CN112736174A - 一种深紫外led外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体光电子器件技术领域中的深紫外LED外延生长技术，具体涉及一种深紫外LED外延结构及其制备方法。所述深紫外LED外延结构从下而上由衬底、高温AlN层、N型AlGaN层、MQW多量子阱发光层、P型GaN层组成，所述N型AlGaN层上开设有V型状缺陷阵列，MQW多量子阱发光层、P型GaN层在N型AlGaN层上的V型状缺陷上依次继续外延生长。本发明通过在N型AlGaN层刻蚀出V型缺陷，使得MQW在非极性面上生长，释放生长过程中产生的应力，V型缺陷坑使得有源发光区由传统的平面结构变为立体结构，增加了水平的PN结，可控制载流子输运路径，增加复合面积，增加UVCLED的发光面积，提高发光亮度，解决了现有技术中深紫外LED器件的发光效率偏低的问题。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子器件技术领域中的深紫外LED外延生长技术，具体涉及一种深紫外LED外延结构及其制备方法。
背景技术
AlGaN基的半导体深紫外LED，在高密度光存储、白光照明、印刷、杀菌消毒、空气和水净化、非视距军事保密通信、生物化学、医学诊断等方面都有着重大的应用价值和广泛的市场空间。近年来，AlGaN基深紫外LED被科研人员及产业界广泛关注，并获得了极大的发展和进步，然而限制AlGaN基深紫外LED进一步发展的主要问题还是发光效率问题，对于深紫外器件而言，电光转换效率通常在5％以下。要实现远高于此的效率值，则需要对器件的结构做出必要的改变。
影响深紫外LED发光效率的有MQW的结构，P层Mg掺杂及控制缺陷，但目前情况下，通过改善以上方面发光效率并没有得到预期的效果。据业界报道，当UVCLED的WPE能达到5％时，更多场景的应用将会被打开。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的深紫外LED的发光效率较低的不足之处，提供一种深紫外LED外延结构及其制备方法。
为了解决本发明的技术问题，所采取的技术方案为，一种深紫外LED外延结构，结构从下到上依次包括衬底、高温AlN层、N型AlGaN层、MQW多量子阱发光层、P型GaN层，所述N型AlGaN层为开设有V型状缺陷阵列的N型AlGaN层，所述MQW多量子阱发光层和P型GaN层依次在N型AlGaN层上的V型状缺陷阵列所在面上外延生长。
作为上述深紫外LED外延结构进一步的改进：
优选的，在所述N型AlGaN层、MQW多量子阱发光层之间设置有N型AlGaN覆盖层，所述N型AlGaN覆盖层的厚度为200-1000nm，Al组分含量为50-80wt％。
优选的，所述MQW多量子阱发光层由量子垒层AlxGa1-xN和量子阱层AlyGa1-yN依次交替生长而成，其中45％<x<60％、35％<y<50％，一个量子垒层和一个量子阱层为一个生长周期，周期数为3-6。
优选的，所述衬底为蓝宝石平片衬底或纳米级图形化衬底片即NPSS衬底。
优选的，所述高温AlN层厚度为1.5-5um。
优选的，所述N型AlGaN层的厚度为0.5-3um，该层中Si掺杂浓度1×1017/cm3-9×1018/cm3，Al组分为40-80wt％。
优选的，所述V型状缺陷阵列由若干个间隔分布的V型状缺陷组成，所述V型状缺陷的开口尺寸为90-200nm，深度90-150nm。
优选的，所述MQW多量子阱发光层的厚度为15-100nm。
优选的，所述P型GaN层的厚度为50-300nm，该层中Mg的掺杂浓度大于1×1018/cm3。
为了解决本发明的另一个技术问题，所采取的技术方案为，一种深紫外LED外延结构的制备方法，包括如下步骤：
S1、反应室的温度为1200-1400℃，在衬底上外延生长高温AlN层；
S2、在所述高温AlN层上生长N型AlGaN层；
S3、在N型AlGaN层上刻蚀形成V型状缺陷阵列；
S4、在N型AlGaN层中V型状缺陷阵列所在面上，生长MQW多量子阱发光层；
S5、所述MQW多量子阱发光层生长结束后，生长P型GaN层；
S6、外延生长结束后，将反应室的温度降至450-800℃之间，采用纯氮气氛围退火处理2-20min，然后降至室温，即得深紫外LED外延结构。
优选的，所述各层中Ga的来源为三甲基镓和三乙基镓，Al的来源为三甲基铝，N的来源为氨气，硅烷作为n型掺杂剂、二茂镁作为p型掺杂剂。
本发明相比现有技术的有益效果在于：
1)现有深紫外LED外延生长，有源区发光层主要为平面结构。本发明通过在MQW前优化的V型缺陷设计，可以使得有源区发光层由平面结构变为立体结构，不仅原有的竖直方向有PN结，同时水平方向也有PN结。从而可有效控制并提高载流子输运路径及复合位置，增加复合效率，提高发光效率。
2)本发明提供了一种深紫外LED外延结构，通过在衬底上生长高温AlN层、然后生长N型AlGaN层，并在N型AlGaN层上刻蚀V型状缺陷阵列，然后再依次外延生长N型AlGaN层，MQW多量子阱发光层，P型GaN层。V型状缺陷的设计一方面可以释放生长过程中产生的应力；另一方面改变了MQW多量子阱发光层的生长方法，即在平面上生长改为在V型状缺陷的非极性面上生长MQW多量子阱发光层。该生长方法可以增加UVC LED的发光面积，提高发光亮度，以获得较好的发光效率，还可以释放生长过程中产生的应力。
3)本发明的深紫外LED外延结构中的覆盖于V型状缺陷阵列上的N型AlGaN覆盖层是为了在V型缺陷坑后外延生长做个过渡或保护，可以减少有害缺陷的延伸和扩大。
附图说明
图1是本发明深紫外LED外延结构的不含有N型AlGaN覆盖层6的结构示意图；
图2是本发明深紫外LED外延结构的含有N型AlGaN覆盖层6的结构示意图；
图3为实施例2、3制备的两种深紫外LED外延结构的发光亮度随电流的变化曲线。
附图中标记的含义如下：
1、衬底；2、高温AlN层；3、N型AlGaN层；4、MQW多量子阱发光层；5、P型GaN层；6、N型AlGaN覆盖层；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，一种深紫外LED外延，结构从下到上依次包括衬底1、高温AlN层2、N型AlGaN层3、MQW多量子阱发光层4、P型GaN层5，所述N型AlGaN层3上开设有V型状缺陷阵列，所述MQW多量子阱发光层4、P型GaN层5在N型AlGaN层上的V型状缺陷阵列所在面上依次继续外延生长。
或者，如图2所示，一种深紫外LED外延，结构从下到上依次包括衬底1、高温AlN层2、N型AlGaN层3、N型AlGaN覆盖层6、MQW多量子阱发光层4、P型GaN层5，所述N型AlGaN层3上开设有V型状缺陷阵列，所述MQW多量子阱发光层4和P型GaN层5在N型AlGaN层上的V型状缺陷阵列所在面上依次外延生长。
所述V型状缺陷阵列由若干个间隔分布的V型状缺陷组成，所述V型状缺陷的开口尺寸为90-200nm，深度90-150nm；所述衬底1为蓝宝石平片衬底或NPSS衬底；所述高温AlN层2的厚度1.5-5um；所述N型AlGaN层3的厚度为0.5-3um，该层中Si掺杂浓度1×1017/cm3-9×1018/cm3，Al组分为40-80wt％；所述MQW多量子阱发光层4的厚度为15-100nm，由量子垒层AlxGa1-xN(45％<x<60％)及量子阱层AlyGa1-yN(35％<y<50％)交替生长而成，一个量子垒层和一个量子阱层为一个生长周期，周期数为3-6；所述P型GaN层5的厚度为50-300nm，Mg的掺杂浓度大于1×1018/cm3；所述N型AlGaN覆盖层6的厚度为200-1000nm，Al组分为50-80wt％。
实施例2
本实施例以高纯氢气或氮气作为载气，以三甲基镓(TMGa)，三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al和N源，用硅烷(SiH4)作为n型掺杂剂、二茂镁(Cp2Mg)作为p型掺杂剂。
一种图2所示深紫外LED外延结构的制备方法，具体包括如下步骤：
S1、在蓝宝石平片衬底上生长高温AlN层2，厚度2.5um；
S2、在高温AlN层2上生长N型AlGaN层3，厚度2um，Si掺杂浓度7×1018/cm3，Al组分在55wt％之间；
S3、在N型AlGaN层3上刻蚀形成V型状缺陷阵列，V型状缺陷阵列由若干个V型状缺陷组成，所述V型状缺陷开口尺寸为100nm，深度120nm；
S4、在N型AlGaN层3上V型状缺陷阵列所在面上，生长N型AlGaN覆盖层6，厚度300nm，Al组分在55wt％，减少有害缺陷的延伸和扩大；
S5、在N型AlGaN覆盖层6上，生长MQW多量子阱发光层4，一个量子垒层和一个量子阱层为一个生长周期，采用5个生长周期，整个MQW多量子阱发光层4的厚度在30nm之间；
S6、所述生长MQW多量子阱发光层4生长结束后，生长P型GaN层5，厚度在280nm之间，Mg掺杂浓度大于1×1019/cm3。
S7、外延生长结束后，将反应室的温度降至450℃之间，采用纯氮气氛围进行退火处理10min，然后降至室温即得深紫外LED外延结构。
实施例3
本实施例以高纯氢气或氮气作为载气，以三甲基镓(TMGa)，三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al和N源，用硅烷(SiH4)作为n型掺杂剂、二茂镁(Cp2Mg)作为p型掺杂剂。
一种深紫外LED外延结构的制备方法，具体包括如下步骤：
S1、在蓝宝石平片衬底上生长高温AlN层2，厚度2.5um；
S2、在高温AlN层2上生长N型AlGaN层3，厚度2um，Si掺杂浓度7×1018/cm3，Al组分在55wt％之间；
S3、在N型AlGaN层3上生长MQW多量子阱发光层4，一个量子垒层和一个量子阱层为一个生长周期，采用5个生期，整个MQW多量子阱发光层4的厚度在30nm之间；
S6、所述生长MQW多量子阱发光层4生长结束后，生长P型GaN层5，厚度在280nm之间，Mg掺杂浓度1×1019/cm3。
S7、外延生长结束后，将反应室的温度降至450℃之间，采用纯氮气氛围进行退火处理10min，然后降至室温即得深紫外LED外延结构。
对实施例2、3制备的两种深紫外LED外延结构分别做光电性能的测试，得到亮度倍率曲线，如图3所示，横坐标为电流，单位为毫安(mA)，纵坐标为不同电流的亮度与基准电流下的亮度比值，比值越大，说明亮度性能越好。由图3可知，实施例2具有V型缺陷的深紫外LED外延结构的亮度相比实施例3具有优势，发光效率提升。
本领域的技术人员应理解，以上所述仅为本发明的若干个具体实施方式，而不是全部实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，还可以做出许多变形和改进，所有未超出权利要求所述的变形或改进均应视为本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种深紫外LED外延结构，其特征在于，结构从下到上依次包括衬底(1)、高温AlN层(2)、N型AlGaN层(3)、MQW多量子阱发光层(4)、P型GaN层(5)，所述N型AlGaN层(3)为开设有V型状缺陷阵列的N型AlGaN层，所述MQW多量子阱发光层(4)和P型GaN层(5)依次在N型AlGaN层(3)上的V型状缺陷阵列所在面上外延生长。
2.根据权利要求1所述的深紫外LED外延结构，其特征在于，在所述N型AlGaN层(3)、MQW多量子阱发光层(4)之间设置有N型AlGaN覆盖层(6)，所述N型AlGaN覆盖层(6)的厚度为200-1000nm，Al组分含量为50-80wt％。
3.根据权利要求1所述的深紫外LED外延结构，其特征在于，所述MQW多量子阱发光层(4)由量子垒层AlxGa1-xN和量子阱层AlyGa1-yN依次交替生长而成，其中45％<x<60％、35％<y<50％，一个量子垒层和一个量子阱层为一个生长周期，周期数为3-6。
4.根据权利要求1所述的深紫外LED外延结构，其特征在于，所述衬底(1)为蓝宝石平片衬底或纳米级图形化衬底片即NPSS衬底。
5.根据权利要求1所述的深紫外LED外延结构，其特征在于，所述高温AlN层(2)厚度为1.5-5um。
6.根据权利要求1所述的深紫外LED外延结构，其特征在于，所述N型AlGaN层(3)的厚度为0.5-3um，该层中Si掺杂浓度1×1017/cm3-9×1018/cm3，Al组分为40-80wt％。
7.根据权利要求1所述的深紫外LED外延结构，其特征在于，所述V型状缺陷阵列由若干个间隔分布的V型状缺陷组成，所述V型状缺陷的开口尺寸为90-200nm，深度90-150nm。
8.根据权利要求1所述的深紫外LED外延结构，其特征在于，所述MQW多量子阱发光层(4)的厚度为15-100nm。
9.根据权利要求1所述的深紫外LED外延结构，其特征在于，所述P型GaN层(5)的厚度为50-300nm，该层中Mg的掺杂浓度大于1×1018/cm3。
10.一种权利要求1-9任意一项所述的深紫外LED外延结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、反应室的温度为1200-1400℃，在衬底(1)上外延生长高温AlN层(2)；
S2、在所述高温AlN层(2)上生长N型AlGaN层(3)；
S3、在N型AlGaN层(3)上刻蚀形成V型状缺陷阵列；
S4、在N型AlGaN层(3)中V型状缺陷阵列所在面上，生长MQW多量子阱发光层(4)；
S5、所述MQW多量子阱发光层(4)生长结束后，生长P型GaN层(5)；
S6、外延生长结束后，将反应室的温度降至450-800℃之间，采用纯氮气氛围退火处理2-20min，然后降至室温，即得深紫外LED外延结构。
11.根据权利要求10所述的深紫外LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述各层中Ga的来源为三甲基镓和三乙基镓，Al的来源为三甲基铝，N的来源为氨气，硅烷作为n型掺杂剂、二茂镁作为p型掺杂剂。
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