CN115714156A - 一种深紫外发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种深紫外发光二极管，包括由下至上层叠设置的衬底、本征层、电子注入层、N型欧姆接触层、电流扩展层、量子阱有源层、电子阻挡层、空穴注入层、P型欧姆接触层以及P型电极，深紫外发光二极管还包括N型电极，电流扩展层与N型欧姆接触层之间形成台阶状结构，N型电极设置于N型欧姆接触层的台阶结构处，其中，深紫外发光二极管还包括设置于N型欧姆接触层与N型电极之间的改善层，改善层的材料包括GaN、InN、AlN、AlGaN、InGaN以及AlInGaN中的至少一种；上述深紫外发光二极管在N型电极与电子注入层之间形成了良好的欧姆接触，从而降低了深紫外发光二极管的工作电压，进而提高了深紫外发光二极管的外延结构的发光性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电领域，尤其涉及一种深紫外发光二极管。
背景技术
目前在紫外线中，波长在200纳米至350纳米的光线被称为深紫外线。而深紫外发光二极管因其高效、环保、节能、可靠等优势，在照明、杀菌、医疗、印刷、生化检测、高密度的信息储存和保密通讯等领域具有重大的应用价值，这些优势是普通的紫外发光二极管所无法比拟的。
然而，深紫外发光二极管目前存在着多个问题，影响电压、出光效率或发光均匀性：第一，在深紫外发光二极管的外延结构中，底层通常由高Al组分的AlGaN构成，随着AlGaN中的Al组分升高，其Si掺杂与激活都变的困难，常常难与接触电极形成良好的欧姆接触，进而影响了深紫外发光二极管的发光性能；第二，深紫外发光二极管中，由于AlGaN材料折射率、蓝宝石与空气存在着较大的折射率差异，大部分来自于量子阱有源区的出射光会在芯片内部不断反射，当出射光的方向指向N型电极时，最终会被N型电极吸收，影响了深紫外发光二极管的外量子效率。第三，深紫外发光二极管中通常存在着人眼可观察到的杂质光，而当杂质光的颜色不均一时，会误导使用者对于芯片性能的判断。量子阱有源区的出射光一方面会激发空穴注入层中的掺杂杂质能级发出的蓝紫色光，另一方面会激发电子注入层中的掺杂杂质能级而发出的黄绿色光，当二者比例不同时，杂质光的颜色会存在差异。
因此，亟需一种深紫外发光二极管以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种深紫外发光二极管，用于改善现有技术中深紫外发光二极管的外延结构的发光性能较差的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种深紫外发光二极管，包括由下至上层叠设置的衬底、本征层、电子注入层、N型欧姆接触层、电流扩展层、量子阱有源层、电子阻挡层、空穴注入层、P型欧姆接触层以及P型电极，深紫外发光二极管还包括N型电极，电流扩展层与N型欧姆接触层之间形成台阶状结构，N型电极设置于N型欧姆接触层的台阶结构处；
其中，深紫外发光二极管还包括设置于N型欧姆接触层与N型电极之间的改善层，改善层的材料包括GaN、InN、AlN、AlGaN、InGaN以及AlInGaN中的至少一种。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，改善层的厚度范围在20nm至10000nm之间；改善层的铝组分含量小于或者等于电子注入层的铝组分含量；改善层的掺杂剂为Si，掺杂浓度范围在1E16cm-3至1E22cm-3之间。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，改善层包括第一子改善层，第一子改善层包括AlaInbGa1-a-bN材料形成的单层结构或者AlxInyGa1-x-yN/AlmInnGa1-m-nN材料形成的复合结构；
其中，a、b、x、m、y以及n的取值均大于或者等于0且小于或者等于100％。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，第一子改善层为N型掺杂层、P型掺杂层以及非故意掺杂层中的任意一种；
其中，当第一子改善层为N型掺杂层时，掺杂剂为Si，掺杂浓度范围在1E19cm-3至1E22cm-3之间；当第一子改善层为P型掺杂层时，掺杂剂为Mg，掺杂浓度范围在1E18cm-3至1E23cm-3之间。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，改善层包括第二子改善层，第二子改善层包括多层堆叠结构，每一层堆叠结构包括由下至上层叠设置的第一子层以及第二子层，第一子层的材料为AljGa1-jN，第二子层的材料为AlkGa1-kN，j和k之间的关系满足50％≤j≤k≤100％；
其中，第一子层的厚度为0.25λ*n1，第二子层的厚度为0.25λ*n2，λ为量子阱有源层出射光的中心波长，n1为第一子层的平均折射率，n2为第二子层的平均折射率。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，第二子改善层为N型掺杂层、P型掺杂层以及非故意掺杂层中的任意一种；
其中，当第二子改善层为N型掺杂层时，掺杂剂为Si，掺杂浓度范围在1E19cm-3至1E22cm-3之间；当第二子改善层为P型掺杂层时，掺杂剂为Mg，掺杂浓度范围在1E18cm-3至1E23cm-3之间。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，改善层包括第三子改善层，第三子改善层包括N型掺杂的AlGaN材料形成的单层结构；
其中，第三子改善层的掺杂浓度由第三子改善层中靠近衬底的一侧表面向第三子改善层中远离衬底的一侧表面线性上升。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，第三子改善层为δ型硅掺杂的AlGaN材料；
其中，δ型硅掺杂的掺杂次数范围在1至50之间。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，经过电子注入层发射的第一光线的波长范围在500nm至600nm之间，经过空穴注入层发射的第二光线的波长范围在400nm至500nm之间；
其中，第一光线与第二光线的比例范围在10％至1000％之间。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，改善层包括第一子改善层、第二子改善层以及第三子改善层中的至少两种；
其中，第一子改善层包括AlaInbGa1-a-bN材料形成的单层结构或者AlxInyGa1-x-yN/AlmInnGa1-m-nN材料形成的复合结构，a、b、x、m、y以及n的取值均大于或者等于0且小于或者等于100％；
第二子改善层包括多层堆叠结构，每一层堆叠结构包括由下至上层叠设置的第一子层以及第二子层，第一子层的材料为AljGa1-jN，第二子层的材料为AlkGa1-kN，j和k之间的关系满足50％≤j≤k≤100％，第一子层的厚度为0.25λ*n1，第二子层的厚度为0.25λ*n2，λ为量子阱有源层出射光的中心波长，n1为第一子层的平均折射率，n2为第二子层的平均折射率；
第三子改善层包括N型掺杂的AlGaN材料形成的单层结构，第三子改善层的掺杂浓度由第三子改善层中靠近衬底的一侧表面向第三子改善层中远离衬底的一侧表面线性上升。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种深紫外发光二极管，包括由下至上层叠设置的衬底、本征层、电子注入层、N型欧姆接触层、电流扩展层、量子阱有源层、电子阻挡层、空穴注入层、P型欧姆接触层以及P型电极，深紫外发光二极管还包括N型电极，电流扩展层与N型欧姆接触层之间形成台阶状结构，N型电极设置于N型欧姆接触层的台阶结构处，其中，深紫外发光二极管还包括设置于N型欧姆接触层与N型电极之间的改善层，改善层的材料包括GaN、InN、AlN、AlGaN、InGaN以及AlInGaN中的至少一种；上述深紫外发光二极管通过在N型欧姆接触层与N型电极之间二次外延生长特殊外延结构的改善层，且改善层的材料包括GaN、InN、AlN、AlGaN、InGaN以及AlInGaN中的至少一种，以使N型电极与电子注入层之间形成良好的欧姆接触，从而降低了深紫外发光二极管的工作电压，进而提高了深紫外发光二极管的外延结构的发光性能。
附图说明
图1是本发明实施例所提供的深紫外发光二极管的第一种结构示意图；
图2是本发明实施例所提供的深紫外发光二极管的第二种结构示意图；
图3是本发明实施例所提供的深紫外发光二极管的第三种结构示意图；
图4为本发明实施例所提供的深紫外发光二极管的外延生长方法工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，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。
请参阅图1至图3，本发明实施例提供了一种深紫外发光二极管100，包括由下至上层叠设置的衬底11、本征层12、电子注入层13、N型欧姆接触层14、电流扩展层15、量子阱有源层16、电子阻挡层17、空穴注入层18、P型欧姆接触层19以及P型电极110，深紫外发光二极管100还包括N型电极111，电流扩展层15与N型欧姆接触层14之间形成台阶状结构，N型电极111设置于N型欧姆接触层14的台阶结构处；
其中，深紫外发光二极管100还包括设置于N型欧姆接触层14与N型电极111之间的改善层20，改善层20的材料包括GaN、InN、AlN、AlGaN、InGaN以及AlInGaN中的至少一种。
本发明实施例通过在N型欧姆接触层14与N型电极111之间二次外延生长特殊外延结构的改善层20，且改善层20的材料包括GaN、InN、AlN、AlGaN、InGaN以及AlInGaN中的至少一种，以使N型电极111与电子注入层13之间形成良好的欧姆接触，从而降低了深紫外发光二极管100的工作电压，进而提高了深紫外发光二极管100的外延结构的发光性能。
现结合具体实施例对本申请的技术方案进行描述。
实施例一
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的深紫外发光二极管100的第一种结构示意图；其中，深紫外发光二极管100，包括由下至上层叠设置的衬底11、本征层12、电子注入层13、N型欧姆接触层14、电流扩展层15、量子阱有源层16、电子阻挡层17、空穴注入层18、P型欧姆接触层19以及P型电极110，深紫外发光二极管100还包括N型电极111，电流扩展层15与N型欧姆接触层14之间形成台阶状结构，N型电极111设置于N型欧姆接触层14的台阶结构处；
其中，深紫外发光二极管100还包括设置于N型欧姆接触层14与N型电极111之间的改善层20，改善层20的材料包括GaN、InN、AlN、AlGaN、InGaN以及AlInGaN中的至少一种。
在本发明实施例中，衬底11为蓝宝石衬底；蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。
在本发明实施例中，本征层12包括设置于衬底11上的低温缓冲层以及设置于低温缓冲层上的氮化铝本征层；其中，低温缓冲层的材料为氮化铝，其生长温度的范围在400至800之间，其厚度范围在10nm至50nm之间；氮化铝本征层12的材料为氮化铝，其生长温度的范围在1200至1400之间，其厚度范围在500nm至4000nm之间。
在本发明实施例中，电子注入层13的材料为N型掺杂的氮化铝镓材料；其中，铝元素的组份范围在20％至90％之间，电子注入层13的厚度范围在500nm至4000nm之间，电子注入层13的生长温度的范围在800至1200之间。
在本发明实施例中，N型欧姆接触层14的材料为N型掺杂的氮化铝镓材料；其中，铝元素的组份范围在20％至90％之间，N型欧姆接触层14的厚度范围在500nm至10000nm之间，N型欧姆接触层14的生长温度的范围在800至1200之间。
在本发明实施例中，电流扩展层15设置于N型欧姆接触层14上，量子阱有源层16设置于电流扩展层15上；其中，电流扩展层15的生长温度范围在800至1200之间，量子阱有源层16的生长温度范围在700至1100之间，
具体地，电流扩展层15的材料为氮化铝镓，电流扩展层15中铝元素组分占电流扩展层15的百分数范围在20％至90％之间，电流扩展层15的厚度范围在10nm至300nm之间。
具体地，量子阱有源层16的势垒厚度范围在5nm至30nm之间，且势垒中铝组分的百分数范围在20％至100％之间；量子阱有源层16的势阱厚度在0.1至5nm之间；且势阱中铝组分的百分数范围在0至80％之间。
具体的，电流扩展层15与N型欧姆接触层14之间形成台阶状结构，N型电极111设置于N型欧姆接触层14的台阶结构处，且N型电极111与电流扩展层15间隔设置，其中，N型欧姆接触层14的面积大于电流扩展层15的面积。
在本发明实施例中，电子阻挡层17设置于量子阱有源层16上，电子阻挡层17的生长温度范围在700至1100之间；其中，电子阻挡层17为单层AlGaN结构，电子阻挡层17为P型掺杂的半导体材料，其使用Mg作为p型掺杂剂。
进一步地，电子阻挡层17中铝元素占电子阻挡层17的百分比范围在50％至80％之间，电子阻挡层17的厚度范围在0.1nm至200nm之间。
在本发明实施例中，空穴注入层18设置于电子阻挡层17上，空穴注入层18的生长温度范围在700至1100之间；其中，空穴注入层18的材料为P型掺杂的氮化铝镓材料，空穴注入层18中铝组分的百分数范围在0至100％之间，空穴注入层18的厚度范围在1nm至50nm之间，空穴注入层18采用镁作为P型掺杂剂。
在本发明实施例中，P型欧姆接触层19设置于空穴注入层18上，P型欧姆接触层19的生长温度范围在400至900之间；其中，P型欧姆接触层19的材料为P型掺杂的氮化镓材料，P型欧姆接触层19的厚度范围在1nm至20nm之间，P型欧姆接触层19采用镁元素作为P型掺杂剂。
在本发明实施例中，深紫外发光二极管100还包括设置于N型欧姆接触层14与N型电极111之间的改善层20，改善层20为一层或多层由二次外延生长引入的AlInGaN结构；
其中，改善层20的材料包括GaN、InN、AlN、AlGaN、InGaN以及AlInGaN中的至少一种。
在本发明实施例中，改善层20在衬底11上的正投影面积占深紫外发光二极管100的外延芯片总面积的百分比范围在5％至95％之间。其中，当改善层20在衬底11上的正投影面积占深紫外发光二极管100的外延芯片总面积的百分比小于5％时，难以使N型电极111与电子注入层13之间形成良好的欧姆接触；当改善层20在衬底11上的正投影面积占深紫外发光二极管100的外延芯片总面积的百分比大于95％时，会降低深紫外发光二极管100的出光效率。
在本发明实施例中，改善层20中靠近衬底11一侧的表面与N型欧姆接触层14相接触，改善层20中远离衬底11一侧的表面与N型电极111相接触；
其中，N型欧姆接触层14包括第一欧姆接触部141以及与第一欧姆接触部141连接的第二欧姆接触部142，改善层20在N型欧姆接触层14上的正投影与第一欧姆接触部141重合，第一欧姆接触部141的厚度小于或者等于第二欧姆接触部142的厚度，第一欧姆接触部141的厚度范围在10nm至5000nm之间。上述设计的目的是为了给改善层20提供二次外延生长空间。
进一步地，改善层20的厚度范围在20nm至10000nm之间；改善层20的铝组分含量小于或者等于电子注入层13的铝组分含量，这样设计可以提高载流子的注入效率；改善层20的掺杂剂为Si，掺杂浓度范围在1E16cm-3至1E22cm-3之间。
在本发明实施例中，改善层20的二次外延生长温度需小于或等于P型欧姆接触层19的生长温度；这是为了降低改善层20的外延生长速率，以使改善层20更好的填充第一欧姆接触部141，并且降低改善层20的接触电阻。
在本发明实施例中，改善层20包括第一子改善层21、第二子改善层22、以及第三子改善层23中的任意一种。
具体地，当改善层20为第一子改善层21时，第一子改善层21的厚度范围在1nm至500nm之间；其中，第一子改善层21包括AlaInbGa1-a-bN材料形成的单层结构或者AlxInyGa1-x- yN/AlmInnGa1-m-nN材料形成的复合结构，a、b、x、m、y以及n的取值均大于或者等于0且小于或者等于100％。
进一步地，当第一子改善层21为AlaInbGa1-a-bN材料形成的单层接触改善结构时，当a＝0％或b＝0％时，第一子改善层21为三元AlGaN或InGaN结构；当a和b同时为0％时，第一子改善层21为二元GaN结构；当a＝0％且b＝100％时，第一子改善层21为InN结构；当a＝100％且b＝0％时，第一子改善层21为AlN结构。
进一步地，当第一子改善层21为AlxInyGa1-x-yN/AlmInnGa1-m-nN材料形成的复合接触改善结构时，当x、m＝0％或y、n＝0％时，复合接触改善层的各单层为三元AlGaN或InGaN结构；当a和b同时为0％时，复合接触改善层的各单层为二元GaN结构；当x、m＝0％且y、n＝100％时，复合接触改善层的各单层为InN结构；当x、m＝100％且y、n＝0％时，复合接触改善层的各单层为AlN结构。
更进一步地，第一子改善层21为N型掺杂层、P型掺杂层以及非故意掺杂层中的任意一种；
其中，当第一子改善层21为N型掺杂层时，掺杂剂为Si，掺杂浓度范围在1E19cm-3至1E22cm-3之间；当第一子改善层21为P型掺杂层时，掺杂剂为Mg，掺杂浓度范围在1E18cm-3至1E23cm-3之间。
在本发明实施例中，由于电子注入层13和N型欧姆接触层14通常由高Al组分的AlGaN构成，随着AlGaN中的Al组分升高，其Si掺杂与激活都变的困难，常常难与N型电极111形成良好的欧姆接触，进而影响了深紫外发光二极管100的发光性能；因此，当改善层20为第一子改善层21时，由于改善层20的二次外延生长温度较低，可以使N型电极111与电子注入层13之间形成良好的欧姆接触，从而降低了深紫外发光二极管100的工作电压，进而提高了深紫外发光二极管100的外延结构的发光性能。
在本发明的另一种实施例中，改善层20为第二子改善层22，第二子改善层22包括多层堆叠结构，第二子改善层22中堆叠结构的层数范围在10至100之间，每一层堆叠结构包括由下至上层叠设置的第一子层以及第二子层，第一子层的材料为AljGa1-jN，第二子层的材料为AlkGa1-kN，j和k之间的关系满足50％≤j≤k≤100％；
其中，第一子层的厚度为0.25λ*n1，第二子层的厚度为0.25λ*n2，λ为量子阱有源层16出射光的中心波长，n1为第一子层的平均折射率，n2为第二子层的平均折射率。
具体地，将第一子层的厚度设置为0.25λ*n1，且将第二子层的厚度设置为0.25λ*n2是为了使每一层堆叠结构中的每一个子层均为分布式布拉格反射镜(distributedBraggreflection)；分布式布拉格反射镜是一种四分之一波长多层系统，相当于简单的一组光子晶体。由于频率落在能隙范围内的电磁波无法穿透，分布式布拉格反射镜的反射率可达99％以上，其有利于提高深紫外发光二极管100的亮度，它没有金属反射镜的吸收问题，又可以透过改变材料的折射率或厚度来调整能隙位置。
由于大部分来自于量子阱有源层16的出射光会在深紫外发光二极管100的外延芯片内部不断反射，当出射光的方向指向N型电极111时，设置于N型欧姆接触层14与N型电极111之间的第二子改善层22可以进一步反射99％以上的符合量子阱有源层16出射光的中心波长的光，且抑制不符合量子阱有源层16出射光的中心波长的杂光，进而避免量子阱有源层16的出射光被N型电极111吸收，从而有效提高了深紫外发光二极管100的外量子效率。
在本发明实施例中，第二子改善层22为N型掺杂层、P型掺杂层以及非故意掺杂层中的任意一种；
其中，当第二子改善层22为N型掺杂层时，掺杂剂为Si，掺杂浓度范围在1E19cm-3至1E22cm-3之间；当第二子改善层22为P型掺杂层时，掺杂剂为Mg，掺杂浓度范围在1E18cm-3至1E23cm-3之间。
在本发明实施例中，第二子改善层22中堆叠结构的层数范围在10至100之间。其中，当第二子改善层22中堆叠结构的层数小于10时，使得第二子改善层22抑制不符合量子阱有源层16出射光的中心波长的杂光的效果不太明显；当第二子改善层22中堆叠结构的层数大于100时，会导致深紫外发光二极管100的电子输入能力变差。
在本发明的又一种实施例中，改善层20为第三子改善层23，第三子改善层23包括N型掺杂的AlGaN材料形成的单层结构，第三子改善层23的厚度范围在1nm至500nm之间；
其中，第三子改善层23的掺杂浓度由第三子改善层23中靠近衬底11的一侧表面向第三子改善层23中远离所述衬底11的一侧表面线性上升。
具体地，第三子改善层23中靠近所述衬底11的一侧表面的掺杂浓度范围在1E17cm-3至1E19cm-3之间，第三子改善层23中远离所述衬底11的一侧表面的掺杂浓度范围在1E18cm-3至1E22cm-3之间。
由于掺杂浓度影响出射光的发光波长，将第三子改善层23的掺杂浓度由第三子改善层23中靠近衬底11的一侧表面向第三子改善层23中远离所述衬底11的一侧表面线性上升，可以形成杂质光调制结构，在经过来自于量子阱有源层16的出射光激发后，在第三子改善层23可以产生发光波长处于500nm～600nm间的黄绿色光线。
在本发明实施例中，第三子改善层23为δ型硅掺杂的AlGaN材料；其中，δ型硅掺杂的AlGaN材料的具体制备步骤为：Si掺杂时停止MO源的通入，而通入MO源时停止Si掺杂剂的通入，MO源与Si掺杂剂通入时间的比例在10％至500％之间，δ掺杂可为单次或多次，次数最多不超过50次。
具体地，δ掺杂为不同于均匀掺杂的一种掺杂，δ掺杂时间很短，沉积厚度大概只有几纳米，远小于其他膜层；δ掺杂主要作用在于调节杂质浓度分布状态，杂质分布情况发生改变会对半导体能带造成影响。δ掺杂主要是脉冲掺杂，主要是在镓源以及氨气通入反应腔体时不通掺杂剂，掺杂脉冲进行；其中，可以停镓源以通入掺杂剂，也可以不停镓源通入掺杂剂，整个过程中需要脉冲参与。
因此，由于δ掺杂比均匀掺杂更容易调节掺杂浓度分布状态，δ掺杂比均匀掺杂更容易掺杂较高浓度的掺杂剂。
在本发明实施例中，经过第三子改善层23发射的第一光线的波长范围在500nm至600nm之间，经过空穴注入层18发射的第二光线的波长范围在400nm至500nm之间；
其中，第一光线与第二光线的比例范围在10％至1000％之间。
由于深紫外发光二极管100中通常存在着人眼可观察到的杂质光，而当杂质光的颜色不均一时，会误导使用者对于芯片性能的判断。量子阱有源层16的出射光一方面会激发空穴注入层18中的Mg杂质能级发出波长为400nm～500nm的蓝紫色光，另一方面会激发电子注入层13的Si杂质能级而发出波长为500nm～600nm的黄绿色光，当二者比例不同时，杂质光的颜色会存在差异。
因此，当改善层20为第三子改善层23时，电子注入层13会产生发光波长处于500nm～600nm间的黄绿色发光，与空穴注入层18被激发的发光波长为400nm～500nm间的蓝紫色光混合，第三子改善层23用于对电子注入层13产生的第一光线的波长进行调节，使得电子注入层13产生的黄绿色杂光与空穴注入层18产生的蓝紫色杂光进行一定比例的混合(黄绿色杂质光与蓝紫色杂质光的比例为10％～1000％)，形成蓝紫色、偏黄绿色或白色杂质光，进而改善了深紫外发光二极管的发光均匀性。
区别于现有技术的情况，本发明实施例一通过在N型欧姆接触层14与N型电极111之间二次外延生长特殊外延结构的改善层20，且改善层20的材料包括GaN、InN、AlN、AlGaN、InGaN以及AlInGaN中的至少一种；其中，当改善层20为第一子改善层21时，第一子改善层21能使N型电极111与电子注入层13之间形成良好的欧姆接触，从而降低了深紫外发光二极管100的工作电压，进而提高了深紫外发光二极管100的外延结构的发光性能；当改善层20为第二子改善层22时，设置于N型欧姆接触层14与N型电极111之间的第二子改善层22可以进一步反射99％以上的符合量子阱有源层16出射光的中心波长的光，且抑制不符合量子阱有源层16出射光的中心波长的杂光，进而避免量子阱有源层16的出射光被N型电极111吸收，从而有效提高了深紫外发光二极管100的外量子效率；当改善层20为第三子改善层23时，第三子改善层23用于对电子注入层13产生的第一光线的波长进行调节，使得电子注入层13产生的黄绿色杂光与空穴注入层18产生的蓝紫色杂光进行一定比例的混合，形成蓝紫色、偏黄绿色或白色杂质光，进而改善了深紫外发光二极管的发光均匀性。
实施例二
请参阅图2，图2为本发明实施例提供的深紫外发光二极管100的第二种结构示意图；其中，本发明实施例二提供的深紫外发光二极管100的结构与本发明实施例一提供的深紫外发光二极管100的结构相同或相似，不同之处仅在于，改善层20包括第一子改善层21、第二子改善层22、以及第三子改善层23中的任意两种形成的复合层；
在本实施例的第一种方案中，改善层20包括由下至上层叠设置的第二子改善层22以及第一子改善层21；上述方案制备的改善层20不仅能够通过第一子改善层21来降低深紫外发光二极管100的工作电压，也能通过第二子改善层22来提高深紫外发光二极管100的外量子效率，进而提高了深紫外发光二极管100的发光性能。
在本实施例的第二种方案中，改善层20包括由下至上层叠设置的第三子改善层23以及第一子改善层21；上述方案制备的改善层20不仅能够通过第三子改善层23来改善深紫外发光二极管100的发光均匀性，也能通过第一子改善层21来降低深紫外发光二极管100的工作电压，进而提高了深紫外发光二极管100的发光性能。
在本实施例的第三种方案中，改善层20包括由下至上层叠设置的第三子改善层23以及第二子改善层22；上述方案制备的改善层20不仅能够通过第三子改善层23来改善深紫外发光二极管100的发光均匀性，也能通过第二子改善层22来提高深紫外发光二极管100的外量子效率，进而提高了深紫外发光二极管100的发光性能。
实施例三
请参阅图3，图3为本发明实施例提供的深紫外发光二极管100的第三种结构示意图；其中，本发明实施例三提供的深紫外发光二极管100的结构与本发明实施例二提供的深紫外发光二极管100的结构相同或相似，不同之处仅在于，改善层20包括由下至上层叠设置的第三子改善层23、第二子改善层22以及第一子改善层21。
上述方案制备的改善层20不仅能够通过第三子改善层23来改善深紫外发光二极管100的发光均匀性，也能通过第二子改善层22来提高深紫外发光二极管100的外量子效率，又能通过第一子改善层21来降低深紫外发光二极管100的工作电压，进而提高了深紫外发光二极管100的发光性能。
因此，本发明实施例三制备的深紫外发光二极管100相比本发明实施例一或者本发明实施例二，具有更佳的发光性能。
相应地，本发明实施例还提供一种深紫外发光二极管100的外延生长方法；请参阅图4，图4为本发明实施例所提供的深紫外发光二极管100的外延生长方法工艺流程图，具体地，以制备本发明实施例三为例，外延生长方法包括：
S10，在一衬底11上外延生长本征层12。
具体地，S10还包括：
首先，提供一衬底11，衬底11为蓝宝石衬底11；之后，400～800下，在衬底11上低温生长缓冲层，缓冲层的厚度范围在10nm至50nm之间；最后，将生长温度升温至1200至1400之间，在缓冲层上生长氮化铝本征层12，氮化铝本征层12的厚度范围在500nm至4000nm之间。其中，缓冲层以及氮化铝本征层12构成本征层12，缓冲层以及氮化铝本征层12的材料均为氮化铝。
S20，在本征层12上外延生长电子注入层13。
具体的，S20还包括：
首先，将生长温度降低至800至1200之间；之后，在本征层12上外延生长电子注入层13。其中，电子注入层13的材料为N型掺杂的氮化铝镓材料；其中，铝元素的组份范围在20％至90％之间。
S30，在电子注入层13上外延生长量子阱有源层16。
具体的，S30还包括：
首先，维持生长温度范围在800至1200之间，在电子注入层13上外延生长N型欧姆接触层14，其中，N型欧姆接触层14的材料为N型掺杂的氮化铝镓材料，铝元素的组份范围在20％至90％之间。
之后，维持生长温度范围在800至1200之间不变，在N型欧姆接触层14上外延生长电流扩展层15；具体地，电流扩展层15的材料为氮化铝镓，电流扩展层15中铝元素组分占电流扩展层15的百分数范围在20％至90％之间，电流扩展层15的厚度范围在10nm至300nm之间。
其中，N型欧姆接触层14与电流扩展层15之间形成台阶状结构，且N型欧姆接触层14的面积大于电流扩展层15的面积。
之后，将生长温度降温到700至1100之间，在电流扩展层15上外延生长量子阱有源层16；其中，量子阱有源层16的势垒厚度范围在5至30nm之间，且势垒中铝组分的百分数范围在20％至100％之间；量子阱有源层16的势阱厚度在0.1至5nm之间；且势阱中铝组分的百分数范围在0至80％之间。
S40，在量子阱有源层16上外延生长电子阻挡层17。
具体的，S40还包括：
首先，维持生长温度范围在700至1100之间，在量子阱有源层16上外延生长电子阻挡层17；其中，电子阻挡层17为单层AlGaN结构，电子阻挡层17为P型掺杂的半导体材料，其使用Mg作为p型掺杂剂。
进一步地，电子阻挡层17中铝元素占电子阻挡层17的百分比范围在50％至80％之间，电子阻挡层17的厚度范围在0.1nm至200nm之间。
S50，在电子阻挡层17上外延生长空穴注入层18。
具体地，S50还包括：
将生长温度维持到700至1100之间，在电子阻挡层17上外延生长空穴注入层18。其中，空穴注入层18的材料为P型掺杂的氮化铝镓材料，空穴注入层18中铝组分的百分数范围在0至100％之间，空穴注入层18的厚度范围在1nm至50nm之间，空穴注入层18采用镁元素作为P型掺杂剂。
S60，在空穴注入层18上外延生长P型欧姆接触层19。
具体地，S60还包括：
首先，将生长温度降温到400至900之间，在空穴注入层18上形成P型欧姆接触层19；其中，P型欧姆接触层19的材料为P型掺杂的氮化镓材料，P型欧姆接触层19的厚度范围在1nm至20nm之间，P型欧姆接触层19采用镁元素作为P型掺杂剂。
S70，在N型欧姆接触层14上外延生长改善层20。
具体地，S70还包括：
首先，对N型欧姆接触层14的台阶结构处进行MEsA刻蚀；之后，降低反应腔体内的生长温度，在N型欧姆接触层14对应于MEsA刻蚀的位置二次外延生长改善层20，改善层20包括由下至上层叠设置的第三子改善层23、第二子改善层22以及第一子改善层21。
最后，在改善层20上设置N型电极111，N型电极111与电流扩展层15相对且间隔设置；最后，在P型欧姆接触层19上形成P型电极110。
具体地，根据上述深紫外发光二极管100的外延生长方法制备出六种不同的深紫外发光二极管100，待上述深紫外发光二极管100器件制备完成后，在40mA工作电流下，测试上述各种深紫外发光二极管100的工作电压、出光效率杂质光颜色。
进一步地，上述六种不同的深紫外发光二极管100的膜层结构由下至上从衬底11至P型欧姆接触层19的结构大致相同，依次如下所示：
衬底11，材料为蓝宝石衬底；
本征层12，材料为氮化铝，厚度为1000nm；
电子注入层13为N型掺杂的氮化铝镓材料，其中，电子注入层13中的Al组分占电子注入层13的质量百分数为50％，厚度为1000nm；
N型欧姆接触层14为N型掺杂的氮化铝镓材料，其中，电子注入层13中的Al组分占电子注入层13的质量百分数为50％，厚度为1000nm；
电流扩展层15的材料为非故意掺杂的氮化铝镓材料，其中电流扩展层15中铝组分的质量百分数为70％，厚度为100nm；
量子阱有源层16的量子阱厚度为5nm且量子阱中铝组分的质量百分数为50％，量子垒厚度为2nm且势垒中铝组分的质量百分数为60％；
电子阻挡层17为单层氮化铝镓结构，厚度为10nm，铝组分的质量百分数为60％；
空穴注入层18的材料为P型掺杂的氮化铝镓材料，空穴注入层18中铝组分的质量百分数为40％，厚度为20nm，采用Mg作为掺杂剂；
P型欧姆接触层19为仅使用镁掺杂的金属极性面氮化铝镓材料，厚度为5nm。
在上述六种深紫外发光二极管100中，采用常规方法在电子注入层13上均设置相同材料的N型电极111，并在P型欧姆接触层19上均设置相同材料的P型电极110，以构成完整的外延芯片结构，具体工艺在此不做赘述。其中，N型电极111以及P型电极110均为多层复合金属材料。
在本发明实施例中，上述六种不同的深紫外发光二极管100的制备方法中的不同之处仅在于：N型欧姆接触层14与N型电极111之间的膜层结构不同，具体如下：
实施例1：
本申请第一实施例深紫外发光二极管100(深紫外LED1)的外延结构在N型欧姆接触层14与N型电极111之间设置有改善层20，改善层20为二次外延低温接触改善结构的第一子改善层21，具体为掺杂Si的GaN材料的单层结构，其中Si掺杂浓度为1E19cm-3，厚度为10nm。
实施例2：
本申请第二实施例深紫外发光二极管100(深紫外LED3)的外延结构在N型欧姆接触层14与N型电极111之间设置有改善层20，改善层20为二次外延布拉格反射结构的第二子改善层22，厚度为10nm；
其中，第二子改善层22包括多层堆叠结构，第二子改善层22中堆叠结构的层数为30，每一层堆叠结构包括由下至上层叠设置的第一子层以及第二子层，第一子层的材料为AlN，第二子层的材料为GaN；
其中，第一子层的厚度为0.25λ*n1，第二子层的厚度为0.25λ*n2，λ为量子阱有源层16出射光的中心波长，n1为第一子层的平均折射率，n2为第二子层的平均折射率。
实施例3：
本申请第三实施例深紫外发光二极管100(深紫外LED3)的外延结构在N型欧姆接触层14与N型电极111之间设置有改善层20，改善层20为二次外延调试光改善结构的第三子改善层23；
其中，第三子改善层23包括Si掺杂的AlGaN材料形成的单层结构，第三子改善层23的厚度为10nm；
其中，第三子改善层23的掺杂浓度由第三子改善层23中靠近衬底11的一侧表面向第三子改善层23中远离所述衬底11的一侧表面线性上升。
具体地，第三子改善层23中靠近所述衬底11的一侧表面的掺杂浓度为1E17cm-3，第三子改善层23中远离所述衬底11的一侧表面的掺杂浓度为1E20cm-3。
实施例4：
本申请第一实施例深紫外发光二极管100(深紫外LED4)的外延结构在N型欧姆接触层14与N型电极111之间设置有改善层20，改善层20包括由下至上层叠设置的第二子改善层22以及第一子改善层21；
具体地，第二子改善层22包括多层堆叠结构，第二子改善层22的厚度为10nm；第二子改善层22中堆叠结构的层数为30，每一层堆叠结构包括由下至上层叠设置的第一子层以及第二子层，第一子层的材料为AlN，第二子层的材料为GaN；
其中，第一子层的厚度为0.25λ*n1，第二子层的厚度为0.25λ*n2，λ为量子阱有源层16出射光的中心波长，n1为第一子层的平均折射率，n2为第二子层的平均折射率。
具体地，第一子改善层21为掺杂Si的GaN材料的单层结构，其中，Si掺杂浓度为1E19cm-3，厚度为10nm。
实施例5：
本申请第一实施例深紫外发光二极管100(深紫外LED4)的外延结构在N型欧姆接触层14与N型电极111之间设置有改善层20，改善层20包括由下至上层叠设置的第三子改善层23、第二子改善层22以及第一子改善层21；
具体地，第三子改善层23包括Si掺杂的AlGaN材料形成的单层结构，第三子改善层23的厚度为10nm；
其中，第三子改善层23的掺杂浓度由第三子改善层23中靠近衬底11的一侧表面向第三子改善层23中远离所述衬底11的一侧表面线性上升，第三子改善层23中靠近所述衬底11的一侧表面的掺杂浓度为1E17cm-3，第三子改善层23中远离所述衬底11的一侧表面的掺杂浓度为1E20cm-3。
具体地，第二子改善层22包括多层堆叠结构，第二子改善层22的厚度为10nm；第二子改善层22中堆叠结构的层数为30，每一层堆叠结构包括由下至上层叠设置的第一子层以及第二子层，第一子层的材料为AlN，第二子层的材料为GaN；
其中，第一子层的厚度为0.25λ*n1，第二子层的厚度为0.25λ*n2，λ为量子阱有源层16出射光的中心波长，n1为第一子层的平均折射率，n2为第二子层的平均折射率。
具体地，第一子改善层21为掺杂Si的GaN材料的单层结构，其中，Si掺杂浓度为1E19cm-3，厚度为10nm。
对比实施例：
本申请对比实施例深紫外发光二极管100(深紫外LED6)的外延结构在N型欧姆接触层14与N型电极111之间未设置有改善层20，其采用常规外延生长方法制备。
最后，分别对上述六种深紫外发光二极管100在40mA驱动电流下，测试上述各种深紫外发光二极管100的工作电压、出光效率杂质光颜色，其实验结果参见下表1所示：
| 样品 | 电压(V) | 光功率(mW) | 杂质光颜色 |
| 实施例1 | 5.4 | 7.3 | 蓝 |
| 实施例2 | 6.3 | 8.6 | 蓝 |
| 实施例3 | 6.1 | 7.1 | 白 |
| 实施例4 | 5.6 | 8.4 | 蓝 |
| 实施例5 | 5.7 | 8.5 | 白 |
| 对比实施例 | 6 | 7.2 | 蓝 |
表1
由上表1可知，将实施例1、实施例4以及实施例5与对比实施例进行对比可知，在N型欧姆接触层14与N型电极111之间设置第一子改善层21相比常规方法制备的深紫外发光二极管100具有更低的工作电压。
进一步地，将实施例2、实施例4以及实施例5与对比实施例进行对比可知，在N型欧姆接触层14与N型电极111之间设置第二子改善层22相比常规方法制备的深紫外发光二极管100具有更高的出光效率。
进一步地，将实施例3以及实施例5与对比实施例进行对比可知，在N型欧姆接触层14与N型电极111之间设置第三子改善层23相比常规方法制备的深紫外发光二极管100具有更好地出光均匀性。
进一步地，将实施例4与对比实施例进行对比可知，在N型欧姆接触层14与N型电极111之间同时设置第二子改善层22以及第一子改善层21相比常规方法制备的深紫外发光二极管100在具有更低的工作电压的同时，具有更高的出光效率。
进一步地，将实施例5与对比实施例进行对比可知，在N型欧姆接触层14与N型电极111之间同时设置第三子改善层23、第二子改善层22以及第一子改善层21相比常规方法制备的深紫外发光二极管100在具有更低的工作电压的同时，具有更高的出光效率以及更好地出光均匀性。
综上，区别于现有技术的情况，本发明实施例提供了一种深紫外发光二极管100，包括由下至上层叠设置的衬底11、本征层12、电子注入层13、N型欧姆接触层14、电流扩展层15、量子阱有源层16、电子阻挡层17、空穴注入层18、P型欧姆接触层19以及P型电极110，深紫外发光二极管100还包括N型电极111，电流扩展层15与N型欧姆接触层14之间形成台阶状结构，N型电极111设置于N型欧姆接触层14的台阶结构处，其中，深紫外发光二极管100还包括设置于N型欧姆接触层14与N型电极111之间的改善层20，改善层20的材料包括GaN、InN、AlN、AlGaN、InGaN以及AlInGaN中的至少一种；本发明实施例通过在N型欧姆接触层14与N型电极111之间二次外延生长特殊外延结构的改善层20，且改善层20的材料包括GaN、InN、AlN、AlGaN、InGaN以及AlInGaN中的至少一种，以使N型电极111与电子注入层13之间形成良好的欧姆接触，从而降低了深紫外发光二极管100的工作电压，进而提高了深紫外发光二极管100的外延结构的发光性能。
需要说明的是，以上各实施例均属于同一发明构思，各实施例的描述各有侧重，在个别实施例中描述未详尽之处，可参考其他实施例中的描述。
以上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)
1.一种深紫外发光二极管，其特征在于，包括由下至上层叠设置的衬底、本征层、电子注入层、N型欧姆接触层、电流扩展层、量子阱有源层、电子阻挡层、空穴注入层、P型欧姆接触层以及P型电极，所述深紫外发光二极管还包括N型电极，所述电流扩展层与所述N型欧姆接触层之间形成台阶状结构，所述N型电极设置于所述N型欧姆接触层的台阶结构处；
其中，所述深紫外发光二极管还包括设置于所述N型欧姆接触层与所述N型电极之间的改善层，所述改善层的材料包括GaN、InN、AlN、AlGaN、InGaN以及AlInGaN中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述改善层的厚度范围在20nm至10000nm之间；所述改善层的铝组分含量小于或者等于所述电子注入层的铝组分含量；所述改善层的掺杂剂为Si，掺杂浓度范围在1E16cm-3至1E22cm-3之间。
3.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述改善层包括第一子改善层，所述第一子改善层包括AlaInbGa1-a-bN材料形成的单层结构或者AlxInyGa1-x-yN/AlmInnGa1-m-nN材料形成的复合结构；
其中，a、b、x、m、y以及n的取值均大于或者等于0且小于或者等于100％。
4.根据权利要求3所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述第一子改善层为N型掺杂层、P型掺杂层以及非故意掺杂层中的任意一种；
其中，当所述第一子改善层为N型掺杂层时，掺杂剂为Si，掺杂浓度范围在1E19cm-3至1E22cm-3之间；当所述第一子改善层为P型掺杂层时，掺杂剂为Mg，掺杂浓度范围在1E18cm-3至1E23cm-3之间。
5.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述改善层包括第二子改善层，所述第二子改善层包括多层堆叠结构，每一层所述堆叠结构包括由下至上层叠设置的第一子层以及第二子层，所述第一子层的材料为AljGa1-jN，所述第二子层的材料为AlkGa1- kN，j和k之间的关系满足50％≤j≤k≤100％；
其中，所述第一子层的厚度为0.25λ*n1，所述第二子层的厚度为0.25λ*n2，λ为所述量子阱有源层出射光的中心波长，n1为所述第一子层的平均折射率，n2为所述第二子层的平均折射率。
6.根据权利要求5所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述第二子改善层为N型掺杂层、P型掺杂层以及非故意掺杂层中的任意一种；
其中，当所述第二子改善层为N型掺杂层时，掺杂剂为Si，掺杂浓度范围在1E19cm-3至1E22cm-3之间；当所述第二子改善层为P型掺杂层时，掺杂剂为Mg，掺杂浓度范围在1E18cm-3至1E23cm-3之间。
7.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述改善层包括第三子改善层，所述第三子改善层包括N型掺杂的AlGaN材料形成的单层结构；
其中，所述第三子改善层的掺杂浓度由所述第三子改善层中靠近所述衬底的一侧表面向所述第三子改善层中远离所述衬底的一侧表面线性上升。
8.根据权利要求7所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述第三子改善层为δ型硅掺杂的AlGaN材料；
其中，所述δ型硅掺杂的掺杂次数范围在1至50之间。
9.根据权利要求7所述的深紫外发光二极管，其特征在于，经过所述电子注入层发射的第一光线的波长范围在500nm至600nm之间，经过所述空穴注入层发射的第二光线的波长范围在400nm至500nm之间；
其中，所述第一光线与所述第二光线的比例范围在10％至1000％之间。
10.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述改善层包括第一子改善层、第二子改善层以及第三子改善层中的至少两种；
其中，所述第一子改善层包括AlaInbGa1-a-bN材料形成的单层结构或者AlxInyGa1-x-yN/AlmInnGa1-m-nN材料形成的复合结构，a、b、x、m、y以及n的取值均大于或者等于0且小于或者等于100％；
所述第二子改善层包括多层堆叠结构，每一层所述堆叠结构包括由下至上层叠设置的第一子层以及第二子层，所述第一子层的材料为AljGa1-jN，所述第二子层的材料为AlkGa1- kN，j和k之间的关系满足50％≤j≤k≤100％，所述第一子层的厚度为0.25λ*n1，所述第二子层的厚度为0.25λ*n2，λ为所述量子阱有源层出射光的中心波长，n1为所述第一子层的平均折射率，n2为所述第二子层的平均折射率；
所述第三子改善层包括N型掺杂的AlGaN材料形成的单层结构，所述第三子改善层的掺杂浓度由所述第三子改善层中靠近所述衬底的一侧表面向所述第三子改善层中远离所述衬底的一侧表面线性上升。
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