CN116387433A - 一种深紫外发光二极管及其外延生长方法 - Google Patents
一种深紫外发光二极管及其外延生长方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116387433A CN116387433A CN202310514904.5A CN202310514904A CN116387433A CN 116387433 A CN116387433 A CN 116387433A CN 202310514904 A CN202310514904 A CN 202310514904A CN 116387433 A CN116387433 A CN 116387433A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- quantum well
- ultraviolet light
- emitting diode
- potential well
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 31
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 69
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims abstract description 61
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims abstract description 61
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 53
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 50
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 42
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 40
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims abstract description 27
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- RNQKDQAVIXDKAG-UHFFFAOYSA-N aluminum gallium Chemical group [Al].[Ga] RNQKDQAVIXDKAG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 15
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 claims description 14
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 claims description 11
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000005428 wave function Effects 0.000 abstract description 19
- 230000010287 polarization Effects 0.000 abstract description 11
- 239000000969 carrier Substances 0.000 abstract description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 309
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 19
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 4
- 230000035772 mutation Effects 0.000 description 3
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- UOSXPFXWANTMIZ-UHFFFAOYSA-N cyclopenta-1,3-diene;magnesium Chemical compound [Mg].C1C=CC=C1.C1C=CC=C1 UOSXPFXWANTMIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- ZSWFCLXCOIISFI-UHFFFAOYSA-N endo-cyclopentadiene Natural products C1C=CC=C1 ZSWFCLXCOIISFI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 1
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000005622 photoelectricity Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical group C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/26—Materials of the light emitting region
- H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
- H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
- H01L33/325—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen characterised by the doping materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/0004—Devices characterised by their operation
- H01L33/0008—Devices characterised by their operation having p-n or hi-lo junctions
- H01L33/0012—Devices characterised by their operation having p-n or hi-lo junctions p-i-n devices
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/005—Processes
- H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
- H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
- H01L33/007—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
- H01L33/06—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Led Devices (AREA)
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，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、量子阱有源层、电子阻挡层以及空穴注入层，量子阱有源层包括交替设置的至少一个势阱层和至少两个势垒层，每个势阱层插入在两个相邻的势垒层之间，势阱层的材料为氮化铝镓，其中，在衬底至量子阱有源层的方向上，势阱层中的铝组分含量先逐渐降低再逐渐升高；本发明在将载流子限制在势阱层内部的同时，以使势阱层中靠近势垒层一侧的铝组分含量与势垒层的铝组分含量的绝对差值减小，降低了量子阱内部的压电极化强度，进一步提高了量子阱有源层中电子和空穴的波函数重叠率，更进一步实现了深紫外发光二极管的发光效率的提升。
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及其外延生长方法。
背景技术
深紫外发光二极管中，AlGaN是一种直接带隙宽禁带半导体材料，其禁带宽度可通过改变Al元素的掺入量(从禁带宽度为3.4eV的GaN到禁带宽度为6.2eV的AlN连续可调)，以实现365nm到200nm光谱范围内的发光，且具有物理化学性质稳定、耐高温、抗辐照等优异性能，是当前制备半导体深紫外光源器件的最佳候选材料。而且，AlGaN基的深紫外发光二极管相比于传统汞灯具有体积小、功耗低、环保安全和集成度高等诸多优势，将有望在未来几年取得突破性进展以及巨大应用，近年来受到越来越多的关注和重视。
然而，目前基于AlGaN材料的深紫外发光二极管的发光效率仍然较低，这是由于AlGaN材料为纤锌矿结构，此结构沿着c方向的垂直晶格存在着自发极化和压电极化，极化会在材料内部形成较大的极化电场。极化产生的电场会使得电子和空穴的波函数分离，降低波函数的重叠率，从而降低紫外发光二极管的发光效率。其中，AlGaN材料的压电极化与薄膜内部应力有关，当材料受到应力作用时，此时c/a值(垂直晶格常数与底面晶格常数的比值)会发生变化，从而影响材料内部的极化强度。
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，用于改善现有技术的深紫外发光二极管中量子阱有源层的发光效率较低的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明首先提供了一种深紫外发光二极管，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、量子阱有源层、电子阻挡层以及空穴注入层，量子阱有源层包括交替设置的至少一个势阱层和至少两个势垒层，每个势阱层插入在两个相邻的势垒层之间，势阱层的材料为氮化铝镓；
其中，在衬底至量子阱有源层的方向上，势阱层中的铝组分含量先逐渐降低再逐渐升高。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，势阱层的厚度范围为0.5nm～10nm，且势阱层中铝组分的质量百分数范围为20％～70％。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，势阱层的生长温度先逐渐降低再逐渐升高。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，势垒层中的铝组分含量由势垒层中靠近衬底的一侧表面向势垒层中远离衬底的一侧表面保持不变。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，势垒层的厚度范围为0.5nm～10nm，且势垒层中铝组分的质量百分数范围为30％～75％。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，量子阱有源层的生长温度范围为950～1100，量子阱有源层的五三比参数范围为50～10000；
其中，量子阱有源层中的势垒层采用SiH4作为N型掺杂剂。
相应地，本发明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量子阱有源层；
在量子阱有源层上外延生长电子阻挡层；
在电子阻挡层上外延生长空穴注入层；
其中，量子阱有源层包括交替设置的至少一个势阱层和至少两个势垒层，每个势阱层插入在两个相邻的势垒层之间，势阱层的材料为氮化铝镓；在衬底至量子阱有源层的方向上，势阱层中的铝组分含量先逐渐降低再逐渐升高。
在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中，在电子注入层上外延生长量子阱有源层的步骤中，量子阱有源层的生长温度范围为950～1100，量子阱有源层具有五三比参数，五三比参数的范围为50～10000；
其中，量子阱有源层中的势垒层采用SiH4作为N型掺杂剂。
在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中，在外延生长每一层势阱层的步骤中，先逐渐增加通入反应腔内镓源的流量，再逐渐减小反应腔内镓源的流量。
在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中，在外延生长每一层势阱层的步骤中，先逐渐降低反应腔内的生长温度，再逐渐升高反应腔内的生长温度。
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，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、量子阱有源层、电子阻挡层以及空穴注入层，量子阱有源层包括交替设置的至少一个势阱层和至少两个势垒层，每个势阱层插入在两个相邻的势垒层之间，势阱层的材料为氮化铝镓，其中，在衬底至量子阱有源层的方向上，势阱层中的铝组分含量先逐渐降低再逐渐升高；本发明通过在衬底至量子阱有源层的方向上，将势阱层中的铝组分含量先逐渐降低再逐渐升高，在将载流子限制在势阱层内部的同时，以使势阱层中靠近势垒层一侧的铝组分含量与势垒层的铝组分含量的绝对差值减小，从而减小了势阱层与势垒层之间的晶格常数差异值，从而避免了势阱层和势垒层由于界面突变而产生的压应力，进而降低了量子阱内部的压电极化强度，进一步提高了量子阱有源层中电子和空穴的波函数重叠率，更进一步实现了深紫外发光二极管的发光效率的提升。
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截面结构示意图；
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；
图3A为现有技术提供的深紫外发光二极管中量子阱结构中势垒层的铝组分含量与势阱层的铝组分含量的相对变化曲线图；
图3B为本发明提供的深紫外发光二极管中量子阱结构中势垒层的铝组分含量与势阱层的铝组分含量的相对变化曲线图；
图4A为现有技术提供的深紫外发光二极管中量子阱结构的电子波函数与空穴波函数的曲线示意图；
图4B为本发明提供的深紫外发光二极管中量子阱结构的电子波函数与空穴波函数的曲线示意图；
图5为两种不同结构的深紫外发光二极管的光输出功率随电流的变化曲线图。
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、完整的描述，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5，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、量子阱有源层14、电子阻挡层15以及空穴注入层16。
具体地，量子阱有源层14包括交替设置的至少一个势阱层142和至少两个势垒层141，每个势阱层142插入在两个相邻的势垒层141之间，势阱层142的材料为氮化铝镓；
其中，在衬底11至量子阱有源层14的方向(D1)上，势阱层142中的铝组分含量先逐渐降低再逐渐升高。
本发明通过在衬底11至量子阱有源层14的方向(D1)上，将势阱层142中的铝组分含量先逐渐降低再逐渐升高，在将载流子限制在势阱层142内部的同时，以使势阱层142中靠近势垒层141一侧的铝组分含量与势垒层141的铝组分含量的绝对差值减小，从而减小了势阱层142与势垒层141之间的晶格常数差异值，从而避免了势阱层142和势垒层141由于界面突变而产生的压应力，进而降低了量子阱有源层14内部的压电极化强度，进一步提高了量子阱有源层14电子和空穴的波函数重叠率，更进一步实现了深紫外发光二极管100的发光效率的提升。
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的截面结构示意图；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、量子阱有源层14、电子阻挡层15以及空穴注入层16；
其中，量子阱有源层14包括交替设置的至少一个势阱层142和至少两个势垒层141，每个势阱层142插入在两个相邻的势垒层141之间，势阱层142的材料为氮化铝镓；
进一步地，在衬底11至量子阱有源层14的方向(D1)上，势阱层142中的铝组分含量先逐渐降低再逐渐升高。
在本发明实施例中，衬底11为蓝宝石材料；蓝宝石材料有许多的优点：首先，蓝宝石材料的生产技术成熟、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，掺杂剂为SiH4；其中，电子注入层13中铝元素的组分范围在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900至1200之间。
在本发明实施例中，量子阱有源层14设置于电子注入层13上，量子阱有源层14的生长温度范围在900至1100之间。
具体地，量子阱有源层14为周期排布的AlGaN多层周期结构，每个周期结构包括势垒层141和势阱层142，每个势阱层142插入在两个相邻的势垒层141之间，势垒层141和势阱层142的材料均为氮化铝镓，势垒层141和势阱层142的不同之处仅在于铝组分的含量不同；
进一步地，每一层势阱层142的铝组分总含量比每一层势垒层141的铝组分总含量低，这样是为了确保量子阱有源层14中的载流子被限制在势阱层142内。
进一步地，在衬底11至量子阱有源层14的方向(D1)上，势阱层142中的铝组分含量先逐渐降低再逐渐升高。这样设置是为了确保势阱层142中靠近势垒层141一侧的铝组分含量与势垒层141的铝组分含量的绝对差值减小，从而减小了势阱层142与势垒层141之间的晶格常数差异值(量子阱有源层14内部的压电应力来源于势阱层142与势垒层141之间的晶格常数差异值，晶格常数差异值越大，产生的压电应力越大)，从而避免了势阱层142和势垒层141由于界面突变而产生的压应力，进而降低了量子阱有源层14内部的压电极化强度，进一步提高了量子阱有源层14电子和空穴的波函数重叠率，更进一步实现了深紫外发光二极管100的发光效率的提升。
具体地，AlN和GaN的晶格常数是固定的，和AlGaN无关。AlGaN的晶格常数由其中的Al组分含量来确定；假设AlGaN材料中的Al组分含量为x，那么可以近似采用下面公式计算AlGaN材料的晶格常数：
其中，aAlN为AlN的晶格常数，aGaN为GaN的晶格常数，
为AlGaN材料的晶格常数。
因此，AlGaN材料中的Al组分含量越大，晶格常数也越大。
在本发明实施例中，势阱层142的厚度范围为0.5nm～10nm，且势阱层142中铝组分的质量百分数范围为20％～70％。其中，当势阱层142中铝组分的质量百分数小于20％时，则量子阱有源层14难以发射波长在280nm以下的光线；当势阱层142中铝组分的质量百分数大于70％时，则会使载流子注入变难，导致电性发生异常。
在本发明实施例中，势阱层142的生长温度先逐渐降低再逐渐升高；这是因为生长温度也影响外延生长的AlGaN材料中的Al组分含量，其中生长温度越高，对应外延生长的AlGaN材料中的Al组分含量也越高。
在本发明实施例中，势垒层141中的铝组分含量由势垒层141中靠近衬底的一侧表面向势垒层141中远离衬底的一侧表面保持不变；其中，Al原子相对较小，当其取代Ga原子时，将使外延的晶格常数变小，从而使禁带宽度变宽。因此，将势垒层141中的铝组分含量保持不变，可以有效稳定深紫外发光二极管100的亮度特性。
进一步地，势垒层141的厚度范围为0.5nm～10nm，且势垒层141中铝组分的质量百分数范围为30％～75％。
在本发明实施例中，量子阱有源层14的生长温度范围为950～1100，量子阱有源层的五三比参数的范围为50～10000；
其中，五三比参数是指外延生长过程中通入反应腔内的V族源与族源的摩尔比，在高五三比参数的条件下，生长的外延层会带来较高的外延晶格质量；反之，若是在低五三比参数的条件下，虽然生长的外延层的外延晶格质量较差，但是却可以得到平整的外延晶格表面。
在本发明实施例中，量子阱有源层14中的势垒层141采用SiH4作为N型掺杂剂；其中，在势垒层141中进行适当的N型掺杂可以降低量子阱有源层14中界面电荷的损耗，提高电子的载流子浓度。
在本发明实施例中，电子阻挡层15设置于量子阱有源层14上，电子阻挡层15的生长温度范围在700至1100之间；其中，电子阻挡层15为单层AlGaN结构，电子阻挡层15为P型掺杂的半导体材料，其使用二茂镁作为P型掺杂剂。
进一步地，电子阻挡层15中铝元素占电子阻挡层15的百分比范围在50％至100％之间，电子阻挡层15的厚度范围在1nm至100nm之间。
在本发明实施例中，空穴注入层16设置于电子阻挡层15上，空穴注入层16的生长温度范围在700至1100之间；其中，空穴注入层16的材料为P型掺杂的氮化铝镓材料，空穴注入层16中铝组分含量的百分数范围在20％至60％之间，空穴注入层16的厚度范围在1nm至100nm之间，空穴注入层16采用二茂镁作为掺杂剂。
进一步地，在本发明实施例中，深紫外发光二极管100还包括N型电极17和P型电极18；
其中，量子阱有源层14与电子注入层13之间形成台阶状结构，且量子阱有源层14的面积小于电子注入层13的面积，P型电极18设置于空穴注入层16上，N型电极17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为蓝宝石材料；之后，在400～800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至1400之间，在低温缓冲层上生长氮化铝本征层，氮化铝本征层的厚度范围在500nm至4000nm之间。其中，低温缓冲层以及氮化铝本征层构成本征层12，低温缓冲层以及氮化铝本征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900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，铝元素的组分范围在20％至90％之间，N型掺杂剂为SiH4。
S30，在电子注入层13上外延生长量子阱有源层14。
具体的，S30还包括：
首先，将反应腔内的生长温度降低至900至1200之间，在电子注入层13上外延生长量子阱有源层14；量子阱有源层14为周期排布的AlGaN多层周期结构，每个周期结构包括势垒层141和势阱层142，势垒层141和势阱层142的材料均为氮化铝镓，势垒层141和势阱层142的不同之处仅在于铝组分的含量不同；
其中，在衬底11至量子阱有源层14的方向(D1)上，势阱层142中的铝组分含量先逐渐降低再逐渐升高。
具体地，量子阱有源层14的生长温度范围为950～1100，量子阱有源层14具有五三比参数，五三比参数的范围为50～10000；
其中，量子阱有源层14中的势垒层141采用SiH4作为N型掺杂剂。
进一步地，在外延生长每一层势阱层142的步骤中，先逐渐增加通入反应腔内镓源的流量，再逐渐减小反应腔内镓源的流量，镓源为三甲基镓。
进一步地，在外延生长每一层势阱层142的过程中，先逐渐降低反应腔内的生长温度，再逐渐升高反应腔内的生长温度。
在本发明实施例中，势阱层142的厚度范围为0.5nm～10nm，且势阱层142中铝组分的质量百分数范围为20％～70％。
在本发明实施例中，势垒层141中的铝组分含量由势垒层141中靠近衬底的一侧表面向势垒层141中远离衬底的一侧表面保持不变；势垒层141的厚度范围为0.5nm～10nm，且势垒层141中铝组分的质量百分数范围为30％～75％。
在本发明实施例中，量子阱有源层14中的势垒层141采用SiH4作为N型掺杂剂。
S40，在量子阱有源层14上外延生长电子阻挡层15。
具体的，S40还包括：
首先，维持反应腔的温度范围在700至1100之间，在量子阱有源层14上外延生长电子阻挡层15；其中，电子阻挡层15为单层AlGaN结构，电子阻挡层15为P型掺杂的半导体材料，其使用二茂镁作为P型掺杂剂。
具体地，电子阻挡层15中铝组分含量的百分比范围在45％至100％之间，电子阻挡层15的厚度范围在1nm至100nm之间。
S50，在电子阻挡层15上外延生长空穴注入层16。
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15上外延生长空穴注入层16。其中，空穴注入层16的材料为P型掺杂的氮化铝镓材料，空穴注入层16中铝组分的百分数范围在0至100％之间，空穴注入层16的厚度范围在1nm至100nm之间，空穴注入层16采用二茂镁作为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17，N型电极17与量子阱有源层14相对且间隔设置；最后，在空穴注入层16上形成P型电极18。
在本发明实施例中，待上述深紫外发光二极管100制备完成后，与现有技术的深紫外发光二极管100进行对比，上述两种深紫外发光二极管100在不同驱动电流(mA)的作用下，分别测试上述两种深紫外发光二极管100对应的光输出功率(mW)。
本发明实施例：
本发明提供的深紫外发光二极管100的膜层结构由下至上从衬底11至空穴注入层16的结构和材料大致相同，依次如下所示：
衬底11，材料为蓝宝石材料；
本征层12，材料为氮化铝，其厚度为2000nm；
电子注入层13，材料为Si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2500nm；
量子阱有源层14中，势垒层141的厚度为10nm且势垒层141中Al组分含量为0.55；在衬底11至量子阱有源层14的方向(D1)上，势阱层142的Al组分先从0.55渐变到0.4，再从0.4渐变到0.55，势阱层142的厚度为1.8nm；
电子阻挡层15，为单层AlGaN结构，厚度为50nm，Al组分的质量百分数为60％；
空穴注入层16的材料为P型掺杂的氮化铝镓材料，空穴注入层16中铝组分的质量百分数为40％，厚度为50nm，采用二茂镁作为p型掺杂剂。
进一步地，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17，并在空穴注入层16上均设置相同材料的P型电极18，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17以及P型电极18均为多层复合金属材料。
对比实施例：
常规工艺制备的深紫外发光二极管100，其量子阱有源层14中，势垒层141的厚度为10nm且势垒层141中Al组分含量为0.55；势阱层142的厚度为2nm，且势阱层142中Al组分含量为0.55；对比实施例的其他膜层结构与本发明实施例的其他膜层结构相同。
请参阅图3A以及图3B，图3A为现有技术提供的深紫外发光二极管中量子阱结构中势垒层的铝组分含量与势阱层的铝组分含量的相对变化曲线图；图3B为本发明提供的深紫外发光二极管中量子阱结构中势垒层的铝组分含量与势阱层的铝组分含量的相对变化曲线图；
其中，对比实施例中的量子阱有源层14结构(传统量子阱结构)如下：势垒层141的厚度为10nm且势垒层141中Al组分含量为0.55；势阱层142的厚度为2nm，且势阱层142中Al组分含量为0.55；
本发明实施例中的量子阱有源层14结构(V型量子阱结构)如下：势垒层141的厚度为10nm且势垒层141中Al组分含量为0.55；在衬底11至量子阱有源层14的方向(D1)上，势阱层142的Al组分先从0.55渐变到0.4，再从0.4渐变到0.55，势阱层142的厚度为1.8nm。
请参阅图4A以及图4B，图4A为现有技术提供的深紫外发光二极管中量子阱结构的电子波函数与空穴波函数的曲线示意图；图4B为本发明提供的深紫外发光二极管中量子阱结构的电子波函数与空穴波函数的曲线示意图(横坐标表示介质中各个质点的平衡位置，纵坐标表示质点偏离平衡位置的位移)。
具体地，通过理论计算可得到两种深紫外发光二极管在量子阱区域的电子和空穴的波函数重叠率。如图4A以及图4B所示，图4A的阴影部分为对比实施例中量子阱结构的波函数重叠率，图4B的阴影部分为本发明提出的V型量子阱结构的波函数重叠率。一般而言电子和空穴的波函数重叠率越大，深紫外发光二极管100的量子效率越高。从计算结果可以看出，本发明提出的V型量子阱有源区结构可以显著提升深紫外发光二极管100的量子效率。
请参阅图5，图5为两种不同结构的深紫外发光二极管100的光输出功率随电流的变化曲线图；其中，在不同驱动电流(mA)的作用下，分别测试上述各种深紫外发光二极管100的光输出功率(mW)随驱动电流的变化曲线图，如图5所示。
具体地，由图5可知，分别对传统的深紫外发光二极管100(对比实施例)和具备V型量子阱结构的深紫外发光二极管100(本发明实施例)进行了芯片测试；其中，在注入电流为40mA时，传统的深紫外发光二极管100的光输出功率为9.28mW；而具有V型量子阱结构的深紫外发光二极管100的光输出功率为10.07mW；这是由于V型量子阱结构提高了量子阱中电子和空穴的波函数重叠率，从而实现了深紫外发光二极管100的光输出功率的提升。
综上，区别于现有技术的情况，本发明提出的具有V型量子阱结构的深紫外发光二极管100，避免势阱层142和势垒层141由于界面突变而产生的压应力，降低了量子阱有源层14内部的压电极化强度，提高了量子阱有源层14中电子和空穴的波函数重叠率，从而实现了深紫外发光二极管100的光输出功率的提升。
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、量子阱有源层、电子阻挡层以及空穴注入层，所述量子阱有源层包括交替设置的至少一个势阱层和至少两个势垒层，每个所述势阱层插入在两个相邻的所述势垒层之间，所述势阱层的材料为氮化铝镓；
其中，在所述衬底至所述量子阱有源层的方向上，所述势阱层中的铝组分含量先逐渐降低再逐渐升高。
2.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述势阱层的厚度范围为0.5nm～10nm，且所述势阱层中铝组分的质量百分数范围为20％～70％。
3.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述势阱层的生长温度先逐渐降低再逐渐升高。
4.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述势垒层中的铝组分含量由所述势垒层中靠近所述衬底的一侧表面向所述势垒层中远离所述衬底的一侧表面保持不变。
5.根据权利要求4所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述势垒层的厚度范围为0.5nm～10nm，且所述势垒层中铝组分的质量百分数范围为30％～75％。
6.根据权利要求1至5任一项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生长温度范围为950～1100，所述量子阱有源层的五三比参数的范围为50～10000；
其中，所述量子阱有源层中的所述势垒层采用SiH4作为N型掺杂剂。
7.一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量子阱有源层；
在所述量子阱有源层上外延生长电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上外延生长空穴注入层；
其中，所述量子阱有源层包括交替设置的至少一个势阱层和至少两个势垒层，每个所述势阱层插入在两个相邻的所述势垒层之间，所述势阱层的材料为氮化铝镓；在所述衬底至所述量子阱有源层的方向上，所述势阱层中的铝组分含量先逐渐降低再逐渐升高。
8.根据权利要求7所述的深紫外发光二极管的外延生长方法，其特征在于，所述在所述电子注入层上外延生长量子阱有源层的步骤中，所述量子阱有源层的生长温度范围为950～1100，所述量子阱有源层具有五三比参数，所述五三比参数的范围为50～10000；
其中，所述量子阱有源层中的所述势垒层采用SiH4作为N型掺杂剂。
9.根据权利要求7所述的深紫外发光二极管的外延生长方法，其特征在于，在外延生长每一层所述势阱层的步骤中，先逐渐增加通入反应腔内镓源的流量，再逐渐减小反应腔内所述镓源的流量。
10.根据权利要求9所述的深紫外发光二极管的外延生长方法，其特征在于，在外延生长每一层所述势阱层的步骤中，先逐渐降低反应腔内的生长温度，再逐渐升高反应腔内的生长温度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310514904.5A CN116387433A (zh) | 2023-05-09 | 2023-05-09 | 一种深紫外发光二极管及其外延生长方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310514904.5A CN116387433A (zh) | 2023-05-09 | 2023-05-09 | 一种深紫外发光二极管及其外延生长方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116387433A true CN116387433A (zh) | 2023-07-04 |
Family
ID=86980835
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310514904.5A Pending CN116387433A (zh) | 2023-05-09 | 2023-05-09 | 一种深紫外发光二极管及其外延生长方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116387433A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117080328A (zh) * | 2023-10-12 | 2023-11-17 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种紫外led外延片及其制备方法、led芯片 |
-
2023
- 2023-05-09 CN CN202310514904.5A patent/CN116387433A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117080328A (zh) * | 2023-10-12 | 2023-11-17 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种紫外led外延片及其制备方法、led芯片 |
| CN117080328B (zh) * | 2023-10-12 | 2024-01-09 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种紫外led外延片及其制备方法、led芯片 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6958497B2 (en) | Group III nitride based light emitting diode structures with a quantum well and superlattice, group III nitride based quantum well structures and group III nitride based superlattice structures | |
| US20090090901A1 (en) | Semiconductor light emitting device and method for manufacturing the same | |
| KR100649496B1 (ko) | 질화물 반도체 발광소자 및 제조방법 | |
| KR20140123410A (ko) | 자외선 발광 소자 | |
| CN117239025B (zh) | GaN基绿光LED外延片及其制备方法、LED | |
| KR20130012375A (ko) | 반도체 발광소자 및 그 제조방법 | |
| CN109671817B (zh) | 一种发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN116387433A (zh) | 一种深紫外发光二极管及其外延生长方法 | |
| CN114203868A (zh) | 具有n型低阻欧姆接触结构的深紫外芯片及其制备方法 | |
| KR101507130B1 (ko) | 초격자층을 갖는 발광 다이오드 | |
| CN115498083A (zh) | 发光二极管外延结构及发光二极管 | |
| CN114843378A (zh) | 一种多量子阱基发光二极管及其制备方法 | |
| EP1401027A1 (en) | Group III nitride based light emitting diode with a superlattice structure | |
| CN109524523B (zh) | 一种AlGaN基紫外LED外延结构及其制备方法 | |
| CN117153966A (zh) | 具备复合势垒结构的深紫外发光二极管及其外延生长方法 | |
| CN117153967A (zh) | 具备混合势阱结构的深紫外发光二极管及其外延生长方法 | |
| CN116544326A (zh) | 一种深紫外发光二极管 | |
| CN116799114A (zh) | 一种深紫外发光二极管及其外延生长方法 | |
| CN115274957A (zh) | 具有多Al组分电子阻挡层结构的深紫外LED及其制备方法 | |
| CN115863509A (zh) | 一种深紫外发光二极管及其外延生长方法 | |
| CN117276441A (zh) | 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 | |
| CN118117020A (zh) | 一种多量子阱层及其制备方法、发光二极管 | |
| CN117810337A (zh) | 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 | |
| CN117352616A (zh) | 深紫外发光二极管及其外延生长方法 | |
| CN112768578A (zh) | 一种半导体外延结构及其制作方法、led芯片 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |