CN113725326A - 一种紫外led外延结构及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及LED半导体技术领域，具体涉及一种紫外LED外延结构及其制备方法和应用。紫外LED外延结构包括由下向上设置的衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型层、量子阱发光层、P型电子阻挡层、P型AlGaN层；所述量子阱发光层为具有多个周期的AlxGa1‑xN/AlyGa1‑yN超晶格结构，所述AlxGa1‑xN/AlyGa1‑yN超晶格结构包括AlxGa1‑ xN势垒层和AlyGa1‑yN势阱层；所述AlyGa1‑yN势阱层由第一阱层AlyaGa1‑yaN、第二阱层AlybGa1‑ybN和第三阱层AlycGa1‑ycN组成，其中yb＞ya＞yc。本发明的紫外LED外延结构能够提升内量子效率和发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及LED半导体技术领域，具体涉及一种紫外LED外延结构及其制备方法和应用。
背景技术
发光二极管(LED，Light Emitting Diode)是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。其中紫外LED作为一种新型的紫外光源，具有能耗低、体积小、集成性好、寿命长、环保等优点。在多种紫外LED中，Ⅲ族氮化物基紫外LED由于具有无毒、不产生臭氧、开关速度快、光谱窄等优异性能，使其在卫生消毒、UV固化、光刻、防伪检测、医疗诊断和水净化等领域具有广阔的应用前景。
但目前Ⅲ族氮化物基紫外LED的研究尚存在一些技术瓶颈，如电子和空穴在MQW区域分布不均、电子和空穴的复合几率低等问题导致的发光功率不足以及内量子效率低，从而造成器件的发光效率很低，影响了其大规模的商业化实现。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种紫外LED外延结构及其制备方法和应用，使制备的紫外LED能够有效提升电子和空穴在MQW区域分布的均衡性，提高电子和空穴的复合几率，显著提升内量子效率，进而提高紫外LED的发光效率。
为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
第一方面，本发明提供一种紫外LED外延结构，包括由下向上设置的衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型层、量子阱发光层、P型电子阻挡层、P型AlGaN层；所述量子阱发光层为具有多个周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构包括AlxGa1-xN势垒层和AlyGa1-yN势阱层；所述AlyGa1-yN势阱层由第一阱层AlyaGa1-yaN、第二阱层AlybGa1-ybN和第三阱层AlycGa1-ycN组成，其中yb＞ya＞yc。
进一步的，在上述紫外LED外延结构中，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构的周期数为5～10。
进一步的，在上述紫外LED外延结构中，0.1≤x≤0.5，0＜y≤0.4。
进一步的，在上述紫外LED外延结构中，所述衬底包括但不限于蓝宝石、蓝宝石AlN薄膜、硅以及碳化硅。
进一步的，在上述紫外LED外延结构中，所述缓冲层为AlGaN、InAlGaN、AlN的单层结构或其组合的多层结构；非故意掺杂层为AlGaN、InAlGaN、AlN的单层结构或其组合的多层结构；所述N型层是AlGaN、InAlGaN、AlN的单层结构或其组合的多层结构，其吸收波长的禁带宽度大于紫外LED发光波长的禁带宽度。
优选的，在上述紫外LED外延结构中，所述N型层掺杂Si，掺杂浓度为1E18～3E19/cm3。
进一步的，在上述紫外LED外延结构中，所述P型电子阻挡层是pAlGaN、pAlInGaN、pAlN的单层或其组合的多层结构。
优选的，在上述紫外LED外延结构中，所述P型电子阻挡层掺杂Mg，掺杂浓度为5E18～3.5E19/cm3。
进一步的，在上述紫外LED外延结构中，组合的方式包括但不限于超晶格结构或交替堆叠。
进一步的，在上述紫外LED外延结构中，所述P型AlGaN层掺杂Mg，掺杂浓度为5E18～1E20/cm3。
第二方面，本发明提供一种紫外LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：制备衬底，在衬底上生长缓冲层；所述缓冲层生长温度为500～1100℃，生长厚度约为15～50nm；
步骤2：在缓冲层上生长非故意掺杂层；所述非故意掺杂层生长温度为1000～1400℃，生长厚度为2.0～4.0μm；
步骤3：在非故意掺杂层上生长N型层；所述N型层生长温度为1000～1400℃，生长厚度为1～4μm；
步骤4：在N型层上生长量子阱发光层；生长温度为900～1100℃；
步骤5：在量子阱发光层生长P型电子阻挡层，生长温度为900～1100℃；生长厚度为30～80nm；
步骤6：在P型电子阻挡层上生长P型AlGaN层，生长温度为900～1100℃；生长厚度为30～150nm。
进一步的，在上述紫外LED外延结构的制备方法中，第二阱层AlybGa1-ybN的生长厚度＞第一阱层AlyaGa1-yaN的生长厚度＞第三阱层AlycGa1-ycN的生长厚度。
进一步的，在上述紫外LED外延结构的制备方法中，在任意一个周期的量子阱发光层，AlxGa1-xN势垒层的生长厚度为3～10nm；AlyGa1-yN势阱层的生长厚度为2～4nm。
进一步的，在上述紫外LED外延结构的制备方法中，第一阱层AlyaGa1-yaN的生长厚度为0.3～1.2nm；第二阱层AlybGa1-ybN的生长厚度为2～3nm；第三阱层AlycGa1-ycN的生长厚度为0.1～1nm。
第三方面，本发明提供紫外LED外延结构或紫外LED外延结构的制备方法在制备紫外LED或半导体中的应用。
本发明的有益效果为：
(一)本发明提供的紫外LED外延结构中量子阱发光层为具有周期性AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构中的AlyGa1-yN势阱层由第一阱层AlyaGa1-yaN、第二阱层AlybGa1-ybN和第三阱层AlycGa1-ycN组成，其中yb＞ya＞yc。本申请通过限定AlyGa1-yN势阱层的结构和Al组分含量的变化关系，使得该结构能够有效提升电子和空穴在MQW区域分布的均衡性，提高了电子和空穴的复合几率，进一步提升内量子效率和发光效率。
(二)本申请通过调整紫外LED外延结构制备方法中各层结构的生长厚度以及厚度的变化关系，进一步的提升该外延结构的内量子效率和发光效率。
附图说明
图1是本发明紫外LED外延结构的结构示意图
图2是本发明多个周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构的结构示意图
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，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，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。
本发明中制备方法过程中生长压力和生长时间等设置，采用本领域技术人员常用的参数即可，本发明不做特别限定。
实施例1
一种紫外LED外延结构，包括由下向上设置的衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型层、量子阱发光层、P型电子阻挡层、P型AlGaN层；所述量子阱发光层为具有多个周期的AlxGa1- xN/AlyGa1-yN超晶格结构，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构包括AlxGa1-xN势垒层和AlyGa1-yN势阱层；所述AlyGa1-yN势阱层由第一阱层AlyaGa1-yaN、第二阱层AlybGa1-ybN和第三阱层AlycGa1-ycN组成，其中yb＞ya＞yc。x＝0.4，ya＝0.22，yb＝0.3，yc＝0.14。
所述紫外LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：制备衬底，在衬底上生长缓冲层；所述缓冲层生长温度为700℃，生长厚度约为15nm；
步骤2：在缓冲层上生长非故意掺杂层；所述非故意掺杂层生长温度为1100℃，生长厚度为2.0μm；
步骤3：在非故意掺杂层上生长N型层；所述N型层生长温度为1100℃，生长厚度为1μm；
步骤4：在N型层上生长量子阱发光层；生长温度为1000℃；
步骤5：在量子阱发光层生长P型电子阻挡层，生长温度为1100℃；生长厚度为30nm；
步骤6：在P型电子阻挡层上生长P型AlGaN层，生长温度为1000℃；生长厚度为60nm。
实施例2
一种紫外LED外延结构，包括由下向上设置的衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型层、量子阱发光层、P型电子阻挡层、P型AlGaN层；所述量子阱发光层为具有多个周期的AlxGa1- xN/AlyGa1-yN超晶格结构，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构包括AlxGa1-xN势垒层和AlyGa1-yN势阱层；所述AlyGa1-yN势阱层由第一阱层AlyaGa1-yaN、第二阱层AlybGa1-ybN和第三阱层AlycGa1-ycN组成，其中yb＞ya＞yc。x＝0.4，ya＝0.25，yb＝0.3，yc＝0.2。
所述紫外LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：制备衬底，在衬底上生长缓冲层；所述缓冲层生长温度为1100℃，生长厚度约为50nm；
步骤2：在缓冲层上生长非故意掺杂层；所述非故意掺杂层生长温度为1400℃，生长厚度为3.0μm；
步骤3：在非故意掺杂层上生长N型层；所述N型层生长温度为1400℃，生长厚度为2μm；
步骤4：在N型层上生长量子阱发光层；生长温度为1100℃；
步骤5：在量子阱发光层生长P型电子阻挡层，生长温度为1100℃；生长厚度为80nm；
步骤6：在P型电子阻挡层上生长P型AlGaN层，生长温度为1100℃；生长厚度为150nm。
实施例3
一种紫外LED外延结构，包括由下向上设置的衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型层、量子阱发光层、P型电子阻挡层、P型AlGaN层；所述量子阱发光层为具有多个周期的AlxGa1- xN/AlyGa1-yN超晶格结构，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构包括AlxGa1-xN势垒层和AlyGa1-yN势阱层；所述AlyGa1-yN势阱层由第一阱层AlyaGa1-yaN、第二阱层AlybGa1-ybN和第三阱层AlycGa1-ycN组成，其中yb＞ya＞yc。x＝0.4，ya＝0.22，yb＝0.3，yc＝0.14。其制备方法中第二阱层AlybGa1-ybN的生长厚度＞第一阱层AlyaGa1-yaN的生长厚度＞第三阱层AlycGa1-ycN的生长厚度，其余制备方法步骤同实施例1。
实施例4
一种紫外LED外延结构，包括由下向上设置的衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型层、量子阱发光层、P型电子阻挡层、P型AlGaN层；所述量子阱发光层为具有多个周期的AlxGa1- xN/AlyGa1-yN超晶格结构，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构包括AlxGa1-xN势垒层和AlyGa1-yN势阱层；所述AlyGa1-yN势阱层由第一阱层AlyaGa1-yaN、第二阱层AlybGa1-ybN和第三阱层AlycGa1-ycN组成，其中yb＞ya＞yc。x＝0.4，ya＝0.22，yb＝0.3，yc＝0.14。其制备方法中第一阱层AlyaGa1-yaN的生长厚度＜第二阱层AlybGa1-ybN的生长厚度＜第三阱层AlycGa1-ycN的生长厚度，其余制备方法步骤同实施例1。
对比例1
一种紫外LED外延结构，包括由下向上设置的衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型层、量子阱发光层、P型电子阻挡层、P型AlGaN层；所述量子阱发光层为具有多个周期的AlxGa1- xN/AlyGa1-yN超晶格结构，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构包括AlxGa1-xN势垒层和AlyGa1-yN势阱层，x＝0.4，y＝0.3。其超晶格结构周期数和其余制备方法同实施例1。
对比例2
一种紫外LED外延结构，其特征在于，包括由下向上设置的衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型层、量子阱发光层、P型电子阻挡层、P型AlGaN层；所述量子阱发光层为具有多个周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构包括AlxGa1-xN势垒层和AlyGa1-yN势阱层；所述AlyGa1-yN势阱层由第一阱层AlyaGa1-yaN、第二阱层AlybGa1-ybN和第三阱层AlycGa1-ycN组成，其中ya＞yb＞yc。x＝0.4，ya＝0.3，yb＝0.22，yc＝0.14。其超晶格结构周期数和其余制备方法同实施例1。
对比例3
一种紫外LED外延结构，其特征在于，包括由下向上设置的衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型层、量子阱发光层、P型电子阻挡层、P型AlGaN层；所述量子阱发光层为具有多个周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构包括AlxGa1-xN势垒层和AlyGa1-yN势阱层；所述AlyGa1-yN势阱层由第一阱层AlyaGa1-yaN、第二阱层AlybGa1-ybN和第三阱层AlycGa1-ycN组成，其中ya＜yb＜yc。x＝0.4，ya＝0.14，yb＝0.22，yc＝0.3。其超晶格结构周期数和其余制备方法同实施例1。
实验数据
将实施例1～4以及对比例1～3的LED外延结构制备成的2020mil芯片用维明UVLED测试机进行测量和测试，测试结果如表1所示。
表1
由表1可知，与对比例1-3相比，本发明提供的紫外LED外延结构中量子阱发光层为具有周期性AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构中的AlyGa1-yN势阱层由第一阱层AlyaGa1-yaN、第二阱层AlybGa1-ybN和第三阱层AlycGa1-ycN组成，其中yb＞ya＞yc。本申请通过限定AlyGa1-yN势阱层的结构和Al组分含量的变化关系，使得该结构能够有效提升电子和空穴在MQW区域分布的均衡性，提高了电子和空穴的复合几率，进一步提升内量子效率和发光效率。通过调整紫外LED外延结构制备方法中各层结构的生长厚度以及厚度的变化关系，进一步的提升该外延结构的内量子效率和发光效率。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本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 (10)
1.一种紫外LED外延结构，其特征在于，包括由下向上设置的衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型层、量子阱发光层、P型电子阻挡层、P型AlGaN层；所述量子阱发光层为具有多个周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构包括AlxGa1-xN势垒层和AlyGa1-yN势阱层；所述AlyGa1-yN势阱层由第一阱层AlyaGa1-yaN、第二阱层AlybGa1-ybN和第三阱层AlycGa1-ycN组成，其中yb＞ya＞yc。
2.根据权利要求1所述的紫外LED外延结构，其特征在于，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构的周期数为5～10。
3.根据权利要求1所述的紫外LED外延结构，其特征在于，0.1≤x≤0.5，0＜y≤0.4。
4.根据权利要求1所述的紫外LED外延结构，其特征在于，所述缓冲层为AlGaN、InAlGaN、AlN的单层结构或其组合的多层结构；非故意掺杂层为AlGaN、InAlGaN、AlN的单层结构或其组合的多层结构；所述N型层是AlGaN、InAlGaN、AlN的单层结构或其组合的多层结构，其吸收波长的禁带宽度大于紫外LED发光波长的禁带宽度。
5.根据权利要求1所述的紫外LED外延结构，其特征在于，所述P型电子阻挡层是pAlGaN、pAlInGaN、pAlN的单层或其组合的多层结构。
6.权利要求1～5任意一项所述的紫外LED外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：制备衬底，在衬底上生长缓冲层；所述缓冲层生长温度为500～1100℃，生长厚度约为15～50nm；
步骤2：在缓冲层上生长非故意掺杂层；所述非故意掺杂层生长温度为1000～1400℃，生长厚度为2.0～4.0μm；
步骤3：在非故意掺杂层上生长N型层；所述N型层生长温度为1000～1400℃，生长厚度为1～4μm；
步骤4：在N型层上生长量子阱发光层；生长温度为900～1050℃；
步骤5：在量子阱发光层生长P型电子阻挡层，生长温度为900～1100℃；生长厚度为30～80nm；
步骤6：在P型电子阻挡层上生长P型AlGaN层，生长温度为900～1100℃；生长厚度为30～150nm。
7.根据权利要求6所述的紫外LED外延结构的制备方法，其特征在于，第二阱层AlybGa1-ybN的生长厚度＞第一阱层AlyaGa1-yaN的生长厚度＞第三阱层AlycGa1-ycN的生长厚度。
8.根据权利要求6所述的紫外LED外延结构的制备方法，其特征在于，在任意一个周期的量子阱发光层，AlxGa1-xN势垒层的生长厚度为3～10nm；AlyGa1-yN势阱层的生长厚度为2～4nm。
9.根据权利要求6所述的紫外LED外延结构的制备方法，其特征在于，第一阱层AlyaGa1-yaN的生长厚度为0.3～1.2nm；第二阱层AlybGa1-ybN的生长厚度为2～3nm；第三阱层AlycGa1-ycN的生长厚度为0.1～1nm。
10.权利要求1～5任意一项所述的紫外LED外延结构或权利要求6～9任意一项所述的紫外LED外延结构的制备方法在制备紫外LED或半导体中的应用。
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| CN202110914247.4A CN113725326A (zh) | 2021-08-10 | 2021-08-10 | 一种紫外led外延结构及其制备方法和应用 |
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|---|---|---|---|---|
| CN114649450A (zh) * | 2022-01-26 | 2022-06-21 | 常熟理工学院 | 一种双波长紫外发光二极管外延层结构及其制备方法 |
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2021
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Patent Citations (5)
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| CN114649450A (zh) * | 2022-01-26 | 2022-06-21 | 常熟理工学院 | 一种双波长紫外发光二极管外延层结构及其制备方法 |
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