GaN接触层9；空穴蓄积层6为Mg掺杂的单层AlGaN结构，生长温度为600～1000℃，掺杂Mg源优选为二茂镁。此外，该具有空穴蓄积结构的深紫外LED还包括n电极10和p电极11；n型AlGaN电子注入层3与电流扩展层4之间形成台阶状结构，且n型AlGaN电子注入层3的面积大于电流扩展层4的面积，p电极11设置于p型GaN接触层9上，n电极10设置于n型AlGaN电子注入层3台阶结构处。
本实施方式中，对于空穴蓄积层6的具体生长参数需要基于量子阱有源层5的工艺参数进行设置，下面列举了两种具体地设置方式：
1)当量子阱有源层中势阱的Al组分百分数为x，厚度为t1时；空穴蓄积层的Al组分百分数为y，厚度为t2，并满足y＝x，t2＝t1·(3～10)。
2)当量子阱有源层中势阱的Al组分百分数为a，势垒的Al组分百分数为b，厚度为t3时；空穴蓄积层的Al组分百分数为c，厚度为t4，并满足a<c<b，t4＝t3·(2～8)。
需要指出的是，由于量子阱有源层与空穴蓄积层之间具有紧密的影响关系，则沉积生长的空穴蓄积层需要同量子阱有源层适应性配合，才能表现出较好的产品出光效果，具体的机理和效果在下文实施例中进行论述；当然上述仅仅是列举的两个关联情况，在其他实施方式中，还可以根据实际产品需求，对空穴蓄积层的生长进行适应性的参数制定，在此不做一一列举。
对于本发明提供第二解决方案，请参阅图2，图2是本发明中具有空穴蓄积结构的深紫外LED的制备方法一实施方式的工艺流程图。本发明中具有空穴蓄积结构的深紫外LED的制备方法，该制备方法用于制备前述第一解决方案中的具有空穴蓄积结构的深紫外LED，其步骤包括：
S1、在400～800℃条件下，于蓝宝石衬底上生长AlN本征层中的低温缓冲层，厚度为10～50nm。
S2、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、降温至800～1200℃，于AlN本征层上生长n型AlGaN电子注入层，其中Al组分百分数为20～90％，厚度为500～4000nm。
S4、降温至700℃～1100℃，于n型AlGaN电子注入层上依次生长电流扩展层和量子阱有源层，n型AlGaN层与电流扩展层之间形成台阶状结构，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、降温至600℃～1000℃，于量子阱有源层上生长空穴蓄积层，且空穴蓄积层为Mg掺杂的单层AlGaN结构。本步骤中，空穴蓄积层的具体生长参数基于量子阱有源层的工艺参数进行适应性设置，包括如下两种具体设置方式：
1)当量子阱有源层中势阱的Al组分百分数为x，厚度为t1时；空穴蓄积层的Al组分百分数为y，厚度为t2，并满足y＝x，t2＝t1·(3～10)。
2)当量子阱有源层中势阱的Al组分百分数为a，势垒的Al组分百分数为b，厚度为t3时；空穴蓄积层的Al组分百分数为c，厚度为t4，并满足a<c<b，t4＝t3·(2～8)。
S6、升温至700℃～1100℃，于空穴蓄积层上生长电子阻挡层，其中Al组分百分数为30～100％，厚度为5～50nm。
S7、在700～1100℃条件下，于电子阻挡层上生长p型AlGaN空穴注入层，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。
S8、在400～900℃条件下，于p型AlGaN空穴注入层上生长p型GaN接触层，厚度为1～100nm，并采用Mg作为p型掺杂剂。
S9、于p型GaN接触层上设置p电极，于n型AlGaN电子注入层台阶结构处设置n电极。
于量子阱有源层上生长空穴蓄积层的步骤中满足：当量子阱有源层中势阱的Al组分百分数为x，厚度为t1时；空穴蓄积层的Al组分百分数为y，厚度为t2，且y＝x，t2＝t1·(3～10)。
于量子阱有源层上生长空穴蓄积层的步骤中满足：当量子阱有源层中势阱的Al组分百分数为a，势垒的Al组分百分数为b，厚度为t3时；空穴蓄积层的Al组分百分数为c，厚度为t4，并满足a<c<b，t4＝t3·(2～8)。
下面通过具体实施例对上述具有空穴蓄积结构的深紫外LED的效果进行表征，实施例1与对比例1中深紫外LED的结构对比图如图3所示。
实施例1
本实施例中具有空穴蓄积结构的深紫外LED的制备过程具体为：
S1、在650℃条件下，于蓝宝石衬底上生长AlN本征层中的低温缓冲层，厚度为10nm。
S2、升温至1300℃，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2μm。
S3、降温至1050℃，于AlN本征层上生长n型AlGaN电子注入层，厚度为1μm。本实施例中AlN本征层和n型AlGaN电子注入层的具体组成均为n型Al0.55Ga0.45N，总厚度为3μm。
S4、降温至1000℃，于n型AlGaN电子注入层上依次生长电流扩展层和量子阱有源层，n型AlGaN层与电流扩展层之间形成台阶状结构；其中，电流扩展层具体组成为Al0.55Ga0.45N，总厚度为10nm；量子阱有源层的具体组成为Al0.45Ga0.55N，每层厚度为2nm，由5层堆叠而层。
S5、降温至960℃，于量子阱有源层上生长空穴蓄积层，且空穴蓄积层为Mg掺杂的单层AlGaN结构，空穴蓄积层的具体组成为p型Al0.5GaN，厚度为5nm，V/III比为3500，Mg源与Ga源物质量比为1.2。
S6、升温至850℃，于空穴蓄积层上生长电子阻挡层，电子阻挡层的具体组成为p型Al0.6Ga0.4N，厚度为10nm。
S7、在900℃条件下，于电子阻挡层上生长p型AlGaN空穴注入层，p型AlGaN空穴注入层的具体组成为p型Al0.6Ga0.4N，厚度为10nm。
S8、在750℃条件下，于p型AlGaN空穴注入层上生长p型GaN接触层，p型GaN接触层的具体组成为p型Al0.6Ga0.4N，厚度为100nm。
S9、于p型GaN接触层上设置p电极，于n型AlGaN电子注入层台阶结构处设置n电极，得到具有空穴蓄积结构的深紫外LED。
对比例1
本对比例1基于上述实施例1的制备步骤，仅去掉S5步骤中生长空穴蓄积层的过程，其他步骤与实施例1保持一致，得到不含空穴蓄积结构的深紫外LED。
将实施例1中具有空穴蓄积结构的深紫外LED与对比例1中不含空穴蓄积结构的深紫外LED两种情况进行能带结构理论计算，同时对两者进行光电性能测试，其结果分别如图4和图5所示，图4是本发明实施例1与对比例1中深紫外LED的能带对比图，图5是本发明实施例1与对比例1中深紫外LED的出光功率对比图。结合图3中的结构对比可以看出，相较于对比例1来说，实施例1在生长量子阱有源区后增加了50％组分的AlGaN作为空穴蓄积层；从图4中能带理论计算对比看出，电子阻挡层的等效势垒高度从对比例1中的560meV提高至实施例1中具有空穴蓄水池结构的深紫外LED的592meV，等效势垒高度的增加意味着电子限制能力的增强，可以对电子溢流效应更好的限制；同时结合图5的光电性能测试可以看出，在0.15A下实施例1中具有空穴蓄水池结构的深紫外LED的出光功率相比于对比例1中不含空穴蓄积结构的深紫外LED提高了37.7％，即证明空穴蓄积层的引入能够显著提高深紫外LED器件的发光效率。
区别于现有技术的情况，本发明提供了一种具有空穴蓄积结构的深紫外LED及其制备方法，通过在量子阱有源层与电子阻挡层之间增加单层结构的空穴蓄积层，在提高电子阻挡层等效势垒高度的同时，提高注入到量子阱有源区中的空穴浓度，最终提高深紫外LED器件的发光效率。
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 (4)
1.一种具有空穴蓄积结构的深紫外LED，其特征在于，所述具有空穴蓄积结构的深紫外LED由下至上依次设置有蓝宝石衬底、AlN本征层、n型AlGaN电子注入层、电流扩展层、量子阱有源层、空穴蓄积层、电子阻挡层、p型AlGaN空穴注入层和p型GaN接触层；
所述空穴蓄积层为Mg掺杂的单层AlGaN结构，生长温度为600~1000℃；
当所述量子阱有源层中势阱的Al组分百分数为a，势垒的Al组分百分数为b，所述势阱厚度为t3时，所述空穴蓄积层的Al组分百分数为c，厚度为t4，并满足a<c<b，t4=t3∙（2~8）；
当所述量子阱有源层中势阱的Al组分百分数为x，厚度为t1时，所述空穴蓄积层的Al组分百分数为y，厚度为t2，并满足y=x，x与y均非0，t2=t1∙（3~10）。
2.根据权利要求1中所述的具有空穴蓄积结构的深紫外LED，其特征在于，所述空穴蓄积层的生长过程中，掺杂Mg源为二茂镁。
3.根据权利要求1中所述的具有空穴蓄积结构的深紫外LED，其特征在于，所述具有空穴蓄积结构的深紫外LED还包括n电极和p电极；
所述n型AlGaN电子注入层与电流扩展层之间形成台阶状结构，且所述n型AlGaN电子注入层的面积大于所述电流扩展层的面积，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电子注入层台阶结构处。
4.一种如权利要求1~3中任一所述具有空穴蓄积结构的深紫外LED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本征层中的低温缓冲层，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电子注入层，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电子注入层上依次生长电流扩展层和量子阱有源层，所述n型AlGaN电子注入层与电流扩展层之间形成台阶状结构，所述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600℃~1000℃，于所述量子阱有源层上生长空穴蓄积层，且所述空穴蓄积层为Mg掺杂的单层AlGaN结构；
升温至700℃~1100℃，于所述空穴蓄积层上生长电子阻挡层，其中Al组分百分数为30~100%，厚度为5~50nm；
在700~1100℃条件下，于所述电子阻挡层上生长p型AlGaN空穴注入层，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空穴注入层上生长p型GaN接触层，厚度为1~100nm，并采用Mg作为p型掺杂剂；
于所述p型GaN接触层上设置p电极，于所述n型AlGaN电子注入层台阶结构处设置n电极。
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