CN113299805B - 基于非对称量子阱结构的uv-led及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于非对称量子阱结构的UV‑LED，其结构自下而上包括：一衬底层；一生长于衬底层上的n‑AlGaN层；一生长于n型AlGaN层上的对称AlGaN量子阱层；一生长于对称AlGaN量子阱层上的非对称AlGaN量子阱层；一生长于非对称AlGaN量子阱层上的p‑AlGaN层；一生长于p‑AlGaN层上的p‑GaN层；p型电极和n型电极。本发明提出了一种基于非对称多量子阱结构的AlGaN基宽光谱紫外LED(UV‑LED)，通过多种不同Al组分和不同厚度的量子阱结构的组合，获得了宽发光光谱，在6V正向电压的偏置下，发光光谱半高宽为17nm，接近传统UV‑LED的两倍。

Description

基于非对称量子阱结构的UV-LED及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于非对称量子阱结构的UV-LED及其制备方法。
背景技术
传统UV-LED的结构有源层一般采用3-5个周期对称量子阱，传统的UV-LED 的量子阱结构单一，完全对称，得到的光谱较窄。目前紫外LED存在着发光峰窄的问题；由于缺乏深紫外荧光粉，无法像蓝光LED与荧光粉组合形成白光一样，实现紫外LED的宽光谱发光，亟需研究出基于单芯片的宽光谱紫外LED。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于非对称量子阱结构的UV-LED，具有宽发光光谱。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
基于非对称量子阱结构的UV-LED，其结构自下而上包括：
一衬底层；
一生长于衬底层上的n-AlGaN层；
一生长于n型AlGaN层上的对称AlGaN量子阱层；
一生长于对称AlGaN量子阱层上的非对称AlGaN量子阱层；
一生长于非对称AlGaN量子阱层上的p-AlGaN层；
一生长于p-AlGaN层上的p-GaN层；
p型电极，位于p型GaN层的上方；
n型电极，位于衬底层上的n-AlGaN层的上方。
优选的，所述对称AlGaN量子阱层为两个周期，每个周期内的AlGaN层具有不同组分。
优选的，对称AlGaN量子阱层每个周期内的AlGaN量子阱厚度分别为 3nm/7nm，Al组分分别为0.45/0.55。
优选的，所述非对称AlGaN量子阱层有7层，每一层与其相邻的层组分及厚度均不同。
优选的，所述非对称AlGaN量子阱层中每个AlGaN量子阱的厚度分别为 3nm/9nm/1nm/8nm/2nm/9nm/1nm，Al组分分别为0.45/0.55/0.35/0.55/0.35/0.45/0.3。
优选的，所述n-AlGaN电子注入层厚度为2um，Al组分为0.55，n型AlGaN 层的掺杂浓度为1*1018-1*1019cm-3；所述p型AlGaN层的掺杂浓度为1*1017- 1*1018cm-3，厚度为50nm，Al组分为0.55；所述p型GaN层的掺杂浓度为5*1017- 1*1019cm-3，厚度为100nm。
优选的，n型AlGaN层使用Si掺杂，载流子浓度为1*1018-1*1019cm-3；p 型AlGaN层使用Mg掺杂，载流子浓度为1*1017-1*1018cm-3；p型GaN层使用 Mg掺杂，载流子浓度为5*1017-1*1019cm-3。
本发明还公开了上述的基于非对称量子阱结构的UV-LED的制备方法，其步骤包括：
(1)MOCVD法在衬底表面沉积n型AlGaN层；
(2)MBE法在n型AlGaN层上面外延对称AlGaN量子阱层、非对称AlGaN 量子阱层、p-AlGaN层和p-GaN层；
(3)利用光刻胶做掩膜，使用ICP法刻蚀掉一部分结构用于台面隔离，刻蚀到n型AlGaN层，露出一端的n型AlGaN层；
(4)用电子束蒸镀的方法在n型AlGaN层上蒸镀n型电极，在p-GaN层上蒸镀p型电极。
优选的，步骤(1)中生长n型AlGaN层的方法：三甲基镓、三甲基铝和NH3分别作为Ga源、Al源和N源，载气为H2或者N2，生长温度为1000-1100℃，掺杂源为甲烷，载流子浓度为1*1018-1*1019cm-3；
步骤(2)中对称AlGaN量子阱层、非对称AlGaN量子阱层、p-AlGaN层和 p-GaN层的生长方法：利用MBE外延结构，金属Ga、Al作为金属源，N plasma 提供N源，金属Mg提供掺杂源，生长温度为900℃，p-AlGaN的掺杂源为Mg，载流子浓度为1*1017-1*1018cm-3，p-GaN的掺杂源为Mg，载流子浓度为 5*1018-1*1019cm-3；
步骤(4)中用电子束蒸镀的方法在n型AlGaN层顶表面两端制作Ti/Al/Ni/Au 多层金属作为n型电极，然后在快速热退火炉中热退火，最后在p-GaN顶表面制作Ni/Au的p型电极。
本发明提出了一种基于非对称多量子阱结构的AlGaN基宽光谱紫外LED (UV-LED)，通过多种不同Al组分和不同厚度的量子阱结构的组合，获得了宽发光光谱，在6V正向电压的偏置下，发光光谱半高宽为17nm，接近传统UV-LED 的两倍。与此同时，开启电压大约为4.1V，略低于传统的3个0.45Al组分量子阱LED，表现出稍好的性能。
附图说明
图1是实施例1的本发明步骤(8)中得到的n型AlGaN层结构示意图。
图2为对比例1传统的对称量子阱结构UV-LED结构示意图。
图3为实施例1的LED在正向6V偏压下用Silvaco仿真得到的6V偏压下的能带图。
图4为实施例1的LED在正向6V偏压下用Silvaco仿真得到的6V偏压下的载流子浓度分布图。
图5为实施例1和对比例1的LED用Silvaco仿真得到I-V曲线图
图6为实施例1和对比例1的LED用Silvaco仿真得到P-I曲线图
图7为实施例1和对比例1的LED在正向6V偏压下用Silvaco仿真得到的器件场强分布图。
图8是实施例1和对比例1的LED在正向6V偏压下用Silvaco仿真得到的功率谱密度曲线图。
具体实施方式
以下是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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领普通技术人员在没有做出创造性劳动的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，制备基于非对称量子阱结构UV-LED，其步骤包括：
(1)MOCVD法在蓝宝石衬底表面沉积n型Al0.55Ga0.45N层，如图1所示；生长n型Al0.55Ga0.45N层的方法：三甲基镓三甲基铝和NH3分别作为Ga源、Al 源和N源，载气为H2或者N2，生长温度为1000℃，生长厚度为2μm，掺杂源为甲烷，载流子浓度为1*1018-1*1019cm-3；
(2)MBE法在n型Al0.55Ga0.45N层外延2个周期的Al0.45Ga0.55N/Al0.55Ga0.45N 量子阱，如图2所示；金属Ga、Al作为金属源，N plasma提供N源，生长温度为900℃，Al0.45Ga0.55N厚度为3nm，Al0.55Ga0.45N厚度为7nm；
(3)MBE法在2个周期的Al0.45Ga0.55N/Al0.55Ga0.45N量子阱上外延 i-Al0.45Ga0.55N，如图3所示；金属Ga、Al作为金属源，N plasma提供N源，生长温度为900℃，i-Al0.45Ga0.55N厚度为3nm；
(4)MBE法在i-Al0.45Ga0.55N层上外延i-Al0.55Ga0.45N，i-Al0.45Ga0.55N厚度为 9nm；i-Al0.55Ga0.45N层上外延i-Al0.35Ga0.65N，厚度为1nm；在i-Al0.35Ga0.65N层上外延i-Al0.55Ga0.45N，厚度为8nm；在i-Al0.55Ga0.45N层上外延i-Al0.35Ga0.65N，厚度为2nm；在i-Al0.35Ga0.65N层上外延i-Al0.45Ga0.55N，厚度为9nm；在i-Al0.45Ga0.55N 层上外延i-Al0.3Ga0.7N，厚度为1nm，以上均采取金属Ga、Al作为金属源，N plasma 提供N源，生长温度为900℃；
(5)MBE法在i-Al0.3Ga0.7N层上外延p-Al0.55Ga0.45N；金属Ga、Al作为金属源，Nplasma提供N源，生长温度为900℃，p-Al0.55Ga0.45N厚度为50nm，掺杂源为Mg，载流子浓度为1*1017-1*1018cm-3；
(6)MBE法在p-Al0.55Ga0.45N层上外延p-GaN；金属Ga作为金属源，N plasma 提供N源，生长温度为900℃，p-GaN厚度为100nm，p-GaN的掺杂源为Mg，载流子浓度为5*1018-1*1019cm-3；
(7)利用光刻胶做掩膜，使用ICP刻蚀掉一部分结构用于台面隔离，刻蚀到n型AlGaN层，露出一端的n型AlGaN层；
(8)用电子束蒸镀的方法在p-GaN层上蒸镀p型电极，在n型Al0.55Ga0.45N 层上蒸镀n型电极，在n型Al0.55Ga0.45N层顶表面制作Ti/Al/Ni/Au：30/150/50/150 nm多层金属作为n型电极，在p-GaN顶表面制作Ni/Au：20/20nm的p型金属电极，前者需在快速热退火炉中850℃30s，后者在500℃空气氛围中退火 10min。制得如图1所示的基于非对称量子阱结构UV-LED。
对比例1
一种普通AlGaN基紫外LED，其结构包括：
一蓝宝石衬底层；
一生长于衬底层上的n-Al0.55Ga0.45N层，厚度为2um；
一生长于n型Al0.55Ga0.45N层不同组分的三个周期的对称 Al0.45Ga0.55N/Al0.55Ga0.45N量子阱，厚度为3nm/7nm；
一生长于Al0.45Ga0.55N/Al0.55Ga0.45N量子阱层上的p-AlGaN层，p-Al0.55Ga0.45N 厚度为50nm，掺杂源为Mg，载流子浓度为1*1017-1*1018cm-3；
一生长于p-Al0.55Ga0.45N层上的p-GaN，厚度为100nm，p-GaN的掺杂源为 Mg，载流子浓度为5*1018-1*1019cm-3；
p型电极，位于p-GaN层的上方，为Ni/Au两层金属，厚度为20/20nm；
n型电极，位于n-Al0.55Ga0.45N层右侧顶端，为Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度为30/150/50/150nm。
最终的结构图如图2所示。
图3为实施例1的LED在正向6V偏压下用Silvaco仿真得到的6V偏压下的能带图。
图4为实施例1的LED在正向6V偏压下用Silvaco仿真得到的6V偏压下的载流子浓度分布图。
图5为实施例1和对比例1的LED用Silvaco仿真得到I-V曲线图，实施例1 和对比例1的开启电压基本相同，但开启后实施例1的LED在相同工作电流下的所需电压明显增加了，说明电子和空穴的注入在非对称量子阱结构中变得困难了，这个可以归因于量子阱的个数增加了，同时不同量子阱结构之间Al组分的波动导致势垒起伏对载流子的阻挡作用增强了。
图6为实施例1和对比例1的LED用Silvaco仿真得到P-I曲线图，实施例1 的功率略低于对比例1。
图7为实施例1和对比例1的LED在正向6V偏压下用Silvaco仿真得到的器件场强分布图。实施例1相比对比例1而言在前三个较低铝组分的量子阱处具有更强的电场。
图8是实施例1和对比例1的LED在正向6V偏压下用Silvaco仿真得到的功率谱密度曲线图。实施例1的LED具有更宽的发光光谱，半高宽约为17nm,大致是传统LED的两倍。另外从光谱中可以看出，实施例1的LED功率谱密度曲线在 285nm处有一个明显的下降峰。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于非对称量子阱结构的UV-LED，其结构自下而上包括：
一衬底层；
一生长于衬底层上的n-AlGaN层；
一生长于n-AlGaN层上的对称AlGaN量子阱层；
一生长于对称AlGaN量子阱层上的非对称AlGaN量子阱层；
一生长于非对称AlGaN量子阱层上的p-AlGaN层；
一生长于p-AlGaN层上的p-GaN层；
p型电极，位于p-GaN层的上方；
n型电极，位于衬底层上的n-AlGaN层的上方。
2.根据权利要求1所述的基于非对称量子阱结构的UV-LED，其特征在于：所述对称AlGaN量子阱层为两个周期，每个周期内的AlGaN层具有不同组分。
3.根据权利要求2所述的基于非对称量子阱结构的UV-LED，其特征在于：对称AlGaN量子阱层每个周期内的AlGaN量子阱厚度分别为3nm/7nm，Al组分分别为0.45/0.55。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于非对称量子阱结构的UV-LED，其特征在于：所述非对称AlGaN量子阱层有7层，每一层与其相邻的层组分及厚度均不同。
5.根据权利要求4所述的基于非对称量子阱结构的UV-LED，其特征在于：所述非对称AlGaN量子阱层中每个AlGaN量子阱的厚度分别为3nm/9nm/1nm/8nm/2nm/9nm/1nm，Al组分分别为0.45/0.55/0.35/0.55/0.35/0.45/0.3。
6. 根据权利要求5所述的基于非对称量子阱结构的UV-LED，其特征在于：所述n-AlGaN层厚度为2um，Al组分为0.55，n-AlGaN层的掺杂浓度为1*1018-1*1019 cm-3；所述p-AlGaN层的掺杂浓度为1*1017-1*1018 cm-3，厚度为50nm，Al组分为0.55；所述p-GaN层的掺杂浓度为5*1017-1*1019 cm-3，厚度为100nm。
7. 根据权利要求6所述的基于非对称量子阱结构的UV-LED，其特征在于：n-AlGaN层使用Si掺杂，载流子浓度为1*1018-1*1019 cm-3； p-AlGaN层使用Mg掺杂，载流子浓度为1*1017-1*1018 cm-3；p-GaN层使用Mg掺杂，载流子浓度为5*1017-1*1019 cm-3。
8.权利要求1-7中任一项所述的基于非对称量子阱结构的UV-LED的制备方法，其步骤包括：
（1）MOCVD法在衬底表面沉积n-AlGaN层；
（2）MBE法在n-AlGaN层上面外延对称AlGaN量子阱层、非对称AlGaN量子阱层、p-AlGaN层和p-GaN层；
（3）利用光刻胶做掩膜，使用ICP法刻蚀掉一部分结构用于台面隔离，刻蚀到n-AlGaN层，露出一端的n-AlGaN层；
（4）用电子束蒸镀的方法在n-AlGaN层上蒸镀n型电极，在p-GaN层上蒸镀p型电极。
9.根据权利要求8所述的基于非对称量子阱结构的UV-LED的制备方法，其特征在于：步骤（1）中生长n-AlGaN层的方法：三甲基镓、三甲基铝和NH3分别作为Ga源、Al源和N源，载气为H2或者N2，生长温度为1000-1100 ℃，掺杂源为甲烷，载流子浓度为1*1018-1*1019 cm-3；
步骤（2）中对称AlGaN量子阱层、非对称AlGaN量子阱层、p-AlGaN层和p-GaN层的生长方法：利用MBE外延结构，金属Ga、Al作为金属源，N plasma提供N源，金属Mg提供掺杂源，生长温度为900℃，p-AlGaN的掺杂源为Mg，载流子浓度为1*1017-1*1018 cm-3，p-GaN的掺杂源为Mg，载流子浓度为5*1018-1*1019 cm-3；
步骤（4）中用电子束蒸镀的方法在n-AlGaN层顶表面两端制作Ti/Al/Ni/Au多层金属作为n型电极，然后在快速热退火炉中热退火，最后在p-GaN顶表面制作Ni/Au的p型电极。
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