CN112490335B - 一种AlGaN/h-BN多量子阱结构的深紫外LED及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种AlGaN/h‑BN多量子阱结构的深紫外LED，自下而上依次包括：衬底、AlN模板层、n型AlxGa1‑xN层、AlyGa1‑yN/h‑BN多量子阱层、p型AlzGa1‑zN层、p型GaN接触层。AlyGa1‑yN/h‑BN多量子阱层包括：AlyGa1‑yN量子阱层和h‑BN量子垒层；其中，AlyGa1‑yN量子阱层中Al组分y的范围为0.5≤y≤0.7，厚度为2‑4nm；h‑BN量子垒层的厚度为5‑10nm。本公开能够改善深紫外LED空穴注入困难、电子泄漏、失配应力的问题，从而提高深紫外LED发光效率。
Description
技术领域
本公开涉及半导体光电子器件领域，特别涉及一种AlGaN/h-BN多量子阱结构的深紫外LED及其制备方法。
背景技术
AlGaN基深紫外LED相对于传统的紫外光源汞灯具有无毒环保、结构简单、便携不易碎、工作电压低、发光效率高、波长可调、寿命长等诸多优势，在白光照明、杀菌消毒、空气净化、水处理、光信息存储等领域具有巨大的应用潜力。但是相对于已经商业化的GaN基蓝光LED，AlGaN基深紫外LED的商业化应用尚存在诸多技术难题有待攻克，尤其是发光效率方面亟待提高。
由于同质衬底的缺乏，AlGaN基深紫外LED通常生长在蓝宝石、Si、SiC等异质衬底上，而异质衬底之间的晶格失配及热失配会使深紫外LED中积累较大的失配应力，该失配应力产生的压电极化电场则导致多量子阱区域的能带倾斜，进而诱发量子限制斯塔克效应，使深紫外LED发光效率降低；同时失配应力的过度积累还会使LED外延层中产生裂纹，该裂纹不仅会导致LED漏电，还会吸收紫外光进而影响LED光输出功率。
此外，在深紫外LED中，其高Al组分p型AlGaN层的空穴浓度较低，且空穴迁移率又明显低于电子迁移率，进而导致注入多量子阱结构中的电子和空穴浓度不平衡，大量电子在量子阱有源区不能复合而直接泄漏至p型区导致电子泄漏的情况发生。当注入电流增大时，则会进一步加剧量子阱结构中的电子和空穴浓度不平衡现象，进而发生更多的电子泄漏，产生深紫外LED发光效率的低下效应(droop效应)。
发明内容
(一)要解决的技术问题
在AlGaN基深紫外LED中，高Al组分的p型AlGaN层空穴浓度较低，且空穴的迁移率又明显低于电子的迁移率，导致多量子阱结构中的空穴注入困难和电子泄漏。此外，深紫外LED多量子阱结构中的失配应力会产生压电极化电场造成在多量子阱结构有源区的能带倾斜，诱发量子限制斯塔克效应。
经深入研究发现，h-BN量子垒层相对于AlGaN基材料具有大的导带偏移和小的价带偏移性能，是作为AlGaN基深紫外LED能带工程的理想材料。由此，本公开提供了一种AlGaN/h-BN多量子阱结构的深紫外LED及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种AlGaN/h-BN多量子阱结构的深紫外LED，自下而上依次包括：衬底、AlN模板层、n型AlxGa1-xN层、AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层、p型AlzGa1-zN层和p型GaN接触层；其中，AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层包括：
AlyGa1-yN量子阱层，其中Al组分y的范围为0.5≤y≤0.7，厚度为2-4nm；
h-BN量子垒层，厚度为5-10nm。
可选地，AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层中的h-BN量子垒层为多层结构堆叠而成的二维纳米材料，h-BN量子垒层的不同层之间通过范德华作用力链接起来。
可选地，AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层为经n个周期厚度调制生长的多量子阱层，2≤n≤10。
可选地，衬底材料为氮化铝、蓝宝石或者金刚石中的一种。
本发明还提供了一种AlGaN/h-BN多量子阱结构的深紫外LED的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：取一衬底，在金属有机物化学气相沉积反应室中进行氮化处理；
步骤2：利用MOCVD设备在氮化处理后的衬底上顺次生长AlN模板层和n型AlxGa1-xN层；
步骤3：利用MOCVD设备，在n型AlxGa1-xN层上生长AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层；其中，AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层包括：AlyGa1-yN量子阱层和h-BN量子垒层，所述AlyGa1-yN为量子阱层，厚度为2-4nm，Al组分y的范围：0.5≤y≤0.7；h-BN为量子垒层，厚度为5-10nm；以及
步骤4：利用MOCVD设备在AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层上顺次生长p型AlzGa1-zN层和p型GaN接触层。
AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层中的AlyGa1-yN量子阱层生长温度为1000-1300℃，生长V/III比为50-1000，反应室压力为30-200torr；h-BN量子垒层生长温度为1000-1300℃，生长V/III比为500-2000，反应室压力为50-400torr。
利用MOCVD设备在所述n型AlxGa1-xN层上生长n个周期的AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层，2≤n≤10。
可选地，氮化处理是在氨气和氢气的混合气氛中进行，氮化处理的温度为600-850℃，氮化处理的时间为30-300秒。
可选地，p型AlzGa1-zN厚度为20-50nm，Al组分z的范围：y+0.1≤z≤1，电阻挡层的禁带宽度大于量子阱层和量子垒层的禁带宽度。
可选地，衬底可为蓝宝石衬底或者为AlN衬底。
(三)有益效果
本发明提供了一种AlGaN/h-BN多量子阱结构的深紫外LED及其制备方法，可以改善深紫外LED空穴注入困难、电子泄漏、失配应力的问题，从而提高深紫外LED发光效率。其有益效果是：
(1)AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层中的h-BN量子垒层相对于AlyGa1-yN量子阱层具有大的导带偏移和小的价带偏移特性，可以显著改善多量子阱层中的电子泄漏及空穴注入困难现象，即电子可被有效的限制在量子阱中，更多的空穴也会被注入到量子阱中与电子发生辐射复合，进而减少电子泄漏，增加辐射复合效率。
(2)AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层中的h-BN量子垒层相对于AlyGa1-yN量子阱层导带偏移很大，电子限制能力强，因此h-BN量子垒层的引入，不仅避免了AlGaN电子阻挡层对空穴注入的阻挡，进一步提高了多量子阱层的空穴注入效果，而且不用再插入高Al组分的AlGaN电子阻挡层，使其生长工艺简单易操作。
(3)h-BN量子垒层具有二维材料层状结构，层与层之间依靠范德华力连结，在h-BN量子垒层上生长AlGaN基材料可有效缓解失配应力，在AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层中，AlyGa1-yN量子阱层被h-BN量子垒层隔开，可有效缓解其在生长过程中的失配应力。
附图说明
图1是AlGaN/h-BN多量子阱层的深紫外LED结构示意图；
图2是图1中AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层结构13的一种实施例示意图。
【符号说明】
10：衬底；
11：AlN模板层；
12：n型AlxGa1-xN层；
13：AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层；
131：h-BN量子垒层；
132：AlyGa1-yN量子阱层；
14：p型AlzGa1-zN层；
15：p型GaN接触层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。但是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。
本发明提供了一种AlGaN/h-BN多量子阱结构的深紫外LED，如图1所示，自下而上依次包括：衬底10、AlN模板层11、n型AlxGa1-xN层12、AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层结构13、p型AlzGa1-zN层14、p型GaN接触层15。
在本实施例中，衬底10材料为蓝宝石。AlN模板层11厚度为3μm。n型AlxGa1-xN层12的厚度1μm，其中，Al组分x为0.75。p型AlzGa1-zN层14厚度为50nm，Al组分z为0.75。p型GaN接触层15厚度为100nm。
如图2所示，AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层13包含5个AlyGa1-yN量子阱层和6个h-BN量子垒层。其中，AlyGa1-yN量子阱层132的Al组分y为0.6，即本实施例中量子阱层为Al0.6Ga0.4N，其厚度为2nm。量子垒层为h-BN量子垒层131，其厚度为5-10nm。本公开提供的AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层13的发光波长为256nm。
一种AlGaN/h-BN多量子阱结构的深紫外LED的制备方法，
步骤1：将蓝宝石衬底10放入金属有机物化学气相沉积(MOCVD)反应室中，在700℃的氨气和氢气氛围中氮化，氮化时间为200秒。
步骤2：将MOCVD反应室温度升高到1300℃，生长3μm的高温AlN模板层11，V/III比为1000，生长压力50torr；将反应室温度下降到1100℃，生长1μm厚的n型AlxGa1-xN层12，V/III比为100，Al组分x为0.75，生长压力100torr，使用硅烷掺杂剂进行n型掺杂，掺杂浓度为1×1019/cm3。
步骤3：利用MOCVD设备生长AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层13，多量子阱层包含5个Al0.6Ga0.4N量子阱层和6个h-BN量子垒层。Al0.6Ga0.4N量子阱层的生长温度为1100℃，V/III比为500，生长压力为100torr，厚度为2nm；h-BN量子垒层131生长温度为1200℃，V/III比为1000，生长压力为200torr，厚度为10nm。
步骤4：利用MOCVD设备生长p型AlzGa1-zN层14，生长温度为1100℃，V/III比为100，生长压力为100torr，厚度为50nm，Al组分z为0.75，使用二茂镁掺杂剂进行p型掺杂，掺杂浓度为1×1018/cm3；利用MOCVD设备生长继续生长p型GaN接触层15，生长温度为1100℃，厚度为100nm，使用二茂镁掺杂剂进行p型掺杂，掺杂浓度为1×1019/cm3，至此完成AlGaN/h-BN多量子阱结构的深紫外LED的制备。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造，并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种AlGaN/h-BN多量子阱结构的深紫外LED，其中，自下而上依次包括：衬底、AlN模板层、n型AlxGa1-xN层、AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层、p型AlzGa1-zN层和p型GaN接触层；
所述AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层包括：
AlyGa1-yN量子阱层，Al组分y的范围为0.5≤y≤0.7，厚度为2-4nm；以及
h-BN量子垒层，厚度为5-10nm；
其中，所述AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层中的所述h-BN量子垒层为多层结构堆叠而成的二维纳米材料，所述h-BN量子垒层的不同层之间通过范德华作用力链接起来。
2.根据权利要求1所述的AlGaN/h-BN多量子阱结构的深紫外LED，其中，所述AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层为经n个周期厚度调制生长的多量子阱层，2≤n≤10。
3.根据权利要求1所述的AlGaN/h-BN多量子阱结构的深紫外LED，其中，所述衬底材料为氮化铝、蓝宝石或者金刚石中的一种。
4.一种如权利要求1至3中任一项所述的AlGaN/h-BN多量子阱结构的深紫外LED的制备方法，包括：
步骤1：取一衬底，在MOCVD设备中进行氮化处理；
步骤2：利用所述MOCVD设备在氮化处理后的所述衬底上顺次生长AlN模板层和n型AlxGa1-xN层；
步骤3：利用所述MOCVD设备，在所述n型AlxGa1-xN层上生长AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层；其中，所述AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层包括：AlyGa1-yN量子阱层和h-BN量子垒层，其中，所述AlyGa1-yN为量子阱层，厚度为2-4nm，Al组分y的范围：0.5≤y≤0.7；h-BN为量子垒层，厚度为5-10nm；以及
步骤4：利用所述MOCVD设备在所述AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层上顺次生长p型AlzGa1-zN层和p型GaN接触层。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其中，所述AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层中的所述AlyGa1-yN量子阱层生长温度为1000-1300℃，生长Ⅴ/Ⅲ比为50-1000，反应室压力为30-200torr；所述h-BN量子垒层生长温度为1000-1300℃，生长Ⅴ/Ⅲ比为500-2000，反应室压力为50-400torr。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其中，利用所述MOCVD设备在所述n型AlxGa1-xN层上生长n个周期的所述AlyGa1-yN/h-BN多量子阱层，2≤n≤10。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其中，所述氮化处理是在氨气和氢气的混合气氛中进行，所述氮化处理的温度为600-850℃，所述氮化处理的时间为30-300秒。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其中，所述p型AlzGa1-zN厚度20-50nm，Al组分z的范围：y+0.1≤z≤1，所述p型AlzGa1-zN的禁带宽度大于量子阱层和量子垒层的禁带宽度。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其中，所述衬底可为蓝宝石衬底或者为AlN衬底。
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