CN115548177A - 深紫外发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于半导体技术领域，尤其涉及一种深紫外发光二极管及其制备方法。其中，深紫外发光二极管，包括由下自上依次叠层贴合设置的衬底层、缓冲层、N型接触层、量子阱有源区、电子阻挡层和P型接触层，还包括设置在所述P型接触层一侧的P电极和设置在所述N型接触层一侧的N电极；其中，所述量子阱有源区包括M2xGa(2‑2x)O3，其中，M选自Al、Sn或者Si，所述x为0.2～0.4。本申请提供的深紫外发光二极管通过各功能层的协同作用，使得深紫外发光二极管在波长为200～300nm深紫波段发光效率高，发光稳定性好，使用寿命长。
Description
技术领域
本申请属于半导体技术领域，尤其涉及一种深紫外发光二极管及其制备方法。
背景技术
半导体发光二极管已经覆盖了从毫米波到深紫外的广阔波段，通过选择合适的有源区材料和厚度，发射波长可以覆盖指定范围。在工业生产、交通运输、通信、信息处理、医疗卫生及文化教育等领域均有重要应用。半导体发光二极管具有转换效率高、体积小、使用寿命长、价格便宜、可直接调制、重量轻、易集成等特点。基于AlGaN的深紫外LED在很多领域具有巨大的应用前景，如水、空气净化、表面杀菌消毒、光存储、3D打印、紫外光刻、非视距通信、气体传感、紫外光疗、油墨固化以及防伪检测等。紫外光波段范围为100～400nm，紫外光按波长范围又可分为真空紫外(100～200nm)、长波紫外(315～400nm)、中波紫外(280～315nm)和短波紫外(200～280nm)四种，而可见光的波长范围为400～800nm。与可见光波段相比，紫外光光子能量更高，穿透能力更强，并且对于生物病毒有很强的杀伤力，因而紫外光源在生物化学有害物质检测、水净化、高密度存储和短波长安全通信以及军事等领域有着重大应用价值。
紫外发光二极管一般指发光中心波长在100～400nm的LED。发光波长大于300nm的紫外LED被称为浅紫外LED，小于300nm的紫外LED被称为深紫LED。目前，常规以氮化镓(GaN)、铝镓氮(AlGaN)材料为主的紫外发光二极管其发光效率极低，与商业化的蓝光发光二极管(LED)发光效率相差甚远，并且功耗高，散热效率低。现如今制作的LED等大多采用发蓝光的GaN、AlGaN材料，使用的衬底大多是成本低廉，可见光透过率高但是不导电的蓝宝石材料，这样的LED器件只能制作成平面结构，使得驱动电流不能均匀分布，提高了器件的电阻和热阻，器件集成度不高。因此，在深紫外发光二极管的发展阶段，存在以下难点：
1.由于深紫外发光二极管容易产生大量电子泄漏以及较低的空穴注入效率从而影响有源区中的辐射复合率；
2.在深紫外发光二极管中不同层之间的折射率不同，从而削弱了深紫外发光二极管的光学增益和激光发射；
3.p型区AlGaN层掺杂元素Mg的活化能随着Al含量的增加而增加，这极大地降低了空穴浓度，导致大量电子在有源区没有足够的空穴与其复合，影响器件发光效率。
4.现在多采用蓝宝石衬底，但是蓝宝石衬底导热导电性能差，对紫外光的透射率高，只能通过倒装结构，Si衬底具有低成本、大面积、高质量、良好的导电导热性能、易于集成等优点，并且其制备工艺相对成熟；由于硅的导热系数是蓝宝石的5倍，良好的散热性可使硅衬底LED具有高性能和长寿命。同时，Si衬底可以实现无损剥离，易于制备垂直结构和薄膜结构深紫外激光二极管。
5.AlGaN材料与硅衬底之间存在更大的晶格失配和热应力失配，在外延层中产生大量缺陷，外延片翘曲严重，并容易造成表面龟裂。因此对AlGaN外延工艺技术要求更高。
6.AlGaN发光效率低，且多为蓝光。
因此，亟需一种新型高发光效率的紫外激光二极管。
发明内容
本申请的目的在于提供一种深紫外发光二极管及其制备方法，旨在一定程度上解决现有紫外激光二极管发光效率低的问题。
为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种深紫外发光二极管，包括由下自上依次叠层贴合设置的衬底层、缓冲层、N型接触层、量子阱有源区、电子阻挡层和P型接触层，还包括设置在所述P型接触层一侧的P电极和设置在所述N型接触层一侧的N电极；其中，所述量子阱有源区包括M2xGa(2-2x)O3，其中，M选自Al、Sn或者Si，所述x为0.2～0.4。
第二方面，本申请提供一种深紫外发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
获取衬底层，在所述衬底层表面制备缓冲层；
在所述缓冲层表面制备N型接触层；
在所述N型接触层表面制备量子阱有源区；所述量子阱有源区包括M2xGa(2-2x)O3，其中，M选自Al、Sn或者Si，所述x为0.2～0.4；
在所述量子阱有源区表面制备电子阻挡层；
在所述电子阻挡层表面制备P型接触层；
制备与所述P型接触层接触设置的P电极；
制备与所述衬底层或所述N型接触层接触设置的N电极。
本申请第一方面提供的深紫外发光二极管，量子阱有源区包括M2xGa(2-2x)O3，一方面，Ga2O3材料的禁带宽度达到了4.9eV，显著高于GaN(3.4eV)等材料，确保了其抗辐照和抗高温能力，可以在高低温、强辐射等极端环境下保持稳定的性质。并且，Ga2O3材料在晶格结构、晶胞参数和禁带宽度上都与GaN相似，且具有比GaN更高的熔点和更大的激子束缚能，又具有较低的光致发光和受激辐射的阈值，以及良好的机电耦合特性、热稳定性和化学稳定性。另一方面，Ga2O3材料中掺杂Al、Sn或者Si，不但能调控Ga2O3材料的禁带宽度，获得更大禁带宽度的材料，从而实现其禁带宽度可调控的目的，更有利于设计深紫外LED，提高发光效率；而且能进一步增加材料的导电性，因而M2xGa(2-2x)O3导电性好，使得LED器件可以制作成垂直结构，有效降低器件的导通电阻，器件的发热效率变小，能够驱动更大功率的LED芯片。并且，基于垂直结构的LED器件比横向结构的单位面积的光输出功率达到10倍以上，能显著改善现有的LED发光效果。另外，衬底层表面的缓冲层，有利于解决衬底层与N型接触层晶格和热应力失配的问题，同时提高LED器件的散热效果，从而提高LED器件的稳定性和安全性。
本申请第二方面提供的深紫外发光二极管的制备方法，在衬底层表面依次制备缓冲层、缓冲层、N型接触层、量子阱有源区、电子阻挡层和P型接触层，并制备相对设置的P电极和N电极。制备的深紫外发光二极管中，量子阱有源区包括M2xGa(2-2x)O3，其中，M选自Al、Sn或者Si，所述x为0.2～0.4，具有较低的光致发光和受激辐射的阈值，以及良好的机电耦合特性、热稳定性和化学稳定性等特性，且通过掺杂获得了更大禁带宽度，增加材料的导电性，提高热稳定性，实更有利于设计深紫外LED，提高发光效率。另外，衬底层表面的缓冲层，有利于解决衬底层与N型接触层晶格和热应力失配的问题，同时提高LED器件的散热效果，从而提高LED器件的稳定性和安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的深紫外发光二极管的制备方法的流程示意图；
图2是本申请实施例1提供的深紫外发光二极管的结构示意图；
图3是本申请实施例2提供的深紫外发光二极管的结构示意图；
图4是本申请实施例3提供的深紫外发光二极管的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a，b或c中的至少一项(个)”，或，“a，b和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a，b，c，a-b(即a和b)，a-c，b-c，或a-b-c，其中a，b，c分别可以是单个，也可以是多个。
应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，部分或全部步骤可以并行执行或先后执行，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本申请说明书实施例中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本申请说明书实施例相关组分的含量按比例放大或缩小均在本申请说明书实施例公开的范围之内。具体地，本申请说明书实施例中的质量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，用来将目的如物质彼此区分开，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一XX也可以被称为第二XX，类似地，第二XX也可以被称为第一XX。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
本申请实施例第一方面提供一种深紫外发光二极管，包括由下自上依次叠层贴合设置的衬底层、缓冲层、N型接触层、量子阱有源区、电子阻挡层和P型接触层，还包括设置在P型接触层一侧的P电极和设置在N型接触层一侧的N电极；其中，量子阱有源区包括M2xGa(2-2x)O3，其中，M选自Al、Sn或者Si，x为0.2～0.4。
本申请实施例第一方面提供的深紫外发光二极管，包括由下自上依次叠层贴合设置的衬底层、缓冲层、N型接触层、量子阱有源区、电子阻挡层和P型接触层，以及相对设置的P电极和N电极。其中，量子阱有源区包括M2xGa(2-2x)O3，一方面，Ga2O3材料的禁带宽度达到了4.9eV，显著高于GaN(3.4eV)等材料，确保了其抗辐照和抗高温能力，可以在高低温、强辐射等极端环境下保持稳定的性质。并且，Ga2O3材料在晶格结构、晶胞参数和禁带宽度上都与GaN相似，且具有比GaN更高的熔点和更大的激子束缚能，又具有较低的光致发光和受激辐射的阈值，以及良好的机电耦合特性、热稳定性和化学稳定性。另一方面，Ga2O3材料中掺杂Al、Sn或者Si，不但能调控Ga2O3材料的禁带宽度，获得更大禁带宽度的材料，从而实现其禁带宽度可调控的目的，更有利于设计深紫外LED，提高发光效率；而且能进一步增加材料的导电性，因而M2xGa(2-2x)O3导电性好，使得LED器件可以制作成垂直结构，有效降低器件的导通电阻，器件的发热效率变小，能够驱动更大功率的LED芯片。并且，基于垂直结构的LED器件比横向结构的单位面积的光输出功率达到10倍以上，能显著改善现有的LED发光效果。另外，衬底层表面的缓冲层，有利于解决衬底层与N型接触层晶格和热应力失配的问题，同时提高LED器件的散热效果，从而提高LED器件的稳定性和安全性。本申请实施例提供的深紫外发光二极管通过各功能层的协同作用，使得深紫外发光二极管在波长为200～300nm深紫波段发光效率高，发光稳定性好，使用寿命长。
在一些实施例中，衬底层中包括Si、SiO2、Al2O3中的至少一种。在进一步实施例中，衬底层采用Si或SiO2，有利于提高衬底的散热效率，充分利用材料的高导热，可有效提高LED散热效率。
在一些实施例中，缓冲层选自SiC层或AlN层；这些材料形成的缓冲层均可以解决衬底层与N型接触层晶格和热应力失配的问题，同时提高LED器件的散热效果，从而提高LED器件的稳定性和安全性。
在一些实施例中，缓冲层的厚度为100～200nm，如果太薄，缓冲层薄膜缺陷较多，不能起到晶格和热应力匹配作用；如果太厚，会增大器件整体的厚度，且增大了载流子传输路径，影响光电转化效率。
本申请实施例N型接触层和P型接触层主要是提供并传导电子和空穴。
在一些实施例中，N型接触层中包括n型GaN。N型接触层主要是提供并传导电子。
在一些实施例中，N型接触层的厚度为1000～2000nm。该厚度可有效改善欧姆接触，N型接触层的厚度越厚，越容易产生反波导影响，使得光限制因子减小，远场特性变差。
在一些实施例中，还包括设置在N型接触层和量子阱有源区之间的N型波导层，设置在电子阻挡层和P型接触层之间的P型波导层。本申请实施例波导层的作用是用来传输并限制光束，波导层可以改善光束，降低阈值电流等特性。
在一些实施例中，N型波导层中包括n型AlGaN；N型AlGaN层主要作用是导光并且限制载流子。在一些具体实施例中，N型波导层中包括Al0.75GaN，其主要作用就是将电子传输并限制在有源区。
在一些实施例中，N型波导层的厚度为100～200nm。该厚度同时兼顾了导光和限制载流子的作用。若N型波导层的厚度太厚，光限制因子变小；若N型波导层的厚度太薄，光限制因子也会变小。
在一些具体实施例中，波导层的设计是N型波导层材料为Al0.72GaN，厚度为100nm。而N型接触层主要作用是改善欧姆接触，生长材料为n型GaN，厚度为1000nm。其N型功能层主要作用是将电子(P型功能层产生空穴)传输到有源区。
本申请实施例量子阱有源区的作用主要是对载流子进行限制，转化成光能，实现发光。量子阱有源区包括M2xGa(2-2x)O3，其中，M选自Al、Sn或者Si，x为0.2～0.4，Al、Sn或者Si的掺杂比例既有利于提高Ga2O3的导电性和禁带宽度，又维持了Ga2O3晶格结构的稳定性，从而提高器件的稳定性。在一些实施例中，Ga2O3材料选择(111)或者(204)面，此生长面晶体结构较为完整，器件发光性能获得更好的表现。在一些实施例中，量子阱有源区中，Al、Sn或者Si在Ga2O3中的掺杂浓度为1E16～1E21 n/cm-3。
在一些实施例中，量子阱有源区的厚度为10～20nm；该厚度既确保了有源区的稳定性，又确保了光电转化效率。当量子阱有源区的厚度小至波尔半径或德布罗意波长数量级时，就会有量子尺寸效应。
在一些实施例中，量子阱有源区包括M2xGa(2-2x)O3层，或者多个M2xGa(2-2x)O3层。即有源区可以采用单层量子阱或多层量子阱。当量子阱有源区包括多个M2xGa(2-2x)O3层，即多层量子阱时，多层量子阱不易形成隧穿耦合，不易形成微带，更适合光学器件，有利于进一步提高器件性能。
在一些实施例中，电子阻挡层包括AlN和/或Ga2O3；AlN和/或Ga2O3的带隙宽于波导层AlGaN的带隙，能够起到降低载流子注入效率，增加阈值电流密度的作用。从而能够起到阻挡电子从量子阱有源区进入P型层，降低载流子损耗，提高发光效率。
在一些实施例中，电子阻挡层的厚度为10～20nm；该厚度既能够有效阻挡电子从量子阱有源区进入P型层，降低载流子损耗，提高发光效率；又不会过多的增大器件结构，延长空穴传输路径影响载流子复合等，确保了器件的发光效率。
在一些实施例中，P型波导层包括p型AlGaN；P型AlGaN层主要作用是导光并且限制载流子。在一些具体实施例中，P型波导层中包括Al0.75GaN，其主要作用就是将空穴传输并限制在有源区。
在一些实施例中，P型波导层的厚度为100～200nm。随着厚度增加，光场限制因子先增加后减小，选择的厚度为100～200nm范围光场限制因子有较优值。
在一些实施例中，P型接触层包括p型GaN；P型接触层主要是改善欧姆接触，提供并传导空穴。
在一些实施例中，P型接触层的厚度为100～200nm；由于p型GaN导电性比n型GaN差，所以厚度择100～200nm。若P型接触层厚度过厚，会产生反波导影响。
在一些实施例中，P电极与P型接触层接触设置，N电极与衬底层或N型接触层接触设置，且两端电极均形成欧姆接触。本申请实施例P电极和N电极能够传输电流，当电流通过导线传输到P电极和N电极能，并作用于LED芯片，电子就会被推向量子阱有源区，在量子阱有源区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，实现光电转化。
在一些实施例中，P电极包括Ti、Al、Ni、Au、Cu中的至少一种；这些材料均有较好的导电性能，适用于作为P电极。
在一些实施例中，N电极包括Ti、Al、Ni、Au、Cu中的至少一种；这些材料均有较好的导电性能，适用于作为N电极。
在一些实施例中，P电极的厚度为50～500nm。在一些实施例中，N电极的厚度为50～500nm。若电极厚度小过，则容易由于电迁移现象导致开路；若电极太厚，则会影响光输出功率。
如附图1所示，本申请实施例第二方面提供一种深紫外发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
S10.获取衬底层，在衬底层表面制备缓冲层；
S20.在缓冲层表面制备N型接触层；
S30.在N型接触层表面制备量子阱有源区；量子阱有源区包括M2xGa(2-2x)O3，其中，M选自Al、Sn或者Si，x为0.2～0.4；
S40.在量子阱有源区表面制备电子阻挡层；
S50.在电子阻挡层表面制备P型接触层；
S60.制备与P型接触层接触设置的P电极；
S70.制备与衬底层或N型接触层接触设置的N电极。
本申请实施例第二方面提供的深紫外发光二极管的制备方法，在衬底层表面依次制备缓冲层、缓冲层、N型接触层、量子阱有源区、电子阻挡层和P型接触层，并制备相对设置的P电极和N电极。制备的深紫外发光二极管中，量子阱有源区包括M2xGa(2-2x)O3，其中，M选自Al、Sn或者Si，x为0.2～0.4，具有较低的光致发光和受激辐射的阈值，以及良好的机电耦合特性、热稳定性和化学稳定性等特性，且通过掺杂获得了更大禁带宽度，增加材料的导电性，提高热稳定性，实更有利于设计深紫外LED，提高发光效率。另外，衬底层表面的缓冲层，有利于解决衬底层与N型接触层晶格和热应力失配的问题，同时提高LED器件的散热效果，从而提高LED器件的稳定性和安全性。
在一些实施例中，上述步骤S10中，衬底层中包括Si、SiO2、Al2O3中的至少一种。在进一步实施例中，衬底层采用Si或SiO2，有利于提高衬底的散热效率，充分利用材料的高导热，可有效提高LED散热效率。
在一些实施例中，获得衬底层后，采用氢氟酸处理去除衬底表面氧化层。
在一些实施例中，制备缓冲层的方法包括化学气相沉积法或磁控溅射法。
在一些实施例中，缓冲层选自SiC层或AlN层；这些材料形成的缓冲层均可以解决衬底层与N型接触层晶格和热应力失配的问题，同时提高LED器件的散热效果，从而提高LED器件的稳定性和安全性。
在一些具体实施例中，制备SiC缓冲层的方法采用化学气相沉积法(HTCVD)，制备条件包括：前驱体甲基三氯硅烷(MTS,CH3SiCl3)，载气为氢气(H2)，流量为1～3L/min，沉积温度1000～1400℃，压力为200～300Pa。
在一些具体实施例中，制备AlN缓冲层的方法采用磁控溅射法，制备条件包括：靶材采用Al，溅射功率50～150W，气体为Ar/N2混合气体，比例为1:1～3:1，背底真空小于103Pa，工作压强小于1Pa。
在一些实施例中，缓冲层的厚度为100～200nm；如果太薄，缓冲层薄膜缺陷较多，不能起到晶格和热应力匹配作用；如果太厚，会增大器件整体的厚度，且增大了载流子传输路径，影响光电转化效率。
在一些实施例中，上述步骤S20中，制备N型接触层的方法包括有机化合物化学气相沉积法。
在一些实施例中，N型接触层中包括n型GaN。
在一些实施例中，N型接触层的厚度为1000～2000nm。
在一些具体实施例中，制备n型GaN接触层的方法采用有机金属化学气相沉积法(MOCVD)方法，包括：三甲基镓(TMGa)和蓝氨(NH3)分别作为Ga源、N源，掺杂元素为Si或Al生长温度1000～1100℃。
在一些实施例中，在N型接触层表面制备量子阱有源区的步骤还包括：在N型接触层表面制备N型波导层，再在N型波导层表面制备量子阱有源区；
在一些实施例中，制备N型波导层的方法包括有机化合物化学气相沉积法。在一些实施例中，N型波导层中包括n型AlGaN。
在一些实施例中，N型波导层的厚度为100～200nm。
在一些具体实施例中，制备n型AlGaN波导层的方法采用有机金属化学气相沉积法(MOCVD)方法，包括：生长温度900～1100℃，前驱体采用三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、蓝氨(B-NH3)作为Ga源、In源、N源；流量分别为20～30μmol/min，1～3mol/min，0.5～1.5mol/min；反应压力9～11kPa。掺杂元素为Si或Al。掺杂量级为8×1018～1×1020/cm3。
在一些实施例中，上述步骤S30中，制备量子阱有源区的方法包括磁控溅射法或等离子增强原子层沉积法。
在一些实施例中，量子阱有源区中，Al、Sn或者Si在Ga2O3中的掺杂浓度为1E16～1E21 n/cm-3。
在一些实施例中，量子阱有源区包括M2xGa(2-2x)O3层，或者多个M2xGa(2-2x)O3层；其中，M选自Al、Sn或者Si，x为0.2～0.4。
在一些实施例中，量子阱有源区的厚度为10～20nm。
在一些实施例中，制备量子阱有源区M2xGa(2-2x)O3层采用磁控溅射法，包括：靶材采用Al含量为5～15％的氧化镓靶材，溅射功率50～200W，气体为Ar，背底真空小于103Pa，工作压强小于10Pa，衬底温度300～500℃。
在一些实施例中，制备量子阱有源区M2xGa(2-2x)O3层采用等离子增强原子层沉积法，包括：前驱体采用三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMA)、氧等离子(O2)作为Ga源、Al源、O源，功率为1～20W生长温度100～400℃，背底真空小于103Pa。腔室内依次通入前驱体[TMGa、O2]和TMA。另外，可以通入数次[TMGa、O2]后再通入1次TMA，[TMGa、O2]：TMA可以从1:1～10:1。
在一些实施例中，上述步骤S40中，制备电子阻挡层的方法包括有机化合物化学气相沉积法。
在一些实施例中，电子阻挡层包括AlN和/或Ga2O3。
在一些实施例中，电子阻挡层的厚度为10～20nm。
在一些具体实施例中，制备AlN电子阻挡层的采用磁控溅射法，包括：靶材采用Al，溅射功率50～150W，气体为Ar/N2混合气体，比例为1:1～3：1，背底真空小于103Pa，工作压强小于1Pa。
在一些实施例中，在电子阻挡层表面制备P型接触层的步骤还包括：在电子阻挡层表面制备P型波导层，再在P型波导层表面制备P型接触层。
在一些实施例中，制备P型波导层的方法包括有机化合物化学气相沉积法。在一些实施例中，P型波导层包括p型AlGaN。
在一些实施例中，P型波导层的厚度为100～200nm。
在一些具体实施例中，制备P型波导AlGaN层采用有机金属化学气相沉积法(MOCVD)方法，包括：生长温度900～1100℃，前驱体采用三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、蓝氨(NH3)作为Ga源、In源、N源；流量分别为20～30μmol/min，1～3mol/min，0.5～1.5mol/min；反应压力9～11kPa。p型掺杂源二茂镁(Cp2Mg)作为Mg源。
在一些实施例中，上述步骤S50中，制备P型接触层的方法包括金属有机化合物化学气相沉积法。
在一些实施例中，P型接触层的厚度为1000～2000nm。
在一些实施例中，P型接触层包括p型GaN。
在一些实施例中，制备P型GaN接触层采用有机金属化学气相沉积法(MOCVD)方法，包括：三甲基镓(TMGa)和蓝氨(NH3)分别作为Ga源、N源，p型掺杂源二茂镁(Cp2Mg)作为Mg源。
在一些实施例中，上述步骤S60中，制备N电极的步骤包括：将Ti、Al、Ni、Au、Cu中的至少一种金属沉积在衬底层或者N型接触层表面，退火形成欧姆接触，得到N电极。
在一些实施例中，N电极包括Ti、Al、Ni、Au、Cu中的至少一种。
在一些实施例中，N电极的厚度为50～100nm。
在一些实施例中，上述步骤S70中，制备P电极的步骤包括：将Ti、Al、Ni、Au、Cu中的至少一种金属沉积在P型接触层表面，退火形成欧姆接触，得到P电极。
在一些实施例中，P电极包括Ti、Al、Ni、Au、Cu中的至少一种。
在一些实施例中，P电极的厚度为50～100nm。
为使本申请上述实施细节和操作能清楚地被本领域技术人员理解，以及本申请实施例深紫外发光二极管及其制备方法的进步性能显著的体现，以下通过多个实施例来举例说明上述技术方案。
实施例1
一种深紫外发光二极管，其结构示意图如附图2所示，包括由下自上依次叠层贴合设置的硅衬底层、碳化硅缓冲层、N型接触层、N型波导层、量子阱有源区、电子阻挡层、P型波导层、P型接触层、以设置在P型接触层表面的P电极和设置在N型接触层表面的N电极。
其制备包括步骤：
步骤1：清洗Si衬底并用氢氟酸处理衬底表面氧化层，利用CVD或磁控溅射在处理好Si衬底上外延生长100nm SiC缓冲层；
步骤2：在SiC缓冲层上通过MOCVD方法生长一层N型接触层Al0.75GaN，厚度为1000nm；
步骤3:在N型接触层表面采用MOCVD生长一层N型波导层n型AlGaN，厚度为100nm；
步骤4：在N型波导层上沉积掺杂Al成分的Ga2O3量子阱有源区，采用MOCVD工艺生长Al0.58Ga1.71O3/Al0.68Ga1.66O3量子阱层，厚度为100nm；
步骤5：在量子阱有源区上采用MOCVD生长P型AlN/Ga2O3超晶格结构电子阻挡层，作为电子阻挡层，厚度为10nm；
步骤6：在电子阻挡层上生长P型波导层p型AlGaN厚度为100nm；
步骤7：在P型波导层上生长P型Al0.75GaN，即P型接触层，厚度为1000nm；
步骤8：在P型接触层上生长Ti电极，厚度可选100nm，并且对电极进行退火处理使其形成欧姆接触，得到P电极；
步骤9：在N型接触层上蒸镀Ti电极，厚度可选100nm，并且对电极进行退火处理使其形成欧姆接触，得到N电极。
实施例2
一种深紫外发光二极管，其结构示意图如附图3所示，包括由下自上依次叠层贴合设置的硅衬底层、碳化硅缓冲层、N型接触层、N型波导层、量子阱有源区、电子阻挡层、P型波导层、P型接触层、以设置在P型接触层表面的P电极和设置在N型接触层表面的N电极。
其制备包括步骤：
步骤1：清洗Si衬底并用氢氟酸处理衬底表面氧化层，利用LPCVD或磁控溅射在处理好Si衬底上外延生长100nm SiC缓冲层；
步骤2：在SiC缓冲层上通过MOCVD方法生长一层N型接触层n型GaN，厚度为1000nm；
步骤3:在N型接触层表面采用MOCVD生长一层N型波导层n型AlGaN，厚度为100nm；
步骤4：在N型波导层上沉积掺杂Al成分的Ga2O3量子阱有源区，采用MOCVD工艺生长Al0.58Ga1.71O3/Al0.68Ga1.66O3量子阱层，厚度为100nm；
步骤5：在量子阱有源区上采用MOCVD生长P型AlN/Ga2O3超晶格结构电子阻挡层，作为电子阻挡层，厚度为10nm；
步骤6：在电子阻挡层上生长P型波导层p型AlGaN，厚度为100nm；
步骤7：在P型波导层上生长P型GaN，即P型接触层，厚度为1000nm；
步骤8：在P型接触层上生长Ti电极，厚度可选100nm，并且对电极进行退火处理使其形成欧姆接触，得到P电极；
步骤9：在Si衬底层上蒸镀Ti电极，厚度可选100nm，并且对电极进行退火处理使其形成欧姆接触，得到N电极。
实施例3
一种深紫外发光二极管，其结构示意图如附图4所示，包括由下自上依次叠层贴合设置的硅衬底层、碳化硅缓冲层、N型接触层、量子阱有源区、电子阻挡层、P型接触层、以设置在P型接触层表面的P电极和设置在N型接触层表面的N电极。
其制备包括步骤：
步骤1：清洗Si衬底并用氢氟酸处理衬底表面氧化层，利用LPCVD或磁控溅射在处理好Si衬底上外延生长100nm SiC缓冲层；
步骤2：在SiC缓冲层上通过MOCVD方法生长一层N型接触层n型GaN，厚度为1000nm；
步骤3:在N型接触层表面上沉积掺杂Al成分的Ga2O3量子阱有源区，采用MOCVD工艺生长Al0.58Ga1.71O3/Al0.68Ga1.66O3量子阱层，厚度为100nm；
步骤4：在量子阱有源区上采用MOCVD生长P型AlN/Ga2O3超晶格结构电子阻挡层，作为电子阻挡层，厚度为10nm；
步骤5：在电子阻挡层上生长P型GaN，即P型接触层，厚度为1000nm；
步骤6：在P型接触层上生长Ti电极，厚度可选100nm，并且对电极进行退火处理使其形成欧姆接触，得到P电极；
步骤7：在Si衬底层上蒸镀Ti电极，厚度可选100nm，并且对电极进行退火处理使其形成欧姆接触，得到N电极。
实施例4
一种深紫外发光二极管，其与实施例1的区别在于：量子阱有源区中采用Sn0.58Ga1.71O3/Sn0.68Ga1.66O3。
实施例5
一种深紫外发光二极管，其与实施例1的区别在于：量子阱有源区中采用Si0.58Ga1.71O3/Si0.68Ga1.66O3。
实施例6
一种深紫外发光二极管，其与实施例1的区别在于：缓冲层为AlN层。
对比例1
一种深紫外发光二极管，其与实施例1的区别在于：SiC缓冲层的厚度为50nm。
对比例2
一种深紫外发光二极管，其与实施例1的区别在于：量子阱有源区中采用Al0.2Ga1.8O3。
对比例3
一种深紫外发光二极管，其与实施例1的区别在于：量子阱有源区中采用Al1Ga1O3。
对比例4
一种深紫外发光二极管，其与实施例1的区别在于：量子阱有源区中采用Ga2O3。
对比例5
一种深紫外发光二极管，其与实施例1的区别在于：量子阱有源区中采用AlGaN。
相对于对比例1～5提供的深紫外发光二极管，本申请实施例1～6提供的深紫外发光二极管，量子阱有源区包括Al0.58Ga1.71O3/Al0.68Ga1.66O3、Sn0.58Ga1.71O3/Sn0.68Ga1.66O3、Si0.58Ga1.71O3/Si0.68Ga1.66O3，Ga2O3材料的禁带宽度达到了4.9eV，显著高于GaN(3.4eV)等材料，确保了其抗辐照和抗高温能力，可以在高低温、强辐射等极端环境下保持稳定的性质。并且，Ga2O3材料在晶格结构、晶胞参数和禁带宽度上都与GaN相似，且具有比GaN更高的熔点和更大的激子束缚能，又具有较低的光致发光和受激辐射的阈值，以及良好的机电耦合特性、热稳定性和化学稳定性。并且，Ga2O3材料中掺杂Al、Sn或者Si，不但能调控Ga2O3材料的禁带宽度，获得更大禁带宽度的材料，从而实现其禁带宽度可调控的目的，更有利于设计深紫外LED，提高发光效率；而且能进一步增加材料的导电性，因而M2xGa(2-2x)O3导电性好，使得LED器件可以制作成垂直结构，有效降低器件的导通电阻，器件的发热效率变小，能够驱动更大功率的LED芯片。通过各功能层的协同作用，使得深紫外发光二极管在波长为200～300nm深紫波段发光效率高，发光稳定性好，使用寿命长。基于垂直结构的LED器件比横向结构的单位面积的光输出功率达到10倍以上，能显著改善现有的LED发光效果。
另外，衬底层表面的缓冲层，有利于解决衬底层与N型接触层晶格和热应力失配的问题，同时提高LED器件的散热效果，从而提高LED器件的稳定性和安全性。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种深紫外发光二极管，其特征在于，包括由下自上依次叠层贴合设置的衬底层、缓冲层、N型接触层、量子阱有源区、电子阻挡层和P型接触层，还包括设置在所述P型接触层一侧的P电极和设置在所述N型接触层一侧的N电极；其中，所述量子阱有源区包括M2xGa(2-2x)O3，其中，M选自Al、Sn或者Si，所述x为0.2～0.4。
2.如权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，还包括设置在所述N型接触层和所述量子阱有源区之间的N型波导层，设置在所述电子阻挡层和所述P型接触层之间的P型波导层；
和/或，所述P电极与所述P型接触层接触设置，所述N电极与所述衬底层或所述N型接触层接触设置；
和/或，所述衬底层中包括Si、SiO2、Al2O3中的至少一种。
3.如权利要求1或2所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述量子阱有源区的厚度为10～20nm；
和/或，所述量子阱有源区包括单个所述M2xGa(2-2x)O3层，或者多个所述M2xGa(2-2x)O3层。
4.如权利要求3所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述缓冲层选自SiC层或AlN层；
和/或，所述电子阻挡层包括AlN和/或Ga2O3；
和/或，所述N型接触层中包括n型GaN；
和/或，所述P型接触层包括p型GaN；
和/或，所述P电极包括Ti、Al、Ni、Au、Cu中的至少一种；
和/或，所述N电极包括Ti、Al、Ni、Au、Cu中的至少一种。
5.如权利要求1或4所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述缓冲层的厚度为100～200nm；
和/或，所述电子阻挡层的厚度为10～20nm；
和/或，所述N型接触层的厚度为1000～2000nm；
和/或，所述P型接触层的厚度为1000～2000nm；
和/或，所述P电极的厚度为50～100nm；
和/或，所述N电极的厚度为50～100nm。
6.如权利要求2所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述N型波导层中包括n型AlGaN；
和/或，所述P型波导层包括p型AlGaN；
和/或，所述N型波导层的厚度为100～200nm；
和/或，所述P型波导层的厚度为100～200nm。
7.一种深紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取衬底层，在所述衬底层表面制备缓冲层；
在所述缓冲层表面制备N型接触层；
在所述N型接触层表面制备量子阱有源区；所述量子阱有源区包括M2xGa(2-2x)O3，其中，M选自Al、Sn或者Si，所述x为0.2～0.4；
在所述量子阱有源区表面制备电子阻挡层；
在所述电子阻挡层表面制备P型接触层；
制备与所述P型接触层接触设置的P电极；
制备与所述衬底层或所述N型接触层接触设置的N电极。
8.如权利要求7所述的深紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，在所述N型接触层表面制备量子阱有源区的步骤还包括：在所述N型接触层表面制备N型波导层，再在所述N型波导层表面制备所述量子阱有源区；
和/或，在所述电子阻挡层表面制备P型接触层的步骤还包括：在所述电子阻挡层表面制备P型波导层，再在所述P型波导层表面制备所述P型接触层。
9.如权利要求8所述的深紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，所述量子阱有源区的厚度为1～10nm；
和/或，所述量子阱有源区包括单个所述M2xGa(2-2x)O3层，或者多个所述M2xGa(2-2x)O3层；
和/或，所述缓冲层选自SiC层或AlN层；
和/或，所述电子阻挡层包括AlN和/或Ga2O3；
和/或，所述N型接触层中包括n型GaN；
和/或，所述P型接触层包括p型GaN；
和/或，所述P电极包括Ti、Al、Ni、Au、Cu中的至少一种；
和/或，所述N电极包括Ti、Al、Ni、Au、Cu中的至少一种；
和/或，所述N型波导层中包括n型AlGaN；
和/或，所述P型波导层包括p型AlGaN；
和/或，所述缓冲层的厚度为100～200nm；
和/或，所述电子阻挡层的厚度为10～20nm；
和/或，所述N型接触层的厚度为1000～2000nm；
和/或，所述P型接触层的厚度为1000～2000nm；
和/或，所述P电极的厚度为50～100nm；
和/或，所述N电极的厚度为50～100nm；
和/或，所述N型波导层的厚度为100～200nm；
和/或，所述P型波导层的厚度为100～200nm。
10.如权利要求7～9任一项所述的深紫外发光二极管的制备方法，其特征在于，制备所述缓冲层的方法包括化学气相沉积法或磁控溅射法；
和/或，制备所述量子阱有源区的方法包括磁控溅射法或等离子增强原子层沉积法；
和/或，制备所述电子阻挡层的方法包括化学气相沉积法或磁控溅射法；
和/或，制备所述N型接触层的方法包括有机化合物化学气相沉积法；
和/或，制备所述P型接触层的方法包括有机化合物化学气相沉积法；
和/或，制备所述N型波导层的方法包括有机化合物化学气相沉积法；
和/或，制备所述P型波导层的方法包括有机化合物化学气相沉积法；
和/或，制备所述P电极的步骤包括：将Ti、Al、Ni、Au、Cu中的至少一种金属沉积在所述P型接触层表面，退火形成欧姆接触，得到所述P电极；
和/或，制备所述N电极的步骤包括：将Ti、Al、Ni、Au、Cu中的至少一种金属沉积在所述衬底层或者所述N型接触层表面，退火形成欧姆接触，得到所述N电极。
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