CN114649450A - 一种双波长紫外发光二极管外延层结构及其制备方法 - Google Patents

一种双波长紫外发光二极管外延层结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双波长紫外发光二极管外延层结构，包括由下至上依次叠置的蓝宝石衬底、AlN成核层、Alx1Ga1‑x1N缓冲层、第一Ga2O3层、第一AlN层、Alx2In1‑x2‑y1Gay1N层、n型Alx3Ga1‑x3N层、量子势垒势阱层、p型Alx7Ga1‑x7N电子阻挡层、p型Alx8Ga1‑x8N层、Alx9In1‑x9‑y2Gay2N层、第二AlN层、第二Ga2O3层和p型GaN层，Alx1Ga1‑x1N缓冲层和第二Ga2O3层的上表面均设有微结构，量子势垒势阱层包括层叠设置的若干周期层，周期层为由下至上依次叠至的Alx4Ga1‑x4N量子势垒层、Alx5Ga1‑x5N量子势阱层、Alx6Ga1‑x6N量子势阱层、Alx4Ga1‑x4N量子势垒层、Alx6Ga1‑x6N量子势阱层和Alx5Ga1‑x5N量子势阱层，Alx5Ga1‑x5N量子势阱层和Alx6Ga1‑x6N量子势阱层具有不同的发光波长。本发明还公开了双波长紫外发光二极管外延层结构的制备方法。本发明解决了衬底和p型GaN层对于紫外光的吸收引起的出光率低的问题，提高了载流子分布均匀性。

Description

一种双波长紫外发光二极管外延层结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种紫外发光二极管外延层结构及其制备方法，特别是一种双波长紫外发光二极管外延层结构及其制备方法。
背景技术
铝氮镓(AlGaN)基半导体材料是直接带隙宽禁带半导体材料，在空气净化、生物医疗、国防工业等领域具有广泛的应用前景，是得到高质量紫外发光二极管的关键性基础材料。三元化合物AlxGa1-xN的能带隙可以通过改变Al组分x进行调节，使其对应的波长在200-365nm之间连续可调。
由于高铝组分的AlGaN合金的p型掺杂存在一定的挑战，随着发射波长的降低，电子泄漏的可能会显著增加，导致电子的注入效率也会随之降低，出光效率低。然而，出光效率低的另一个重要原因是紫外线在p型GaN层中的吸收严重。目前虽然设计和优化了紫外发光二极管的结构来减少GaN材料对于紫外光的吸收，但是紫外尤其是深紫外发光二极管的光提取效率仍然远远低于蓝光发光二极管。从发光机制上来看，对于深紫外发光二极管而言，当铝的组分增加时，光的偏振从TE变为横磁(TM)模式。研究发现，对于生长在C面蓝宝石衬底上的紫外发光二极管结构，TE(或TM)偏振方向对应于垂直于(或平行于)C轴的电场。由于TE偏振光主要沿垂直方向传播，因此比TM偏振光更容易从芯片基片方向逃逸。尤其是对于高铝组分的AlGaN紫外发光二极管，TM影响光提取效率的因素也随之增大，即光提取和出光效率更低。
当前，紫外发光二极管外延生长所面临的主要问题有：AlGaN材料内部的各种缺陷密度过高、p型掺杂困难、量子阱中载流子分布不均匀、光提取效率低、发光效率普遍较低等问题，严重阻碍了AlGaN基紫外发光二极管的应用，因此研究如何提高AlGaN材料的外延质量，提高载流子注入效率，改善量子阱中载流子的分布均匀性，提高光提取效率及整体出光效率是当下关注的重点。
发明内容
针对上述现有技术缺陷，本发明的任务在于提供一种双波长紫外发光二极管外延层结构，解决量子阱中载流子分布不均匀，衬底和p型GaN层对于紫外光尤其是深紫外光的吸收，从而导致出光率低的问题。本发明的另一任务在于提供一种双波长紫外发光二极管外延层结构的制备方法。
本发明技术方案如下：一种双波长紫外发光二极管外延层结构，包括由下至上依次叠置的蓝宝石衬底、AlN成核层、Alx1Ga1-x1N缓冲层、第一Ga2O3层、第一AlN层、Alx2In1-x2- y1Gay1N层、n型Alx3Ga1-x3N层、量子势垒势阱层、p型Alx7Ga1-x7N电子阻挡层、p型Alx8Ga1-x8N层、Alx9In1-x9-y2Gay2N层、第二AlN层、第二Ga2O3层和p型GaN层，所述Alx1Ga1-x1N缓冲层和第二Ga2O3层的上表面均设有微结构，所述量子势垒势阱层包括层叠设置的若干周期层和位于最顶层的所述周期层之上的Alx4Ga1-x4N量子势垒层，所述周期层为由下至上依次叠至的Alx4Ga1-x4N量子势垒层、Alx5Ga1-x5N量子势阱层、Alx6Ga1-x6N量子势阱层、Alx4Ga1-x4N量子势垒层、Alx6Ga1-x6N量子势阱层和Alx5Ga1-x5N量子势阱层，其中，0.4＜x1≤x2＝x9≤x3≤x4＜1，0＜x6＜x5＜0.4，0.4＜x8≤x7＜1，0＜y1＝y2＜0.4，所述Alx5Ga1-x5N量子势阱层和所述Alx6Ga1-x6N量子势阱层具有不同的发光波长，所述第一Ga2O3层、第一AlN层、Alx2In1-x2- y1Gay1N层的折射率递增，所述Alx9In1-x9-y2Gay2N层、第二AlN层、第二Ga2O3层的折射率递减。
进一步地，所述第一Ga2O3层和第二Ga2O3层的折射率为1.92、所述第一AlN层和第二AlN层的折射率为2～2.1、所述Alx2In1-x2-y1Gay1N层和所述Alx9In1-x9-y2Gay2N层的折射率为2.2～2.7，且之间厚度关系满足第一Ga2O3层＜第一AlN层＜Alx2In1-x2-y1Gay1N层；Alx9In1-x9-y2Gay2N层＞第二AlN层＞第二Ga2O3层。
进一步地，所述AlN成核层的厚度为5～20nm，所述Alx1Ga1-x1N缓冲层的厚度为1000～4000nm，所述第一Ga2O3层和所述第二Ga2O3层的厚度为20～200nm，所述第一AlN层和所述第二AlN层的厚度为200～600nm，所述Alx2In1-x2-y1Gay1N层的厚度为800～1000nm，所述n型Alx3Ga1-x3N层的厚度为1000～2500nm，所述n型Alx3Ga1-x3N层的掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3，所述p型Alx7Ga1-x7N电子阻挡层的厚度为10～50nm，所述p型Alx7Ga1-x7N电子阻挡层的掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，所述p型Alx8Ga1-x8N层的厚度为50～300nm，所述p型Alx8Ga1-x8N层的掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3，所述Alx9In1-x9-y2Gay2N层的厚度为800～1000nm，所述p型GaN层的厚度为20-60nm，所述p型GaN层的掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3，所述周期层中的每个Alx4Ga1-x4N量子势垒层的厚度为10～20nm，所述量子势垒势阱层中的每个Alx5Ga1-x5N量子势阱层和每个Alx6Ga1-x6N量子势阱层的厚度为3～5nm。
进一步地，所述微结构为周期性重复的凹陷或凸起的圆锥体、多边行柱体和半球体中的任意一种，所述微结构的占空比为0.05～0.2。
进一步地，所述量子势垒势阱层中周期层数量为2～10。
进一步地，所述蓝宝石衬底为C面、R面、A面、M面晶体中的任意一种，所述蓝宝石衬底的顶面设有纳米级图形化微结构。
一种双波长紫外发光二极管外延层结构的制备方法，采用MOCVD设备进行材料生长，包括以下步骤：对所述蓝宝石衬底进行烘烤预处理，然后在蓝宝石衬底上依次生长制备所述AlN成核层和所述Alx1Ga1-x1N缓冲层，中断生长后在所述Alx1Ga1-x1N缓冲层表面制备所述微结构，清洗后在所述Alx1Ga1-x1N缓冲层表面继续依次生长制备所述第一Ga2O3层、所述第一AlN层、Alx2In1-x2-y1Gay1N层、n型Alx3Ga1-x3N层、量子势垒势阱层、p型Alx7Ga1-x7N电子阻挡层、p型Alx8Ga1-x8N层、Alx9In1-x9-y2Gay2N层、第二AlN层和第二Ga2O3层，再次中断生长后在所述第二Ga2O3层表面制备所述微结构，清洗后在所述第二Ga2O3层表面生长制备所述p型GaN层。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明采用能带调制的方法，设置非周期性对称设计的量子阱结构，可以极大提高载流子在多量子阱内的分布均匀性，提高载流子的辐射复合几率；通过多层不同厚度、不同折射率层的设置，可以极大提高紫外光的侧向提取，解决了衬底和p型GaN层对于紫外光尤其是深紫外光的吸收，从而导致出光率低的问题。
外延结构中可调可变的双波长发光的设置，优点在于：1)在深紫外发光二极管工作时，同时也发出近紫外波长的光，而近紫外光尤其是紫光波段是容易被观察识别，这样在深紫外发光二极管具体工作时，可以及时被发现，从而避免了不可见深紫外光对于眼睛的伤害。2)双波长的设置，可以同时发出两个波长的紫外光，一颗芯片即可满足对于多种应用场景的需求。
在外延层结构的制备过程中，生长制备Alx1Ga1-x1N缓冲层后中断生长，在表面制备微结构后再放入MOCVD系统继续进行外延生长，可以有效阻断材料生长过程中，位错向上的延伸，提高后续外延层的晶体质量。Ga2O3层生长制备后中断，在第二Ga2O3层表面的微结构有助于提高在第二Ga2O3层上形成p型GaN层的晶体质量，从而最终改善外延及器件的导通电压。
附图说明
图1为实施例1的双波长紫外发光二极管外延层结构示意图。
图2为实施例1的双波长紫外发光二极管外延层结构中量子阱能带示意图。
图3为实施例1的双波长紫外发光二极管外延层结构出光示意图。
图4为实施例1的双波长紫外发光二极管外延层结构的AFM测试图
图5为实施例2的双波长紫外发光二极管外延层结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
本发明的双波长紫外发光二极管外延层结构的制备方法包括以下的步骤：采用MOCVD设备进行材料生长，
(1)对蓝宝石衬底进行高温烘烤预处理，温度为950～1200℃，保持时间2～5min；
(2)在蓝宝石衬底上生长AlN成核层，生长过程中III族前驱物为三乙基铝，流量为30～120sccm；V族前驱物为氨气，流量为500～1500sccm；载气为氢气，流量为500～2500sccm，生长温度为850～1200℃；
(3)在AlN成核层上生长Alx1Ga1-x1N缓冲层，生长过程中III族前驱物为三甲基镓和三甲基铝，三甲基镓的流量为10～90sccm，三甲基铝的流量为10～100sccm；V族前驱物为氨气，流量为500～2000sccm；载气为氮气，流量为500～2500sccm，生长温度为950～1200℃；
(4)中断生长，取出外延片半成品，在Alx1Ga1-x1N缓冲层表面通过采用湿法刻蚀、干法刻蚀或者纳米压印的方法制备微结构；
(5)清洗步骤(4)后得到的外延片半成品，在Alx1Ga1-x1N缓冲层上生长第一Ga2O3层，生长过程中III族前驱物为三甲基镓，流量为5～50sccm，其载气为氩气，流量为50～500sccm；VI族前驱物为氧气，流量为300～1000sccm，其载气为氮气，流量为1000～3000sccm，生长温度为700～1000℃；
(6)在第一Ga2O3层上生长第一AlN层，生长过程中III族前驱物为三甲基铝，流量为20～100sccm；V族前驱物为氨气，流量为500～2000sccm；载气为氢气，流量为500～2500sccm，生长温度为950～1250℃；
(7)在第一AlN层上生长Alx2In1-x2-y1Gay1N层，生长过程中III族前驱物为三甲基镓、三甲基铝和三甲基铟，三甲基镓的流量为10～100sccm，三甲基铝的流量为20～120sccm，所述三甲基铟的流量为5～50sccm；V族前驱物为氨气，流量为500～2000sccm；载气为氮气，流量为500～2500sccm，生长温度为950～1200℃；
(8)在Alx2In1-x2-y1Gay1N层上生长n型Alx3Ga1-x3N层，生长过程中III族前驱物为三甲基镓和三甲基铝，三甲基镓的流量为10～70sccm，三甲基铝的流量为40～140sccm；V族前驱物为氨气，流量为500～2000sccm；载气为氮气并以硅烷为掺杂源进行掺杂，氮气的流量为500～2500sccm，硅烷流量10～180sccm，生长温度为950～1200℃；
(9)在n型Alx3Ga1-x3N层上生长量子势垒势阱层，量子势垒势阱层为若干周期层层叠以及位于最顶层的周期层之上的Alx4Ga1-x4N量子势垒层，每个周期层为依次生长：首先生长第一层Alx4Ga1-x4N量子势垒层，然后生长第一层Alx5Ga1-x5N量子势阱层以及第一层Alx6Ga1-x6N量子势阱层，再生长第二层Alx4Ga1-x4N量子势垒层，然后生长第二层Alx6Ga1-x6N量子势阱层以及第二层Alx5Ga1-x5N量子势阱层，周期层生长制备结束后，再生长一层Alx4Ga1- x4N量子势垒层(即位于最顶层的周期层之上的Alx4Ga1-x4N量子势垒层)。在Alx4Ga1-x4N量子势垒层生长过程中，III族前驱物为三乙基镓和三乙基铝，三乙基镓的流量为10～50sccm，三乙基铝的流量为20～180sccm；V族前驱物为氨气，流量为500～2000sccm；载气为氢气，流量为500～2500sccm，生长温度为950～1200℃；在Alx5Ga1-x5N量子势阱层生长过程中III族前驱物为三乙基镓和三乙基铝，三乙基镓的流量为10～120sccm，三乙基铝的流量为20～140sccm；V族前驱物为氨气，流量为500～2000sccm；载气为氢气，流量为500～2500sccm，生长温度为950～1100℃；在Alx6Ga1-x6N量子势阱层生长过程中III族前驱物为三乙基镓和三乙基铝，三乙基镓的流量为30～150sccm和三乙基铝的流量为20～100sccm；V族前驱物为氨气，流量为500～2000sccm；载气为氢气流量为500～2500sccm，生长温度为950～1050℃；
(10)在量子势垒势阱层上生长p型Alx7Ga1-x7N电子阻挡层，生长过程中III族前驱物为三甲基镓和三甲基铝，三甲基镓的流量为10～40sccm，三甲基铝的流量为20～200sccm；V族前驱物为氨气，流量为500～2000sccm；载气为氮气并以二茂镁为掺杂源进行掺杂，氮气的流量为500～2500sccm，二茂镁的流量为40～200sccm，生长温度为1000～1200℃；
(11)在p型Alx7Ga1-x7N电子阻挡层上生长p型Alx8Ga1-x8N层，生长过程中III族前驱物为三甲基镓和三甲基铝，三甲基镓的流量为10～100sccm，三甲基铝的流量为20～120sccm；V族前驱物为氨气，流量为500～2000sccm；载气为氮气并以二茂镁为掺杂源进行掺杂，氮气的流量为500～2500sccm，二茂镁的流量为50～250sccm，生长温度为950～1200℃；
(12)在p型Alx8Ga1-x8N层上生长Alx9In1-x9-y2Gay2N层，生长过程中III族前驱物为三甲基镓、三甲基铝和三甲基铟，三甲基镓的流量为10～100sccm，所述三甲基铝的流量为20～120sccm，所述三甲基铟的流量为5～50sccm；V族前驱物为氨气，流量为500～2000sccm；载气为氮气，流量为500～2500sccm，生长温度为950～1200℃；
(13)在Alx9In1-x9-y2Gay2N层上生长第二AlN层，生长过程中III族前驱物为三甲基铝，流量为20～100sccm；V族前驱物为氨气，流量为500～2000sccm，载气为氢气，流量为500～2500sccm，生长温度为950～1250℃；
(14)在第二AlN层上生长第二Ga2O3层，生长过程中III族前驱物为三甲基镓，流量为5～50sccm，其载气为氩气，流量为50～500sccm；VI族前驱物为氧气，流量为300～1000sccm，其载气为氮气，流量为1000～3000sccm，生长温度为700～1000℃；
(15)中断生长，取出外延片半成品，在第二Ga2O3层的表面通过采用湿法刻蚀、干法刻蚀或者纳米压印的方法制备微结构；
(16)清洗步骤(15)后得到的外延片半成品，在第二Ga2O3层上生长p型GaN层，生长过程中III族前驱物为三甲基镓，流量为20～200sccm；V族前驱物为氨气，流量为500～2000sccm；载气为氮气并以二茂镁为掺杂源进行掺杂，氮气流量为500～2500sccm，二茂镁流量为50～200sccm，生长温度为950～1200℃；
(17)排空尾气，待原位自然冷却后取出外延片，完成材料的外延生长，其中0.4＜x1≤x2＝x9≤x3≤x4＜1，0＜x6＜x5＜0.4，0.4＜x8≤x7＜1，0＜y1＝y2＜0.4。
由上述方法制得以下各实施例
实施例1：
请结合图1所示，本实施例的双波长紫外发光二极管外延层结构是这样的：包括由下至上依次叠置的蓝宝石衬底101、AlN成核层102、Alx1Ga1-x1N缓冲层103、第一Ga2O3层105、第一AlN层106、Alx2In1-x2-y1Gay1N层107、n型Alx3Ga1-x3N层108、Alx4Ga1-x4N量子势垒层1091、Alx5Ga1-x5N量子势阱层1092、Alx6Ga1-x6N量子势阱层1093、Alx4Ga1-x4N量子势垒层1091、Alx6Ga1-x6N量子势阱层1093、Alx5Ga1-x5N量子势阱层1092、Alx4Ga1-x4N量子势垒层1091、p型Alx7Ga1-x7N电子阻挡层110、p型Alx8Ga1-x8N层111、Alx9In1-x9-y2Gay2N层112、第二AlN层113、第二Ga2O3层114和p型GaN层116，其中Alx4Ga1-x4N量子势垒层1091、Alx5Ga1-x5N量子势阱层1092、Alx6Ga1-x6N量子势阱层1093、Alx4Ga1-x4N量子势垒层1091、Alx6Ga1-x6N量子势阱层1093、Alx5Ga1-x5N量子势阱层1092以及顶部的Alx4Ga1-x4N量子势垒层1091构成了仅有一个周期层的量子势垒势阱层109。本实施例中x1＝0.5，x2＝0.6，x3＝0.65，x4＝0.7，x5＝0.3，x6＝0.2，x7＝0.7，x8＝0.65，x9＝0.6、y1＝y2＝0.25。Alx1Ga1-x1N缓冲层103以及第二Ga2O3层114上表面的微结构104,115可以是凹陷或凸起的圆锥体、多边行柱体和半球体的周期排列结构，本实施例中为占空比0.05的凹陷圆锥体。蓝宝石衬底101为C面晶体，AlN成核层102的厚度为5nm，Alx1Ga1-x1N缓冲层103的厚度为1000nm，第一Ga2O3层105的厚度为20nm且折射率为1.92，第一AlN层106的厚度为200nm且折射率为2，Alx2In1-x2-y1Gay1N层107的厚度为800nm且折射率为2.2，n型Alx3Ga1-x3N层108的厚度为1000nm，其掺杂浓度为1×1018cm-3，量子势垒势阱层109中每层Alx4Ga1-x4N量子势垒层1091的厚度为10nm，每层Alx5Ga1-x5N量子势阱层1092的厚度为3nm，其发光波长为298nm，每层Alx6Ga1-x6N量子势阱层1093的厚度为3nm，其发光波长为313nm，p型Alx7Ga1-x7N电子阻挡层110的厚度为10nm，其掺杂浓度为1×1017cm-3，p型Alx8Ga1-x8N层111的厚度为50nm，其掺杂浓度为1×1018cm-3，Alx9In1-x9-y2Gay2N层112的厚度为800nm且折射率为2.2，第二AlN层113的厚度为200nm且折射率为2、第二Ga2O3层114的厚度为20nm且折射率为1.92，p型GaN层116的厚度为20nm，其掺杂浓度为1×1018cm-3。
请参见图2、图3所示，其中图2为实施例1的双波长紫外发光二极管外延层结构中量子阱能带结构示意图。图中EC为导带，EV为价带，电子和空穴分别越过各自的势垒层注入到量子阱区域，载流子跃迁辐射复合发光。通过不对称的量子阱设计，有助于提高载流子在量子阱中的注入效率。图3为实施例1的双波长紫外发光二极管外延层结构出光示意图。图中从量子阱发出的光，大部分将往上或者往下传播，在传播路径上，先通过高折射率层，再通过低折射率层，通过这样的折射率的变化，可以多次改变光的传播路径，使得大部分光可以从芯片侧面出射，而避免了光射向衬底和p型层被吸收的问题，从而极大地提高光的提取效率。
请参见图4所示，外延薄膜的表面粗糙度为4.2nm，理论计算可以得出，该实施例其光提取效率理论值为9％，较常规技术方案可以提升20％以上。常规技术方案中，主要通过优化芯片的结构来改善器件的光提取效率，如：在p型层上附加微透镜结构，增强光在p型层与空气界面的散射来提高光提取效率；采用Ni/Al电极代替传统的Ni/Au电极，提高紫外光的反射率，从而提高光提取效率；对蓝宝石衬底的侧面进行切割和粗化，提高光的逸出，从而提高光提取效率等。以上传统方案，对于紫外或者深紫外发光二极管的光提取效率普遍低于8％。
实施例2：
请结合图5所示，本实施例的双波长紫外发光二极管外延层结构是这样的：包括由下至上依次叠置的蓝宝石衬底201、AlN成核层202、Alx1Ga1-x1N缓冲层203、第一Ga2O3层205、第一AlN层206、Alx2In1-x2-y1Gay1N层207、n型Alx3Ga1-x3N层208、量子势垒势阱层209、p型Alx7Ga1-x7N电子阻挡层210、p型Alx8Ga1-x8N层211、Alx9In1-x9-y2Gay2N层212、第二AlN层213、第二Ga2O3层214和p型GaN层216，其中量子势垒势阱层209包括两个周期层和一个顶部的Alx4Ga1-x4N量子势垒层2091，每个周期层由下至上依次为Alx4Ga1-x4N量子势垒层2091、Alx5Ga1-x5N量子势阱层2092、Alx6Ga1-x6N量子势阱层2093、Alx4Ga1-x4N量子势垒层2091、Alx6Ga1-x6N量子势阱层2093、Alx5Ga1-x5N量子势阱层2092。本实施例中x1＝0.5，x2＝0.6，x3＝0.65，x4＝0.7，x5＝0.3，x6＝0.2，x7＝0.7，x8＝0.65，x9＝0.6、y1＝y2＝0.25。Alx1Ga1- x1N缓冲层203以及第二Ga2O3层214上表面的微结构204,215为占空比0.1的凹陷半球体。蓝宝石衬底201为C面晶体，AlN成核层202的厚度为20nm，Alx1Ga1-x1N缓冲层203的厚度为4000nm，第一Ga2O3层205的厚度为200nm且折射率为1.92，第一AlN层206的厚度为600nm且折射率为2.1，Alx2In1-x2-y1Gay1N层207的厚度为1000nm且折射率为2.5，n型Alx3Ga1-x3N层208的厚度为2500nm，其掺杂浓度为5×1018cm-3，量子势垒势阱层209中每层Alx4Ga1-x4N量子势垒层2091的厚度为20nm，每层Alx5Ga1-x5N量子势阱层2092的厚度为5nm，其发光波长为298nm，每层Alx6Ga1-x6N量子势阱层2093的厚度为5nm，其发光波长为313nm，p型Alx7Ga1-x7N电子阻挡层210的厚度为20nm，其掺杂浓度为1×1018cm-3，p型Alx8Ga1-x8N层211的厚度为300nm，其掺杂浓度为5×1018cm-3，Alx9In1-x9-y2Gay2N层212的厚度为1000nm且折射率为2.5，第二AlN层213的厚度为600nm且折射率为2.1、第二Ga2O3层214的厚度为200nm且折射率为1.92，p型GaN层216的厚度为60nm，其掺杂浓度为1×1019cm-3。
理论计算可以得出，本实施例的光提取效率理论值为13％。
实施例3：
本实施例的双波长紫外发光二极管外延层结构是这样的：包括由下至上依次叠置的蓝宝石衬底、AlN成核层、Alx1Ga1-x1N缓冲层、第一Ga2O3层、第一AlN层、Alx2In1-x2-y1Gay1N层、n型Alx3Ga1-x3N层、量子势垒势阱层、p型Alx7Ga1-x7N电子阻挡层、p型Alx8Ga1-x8N层、Alx9In1-x9-y2Gay2N层、第二AlN层、第二Ga2O3层和p型GaN层，其中量子势垒势阱层包括五个周期层，每个周期层由下至上依次为Alx4Ga1-x4N量子势垒层、Alx5Ga1-x5N量子势阱层、Alx6Ga1- x6N量子势阱层、Alx4Ga1-x4N量子势垒层、Alx6Ga1-x6N量子势阱层、Alx5Ga1-x5N量子势阱层。本实施例中x1＝0.5，x2＝0.6，x3＝0.65，x4＝0.7，x5＝0.3，x6＝0.2，x7＝0.7，x8＝0.65，x9＝0.6、y1＝y2＝0.25。Alx1Ga1-x1N缓冲层以及第二Ga2O3层上表面的微结构为占空比0.2的凹陷半球体。蓝宝石衬底为C面晶体，AlN成核层的厚度为10nm，Alx1Ga1-x1N缓冲层的厚度为2000nm，第一Ga2O3层的厚度为120nm且折射率为1.92，第一AlN层的厚度为300nm且折射率为2.1，Alx2In1-x2-y1Gay1N层的厚度为850nm且折射率为2.7，n型Alx3Ga1-x3N层的厚度为2500nm，其掺杂浓度为1×1020cm-3，量子势垒势阱层中每层Alx4Ga1-x4N量子势垒层的厚度为15nm，每层Alx5Ga1-x5N量子势阱层的厚度为4nm，其发光波长为298nm，每层Alx6Ga1-x6N量子势阱层的厚度为4nm，其发光波长为313nm，p型Alx7Ga1-x7N电子阻挡层的厚度为20nm，其掺杂浓度为1×1019cm-3，p型Alx8Ga1-x8N层的厚度为200nm，其掺杂浓度为1×1020cm-3，Alx9In1-x9-y2Gay2N层的厚度为850nm且折射率为2.7，第二AlN层的厚度为300nm且折射率为2.1、第二Ga2O3层的厚度为120nm且折射率为1.92，p型GaN层的厚度为50nm，其掺杂浓度为1×1020cm-3。
理论计算可以得出，本实施例的光提取效率理论值为15％。

Claims (7)

1.一种双波长紫外发光二极管外延层结构，其特征在于，包括由下至上依次叠置的蓝宝石衬底、AlN成核层、Alx1Ga1-x1N缓冲层、第一Ga2O3层、第一AlN层、Alx2In1-x2-y1Gay1N层、n型Alx3Ga1-x3N层、量子势垒势阱层、p型Alx7Ga1-x7N电子阻挡层、p型Alx8Ga1-x8N层、Alx9In1-x9- y2Gay2N层、第二AlN层、第二Ga2O3层和p型GaN层，所述Alx1Ga1-x1N缓冲层和第二Ga2O3层的上表面均设有微结构，所述量子势垒势阱层包括层叠设置的若干周期层和位于最顶层的所述周期层之上的Alx4Ga1-x4N量子势垒层，所述周期层为由下至上依次叠至的Alx4Ga1-x4N量子势垒层、Alx5Ga1-x5N量子势阱层、Alx6Ga1-x6N量子势阱层、Alx4Ga1-x4N量子势垒层、Alx6Ga1-x6N量子势阱层和Alx5Ga1-x5N量子势阱层，其中，0.4＜x1≤x2＝x9≤x3≤x4＜1，0＜x6＜x5＜0.4，0.4＜x8≤x7＜1，0＜y1＝y2＜0.4，所述Alx5Ga1-x5N量子势阱层和所述Alx6Ga1-x6N量子势阱层具有不同的发光波长，所述第一Ga2O3层、第一AlN层、Alx2In1-x2-y1Gay1N层的折射率递增，所述Alx9In1-x9-y2Gay2N层、第二AlN层、第二Ga2O3层的折射率递减。
2.根据权利要求1所述的双波长紫外发光二极管外延层结构的制备方法，其特征在于，所述第一Ga2O3层和第二Ga2O3层的折射率为1.92、所述第一AlN层和第二AlN层的折射率为2～2.1、所述Alx2In1-x2-y1Gay1N层和所述Alx9In1-x9-y2Gay2N层的折射率为2.2～2.7，且之间厚度关系满足第一Ga2O3层＜第一AlN层＜Alx2In1-x2-y1Gay1N层；Alx9In1-x9-y2Gay2N层＞第二AlN层＞第二Ga2O3层。
3.根据权利要求1所述的双波长紫外发光二极管外延层结构的制备方法，其特征在于，所述AlN成核层的厚度为5～20nm，所述Alx1Ga1-x1N缓冲层的厚度为1000～4000nm，所述第一Ga2O3层和所述第二Ga2O3层的厚度为20～200nm，所述第一AlN层和所述第二AlN层的厚度为200～600nm，所述Alx2In1-x2-y1Gay1N层的厚度为800～1000nm，所述n型Alx3Ga1-x3N层的厚度为1000～2500nm，所述n型Alx3Ga1-x3N层的掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3，所述p型Alx7Ga1- x7N电子阻挡层的厚度为10～50nm，所述p型Alx7Ga1-x7N电子阻挡层的掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3，所述p型Alx8Ga1-x8N层的厚度为50～300nm，所述p型Alx8Ga1-x8N层的掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3，所述Alx9In1-x9-y2Gay2N层的厚度为800～1000nm，所述p型GaN层的厚度为20-60nm，所述p型GaN层的掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3，所述量子势垒势阱层中的每个Alx4Ga1-x4N量子势垒层的厚度为10～20nm，所述周期层中的每个Alx5Ga1-x5N量子势阱层和每个Alx6Ga1-x6N量子势阱层的厚度为3～5nm。
4.根据权利要求1所述的双波长紫外发光二极管外延层结构的制备方法，其特征在于，所述微结构为周期性重复的凹陷或凸起的圆锥体、多边行柱体和半球体中的任意一种，所述微结构的占空比为0.05～0.2。
5.根据权利要求1所述的双波长紫外发光二极管外延层结构的制备方法，其特征在于，所述量子势垒势阱层中周期层数量为2～10。
6.根据权利要求1所述的双波长紫外发光二极管外延层结构的制备方法，其特征在于，所述蓝宝石衬底为C面、R面、A面、M面晶体中的任意一种，所述蓝宝石衬底的顶面设有纳米级图形化微结构。
7.一种如权利要求1所述的双波长紫外发光二极管外延层结构的制备方法，采用MOCVD设备进行材料生长，其特征在于，包括以下步骤：对所述蓝宝石衬底进行烘烤预处理，然后在蓝宝石衬底上依次生长制备所述AlN成核层和所述Alx1Ga1-x1N缓冲层，中断生长后在所述Alx1Ga1-x1N缓冲层表面制备所述微结构，清洗后在所述Alx1Ga1-x1N缓冲层表面继续依次生长制备所述第一Ga2O3层、所述第一AlN层、Alx2In1-x2-y1Gay1N层、n型Alx3Ga1-x3N层、量子势垒势阱层、p型Alx7Ga1-x7N电子阻挡层、p型Alx8Ga1-x8N层、Alx9In1-x9-y2Gay2N层、第二AlN层和第二Ga2O3层，再次中断生长后在所述第二Ga2O3层表面制备所述微结构，清洗后在所述第二Ga2O3层表面生长制备所述p型GaN层。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116632137A (zh) * 2023-07-24 2023-08-22 江西乾照光电有限公司 抗静电能力改善层及其制备方法、外延片及发光二极管
CN116885066A (zh) * 2023-09-04 2023-10-13 江西兆驰半导体有限公司 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103137805A (zh) * 2013-03-12 2013-06-05 南京大学 用于光电微型传感器的宽谱紫外发光二极管及其制作方法
CN104485404A (zh) * 2014-12-29 2015-04-01 北京大学 一种高亮度近紫外led及其外延生长方法
CN109585616A (zh) * 2018-12-05 2019-04-05 马鞍山杰生半导体有限公司 紫外led外延制备方法及紫外led
CN111244237A (zh) * 2020-01-15 2020-06-05 圆融光电科技股份有限公司 一种紫外led外延结构及其生长方法
CN113725326A (zh) * 2021-08-10 2021-11-30 广州市众拓光电科技有限公司 一种紫外led外延结构及其制备方法和应用

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103137805A (zh) * 2013-03-12 2013-06-05 南京大学 用于光电微型传感器的宽谱紫外发光二极管及其制作方法
CN104485404A (zh) * 2014-12-29 2015-04-01 北京大学 一种高亮度近紫外led及其外延生长方法
CN109585616A (zh) * 2018-12-05 2019-04-05 马鞍山杰生半导体有限公司 紫外led外延制备方法及紫外led
CN111244237A (zh) * 2020-01-15 2020-06-05 圆融光电科技股份有限公司 一种紫外led外延结构及其生长方法
CN113725326A (zh) * 2021-08-10 2021-11-30 广州市众拓光电科技有限公司 一种紫外led外延结构及其制备方法和应用

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116632137A (zh) * 2023-07-24 2023-08-22 江西乾照光电有限公司 抗静电能力改善层及其制备方法、外延片及发光二极管
CN116632137B (zh) * 2023-07-24 2023-10-10 江西乾照光电有限公司 抗静电能力改善层及其制备方法、外延片及发光二极管
CN116885066A (zh) * 2023-09-04 2023-10-13 江西兆驰半导体有限公司 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管
CN116885066B (zh) * 2023-09-04 2023-12-01 江西兆驰半导体有限公司 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管

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