CN112951961A - 一种深紫外led及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种深紫外LED及其制作方法，所述深紫外LED包括：衬底；依次设置在所述衬底一侧的N型半导体层、多量子阱层、电子阻挡层和P型半导体层；其中，所述电子阻挡层为稀磁材料的电子阻挡层。该稀磁材料的电子阻挡层能够在阻挡电子的同时，对空穴的注入也起到正向的作用，提高电子和空穴的空间波函数交叠，进而提高深紫外LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，更具体地说，涉及一种深紫外LED及其制作方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展，各种各样的LED(Light Emitting Diode，发光二极管)器件已广泛应用于人们的生活和工作中，为人们的日常生活带来了极大的便利。
近些年来，AlGaN基深紫外发光二极管(UV-LED)的应用非常广泛，例如，在空气和水的净化领域、表面消毒、紫外线固化和医学光疗等领域有着广泛的应用。
紫外波段依据波长特性通常可以划分为：长波紫外UVA(波长范围为320nm-400nm)、中波紫外UVB(波长范围为280nm-320nm)、短波紫外UVC(波长范围为200nm-280nm)以及真空紫外(波长范围为10nm-200nm)。对于AlGaN基材料而言，波长越短，Al组分越高，因此高质量材料外延和实现有效掺杂面临越来越高的挑战。
虽然深紫外LED的光输出功率已经被大大提高，但是，AlGaN基深紫外LED仍然存在外量子效率和发光功率低的瓶颈问题。
首先，高Al组分的AlGaN材料和蓝宝石衬底之间具有较大的晶格失配和热失配，造成AlGaN在蓝宝石衬底上外延生长时会产生很大的位错密度，进而形成严重的非辐射复合中心；其次，Ⅲ族氮化物的有源层异质结界面处诱发的自发和压电极化电荷使得量子阱能带发生倾斜，减弱了电子和空穴函数的交叠，从而进一步降低了辐射复合速率。此外，深紫外LED中空穴和电子注入不平衡而引起的电子溢漏也被认为是内量子效率较低的重要因素。
针对减少电子溢流的情况，目前深紫外LED中电子阻挡层采用AlGaN/AlN的结构，Al的组分高于量子阱，起到限制电子的作用。
但是，深紫外LED随着波长的逐渐变短，量子阱的Al组分逐渐升高，即电子阻挡层的Al组分逐渐增高，因此电子阻挡层在有效阻挡电子防止电子溢流的同时，对空穴的注入也产生了不利的影响。
具体的，AlGaN或AlN材料的电子阻挡层中，受主杂质能级较GaN更深，而且随着Al组分的增大，AlGaN材料的禁带宽度增大，受主能级不断加深，激活能持续增加，导致空穴载流子激活效率和浓度降低，从而降低深紫外LED的发光效率。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种深紫外LED及其制作方法，技术方案如下：
一种深紫外LED，所述深紫外LED包括：
衬底；
依次设置在所述衬底一侧的N型半导体层、多量子阱层、电子阻挡层和P型半导体层；
其中，所述电子阻挡层为稀磁材料的电子阻挡层。
可选的，在上述深紫外LED中，所述电子阻挡层为AlxGa(1-x)N层和AlyGa(1-y)N层组成的超晶格结构；
其中，0＜x＜1,0＜y＜1，所述AlxGa(1-x)N层为未掺杂层，所述AlyGa(1-y)N层的掺杂元素为C元素。
可选的，在上述深紫外LED中，所述电子阻挡层为AlxGa(1-x)N层和AlyGa(1-y)N层组成的超晶格结构；
其中，0＜x＜1,0＜y＜1，所述AlxGa(1-x)N层为未掺杂层，所述AlyGa(1-y)N层的掺杂元素为C元素和Mg元素。
可选的，在上述深紫外LED中，所述超晶格结构的周期为2-100。
可选的，在上述深紫外LED中，所述Mg元素的掺杂浓度为1E18-1E20。
可选的，在上述深紫外LED中，所述AlxGa(1-x)N层的厚度为10nm-50nm。
可选的，在上述深紫外LED中，所述AlyGa(1-y)N层的厚度为10nm-50nm。
可选的，在上述深紫外LED中，所述电子阻挡层的生长温度为950℃-1100℃。
一种深紫外LED的制作方法，所述制作方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底的一侧依次设置N型半导体层、多量子阱层、电子阻挡层和P型半导体层；
其中，所述电子阻挡层为稀磁材料的电子阻挡层。
可选的，在上述制作方法中，所述电子阻挡层为AlxGa(1-x)N层和AlyGa(1-y)N层组成的超晶格结构；
其中，0＜x＜1,0＜y＜1，所述AlxGa(1-x)N层为未掺杂层，所述AlyGa(1-y)N层的掺杂元素为C元素；
在形成所述AlyGa(1-y)N层时，采用脉冲的方式通入C元素。
可选的，在上述制作方法中，所述电子阻挡层为AlxGa(1-x)N层和AlyGa(1-y)N层组成的超晶格结构；
其中，0＜x＜1,0＜y＜1，所述AlxGa(1-x)N层为未掺杂层，所述AlyGa(1-y)N层的掺杂元素为C元素和Mg元素；
在形成所述AlyGa(1-y)N层时，采用同时脉冲的方式通入C元素和Mg元素，或采用穿插脉冲的方式通入C元素和Mg元素。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
本发明提供的一种深紫外LED，所述深紫外LED包括：衬底；依次设置在所述衬底一侧的N型半导体层、多量子阱层、电子阻挡层和P型半导体层；其中，所述电子阻挡层为稀磁材料的电子阻挡层。该稀磁材料的电子阻挡层能够在阻挡电子的同时，对空穴的注入也起到正向的作用，提高电子和空穴的空间波函数交叠，进而提高深紫外LED的发光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种深紫外LED的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种深紫外LED的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的又一种深紫外LED的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种深紫外LED的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的又一种深紫外LED的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的又一种深紫外LED的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种深紫外LED的制作方法的流程示意图；
图8-图16为图7所示制作方法相对应的结构示意图。
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，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种深紫外LED的结构示意图。
所述深紫外LED包括：
衬底11；
依次设置在所述衬底11一侧的N型半导体层12、多量子阱层13、电子阻挡层14和P型半导体层15；
其中，所述电子阻挡层14为稀磁材料的电子阻挡层14。
在该实施例中，该稀磁材料的电子阻挡层14能够在阻挡电子的同时，对空穴的注入也起到正向的作用，提高电子和空穴的空间波函数交叠，进而提高深紫外LED的发光效率。
需要说明的是，所述N型半导体层12为N型AlGaN层，所述P型半导体层15为P型AlGaN层。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图2，图2为本发明实施例提供的另一种深紫外LED的结构示意图。
所述深紫外LED还包括：
设置在所述衬底11和所述N型半导体层12之间的非掺杂AlGaN层16。
在该实施例中，通过设置所述非掺杂AlGaN层16，主要用于减少衬底11和其它外延膜层中部分膜层之间的晶格失配，进而减少缺陷，提高晶体质量。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图3，图3为本发明实施例提供的又一种深紫外LED的结构示意图。
所述深紫外LED还包括：
设置在所述衬底11和所述非掺杂AlGaN层16之间的AlGaN缓冲层17。
在该实施例中，通过设置所述AlGaN缓冲层17，主要用于进一步减少衬底11和其它外延膜层中部分膜层之间的晶格失配，进而减少缺陷，提高晶体质量。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图4，图4为本发明实施例提供的又一种深紫外LED的结构示意图。
所述深紫外LED还包括：
设置在所述P型半导体层15背离所述衬底11一侧的P型接触层18。
在该实施例中，通过设置所述P型接触层，主要用于与增加与电极结构的欧姆接触，降低电压，并实现电流扩展的功能。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图5，图5为本发明实施例提供的又一种深紫外LED的结构示意图。
所述电子阻挡层14为AlxGa(1-x)N层141和AlyGa(1-y)N层142组成的超晶格结构；可选的，所述超晶格结构的周期为2-100。
其中，0＜x＜1,0＜y＜1，所述AlxGa(1-x)N层141为未掺杂层，所述AlyGa(1-y)N层142的掺杂元素为C元素。
在该实施例中，本发明将深紫外LED的电子阻挡层设计成超晶格结构的形式，在所述AlyGa(1-y)N层142掺杂C元素之后，成为P型半导体，可以提供空穴，同时所述AlyGa(1-y)N层142掺杂C元素之后具有磁性，属于稀磁半导体，利用电子的电荷度和自旋电荷更有利于空穴的传导。
即，在阻挡电子的同时，有利于空穴的注入，进而提高深紫外LED的发光效率。
具体的，对于电子阻挡层具有电子阻挡的功能而言：在所述AlyGa(1-y)N层142掺杂C元素之后，引入了杂质能级，进而降低了在所述AlyGa(1-y)N层142的能级，从能带角度来看，电子阻挡层有着能带高低周期性变化的特点，进而实现了对电子的限制作用。
对于电子阻挡层有利于空穴注入的功能而言：本征AlN是没有磁性的，一个C原子取代一个N原子诱导体系自旋极化显示磁性，C和相邻的N之间的p-d杂化机制来解释，在带隙中引入杂质带形成受主能级，实现p型掺杂，实现自旋载流子注入，磁性半导体材料因其可同时利用电子的电荷和自旋两个维度，电导率大大提高，进而可以提高空穴的注入。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图6，图6为本发明实施例提供的又一种深紫外LED的结构示意图。
所述电子阻挡层14为AlxGa(1-x)N层141和AlyGa(1-y)N层142组成的超晶格结构；可选的，所述超晶格结构的周期为2-100。
其中，0＜x＜1,0＜y＜1，所述AlxGa(1-x)N层141为未掺杂层，所述AlyGa(1-y)N层142的掺杂元素为C元素和Mg元素。
在该实施例中，所述AlyGa(1-y)N层142的掺杂元素还可以同时为C元素和Mg元素，也可以起到上述实施例所述的效果。
可选的，所述Mg元素的掺杂浓度为1E18-1E20。
进一步的，基于本发明上述实施例，C掺杂的来源为乙炔(C2H2)等有机起源或液态源，或C离子注入产生。
需要说明的是，C的摩尔百分比大于0％，且小于或等于100％。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述AlxGa(1-x)N层141的厚度为10nm-50nm。
在该实施例中，所述AlxGa(1-x)N层141的厚度为13nm或26nm或37nm或44nm等，在本发明实施例中并不做限定，可根据实际情况而定。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述AlyGa(1-y)N层142的厚度为10nm-50nm。
在该实施例中，所述AlyGa(1-y)N层142的厚度为为11nm或27nm或36nm或48nm等，在本发明实施例中并不做限定，可根据实际情况而定。
进一步的，基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种深紫外LED的制作方法，参考图7，图7为本发明实施例提供的一种深紫外LED的制作方法的流程示意图。
所述制作方法包括：
S101：如图8所示，提供一衬底11。
在该步骤中，所述衬底11包括但不限定于蓝宝石衬底。
S102：如图1所示，在所述衬底11的一侧依次设置N型半导体层12、多量子阱层13、电子阻挡层14和P型半导体层15。其中，所述电子阻挡层14为稀磁材料的电子阻挡层14。
在该步骤中，如图5所示，所述电子阻挡层14为AlxGa(1-x)N层141和AlyGa(1-y)N层142组成的超晶格结构；
其中，0＜x＜1,0＜y＜1，所述AlxGa(1-x)N层141为未掺杂层，所述AlyGa(1-y)N层142的掺杂元素为C元素；
在形成所述AlyGa(1-y)N层142时，采用脉冲的方式通入C元素。
或，
如图6所示，所述电子阻挡层14为AlxGa(1-x)N层141和AlyGa(1-y)N层142组成的超晶格结构；
其中，0＜x＜1,0＜y＜1，所述AlxGa(1-x)N层141为未掺杂层，所述AlyGa(1-y)N层142的掺杂元素为C元素和Mg元素；
在形成所述AlyGa(1-y)N层142时，采用同时脉冲的方式通入C元素和Mg元素，或采用穿插脉冲的方式通入C元素和Mg元素。
具体的，如图9所示，采用MOCVD机台，在蓝宝石衬底的c面上生长AlGaN缓冲层17，所述MO源为TMGa、TMAl，气体源为NH3、H2做载气。
如图10所示，在所述AlGaN缓冲层17背离所述衬底11的一侧生长非掺杂AlGaN层16，所用MO源为TMGa、TMAl，气体源为NH3、H2做载气。
如图11所示，在所述非掺杂AlGaN层16背离所述衬底11的一侧生长N型半导体层12，所述N型半导体层12为N型AlGaN层，所用MO源为TMGa、TMAl、气体源为NH3、H2做载气，SiH4为N型掺杂气体。
如图12所示，在所述N型半导体层12背离所述衬底11的一侧生长多量子阱层13，所述多量子阱层13为交替层叠生长的AltGa(1-t)N层和AlmGa(1-m)N层，其中，所述AltGa(1-t)N层为量子阱，所述AlmGa(1-m)N层为量子垒，0＜t＜m＜1，所用MO源为TEGa、TMAl，气体源为NH3、H2做载气。
如图13所示，在所述多量子阱层13背离所述衬底11的一侧生长所述电子阻挡层14中的AlxGa(1-x)N层141，厚度优选为10nm，所用MO源为TMGa、TMAl，气体源为NH3、H2做载气，生长温度优选为1000℃。需要说明的是，所用MO源还可以为TEGa、TMAl。
如图14所示，在所述AlxGa(1-x)N层141背离所述衬底11的一侧生长所述电子阻挡层14中掺杂C元素或掺杂C元素和Mg元素的AlyGa(1-y)N层142，以掺杂C元素为例进行说明，厚度优选为10nm，所用MO源为TMGa、TMAl，气体源为NH3、C2H2、H2做载气，生长温度优选为1000℃。需要说明的是，所用MO源还可以为TEGa、TMAl。需要说明的是，在采用C2H2作为C元素掺杂的来源时，可以采用脉冲的方式进行掺杂。需要说明的是，在不采用C2H2作为C元素掺杂的来源时，还可以采用注入C离子的方式进行C元素掺杂。
如图15所示，重复生长所述AlxGa(1-x)N层141和所述AlyGa(1-y)N层142预设个周期，形成所述电子阻挡层14，该电子阻挡层14中所述AlyGa(1-y)N层142的掺杂元素为C元素。
如图16所示，在所述电子阻挡层14背离所述衬底11的一侧生长P型半导体15层，所述P型半导体层15为P型AlGaN层，所用MO源为TMGa、TMAl、Cp2Mg，气体源为NH3、H2做载气。
如图5所示，在所述P型半导体层15背离所述衬底11的一侧生长P型接触层18，所用MO源为TMGa、TMAl、Cp2Mg，气体源为NH3、H2做载气。
通过上述描述可知，本发明将深紫外LED的电子阻挡层设计成超晶格结构的形式，在所述AlyGa(1-y)N层掺杂C元素之后，成为P型半导体，可以提供空穴，同时所述AlyGa(1-y)N层掺杂C元素之后具有磁性，属于稀磁半导体，利用电子的电荷度和自旋电荷更有利于空穴的传导。
即，在阻挡电子的同时，有利于空穴的注入，进而提高深紫外LED的发光效率。
以上对本发明所提供的一种深紫外LED及其制作方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (11)
1.一种深紫外LED，其特征在于，所述深紫外LED包括：
衬底；
依次设置在所述衬底一侧的N型半导体层、多量子阱层、电子阻挡层和P型半导体层；
其中，所述电子阻挡层为稀磁材料的电子阻挡层。
2.根据权利要求1所述的深紫外LED，其特征在于，所述电子阻挡层为AlxGa(1-x)N层和AlyGa(1-y)N层组成的超晶格结构；
其中，0＜x＜1,0＜y＜1，所述AlxGa(1-x)N层为未掺杂层，所述AlyGa(1-y)N层的掺杂元素为C元素。
3.根据权利要求1所述的深紫外LED，其特征在于，所述电子阻挡层为AlxGa(1-x)N层和AlyGa(1-y)N层组成的超晶格结构；
其中，0＜x＜1,0＜y＜1，所述AlxGa(1-x)N层为未掺杂层，所述AlyGa(1-y)N层的掺杂元素为C元素和Mg元素。
4.根据权利要求2或3所述的深紫外LED，其特征在于，所述超晶格结构的周期为2-100。
5.根据权利要求3所述的深紫外LED，其特征在于，所述Mg元素的掺杂浓度为1E18-1E20。
6.根据权利要求2或3所述的深紫外LED，其特征在于，所述AlxGa(1-x)N层的厚度为10nm-50nm。
7.根据权利要求2或3所述的深紫外LED，其特征在于，所述AlyGa(1-y)N层的厚度为10nm-50nm。
8.根据权利要求1所述的深紫外LED，其特征在于，所述电子阻挡层的生长温度为950℃-1100℃。
9.一种深紫外LED的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底的一侧依次设置N型半导体层、多量子阱层、电子阻挡层和P型半导体层；
其中，所述电子阻挡层为稀磁材料的电子阻挡层。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述电子阻挡层为AlxGa(1-x)N层和AlyGa(1-y)N层组成的超晶格结构；
其中，0＜x＜1,0＜y＜1，所述AlxGa(1-x)N层为未掺杂层，所述AlyGa(1-y)N层的掺杂元素为C元素；
在形成所述AlyGa(1-y)N层时，采用脉冲的方式通入C元素。
11.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述电子阻挡层为AlxGa(1-x)N层和AlyGa(1-y)N层组成的超晶格结构；
其中，0＜x＜1,0＜y＜1，所述AlxGa(1-x)N层为未掺杂层，所述AlyGa(1-y)N层的掺杂元素为C元素和Mg元素；
在形成所述AlyGa(1-y)N层时，采用同时脉冲的方式通入C元素和Mg元素，或采用穿插脉冲的方式通入C元素和Mg元素。
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