CN113782652B - 一种量子垒掺杂的紫外led外延片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种量子垒掺杂的紫外LED外延片及其制造方法，包括蓝宝石衬底、以及依次叠层在蓝宝石衬底上的AlN层、N型AlGaN层、多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层，多量子阱层是由x个量子垒层和x‑1个量子阱层交替生长而成的层叠结构，2<x<10，多量子阱结构中靠近N型AlGaN层一端的至少一组量子垒层为掺杂有Si元素的第一量子垒层，其余量子垒层为掺杂有Mg元素的第二量子垒层，其优点在于：能够提高量子阱的辐射复合发光效率，同时使紫外LED延片具有更高的内量子效率，相应的紫外LED器件也将具有更高的发光效率。

Description

一种量子垒掺杂的紫外LED外延片及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种量子垒掺杂的紫外LED外延片及其制造方法。
背景技术
AlGaN基紫外LED发光波长在200—320nm之间，在生物医疗、杀菌消毒、生化检测和高密度信息储存等方面具有广阔的应用价值。与现有的紫外汞灯相比，具有(1)体积轻便：体积小且方便与其他设施整合；(2)安全无毒：无汞、材料无毒性且对环境无害；(3)环境适应性强：封装后可用于特种气体、液体与各种复杂环境中；(4)单色性好：可得有效波段的高发光效率等优点。
目前，AlGaN基紫外LED与蓝光LED相比存在能量转换效率低的缺点，其原因主要有(1)AlGaN材料的掺杂效率低，导致载流子的激活效率和浓度低；(2)AlGaN材料的自发极化效应引发量子限制斯塔克效应，导致量子阱的能带弯曲，电子和空穴波函数在空间上分离，辐射复合效率低；(3)短波长的光提取效率低。量子阱作为LED器件的发光区域，对其组分、结构和掺杂进行优化是提高LED器件内量子效率的重要手段。
公开号“CN 110459655 A”，名称为“一种量子垒掺杂的深紫外LED及制备方法”的中国发明专利披露了一种深紫外LED的量子垒掺杂方法，提出对量子垒进行Si掺杂，掺杂浓度为5E18至1E19之间，来实现自我极化屏蔽。该种量子阱传导电子的能力强，因此绝大部分电子和空穴将在最靠近P型层的那个量子阱中复合，未复合的电子将有泄露进入P型层，导致辐射复合效率低。
公开号“CN 112366258 A”，名称为“紫外发光二极管外延片及其制造方法”的中国发明专利披露了一种紫外LED量子阱的掺杂方法，对量子阱层掺Si而量子垒层掺Mg，以抑制极化效应而产生的内建电场，但对量子阱进行掺杂会降低量子阱的晶体质量，会成为非辐射复合中心，降低LED的内量子效率。
因此，有必要制作出一种量子垒掺杂的紫外LED外延片及其制造方法以提高量子阱中电子和空穴的迁移能力和辐射复合效率，从而提高紫外LED的外量子效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种量子垒掺杂的紫外LED外延片及其制造方法以解决背景技术中所提及的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种量子垒掺杂的紫外LED外延片及其制造方法，包括蓝宝石衬底、以及依次叠层在蓝宝石衬底上的AlN层、N型AlGaN层、多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层，多量子阱结构是由x个量子垒层和x-1个量子阱层交替生长而成的层叠结构，2<x<10，多量子阱结构中靠近N型AlGaN层一端的至少一组量子垒层为掺杂有Si元素的第一量子垒层，其余量子垒层为掺杂有Mg元素的第二量子垒层。
对本发明的进一步描述：量子阱层为AlGaN层，其中Al组分比例为10％～80％。
对本发明的进一步描述：第一量子垒层中Si元素的掺杂浓度为1E17至1E19cm-3。
对本发明的进一步描述：第二量子垒层中Mg元素的掺杂浓度为1E17至1E19 cm-3。
对本发明的进一步描述：量子垒层的掺杂区域为量子垒层的中部。
对本发明的进一步描述：多组第一量子垒层的Al组分沿着外延片的层叠方向逐渐降低，多组第二量子垒层的Al组分沿着外延片的层叠方向逐渐升高。
一种量子垒掺杂的紫外LED外延片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、将蓝宝石衬底放置在金属有机化合物化学气相沉积反应室中，设置温度为1150℃～1350℃，压力为50～200Torr，烘烤1～10分钟；
步骤S2、设置温度为1050℃～1350℃，压力20～80Torr、V/III比为100～4000，依次生长AlN层和N型AlGaN层，AlN层厚度为2～4um，N型AlGaN层厚度为1～2um；
步骤S3、设置温度为1000℃～1300℃，压力20～80Torr、V/III比为100～4000，交替生长x个量子垒层和x-1个量子阱层，2<x<10，对前y个量子垒层进行Si掺杂，y<x，掺杂浓度为5E17至1E19cm-3，对后x-y个量子垒层进行Mg掺杂，掺杂浓度为5E17至1E19cm-3，整个多量子阱结构的厚度在30～120nm；
步骤S4、设置温度为1050℃～1350℃，压力20～80Torr、V/III比为100～4000，依次生长电子阻挡层和P型AlGaN层，电子阻挡层厚度为10～100nm，P型AlGaN层厚度为10～100nm；
步骤S5、设置温度为800～1000℃，压力50～200Torr、V/III比为100～4000，生长P型GaN层作为P型欧姆接触层，厚度为10～100nm；
步骤S6、在温度600～1100℃，压力50～200Torr，N2气氛围中进行高温退火5～30分钟。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种量子垒掺杂的紫外LED外延片及其制备方法，对靠近N型层和P型层的量子垒中分别进行Si和Mg掺杂，不仅提高了电子和空穴分别从N型层和P型层注入多量子阱中心区域的迁移能力，也在原位提供更多了的电子和空穴，提高了量子阱的辐射复合发光效率。同时，由于绝大部分电子和空穴发生辐射复合的区域位于中间的量子阱，减少了电子和空穴的泄露，使外紫外LED延片具有更高的内量子效率，相应的紫外LED器件也将具有更高的发光效率。
附图说明
图1是本发明的量子垒掺杂的紫外LED外延片结构示意图；
图2是本发明多量子阱结构的结构示意图；
附图标记说明：
1、蓝宝石衬底；2、AlN层；3、N型AlGaN层；4、多量子阱结构；41、量子垒层；411、第一量子垒层；412、第二量子垒层；42、量子阱层；5、电子阻挡层；6、P型AlGaN层；7、P型GaN层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步说明：
如图1至2所示，一种量子垒掺杂的紫外LED外延片，包括蓝宝石衬底1、以及依次叠层在蓝宝石衬底1上的AlN层2、N型AlGaN层3、多量子阱结构4、电子阻挡层5、P型AlGaN层6和P型GaN层7，多量子阱结构4是由x个量子垒层41和x-1个量子阱层42交替生长而成的层叠结构，2<x<10，多量子阱结构4中靠近N型AlGaN层3一端的至少一组量子垒层41为掺杂有Si元素的第一量子垒层411，其余量子垒层41为掺杂有Mg元素的第二量子垒层412。
在本设计中，x数值取4，即多量子阱结构4包含3个量子阱层42和4个量子垒层41，其中第一量子垒层411和第二量子垒层412均为两层，量子阱层42和量子垒层41交替层叠，第一量子垒层411靠近N型AlGaN层3，第二量子垒层412靠近电子阻挡层5。
所述量子阱层42为AlGaN层，其中Al组分比例为10％～80％。
所述第一量子垒层411中Si元素的掺杂浓度为1E17至1E19cm-3。
所述第二量子垒层412中Mg元素的掺杂浓度为1E17至1E19cm-3。
掺杂区域可以只对第一量子垒层411和第二量子垒层412的中间部分进行掺杂，对靠近所述量子阱层42的边缘部分不掺杂，以防止掺杂元素扩散进入所述量子阱层42中，造成所述量子阱层42的晶体质量下降，非辐射复合增加，从而影响紫外LED外延片的内量子效率。
第一量子垒层411和所述第二量子垒层412的Al组分可以一致，也可以是V字型分布，即第一量子垒层411的Al组分沿着外延片的层叠方向逐渐降低，而所述第二量子垒层412的Al组分沿着外延片的层叠方向逐渐升高，这样有利于绝大部分电子和空穴迁移到所述第一量子垒层411和所述第二量子垒层412之间的量子阱中，提高辐射复合效率。
一种量子垒掺杂的紫外LED外延片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、将蓝宝石衬底1放置在金属有机化合物化学气相沉积反应室中，设置温度为1150℃～1350℃，压力为50～200Torr，烘烤1～10分钟；
步骤S2、设置温度为1050℃～1350℃，压力20～80Torr、V/III比为100～4000，依次生长AlN层2和N型AlGaN层3，AlN层2厚度为2～4um，N型AlGaN层3厚度为1～2um；
步骤S3、设置温度为1000℃～1300℃，压力20～80Torr、V/III比为100～4000，交替生长4个量子垒层41和3个量子阱层42，对前两个量子垒层41，即第一量子垒层411进行Si掺杂，掺杂浓度为5E17至1E19cm-3，对后两个量子垒层41，即第二量子垒层412进行Mg掺杂，掺杂浓度为5E17至1E19cm-3，整个多量子阱结构4的厚度在30～120nm，在本设计中，量子阱层42的Al组分在10～80％之间，每层厚度在1～3nm之间；第一量子垒层411和所述第二量子垒层412的Al组分在10～99％之间，每层厚度在5～20nm之间；
步骤S4、设置温度为1050℃～1350℃，压力20～80Torr、V/III比为100～4000，依次生长电子阻挡层5和P型AlGaN层6，电子阻挡层5厚度为10～100nm，P型AlGaN层6厚度为10～100nm；
步骤S5、设置温度为800～1000℃，压力50～200Torr、V/III比为100～4000，生长P型GaN层7作为P型欧姆接触层，厚度为10～100nm；
步骤S6、在温度600～1100℃，压力50～200Torr，N2气氛围中进行高温退火5～30分钟。
本发明有效提升紫外LED的内量子效率和发光效率，加速紫外LED替代汞灯的步伐，发展安全环保便携的紫外光源，在生物医疗、杀菌消毒、生化检测和高密度信息储存等方面具有广阔的应用价值。
以上并非对本发明的技术范围作任何限制，凡依据本发明技术实质对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种量子垒掺杂的紫外LED外延片，其特征在于：包括蓝宝石衬底、以及依次叠层在所述蓝宝石衬底上的AlN层、N型AlGaN层、多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层，所述多量子阱结构是由x个量子垒层和x-1个量子阱层交替生长而成的层叠结构，2<x<10，所述多量子阱结构中靠近所述N型AlGaN层一端的至少一组所述量子垒层为掺杂有Si元素的第一量子垒层，其余所述量子垒层为掺杂有Mg元素的第二量子垒层；
所述量子垒层的掺杂区域为所述量子垒层的中部；
多组所述第一量子垒层的Al组分沿着所述外延片的层叠方向逐渐降低，多组所述第二量子垒层的Al组分沿着外延片的层叠方向逐渐升高。
2.根据权利要求1所述的一种量子垒掺杂的紫外LED外延片，其特征在于：所述量子阱层为AlGaN层，其中Al组分比例为10％～80％。
3.根据权利要求1所述的一种量子垒掺杂的紫外LED外延片，其特征在于：所述第一量子垒层中Si元素的掺杂浓度为1E17至1E19 cm-3。
4.根据权利要求1所述的一种量子垒掺杂的紫外LED外延片，其特征在于：所述第二量子垒层中Mg元素的掺杂浓度为1E17至1E19 cm-3。
5.一种量子垒掺杂的紫外LED外延片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、将蓝宝石衬底放置在金属有机化合物化学气相沉积反应室中，设置温度为1150℃～1350℃，压力为50～200Torr，烘烤1～10分钟；
步骤S2、设置温度为1050℃～1350℃，压力20～80Torr、V/III比为100～4000，依次生长AlN层和N型AlGaN层，所述AlN层厚度为2～4um，所述N型AlGaN层厚度为1～2um；
步骤S3、设置温度为1000℃～1300℃，压力20～80Torr、V/III比为100～4000，交替生长x个量子垒层和x-1个量子阱层，2<x<10，对前y个量子垒层进行Si掺杂，y<x，掺杂浓度为5E17至1E19 cm-3，对后x-y个量子垒层进行Mg掺杂，掺杂浓度为5E17至1E19 cm-3，整个多量子阱结构的厚度在30～120nm；
步骤S4、设置温度为1050℃～1350℃，压力20～80Torr、V/III比为100～4000，依次生长电子阻挡层和P型AlGaN层，所述电子阻挡层厚度为10～100nm，所述P型AlGaN层厚度为10～100nm；
步骤S5、设置温度为800～1000℃，压力50～200Torr、V/III比为100～4000，生长P型GaN层作为P型欧姆接触层，厚度为10～100nm；
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Effective date of registration: 20220324

Address after: Building A1, innovation city, Songshanhu University, Dongguan, Guangdong 523000

Applicant after: Material Laboratory of Songshan Lake

Address before: 523000 Room 302, building 12, No. 1, Xuefu Road, Songshanhu Park, Dongguan City, Guangdong Province

Applicant before: Zhongzi semiconductor technology (Dongguan) Co.,Ltd.

GR01 Patent grant
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