CN115799416B - 一种深紫外发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种深紫外发光二极管外延片及其制备方法，属于LED半导体领域。该外延片包括衬底、AlN缓冲层、非掺杂AlGaN层、n型AlGaN层、有源层、电子阻挡层、p型AlGaN层和p型接触层；有源层包括周期性交替堆叠的量子阱层和量子垒层；量子阱层包括依次沉积的第一极化调控层、第一量子阱子层、第二极化调控层、第二量子阱子层；第一极化调控层为掺Si的n型Al_xGa_1‑xN量子阱子层，第一量子阱子层为非掺Al_yGa_1‑yN量子阱子层，第二极化调控层为掺Mg的p型Al_zGa_{1‑ z}N量子阱层。通过本申请可提高电子与空穴波函数的交叠，从而提升量子阱层辐射复合效率。

Description

一种深紫外发光二极管外延片及其制备方法

技术领域

本发明属于LED半导体的技术领域，具体地涉及一种深紫外发光二极管外延片及其制备方法。

背景技术

高Al组分的AlGaN基深紫外发光二极管(UV LED)在空气和水的净化、表面消毒、紫外线固化、医学光疗等方面有广泛的应用。虽然深紫外发光二极管的光输出功率已经被大大提高，但是AlGaN基深紫外LED仍然存在外量子效率和发光功率低的瓶颈问题。现有报道表明：发光波段在200～350nm的深紫外发光二极管的外量子效率通常都低于10%，相比于InGaN基的近紫外和可见光的发光二极管的外量子效率低一个数量级。

相比传统Ⅲ-V族和II-VI簇半导体混合物，深紫外发光二极管的纤锌矿结构的Ⅲ族氮化物中GaN、AlN、AlGaN材料的晶格常数比均小于理想值1.633，且随Al组份增加逐渐减小，导致的量子阱层异质结界面处诱发的自发和压电极化强度逐渐增大；数据显示自发和压电极化强度高出传统半导体材料十倍多。深紫外发光二极管在量子阱层异质结界面处诱发的自发和压电极化强度大，使得量子阱能带发生倾斜，减弱了电子和空穴波函数的交叠，从而进一步降低了量子阱层辐射复合效率。

因此，如何降低量子阱层异质结界面处诱发的自发和压电极化强度，提高电子和空穴波函数的交叠，使得提升量子阱层辐射复合效率，显得尤为重要。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种深紫外发光二极管外延片及其制备方法，针对有源层超晶格结构设置，采用周期性交替的量子阱层和量子垒层，且量子阱层具体为交替叠置的极化调控层及量子阱子层，该结构设置可以降低量子阱层异质结界面处诱发的自发和压电极化强度，提高电子与空穴波函数的交叠，使得提升量子阱层辐射复合效率。

第一方面，本发明提供一种深紫外发光二极管外延片，包括衬底及依次沉积在所述衬底上的AlN缓冲层、非掺杂AlGaN层、n型AlGaN层、有源层、电子阻挡层、p型AlGaN层和p型接触层；所述有源层呈超晶格结构，所述超晶格结构包括周期性交替堆叠的量子阱层和量子垒层；

其中，所述量子阱层包括沿着外延片沉积方向依次沉积的第一极化调控层、第一量子阱子层、第二极化调控层、第二量子阱子层；所述第一极化调控层为掺Si的n型Al_xGa_{1- x}N量子阱子层，所述第一量子阱子层为非掺Al_yGa_1-yN量子阱子层，所述第二极化调控层为掺Mg的p型Al_zGa_1-zN量子阱层，所述第二量子阱子层为AlN层；所述第一极化调控层的Al组分为0.5～0.8，且沿外延层沉积方向逐渐降低；所述第一量子阱子层的Al组分为0.5～0.7，且保持恒定；所述第二极化调控层Al组分为0.5～0.8，且沿外延层沉积方向逐渐升高。

相比现有技术，本发明的有益效果为：适宜周期数的量子阱层和量子垒层，可以提高电子与空穴在量子阱层中的波函数重叠，提升电子与空穴在量子阱层发生辐射复合效率。第一极化调控层为掺Si的n型Al_xGa_1-xN量子阱子层，第二极化调控层为掺Mg的p型Al_zGa_1-zN量子阱层，其产生的电场与发光二极管工作电场一致，增强量子阱层的注入效率，提高量子阱层中电子与空穴的辐射复合效率。第一极化调控层及第二极化调控层的Al组分渐变，可以减少第一量子阱子层与量子垒层的晶格失配，提高第一量子阱子层的晶体质量，提高量子阱层的发光效率。

较佳地，所述超晶格结构的堆叠周期数1～15个。

较佳地，所述第一极化调控层的掺Si浓度为5E16～5E17atoms/cm³，所述第二极化调控层掺Mg浓度为1E17～1E19atoms/cm³。

较佳地，所述量子阱层的厚度为1～10nm，且所述第一极化调控层、所述第一量子阱子层、所述第二极化调控层及所述第二量子阱子层的厚度比为1:（1～10）:2:1。

较佳地，所述第一极化调控层、所述第一量子阱子层、所述第二极化调控层及所述第二量子阱子层的生长气氛为NH₃及N₂成分比（1～5）:1的混合气。

较佳地，所述第一极化调控层、所述第一量子阱子层、所述第二极化调控层及所述第二量子阱子层的生长温度均为900～1100℃。

较佳地，所述第一极化调控层、所述第一量子阱子层、所述第二极化调控层及所述第二量子阱子层的生长压力均为50～300torr。

第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的深紫外发光二极管外延片的制备方法，所述制备方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上依次沉积AlN缓冲层、非掺杂AlGaN层和n型AlGaN层；

在所述n型AlGaN层沉积有源层；所述有源层呈超晶格结构，所述超晶格结构包括周期性交替堆叠的量子阱层和量子垒层；其中，所述量子阱层包括沿着外延片沉积方向依次沉积的第一极化调控层、第一量子阱子层、第二极化调控层、第二量子阱子层；所述第一极化调控层为掺Si的n型Al_xGa_1-xN量子阱子层，所述第一量子阱子层为非掺Al_yGa_1-yN量子阱子层，所述第二极化调控层为掺Mg的p型Al_zGa_1-zN量子阱层，所述第二量子阱子层为AlN层；所述第一极化调控层的Al组分为0.5～0.8，沿外延层沉积方向逐渐降低；所述第一量子阱子层的Al组分为0.5～0.7，保持恒定；所述第二极化调控层Al组分为0.5～0.8，沿外延层沉积方向逐渐升高；

在所述有源层上依次沉积电子阻挡层、p型AlGaN层和p型接触层，完成深紫外发光二极管外延片的制备。

相比现有技术，本发明的有益效果为：通过上述步骤制备的深紫外发光二极管外延片可增强量子阱层的注入效率，提高量子阱层中电子与空穴的辐射复合效率。并可减少第一量子阱子层与量子垒层的晶格失配，提高第一量子阱子层的晶体质量，提高量子阱层的发光效率。

较佳地，所述n型AlGaN层掺Si浓度为1E19～5E20 atoms/cm³，厚度为1～5um。

较佳地，所述p型AlGaN层掺Mg浓度1E19～5E20atoms/cm³，厚度20～200nm。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的对照例的深紫外发光二极管外延片断面图；

图2为本发明各实施例提供的深紫外发光二极管外延片断面图。

附图标记说明：

100-衬底；

200-AlN缓冲层；

300-非掺杂AlGaN层；

400-n型AlGaN层；

500-有源层、510-量子阱层、511-第一极化调控层、512-第一量子阱子层、513-第二极化调控层、514-第二量子阱子层、520-量子垒层；

600-电子阻挡层；

700-p型AlGaN层；

800-p型接触层。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明的实施例，而不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。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。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

对照例

如图1所示，本对照例采用现有技术的深紫外发光二极管外延片，其包括衬底100及依次沉积在所述衬底100上的AlN缓冲层200、非掺杂AlGaN层300、n型AlGaN层400、有源层500、电子阻挡层600、p型AlGaN层700和p型接触层800；其中，所述有源层500包括8个周期性交替堆叠的Al_0.5Ga_0.5N的量子阱层510和量子垒层520，其中Al_0.5Ga_0.5N量子阱层的厚度为3.5nm。将本对照例的深紫外发光二极管外延片采用芯片制造工艺制成350um*350um规格的LED芯片，测试电流20mA,电压6V,并经测试仪器测试光功率为4mW，具体结果如表1所示。

实施例1

如图2所示，本实施例提供了一种深紫外发光二极管外延片，其包括衬底100及依次沉积在所述衬底100上的AlN缓冲层200、非掺杂AlGaN层300、n型AlGaN层400、有源层500、电子阻挡层600、p型AlGaN层700和p型接触层800。具体地，所述有源层500呈超晶格结构，所述超晶格结构包括周期性交替堆叠的量子阱层510和量子垒层520，所述量子阱层510包括沿着外延片沉积方向依次沉积的第一极化调控层511、第一量子阱子层512、第二极化调控层513、第二量子阱子层514。

其中，本实施例的衬底100选用蓝宝石衬底；选用蓝宝石衬底是因其具有制备工艺成熟、价格较低、易于清洗处理及高温下有很好的稳定性的特性。当然，其它实施例也可采用二氧化硅蓝宝石复合衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底或氧化锌衬底中的一种。

其中，本实施例的AlN缓冲层200为厚度为100nm的AlN缓冲层。具体地，选用在PVD中沉积AlN缓冲层，采用AlN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压应力以及热膨胀系数失配所产生的热应力，进一步提供了平整的成核表面，减少其成核生长的接触角使岛状生长的GaN晶粒在较小的厚度内能连成面，转变为二维外延生长，提高后续沉积AlGaN层晶体质量，降低位错密度，提高多量子阱层辐射复合效率。需要说明的是，其它实施例的AlN缓冲层厚度也可根据实际情况制作，但AlN缓冲层的厚度应在20～200nm范围内选取。

其中，本实施例的非掺杂AlGaN层300的厚度为3um。具体地，采用金属有机物气相沉积法(MOCVD)在AlN缓冲层上沉积非掺杂AlGaN层，非掺杂AlGaN层的生长温度1200℃、生长压力100torr，非掺杂AlGaN层的生长温度较高，生长压力较低，制备得到AlGaN的晶体质量较优，同时随着厚度的增加，压应力会通过堆垛层错释放，线缺陷减少，晶体质量提高，反向漏电降低。然而提高非掺杂AlGaN层的厚度对MO源(金属有机源)材料消耗较大，大大提高了发光二极管的外延成本，因此目前深紫外发光二极管外延片通常非掺杂AlGaN层的生长厚度为2～3um，不仅节约生产成本，而且GaN材料又具有较高的晶体质量。需要说明的是，其他实施例中，非掺杂AlGaN层的沉积应在1000～1300℃选用生长温度，在50～500torr选用生长压力。

其中，本实施例的n型AlGaN层400的厚度为3um。具体地，n型AlGaN层的生长温度为1200℃、生长压力100torr、生长厚度为3um，Si掺杂浓度为2.5E19atoms/cm³。首先，n型掺杂的AlGaN层为紫外LED发光提供充足电子与空穴发生复合；其次，n型掺杂的AlGaN层的电阻率要比p型GaN层上的透明电极的电阻率高，因此足够的Si掺杂，可以有效地降低n型AlGaN层电阻率；最后，n型掺杂的AlGaN层足够的厚度可以有效释放压应力并提升发光二极管的发光效率。需要说明的是，其他实施例中，n型AlGaN层在1～5um选用生长厚度，n型AlGaN层的沉积应在1000～1300℃选用生长温度，在50～200torr选用生长压力，Si掺杂浓度在1E19～5E20atoms/cm³选用。

其中，本实施例的有源层500包括9个周期性交替堆叠的量子阱层510和量子垒层520，合适的量子阱层和量子垒层的周期数可以提高电子与空穴在量子阱层中的波函数重叠，提升电子与空穴在量子阱层发生辐射复合效率。具体地，所述量子阱层510的厚度为6nm，所述第一极化调控层为掺Si的n型Al_xGa_1-xN量子阱子层，所述第一量子阱子层为非掺Al_yGa_1-yN量子阱子层，所述第二极化调控层为掺Mg的p型Al_zGa_1-zN量子阱层，所述第二量子阱子层为AlN层；第一极化调控层、第一量子阱子层、第二极化调控层、第二量子阱子层的厚度比为1:8:2:1；第一极化调控层、第一量子阱子层、第二极化调控层的Al组分呈变化状态，第一极化调控层Al组分沿外延层沉积方向由0.7逐渐降低0.5，第一量子阱子层Al组分为0.5，第二极化调控层Al组分沿外延层沉积方向由0.5逐渐升高0.7。第一极化调控层Si掺杂浓度为1.2E17atoms/cm³，第二极化调控层Mg掺杂浓度为8.5E17atoms/cm³。第一极化调控层、第一量子阱子层、第二极化调控层、第二量子阱子层的生长气氛为NH₃/N₂比例在2:1；第一极化调控层、第一量子阱子层、第二极化调控层、第二量子阱子层生长温度950℃；第一极化调控层、第一量子阱子层、第二极化调控层、第二量子阱子层生长压力100torr；合适的生长气氛、生长温度及生长压力能提高Al原子迁移率及V/III比（又称输入V/III比,是指通入反应室的V族源和Ⅲ族源的摩尔比），提高量子阱层的晶体质量；其他实施例中，第一极化调控层、第一量子阱子层、第二极化调控层、第二量子阱子层的生长气氛的NH₃/N₂比例在（1～5）:1，生长温度的范围在900～1100℃，生长压力50～300torr。需要说明的是，AlGaN基材料本身产生较大的极化电场，导致量子阱能带倾斜，电子和空穴经过量子阱层时会造成严重的空间分离，产生所谓的量子限制斯塔克效应（QCSE）。载流子的空间分离导致在量子阱层中波函数交叠减少，辐射复合降低，严重降低了LED器件的发光效率。第一极化调控层为Si掺杂的n型Al_xGa_1-xN量子阱子层，第二极化调控层为Mg掺杂的p型Al_zGa_1-zN量子阱层，其产生的电场与发光二极管工作电场一致，增强量子阱层的注入效率，提高量子阱层中电子与空穴的辐射复合效率。第一量子阱子层的厚度小于电子的德布罗意波长，电子和空穴的能级为分立的量子化能级，具有显著的量子限制效应，电子和空穴被局限在量子阱层中，从而提高电子和空穴波函数的交叠，进而提升辐射复合速率。第一极化调控层及第二极化调控层的Al组分渐变，可以减少第一量子阱与量子垒层的晶格失配，提高第一量子阱子层的晶体质量，提高量子阱层的发光效率。

其中，本实施例的电子阻挡层600为厚度30nm的AlGaN电子阻挡层。具体地，AlGaN电子阻挡层的Al组分0.75、生长温度1050℃、生长压力200torr，既可以有效地限制电子溢流，也可以减少对空穴的阻挡，提升空穴向量子阱层的注入效率，减少载流子俄歇复合，提高发光二极管的发光效率。需要说明的是，其他实施例中，电子阻挡层在10～100nm选用生长厚度，电子阻挡层的沉积应在1000～1100℃选用生长温度，在100～300torr选用生长压力，Al组分在0.4～0.8选用。

其中，本实施例的p型AlGaN层700的厚度为100nm。具体地，p型AlGaN层的生长温度1050℃、生长压力200torr，Mg掺杂浓度5E19atoms/cm³，Mg掺杂浓度过高会破坏晶体质量，而掺杂浓度较低则会影响空穴浓度，因此其他实施例中，Mg掺杂浓度1E19～5E20atoms/cm³。同时，p型AlGaN层可以有效填平外延层，得到表面光滑的深紫外LED外延片。需要说明的是，其他实施例中，p型AlGaN层在20～200nm选用生长厚度，p型AlGaN层的沉积应在1000～1100℃选用生长温度，在100～600torr选用生长压力。

其中，本实施例的p型接触层800的厚度为10nm。具体地，p型接触层的生长温度1050℃、生长压力200torr，Mg掺杂浓度1E20atoms/cm³，高掺杂浓度的p型接触层可降低接触电阻，因此其他实施例的Mg掺杂浓度应在5E19～5E20atoms/cm³选用。需要说明的是，其他实施例中，p型接触层在5～500nm选用生长厚度，p型接触层的沉积应在1000～1100℃选用生长温度，在100～600torr选用生长压力。

进一步地，本实施例制备上述深紫外发光二极管外延片的制备方法，包括以下步骤：

S01，提供一蓝宝石衬底。

S02，在蓝宝石衬底上生长厚度为100nm的AlN缓冲层，并针对已沉积AlN缓冲层的蓝宝石衬底进行氮化处理。

具体地，将已镀完AlN缓冲层的蓝宝石衬底转入MOCVD中，在氢气的气氛进行预处理1～10min，处理温度为1000℃～1200℃，再对蓝宝石衬底进行氮化处理，提升AlN缓冲层的晶体质量，并且可以有效提高后续沉积AlN外延层的晶体质量。

S03，在AlN缓冲层上生长厚度为3um的非掺杂AlGaN层。

具体地，非掺杂AlGaN层的生长温度1200℃，生长压力100torr。由于非掺杂AlGaN层的生长温度较高，生长压力较低，制备得到AlGaN的晶体质量较优，同时随着厚度的增加，压应力会通过堆垛层错释放，线缺陷减少，晶体质量提高，反向漏电降低。非掺杂AlGaN层的生长厚度为3um，由于提高非掺杂AlGaN层的厚度对MO源(金属有机源)材料消耗较大，大大提高了发光二极管的外延成本，因此本实施例的非掺杂AlGaN层的厚度为3um，不仅节约生产成本，而且AlGaN材料又具有较高的晶体质量。

S04，在非掺杂AlGaN层上生长厚度为3um的n型AlGaN层；

具体地，n型AlGaN层的生长温度为1200℃，生长压力100torr，生长厚度为3um，Si掺杂浓度为2.5E19atoms/cm³。首先，n型掺杂的AlGaN层为紫外LED发光提供充足电子与空穴发生复合；其次，n型掺杂的AlGaN层的电阻率要比p型AlGaN层上的透明电极的电阻率高，因此足够的Si掺杂，可以有效地降低n型AlGaN层电阻率；最后，n型掺杂的AlGaN层足够的厚度可以有效释放压应力并提升发光二极管的发光效率。

S05，在n型AlGaN层上生长有源层；

具体地，有源层包括9个周期性交替堆叠的量子阱层510和量子垒层520，合适的量子阱层和量子垒层的周期数可以提高电子与空穴在量子阱层中的波函数重叠，提升电子与空穴在量子阱层发生辐射复合效率。具体地，所述量子阱层510的厚度为6nm，所述第一极化调控层为掺Si的n型Al_xGa_1-xN量子阱子层，所述第一量子阱子层为非掺Al_yGa_1-yN量子阱子层，所述第二极化调控层为掺Mg的p型Al_zGa_1-zN量子阱层，所述第二量子阱子层为AlN层；第一极化调控层、第一量子阱子层、第二极化调控层、第二量子阱子层的厚度比为1:8:2:1；第一极化调控层、第一量子阱子层、第二极化调控层的Al组分呈变化状态，第一极化调控层Al组分沿外延层沉积方向由0.7逐渐降低0.5，第一量子阱子层Al组分为0.5，第二极化调控层Al组分沿外延层沉积方向由0.5逐渐升高0.7。第一极化调控层Si掺杂浓度为1.2E17atoms/cm³，第二极化调控层Mg掺杂浓度为8.5E17atoms/cm³。第一极化调控层、第一量子阱子层、第二极化调控层、第二量子阱子层的生长气氛为NH₃/N₂比例在2:1；第一极化调控层、第一量子阱子层、第二极化调控层、第二量子阱子层生长温度950℃；第一极化调控层、第一量子阱子层、第二极化调控层、第二量子阱子层生长压力100torr；合适的生长气氛、生长温度及生长压力能提高Al原子迁移率及V/III比（又称输入V/III比,是指通入反应室的V族源和Ⅲ族源的摩尔比），提高量子阱层的晶体质量。

本实施例中，由于AlGaN基材料本身产生较大的极化电场，导致量子阱能带倾斜，电子和空穴经过量子阱层时会造成严重的空间分离，产生所谓的量子限制斯塔克效应（QCSE）。载流子的空间分离导致在量子阱层中波函数交叠减少，辐射复合降低，严重降低了LED器件的发光效率。第一极化调控层为Si掺杂的n型Al_xGa_1-xN量子阱子层，第二极化调控层为Mg掺杂的p型Al_zGa_1-zN量子阱层，其产生的电场与发光二极管工作电场一致，增强量子阱层的注入效率，提高量子阱层中电子与空穴的辐射复合效率。第一量子阱子层的厚度小于电子的德布罗意波长，电子和空穴的能级为分立的量子化能级，具有显著的量子限制效应，电子和空穴被局限在量子阱层中，从而提高电子和空穴波函数的交叠，进而提升辐射复合速率。第一极化调控层及第二极化调控层的Al组分渐变，可以减少第一量子阱与量子垒层的晶格失配，提高第一量子阱子层的晶体质量，提高量子阱层的发光效率。

S06，在有源层上生长厚度30nm的电子阻挡层；

具体地，电子阻挡层的Al组分0.75、生长温度1050℃、生长压力200torr，既可以有效地限制电子溢流，也可以减少对空穴的阻挡，提升空穴向量子阱层的注入效率，减少载流子俄歇复合，提高发光二极管的发光效率。

S07，在电子阻挡层上生长厚度为100nm的p型AlGaN层；

具体地，p型AlGaN层的生长温度1050℃、生长压力200torr，Mg掺杂浓度5E19atoms/cm³，Mg掺杂浓度过高会破坏晶体质量，而掺杂浓度较低则会影响空穴浓度。同时，p型AlGaN层可以有效填平外延层，得到表面光滑的深紫外LED外延片。

S08，在p型AlGaN层上生长厚度为10nm的p型接触层，完成深紫外发光二极管外延片的制备。

具体地，p型接触层的生长温度1050℃、生长压力200torr，Mg掺杂浓度1E20atoms/cm³，高掺杂浓度的p型接触层可降低接触电阻。

根据本实施例的制备方法制备的深紫外发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成350um×350um规格的LED芯片，测试电流20mA，电压6V，并经测试仪器测试光功率为4.08mW，较对照例提升了2.0%，具体如表1所示。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的量子阱层的厚度为4nm。

根据本实施例制备方法制备的深紫外发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成350um×350um规格的LED芯片，测试电流20mA，电压6V，并经测试仪器测试光功率为4.04mW，较对照例提升了1.0%，具体如表1所示。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的量子阱层的生长厚度为8nm。

根据本实施例制备方法制备的深紫外发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成350um×350um规格的LED芯片，测试电流20mA，电压6V，并经测试仪器测试光功率为4.06mW，较对照例提升了1.5%，具体如表1所示。

实施例4

本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的第一极化调控层、第一量子阱子层、第二极化调控层、第二量子阱子层的厚度比为1:6:2:1。

根据本实施例制备方法制备的深紫外发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成350um×350um规格的LED芯片，测试电流20mA，电压6V，并经测试仪器测试光功率为4.048mW，较对照例提升了1.2%，具体如表1所示。

实施例5

本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的第一极化调控层Al组分沿外延层沉积方向由0.6逐渐降低0.5，第一量子阱子层Al组分为0.5，第二极化调控层Al组分沿外延层沉积方向由0.5逐渐升高0.6。

根据本实施例制备方法制备的深紫外发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成350um×350um规格的LED芯片，测试电流20mA，电压6V，并经测试仪器测试光功率为4.052mW，较对照例提升了1.3%，具体如表1所示。

实施例6

本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的第一极化调控层Al组分沿外延层沉积方向由0.8逐渐降低0.5，第一量子阱子层Al组分为0.5，第二极化调控层Al组分沿外延层沉积方向由0.5逐渐升高0.8。

根据本实施例制备方法制备的深紫外发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成350um×350um规格的LED芯片，测试电流20mA，电压6V，并经测试仪器测试光功率为4.032mW，较对照例提升了0.8%，具体如表1所示。

实施例7

本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的第一极化调控层Si掺杂浓度为6.5E16atoms/cm³。

根据本实施例制备方法制备的深紫外发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成350um×350um规格的LED芯片，测试电流20mA，电压6V，并经测试仪器测试光功率为4.048mW，较对照例提升了1.2%，具体如表1所示。

实施例8

本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的第二极化调控层Mg掺杂浓度为5.0E18atoms/cm³。

根据本实施例制备方法制备的深紫外发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成350um×350um规格的LED芯片，测试电流20mA，电压6V，并经测试仪器测试光功率为4.04mW，较对照例提升了1.0%，具体如表1所示。

实施例9

本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的周期性交替堆叠的量子阱层和量子垒层的周期数为5。

根据本实施例制备方法制备的深紫外发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成350um×350um规格的LED芯片，测试电流20mA，电压6V，并经测试仪器测试光功率为4.02mW，较对照例提升了0.5%，具体如表1所示。

实施例10

本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的周期性交替堆叠的量子阱层和量子垒层的周期数为1，量子阱层的厚度为1nm，第一极化调控层、第一量子阱子层、第二极化调控层及第二量子阱子层的厚度比为1:1:2:1。

根据本实施例制备方法制备的深紫外发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成350um×350um规格的LED芯片，测试电流20mA，电压6V，并经测试仪器测试光功率为4.02mW，较对照例提升了0.5%，具体如表1所示。

实施例11

本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的周期性交替堆叠的量子阱层和量子垒层的周期数为15，量子阱层的厚度为10nm，第一极化调控层、第一量子阱子层、第二极化调控层及第二量子阱子层的厚度比为1:10:2:1。

根据本实施例制备方法制备的深紫外发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成350um×350um规格的LED芯片，测试电流20mA，电压6V，并经测试仪器测试光功率为4.02mW，较对照例提升了0.5%，具体如表1所示。

实施例12

本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的第一量子阱子层的Al组分为0.7，第一极化调控层的掺Si浓度为5E16atoms/cm³，第二极化调控层掺Mg浓度为1E17atoms/cm³。

根据本实施例制备方法制备的深紫外发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成350um×350um规格的LED芯片，测试电流20mA，电压6V，并经测试仪器测试光功率为4.032mW，较对照例提升了0.8%，具体如表1所示。

实施例13

本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的第一量子阱子层的Al组分为0.7，第一极化调控层的掺Si浓度为5E17atoms/cm³，第二极化调控层掺Mg浓度为1E19atoms/cm³。

根据本实施例制备方法制备的深紫外发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成350um×350um规格的LED芯片，测试电流20mA，电压6V，并经测试仪器测试光功率为4.024mW，较对照例提升了0.6%，具体如表1所示。

表1：各实施例及对照例的部分参数比对以及对应光效结果的对比表

从表1可知，本发明通过将有源层设计成1～15个周期性交替堆叠的量子阱层和量子垒层的超晶格结构。其中，量子阱层包括沿着外延片沉积方向依次沉积的第一极化调控层、第一量子阱子层、第二极化调控层、第二量子阱子层；第一极化调控层为掺Si的n型Al_xGa_1-xN量子阱子层，第一量子阱子层为非掺Al_yGa_1-yN量子阱子层，第二极化调控层为掺Mg的p型Al_zGa_1-zN量子阱层，第二量子阱子层为AlN层，第一极化调控层的掺Si浓度为5E16～5E17atoms/cm³，第二极化调控层掺Mg浓度为1E17～1E19atoms/cm³。所述第一极化调控层的Al组分为0.5～0.8，且沿外延层沉积方向逐渐降低；第一量子阱子层的Al组分为0.5～0.7，且保持恒定；第二极化调控层Al组分为0.5～0.8，且沿外延层沉积方向逐渐升高。量子阱层的厚度为1～10nm，且第一极化调控层、第一量子阱子层、第二极化调控层及第二量子阱子层的厚度比为1:（1～10）:2:1。通过上述设置，具有如下效果：

1、有源层采用交替沉积的量子阱层和量子垒层，合适的量子阱层和量子垒层的周期数可以提高电子与空穴在量子阱层中的波函数重叠，提升电子与空穴在量子阱层发生辐射复合效率。

2、第一极化调控层为Si掺杂的n型Al_xGa_1-xN量子阱子层，第二极化调控层为Mg掺杂的p型Al_zGa_1-zN量子阱层，其产生的电场与发光二极管工作电场一致，增强量子阱层的注入效率，提高量子阱层中电子与空穴的辐射复合效率。

3、量子阱层厚度为1～10nm，第一极化调控层、第一量子阱子层、第二极化调控层、第二量子阱子层厚度比为1:（1～10）:2:1，第一量子阱子层的厚度小于电子的德布罗意波长，电子和空穴的能级为分立的量子化能级，具有显著的量子限制效应，电子和空穴被局限在多量子阱中，从而提高电子和空穴波函数的交叠，进而提升辐射复合速率。

4、第一极化调控层及第二极化调控层的Al组分渐变，可以减少第一量子阱与量子垒层的晶格失配，提高第一量子阱子层的晶体质量，提高量子阱层的发光效率。

综上所述，本申请将有源层设置成超晶格结构，采用周期性交替的量子阱层和量子垒层，且量子阱层具体为交替叠置的极化调控层及量子阱子层，以及各极化调控层的Al组分渐变、厚度控制等，该结构设置可以减低量子阱层异质结界面处诱发的自发和压电极化强度，提高电子与空穴波函数的交叠，使得提升量子阱层辐射复合效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种深紫外发光二极管外延片，其特征在于，包括衬底及依次沉积在所述衬底上的AlN缓冲层、非掺杂AlGaN层、n型AlGaN层、有源层、电子阻挡层、p型AlGaN层和p型接触层；所述有源层呈超晶格结构，所述超晶格结构包括周期性交替堆叠的量子阱层和量子垒层；

其中，所述量子阱层包括沿着外延片沉积方向依次沉积的第一极化调控层、第一量子阱子层、第二极化调控层、第二量子阱子层；所述第一极化调控层为掺Si的n型Al_xGa_1-xN量子阱子层，所述第一量子阱子层为非掺Al_yGa_1-yN量子阱子层，所述第二极化调控层为掺Mg的p型Al_zGa_1-zN量子阱层，所述第二量子阱子层为AlN层；所述第一极化调控层的Al组分为0.5～0.8，且沿外延层沉积方向逐渐降低；所述第一量子阱子层的Al组分为0.5～0.7，且保持恒定；所述第二极化调控层Al组分为0.5～0.8，且沿外延层沉积方向逐渐升高。

2.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管外延片，其特征在于，所述超晶格结构的堆叠周期数1～15个。

3.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管外延片，其特征在于，所述第一极化调控层的掺Si浓度为5E16～5E17atoms/cm³，所述第二极化调控层掺Mg浓度为1E17～1E19atoms/cm³。

4.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管外延片，其特征在于，所述量子阱层的厚度为1～10nm，且所述第一极化调控层、所述第一量子阱子层、所述第二极化调控层及所述第二量子阱子层的厚度比为1:（1～10）:2:1。

5.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管外延片，其特征在于，所述第一极化调控层、所述第一量子阱子层、所述第二极化调控层及所述第二量子阱子层的生长气氛为NH₃及N₂成分比（1～5）:1的混合气。

6.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管外延片，其特征在于，所述第一极化调控层、所述第一量子阱子层、所述第二极化调控层及所述第二量子阱子层的生长温度均为900～1100℃。

7.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管外延片，其特征在于，所述第一极化调控层、所述第一量子阱子层、所述第二极化调控层及所述第二量子阱子层的生长压力均为50～300torr。

8.一种如权利要求1～7任一所述的深紫外发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上依次沉积AlN缓冲层、非掺杂AlGaN层和n型AlGaN层；

在所述n型AlGaN层沉积有源层；所述有源层呈超晶格结构，所述超晶格结构包括周期性交替堆叠的量子阱层和量子垒层；其中，所述量子阱层包括沿着外延片沉积方向依次沉积的第一极化调控层、第一量子阱子层、第二极化调控层、第二量子阱子层；所述第一极化调控层为掺Si的n型Al_xGa_1-xN量子阱子层，所述第一量子阱子层为非掺Al_yGa_1-yN量子阱子层，所述第二极化调控层为掺Mg的p型Al_zGa_1-zN量子阱层，所述第二量子阱子层为AlN层；所述第一极化调控层的Al组分为0.5～0.8，沿外延层沉积方向逐渐降低；所述第一量子阱子层的Al组分为0.5～0.7，保持恒定；所述第二极化调控层Al组分为0.5～0.8，沿外延层沉积方向逐渐升高；

在所述有源层上依次沉积电子阻挡层、p型AlGaN层和p型接触层，完成深紫外发光二极管外延片的制备。

9.根据权利要求8所述的深紫外发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述n型AlGaN层掺Si浓度为1E19～5E20 atoms/cm³，厚度为1～5um。

10.根据权利要求8所述的深紫外发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述p型AlGaN层掺Mg浓度1E19～5E20atoms/cm³，厚度20～200nm。

Images