CN112382708B - 一种具有组分渐变量子阱结构的深紫外led及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED及其制备方法，该具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED由下至上依次包括蓝宝石衬底、AlN本征层、n型AlGaN电子注入层、组分渐变的量子阱有源层、电子阻挡层、p型AlGaN空穴注入层和p型GaN接触层；组分渐变的量子阱有源层包括依次交替排布的若干势阱层和若干势垒层，且沿n型AlGaN电子注入层到电子阻挡层的方向上，第m+1层势垒层的Al组分含量百分数大于第m层势垒层的Al组分含量百分数。本发明在生长量子阱有源层的过程中，使若干势垒层呈现出Al组分递增的趋势，从而使量子阱有源层的等效势垒高度提高，促进电子和空穴在量子阱有源层的复合，提高了深紫外LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电领域，特别是一种具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED及制备方法。
背景技术
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(全称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(即UVA，波长为320～400nm)、中波紫外(即UVB，波长为280～320nm)、短波紫外(即UVC，波长为200～280nm)以及真空紫外(即VUV，波长为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；而深紫外光包含中波紫外和短波紫外，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。
目前，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。其中，GaN的带边发光波长约为360nm，通常作为氮化物紫外发光二极管(全称Ultraviolet light-emittingdiodes,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(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(EQE)也已超过40％，达到了与蓝光LED相比拟的水平。
然而对于发光波长小于360nm的紫外LED则主要采用AlGaN量子阱结构作为有源区，电子溢流效应是导致高Al组分AlGaN基深紫外LED效率偏低的主要原因之一，在LED中，电子的浓度高且迁移速率快，空穴的浓度低且迁移速率慢，目前由于难以将电子和空穴进行有效的适配复合，从而制约了电子与空穴的复合效率，无法取得较为理想的出光功率。故需要提出一种新的紫外LED方案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，提供一种具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED及制备方法，用于解决现有技术中由于电子溢流效应而导致深紫外LED效率低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的第一解决方案为：一种具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED，具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED包括依次层叠布置的蓝宝石衬底、AlN本征层、n型AlGaN电子注入层、组分渐变的量子阱有源层、电子阻挡层、p型AlGaN空穴注入层和p型GaN接触层；组分渐变的量子阱有源层包括依次交替排布的若干势阱层和若干势垒层，且沿n型AlGaN电子注入层至电子阻挡层的排布方向上，第m+1层势垒层的Al组分含量百分数大于第m层势垒层的Al组分含量百分数，m为大于或等于1的整数。
优选的，组分渐变的量子阱有源层为周期排布的AlGaN多层结构，且周期数为2～10。
优选的，势阱层中Al组分含量百分数为20～70％，厚度为1～10nm；势垒层中Al组分含量百分数为20～100％，厚度为1～20nm。
优选的，n型AlGaN电子注入层中采用Si作用n掺杂剂，p型AlGaN空穴注入层和p型GaN接触层中采用Mg作为p型掺杂剂。
为解决上述技术问题，本发明提供的第二解决方案为：一种如前述第一解决方案中具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED的制备方法，其步骤依次包括：生长AlN本征层，生长n型AlGaN电子注入层，生长组分渐变的量子阱有源层，生长电子阻挡层，生长p型AlGaN空穴注入层及p型GaN接触层；生长组分渐变的量子阱有源层的步骤具体包括：降温至700℃～1100℃条件下，于n型AlGaN电子注入层上周期交替生长若干势垒层和若干势阱层，形成组分渐变的量子阱有源层，且生长第m+1层势垒层时的Al组分含量百分数大于生长第m层势垒层时的Al组分含量百分数，m为大于或等于1的整数。
其中，生长组分渐变的量子阱有源层的步骤中，势阱层中Al组分含量百分数为20～70％，厚度为1～10nm；势垒层中Al组分含量百分数为20～100％，厚度为1～20nm。
其中，生长AlN本征层的步骤具体包括：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本征层中的低温缓冲层上生长AlN本征层，AlN本征层的总厚度为500～4000nm。
其中，生长n型AlGaN电子注入层的步骤具体包括：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，采用Si作为n型掺杂剂。
其中，生长电子阻挡层的步骤具体包括：降温至700℃～1100℃，于组分渐变的量子阱有源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。
其中，生长p型AlGaN空穴注入层及p型GaN接触层的步骤具体包括：在700～1100℃条件下，于脉冲掺杂电子阻挡层上生长p型AlGaN空穴注入层，Al组分百分数为0.1～100％，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1～20nm，并采用Mg作为p型掺杂剂。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供一种具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED及制备方法，在生长量子阱有源层的过程中，通过不断增加势垒层中Al组分百分数的方式，使若干势垒层呈现出Al组分递增的趋势，从而使量子阱有源层的等效势垒高度提高，促进电子和空穴在量子阱有源层的复合，提高了深紫外LED的发光效率。
附图说明
图1是本发明中具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED一实施方式的结构示意图；
图2是本发明中对比例1与实施例1的深紫外LED样品关于量子阱有源层中Al组分百分数的分布图：a为对比例1样品关于量子阱有源层中Al组分百分数的分布图，b为实施例1样品关于量子阱有源层中Al组分百分数的分布图；
图3是本发明中对比例1的深紫外LED样品与实施例1的深紫外LED样品的光输出功率对比图：曲线a为对比例1的深紫外LED样品光输出功率图，曲线b为实施例1的深紫外LED样品光输出功率图。
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。
对于本发明中提出的第一解决方案，请参阅图1，图1是本发明中具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED一实施方式的结构示意图。本发明中具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED包括依次层叠布置的蓝宝石衬底1、AlN本征层2、n型AlGaN电子注入层3、组分渐变的量子阱有源层4、电子阻挡层5、p型AlGaN空穴注入层6和p型GaN接触层7。其中，组分渐变的量子阱4有源层包括依次交替排布的若干势阱层41和若干势垒层42，具体为周期排布的AlGaN多层结构，且沿n型AlGaN电子注入层至电子阻挡层的排布方向上，第m+1层势垒层的Al组分含量百分数大于第m层势垒层的Al组分含量百分数，m为大于或等于1的整数，即令第m层势垒层的Al组分含量百分数为Xm，则满足X1≤X2≤X3…≤Xm；同时m也代表周期数，优选m为2～10的整数。本发明通过在生长势垒层时不断提升Al的组分含量，并保持势阱层组分含量不变，使量子阱有源层的等效势垒高度，缓解了电子溢流效应，促进电子和空穴在量子阱有源层的复合，进而提高了深紫外LED器件的发光效率。
本实施方式中，势阱层中Al组分含量百分数优选为20～70％，厚度优选为1～10nm；势垒层中Al组分含量百分数优选为20～100％，厚度优选为1～20nm。该具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED制备过程中均采用MOCVD方法，n型AlGaN电子注入层中采用Si作用n掺杂剂，p型AlGaN空穴注入层和p型GaN接触层中采用Mg作为p型掺杂剂。此外，采用常规方法在n型AlGaN电子注入层3上设置n电极8，并在p型GaN接触层7上设置p电极9，在此不做赘述。
对于本发明提出的第二解决方案，具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED制备方法步骤包括：
(1)生长AlN本征层。本步骤中，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本征层中的低温缓冲层上生长AlN本征层，AlN本征层的总厚度为500～4000nm。
(2)生长n型AlGaN电子注入层。本步骤中，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，使用Si作为n型掺杂剂。
(3)生长组分渐变的量子阱有源层。本步骤中，降温至700℃～1100℃条件下，于n型AlGaN电子注入层上周期交替生长若干势垒层和若干势阱层，形成组分渐变的量子阱有源层，且生长第m+1层势垒层时的Al组分含量百分数大于生长第m层势垒层时的Al组分含量百分数，m为大于或等于1的整数。本实施方式中，势阱层中Al组分含量百分数为20～70％，厚度为1～10nm；势垒层中Al组分含量百分数为20～100％，厚度为1～20nm。
(4)生长电子阻挡层。本步骤中，降温至700℃～1100℃，于组分渐变的量子阱有源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。
(5)生长p型AlGaN空穴注入层及p型GaN接触层。本步骤中，在700～1100℃条件下，于脉冲掺杂电子阻挡层上生长p型AlGaN空穴注入层，Al组分百分数为0.1～100％，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1～20nm，并采用Mg作为p型掺杂剂。
由于第二解决方案中的具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED制备方法用于制备前述第一解决方案中的具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED，故两个方案中的具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED的结构和功能应保持一致。
下面通过具体实施例对上述具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED性能效果进行表征。
实施例1
本实施例中，制备具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED步骤如下：
(1)在600℃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12nm；升温至1200℃，于AlN本征层中的低温缓冲层上生长AlN本征层，AlN本征层的总厚度为750nm。
(2)降温至900℃，于AlN本征层上生长n型AlGaN电子注入层，厚度为1200nm。
(3)降温至800℃，于n型AlGaN电子注入层上生长组分渐变的量子阱有源层，组分渐变的量子阱有源层包括组分渐变的AlGaN势垒层和组分不变的AlGaN势阱层，具体地，AlGaN势阱层为Al0.4Ga0.6N不变，每层势阱层厚度为8nm；而初始第1层AlGaN势垒层为Al0.45Ga0.55N，第2层AlGaN势垒层为Al0.5Ga0.5N，Al的组分系数以0.05为步长增量，直至第5层AlGaN势垒层为Al0.65Ga0.35N，完成5个周期的交替生长，每层势垒层厚度均为11nm。
(4)在700℃条件下，于于组分渐变的量子阱有源层上生长电子阻挡层，其中Al组分百分数为40％，厚度为30nm。
(5)在800℃条件下，于脉冲掺杂电子阻挡层上生长p型AlGaN空穴注入层，Al组分百分数为20％，厚度为20nm，并采用Mg作为p型掺杂剂；在800℃条件下，于p型AlGaN空穴注入层上生长p型GaN接触层，厚度为10nm，并采用Mg作为p型掺杂剂。
对比例1
本对比例中，基于实施例1的制备步骤，仅改变上述步骤(3)为：AlGaN势阱层为Al0.4Ga0.6N不变，每层势阱层厚度为8nm；AlGaN势垒层为Al0.45Ga0.55N不变，每层势阱层厚度为11nm，生长5个周期。其他步骤与实施例1保持一致。
将实施例1和对比例1中的样品进行对比，并进行光输出功率测试，结果分别如图2～3所示。具体地，图2是本发明中对比例1与实施例1的深紫外LED样品关于量子阱有源层中Al组分百分数的分布图，其中，a为对比例1样品关于量子阱有源层中Al组分百分数的分布图，b为实施例1样品关于量子阱有源层中Al组分百分数的分布图；可以看出实施例1与对比例1的差别在于，实施例1中势阱Al组分含量不变且势垒的Al组分含量呈递增趋势，而对比例1中势阱和势垒的组分含量均不变。图3是本发明中对比例1的深紫外LED样品与实施例1的深紫外LED样品的光输出功率对比图：曲线a为对比例1的深紫外LED样品光输出功率图，曲线b为实施例1的深紫外LED样品光输出功率图。由图3可以看出，由于调整了势垒的Al组分含量，使其呈递增趋势设置，故实施例1相较于对比例1来说，光输出功率均有显著提高，并且图3中在150mA条件下，实施例1样品的光输出功率相比于对比例1这种传统结构提高了46.4％，从而证明将势垒的Al组分含量调整至递增趋势，能够提升电子阻挡层的等效势垒高度，缓解电子溢流效应，进而显著提高了深紫外LED器件的发光效率。
区别于现有技术的情况，本发明提供一种具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED及制备方法，在生长量子阱有源层的过程中，通过不断增加势垒层中Al组分百分数的方式，使若干势垒层呈现出Al组分递增的趋势，从而使电子阻挡层的等效势垒高度提高，促进电子和空穴在量子阱有源层的复合，提高了深紫外LED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 (9)
1.一种具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED，其特征在于，所述具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED包括依次层叠布置的蓝宝石衬底、AlN本征层、n型AlGaN电子注入层、组分渐变的量子阱有源层、电子阻挡层、p型AlGaN空穴注入层和p型GaN接触层；
所述组分渐变的量子阱有源层包括依次交替排布的若干势阱层和若干势垒层，所述势阱层组分含量不变，且沿所述n型AlGaN电子注入层至电子阻挡层的排布方向上，第m+1层势垒层的Al组分含量百分数大于第m层势垒层的Al组分含量百分数，m为大于或等于1的整数；
所述组分渐变的量子阱有源层为周期排布的AlGaN多层结构，且周期数为2~10。
2.根据权利要求1中所述的具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED，其特征在于，所述势阱层中Al组分含量百分数为20~70%，厚度为1~10nm；
所述势垒层中Al组分含量百分数为20~100%，厚度为1~20nm。
3.根据权利要求1中所述的具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED，其特征在于，所述n型AlGaN电子注入层中采用Si作用n掺杂剂，所述p型AlGaN空穴注入层和p型GaN接触层中采用Mg作为p型掺杂剂。
4.一种如权利要求1~3中任一所述具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED制备方法，其特征在于，其步骤依次包括：生长AlN本征层，生长n型AlGaN电子注入层，生长组分渐变的量子阱有源层，生长电子阻挡层，生长p型AlGaN空穴注入层及p型GaN接触层；
所述生长组分渐变的量子阱有源层的步骤具体包括：降温至700℃~1100℃条件下，于所述n型AlGaN电子注入层上周期交替生长若干势垒层和若干势阱层，形成组分渐变的量子阱有源层，且生长第m+1层势垒层时的Al组分含量百分数大于生长第m层势垒层时的Al组分含量百分数，m为大于或等于1的整数。
5.根据权利要求4中所述的具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED制备方法，其特征在于，所述生长组分渐变的量子阱有源层的步骤中，所述势阱层中Al组分含量百分数为20~70%，厚度为1~10nm；所述势垒层中Al组分含量百分数为20~100%，厚度为1~20nm。
6.根据权利要求4中所述的具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED制备方法，其特征在于，所述生长AlN本征层的步骤具体包括：
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本征层中的低温缓冲层上生长AlN本征层，所述AlN本征层的总厚度为500~4000nm。
7.根据权利要求4中所述的具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED制备方法，其特征在于，所述生长n型AlGaN电子注入层的步骤具体包括：
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，采用Si作为n型掺杂剂。
8.根据权利要求4中所述的具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED制备方法，其特征在于，所述生长电子阻挡层的步骤具体包括：
降温至700℃~1100℃，于所述组分渐变的量子阱有源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。
9.根据权利要求4中所述的具有组分渐变量子阱结构的深紫外LED制备方法，其特征在于，所述生长p型AlGaN空穴注入层及p型GaN接触层的步骤具体包括：
在700~1100℃条件下，于脉冲掺杂电子阻挡层上生长p型AlGaN空穴注入层，Al组分百分数为0.1~100%，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1~20nm，并采用Mg作为p型掺杂剂。
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