CN115425128B - 一种紫外led外延结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及紫外LED器件技术领域，尤其涉及一种紫外LED外延结构及其制备方法。本发明提供的紫外LED外延结构，包括依次层叠设置的衬底、缓冲层、N型AlGaN层、多量子阱结构层、P型电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层；缓冲层包括依次层叠设置的AlN缓冲层和非掺杂的AlGaN层；P型电子阻挡层包括依次交替层叠设置的第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层；第一P型AlGaN层中Al的掺杂浓度大于第二P型AlGaN层中Al的掺杂浓度。本发明采用不同铝掺杂浓度的P型AlGaN层进行交替周期性设置，可以有效的提高电子阻挡层的势垒高度，减少电子泄漏，进而提高紫外LED的光电性能。

Description

一种紫外LED外延结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及紫外LED器件技术领域，尤其涉及一种紫外LED外延结构及其制备方法。
背景技术
由于紫外LED具有驱动电压低、寿命长、效率高、不含汞和体积小等优点，紫外LED正在替代传统荧光紫外灯管，应用于水净化、空气净化、医疗消毒、UV固化和光刻等领域。特别是发光波长在200~280nm的深紫外LED，具有传统的广源所没有的特性，具有巨大的社会和商业价值而受到了人们的普遍关注。
由于紫外LED主要由GaN、InGaN和AlGaN等材料在异质衬底上生长，会有严重的晶格失配和热失配，产生较大的位错密度，导致电子由紫外LED的N型区泄漏至P型区，使紫外LED非辐射复合增加，降低了出光效率甚至严重影响紫外LED的使用寿命。因此，通常情况下，使用较大带隙的AlGaN作为电子阻挡层，减少电子泄漏，从而提高紫外LED光电性能。
虽然AlGaN带隙大，且随着Al组分改变，带隙可调，可以有效防止电子向P型区移动。然而，由于空穴的迁移率较低，有效质量较大，当空穴由P型区向量子阱传输时，会受到电子阻挡层的阻碍，减少了空穴注入到量子阱中的数量，从而影响发光效率。此外，随着Al组分增加，P型掺杂效率降低，进一步减少了空穴注入到量子阱中的数量。因此，为了提高空穴的注入数量，通常会在电子阻挡层中掺杂P型掺杂剂。然而，空穴注入效率仍然很低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紫外LED外延结构及其制备方法，所述紫外LED外延结构具有较高的空穴注入效率，进而能够提高紫外LED芯片的发光性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种紫外LED外延结构，包括依次层叠设置的衬底、缓冲层、N型AlGaN层、多量子阱结构层、P型电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层；
所述缓冲层包括依次层叠设置的AlN缓冲层和非掺杂的AlGaN层；所述AlN缓冲层设置与所述衬底的表面；
所述P型电子阻挡层包括依次交替层叠设置的第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层；
所述第一P型AlGaN层中Al的掺杂浓度大于所述第二P型AlGaN层中Al的掺杂浓度。
优选的，所述第一P型AlGaN层的材料为AlxGa1-xN；所述第二P型AlGaN层的材料为AlyGa1-yN；
其中，x和y的取值范围为1>x>y>0.5。
优选的，所述第一P型AlGaN层的P型掺杂浓度和所述第二P型AlGaN层的P型掺杂浓度不同。
优选的，所述第一P型AlGaN层的P型掺杂浓度和所述第二P型AlGaN层的P型掺杂浓度独立的为5×1018~1×1019cm-3或1×1018~5×1018cm-3；
当所述第一P型AlGaN层的P型掺杂浓度为5×1018~1×1019cm-3时，所述第二P型AlGaN层的P型掺杂浓度为1×1018~5×1018cm-3；
当所述第一P型AlGaN层的P型掺杂浓度为1×1018~5×1018时，所述第二P型AlGaN层的P型掺杂浓度为5×1018~1×1019cm-3。
优选的，所述第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层的厚度独立的为5~15nm；
所述P型电子阻挡层的总厚度为50~100nm。
本发明还提供了上述技术方案所述的紫外LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
在衬底表面依次生长AlN缓冲层、非掺杂的AlGaN层、N型AlGaN层、多量子阱结构层后，在所述多量子阱结构层的表面依次交替层叠生长第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层，得到P型电子阻挡层；
在所述P型电子阻挡层的表面依次生长P型AlGaN层和P型GaN层，得到所述紫外LED外延结构。
优选的，生长所述第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层的温度不同。
优选的，所述第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层的生长温差为20~100℃。
优选的，所述第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层中生长温度高的P型AlGaN层的厚度低于生长温度低的P型AlGaN层的厚度。
优选的，所述第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层中生长温度高的P型AlGaN层的P型掺杂浓度为5×1018~1×1019cm-3cm-3；
所述第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层中生长温度低的P型AlGaN层的P型掺杂浓度为1×1018~5×1018cm-3。
本发明提供了一种紫外LED外延结构，包括依次层叠设置的衬底、缓冲层、N型AlGaN层、多量子阱结构层、P型电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层；所述缓冲层包括依次层叠设置的AlN缓冲层和非掺杂的AlGaN层；所述AlN缓冲层设置与所述衬底的表面；所述P型电子阻挡层包括依次交替层叠设置的第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层；所述第一P型AlGaN层中Al的掺杂浓度大于所述第二P型AlGaN层中Al的掺杂浓度。本发明采用不同铝掺杂浓度的P型AlGaN层进行交替周期性设置，可以有效的提高电子阻挡层的势垒高度，减少电子泄漏，进而提高紫外LED的光电性能。
附图说明
图1为本发明所述紫外LED外延结构的结构示意图；
图2为本发明所述P型电子阻挡层的结构示意图；
其中，1-衬底，2-AlN缓冲层，3-非掺杂的AlGaN层，4-N型AlGaN层，5-多量子阱结构层，6-P型电子阻挡层，7-P型AlGaN层，8-P型GaN层，9-第一P型AlGaN层，10-第二P型AlGaN层。
具体实施方式
本发明提供了一种紫外LED外延结构，包括依次层叠设置的衬底、缓冲层、N型AlGaN层、多量子阱结构层、P型电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层；
所述缓冲层包括依次层叠设置的AlN缓冲层和非掺杂的AlGaN层；所述AlN缓冲层设置与所述衬底的表面；
所述P型电子阻挡层包括依次交替层叠设置的第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层；
所述第一P型AlGaN层中Al的掺杂浓度大于所述第二P型AlGaN层中Al的掺杂浓度。
在本发明中，所述衬底的材料优选为蓝宝石、碳化硅、硅、氮化铝、氮化镓、氧化镓或氧化锌。本发明对所述衬底的厚度没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的厚度即可。
在本发明中，所述AlN缓冲层的厚度优选为1~4μm，更优选为2~4μm。
在本发明中，所述非掺杂的AlGaN层的厚度优选为1~2μm，更优选为1.5μm；本发明对所述非掺杂的AlGaN层中Al的掺杂量量没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的掺杂量即可。在本发明的具体实施例中，所述非掺杂的AlGaN层为厚度为1μm的非掺杂的Al0.7Ga0.3N层。
在本发明中，所述N型AlGaN层的厚度优选为1μm；所述N型AlGaN层中N型掺杂浓度优选为1~2μm，更优选为1.5μm；本发明对所述N型AlGaN层中的Al的掺杂量量没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的掺杂量即可。在本发明的具体实施例中，所述N型AlGaN层为厚度为1μm、N型掺杂浓度为5×1018cm-3的N型Al0.6Ga0.4N层。
在本发明中，所述多量子阱结构层优选包括依次交替层叠设置的AlGaN量子垒层和AlGaN量子阱层；本发明对所述AlGaN量子垒层和AlGaN量子阱层没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的即可。在本发明的具体实施例中，所述多量子阱层包括依次交替层叠设置6个周期的厚度为11nm的Al0.5Ga0.5N量子垒层和厚度为2nm的Al0.4Ga0.6N量子阱层。
在本发明中，所述P型电子阻挡层包括依次交替层叠设置的第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层；所述第一P型AlGaN层中Al的掺杂浓度大于所述第二P型AlGaN层中Al的掺杂浓度。在本发明中，所述第一P型AlGaN层的材料优选为AlxGa1-xN；所述第二P型AlGaN层的材料优选为AlyGa1-yN；其中，x和y的取值范围优选为1>x>y>0.5。在本发明中，所述第一P型AlGaN层的P型掺杂浓度和所述第二P型AlGaN层的P型掺杂浓度优选不同。在本发明中，所述第一P型AlGaN层的P型掺杂浓度和所述第二P型AlGaN层的P型掺杂浓度独立的优选为5×1018~1×1019cm-3或1×1018~5×1018cm-3；当所述第一P型AlGaN层的P型掺杂浓度为5×1018~1×1019cm-3时，所述第二P型AlGaN层的P型掺杂浓度优选为1×1018~5×1018cm-3；当所述第一P型AlGaN层的P型掺杂浓度为1×1018~5×1018时，所述第二P型AlGaN层的P型掺杂浓度优选为5×1018~1×1019cm-3cm-3。在本发明中，所述第一P型AlGaN层的P型掺杂浓度和所述第二P型AlGaN层的P型掺杂浓度不同，避免了高掺杂浓度来提高空穴浓度导致晶体质量严重下降的问题，进而提高了紫外LED芯片的发光效率。
在本发明中，所述第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层的厚度独立的优选为5~15nm；所述P型电子阻挡层的总厚度优选为50~100nm。
在本发明中，所述P型AlGaN层的厚度优选为10~50nm，更优选为20~40nm。所述P型AlGaN层中P型掺杂浓度优选为3×1019cm-3；本发明对所述P型AlGaN层中的Al的掺杂量没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的掺杂量即可。在本发明的具体实施例中，所述P型AlGaN层为厚度为20nm、P型掺杂浓度为3×1019cm-3的P型Al0.4Ga0.6N层。
在本发明中，所述P型GaN层的厚度优选为5~350nm，更优选为100~300nm。所述P型GaN层中P型掺杂浓度优选为1×1020cm-3。在本发明的具体实施例中，所述P型GaN层的厚度为300nm、P型掺杂浓度为1×1020cm-3。
本发明还提供了上述技术方案所述的紫外LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
在衬底表面依次生长AlN缓冲层、非掺杂的AlGaN层、N型AlGaN层、多量子阱结构层后，在所述多量子阱结构层的表面依次交替层叠生长第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层，得到P型电子阻挡层；
在所述P型电子阻挡层的表面依次生长P型AlGaN层和P型GaN层，得到所述紫外LED外延结构。
生长所述AlN缓冲层前，本发明优选对所述衬底进行预处理，所述预处理优选为1100℃高温处理10min。
本发明对所述AlN缓冲层、非掺杂的AlGaN层、N型AlGaN层、多量子阱结构层、P型AlGaN层和P型GaN层的生长过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。在本发明的具体实施例中，所述紫外LED外延结构中各层的制备原料为三甲基铝（TMAl）、三甲基镓（TMGa）、NH3、n型掺杂剂SiH4或p型掺杂剂二茂镁(Cp2Mg)。
在本发明中，生长所述第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层的温度优选不同。在本发明中，所述第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层的生长温差优选为20~100℃。在本发明中，所述第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层中生长温度高的P型AlGaN层的厚度优选低于生长温度低的P型AlGaN层的厚度。在本发明中，所述第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层中生长温度高的P型AlGaN层的P型掺杂浓度优选为5×1018~1×1019cm-3cm-3；所述第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层中生长温度低的P型AlGaN层的P型掺杂浓度优选为1×1018~5×1018cm-3。
在本发明中，采用高低温交叉生长P型AlGaN电子阻挡层，且生长温度高的AlGaN层掺杂浓度高于生长温度低的AlGaN层，一方面可以提高AlGaN结晶质量，减少位错密度，另一方面又可以解决高温下P型掺杂剂不易并入AlGaN的问题以及AlGaN的空穴浓度随Al组份增加而降低的问题，使更多的空穴注入到量子阱有源区，增加辐射复合，提升紫外LED光电性能。
得到P型GaN层后，本发明还优选包括依次进行的退火处理和冷却。本发明对所述退火处理和冷却过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。在本发明的具体实施例中，所述退火处理为在氮气气氛中，800℃退火30min，随炉冷却。
下面结合实施例对本发明提供的紫外LED外延结构及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将蓝宝石衬底置于设备反应室中，1100℃处理10min后，在1250℃的条件下，通入三甲基铝（TMAl）和NH3，得到厚度为2000nm的AlN缓冲层；
在1150℃的条件下，通入TMAl、三甲基镓（TMGa）和NH3，在所述AlN缓冲层的表面生长厚度为1μm的非掺杂的Al0.7Ga0.3N层；
保持温度不变，通入TMAl、TMGa、NH3和n型掺杂剂SiH4，在所述非掺杂的Al0.7Ga0.3N层的表面生长厚度为1μm的N型Al0.6Ga0.4N层（N型掺杂浓度为5×1018cm-3）；
在1100℃的条件下，通入TMAl、TMGa和NH3，在所述N型Al0.6Ga0.4N层的表面依次生长厚度为11nm的Al0.5Ga0.5N量子垒层和厚度为5nm的Al0.4Ga0.6N量子阱层，循环生长6个周期，得到多量子阱结构；
在1150℃的条件下，通入TMAl、TMGa、NH3和p型掺杂剂二茂镁(Cp2Mg)，在所述多量子阱结构的表面生长厚度为10nm的Al0.75Ga0.25N第一层电子阻挡层（P型掺杂浓度为8×1018cm-3）；在1100℃的条件下，在所述Al0.75Ga0.25N第一层电子阻挡层的表面生长厚度为6nm的Al0.6Ga0.4N第二层电子阻挡层（P型掺杂浓度为2×1018cm-3），循环生长5个周期，得到电子阻挡层；
在1050℃的条件下，通入TMAl、TMGa、NH3和p型掺杂剂二茂镁(Cp2Mg)，在所述电子阻挡层表面生长厚度为20nm的P型Al0.4Ga0.6N层（P型掺杂浓度为3×1019cm-3）；
在900℃的条件下，通入TMGa、NH3、H2和Cp2Mg，在所述P型掺杂Al0.4Ga0.6N层的表面生长厚度为300nm的P型覆盖层（P型GaN层，P型掺杂浓度为1×1020cm-3）；
最后，在氮气气氛中，800℃退火30min，随炉冷却，得到紫外LED外延结构；
将所述紫外LED外延结构制成紫外LED芯片后，在500mA的电流下，亮度为105mW。
实施例2
将蓝宝石衬底置于设备反应室中，1100℃处理10min后，在1250℃的条件下，通入三甲基铝（TMAl）和NH3，得到厚度为2000nm的AlN缓冲层；
在1150℃的条件下，通入TMAl、TMGa和NH3，在所述AlN缓冲层的表面生长厚度为1μm的非掺杂的Al0.7Ga0.3N层；
保持温度不变，通入TMAl、TMGa、NH3和n型掺杂剂SiH4，在所述非掺杂的Al0.7Ga0.3N层的表面生长厚度为1μm的N型Al0.6Ga0.4N层（N型掺杂浓度为5×1018cm-3）；
在1100℃的条件下，通入TMAl、TMGa和NH3，在所述N型Al0.6Ga0.4N层的表面依次生长厚度为11nm的Al0.5Ga0.5N量子垒层和厚度为5nm的Al0.4Ga0.6N量子阱层，循环生长6个周期，得到多量子阱结构；
在1110℃的条件下，通入TMAl、TMGa、NH3和p型掺杂剂二茂镁(Cp2Mg)，在所述多量子阱结构的表面生长厚度为5nm的Al0.85Ga0.15N第一层电子阻挡层（P型掺杂浓度为2×1018cm-3）；在1150℃的条件下，在所述Al0.85Ga0.15N第一层电子阻挡层的表面生长厚度为10nm的Al0.65Ga0.35N第二层电子阻挡层（P型掺杂浓度为5×1018cm-3），循环生长6个周期，得到电子阻挡层；
在1050℃的条件下，通入TMAl、TMGa、NH3和p型掺杂剂二茂镁(Cp2Mg)，在所述电子阻挡层表面生长厚度为20nm的P型Al0.4Ga0.6N层（P型掺杂浓度为3×1019cm-3）；
在900℃的条件下，通入TMGa、NH3、H2和Cp2Mg，在所述P型Al0.4Ga0.6N层的表面生长厚度为300nm的P型覆盖层（P型GaN层，P型掺杂浓度为1×1020cm-3）；
最后，在氮气气氛中，800℃退火30min，随炉冷却，得到紫外LED外延结构；
将所述紫外LED外延结构制成紫外LED芯片后，在500mA的电流下，亮度为100mW。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种紫外LED外延结构，其特征在于，包括依次层叠设置的衬底、缓冲层、N型AlGaN层、多量子阱结构层、P型电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层；
所述缓冲层包括依次层叠设置的AlN缓冲层和非掺杂的AlGaN层；所述AlN缓冲层设置于 所述衬底的表面；
所述P型电子阻挡层包括依次交替层叠设置的第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层；
所述第一P型AlGaN层中Al的掺杂浓度大于所述第二P型AlGaN层中Al的掺杂浓度；
所述第一P型AlGaN层的材料为AlxGa1-xN；所述第二P型AlGaN层的材料为AlyGa1-yN；
其中，x和y的取值范围为1>x>y>0.5;
所述第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层的生长温度不同，且所述第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层的生长温差为20~100℃。
2.如权利要求1所述的紫外LED外延结构，其特征在于，所述第一P型AlGaN层的P型掺杂浓度和所述第二P型AlGaN层的P型掺杂浓度不同。
3.如权利要求2所述的紫外LED外延结构，其特征在于，所述第一P型AlGaN层的P型掺杂浓度和所述第二P型AlGaN层的P型掺杂浓度独立为5×1018~1×1019cm-3或1×1018~5×1018cm-3；
当所述第一P型AlGaN层的P型掺杂浓度为5×1018~1×1019cm-3时，所述第二P型AlGaN层的P型掺杂浓度为1×1018~5×1018cm-3；
当所述第一P型AlGaN层的P型掺杂浓度为1×1018~5×1018时，所述第二P型AlGaN层的P型掺杂浓度为5×1018~1×1019cm-3。
4.如权利要求1~3任一项所述的紫外LED外延结构，其特征在于，所述第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层的厚度独立的为5~15nm；
所述P型电子阻挡层的总厚度为50~100nm。
5.权利要求1~4任一项所述的紫外LED外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底表面依次生长AlN缓冲层、非掺杂的AlGaN层、N型AlGaN层、多量子阱结构层后，在所述多量子阱结构层的表面依次交替层叠生长第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层，得到P型电子阻挡层；
在所述P型电子阻挡层的表面依次生长P型AlGaN层和P型GaN层，得到所述紫外LED外延结构；
生长所述第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层的温度不同，所述第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层的生长温差为20~100℃。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层中生长温度高的P型AlGaN层的厚度低于生长温度低的P型AlGaN层的厚度。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层中生长温度高的P型AlGaN层的P型掺杂浓度为5×1018~1×1019cm-3；
所述第一P型AlGaN层和第二P型AlGaN层中生长温度低的P型AlGaN层的P型掺杂浓度为1×1018~5×1018cm-3。
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