CN115458653A - 一种深紫外发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深紫外发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管，涉及半导体光电器件领域。其中，深紫外发光二极管外延片包括包括衬底和依次沉积于所述衬底上的缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型AlGaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；其中，所述缓冲层包括依次沉积于所述衬底上的AlON层、AlN层和Ga掺AlN层。实施本发明，可有效提升深紫外发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种深紫外发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管。
背景技术
目前深紫外LED主要采用AlGaN作为主要生长材料，利用金属有机气相沉积(MOCVD)外延生长方法生长出所需要的外延结构。该外延结构具体包括AlN缓冲层，费掺杂AlGaN层，n型AlGaN层，AlGaN量子阱层，P型AlGaN电子阻挡层，以及P型GaN层。虽然，目前深紫外AlGaN LED应用广泛。但是，AlGaN深紫外发光二极管因以下两大问题严重限制其发光效率的提升。第一，在异质衬底上沉积AlN层或者AlGaN外延层时，因AlN层或AlGaN外延层与异质衬底晶格失配度大，导致外延层应力过大，生长至一定厚度时导致AlN层或者AlGaN外延层断裂；第二，AlN层或AlGaN层晶体质量差，导致紫外LED外延层具有较高的位错密度，从而发光二极管的内量子效率大幅降低，严重降低紫外LED发光效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种深紫外发光二极管外延片及其制备方法，其可有效缓解衬底与AlGaN材料的晶格失配、热失配，提升发光效率。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种发光二极管，其发光效率高。
为了解决上述问题，本发明公开了一种深紫外发光二极管外延片，包括衬底和依次沉积于所述衬底上的缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型AlGaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；其中，所述缓冲层包括依次沉积于所述衬底上的AlON层、AlN层和Ga掺AlN层。
作为上述技术方案的改进，所述AlON层中O组分的占比为0.01-0.1，所述AlON层的厚度为5-50nm。
作为上述技术方案的改进，所述AlN层厚度为10-100nm，所述Ga掺AlN层厚度为10-100nm。
作为上述技术方案的改进，所述Ga掺AlN层中Ga组分的占比为0.01-0.1。
作为上述技术方案的改进，所述Ga掺AlN层中Ga组分的含量大于所述非掺杂AlGaN层中Ga组分的含量；
所述Ga掺AlN层中Ga组分的含量由所述AlN层一侧开始逐渐降低至所述非掺杂AlGaN层中Ga组分的含量。
相应的，本发明还公开了一种深紫外发光二极管外延片的制备方法，用于制备上述的深紫外发光二极管外延片，包括：
(1)提供衬底；
(2)在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型AlGaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；
其中，所述缓冲层包括依次设于所述衬底上的AlON层、AlN层和Ga掺AlN层。
作为上述技术方案的改进，步骤(2)中，采用PVD溅射AlON层和AlN层，溅射功率为2-5kW，溅射温度为300-800℃，溅射压力为1-50torr；
所述AlON层的溅射气氛为N2、Ar和O2的混合气体，N2、Ar和O2的体积比(1～10)：(5～30)：1；所述AlN层的溅射气氛为N2和Ar的混合气体；其中，N2和Ar的体积比1：(1～10)。
作为上述技术方案的改进，步骤(2)中，AlON层和AlN层溅射完成后，采用MOCVD进行处理，处理气氛为H2，处理温度为1000-1300℃，压力为50-500torr。
作为上述技术方案的改进，步骤(2)中，采用MOCVD生长Ga掺AlN层，生长温度为800-1200℃，生长压力为50-500torr，生长气氛为N2和NH3的混合气体，其中，N2和NH3的体积比(1～10)：1。
相应的，本发明还公开了一种深紫外发光二极管，包括上述的深紫外发光二极管外延片。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明的深紫外发光二极管外延片，在外延结构与衬底之间沉积了缓冲层，具体的，该缓冲层结构包括AlON层、AlN层、Ga掺AlN层。基于这种结构的缓冲层，一者，减少了衬底与AlGaN的晶格失配，降低了位错密度，防止位错延伸至量子阱，减少量子阱因位错产生的非辐射复合中心，提高量子阱的发光效率。二者，缓冲层提供了与衬底取向相同的成核中心，释放了AlGaN和衬底之间的晶格失配产生的应力以及热膨胀系数失配所产生的热应力，为后续AlGaN的生长提供了平整的成核表面，减少其成核生长的接触角，促进了AlGaN的二维生长。
附图说明
图1是本发明一实施例中深紫外发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本发明一实施例中缓冲层的结构示意图；
图3是本发明一实施例中深紫外发光二极管外延片的制备方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明作进一步地详细描述。
参考图1和图2，本发明公开了一种深紫外发光二极管外延片，包括衬底1和依次沉积于衬底1上的缓冲层2、非掺杂AlGaN层3、N型AlGaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、P型AlGaN层7和P型接触层8。其中，缓冲层包括依次沉积于衬底1上的AlON层21、AlN层22和Ga掺AlN层23。基于这种缓冲层结构，一者，减少了衬底与AlGaN的晶格失配，降低了位错密度，防止位错延伸至量子阱，减少量子阱因位错产生的非辐射复合中心，提高量子阱的发光效率。二者，缓冲层提供了与衬底取向相同的成核中心，释放了AlGaN和衬底之间的晶格失配产生的应力以及热膨胀系数失配所产生的热应力，为后续AlGaN的生长提供了平整的成核表面，减少其成核生长的接触角，促进了AlGaN的二维生长。
其中，AlON层21靠近衬底1设置，可缓解衬底1与AlN层22之间的晶格失配。需要说明的是，由于衬底1一般为蓝宝石(Al2O3)，故在该层中引入了O组分。O组分可起到减少Al2O3与AlN之间晶格失配的作用。具体的，O组分的占比为0.01-0.1，当其占比＜0.01时，难以有效缓解晶格失配；当其占比＞0.1时，反而会降低AlON晶体的质量，设置影响AlN层22中AlN晶体的质量。示例性的，O组分的占比为0.02、0.03、0.04、0.05、0.06或0.08，但不限于此。
需要说明的是，从减少晶格失配的角度出发，AlON中O组分含量越高越有利，但过高的O组分会产生较多的非晶相，进而影响AlON层21、AlN层22的晶体质量。为此，本发明在沉积AlON层21和AlN层22之后，对其进行热处理。通过该热处理，可促进AlON层21、AlN层22重结晶，提升其晶体质量。在引入该热处理工艺后，可将AlON层21中的O组分提升至0.03-0.1。进一步优选的，在热处理过程中，采用H2气氛，热处理温度控制为1000-1300℃，基于上述控制，可将AlON层21中的O组分提升至0.7-0.1。
其中，AlON层21的厚度为5-50nm，当其厚度＜5nm时，难以缓解衬底1与AlN层22之间的晶格失配，当其厚度＞50nm时，缓冲层2整体与AlGaN材料的热膨胀差异较大，难以有效缓解热应力。示例性的，AlON层21的厚度为17nm、24nm、31nm、38nm、45nm或47nm，但不限于此。
其中，AlN层22的厚度为10-100nm，当其厚度＜10nm时，难以有效阻挡位错；当其厚度＞100nm时，AlN层整体晶体质量差，降低了发光二极管的内量子效率。示例性的，AlN层22的厚度为15nm、20nm、25nm、30nm、40nm、50nm、70nm、85nm或90nm，但不限于此。
其中，Ga掺AlN层23可减少AlN层22与非掺杂AlGaN层3之间的晶格失配。具体的，Ga掺AlN层23中Ga组分的占比为0.01-0.1，示例性的为0.02、0.03、0.04、0.05、0.06或0.08，但不限于此。优选的，在本发明的一个实施例中，Ga掺AlN层23中Ga组分的含量大于非掺杂AlGaN层3中Ga组分的含量，且Ga掺AlN层23中Ga组分的含量由AlN层22一侧开始逐渐降低至非掺杂AlGaN层3中Ga组分的含量。基于上述组分变化，可更好的减少AlN层22与非掺杂AlGaN层3之间的晶格失配。
具体的，Ga掺AlN层23的厚度为10-100nm，示例性的，为15nm、20nm、25nm、30nm、40nm、50nm、70nm、85nm或90nm，但不限于此。
其中，衬底1可为蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底，但不限于此。优选的为蓝宝石衬底。
其中，非掺杂AlGaN层3可形成中心岛状生长，为后续层转为二维生长提供良好的基础，且其可释放压应力，提高晶体质量。具体的，非掺杂AlGaN层3的厚度为1-5μm，示例性的为1.4μm、1.8μm、2.2μm、2.6μm、3μm、3.5μm、4μm、4.2μm或4.6μm，但不限于此。
其中，N型AlGaN层4可提供电子，进而与空穴在多量子阱层5中复合发光。具体的，N型AlGaN层4中的掺杂元素为Si，但不限于此。N型AlGaN层4中Si的掺杂浓度为1×1019-5×1020cm-3，示例性的为3.5×1019cm-3、8×1019cm-3、1.2×1020cm-3、2.4×1020cm-3、3.5×1020cm-3或4.3×1020cm-3，但不限于此。具体的，N型AlGaN层4的厚度为1-5μm，示例性的为1.4μm、1.8μm、2.2μm、2.6μm、3μm、3.5μm、4μm、4.2μm或4.6μm，但不限于此。
其中，多量子阱层5为交替堆叠的AlxGa1-xN量子阱层和AlyGa1-yN量子垒层，堆叠周期数6-12个。单个AlxGa1-xN量子阱层的厚度为2-5nm，x为0.2-0.6。单个AlyGa1-yN量子垒层的厚度为5-15nm，y为0.4-0.8。
其中，电子阻挡层6可以有效地限制电子溢流，也可以减少对空穴的阻挡，提升空穴向量子阱的注入效率，减少载流子俄歇复合，提高发光二极管的发光效率。具体的，电子阻挡层6为AlaGa1-aN层，但不限于此。具体的，电子阻挡层6的厚度为10-50nm，AlaGa1-aN层中a为0.4-0.8。
其中，P型AlGaN层7的掺杂元素为Mg，但不限于此。P型AlGaN层7中Mg的掺杂浓度为1×1019-5×1020cm-3，P型AlGaN层7的厚度为100-200nm。
其中，P型接触层8为高掺杂浓度的AlGaN层。具体的，P型接触层8中Mg的掺杂浓度为5×1019-5×1020cm-3，P型接触层8的厚度为10-50nm。
相应的，参考图3，本发明还公开了一种深紫外发光二极管外延片的制备方法，其用于制备上述的深紫外发光二极管外延片，其包括以下步骤：
S1：提供衬底；
具体的，该衬底为蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底，但不限于此。优选的为蓝宝石衬底，蓝宝石衬底应用广泛，成本低，易于清洗处理，在高温下具有良好的稳定性。
S2：在衬底上依次生长缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型AlGaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；
具体的，S2包括：
S21：在衬底上生长缓冲层；
具体的，S21包括：
S211：在衬底上生长AlON层；
其中，AlON层可通过PVD、MOCVD生长，但不限于此。优选的，在本发明的一个实施例中，在PVD中溅射AlON层，PVD磁控溅射技术制备的AlON层的晶体质量较高，表面均匀性高，单轴趋向性强。
具体的，采用PVD磁控溅射AlON层时，溅射功率为2-5kW，溅射温度为300-800℃，溅射压力为1-50torr。
此外，控制溅射气氛为N2、Ar和O2的混合气体。具体的，N2、Ar和O2的体积比(1～10)：(5～30)：1，示例性的为1:6:1、2:8:1、3:15:1、5:18:1、7:22:1，但不限于此。基于对溅射气氛的控制，可进一步降低AlON层生长过程中积累的内应力。
S212：在AlON层上生长AlN层；
其中，AlN层可通过PVD、MOCVD生长，但不限于此。优选的，在本发明的一个实施例中，在PVD中溅射AlN层，PVD磁控溅射技术制备的AlN层的晶体质量较高，表面均匀性高，单轴趋向性强。
具体的，采用PVD磁控溅射AlON层时，溅射功率为2-5kW，溅射温度为300-800℃，溅射压力为1-50torr。
此外，控制溅射气氛为N2和Ar的混合气体。具体的，N2和Ar的体积比为1：(1～10)，示例性的为1:1.5、1:3、1:5、1:7或1:8，但不限于此。基于对溅射气氛的控制，可提升AlN层的晶体质量，且降低AlN层生长过程中积累的内应力。
S213：将步骤S212得到的衬底进行高温处理；
具体的，AlON层和AlN层溅射完成后，将衬底加载至MOCVD中，并进行热处理。通过热处理，可将AlON层、AlN层中的非晶相晶体化，提升晶体质量。其中，高温处理的压力为50-500torr，温度为1000-1300℃，当高温处理温度＜1000℃时，过量的O组分难以被有效地带出；当高温处理温度＞1300℃时，反而会破坏AlON层、AlN层的晶体结构。
S214：在AlN层上生长Ga掺AlN层；
其中，采用MOCVD生长Ga掺AlN层，生长温度为800-1200℃，生长压力为50-500torr，生长气氛为N2和NH3的混合气体。基于该气氛控制，可减少Al与H2发生的副反应，提高Ga掺AlN层的晶体质量。具体的，N2和NH3的体积比(1～10)：1，示例性的为2:1、3.5:1、5:1、7.5:1或9:1，但不限于此。
S22：在Ga掺AlN层上生长非掺杂AlGaN层；
其中，采用MOCVD生长非掺杂AlGaN层，生长温度为1000-1300℃，生长压力50-500torr。
S23：在非掺杂AlGaN层上N型AlGaN层；
其中，采用MOCVD生长N型AlGaN层，生长温度为1000-1300℃，生长压力80-200torr。
S24：在N型AlGaN层上生长多量子阱层；
其中，采用MOCVD周期性生长多个AlxGa1-xN量子阱层和AlyGa1-yN量子垒层，即得到多量子阱层。其中，AlxGa1-xN量子阱层的生长温度为850-950℃，生长压力为50-300torr。AlyGa1-yN量子垒层的生长温度为1050-1150℃，生长压力50-300torr。
S25：在多量子阱层上生长电子阻挡层；
其中，采用MOCVD生长电子阻挡层，生长温度为1000-1100℃，生长压力100-300torr。
S26：在电子阻挡层上生长P型AlGaN层；
其中，采用MOCVD生长P型AlGaN层，生长温度为1000-1100℃，生长压力100-600torr。
S27：在P型AlGaN层上生长P型接触层；
其中，采用MOCVD生长P型接触层，生长温度为1000-1100℃，生长压力100-600torr。
下面以具体实施例对本发明进行进一步说明：
实施例1
本实施例提供一种深紫外发光二极管外延片，参考图1、图2，其包括衬底1和依次沉积于衬底1上的缓冲层2、非掺杂AlGaN层3、N型AlGaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、P型AlGaN层7和P型接触层8。
其中，衬底1为蓝宝石衬底。
其中，缓冲层2包括依次沉积于衬底1上的AlON层21、AlN层22和Ga掺AlN层23。其中，AlON层21中O组分的占比为0.03，AlON层21的厚度为20nm。AlN层的厚度为30nm。Ga掺AlN层23中Ga组分由0.9渐变为0.2(由AlN层22一侧至非掺杂AlGaN层3一侧)，Ga掺AlN层23的厚度为50nm。
其中，非掺杂AlGaN层3的厚度为2.5μm，N型AlGaN层4的厚度为2.8μm，Si掺杂浓度为2.5×1019cm-3。
其中，多量子阱层为交替堆叠的AlxGa1-xN量子阱层(x＝0.45)和AlyGa1-yN量子垒层(y＝0.55)，堆叠周期数9个。单个AlxGa1-xN量子阱层的厚度为3.5nm，单个AlyGa1-yN量子垒层的厚度为11nm。
其中，电子阻挡层6为AlaGa1-aN层(a＝0.65)，厚度为30nm。P型AlGaN层7的厚度为150nm，Mg掺杂浓度为5×1019cm-3。P型接触层8为P型掺杂的AlGaN层，其Mg掺杂浓度为1×1020cm-3，厚度为20nm。
本实施例中深紫外发光二极管外延片的制备方法为：
(1)提供衬底；
(2)在衬底上生长AlON层；
具体的，在PVD中溅射AlON层，溅射功率为3.5kW，溅射温度为600℃，溅射压力为15torr，溅射气氛为N2、Ar和O2的混合气体(三者体积比为6:18:1)。
(3)在AlON层上生长AlN层；
具体的，在PVD中溅射AlN层，溅射功率为3.5kW，溅射温度为600℃，溅射压力为15torr，溅射气氛为N2和Ar的混合气体(两者体积比为1:6)。
(4)在AlN层上生长Ga掺AlN层；
具体的，采用MOCVD生长Ga掺AlN层，生长温度为1000℃，生长压力为100torr，生长气氛为N2和NH3的混合气体(两者体积比为3:1)。
(5)在Ga掺AlN层上生长非掺杂AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长非掺杂AlGaN层，生长温度为1200℃，生长压力100torr。
(6)在非掺杂AlGaN层上N型AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长N型AlGaN层，生长温度为1200℃，生长压力100torr。
(7)在N型AlGaN层上生长多量子阱层；
具体的，采用MOCVD周期性生长多个AlxGa1-xN量子阱层和AlyGa1-yN量子垒层。其中，AlxGa1-xN量子阱层的生长温度为900℃，生长压力为200torr。AlyGa1-yN量子垒层的生长温度为1100℃，生长压力200torr。
(8)在多量子阱层上生长电子阻挡层；
具体的，采用MOCVD生长电子阻挡层，生长温度为1050℃，生长压力200torr。
(9)在电子阻挡层上生长P型AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长P型AlGaN层，生长温度为1050℃，生长压力300torr。
(10)在P型AlGaN层上生长P型接触层；
具体的，采用MOCVD生长P型接触层，生长温度为1040℃，生长压力250torr。
实施例2
本实施例提供一种深紫外发光二极管外延片，参考图1、图2，其包括衬底1和依次沉积于衬底1上的缓冲层2、非掺杂AlGaN层3、N型AlGaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、P型AlGaN层7和P型接触层8。
其中，衬底1为蓝宝石衬底。
其中，缓冲层2包括依次沉积于衬底1上的AlON层21、AlN层22和Ga掺AlN层23。其中，AlON层21中O组分的占比为0.03，AlON层21的厚度为20nm。AlN层的厚度为30nm。Ga掺AlN层23中Ga组分由0.9渐变为0.2(由AlN层22一侧至非掺杂AlGaN层3一侧)，Ga掺AlN层23的厚度为50nm。
其中，非掺杂AlGaN层3的厚度为2.5μm，N型AlGaN层4的厚度为2.8μm，Si掺杂浓度为2.5×1019cm-3。
其中，多量子阱层为交替堆叠的AlxGa1-xN量子阱层(x＝0.45)和AlyGa1-yN量子垒层(y＝0.55)，堆叠周期数9个。单个AlxGa1-xN量子阱层的厚度为3.5nm，单个AlyGa1-yN量子垒层的厚度为11nm。
其中，电子阻挡层6为AlaGa1-aN层(a＝0.65)，厚度为30nm。P型AlGaN层7的厚度为150nm，Mg掺杂浓度为5×1019cm-3。P型接触层8为P型掺杂的AlGaN层，其Mg掺杂浓度为1×1020cm-3，厚度为20nm。
本实施例中深紫外发光二极管外延片的制备方法为：
(1)提供衬底；
(2)在衬底上生长AlON层；
具体的，在PVD中溅射AlON层，溅射功率为3.5kW，溅射温度为600℃，溅射压力为15torr，溅射气氛为N2、Ar和O2的混合气体(三者体积比为6:18:1)。
(3)在AlON层上生长AlN层；
具体的，在PVD中溅射AlN层，溅射功率为3.5kW，溅射温度为600℃，溅射压力为15torr，溅射气氛为N2和Ar的混合气体(两者体积比为1:6)。
(4)将衬底进行高温处理；
具体的，在MOCVD中进行热处理。热处理温度为1100℃，H2气氛，压力为100torr。
(5)在AlN层上生长Ga掺AlN层；
具体的，采用MOCVD生长Ga掺AlN层，生长温度为1000℃，生长压力为100torr，生长气氛为N2和NH3的混合气体(两者体积比为3:1)。
(6)在Ga掺AlN层上生长非掺杂AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长非掺杂AlGaN层，生长温度为1200℃，生长压力100torr。
(7)在非掺杂AlGaN层上N型AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长N型AlGaN层，生长温度为1200℃，生长压力100torr。
(8)在N型AlGaN层上生长多量子阱层；
具体的，采用MOCVD周期性生长多个AlxGa1-xN量子阱层和AlyGa1-yN量子垒层。其中，AlxGa1-xN量子阱层的生长温度为900℃，生长压力为200torr。AlyGa1-yN量子垒层的生长温度为1100℃，生长压力200torr。
(9)在多量子阱层上生长电子阻挡层；
具体的，采用MOCVD生长电子阻挡层，生长温度为1050℃，生长压力200torr。
(10)在电子阻挡层上生长P型AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长P型AlGaN层，生长温度为1050℃，生长压力300torr。
(11)在P型AlGaN层上生长P型接触层；
具体的，采用MOCVD生长P型接触层，生长温度为1040℃，生长压力250torr。
实施例3
本实施例提供一种深紫外发光二极管外延片，参考图1、图2，其包括衬底1和依次沉积于衬底1上的缓冲层2、非掺杂AlGaN层3、N型AlGaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、P型AlGaN层7和P型接触层8。
其中，衬底1为蓝宝石衬底。
其中，缓冲层2包括依次沉积于衬底1上的AlON层21、AlN层22和Ga掺AlN层23。其中，AlON层21中O组分的占比为0.09，AlON层21的厚度为20nm。AlN层的厚度为30nm。Ga掺AlN层23中Ga组分由0.9渐变为0.2(由AlN层22一侧至非掺杂AlGaN层3一侧)，Ga掺AlN层23的厚度为50nm。
其中，非掺杂AlGaN层3的厚度为2.5μm，N型AlGaN层4的厚度为2.8μm，Si掺杂浓度为2.5×1019cm-3。
其中，多量子阱层为交替堆叠的AlxGa1-xN量子阱层(x＝0.45)和AlyGa1-yN量子垒层(y＝0.55)，堆叠周期数9个。单个AlxGa1-xN量子阱层的厚度为3.5nm，单个AlyGa1-yN量子垒层的厚度为11nm。
其中，电子阻挡层6为AlaGa1-aN层(a＝0.65)，厚度为30nm。P型AlGaN层7的厚度为150nm，Mg掺杂浓度为5×1019cm-3。P型接触层8为P型掺杂的AlGaN层，其Mg掺杂浓度为1×1020cm-3，厚度为20nm。
本实施例中深紫外发光二极管外延片的制备方法为：
(1)提供衬底；
(2)在衬底上生长AlON层；
具体的，在PVD中溅射AlON层，溅射功率为3.5kW，溅射温度为600℃，溅射压力为15torr，溅射气氛为N2、Ar和O2的混合气体(三者体积比为6:18:1)。
(3)在AlON层上生长AlN层；
具体的，在PVD中溅射AlN层，溅射功率为3.5kW，溅射温度为600℃，溅射压力为15torr，溅射气氛为N2和Ar的混合气体(两者体积比为1:6)。
(4)将衬底进行高温处理；
具体的，在MOCVD中进行热处理。热处理温度为1100℃，H2气氛，压力为100torr。
(5)在AlN层上生长Ga掺AlN层；
具体的，采用MOCVD生长Ga掺AlN层，生长温度为1000℃，生长压力为100torr，生长气氛为N2和NH3的混合气体(两者体积比为3:1)。
(6)在Ga掺AlN层上生长非掺杂AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长非掺杂AlGaN层，生长温度为1200℃，生长压力100torr。
(7)在非掺杂AlGaN层上N型AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长N型AlGaN层，生长温度为1200℃，生长压力100torr。
(8)在N型AlGaN层上生长多量子阱层；
具体的，采用MOCVD周期性生长多个AlxGa1-xN量子阱层和AlyGa1-yN量子垒层。其中，AlxGa1-xN量子阱层的生长温度为900℃，生长压力为200torr。AlyGa1-yN量子垒层的生长温度为1100℃，生长压力200torr。
(9)在多量子阱层上生长电子阻挡层；
具体的，采用MOCVD生长电子阻挡层，生长温度为1050℃，生长压力200torr。
(10)在电子阻挡层上生长P型AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长P型AlGaN层，生长温度为1050℃，生长压力300torr。
(11)在P型AlGaN层上生长P型接触层；
具体的，采用MOCVD生长P型接触层，生长温度为1040℃，生长压力250torr。
实施例4
本实施例提供一种深紫外发光二极管外延片，参考图1、图2，其包括衬底1和依次沉积于衬底1上的缓冲层2、非掺杂AlGaN层3、N型AlGaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、P型AlGaN层7和P型接触层8。
其中，衬底1为蓝宝石衬底。
其中，缓冲层2包括依次沉积于衬底1上的AlON层21、AlN层22和Ga掺AlN层23。其中，AlON层21中O组分的占比为0.09，AlON层21的厚度为20nm。AlN层的厚度为30nm。Ga掺AlN层23中Ga组分由0.9渐变为0.2(由AlN层22一侧至非掺杂AlGaN层3一侧)，Ga掺AlN层23的厚度为50nm。
其中，非掺杂AlGaN层3的厚度为2.5μm，N型AlGaN层4的厚度为2.8μm，Si掺杂浓度为2.5×1019cm-3。
其中，多量子阱层为交替堆叠的AlxGa1-xN量子阱层(x＝0.45)和AlyGa1-yN量子垒层(y＝0.55)，堆叠周期数9个。单个AlxGa1-xN量子阱层的厚度为3.5nm，单个AlyGa1-yN量子垒层的厚度为11nm。
其中，电子阻挡层6为AlaGa1-aN层(a＝0.65)，厚度为30nm。P型AlGaN层7的厚度为150nm，Mg掺杂浓度为5×1019cm-3。P型接触层8为P型掺杂的AlGaN层，其Mg掺杂浓度为1×1020cm-3，厚度为20nm。
本实施例中深紫外发光二极管外延片的制备方法为：
(1)提供衬底；
(2)在衬底上生长AlON层；
具体的，在PVD中溅射AlON层，溅射功率为3.5kW，溅射温度为600℃，溅射压力为15torr，溅射气氛为N2、Ar和O2的混合气体(三者体积比为6:18:1)。
(3)在AlON层上生长AlN层；
具体的，在PVD中溅射AlN层，溅射功率为3.5kW，溅射温度为600℃，溅射压力为15torr，溅射气氛为N2和Ar的混合气体(两者体积比为1:6)。
(4)将衬底进行高温处理；
具体的，在MOCVD中进行热处理。热处理温度为1100℃，N2气氛，压力为100torr。
(5)在AlN层上生长Ga掺AlN层；
具体的，采用MOCVD生长Ga掺AlN层，生长温度为1000℃，生长压力为100torr，生长气氛为N2和NH3的混合气体(两者体积比为3:1)。
(6)在Ga掺AlN层上生长非掺杂AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长非掺杂AlGaN层，生长温度为1200℃，生长压力100torr。
(7)在非掺杂AlGaN层上N型AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长N型AlGaN层，生长温度为1200℃，生长压力100torr。
(8)在N型AlGaN层上生长多量子阱层；
具体的，采用MOCVD周期性生长多个AlxGa1-xN量子阱层和AlyGa1-yN量子垒层。其中，AlxGa1-xN量子阱层的生长温度为900℃，生长压力为200torr。AlyGa1-yN量子垒层的生长温度为1100℃，生长压力200torr。
(9)在多量子阱层上生长电子阻挡层；
具体的，采用MOCVD生长电子阻挡层，生长温度为1050℃，生长压力200torr。
(10)在电子阻挡层上生长P型AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长P型AlGaN层，生长温度为1050℃，生长压力300torr。
(11)在P型AlGaN层上生长P型接触层；
具体的，采用MOCVD生长P型接触层，生长温度为1040℃，生长压力250torr。
实施例5
本实施例提供一种深紫外发光二极管外延片，参考图1、图2，其包括衬底1和依次沉积于衬底1上的缓冲层2、非掺杂AlGaN层3、N型AlGaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、P型AlGaN层7和P型接触层8。
其中，衬底1为蓝宝石衬底。
其中，缓冲层2包括依次沉积于衬底1上的AlON层21、AlN层22和Ga掺AlN层23。其中，AlON层21中O组分的占比为0.09，AlON层21的厚度为20nm。AlN层的厚度为30nm。Ga掺AlN层23中Ga组分由0.9渐变为0.2(由AlN层22一侧至非掺杂AlGaN层3一侧)，Ga掺AlN层23的厚度为50nm。
其中，非掺杂AlGaN层3的厚度为2.5μm，N型AlGaN层4的厚度为2.8μm，Si掺杂浓度为2.5×1019cm-3。
其中，多量子阱层为交替堆叠的AlxGa1-xN量子阱层(x＝0.45)和AlyGa1-yN量子垒层(y＝0.55)，堆叠周期数9个。单个AlxGa1-xN量子阱层的厚度为3.5nm，单个AlyGa1-yN量子垒层的厚度为11nm。
其中，电子阻挡层6为AlaGa1-aN层(a＝0.65)，厚度为30nm。P型AlGaN层7的厚度为150nm，Mg掺杂浓度为5×1019cm-3。P型接触层8为P型掺杂的AlGaN层，其Mg掺杂浓度为1×1020cm-3，厚度为20nm。
本实施例中深紫外发光二极管外延片的制备方法为：
(1)提供衬底；
(2)在衬底上生长AlON层；
具体的，在PVD中溅射AlON层，溅射功率为3.5kW，溅射温度为600℃，溅射压力为15torr，溅射气氛为N2、Ar和O2的混合气体(三者体积比为6:18:1)。
(3)在AlON层上生长AlN层；
具体的，在PVD中溅射AlN层，溅射功率为3.5kW，溅射温度为600℃，溅射压力为15torr，溅射气氛为N2和Ar的混合气体(两者体积比为1:6)。
(4)将衬底进行高温处理；
具体的，在MOCVD中进行热处理。热处理温度为900℃，H2气氛，压力为100torr。
(5)在AlN层上生长Ga掺AlN层；
具体的，采用MOCVD生长Ga掺AlN层，生长温度为1000℃，生长压力为100torr，生长气氛为N2和NH3的混合气体(两者体积比为3:1)。
(6)在Ga掺AlN层上生长非掺杂AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长非掺杂AlGaN层，生长温度为1200℃，生长压力100torr。
(7)在非掺杂AlGaN层上N型AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长N型AlGaN层，生长温度为1200℃，生长压力100torr。
(8)在N型AlGaN层上生长多量子阱层；
具体的，采用MOCVD周期性生长多个AlxGa1-xN量子阱层和AlyGa1-yN量子垒层。其中，AlxGa1-xN量子阱层的生长温度为900℃，生长压力为200torr。AlyGa1-yN量子垒层的生长温度为1100℃，生长压力200torr。
(9)在多量子阱层上生长电子阻挡层；
具体的，采用MOCVD生长电子阻挡层，生长温度为1050℃，生长压力200torr。
(10)在电子阻挡层上生长P型AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长P型AlGaN层，生长温度为1050℃，生长压力300torr。
(11)在P型AlGaN层上生长P型接触层；
具体的，采用MOCVD生长P型接触层，生长温度为1040℃，生长压力250torr。
实施例6
本实施例提供一种深紫外发光二极管外延片，参考图1、图2，其包括衬底1和依次沉积于衬底1上的缓冲层2、非掺杂AlGaN层3、N型AlGaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、P型AlGaN层7和P型接触层8。
其中，衬底1为蓝宝石衬底。
其中，缓冲层2包括依次沉积于衬底1上的AlON层21、AlN层22和Ga掺AlN层23。其中，AlON层21中O组分的占比为0.09，AlON层21的厚度为20nm。AlN层的厚度为30nm。Ga掺AlN层23中Ga组分由0.9渐变为0.2(由AlN层22一侧至非掺杂AlGaN层3一侧)，Ga掺AlN层23的厚度为50nm。
其中，非掺杂AlGaN层3的厚度为2.5μm，N型AlGaN层4的厚度为2.8μm，Si掺杂浓度为2.5×1019cm-3。
其中，多量子阱层为交替堆叠的AlxGa1-xN量子阱层(x＝0.45)和AlyGa1-yN量子垒层(y＝0.55)，堆叠周期数9个。单个AlxGa1-xN量子阱层的厚度为3.5nm，单个AlyGa1-yN量子垒层的厚度为11nm。
其中，电子阻挡层6为AlaGa1-aN层(a＝0.65)，厚度为30nm。P型AlGaN层7的厚度为150nm，Mg掺杂浓度为5×1019cm-3。P型接触层8为P型掺杂的AlGaN层，其Mg掺杂浓度为1×1020cm-3，厚度为20nm。
本实施例中深紫外发光二极管外延片的制备方法为：
(1)提供衬底；
(2)在衬底上生长AlON层；
具体的，在PVD中溅射AlON层，溅射功率为3.5kW，溅射温度为600℃，溅射压力为15torr，溅射气氛为N2、Ar和O2的混合气体(三者体积比为6:18:1)。
(3)在AlON层上生长AlN层；
具体的，在PVD中溅射AlN层，溅射功率为3.5kW，溅射温度为600℃，溅射压力为15torr，溅射气氛为N2和Ar的混合气体(两者体积比为1:6)。
(4)将衬底进行高温处理；
具体的，在MOCVD中进行热处理。热处理温度为1400℃，H2气氛，压力为100torr。
(5)在AlN层上生长Ga掺AlN层；
具体的，采用MOCVD生长Ga掺AlN层，生长温度为1000℃，生长压力为100torr，生长气氛为N2和NH3的混合气体(两者体积比为3:1)。
(6)在Ga掺AlN层上生长非掺杂AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长非掺杂AlGaN层，生长温度为1200℃，生长压力100torr。
(7)在非掺杂AlGaN层上N型AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长N型AlGaN层，生长温度为1200℃，生长压力100torr。
(8)在N型AlGaN层上生长多量子阱层；
具体的，采用MOCVD周期性生长多个AlxGa1-xN量子阱层和AlyGa1-yN量子垒层。其中，AlxGa1-xN量子阱层的生长温度为900℃，生长压力为200torr。AlyGa1-yN量子垒层的生长温度为1100℃，生长压力200torr。
(9)在多量子阱层上生长电子阻挡层；
具体的，采用MOCVD生长电子阻挡层，生长温度为1050℃，生长压力200torr。
(10)在电子阻挡层上生长P型AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长P型AlGaN层，生长温度为1050℃，生长压力300torr。
(11)在P型AlGaN层上生长P型接触层；
具体的，采用MOCVD生长P型接触层，生长温度为1040℃，生长压力250torr。
实施例7
本实施例提供一种深紫外发光二极管外延片，参考图1、图2，其包括衬底1和依次沉积于衬底1上的缓冲层2、非掺杂AlGaN层3、N型AlGaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、P型AlGaN层7和P型接触层8。
其中，衬底1为蓝宝石衬底。
其中，缓冲层2包括依次沉积于衬底1上的AlON层21、AlN层22和Ga掺AlN层23。其中，AlON层21中O组分的占比为0.09，AlON层21的厚度为20nm。AlN层的厚度为30nm。Ga掺AlN层23中Ga组分由0.9渐变为0.2(由AlN层22一侧至非掺杂AlGaN层3一侧)，Ga掺AlN层23的厚度为50nm。
其中，非掺杂AlGaN层3的厚度为2.5μm，N型AlGaN层4的厚度为2.8μm，Si掺杂浓度为2.5×1019cm-3。
其中，多量子阱层为交替堆叠的AlxGa1-xN量子阱层(x＝0.45)和AlyGa1-yN量子垒层(y＝0.55)，堆叠周期数9个。单个AlxGa1-xN量子阱层的厚度为3.5nm，单个AlyGa1-yN量子垒层的厚度为11nm。
其中，电子阻挡层6为AlaGa1-aN层(a＝0.65)，厚度为30nm。P型AlGaN层7的厚度为150nm，Mg掺杂浓度为5×1019cm-3。P型接触层8为P型掺杂的AlGaN层，其Mg掺杂浓度为1×1020cm-3，厚度为20nm。
本实施例中深紫外发光二极管外延片的制备方法为：
(1)提供衬底；
(2)在衬底上生长AlON层；
具体的，在PVD中溅射AlON层，溅射功率为3.5kW，溅射温度为600℃，溅射压力为15torr，溅射气氛为N2、Ar和O2的混合气体(三者体积比为6:18:1)。
(3)在AlON层上生长AlN层；
具体的，在PVD中溅射AlN层，溅射功率为3.5kW，溅射温度为600℃，溅射压力为15torr，溅射气氛为N2、Ar和O2的混合气体(三者体积比为6:18:1)。
(4)将衬底进行高温处理；
具体的，在MOCVD中进行热处理。热处理温度为1100℃，H2气氛，压力为100torr。
(5)在AlN层上生长Ga掺AlN层；
具体的，采用MOCVD生长Ga掺AlN层，生长温度为1000℃，生长压力为100torr，生长气氛为N2、NH3和H2的混合气体(三者体积比为6:2:1)。
(6)在Ga掺AlN层上生长非掺杂AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长非掺杂AlGaN层，生长温度为1200℃，生长压力100torr。
(7)在非掺杂AlGaN层上N型AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长N型AlGaN层，生长温度为1200℃，生长压力100torr。
(8)在N型AlGaN层上生长多量子阱层；
具体的，采用MOCVD周期性生长多个AlxGa1-xN量子阱层和AlyGa1-yN量子垒层。其中，AlxGa1-xN量子阱层的生长温度为900℃，生长压力为200torr。AlyGa1-yN量子垒层的生长温度为1100℃，生长压力200torr。
(9)在多量子阱层上生长电子阻挡层；
具体的，采用MOCVD生长电子阻挡层，生长温度为1050℃，生长压力200torr。
(10)在电子阻挡层上生长P型AlGaN层；
具体的，采用MOCVD生长P型AlGaN层，生长温度为1050℃，生长压力300torr。
(11)在P型AlGaN层上生长P型接触层；
具体的，采用MOCVD生长P型接触层，生长温度为1040℃，生长压力250torr。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于，缓冲层仅为PVD溅射的厚度为100nm的AlN层，而不设置AlON层和Ga掺AlN层，相应的，也不设置AlON层和Ga掺AlN层的制备步骤。其余均与实施例1相同。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于，缓冲层仅为AlON层和AlN层，而不设置Ga掺AlN层，相应的，也不设置Ga掺AlN层的制备步骤。其余均与实施例1相同。
将实施例1-7，对比例1-2所得的深紫外发光二极管外延片进行亮度测试，并以对比例1中的外延片为基准，计算其他实施例、对比例的光效提升率，具体结果如下表所示：
具体结果如下：
由表中可以看出，当在外延结构中引入本发明的缓冲层以后，可有效提升发光效率。
以上所述是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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种深紫外发光二极管外延片，其特征在于，包括衬底和依次沉积于所述衬底上的缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型AlGaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；其中，所述缓冲层包括依次沉积于所述衬底上的AlON层、AlN层和Ga掺AlN层。
2.如权利要求1所述的深紫外发光二极管外延片，其特征在于，所述AlON层中O组分的占比为0.01-0.1，所述AlON层的厚度为5-50nm。
3.如权利要求1所述的深紫外发光二极管外延片，其特征在于，所述AlN层厚度为10-100nm，所述Ga掺AlN层厚度为10-100nm。
4.如权利要求1所述的深紫外发光二极管外延片，其特征在于，所述Ga掺AlN层中Ga组分的占比为0.01-0.1。
5.如权利要求1所述的深紫外发光二极管外延片，其特征在于，所述Ga掺AlN层中Ga组分的含量大于所述非掺杂AlGaN层中Ga组分的含量；
所述Ga掺AlN层中Ga组分的含量由所述AlN层一侧开始逐渐降低至所述非掺杂AlGaN层中Ga组分的含量。
6.一种深紫外发光二极管外延片的制备方法，用于制备如权利要求1-5任一项所述的深紫外发光二极管外延片，其特征在于，包括：
(1)提供衬底；
(2)在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型AlGaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；
其中，所述缓冲层包括依次设于所述衬底上的AlON层、AlN层和Ga掺AlN层。
7.如权利要求6所述的深紫外发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，采用PVD溅射AlON层和AlN层，溅射功率为2-5kW，溅射温度为300-800℃，溅射压力为1-50torr；
所述AlON层的溅射气氛为N2、Ar和O2的混合气体，N2、Ar和O2的体积比(1～10)：(5～30)：1；所述AlN层的溅射气氛为N2和Ar的混合气体；其中，N2和Ar的体积比1：(1～10)。
8.如权利要求7所述的深紫外发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，AlON层和AlN层溅射完成后，采用MOCVD进行处理，处理气氛为H2，处理温度为1000-1300℃，压力为50-500torr。
9.如权利要求6所述的深紫外发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，采用MOCVD生长Ga掺AlN层，生长温度为800-1200℃，生长压力为50-500torr，生长气氛为N2和NH3的混合气体；其中，N2和NH3的体积比(1～10)：1。
10.一种深紫外发光二极管，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的深紫外发光二极管外延片。
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