CN115863509A - 一种深紫外发光二极管及其外延生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种深紫外发光二极管及其外延生长方法，包括由下至上层叠设置的衬底、本征层、电子注入层、第一电子阻挡层、电子蓄积层、量子阱有源层、第二电子阻挡层、空穴注入层以及欧姆接触层，其中，电子蓄积层至少包括一层N型掺杂的氮化铝镓材料，电子蓄积层的掺杂浓度高于量子阱有源层中势垒的掺杂浓度；本发明通过在第一电子阻挡层与量子阱有源层之间设置一层特殊材料的电子蓄积层，提高了第一电子阻挡层的等效势垒高度，进而对深紫外发光二极管的电子溢流效应起到很好的限制，同时能够提高注入到量子阱有源层中的电子浓度，最终提高深紫外发光二极管的发光效率。

Description

一种深紫外发光二极管及其外延生长方法

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及其外延生长方法。

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。

在深紫外发光二极管中，由于电子输运能力远远大于空穴输运能力，来源于N型掺杂的氮化铝镓材料构成的电子注入层的电子，往往会跨越多量子阱有源层输运至P型半导体区域，造成电子溢流，进而导致辐射复合效率降低。现有的深紫外发光二极管的结构设计中，通常会在多量子阱有源层远离衬底的一侧设置含铝组分比较高的氮化铝镓结构的电子阻挡层结构，以抑制电子溢流。然而，过强的电子阻挡会造成载流子辐射复合几率降低。

因此，亟需一种深紫外发光二极管及其外延生长方法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及其外延生长方法，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效率较低的技术问题。

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、第一电子阻挡层、电子蓄积层、量子阱有源层、第二电子阻挡层、空穴注入层以及欧姆接触层；

其中，电子蓄积层至少包括一层N型掺杂的氮化铝镓材料，电子蓄积层的掺杂浓度高于量子阱有源层中势垒的掺杂浓度。

在本发明实施例提供的深紫外发光二极管中，电子蓄积层为氮化铝镓材料形成的单层结构，电子蓄积层中铝组分含量范围在40％至90％之间，电子蓄积层的厚度范围在0.1nm至500nm之间。

在本发明实施例提供的深紫外发光二极管中，电子蓄积层的掺杂浓度由电子蓄积层中靠近衬底的一侧表面向电子蓄积层中远离衬底的一侧表面保持不变，量子阱有源层中势垒的掺杂浓度为a，电子蓄积层的掺杂浓度为b；

其中，a和b之间的关系满足1E17 cm^-3≤1.2a≤b≤3a≤1E20 cm^-3。

在本发明实施例提供的深紫外发光二极管中，电子蓄积层的掺杂浓度由电子蓄积层中靠近衬底的一侧表面向电子蓄积层中远离衬底的一侧表面线性上升，量子阱有源层中势垒的掺杂浓度为c，电子蓄积层中靠近衬底的一侧表面的掺杂浓度为d，电子蓄积层中远离衬底的一侧表面的掺杂浓度为e；

其中，c、d和e之间的关系满足c≤d≤1.2c≤e≤3c且1E17 cm^-3≤c、d、e≤1E20 cm^-3。

在本发明实施例提供的深紫外发光二极管中，电子蓄积层的掺杂浓度由电子蓄积层中靠近衬底的一侧表面向电子蓄积层中远离衬底的一侧表面线性下降，量子阱有源层中势垒的掺杂浓度为m，电子蓄积层中靠近衬底的一侧表面的掺杂浓度为n，电子蓄积层中远离衬底的一侧表面的掺杂浓度为k；

其中，m、n和k之间的关系满足m≤k≤1.2m≤n≤3m且1E17 cm^-3≤m、n、k≤1E20 cm^-3。

在本发明实施例提供的深紫外发光二极管中，第一电子阻挡层为氮化铝镓材料形成的单层结构，第一电子阻挡层中铝组分含量范围在40％至90％之间，第一电子阻挡层的厚度范围在0.1nm至500nm之间，第一电子阻挡层为N型掺杂层或者非故意掺杂层；

其中，当第一电子阻挡层为N型掺杂层时，第一电子阻挡层的掺杂浓度范围在1E15cm^-3至1E18 cm^-3之间。

在本发明实施例提供的深紫外发光二极管中，第一电子阻挡层为第一子层和第二子层形成的复合结构，第一子层的材料为Al_xGa_1-xN，第二子层的材料为Al_yGa_1-yN，x和y之间的关系满足40％≤x＜y≤90％，第一子层的厚度范围在0.1nm至100nm之间，第二子层的厚度范围在0.2nm至200nm之间；

其中，第一电子阻挡层为N型掺杂层或者非故意掺杂层；当第一电子阻挡层为N型掺杂层时，第一电子阻挡层的掺杂浓度范围在1E15cm^-3至1E18cm^-3之间。

在本发明实施例提供的深紫外发光二极管中，量子阱有源层的势垒中铝组份含量范围在40％至90％之间，量子阱有源层的势垒的厚度范围在1nm至30nm之间；量子阱有源层的势阱中铝组份含量范围在30％至80％之间，量子阱有源层的势阱的厚度范围在0.1nm至5nm之间。

在本发明实施例提供的深紫外发光二极管中，深紫外发光二极管还包括N型电极和P型电极；

其中，电子注入层与第一电子阻挡层之间形成台阶状结构，且电子注入层的面积大于第一电子阻挡层的面积，P型电极设置于欧姆接触层上，N型电极设置于电子注入层的台阶结构处。

相应的，本发明实施例还提供一种深紫外发光二极管的外延生长方法，方法包括：

在一衬底上外延生长本征层；

在本征层上外延生长电子注入层；

在电子注入层上外延生长第一电子阻挡层；

在第一电子阻挡层上外延生长电子蓄积层；

在电子蓄积层上外延生长量子阱有源层；

在量子阱有源层上外延生长第二电子阻挡层；

在第二电子阻挡层上外延生长空穴注入层；

在空穴注入层上外延生长欧姆接触层；

其中，电子蓄积层至少包括一层N型掺杂的氮化铝镓材料，电子蓄积层的掺杂浓度高于量子阱有源层中势垒的掺杂浓度。

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及其外延生长方法，包括由下至上层叠设置的衬底、本征层、电子注入层、第一电子阻挡层、电子蓄积层、量子阱有源层、第二电子阻挡层、空穴注入层以及欧姆接触层，其中，电子蓄积层至少包括一层N型掺杂的氮化铝镓材料，电子蓄积层的掺杂浓度高于量子阱有源层中势垒的掺杂浓度；本发明通过在第一电子阻挡层与量子阱有源层之间设置一层特殊材料的电子蓄积层，电子蓄积层至少包括一层N型掺杂的氮化铝镓材料，提高了第一电子阻挡层的等效势垒高度，进而对深紫外发光二极管的电子溢流效应起到很好的限制，同时由于电子蓄积层的掺杂浓度高于量子阱有源层中势垒的掺杂浓度，能够提高注入到量子阱有源层中的电子浓度，最终提高深紫外发光二极管的发光效率；另外，由于电子蓄积层设置于量子阱有源层靠近衬底的一侧，从而使得电子蓄积层不会影响空穴的输运能力。

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结构示意图；

图2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，本发明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、第一电子阻挡层14、电子蓄积层15、量子阱有源层16、第二电子阻挡层17、空穴注入层18以及欧姆接触层19；

其中，电子蓄积层15至少包括一层N型掺杂的氮化铝镓材料，电子蓄积层15的掺杂浓度高于量子阱有源层16中势垒的掺杂浓度。

本发明通过在第一电子阻挡层14与量子阱有源层16之间设置一层特殊材料的电子蓄积层15，电子蓄积层15至少包括一层N型掺杂的氮化铝镓材料，提高了第一电子阻挡层14的等效势垒高度，进而对深紫外发光二极管100的电子溢流效应起到很好的限制，同时由于电子蓄积层15的掺杂浓度高于量子阱有源层16中势垒的掺杂浓度，能够提高注入到量子阱有源层16中的电子浓度，最终提高深紫外发光二极管100的发光效率；另外，由于电子蓄积层15设置于量子阱有源层16靠近衬底11的一侧，从而使得电子蓄积层15不会影响空穴的输运能力。

现结合具体实施例对本申请的技术方案进行描述。

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、第一电子阻挡层14、电子蓄积层15、量子阱有源层16、第二电子阻挡层17、空穴注入层18以及欧姆接触层19；

其中，电子蓄积层15至少包括一层N型掺杂的氮化铝镓材料，电子蓄积层15的掺杂浓度高于量子阱有源层16中势垒的掺杂浓度。

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11。

在本发明实施例中，本征层12包括设置于所述衬底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摄氏度至800摄氏度之间，其厚度范围在10nm至50nm之间；氮化铝层的材料为氮化铝，其生长温度的范围在1200摄氏度至1400摄氏度之间，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摄氏度至1200摄氏度之间。

在本发明实施例中，在电子注入层13上外延生长第一电子阻挡层14，第一电子阻挡层14的生长温度的范围在800摄氏度至1200摄氏度之间。

在本发明提供的一种实施例中，第一电子阻挡层14为氮化铝镓材料形成的单层结构，第一电子阻挡层14中铝组分含量范围在40％至90％之间，第一电子阻挡层14的厚度范围在0.1nm至500nm之间，第一电子阻挡层14为N型掺杂层或者非故意掺杂层；

其中，当第一电子阻挡层14为N型掺杂层时，掺杂剂为Si，第一电子阻挡层14的掺杂浓度范围在1E15cm^-3至1E18 cm^-3之间。

在本发明提供的另一种实施例中，第一电子阻挡层14为第一子层和第二子层形成的复合结构，第一子层的材料为Al_xGa_1-xN，第二子层的材料为Al_yGa_1-yN，x和y之间的关系满足40％≤x＜y≤90％，第一子层的厚度范围在0.1nm至100nm之间，第二子层的厚度范围在0.2nm至200nm之间；

其中，第一电子阻挡层14为N型掺杂层或者非故意掺杂层；当第一电子阻挡层14为N型掺杂层时，掺杂剂为Si，第一电子阻挡层14的掺杂浓度范围在1E15cm^-3至1E18 cm^-3之间。

具体地，非故意掺杂层为一类沾污杂质，且不是施主、受主那样是人为掺入的杂质的掺杂材料。

具体地，当第一电子阻挡层14的铝组份的含量小于40％时，这会导致第一电子阻挡层14内部构建的电场强度较弱，从而难以降低深紫外发光二极管100的电子输入能力，进而导致深紫外发光二极管100的发光效率变弱；当第一电子阻挡层14铝组份的含量大于90％时，这会导致第一电子阻挡层14内部构建的电场强度很强，使得第一电子阻挡层14内部构建的电场容易发生齐纳击穿，从而导致深紫外发光二极管100的电子输入能力大大降低，进而导致深紫外发光二极管100的发光效率变弱。

具体地，当第一电子阻挡层14的掺杂浓度小于1E15 cm^-3时，第一电子阻挡层14的自由电子浓度较少，导致第一电子阻挡层14吸引空穴的能力较弱；当第一电子阻挡层14的掺杂浓度大于1E18 cm^-3时，第一电子阻挡层14中的自由电子浓度较强，导致第一电子阻挡层14的导电能力很强，进而导致第一电子阻挡层14中的自由电子会跨越量子阱有源层16输运至P型半导体区域，造成电子溢流，进而导致辐射复合效率降低。

在本申请实施例中，第一电子阻挡层14与电子注入层13之间形成台阶状结构，且电子注入层13的面积大于第一电子阻挡层14的面积。

在本申请实施例中，电子蓄积层15设置于第一电子阻挡层14上，电子蓄积层15的生长温度范围在800摄氏度至1200摄氏度之间；其中，电子蓄积层15至少包括一层N型掺杂的氮化铝镓材料，掺杂剂为Si，电子蓄积层15的掺杂浓度高于量子阱有源层16中势垒的掺杂浓度。电子蓄积层15的掺杂浓度高于量子阱有源层16中势垒的掺杂浓度主要是为了能够提高电子注入层13注入到量子阱有源层16中的电子浓度，使得量子阱有源层16中的掺杂浓度变低，进而使得量子阱有源层16中的掺杂缺陷变少，最终提高深紫外发光二极管100的发光效率。

在本发明实施例中，电子蓄积层15为氮化铝镓材料形成的单层结构，电子蓄积层15中铝组分含量范围在40％至90％之间；具体地，当电子蓄积层15的铝组份的含量小于40％时，这会导致电子蓄积层15内部构建的电场强度较弱，从而难以降低深紫外发光二极管100的电子输入能力，进而导致深紫外发光二极管100的发光效率变弱；当电子蓄积层15铝组份的含量大于90％时，这会导致电子蓄积层15内部构建的电场强度很强，使得电子蓄积层15内部构建的电场容易发生齐纳击穿，从而导致深紫外发光二极管100的电子输入能力大大降低，进而导致深紫外发光二极管100的发光效率变弱。

在本发明实施例中，电子蓄积层15的厚度范围在0.1nm至500nm之间；其中，当电子蓄积层15的厚度小于0.1nm时，难以提高第一电子阻挡层14的等效势垒高度，进而对深紫外发光二极管100的电子溢流效应难以起到很好的限制；当电子蓄积层15的厚度大于500nm时，使得第一电子阻挡层14的等效势垒高度过高，阻挡了自由电子注入量子阱有源层16，进而导致辐射复合效率降低。

在本发明实施例中，量子阱有源层16设置于电子蓄积层15上，量子阱有源层16的生长温度范围在700摄氏度至1100摄氏度之间；其中，量子阱有源层16的势垒厚度范围在1nm至30nm之间，且势垒中铝组分的百分数范围在40％至90％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30％至80％之间。

在本发明第一种实施例提供的深紫外发光二极管100中，电子蓄积层15的掺杂浓度由电子蓄积层15中靠近衬底11的一侧表面向电子蓄积层15中远离衬底11的一侧表面保持不变，量子阱有源层16中势垒的掺杂浓度为a，电子蓄积层15的掺杂浓度为b；

其中，a和b之间的关系满足1E17 cm^-3≤1.2a≤b≤3a≤1E20 cm^-3。

具体地，当电子蓄积层15的掺杂浓度小于1E17 cm^-3时，电子蓄积层15的自由电子浓度较少，导致电子蓄积层15吸引空穴的能力较弱；当电子蓄积层15的掺杂浓度大于1E20cm^-3时，电子蓄积层15中的自由电子浓度较强，导致电子蓄积层15的导电能力很强，进而导致电子蓄积层15中的自由电子会跨越量子阱有源层16输运至P型半导体区域，造成电子溢流，进而导致辐射复合效率降低。

具体地，当量子阱有源层16中势垒的掺杂浓度小于1E17 cm^-3时量子阱有源层16中的自由电子浓度较少，导致量子阱有源层16的辐射复合效率降低；当量子阱有源层16中势垒的掺杂浓度大于1E20 cm^-3时，量子阱有源层16中的自由电子浓度较强，进而导致量子阱有源层16中的自由电子会跨越量子阱有源层16输运至P型半导体区域，造成电子溢流，进而导致辐射复合效率降低。

具体地，当b＜1.2a时，使得电子蓄积层15难以提高注入到量子阱有源层16中的电子浓度，进而降低了深紫外发光二极管100的发光效率；当b＞3a时，使得电子蓄积层15中的自由电子浓度较强，导致电子蓄积层15的导电能力很强，进而导致电子蓄积层15中的自由电子会跨越量子阱有源层16输运至P型半导体区域，造成电子溢流，进而导致辐射复合效率降低。

在本发明第二种实施例提供的深紫外发光二极管100中，电子蓄积层15的掺杂浓度由电子蓄积层15中靠近衬底11的一侧表面向电子蓄积层15中远离衬底11的一侧表面线性上升，量子阱有源层16中势垒的掺杂浓度为c，电子蓄积层15中靠近衬底11的一侧表面的掺杂浓度为d，电子蓄积层15中远离衬底11的一侧表面的掺杂浓度为e；

其中，c、d和e之间的关系满足c≤d≤1.2c≤e≤3c且1E17 cm^-3≤c、d、e≤1E20 cm^-3。

具体地，将电子蓄积层15的掺杂浓度由电子蓄积层15中靠近衬底11的一侧表面向电子蓄积层15中远离衬底11的一侧表面线性上升，可以使电子蓄积层15注入到量子阱有源层16中的自由电子浓度形成梯度变化，最终提高深紫外发光二极管100的发光效率；同时，由于掺杂浓度影响出射光的发光波长，将电子蓄积层15的掺杂浓度由电子蓄积层15中靠近衬底11的一侧表面向电子蓄积层15中远离衬底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，可以产生发光波长处于500nm～600nm间的黄绿色光线。

在本发明第三种实施例提供的深紫外发光二极管100中，电子蓄积层15的掺杂浓度由电子蓄积层15中靠近衬底11的一侧表面向电子蓄积层15中远离衬底11的一侧表面线性下降，量子阱有源层16中势垒的掺杂浓度为m，电子蓄积层15中靠近衬底11的一侧表面的掺杂浓度为n，电子蓄积层15中远离衬底11的一侧表面的掺杂浓度为k；

其中，m、n和k之间的关系满足m≤k≤1.2m≤n≤3m且1E17 cm^-3≤m、n、k≤1E20 cm^-3。

具体地，将电子蓄积层15的掺杂浓度由电子蓄积层15中靠近衬底11的一侧表面向电子蓄积层15中远离衬底11的一侧表面线性下降，可以使电子蓄积层15注入到量子阱有源层16中的自由电子浓度逐渐降低，进而避免电子蓄积层15中的自由电子会跨越量子阱有源层16输运至P型半导体区域，造成电子溢流，最终提高深紫外发光二极管100的发光效率；同时，由于掺杂浓度影响出射光的发光波长，将电子蓄积层15的掺杂浓度由电子蓄积层15中靠近衬底11的一侧表面向电子蓄积层15中远离衬底11的一侧表面线性下降，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，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，第二电子阻挡层17设置于量子阱有源层16上，第二电子阻挡层17的生长温度范围在700摄氏度至1100摄氏度之间；其中，第二电子阻挡层17为单层AlGaN结构，第二电子阻挡层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，第二电子阻挡层17中铝元素占第二电子阻挡层17的百分比范围在50％至100％之间，第二电子阻挡层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设置于第二电子阻挡层17上，空穴注入层18的生长温度范围在700摄氏度至1100摄氏度之间；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，镁源为二茂镁。

在本发明实施例中，欧姆接触层19设置于空穴注入层18上，欧姆接触层19的生长温度范围在400摄氏度至900摄氏度之间；其中，欧姆接触层19的材料为P型掺杂的氮化镓材料，欧姆接触层19的厚度范围在1nm至20nm之间，欧姆接触层19采用镁元素作为P型掺杂剂，镁源为二茂镁。

在本发明实施例中，深紫外发光二极管100还包括N型电极110和P型电极111；其中，电子注入层13与第一电子阻挡层14之间形成台阶状结构，且电子注入层13的面积大于第一电子阻挡层14的面积，P型电极111设置于欧姆接触层19上，N型电极110设置于电子注入层13的台阶结构处。

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1以及图2，图2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，上述外延生长方法包括：

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；之后，400摄氏度～800摄氏度下，在衬底11上低温生长低温缓冲层，低温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摄氏度至1400摄氏度之间，在低温缓冲层上生长氮化铝层，氮化铝层的厚度范围在500nm至4000nm之间。其中，低温缓冲层以及氮化铝层构成本征层12低温缓冲层以及氮化铝层的材料均为氮化铝。

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摄氏度至1200摄氏度之间；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，厚度为500nm～4000nm。

S30，在电子注入层13上外延生长第一电子阻挡层14。

具体的，S30还包括：

首先，维持生长温度的范围在800摄氏度至1200摄氏度之间不变，在电子注入层13上外延生长第一电子阻挡层14。

在本发明提供的一种实施例中，第一电子阻挡层14为氮化铝镓材料形成的单层结构，第一电子阻挡层14中铝组分含量范围在40％至90％之间，第一电子阻挡层14的厚度范围在0.1nm至500nm之间，第一电子阻挡层14为N型掺杂层或者非故意掺杂层；

其中，当第一电子阻挡层14为N型掺杂层时，掺杂剂为Si，第一电子阻挡层14的掺杂浓度范围在1E15cm^-3至1E18 cm^-3之间。

在本发明提供的另一种实施例中，第一电子阻挡层14为第一子层和第二子层形成的复合结构，第一子层的材料为Al_xGa_1-xN，第二子层的材料为Al_yGa_1-yN，x和y之间的关系满足40％≤x＜y≤90％，第一子层的厚度范围在0.1nm至100nm之间，第二子层的厚度范围在0.2nm至200nm之间；

其中，第一电子阻挡层14为N型掺杂层或者非故意掺杂层；当第一电子阻挡层14为N型掺杂层时，掺杂剂为Si，第一电子阻挡层14的掺杂浓度范围在1E15cm^-3至1E18 cm^-3之间。

在本发明实施例中，第一电子阻挡层14与电子注入层13之间形成台阶状结构，且电子注入层13的面积大于第一电子阻挡层14的面积。

S40，在第一电子阻挡层14上外延生长电子蓄积层15。

具体的，S40还包括：

首先，维持生长温度的范围在800摄氏度至1200摄氏度之间不变，在第一电子阻挡层14上外延生长电子蓄积层15。其中，电子蓄积层15至少包括一层N型掺杂的氮化铝镓材料，掺杂剂为Si，电子蓄积层15的掺杂浓度高于量子阱有源层16中势垒的掺杂浓度。

在本发明实施例中，电子蓄积层15为氮化铝镓材料形成的单层结构，电子蓄积层15中铝组分含量范围在40％至90％之间；在本发明实施例中，电子蓄积层15的厚度范围在0.1nm至500nm之间。

S50，在电子蓄积层15上外延生长量子阱有源层16。

具体的，S50还包括：

首先，将生长温度降温到700摄氏度至1100摄氏度之间，在电子蓄积层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1nm至30nm之间，且势垒中铝组分的百分数范围在40％至90％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30％至80％之间。

在本发明第一种实施例中，电子蓄积层15的掺杂浓度由电子蓄积层15中靠近衬底11的一侧表面向电子蓄积层15中远离衬底11的一侧表面保持不变，量子阱有源层16中势垒的掺杂浓度为a，电子蓄积层15的掺杂浓度为b；

其中，a和b之间的关系满足1E17 cm^-3≤1.2a≤b≤3a≤1E20 cm^-3。

在本发明第二种实施例中，电子蓄积层15的掺杂浓度由电子蓄积层15中靠近衬底11的一侧表面向电子蓄积层15中远离衬底11的一侧表面线性上升，量子阱有源层16中势垒的掺杂浓度为c，电子蓄积层15中靠近衬底11的一侧表面的掺杂浓度为d，电子蓄积层15中远离衬底11的一侧表面的掺杂浓度为e；

其中，c、d和e之间的关系满足c≤d≤1.2c≤e≤3c且1E17 cm^-3≤c、d、e≤1E20 cm^-3。

在本发明第三种实施例中，电子蓄积层15的掺杂浓度由电子蓄积层15中靠近衬底11的一侧表面向电子蓄积层15中远离衬底11的一侧表面线性下降，量子阱有源层16中势垒的掺杂浓度为m，电子蓄积层15中靠近衬底11的一侧表面的掺杂浓度为n，电子蓄积层15中远离衬底11的一侧表面的掺杂浓度为k；

其中，m、n和k之间的关系满足m≤k≤1.2m≤n≤3m且1E17 cm^-3≤m、n、k≤1E20 cm^-3。

S60，在量子阱有源层16上外延生长第二电子阻挡层17。

具体的，S60还包括：

首先，将生长温度维持到700摄氏度至1100摄氏度之间，在量子阱有源层16上外延生长第二电子阻挡层17；其中，第二电子阻挡层17为单层AlGaN结构，第二电子阻挡层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，第二电子阻挡层17中铝元素占第二电子阻挡层17的百分比范围在50％至100％之间，第二电子阻挡层17的厚度范围在0.1nm至200nm之间。

S70，在第二电子阻挡层17上外延生长空穴注入层18。

具体的，S70还包括：

将生长温度维持到700摄氏度至1100摄氏度之间，在第二电子阻挡层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。

S80，在空穴注入层18上外延生长欧姆接触层19。

具体地，S80还包括：

首先，将生长温度降温到400摄氏度至900摄氏度之间，在空穴注入层18上形成欧姆接触层19；其中，欧姆接触层19的材料为P型掺杂的氮化镓材料，欧姆接触层19的厚度范围在1nm至20nm之间，欧姆接触层19采用镁元素作为P型掺杂剂。

之后，在电子注入层13的台阶结构处设置N型电极110，N型电极110与第一电子阻挡层14相对且间隔设置；最后，在欧姆接触层19上形成P型电极111。

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4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驱动电流的作用下，分别测试上述各种深紫外发光二极管100的光功率、工作电压以及持续电亮10000小时的光功率维持率。

进一步地，上述四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；

第一电子阻挡层14为氮化铝镓材料形成的单层结构，第一电子阻挡层14中铝组分含量范围在50％之间，第一电子阻挡层14为10nm，第一电子阻挡层14为非故意掺杂层；

量子阱有源层16的势阱厚度为3nm且势阱中铝组分的质量百分数为50％，势垒厚度为2nm且势垒中铝组分的质量百分数为60％；

第二电子阻挡层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；

欧姆接触层19为仅使用镁掺杂的氮化铝镓材料，厚度为5nm。

在上述四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110，并在欧姆接触层19上均设置相同材料的P型电极111，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110以及P型电极111均为多层复合金属材料。

在本发明实施例中，上述四种不同的深紫外发光二极管100100的制备方法中的不同之处仅在于：第一电子阻挡层14与量子阱有源层16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)的外延结构在第一电子阻挡层14与量子阱有源层16之间设置有电子蓄积层15，电子蓄积层15为氮化铝镓材料形成的单层结构，电子蓄积层15中铝组分含量为65％，厚度为20nm；

其中，电子蓄积层15的掺杂浓度由电子蓄积层15中靠近衬底11的一侧表面向电子蓄积层15中远离衬底11的一侧表面保持不变，Si掺杂浓度为2E18 cm^-3；量子阱势垒的掺杂浓度为1E18 cm^-3。

实施例2：

本申请第二实施例深紫外发光二极管100(深紫外LED2)的外延结构在第一电子阻挡层14与量子阱有源层16之间设置有电子蓄积层15，电子蓄积层15为氮化铝镓材料形成的单层结构，电子蓄积层15中铝组分含量为65％，厚度为20nm；

其中，电子蓄积层15的掺杂浓度由电子蓄积层15中靠近衬底11的一侧表面向电子蓄积层15中远离衬底11的一侧表面线性上升，电子蓄积层15中靠近衬底11的一侧表面的Si掺杂浓度为1.08E18 cm^-3，电子蓄积层15中远离衬底11的一侧表面的Si掺杂浓度为2.4E18cm^-3；量子阱势垒的掺杂浓度为1E18 cm^-3。

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)的外延结构在第一电子阻挡层14与量子阱有源层16之间设置有电子蓄积层15，电子蓄积层15为氮化铝镓材料形成的单层结构，电子蓄积层15中铝组分含量为65％，厚度为20nm；

其中，电子蓄积层15的掺杂浓度由电子蓄积层15中靠近衬底11的一侧表面向电子蓄积层15中远离衬底11的一侧表面线性下降，电子蓄积层15中靠近衬底11的一侧表面的Si掺杂浓度为2.4E18 cm^-3，电子蓄积层15中远离衬底11的一侧表面的Si掺杂浓度为1.08E18cm^-3；量子阱势垒的掺杂浓度为1E18 cm^-3。

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LED4)的外延结构在第一电子阻挡层14与量子阱有源层16之间未设置有电子蓄积层15，其采用常规外延生长方法制备。

最后，分别对上述四种深紫外发光二极管100在40mA驱动电流下的光功率、工作电压以及持续电亮10000小时的光功率维持率进行测试，其实验结果参见表1所示：

表1

由上表1可知，将实施例1、实施例2以及实施例3与对比实施例进行对比可知，在第一电子阻挡层14与量子阱有源层16之间设置有电子蓄积层15的深紫外发光二极管100相比常规方法制备的深紫外发光二极管100具有更高的光功率、工作电压以及光功率维持率。

进一步地，将实施例2或者实施例3与实施例1进行对比可知，具有线性变化Si掺杂的电子蓄积层15制备的深紫外发光二极管100相比具有均匀Si掺杂的电子蓄积层15制备的深紫外发光二极管100具有更高的光功率以及光功率维持率。

进一步地，将实施例3与实施例2进行对比可知，Si掺杂浓度随生长方向至下而上线性下降的电子蓄积层15制备的深紫外发光二极管100相比Si掺杂浓度随生长方向至下而上线性上升的电子蓄积层15制备的深紫外发光二极管100具有更高的光功率以及光功率维持率。

综上所述，区别于现有技术的情况，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100及其外延生长方法，包括由下至上层叠设置的衬底11、本征层12、电子注入层13、第一电子阻挡层14、电子蓄积层15、量子阱有源层16、第二电子阻挡层17、空穴注入层18以及欧姆接触层19，其中，电子蓄积层15至少包括一层N型掺杂的氮化铝镓材料，电子蓄积层15的掺杂浓度高于量子阱有源层16中势垒的掺杂浓度；本发明通过在第一电子阻挡层14与量子阱有源层16之间设置一层特殊材料的电子蓄积层15，电子蓄积层15至少包括一层N型掺杂的氮化铝镓材料，提高了第一电子阻挡层14的等效势垒高度，进而对深紫外发光二极管100的电子溢流效应起到很好的限制，同时由于电子蓄积层15的掺杂浓度高于量子阱有源层16中势垒的掺杂浓度，能够提高注入到量子阱有源层16中的电子浓度，最终提高深紫外发光二极管100的发光效率；另外，由于电子蓄积层15设置于量子阱有源层16靠近衬底11的一侧，从而使得电子蓄积层15不会影响空穴的输运能力。

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。

以上所述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、第一电子阻挡层、电子蓄积层、量子阱有源层、第二电子阻挡层、空穴注入层以及欧姆接触层；

其中，所述电子蓄积层至少包括一层N型掺杂的氮化铝镓材料，所述电子蓄积层的掺杂浓度高于所述量子阱有源层中势垒的掺杂浓度。

2.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述电子蓄积层为氮化铝镓材料形成的单层结构，所述电子蓄积层中铝组分含量范围在40％至90％之间，所述电子蓄积层的厚度范围在0.1nm至500nm之间。

3.根据权利要求2所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述电子蓄积层的掺杂浓度由所述电子蓄积层中靠近所述衬底的一侧表面向所述电子蓄积层中远离所述衬底的一侧表面保持不变，所述量子阱有源层中势垒的掺杂浓度为a，所述电子蓄积层的掺杂浓度为b；

其中，a和b之间的关系满足1E17 cm^-3≤1.2a≤b≤3a≤1E20 cm^-3。

4.根据权利要求2所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述电子蓄积层的掺杂浓度由所述电子蓄积层中靠近所述衬底的一侧表面向所述电子蓄积层中远离所述衬底的一侧表面线性上升，所述量子阱有源层中势垒的掺杂浓度为c，所述电子蓄积层中靠近所述衬底的一侧表面的掺杂浓度为d，所述电子蓄积层中远离所述衬底的一侧表面的掺杂浓度为e；

其中，c、d和e之间的关系满足c≤d≤1.2c≤e≤3c且1E17 cm^-3≤c、d、e≤1E20 cm^-3。

5.根据权利要求2所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述电子蓄积层的掺杂浓度由所述电子蓄积层中靠近所述衬底的一侧表面向所述电子蓄积层中远离所述衬底的一侧表面线性下降，所述量子阱有源层中势垒的掺杂浓度为m，所述电子蓄积层中靠近所述衬底的一侧表面的掺杂浓度为n，所述电子蓄积层中远离所述衬底的一侧表面的掺杂浓度为k；

其中，m、n和k之间的关系满足m≤k≤1.2m≤n≤3m且1E17 cm^-3≤m、n、k≤1E20 cm^-3。

6.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述第一电子阻挡层为氮化铝镓材料形成的单层结构，所述第一电子阻挡层中铝组分含量范围在40％至90％之间，所述第一电子阻挡层的厚度范围在0.1nm至500nm之间，所述第一电子阻挡层为N型掺杂层或者非故意掺杂层；

其中，当所述第一电子阻挡层为N型掺杂层时，所述第一电子阻挡层的掺杂浓度范围在1E15cm^-3至1E18 cm^-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，所述第一电子阻挡层为第一子层和第二子层形成的复合结构，所述第一子层的材料为Al_xGa_1-xN，所述第二子层的材料为Al_yGa_1-yN，x和y之间的关系满足40％≤x＜y≤90％，所述第一子层的厚度范围在0.1nm至100nm之间，所述第二子层的厚度范围在0.2nm至200nm之间；

其中，所述第一电子阻挡层为N型掺杂层或者非故意掺杂层；当所述第一电子阻挡层为N型掺杂层时，所述第一电子阻挡层的掺杂浓度范围在1E15cm^-3至1E18 cm^-3之间。

8.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述量子阱有源层的势垒中铝组份含量范围在40％至90％之间，所述量子阱有源层的势垒的厚度范围在1nm至30nm之间；所述量子阱有源层的势阱中铝组份含量范围在30％至80％之间，所述量子阱有源层的势阱的厚度范围在0.1nm至5nm之间。

9.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述深紫外发光二极管还包括N型电极和P型电极；

其中，所述电子注入层与所述第一电子阻挡层之间形成台阶状结构，且所述电子注入层的面积大于所述第一电子阻挡层的面积，所述P型电极设置于所述欧姆接触层上，所述N型电极设置于所述电子注入层的台阶结构处。

10.一种深紫外发光二极管的外延生长方法，其特征在于，所述方法包括：

在一衬底上外延生长本征层；

在所述本征层上外延生长电子注入层；

在所述电子注入层上外延生长第一电子阻挡层；

在所述第一电子阻挡层上外延生长电子蓄积层；

在所述电子蓄积层上外延生长量子阱有源层；

在所述量子阱有源层上外延生长第二电子阻挡层；

在所述第二电子阻挡层上外延生长空穴注入层；

在所述空穴注入层上外延生长欧姆接触层；

其中，所述电子蓄积层至少包括一层N型掺杂的氮化铝镓材料，所述电子蓄积层的掺杂浓度高于所述量子阱有源层中势垒的掺杂浓度。

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