CN115050865A - 一种调控出光角的深紫外led及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种调控出光角的深紫外LED及其制备方法，该调控出光角的深紫外LED包括依次层叠布置的蓝宝石衬底、AlN本征层、n型AlGaN本征层、电流扩展层、出光角调控层、多量子阱有源层、电子阻挡层、p型AlGaN空穴注入层和p型GaN接触层；出光角调控层为AlGaN单层结构或AlGaN多层周期结构，且出光角调控层中Al组分百分数大于多量子阱有源层中量子垒的Al组分百分数。本发明通过在多量子阱有源层与电流扩展层之间引入出光角调控层，提升了对多量子阱有源层的压应力，增加了深紫外LED的正面出光量，改善了深紫外LED的出光角，从而实现紫外杀菌效率的提高。

Description

一种调控出光角的深紫外LED及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电领域，特别是一种调控出光角的深紫外LED及其制备方法。
背景技术
Ⅲ族氮化物作为宽禁带半导体材料中的杰出代表，已经实现了高效的蓝绿光发光二极管(全称light-emitting diodes，简称LED)、激光器等固态光源器件，其在平板显示、白光照明等应用方面取得了巨大成功。近年来，人们期望将这种高效的发光材料应用于紫外波段，以满足日益增长的紫外光源需求。紫外波段根据其生物效应通常可分为：长波紫外(即UVA，波长为320～400nm)、中波紫外(即UVB，波长为280～320nm)、短波紫外(即UVC，波长为200～280nm)以及真空紫外(即VUV，波长为10～200nm)。紫外线虽然不能被人类眼睛所感知，但其应用却非常广泛。长波紫外光源在医学治疗、紫外固化、紫外光刻、信息存储、植物照明等领域有着巨大的应用前景；而深紫外光包含中波紫外和短波紫外，则在杀菌消毒、水净化、生化探测、非视距通信等方面有着不可替代的作用。
目前，导致深紫外LED器件的发光效率低其中一部分原因在于取光效率低。取光效率指的是LED器件中实际出射光在量子阱有源区出射光的占比，取光效率主要与三个方面因素相关：①p型GaN的吸收；②p型电极的吸收；③n型电极的吸收。量子阱有源区的出射光存在TE和TM两个分量，其中TE模式的光传播方向为平行于晶体生长的c方向，可以从器件正面出射，而TM模式的光，其传播方向为垂直于晶体生长的c方向，侧向出射光在器件中会多次反射，最终表现出上述①②③三种吸收方式而造成取光效率降低。则如何解提升深紫外LED器件的正面出光量，成为了亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种调控出光角的深紫外LED及其制备方法，用于解决现有深紫外LED取光效率低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的第一解决方案为：一种调控出光角的深紫外LED，包括依次层叠布置的蓝宝石衬底、AlN本征层、n型AlGaN本征层、电流扩展层、出光角调控层、多量子阱有源层、电子阻挡层、p型AlGaN空穴注入层和p型GaN接触层；出光角调控层为AlGaN单层结构或AlGaN多层周期结构，且出光角调控层中Al组分百分数大于多量子阱有源层中量子垒的Al组分百分数。
其中，出光角调控层为AlxGa1-xN单层结构时，电流扩展层中Al组分百分数为a，量子阱有源区中量子垒的Al组分百分数为b，量子阱有源区中量子垒的Al组分百分数为c，满足x≥a且x≥b+20％≥c+5％。
优选的，出光角调控层为AlxGa1-xN单层结构时，出光角调控层的厚度为0.1nm～500nm。
优选的，出光角调控层为AlxGa1-xN单层结构时，出光角调控层的掺杂浓度为1ⅹ1012～1ⅹ1022cm-3。
其中，出光角调控层为AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多层周期结构时，电流扩展层中Al组分百分数为a，量子阱有源区中量子垒的Al组分百分数为b，量子阱有源区中量子垒的Al组分百分数为c，满足y-5％≥z≥a且y-5％≥z≥b+20％≥c+5％。
优选的，出光角调控层为AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多层周期结构时，出光角调控层中，AlyGa1-yN层厚度为0.1nm～200nm，AlzGa1-zN层厚度为0.1nm～100nm。
优选的，出光角调控层为AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多层周期结构时，出光角调控层的掺杂浓度为1ⅹ1012～1ⅹ1022cm-3。
为解决上述技术问题，本发明提供的第二解决方案为：一种调控出光角的深紫外LED的制备方法，该制备方法用于制备前述第一解决方案中调控出光角的深紫外LED，包括如下步骤：
(1)在400～800℃条件下，于蓝宝石衬底上生长AlN本征层中的缓冲层，厚度为10～50nm。
(2)升温至1200～1400℃，于AlN本征层中的缓冲层上生长AlN本征层，AlN本征层的总厚度为500～4000nm。
(3)降温至800～1200℃，于AlN本征层上生长n型AlGaN本征层，其中Al组分百分数为20～90％，厚度为500～4000nm。
(4)维持步骤(3)的温度，停止通入SiH4掺杂，于n型AlGaN本征层上生长电流扩展层，其中Al组分百分数为20～90％，厚度为10～300nm。
(5)升温至800～1300℃，于电流扩展层上生长出光角调控层，光角调控层的厚度为0.1～500nm。
(6)降温至700～1100℃，于光角调控层上生长多量子阱有源层，其中多量子阱有源层的量子阱厚度为0.1～5nm且量子阱中Al组分百分数为20～90％，量子垒厚度为0.1～20nm且势垒中Al组分百分数为30～100％。
(7)在700～1100℃条件下，于多量子阱有源层上生长电子阻挡层，厚度为1～50nm，Al组分百分数为10～100％。
(8)在700～1100℃条件下，于电子阻挡层上生长p型AlGaN空穴注入层，Al组分百分数为10-100％，厚度为1～50nm，并采用Mg作为p型掺杂剂。
(9)在400～900℃条件下，于p型AlGaN空穴注入层上生长p型GaN接触层，厚度为1～20nm，并采用Mg作为p型掺杂剂。
其中，步骤(5)中出光角调控层的生长温度为T0，步骤(4)中电流扩展层的生长温度为T1，步骤(6)中多量子阱有源层的生长温度为T2，三者满足：T0≥T2≥T1。
其中，步骤(5)中出光角调控层的氨气用量为N0，步骤(4)中电流扩展层的氨气用量为N1，步骤(6)中多量子阱有源层的氨气用量为N2，三者满足：N0≤N1≤N2。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供一种调控出光角的深紫外LED及其制备方法，通过在多量子阱有源层与电流扩展层之间引入出光角调控层，提升了对多量子阱有源层的压应力，增加了深紫外LED的正面出光量，改善了深紫外LED的出光角，从而实现紫外杀菌效率的提高。
附图说明
图1是本发明中调控出光角的深紫外LED一实施方式的结构示意图；
图2是本发明中对比例1、3的深紫外LED样品与实施例1的深紫外LED样品的发光远场分布图。
具体实施方式
下面将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，均属于本发明保护的范围。
对于本发明中提出的第一解决方案，请参阅图1，图1是本发明中调控出光角的深紫外LED一实施方式的结构示意图。本发明中调控出光角的深紫外LED，包括依次层叠布置的蓝宝石衬底1、AlN本征层2、n型AlGaN本征层3、电流扩展层4、出光角调控层5、多量子阱有源层6、电子阻挡层7、p型AlGaN空穴注入层8和p型GaN接触层9；出光角调控层5为AlGaN单层结构或AlGaN多层周期结构，且出光角调控层5中Al组分百分数大于多量子阱有源层6中量子垒的Al组分百分数。
由于出光角调控层可设计为AlGaN单层结构或AlGaN多层周期结构两种方式，两种设计方式的具体工艺参数要求如下：
a)当出光角调控层为AlxGa1-xN单层结构时，电流扩展层中Al组分百分数为a，量子阱有源区中量子垒的Al组分百分数为b，量子阱有源区中量子阱的Al组分百分数为c，满足x≥a且x≥b+20％≥c+5％。其中，出光角调控层的厚度优选为0.1nm～500nm，出光角调控层的掺杂浓度优选为1ⅹ1012～1ⅹ1022cm-3。
b)当出光角调控层为AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多层周期结构时，电流扩展层中Al组分百分数为a，量子阱有源区中量子垒的Al组分百分数为b，量子阱有源区中量子阱的Al组分百分数为c，满足y-5％≥z≥a且y-5％≥z≥b+20％≥c+5％。其中，出光角调控层中，AlyGa1-yN层厚度优选为0.1nm～200nm，AlzGa1-zN层厚度优选为0.1nm～100nm；出光角调控层的掺杂浓度优选为1ⅹ1012～1ⅹ1022cm-3。
该调控出光角的深紫外LED制备过程中均采用MOCVD方法，此外，采用常规方法在n型AlGaN本征层上设置n电极10，并在p型GaN接触层上设置p电极11，以构成完整的外延芯片结构，具体工艺在此不做赘述。
具体地，对上述调控出光角的深紫外LED的原理进行分析。深紫外TE/TM模式出射光是由于AlGaN材料决定的，GaN和AlN价带顶部重空穴带(HH)、轻空穴带(LH)、晶体场分裂能带(CH)的空间位置不同引起的。在纤锌矿结构GaN材料中，价带顶是重空穴带，主要跃迁过程是电子从导带底跃迁到重空穴带，辐射TE模式光子；在纤锌矿结构AlN材料中，价带顶是晶体场分裂能带，主要跃迁过程是电子从导带底跃迁到晶体场分裂能带，辐射出TM模式光子。随着深紫外LED发光波长的减短，量子阱区中的平均Al组分变高，TE发光成分减少，TM发光成分增多。除了Al组分天然的影响之外，AlGaN材料在压应变的情况下，TE发光成分会增多。上述调控出光角的深紫外LED通过在多量子阱有源区和电流扩展层之间设置出光角调控层，给有源区施加足够的压应力，以此增加深紫外LED的正面出射光，改善深紫外LED芯片的出光角，从而提高杀菌效率。
对于本发明提出的第二解决方案，调控出光角的深紫外LED制备方法步骤包括：
(1)生长AlN本征层。本步骤中，在400～800℃条件下，于蓝宝石衬底上生长AlN本征层中的低温缓冲层，厚度为10～50nm。
(2)升温至1200～1400℃，于AlN本征层中的低温缓冲层上继续生长，形成AlN本征层，AlN本征层的总厚度为500～4000nm。
(3)生长n型AlGaN本征层。本步骤中，降温至800～1200℃，于AlN本征层上生长n型AlGaN本征层，其中Al组分百分数为20～90％，厚度为500～4000nm。
(4)生长电流扩展层。本步骤中，维持步骤(3)的温度，停止通入SiH4掺杂，于n型AlGaN本征层上生长电流扩展层，其中Al组分百分数为20～90％，厚度为10～300nm。
(5)生长出光角调控层。本步骤中，升温至800～1300℃，于电流扩展层上生长出光角调控层，光角调控层的厚度为0.1～500nm。
(6)生长多量子阱有源层。本步骤中，降温至700～1100℃，于光角调控层上生长多量子阱有源层，其中多量子阱有源层的量子阱厚度为0.1～5nm且量子阱中Al组分百分数为20～90％，量子垒厚度为0.1～20nm且势垒中Al组分百分数为30～100％。
(7)生长电子阻挡层。本步骤中，在700～1100℃条件下，于多量子阱有源层上生长电子阻挡层，厚度为1～50nm，Al组分百分数为10～100％。
(8)生长p型AlGaN空穴注入层。本步骤中，在700～1100℃条件下，于电子阻挡层上生长p型AlGaN空穴注入层，Al组分百分数为10-100％，厚度为1～50nm，并采用Mg作为p型掺杂剂。
(9)生长p型GaN接触层。本步骤中，在400～900℃条件下，于p型AlGaN空穴注入层上生长p型GaN接触层，厚度为1～20nm，并采用Mg作为p型掺杂剂。
上述制备步骤中，步骤(5)中出光角调控层的生长温度为T0，步骤(4)中电流扩展层的生长温度为T1，步骤(6)中多量子阱有源层的生长温度为T2，三者满足：T0≥T2≥T1；步骤(5)中出光角调控层的氨气用量为N0，步骤(4)中电流扩展层的氨气用量为N1，步骤(6)中多量子阱有源层的氨气用量为N2，三者满足：N0≤N1≤N2。
由于第二解决方案中的调控出光角的深紫外LED制备方法用于制备前述第一解决方案中的调控出光角的深紫外LED，故两个方案中的调控出光角的深紫外LED的结构和功能应保持一致。
下面通过具体实施例对上述调控出光角的深紫外LED的性能效果进行表征，并根据表征结果进行分析。
实施例1
本实施例中，制备调控出光角的深紫外LED步骤如下：
(1)在600℃条件下，于蓝宝石衬底上生长AlN本征层中的缓冲层，厚度为25nm。
(2)升温至1200℃，于AlN本征层中的缓冲层上生长AlN本征层，AlN本征层的总厚度为1000nm。
(3)降温至1000℃，于AlN本征层上生长n型AlGaN本征层，其中Al组分百分数为50％，厚度为1000nm。
(4)维持1000℃，停止通入SiH4掺杂，于n型AlGaN本征层上生长电流扩展层，其中Al组分百分数为70％，厚度为100nm。
(5)升温至1200℃，于电流扩展层上生长出光角调控层，该出光角调控层为AlGaN单层结构，其Al组分百分数为90％，厚度为100nm。
(6)降温至900℃，于光角调控层上生长多量子阱有源层，其中多量子阱有源层的量子阱厚度为1nm且量子阱中Al组分百分数为50％，量子垒厚度为2nm且势垒中Al组分百分数为60％。
(7)在900℃条件下，于多量子阱有源层上生长电子阻挡层，厚度为10nm，Al组分百分数为40％。
(8)在900℃条件下，于电子阻挡层上生长p型AlGaN空穴注入层，Al组分百分数为40％，厚度为20nm，采用Mg作为p型掺杂剂。
(9)在600℃条件下，于p型AlGaN空穴注入层上生长p型GaN接触层，厚度为10nm，采用Mg作为p型掺杂剂。
实施例2
本实施例中，基于实施例1的制备步骤，仅改变上述步骤(5)为：升温至1200℃，于电流扩展层上生长出光角调控层，该出光角调控层为AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多层周期结构，周期为50，其中，AlyGa1-yN层的Al组分百分数为95％，厚度为1nm；AlzGa1-zN层的Al组分百分数为85％，厚度为1nm。其他步骤与实施例1保持一致。
对比例1
本对比例中，基于实施例1的制备步骤，仅改变上述步骤(5)为：升温至1200℃，于电流扩展层上生长出光角调控层，该出光角调控层为AlGaN单层结构，其Al组分百分数为70％，厚度为1nm；其他步骤与实施例1保持一致。
对比例2
本对比例中，基于实施例1的制备步骤，仅改变上述步骤(5)为：升温至1200℃，于电流扩展层上生长出光角调控层，该出光角调控层为AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多层周期结构，周期为50，其中，AlyGa1-yN层的Al组分百分数为95％，厚度为1nm；AlzGa1-zN层的Al组分百分数为85％，厚度为1nm。其他步骤与实施例1保持一致。
对比例3
本对比例中，采用传统的深紫外LED制备工艺制得的测试样品，该样品未引入出光角调控层。
对上述实施例1～2和对比例1～3进行发光远场分布统计以及出光角统计，结果如表1和附图2所示，其中，90°处的辐射强度所表征的是样品正面的出光量，90°处的辐射强度越高，正面出光效果越好。结合表1和附图2所表征数据可知：
1)将实施例1～2与对比例3进行对比，说明采用本发明方法所制备调控出光角的深紫外LED，引入的光角调控层不论是AlGaN单层结构还是AlGaN多层周期结构，其出光效果都优于传统的深紫外LED。同时，将实施例1与实施例2进行对比，可以看出光角调控层为AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多层周期结构的实施例2，其出光效果要优于出光角调控层为AlxGa1-xN单层结构的实施例1，其原因在于，相比于单层结构，超晶格结构可以更好地提供压应力，从而多层周期结构能够获得更好的正面出光效果；所以在引入出光角调控层时，更优选多层周期结构的设计方式。
2)将实施例1与对比例1、实施例2与对比例2进行对比，可见对比例1的出光效果不如实施例1，且对比例2的出光效果也不如实施例2；其原因在于对比例1和2在制备电流扩展层、出光角调控层、多量子阱有源层的过程中，都超出了前述三者之间Al组分百分数的限定关系；从而说明在制备电流扩展层、出光角调控层、多量子阱有源层需要满足前述Al组分百分数的限定关系，才能获得较好的正面出光效果。
表1
Figure BDA0003679988070000091
区别于现有技术的情况，本发明提供一种调控出光角的深紫外LED及其制备方法，通过在多量子阱有源层与电流扩展层之间引入出光角调控层，提升了对多量子阱有源层的压应力，增加了深紫外LED的正面出光量，改善了深紫外LED的出光角，从而实现紫外杀菌效率的提高。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，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)

1.一种调控出光角的深紫外LED，其特征在于，所述调控出光角的深紫外LED包括依次层叠布置的蓝宝石衬底、AlN本征层、n型AlGaN本征层、电流扩展层、出光角调控层、多量子阱有源层、电子阻挡层、p型AlGaN空穴注入层和p型GaN接触层；
所述出光角调控层为AlGaN单层结构或AlGaN多层周期结构，且所述出光角调控层中Al组分百分数大于所述多量子阱有源层中量子垒的Al组分百分数。
2.根据权利要求1中所述的调控出光角的深紫外LED，其特征在于，所述出光角调控层为AlxGa1-xN单层结构时，所述电流扩展层中Al组分百分数为a，所述量子阱有源区中量子垒的Al组分百分数为b，所述量子阱有源区中量子阱的Al组分百分数为c，满足x≥a且x≥b+20％≥c+5％。
3.根据权利要求2中所述的调控出光角的深紫外LED，其特征在于，所述出光角调控层的厚度为0.1nm～500nm。
4.根据权利要求2中所述的调控出光角的深紫外LED，其特征在于，所述出光角调控层的掺杂浓度为1ⅹ1012～1ⅹ1022cm-3。
5.根据权利要求1中所述的调控出光角的深紫外LED，其特征在于，所述出光角调控层为AlyGa1-yN/AlzGa1-zN多层周期结构时，所述电流扩展层中Al组分百分数为a，所述量子阱有源区中量子垒的Al组分百分数为b，所述量子阱有源区中量子阱的Al组分百分数为c，满足y-5％≥z≥a且y-5％≥z≥b+20％≥c+5％。
6.根据权利要求5中所述的调控出光角的深紫外LED，其特征在于，所述出光角调控层中，AlyGa1-yN层厚度为0.1nm～200nm，AlzGa1-zN层厚度为0.1nm～100nm。
7.根据权利要求5中所述的调控出光角的深紫外LED，其特征在于，所述出光角调控层的掺杂浓度为1ⅹ1012～1ⅹ1022cm-3。
8.一种如权利要求1～7中任一所述调控出光角的深紫外LED的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在400～800℃条件下，于蓝宝石衬底上生长AlN本征层中的缓冲层，厚度为10～50nm；
(2)升温至1200～1400℃，于AlN本征层中的缓冲层上生长AlN本征层，所述AlN本征层的总厚度为500～4000nm；
(3)降温至800～1200℃，于所述AlN本征层上生长n型AlGaN本征层，其中Al组分百分数为20～90％，厚度为500～4000nm；
(4)维持步骤(3)的温度，停止通入SiH4掺杂，于所述n型AlGaN本征层上生长电流扩展层，其中Al组分百分数为20～90％，厚度为10～300nm；
(5)升温至800～1300℃，于所述电流扩展层上生长出光角调控层，光角调控层的厚度为0.1～500nm；
(6)降温至700～1100℃，于所述光角调控层上生长多量子阱有源层，其中所述多量子阱有源层的量子阱厚度为0.1～5nm且量子阱中Al组分百分数为20～90％，量子垒厚度为0.1～20nm且势垒中Al组分百分数为30～100％；
(7)在700～1100℃条件下，于所述多量子阱有源层上生长电子阻挡层，厚度为1～50nm，Al组分百分数为10～100％；
(8)在700～1100℃条件下，于所述电子阻挡层上生长p型AlGaN空穴注入层，Al组分百分数为10-100％，厚度为1～50nm，并采用Mg作为p型掺杂剂；
(9)在400～900℃条件下，于所述p型AlGaN空穴注入层上生长p型GaN接触层，厚度为1～20nm，并采用Mg作为p型掺杂剂。
9.根据权利要求8中所述的调控出光角的深紫外LED的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中出光角调控层的生长温度为T0，所述步骤(4)中电流扩展层的生长温度为T1，所述步骤(6)中多量子阱有源层的生长温度为T2，三者满足：T0≥T2≥T1。
10.根据权利要求8中所述的调控出光角的深紫外LED的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中出光角调控层的氨气用量为N0，所述步骤(4)中电流扩展层的氨气用量为N1，所述步骤(6)中多量子阱有源层的氨气用量为N2，三者满足：N0≤N1≤N2。
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