CN115274957A - 具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED及其制备方法，该深紫外LED包括依次层叠布置的蓝宝石衬底、AlN本征层、n型AlGaN电子注入层、量子阱有源层、复合电子阻挡层、p型AlGaN空穴注入层和p型GaN接触层；沿量子阱有源层至p型AlGaN空穴注入层的方向，复合电子阻挡层包括依次层叠布置的第一子阻挡层和第二子阻挡层，第一子阻挡层的平均Al组分百分数大于第二子阻挡层的平均Al组分百分数，且p型AlGaN空穴注入层的平均Al组分百分数小于第一子阻挡层的平均Al组分百分数。本发明通过引入复合型电子阻挡层结构，提高了复合电子阻挡层对电子限制能力，同时改善空穴从p型AlGaN空穴注入层向量子阱有源层的输运能力，从而提高了深紫外LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电领域，特别是一种具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED及制备方法。
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。近十年来，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。
目前，对于发光波长小于360nm的深紫外LED来说，主要采用AlGaN量子阱结构作为有源区，而电子溢流效应是导致高Al组分AlGaN基深紫外LED效率偏低的主要原因之一；由于在AlGaN材料中存在电子的迁移能力远高于空穴的情况，且对于高Al组分AlGaN材料来说这种现象尤甚，从而使来源于n型注入层的电子在经过量子阱有源区后会溢流至p型注入层，造成辐射复合效率降低。故需要提出一种新的紫外LED方案用于解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED及制备方法，用于解决现有技术中由于电子溢流效应而导致深紫外LED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：一种具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED，包括依次层叠布置的蓝宝石衬底、AlN本征层、n型AlGaN电子注入层、量子阱有源层、复合电子阻挡层、p型AlGaN空穴注入层和p型GaN接触层；沿量子阱有源层至p型AlGaN空穴注入层的方向，复合电子阻挡层包括依次层叠布置的第一子阻挡层和第二子阻挡层，第一子阻挡层的平均Al组分百分数大于第二子阻挡层的平均Al组分百分数，且p型AlGaN空穴注入层的平均Al组分百分数小于第一子阻挡层的平均Al组分百分数。
优选的，第一子阻挡层为单层AlGaN结构，其Al组分百分数为50％～100％，厚度为0.1nm～200nm。
优选的，第一子阻挡层为AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构，其中Al组分百分数x和y分别为70％～100％和60％～90％；第一子阻挡层的超晶格单周期厚度为0.1nm～100nm，周期数为1～100。
优选的，第二子阻挡层为Al组分渐变的单层AlGaN结构，其Al组分百分数由第一子阻挡层的平均Al组分百分数线性变化至p型AlGaN空穴注入层的平均Al组分百分数。
为解决上述技术问题，本发明提供的第二解决方案为：一种如前述第一解决方案中具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED的制备方法，其步骤依次包括：生长AlN本征层，生长n型AlGaN电子注入层，生长量子阱有源层，生长复合电子阻挡层，生长p型AlGaN空穴注入层及p型GaN接触层；生长复合电子阻挡层的步骤具体包括：在700～1100℃条件下，于量子阱有源层上依次生长第一子阻挡层和第二子阻挡层，形成复合电子阻挡层，第一子阻挡层的平均Al组分百分数大于第二子阻挡层的平均Al组分百分数。
优选的，生长复合型电子阻挡层的步骤中，第一子阻挡层为单层AlGaN结构，其Al组分百分数为50％～100％，厚度为0.1nm～200nm；或者，第一子阻挡层为AlxGa1-xN/AlyGa1- yN超晶格结构，其中Al组分百分数x和y分别为70％～100％和60％～90％，其超晶格单周期厚度为0.1nm～100nm，周期数为1～100。
优选的，第二子阻挡层为Al组分渐变的单层AlGaN结构，其Al组分百分数由第一子阻挡层的平均Al组分百分数线性变化至p型AlGaN空穴注入层的平均Al组分百分数，且第二子阻挡层的生长温度、生长压力、III/V摩尔比随生长时间由第一子阻挡层的参数值线性变化至p型AlGaN空穴注入层的参数值，第二子阻挡层的厚度与其生长时间相适应。
其中，生长AlN本征层的步骤具体包括：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；升温至1200～1400℃，于AlN本征层中的低温缓冲层上生长AlN本征层，AlN本征层的总厚度为500～4000nm。
其中，生长n型AlGaN电子注入层的步骤具体包括：降温至800～1200℃，于AlN本征层上生长n型AlGaN电子注入层，其中Al组分百分数为20～90％，厚度为500～4000nm。
其中，生长量子阱有源层的步骤具体包括：降温至700℃～1100℃，于n型AlGaN电子注入层上生长量子阱有源层，量子阱有源层包括AlGaN势垒层和AlGaN势阱层，AlGaN势垒层的厚度为5～30nm且其Al组分含量百分数为20～100％，AlGaN势阱层的厚度为0.1～5nm且其Al组分含量百分数为0.1～80％。
其中，生长p型AlGaN空穴注入层及p型GaN接触层的步骤具体包括：在700～1100℃条件下，于脉冲掺杂电子阻挡层上生长p型AlGaN空穴注入层，Al组分百分数为0.1～50％，厚度为1～50nm，并采用Mg作为p型掺杂剂；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。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供一种具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED及制备方法，通过引入复合型电子阻挡层结构，提升了电子阻挡层的等效势垒高度，提高复合电子阻挡层对电子限制能力，同时改善空穴从p型AlGaN空穴注入层向量子阱有源层中的输运能力，从而提高了深紫外LED的发光效率。
附图说明
图1是本发明中具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED一实施方式的结构示意图。
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是本发明中具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED一实施方式的结构示意图。本发明中具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED包括依次层叠布置的蓝宝石衬底1、AlN本征层2、n型AlGaN电子注入层3、量子阱有源层4、复合电子阻挡层5、p型AlGaN空穴注入层6和p型GaN接触层7；复合电子阻挡层5包括沿量子阱有源层4到p型AlGaN空穴注入层6的排布方向依次层叠布置的第一子阻挡层51和第二子阻挡层52，第一子阻挡层51的平均Al组分百分数大于第二子阻挡层52的平均Al组分百分数，且p型AlGaN空穴注入层6的平均Al组分百分数小于第一子阻挡层51的平均Al组分百分数；通过设置复合电子阻挡层5，形成Al组分含量百分数线性递减的结构，提高复合电子阻挡层对电子限制能力，同时改善空穴从p型AlGaN空穴注入层向量子阱有源层中的输运能力，进而提高了深紫外LED器件的发光效率。
本发明中，对于第一子阻挡层可以选择单层AlGaN结构或者AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构。当第一子阻挡层为单层AlGaN结构时，其Al组分百分数为50％～100％，厚度为0.1nm～200nm。当第一子阻挡层为AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构时，其中Al组分百分数x和y分别为70％～100％和60％～90％，第一子阻挡层的超晶格单周期厚度为0.1nm～100nm，周期数为1～100。而第二子阻挡层为Al组分渐变的单层AlGaN结构，其Al组分百分数由第一子阻挡层的平均Al组分百分数线性变化至p型AlGaN空穴注入层的平均Al组分百分数；由于p型AlGaN空穴注入层的平均Al组分百分数小于第一子阻挡层的平均Al组分百分数，则第二子阻挡层为Al组分具体呈现出线性递减的趋势。
本发明中，具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED制备时均采用MOCVD方法，其中，复合电子阻挡层5在700～1100℃条件下生长得到，并采用Mg作为p型掺杂剂。此外，采用常规方法在n型AlGaN电子注入层3上设置n电极8，并在p型GaN接触层7上设置p电极9，在此不做赘述。
对于本发明提出的第二解决方案，具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外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；升温至1200～1400℃，于AlN本征层中的低温缓冲层上生长AlN本征层，AlN本征层的总厚度为500～4000nm。
(2)生长n型AlGaN电子注入层。本步骤中，降温至800～1200℃，于AlN本征层上生长n型AlGaN电子注入层，其中Al组分百分数为20～90％，厚度为500～4000nm。
(3)生长量子阱有源层。本步骤中，降温至700℃～1100℃，于n型AlGaN电子注入层上生长量子阱有源层，量子阱有源层包括AlGaN势垒层和AlGaN势阱层，AlGaN势垒层的厚度为5～30nm且其Al组分含量百分数为20～100％，AlGaN势阱层的厚度为0.1～5nm且其Al组分含量百分数为0.1～80％。
(4)生长复合型电子阻挡层。本步骤中，在700～1100℃条件下，于量子阱有源层上依次生长第一子阻挡层和第二子阻挡层，形成复合型电子阻挡层，第一子阻挡层的平均Al组分百分数大于第二子阻挡层的平均Al组分百分数。具体地，当第一子阻挡层为单层AlGaN结构时，其Al组分百分数为50％～100％，厚度为0.1nm～200nm；当第一子阻挡层为AlxGa1- xN/AlyGa1-yN超晶格结构时，其中Al组分百分数x和y分别为70％～100％和60％～90％，其超晶格单周期厚度为0.1nm～100nm，周期数为1～100。而第二子阻挡层为Al组分渐变的单层AlGaN结构，其Al组分百分数由第一子阻挡层的平均Al组分百分数线性变化至p型AlGaN空穴注入层的平均Al组分百分数，且第二子阻挡层的生长温度、生长压力、III/V摩尔比随生长时间由第一子阻挡层的参数值线性变化至p型AlGaN空穴注入层的参数值，第二子阻挡层的厚度与其生长时间相适应，即第二子阻挡层的具体生长条件还需要根据p型AlGaN空穴注入层的生长条件来进行设置。复合型电子阻挡层中采用Mg作为p型掺杂剂。
(5)生长p型AlGaN空穴注入层及p型GaN接触层。本步骤中，在700～1100℃条件下，于脉冲掺杂电子阻挡层上生长p型AlGaN空穴注入层，Al组分百分数为0.1～50％，厚度为1～50nm，并采用Mg作为p型掺杂剂；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。
由于第二解决方案中的具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED制备方法用于制备前述第一解决方案中的具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED，故两个方案中的具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED的结构和功能应保持一致。
下面通过具体实施例对上述具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED性能效果进行表征。
实施例1
本实施例中，制备具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED步骤如下：
(1)在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10nm；升温至1200℃，于AlN本征层中的低温缓冲层上生长AlN本征层，AlN本征层的总厚度为500nm。
(2)降温至800℃，于AlN本征层上生长n型AlGaN电子注入层，该n型AlGaN电子注入层具体为n型Al0.6Ga0.4N，厚度为500～4000nm。
(3)降温至700℃，于n型AlGaN电子注入层上生长量子阱有源层，量子阱有源层包括AlGaN势垒层和AlGaN势阱层，具体地，AlGaN势垒层为Al0.5Ga0.5N，AlGaN势阱层Al0.4Ga0.6N。
(4)在950℃条件下，于量子阱有源层上依次生长第一子阻挡层和第二子阻挡层，形成复合型电子阻挡层。具体地，第一子阻挡层为Al0.65Ga0.35N且厚度10nm；在第二子阻挡层生长时，Al组分百分数由65％线性变化至50％，生长温度由950℃线性变化至800℃，生长压力由100mbar线性变化至200mbar，V/III比由10000线性变化至20000，这些参数条件的起点值和终点值分别对应第一子阻挡层和p型AlGaN空穴注入层的参数条件。
(5)在800℃条件下，于脉冲掺杂电子阻挡层上生长p型AlGaN空穴注入层，该p型AlGaN空穴注入层为Mg掺杂的p型Al0.5Ga0.5N，厚度为30nm；在500℃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。
实施例2
本实施中，基于实施例1的制备步骤，仅改变上述步骤(4)为：在950℃条件下，第二子阻挡层为AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构依次生长第一子阻挡层和第二子阻挡层，形成复合型电子阻挡层。具体地，第一子阻挡层为AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构，周期为5，厚度为10nm，且Al组分百分数均值为65％；在第二子阻挡层生长时，Al组分百分数由65％线性变化至50％，生长温度由950℃线性变化至800℃，生长压力由100mbar线性变化至200mbar，V/III比由10000线性变化至20000，这些参数条件的起点值和终点值分别对应第一子阻挡层的参数均值和p型AlGaN空穴注入层的参数条件。
于量子阱有源层上生长电子阻挡层Al0.65Ga0.35N，厚度为26nm，并且所制备电子阻挡层为单层非超晶格结构；其他步骤与实施例1保持一致。
对比例1
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。
将实施例1和对比例1中的样品进行结构对比，并进行不同电流条件下光输出功率测试，结果分别如表1所示。由表1可以看出，由于将复合电子阻挡层设计成第一子阻挡层和第二子阻挡层，且基于第一子阻挡层和p型AlGaN空穴注入层的工艺条件将第二子阻挡层呈现出线性递减的趋势，使实施例1相较于对比例1来说，光输出功率有显著提高，从而这种复合电子阻挡层的设计方式，能够提升电子阻挡层的等效势垒高度，提高复合电子阻挡层对电子限制能力，同时改善空穴从p型AlGaN空穴注入层向量子阱有源层中的输运能力，进而提高深紫外LED器件的发光效率。同时，实施例1和实施例2也分别对第一子阻挡层选择单层AlGaN结构和AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构这两种情况进行了对比测试，从表1所表征的数据来看，当第一子阻挡层选择超晶格结构时能够获得更好的光功率效果，则更优选超晶格结构的第一子阻挡层进行前述深紫外LED的制备。
表1
区别于现有技术的情况，本发明提供一种具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED及制备方法，通过引入复合型电子阻挡层结构，提升了电子阻挡层的等效势垒高度，提高复合电子阻挡层对电子限制能力，同时改善空穴从p型AlGaN空穴注入层向量子阱有源层中的输运能力，从而提高了深紫外LED的发光效率。
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)
1.一种具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED，其特征在于，所述具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED包括依次层叠布置的蓝宝石衬底、AlN本征层、n型AlGaN电子注入层、量子阱有源层、复合电子阻挡层、p型AlGaN空穴注入层和p型GaN接触层；
沿量子阱有源层至p型AlGaN空穴注入层的方向，所述复合电子阻挡层包括依次层叠布置的第一子阻挡层和第二子阻挡层，所述第一子阻挡层的平均Al组分百分数大于所述第二子阻挡层的平均Al组分百分数，且所述p型AlGaN空穴注入层的平均Al组分百分数小于所述第一子阻挡层的平均Al组分百分数。
2.根据权利要求1中所述的具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED，其特征在于，所述第一子阻挡层为单层AlGaN结构，其Al组分百分数为50％～100％，厚度为0.1nm～200nm。
3.根据权利要求1中所述的具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED，其特征在于，所述第一子阻挡层为AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构，其中Al组分百分数x和y分别为70％～100％和60％～90％；
所述第一子阻挡层的超晶格单周期厚度为0.1nm～100nm，周期数为1～100。
4.根据权利要求1中所述的具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED，其特征在于，所述第二子阻挡层为Al组分渐变的单层AlGaN结构，其Al组分百分数由所述第一子阻挡层的平均Al组分百分数线性变化至所述p型AlGaN空穴注入层的平均Al组分百分数。
5.一种如权利要求1～4中任一所述具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED的制备方法，其特征在于，其步骤依次包括：生长AlN本征层，生长n型AlGaN电子注入层，生长量子阱有源层，生长复合电子阻挡层，生长p型AlGaN空穴注入层及p型GaN接触层；
所述生长复合电子阻挡层的步骤具体包括：在700～1100℃条件下，于所述量子阱有源层上依次生长第一子阻挡层和第二子阻挡层，形成复合电子阻挡层，所述第一子阻挡层的平均Al组分百分数大于所述第二子阻挡层的平均Al组分百分数。
6.根据权利要求5中所述具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED的制备方法，其特征在于，所述生长复合电子阻挡层的步骤中，所述第一子阻挡层为单层AlGaN结构，其Al组分百分数为50％～100％，厚度为0.1nm～200nm；
或者，所述第一子阻挡层为AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构，其中Al组分百分数x和y分别为70％～100％和60％～90％，其超晶格单周期厚度为0.1nm～100nm，周期数为1～100。
7.根据权利要求6中所述具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED的制备方法，其特征在于，所述第二子阻挡层为Al组分渐变的单层AlGaN结构，其Al组分百分数由所述第一子阻挡层的平均Al组分百分数线性变化至所述p型AlGaN空穴注入层的平均Al组分百分数，且所述第二子阻挡层的生长温度、生长压力、III/V摩尔比随生长时间由所述第一子阻挡层的参数值线性变化至p型AlGaN空穴注入层的参数值，所述第二子阻挡层的厚度与其生长时间相适应。
8.根据权利要求5中所述具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED的制备方法，其特征在于，所述生长AlN本征层的步骤具体包括：
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；
升温至1200～1400℃，于AlN本征层中的低温缓冲层上生长AlN本征层，所述AlN本征层的总厚度为500～4000nm。
9.根据权利要求5中所述具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED的制备方法，其特征在于，所述生长n型AlGaN电子注入层的步骤具体包括：降温至800～1200℃，于所述AlN本征层上生长n型AlGaN电子注入层，其中Al组分百分数为20～90％，厚度为500～4000nm；
所述生长量子阱有源层的步骤具体包括：降温至700℃～1100℃，于所述n型AlGaN电子注入层上生长量子阱有源层，所述量子阱有源层包括AlGaN势垒层和AlGaN势阱层，所述AlGaN势垒层的厚度为5～30nm且其Al组分含量百分数为20～100％，所述AlGaN势阱层的厚度为0.1～5nm且其Al组分含量百分数为0.1～80％。
10.根据权利要求5中所述具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED的制备方法，其特征在于，所述生长p型AlGaN空穴注入层及p型GaN接触层的步骤具体包括：
在700～1100℃条件下，于所述脉冲掺杂电子阻挡层上生长p型AlGaN空穴注入层，Al组分百分数为0.1～50％，厚度为1～50nm，并采用Mg作为p型掺杂剂；
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。
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