CN113725332B - 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
本发明涉及发光二极管技术领域，具体涉及一种紫外LED外延结构及其制备方法和应用。所述紫外LED外延结构从下向上依次包括衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型掺杂层、量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型AlGaN层；所述N型掺杂层从下向上依次包括第一NAlaGa1‑aN层、第二NAlbGa1‑bN层、第三NAlcGa1‑cN层和第四NAldGa1‑dN层。本发明提供一种新型的N型掺杂层结构，该结构可以有效的调节电子的迁移效率，提升了电子和空穴在MQW区域分布的均衡性，有效提高了电子和空穴的复合几率，显著提升了内量子效率，极大的提高了发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，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)是一种常用的发光器件，通过电子与空穴复合释放能量发光，它在照明领域应用广泛。发光二极管可高效地将电能转化为光能，在现代社会具有广泛的用途，如照明、平板显示、医疗器件等。基于半导体材料的紫外发光二极管具有节能、环保和寿命长等优点，在杀菌消毒、医疗和生化检测等领域有重大的应用价值。近年来，半导体紫外光电材料和器件在全球引起越来越多的关注，成为研发热点。目前，紫外发光二极管是氮化物技术发展和第三代半导体材料技术发展的主要趋势，拥有广阔的应用前景。但目前紫外LED的研究尚存在一些技术瓶颈，造成器件的发光效率很低，影响了其大规模的商业化实现。
因此，需对现有技术进一步改进，以提高紫外LED的发光效率。
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，可以有效调节电子的迁移效率，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、内量子效率以及发光效率。
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，所述紫外LED外延结构从下向上依次包括衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型掺杂层、量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型AlGaN层；所述N型掺杂层从下向上依次包括第一NAlaGa1-aN层、第二NAlbGa1-bN层、第三NAlcGa1-cN层和第四NAldGa1-dN层。
进一步的，在上述紫外LED外延结构中，0.1≤a≤0.6，0.2≤b≤0.6，0.1≤c≤0.6，0.2≤d≤0.6。
进一步的，在上述紫外LED外延结构中，b＞d＞c＞a。
进一步的，在上述紫外LED外延结构中，N型掺杂层的厚度为1～4μm。
进一步的，在上述紫外LED外延结构中，第一NAlaGa1-aN层的厚度h1为0.5～2μm，第二NAlbGa1-bN层的厚度h2为0.05～0.3μm，第三NAlcGa1-cN层的厚度h3为0.3～1.8μm，第四NAldGa1-dN层的厚度h4为0.05～0.3μm。
优选的，在上述紫外LED外延结构中，h3＜h1，h4＜h2。
进一步的，在上述紫外LED外延结构中，所述N型掺杂层掺杂Si，Si的掺杂浓度为1E18/cm3～3E19/cm3。
优选的，在上述紫外LED外延结构中，第一NAlaGa1-aN层Si掺杂浓度＞第三NAlcGa1- cN层Si掺杂浓度＞第二NAlbGa1-bN层Si掺杂浓度＞第四NAldGa1-dN层Si掺杂浓度。
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GaN、AlGaN、InAlGaN、AlN的单层结构或其组合的多层结构；所述缓冲层的吸收波长的禁带宽度大于紫外LED发光波长的禁带宽度。
进一步的，在上述紫外LED外延结构中，所述非故意掺杂层为GaN、AlGaN、InAlGaN的单层结构或其组合的多层结构；所述非故意掺杂层的吸收波长小于紫外LED的发光波长。
进一步的，在上述紫外LED外延结构中，量子阱发光层的结构为具有多个周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN；周期数为5～10。
优选的，在上述紫外LED外延结构中，任意一个周期内，AlxGa1-xN为势垒层，0.1≤x≤0.6，厚度为3～10nm；AlyGa1-yN为势阱层，0＜y≤0.5，厚度为2～4nm。
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，本发明提供上述的紫外LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：制备衬底；
步骤S2：在衬底上生长缓冲层；缓冲层的生长温度为500～1100℃，生长厚度为15～50nm；
步骤S3：在缓冲层上生长非故意掺杂层；非故意掺杂层生长温度为1000～1400℃，生长厚度为2.0～4.0μm；
步骤S4：在非故意掺杂层上生长N型掺杂层；N型掺杂层生长温度为1000～1400℃；
步骤S5：在N型掺杂层上生长量子阱发光层；生长温度为900～1100℃；
步骤S6：在量子阱发光层上生长P型电子阻挡层；生长温度为1000～1100℃；生长厚度为30～80nm；
步骤S7：在P型电子阻挡层上生长P型AlGaN层；生长温度为1000～1100℃；生长厚度为30～150nm。
第三方面，本发明提供上述的紫外LED外延结构或紫外LED外延结构的制备方法在制备发光二极管和半导体器件中的应用。
本发明的有益效果为：
本发明提供的紫外LED外延结构和紫外LED外延结构的制备方法，通过对N型掺杂层的结构调整以及N型掺杂层中不同层之间Al组分含量的限定，有效的调节电子的迁移效率，提升了电子和空穴在MQW区域分布的均衡性，有效提高了电子和空穴的复合几率，显著提升了内量子效率，极大的提高了发光效率。
附图说明
图1是本发明紫外LED外延结构的结构示意图
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。
实施例1
一种紫外LED外延结构，从下向上依次包括衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型掺杂层、量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型AlGaN层；所述N型掺杂层从下向上依次包括第一NAlaGa1-aN层、第二NAlbGa1-bN层、第三NAlcGa1-cN层和第四NAldGa1-dN层。其中a＝0.1，b＝0.25，c＝0.15，d＝0.2。
所述紫外LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：制备衬底；
步骤S2：在衬底上生长缓冲层；缓冲层的生长温度为800℃，生长厚度为15nm；
步骤S3：在缓冲层上生长非故意掺杂层；非故意掺杂层生长温度为1100℃，生长厚度为2.0μm；
步骤S4：在非故意掺杂层上生长N型掺杂层；N型掺杂层生长温度为1000℃；
步骤S5：在N型掺杂层上生长量子阱发光层；生长温度为900℃；
步骤S6：在量子阱发光层上生长P型电子阻挡层；生长温度为1000℃；生长厚度为30nm；
步骤S7：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30nm。
实施例2
一种紫外LED外延结构，从下向上依次包括衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型掺杂层、量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型AlGaN层；所述N型掺杂层从下向上依次包括第一NAlaGa1-aN层、第二NAlbGa1-bN层、第三NAlcGa1-cN层和第四NAldGa1-dN层。其中a＝0.1，b＝0.3，c＝0.15，d＝0.25。
所述紫外LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：制备衬底；
步骤S2：在衬底上生长缓冲层；缓冲层的生长温度为900℃，生长厚度为50nm；
步骤S3：在缓冲层上生长非故意掺杂层；非故意掺杂层生长温度为1100℃，生长厚度为4.0μm；
步骤S4：在非故意掺杂层上生长N型掺杂层；N型掺杂层生长温度为1100℃；
步骤S5：在N型掺杂层上生长量子阱发光层；生长温度为900℃；
步骤S6：在量子阱发光层上生长P型电子阻挡层；生长温度为1100℃；生长厚度为80nm；
步骤S7：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，从下向上依次包括衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型掺杂层、量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型AlGaN层；所述N型掺杂层从下向上依次包括第一NAlaGa1-aN层、第二NAlbGa1-bN层、第三NAlcGa1-cN层和第四NAldGa1-dN层。其中a＝0.15，b＝0.3，c＝0.2，d＝0.25。
所述紫外LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：制备衬底；
步骤S2：在衬底上生长缓冲层；缓冲层的生长温度为800℃，生长厚度为15nm；
步骤S3：在缓冲层上生长非故意掺杂层；非故意掺杂层生长温度为1100℃，生长厚度为2.0μm；
步骤S4：在非故意掺杂层上生长N型掺杂层；N型掺杂层生长温度为1000℃；
步骤S5：在N型掺杂层上生长量子阱发光层；生长温度为900℃；
步骤S6：在量子阱发光层上生长P型电子阻挡层；生长温度为1000℃；生长厚度为30nm；
步骤S7：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30nm。
实施例4
一种紫外LED外延结构，从下向上依次包括衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型掺杂层、量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型AlGaN层；所述N型掺杂层从下向上依次包括第一NAlaGa1-aN层、第二NAlbGa1-bN层、第三NAlcGa1-cN层和第四NAldGa1-dN层。其中，b＞d＞c＞a，a＝0.2，b＝0.35，c＝0.25，d＝0.3。
所述紫外LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：制备衬底；
步骤S2：在衬底上生长缓冲层；缓冲层的生长温度为800℃，生长厚度为15nm；
步骤S3：在缓冲层上生长非故意掺杂层；非故意掺杂层生长温度为1100℃，生长厚度为2.0μm；
步骤S4：在非故意掺杂层上生长N型掺杂层；N型掺杂层生长温度为1000℃；
步骤S5：在N型掺杂层上生长量子阱发光层；生长温度为900℃；
步骤S6：在量子阱发光层上生长P型电子阻挡层；生长温度为1000℃；生长厚度为30nm；
步骤S7：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30nm。
对比例1
一种紫外LED外延结构，从下向上依次包括衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型掺杂层、量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型AlGaN层；所述N型掺杂层从下向上依次包括第一NAlaGa1-aN层、第二NAlbGa1-bN层、第三NAlcGa1-cN层和第四NAldGa1-dN层。a＝b＝c＝d＝0.1。制备方法同实施例1。
对比例2
一种紫外LED外延结构，从下向上依次包括衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型掺杂层、量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型AlGaN层；所述N型掺杂层从下向上依次包括第一NAlaGa1-aN层、第二NAlbGa1-bN层、第三NAlcGa1-cN层和第四NAldGa1-dN层。其中a、b、c、d的取值为a＝0.05，b＝0.05，c＝0.05，d＝0.05。制备方法同实施例1。
对比例3
一种紫外LED外延结构，从下向上依次包括衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型掺杂层、量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型AlGaN层；所述N型掺杂层从下向上依次包括第一NAlaGa1-aN层、第二NAlbGa1-bN层、第三NAlcGa1-cN层和第四NAldGa1-dN层。其中a＝0.35，b＝0.2，c＝0.3，d＝0.25。制备方法同实施例1。
实验数据
将上述实施例以及对比例的LED外延片制作成4545mil芯片，用维明UVLED测试机进行测试，测试结果如表1所示。
表1
由表1可知，与对比例1～3比，本发明实施例通过对N型掺杂层的结构调整以及N型掺杂层中不同层之间Al组分含量的限定，可以有效的调节电子的迁移效率，提升了电子和空穴在MQW区域分布的均衡性，有效提高了电子和空穴的复合几率，显著提升了内量子效率，极大的提高了发光效率。
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 (8)
1.一种紫外LED外延结构，其特征在于，所述紫外LED外延结构从下向上依次包括衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型掺杂层、量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型AlGaN层；所述N型掺杂层从下向上依次包括第一NAlaGa1-aN层、第二NAlbGa1-bN层、第三NAlcGa1-cN层和第四NAldGa1-dN层；b＞d＞c＞a；
0.1≤a≤0.6，0.2≤b≤0.6，0.1≤c≤0.6，0.2≤d≤0.6。
2.根据权利要求1所述的紫外LED外延结构，其特征在于，N型掺杂层的厚度为1~4μm。
3.根据权利要求1所述的紫外LED外延结构，其特征在于，第一NAlaGa1-aN层的厚度h1为0.5~2μm，第二NAlbGa1-bN层的厚度h2为0.05~0.3μm，第三NAlcGa1-cN层的厚度h3为0.3~1.8μm，第四NAldGa1-dN层的厚度h4为0.05~0.3μm。
4.根据权利要求3所述的紫外LED外延结构，其特征在于，h3＜h1，h4＜h2。
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N型掺杂层掺杂Si，Si的掺杂浓度为1E18/cm3~3E19/cm3。
6.根据权利要求5所述的紫外LED外延结构，其特征在于，第一NAlaGa1-aN层Si掺杂浓度＞第三NAlcGa1-cN层Si掺杂浓度＞第二NAlbGa1-bN层Si掺杂浓度＞第四NAldGa1-dN层Si掺杂浓度。
7.权利要求1~6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S1：制备衬底；
步骤S2：在衬底上生长缓冲层；缓冲层的生长温度为500~1100℃，生长厚度为15~50nm；
步骤S3：在缓冲层上生长非故意掺杂层；非故意掺杂层生长温度为1000~1400℃，生长厚度为2.0~4.0μm；
步骤S4：在非故意掺杂层上生长N型掺杂层；N型掺杂层生长温度为1000~1400℃；
步骤S5：在N型掺杂层上生长量子阱发光层；生长温度为900~1100℃；
步骤S6：在量子阱发光层上生长P型电子阻挡层；生长温度为1000~1100℃；生长厚度为30~80nm；
步骤S7：在P型电子阻挡层上生长P型AlGaN层；生长温度为1000~1100℃；生长厚度为30~150nm。
8.权利要求1~6任意一项所述的紫外LED外延结构或权利要求7所述的紫外LED外延结构的制备方法在制备发光二极管和半导体器件中的应用。
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