CN116435430A - 多波长发光的紫外led外延结构及其制备方法 - Google Patents
多波长发光的紫外led外延结构及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116435430A CN116435430A CN202310593267.5A CN202310593267A CN116435430A CN 116435430 A CN116435430 A CN 116435430A CN 202310593267 A CN202310593267 A CN 202310593267A CN 116435430 A CN116435430 A CN 116435430A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- thickness
- quantum well
- quantum
- wavelength
- layer
- 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
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 12
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 59
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 claims abstract description 49
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims abstract description 12
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 8
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 4
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 claims description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 4
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000005012 migration Effects 0.000 abstract description 11
- 238000013508 migration Methods 0.000 abstract description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 8
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 7
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000001194 electroluminescence spectrum Methods 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005525 hole transport Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 2
- 230000005778 DNA damage Effects 0.000 description 1
- 231100000277 DNA damage Toxicity 0.000 description 1
- 230000033616 DNA repair Effects 0.000 description 1
- 206010034972 Photosensitivity reaction Diseases 0.000 description 1
- 230000005699 Stark effect Effects 0.000 description 1
- 230000001640 apoptogenic effect Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000009849 deactivation Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 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
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 1
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 1
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 208000017520 skin disease Diseases 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000004659 sterilization and disinfection Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 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
- H01L33/20—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 particular shape, e.g. curved or truncated substrate
- H01L33/24—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 particular shape, e.g. curved or truncated substrate of the light emitting region, e.g. non-planar junction
-
- 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
-
- 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
- H01L33/08—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 plurality of light emitting regions, e.g. laterally discontinuous light emitting layer or photoluminescent region integrated within the semiconductor body
-
- 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
-
- 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
本发明公开了一种多波长发光的紫外LED外延结构及其制备方法，其包括AlN模板、AlGaN缓冲层、N型AlGaN层、新型多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层，新型多量子阱结构包括至少两个发光波长不同的量子阱组，各个量子阱组中的量子阱的厚度不同，从N型区至P型区方向依次减小分布，其中位于第二阱组位置及其之后位置的量子垒的厚度均≤5nm。本发明通过改变势阱层的厚度实现不同波长的发射,通过调节相同Al组分AlGaN量子阱的厚度而获得薄阱，利用增强的量子限制效应实现波长的有效蓝移，同时薄阱也有利于空穴向第一量子阱的迁移，从而可以实现波长在250～350nm范围内的两种或三种波长的发光。
Description
技术领域
本发明涉及属于LED外延结构技术领域，特别涉及一种多波长发光的紫外LED外延结构及其制备方法。
背景技术
AlGaN基紫外LED发光波长可以有效覆盖200～400nm区间，与现有的紫外汞灯相比，具有以下优点：(1)体积小，且方便与其他设施整合集成；(2)安全无毒，无汞，对环境无害；(3)环境适应性强，封装后可用于特种气体、液体与各种复杂环境中；(4)启停快，无需预热等。通过调节AlGaN的Al组分，可以实现发光波长的有效调节，其中发光波长在200～280nm之间的UVC紫外线可广泛应用于物体表面和空气、水等流体的杀菌消毒、高密度信息存储、非视距通讯等领域；而发光波长在280nm～320nm之间的UVB波段紫外线则在水净化、皮肤病治疗、动植物辅助生长等方面具有巨大的应用潜力。
在紫外水净化领域，紫外线对水中微生物的失活机制有三种，其中波长在190～254nm之间的紫外线会造成蛋白质损伤并抑制DNA修复；波长在250～320nm之间的紫外线会直接或间接造成DNA损伤；而波长在300～405nm之间的紫外线则会通过光敏反应产生活性氧，导致微生物细胞凋亡。采用多种波长的紫外线同时进行水净化，有利于产生协同作用触发出多种不同的失活机制，使水净化过程效率更高而成本更低。
目前AlGaN基紫外LED均为单波长发光，因为现有的常规紫外LED通常只有一个量子阱组(由若干个周期的量子垒和量子阱依次叠层而成)，其量子阱的铝组分和宽度都一样，所以只发一种波长的紫外光。如果要实现多波长协同作用，则需生产集成多种紫外LED芯片，同时要求至少两组以上的控制电路模块进行控制，大大增加了工作成本与难度。
此外，为了实现对量子阱中空穴更好的限制作用，现有的紫外LED的量子垒通常比较厚，高铝组分P型AlGaN区域产生的空穴在量子阱和量子垒中迁移能力严重不足，使得量子阱的发光显著集中于P型侧一端，所以即使将所有的量子阱设计成不同铝组分，也很难发两种波长的紫外光，或者说即使发出两种紫外光，但是两者强度差距巨大，难以有效应用。
为此，实现单片上有效覆盖UVA-UVC波段的多波长LED,尤其是实现对波长分布和相对强度的简单可调，对于实现具有针对性多重功效的紫外LED具有推动性意义，因此有必要研发一种能实现多波长发光的AlGaN基紫外LED外延结构，从而实现多波长发光的紫外LED芯片。
发明内容
针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种能实现多波长发光的紫外LED外延结构及其制备方法。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：
一种多波长发光的紫外LED外延结构，其包括按照外延生长顺序自下而上依次分布的AlN模板、AlGaN缓冲层、N型AlGaN层、新型多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层，所述新型多量子阱结构包括至少两个发光波长不同的量子阱组，各个量子阱组中的量子阱的厚度不同，并且按厚度由N型区至P型区的顺序依次减小，其中位于第二阱组位置及其之后位置的量子阱组中的量子垒的厚度均≤5nm。
所述量子阱组的数量由需发几种波长的光而定，如需要发出两种波长的光，所述新型多量子阱结构包括两个发光波长不同的量子阱组。如需要发出三种波长的光，所述新型多量子阱结构相应包括三个发光波长不同的量子阱组，其中第一量子阱组包括1～5组厚度为d1的第一量子垒AlxGa1-xN和厚度为D1的第一量子阱AlyGa1-yN，第二量子阱组包括1～3组厚度为d2的第二量子垒AlxGa1-xN和厚度为D2的第二量子阱AlyGa1-yN，第三量子阱组包括1～3组厚度为d3的第三量子垒AlxGa1-xN和厚度为D3的第三量子阱AlyGa1-yN，满足0≤y＜0.4＜x≤0.8，量子阱的厚度依次减小，D1>D2>D3，可使三个量子阱发不同波长的光。
作为本发明的一种优选方案，所述第一量子阱组中的量子垒的厚度d1为8～15nm，所述第一量子阱的厚度D1为1～4nm；所述第二量子阱的厚度D2和所述第三量子阱的厚度D3均≤2nm，这样有利于空穴向所述第一量子阱中的迁移，同时利用薄阱中增强的量子限制效应，实现比所述第一量子阱更短波长的发光，从而实现了相同铝组分下多种波长的发光。
作为本发明的一种优选方案，所述第二量子垒的厚度d2和所述第三量子垒的厚度d3均≤5nm。比常规量子垒的厚度薄，有利于空穴向所述第一量子阱中的迁移，同时可以通过调节d2和d3的厚度来调节到达各个量子阱组中空穴的数目，从而调节不同波长紫外光的相对强度。
作为本发明的一种优选方案，所述AlN模板为蓝宝石上的AlN或单晶AlN。所述AlGaN缓冲层为AlmGa1-mN/AlnGa1-nN的超晶格结构，其中0.5≤m<n≤1。所述N型AlGaN层的铝组分含量为50％～70％，所述电子阻挡层的铝组分含量为60％～90％，所述P型AlGaN层的铝组分含量为30％～70％，所述P型欧姆接触层为P型GaN或铝组分含量小于40％的P型AlGaN。
一种所述的多波长发光的紫外LED外延结构的制备方法，其包括以下步骤：
S1：选取蓝宝石上的AlN或单晶AlN作为衬底，对衬底的表面进行清洁；优选在1100℃～1300℃的温度下使用H2对衬底的表面进行清洁；
S2：在AlN模板上进行AlN薄膜的再生长，生长厚度100nm～1μm，生长温度1100℃～1350℃，获得AlN模板；
S3：在AlN模板上生长AlGaN缓冲层，AlGaN缓冲层为周期生长厚度为1～3nm的AlmGa1-mN/AlnGa1-nN超晶格结构，其中0.5≤m<n≤1，生长温度1000℃～1200℃；
S4：在AlGaN缓冲层上生长厚度为1～3μm的N型AlGaN层，生长温度1000℃～1200℃，Si掺杂浓度为1×1018～1×1019cm-3；
S5：在N型AlGaN层上生长新型多量子阱结构，依次生长1～5组厚度为8～15nm的第一量子垒AlxGa1-xN和厚度为1～4nm的第一量子阱AlyGa1-yN、1～3组厚度为2～5nm的第二量子垒AlxGa1-xN和厚度为1～2nm的第二量子阱AlyGa1-yN、1～3组厚度为2～5nm的第三量子垒AlxGa1-xN和厚度为0.5～2nm的第三量子阱AlyyGa1-yN，满足0≤y＜0.4＜x≤0.8，生长温度1000℃～1200℃，压强30～75Torr；
S6：在新型多量子阱结构上厚度为10～40nm的生长电子阻挡层，生长温度1050℃～1250℃，Mg掺杂浓度5×1018～1×1019cm-3；
S7：在电子阻挡层上生长厚度为30～80nm的P型AlGaN层，生长温度1000℃～1200℃，Mg掺杂浓度2×1018～1×1019cm-3；
S8：在P型AlGaN层上生长厚度为5～30nm的P型欧姆接触层，生长温度为900℃～1100℃，Mg掺杂浓度1×1019～3×1019cm-3；
S9：退火，获得多波长发光的紫外LED外延结构。优选在氮气环境下退火，退火温度为700℃～900℃，退火时间为5min～25min。
本发明的有益效果为：本发明不需要改变组分来发不同的光，而是通过改变势阱层的厚度来实现不同波长的发光,将靠近P型AlGaN的第二位置及其之后位置的量子阱组中的量子垒减薄至5nm以下，缩短了空穴到第一量子阱的迁移距离，从而有效增加了迁移到第一量子阱中的空穴数量。在此基础上，可以通过调节相同Al组分量子阱的厚度，在第二(第三)量子阱中采用薄阱，利用增强的量子限制效应实现波长的有效蓝移，同时薄阱也有利于空穴向第一量子阱的迁移，从而可以实现波长在250～350nm范围内的两种或三种波长的发光。而且靠近P型AlGaN一侧的量子阱组中的量子阱的厚度最薄，量子限制效应最强，对应的发光波长最短，同时这种超薄的量子阱有利于短波长UVC光TE出光模式的增强，更有利于抑制量子限制斯塔克效应从而提升LED整体的电光转换效率。另外还可以调节第二阱组位置及其之后位置的量子阱组中的量子垒的厚度来调控迁移到第一量子阱中的空穴数量，从而调节不同波长紫外光的相对强度，以满足各种不同应用需求。
下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。
附图说明
图1为本发明多波长发光的紫外LED外延结构的结构示意图。
图2为实施例1中新型多量子阱结构的结构示意图。
图3为实施例1中新型多量子阱结构的能带结构和电子空穴迁移示意简图。
图4为实施例1中紫外LED外延片的电致发光光谱。
图5为实施例2中的新型多量子阱结构示意图。
图6为实施例2中的新型多量子阱结构的能带结构和电子空穴迁移示意简图。
图7为实施例2中的紫外LED外延片的电致发光光谱。
图8为实施例3中的紫外LED外延片的电致发光光谱。
具体实施方式
实施例1：本实施例提供的一种多波长发光的紫外LED外延结构及其制备方法，本实施例中，以三种波长的紫外LED外延结构及其制备方法进行说明。
参见图1，三种波长的紫外LED外延结构包括按照外延生长顺序自下而上依次分布的AlN模板1、AlGaN缓冲层2、N型AlGaN层3、新型多量子阱结构4、电子阻挡层5、P型AlGaN层6和P型接触层7。
参见图2，所述新型多量子阱结构4自下而上包括第一量子阱组41、第二量子阱组42和第三量子阱组43和第四量子垒44，所述第一量子阱组41包括3组厚度为12nm的第一量子垒411Al0.55Ga0.45N和厚度为3nm的第一量子阱412Al0.2Ga0.8N，所述第二量子阱组42包括1组厚度为4.5nm的第二量子垒421Al0.55Ga0.45N和厚度为2nm的第二量子阱422Al0.2 Ga0.8N，所述第三量子阱组43包括1组厚度为4.5nm的第三量子垒431Al0.55Ga0.45N和厚度为1nm的第三量子阱432Al0.2Ga0.8N，所述第四量子垒44为一层厚度为5nm的Al0.55Ga0.45N。
在本实施例中，所有量子垒的铝组分含量均为55％，所述电子阻挡层5的铝组分含量为60％～90％，所述P型欧姆接触层为P型GaN或铝组分小于40％的P型AlGaN。其它实施例中，所述N型AlGaN层3的铝组分含量可以为50％～70％，所述P型AlGaN层6的铝组分含量可以为30％～70％。所述第二量子阱垒421和第三量子垒431的厚度较薄，只有4.5nm，如图3所示，使得所述P型AlGaN层6中的空穴(图3中的空心圆)能够迁移到所述第一量子阱412中与电子(图3中的实心圆)复合，从而使得所述第一量子阱412能发出长波长的紫外光。同时，由于所述第二量子阱422和所述第三量子阱432的厚度较薄，这样有利于空穴向所述第一量子阱中的迁移，同时利用薄阱中增强的量子限制效应，可以实现比所述第一量子阱更短波长的发光，从而实现了相同铝组分下多种波长的发光。按照本实施例得到的紫外LED外延片的电致发光光谱如图4所示，所述第一量子阱412、所述第二量子阱422和所述第三量子阱432发出的紫外光波长分别为322nm、292nm和272nm。
本实施例中所述的三种波长的多波长发光的紫外LED外延结构的制备方法包括以下步骤：
S1：选取图形化蓝宝石上的AlN作为衬底，在1200℃的温度下使用H2对衬底表面进行清洁15分钟；
S2：进行AlN薄膜的再生长，生长厚度0.8μm，生长温度1200℃，以得到完整的所述AlN模板1；
S3：生长所述AlGaN缓冲层2：生长100个周期的Al0.6Ga0.4N(厚度1.5nm)/Al0.9Ga0.1N(厚度1.5nm)结构，生长温度1150℃；
S4：生长所述N型AlGaN层3：生长厚度1.5μm，生长温度1130℃，Si掺杂浓度为1×1019cm-3；
S5：生长所述新型多量子阱结构4，生长温度1050℃，压强40Torr，先生长3组厚度为12nm的所述第一量子垒411Al0.55Ga0.45N和厚度为3nm的所述第一量子阱412Al0.2 Ga0.8N，然后生长1组厚度为4.5nm的所述第二量子垒421Al0.55Ga0.45N和厚度为2nm的所述第二量子阱422Al0.2Ga0.8N，再生长1组厚度为4.5nm的所述第三量子垒431Al0.55Ga0.45N和厚度为1nm的所述第三量子阱432Al0.2Ga0.8N，最后生长1组厚度为5nm的所述第四量子垒44Al0.55Ga0.45N。
S6：生长所述电子阻挡层5，生长厚度30nm，生长温度1100℃，Mg掺杂浓度1×1019cm-3；
S7:生长所述P型AlGaN层6，生长厚度50nm，生长温度1080℃，Mg掺杂浓度1×1019cm-3；
S8:生长所述P型接触层7，生长厚度10nm,生长温度为1000℃，Mg掺杂浓度2×1019cm-3；
S9：氮气环境下退火，退火温度为800℃，退火时间为15min。
实施例2：本实施例提供的一种多波长发光的紫外LED外延结构及其制备方法，本实施例中，以两种波长的紫外LED外延结构及其制备方法进行说明。
与实施例1不同的是，所述新型多量子阱结构4自下而上包括第一量子阱组41、第二量子阱组42和第四量子垒44，所述第一量子阱组41包括3组厚度为12nm的第一量子垒411Al0.55Ga0.45N和厚度为2.8nm的第一量子阱412Al0.2Ga0.8N，所述第二量子阱组42包括2组厚度为4.5nm的第二量子垒421Al0.55Ga0.45N和厚度为1nm的第二量子阱422Al0.2 Ga0.8N，所述第四量子垒44为一层厚度为5nm的Al0.55Ga0.45N。
按照本实施例得到的紫外LED外延片的电致发光光谱如图7所示，所述第一量子阱412和所述第二量子阱422发出的紫外光波长分别为314nm和274nm，其中波长为274nm的短波长紫外光的强度更强。
本实施例中所描述的发两种波长的紫外LED外延结构的制备方法与实施例一所描述的制备方法除了步骤S5以外其余均相同。本实例的步骤S5改为：生长所述新型多量子阱结构4，生长温度1050℃，压强40Torr，先生长3组厚度为12nm的所述第一量子垒411Al0.55Ga0.45N和厚度为2.8nm的所述第一量子阱412Al0.2Ga0.8N，然后生长2组厚度为4.5nm的所述第二量子垒421Al0.55Ga0.45N和厚度为1nm的所述第二量子阱422Al0.2Ga0.8N，最后生长1组厚度为5nm的所述第四量子垒44Al0.55Ga0.45N。
实施例3：本实施例提供的一种多波长发光的紫外LED外延结构及其制备方法，与实施例2不同的是，所述第二量子垒421的厚度减小为3nm，其余均相同。本实施例在实施例2的基础上通过将所述第二量子垒421的厚度减薄，使得输出的紫外光中长波长紫外光的强度超过了短波长紫外光的强度，即实现了对两种波长相对强度的调节。按照本实施例3得到的紫外LED外延片的电致发光光谱如图8所示，所述第一量子阱412和所述第二量子阱422发出的紫外光波长分别为314nm和274nm，其中波长为314nm的长波长紫外光的强度更强，与实施例2正好相反。
本实施例3中所描述的发两种波长的紫外LED外延结构的制备方法与实施例2所描述的制备方法除了步骤S5以外其余均相同。本实施例3的步骤S5改为：生长所述新型多量子阱结构4，生长温度1050℃，压强40Torr，先生长3组厚度为12nm的所述第一量子垒411Al0.55Ga0.45N和厚度为2.8nm的所述第一量子阱412Al0.2Ga0.8N，然后生长2组厚度为3nm的所述第二量子垒421Al0.55Ga0.45N和厚度为1nm的所述第二量子阱422Al0.2Ga0.8N，最后生长1组厚度为5nm的所述第四量子垒44Al0.55Ga0.45N。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明的技术范围作任何限制。故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
本发明并不一定需要非对称AlGaN量子阱层，第二量子阱组和第三量子阱组也可以是对称的，如实施例2和3所示。本发明不需要改变组分来发不同的光，而是通过改变势阱层的厚度来发不同波长。通过合理设定第二量子垒和第三量子垒的厚度，实现对空穴迁移的控制。本发明是高铝组分AlGaN，对应的是350nm以下的UVB-LED和UVC-LED，空穴迁移能力弱。现有技术中用的是InGaN，对应的是365nm以上的UVA-LED，空穴迁移能力较强。
在短波长LED尤其是深紫外LED中，高Al组分AlGaN中空穴的浓度和迁移率远小于电子，因此电子通常能穿过整个多量子阱结构到达电子阻挡层，而空穴通常只能迁移至最后一个或两个量子阱中，所以常规的AlGaN基短波长紫外LED通常只有最后一到两个量子阱能够有效发光，从而只能实现单波长发光。本发明通过将靠近P型AlGaN的第二(第三)量子垒和量子阱的厚度减薄至5nm以下，缩短了空穴到第一量子阱的迁移距离，从而极大地增加了迁移到第一量子阱中的空穴数量。在此基础上，通过调节相同Al组分量子阱的厚度，在第二(第三)量子阱中采用薄阱，利用增强的量子限制效应实现波长的有效蓝移，同时薄阱也有利于空穴向第一量子阱的迁移，从而可以实现波长在250～350nm范围内的两种或三种波长的发光。
本发明合理设计了不同量子阱组的堆叠顺序，靠近P型AlGaN一侧的第三量子阱组中的量子阱的厚度最薄，量子限制效应最强，对应的发光波长最短，同时这种超薄的量子阱有利于短波长UVC光TE出光模式的增强，提升LED整体的电光转换效率。
本发明还可以通过调节第二量子垒和第三量子垒的厚度来调控迁移到第一量子阱中的空穴数量，从而调节不同波长紫外光的相对强度，以满足各种不同应用需求。例如：将第二量子垒的厚度增大，会减少迁移到第一量子阱中的空穴数量，从而发出的长波长的紫外光相对强度会降低，以满足各种不同应用需求。
因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制，采用与其相同或相似的其它结构及方法，均在本发明保护范围内。
Claims (10)
1.一种多波长发光的紫外LED外延结构，其特征在于：其包括按照外延生长顺序自下而上依次分布的AlN模板、AlGaN缓冲层、N型AlGaN层、新型多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层，所述新型多量子阱结构包括至少两个发光波长不同的量子阱组，各个量子阱组中的量子阱的厚度不同，并且厚度按由N型区至P型区的顺序依次减小，其中位于第二阱组位置及其之后位置的量子阱组中的量子垒的厚度均≤5nm。
2.根据权利要求1所述多波长发光的紫外LED外延结构，其特征在于：所述新型多量子阱结构包括三个发光波长不同的量子阱组，第一量子阱组包括1～5组厚度为d1的第一量子垒AlxGa1-xN和厚度为D1的第一量子阱AlyGa1-yN，第二量子阱组包括1～3组厚度为d2的第二量子垒AlxGa1-xN和厚度为D2的第二量子阱AlyGa1-yN，第三量子阱组包括1～3组厚度为d3的第三量子垒AlxGa1-xN和厚度为D3的第三量子阱AlyGa1-yN，满足0≤y＜0.4＜x≤0.8。
3.根据权利要求2所述多波长发光的紫外LED外延结构，其特征在于：所述第一量子阱组中的量子垒的厚度d1为8～15nm，所述第一量子阱的厚度D1为1～4nm。
4.根据权利要求1所述多波长发光的紫外LED外延结构，其特征在于：所述第二量子阱的厚度D2和所述第三量子阱的厚度D3均≤2nm。
5.根据权利要求1所述多波长发光的紫外LED外延结构，其特征在于：所述第二量子垒的厚度d2和所述第三量子垒的厚度d3均≤5nm,通过调节d2和d3的厚度调节到达各个量子阱组中空穴的数目，从而调节不同波长紫外光的相对强度。
6.根据权利要求1所述多波长发光的紫外LED外延结构，其特征在于：所述AlGaN缓冲层为AlmGa1-mN/AlnGa1-nN的超晶格结构，其中0.5≤m<n≤1。
7.根据权利要求1所述多波长发光的紫外LED外延结构，其特征在于：所述N型AlGaN层的铝组分含量为50％～70％，所述电子阻挡层的铝组分含量为60％～90％，所述P型AlGaN层的铝组分含量为30％～70％，所述P型欧姆接触层为P型GaN或铝组分含量小于40％的P型AlGaN。
8.一种权利要求1-7中任意一项所述的多波长发光的紫外LED外延结构的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1：选取蓝宝石上的AlN或单晶AlN作为衬底，对衬底的表面进行清洁；
S2：在AlN模板上进行AlN薄膜的再生长，生长厚度100nm～1μm，生长温度1100℃～1350℃，获得AlN模板；
S3：在AlN模板上生长AlGaN缓冲层，AlGaN缓冲层为周期生长厚度为1～3nm的AlmGa1-mN/AlnGa1-nN超晶格结构，其中0.5≤m<n≤1，生长温度1000℃～1200℃；
S4：在AlGaN缓冲层上生长厚度为1～3μm的N型AlGaN层，生长温度1000℃～1200℃，Si掺杂浓度为1×1018～1×1019cm-3；
S5：在N型AlGaN层上生长新型多量子阱结构，依次生长1～5组厚度为8～15nm的第一量子垒AlxGa1-xN和厚度为1～4nm的第一量子阱AlyGa1-yN、1～3组厚度为2～5nm的第二量子垒AlxGa1-xN和厚度为1～2nm的第二量子阱AlyGa1-yN、1～3组厚度为2～5nm的第三量子垒AlxGa1-xN和厚度为0.5～2nm的第三量子阱AlyyGa1-yN，满足0≤y＜0.4＜x≤0.8，生长温度1000℃～1200℃，压强30～75Torr；
S6：在新型多量子阱结构上生长厚度为10～40nm的电子阻挡层，生长温度1050℃～1250℃，Mg掺杂浓度5×1018～1×1019cm-3；
S7：在电子阻挡层上生长厚度为30～80nm的P型AlGaN层，生长温度1000℃～1200℃，Mg掺杂浓度2×1018～1×1019cm-3；
S8：在P型AlGaN层上生长厚度为5～30nm的P型欧姆接触层，生长温度为900℃～1100℃，Mg掺杂浓度1×1019～3×1019cm-3；
S9：退火，获得多波长发光的紫外LED外延结构。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述S1中在1100℃～1300℃的温度下使用H2对衬底的表面进行清洁。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述S9中在氮气环境下退火，退火温度为700℃～900℃，退火时间为5min～25min。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310593267.5A CN116435430A (zh) | 2023-05-24 | 2023-05-24 | 多波长发光的紫外led外延结构及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310593267.5A CN116435430A (zh) | 2023-05-24 | 2023-05-24 | 多波长发光的紫外led外延结构及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116435430A true CN116435430A (zh) | 2023-07-14 |
Family
ID=87089274
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310593267.5A Pending CN116435430A (zh) | 2023-05-24 | 2023-05-24 | 多波长发光的紫外led外延结构及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116435430A (zh) |
-
2023
- 2023-05-24 CN CN202310593267.5A patent/CN116435430A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11502220B1 (en) | Ultraviolet light emitting diode structures and methods of manufacturing the same | |
| US9024292B2 (en) | Monolithic semiconductor light emitting devices and methods of making the same | |
| EP3989297B1 (en) | Deep-ultraviolet led having thickness chirped superlattice final barrier structure and preparation method | |
| KR101025797B1 (ko) | 질화 갈륨계 화합물 반도체 장치 및 제조방법 | |
| JP2785254B2 (ja) | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 | |
| CN108231960B (zh) | 一种提高光效的AlGaN基半导体紫外器件及其制备方法 | |
| WO2017071400A1 (zh) | 发光二极管及其制作方法 | |
| CN207731944U (zh) | 一种铝镓氮基紫外光源器件的结构 | |
| JP2010010678A (ja) | 量子ドットデバイスおよびその製造方法 | |
| CN112382710A (zh) | 一种具有阶梯型电子阻挡层结构的深紫外led及制备方法 | |
| CN113097359A (zh) | 半导体发光元件 | |
| CN115832132A (zh) | 一种用于水杀菌的深紫外uvc发光二极管及其制备方法 | |
| CN111403568A (zh) | 紫外led外延结构及其制备方法 | |
| CN112242464B (zh) | 一种具有空穴蓄积结构的深紫外led及其制备方法 | |
| WO2023213043A1 (zh) | 具有增强复合型多量子阱的紫外led结构及其生长方法 | |
| CN110224048B (zh) | 一种紫外led外延结构 | |
| CN116435430A (zh) | 多波长发光的紫外led外延结构及其制备方法 | |
| CN115148872A (zh) | 一种深紫外led外延结构及其制备方法 | |
| CN114883466A (zh) | 一种调控深紫外发光二极管有源区内建电场的方法 | |
| CN112242463B (zh) | 一种脉冲掺杂电子阻挡层的深紫外led及其制备方法 | |
| CN112201732B (zh) | 一种紫外led量子阱生长方法 | |
| JP3216596B2 (ja) | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 | |
| CN109755363B (zh) | 一种宽光谱半导体有源器件及其制造方法 | |
| Sakharov et al. | Heterostructure for UV LEDs based on thick AlGaN layers | |
| Philip et al. | Molecular beam epitaxial growth and device characterization of AlGaN nanowire ultraviolet-B light-emitting diodes |
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 |