CN116845160A - 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、N型接触层、N型布拉格反射层、第一波导层、量子阱有源层、第二波导层、P型布拉格反射层以及P型接触层，其中，N型布拉格反射层为Alx1Gay1In1‑x1‑y1N层与Alx2Gay2In1‑x2‑y2N层交替层叠组成的周期结构，P型布拉格反射层为Alx3Gay3In1‑x3‑y3N层与Alx4Gay4In1‑x4‑y4N层交替层叠组成的周期结构，第一波导层为N型掺杂的Alk1Inj1Ga1‑k1‑j1N材料，且第一波导层中的Al组分含量在N型布拉格反射层至量子阱有源层的方向上线性递减，第二波导层为P型掺杂的Alk2Inj2Ga1‑k2‑j2N材料，且第二波导层中的Al组分含量在量子阱有源层至P型布拉格反射层的方向上线性递增；本发明能有效提高深紫外发光二极管的光萃取效率。
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
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。
目前市场上的深紫外发光二极管无论选用倒装结构还是垂直结构，都是通过背面蓝宝石一侧取光。由于蓝宝石和空气的折射率差距较大，只有小于4％的光在出光角内。同时，AlGaN基的深紫外发光二极管中，AlGaN材料施主、受主杂质离化能随Al组分的增加而增大，降低了载流子的浓度，尤其是P型高Al组分的AlGaN材料的空穴浓度极低，同时补偿中心和散射中心的增多造成其迁移率也降低，使得P型AlGaN材料的电导率极低，并无法与金属电极形成良好的欧姆接触，从而不得不采用P型GaN作为最顶上的电极接触层。但由于P型GaN材料会强烈吸收紫外线，使得深紫外发光二极管从正面出光的效率很低，进而导致深紫外发光二极管的光输出效率偏低。
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，用于改善现有技术的深紫外发光二极管的光输出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、N型接触层、N型布拉格反射层、第一波导层、量子阱有源层、第二波导层、P型布拉格反射层以及P型接触层；
其中，N型布拉格反射层为Alx1Gay1In1-x1-y1N层与Alx2Gay2In1-x2-y2N层交替层叠组成的周期结构，x1、x2、y1以及y2满足以下关系式：0＜x1≤1，0≤y1≤1，0≤x1+y1≤1，0＜x2≤1，0≤y2≤1，0≤x2+y2≤1；P型布拉格反射层为Alx3Gay3In1-x3-y3N层与Alx4Gay4In1-x4-y4N层交替层叠组成的周期结构，x3、x4、y3以及y4满足以下关系式：0＜x3≤1，0≤y3≤1，0≤x3+y3≤1，0＜x4≤1，0≤y4≤1，0≤x4+y4≤1；
其中，第一波导层为N型掺杂的Alk1Inj1Ga1-k1-j1N材料，且第一波导层中的Al组分含量在N型布拉格反射层至量子阱有源层的方向上线性递减，k1以及j1满足以下关系式：0≤k1≤1，0≤j1≤1，0≤k1+j1≤1；第二波导层为P型掺杂的Alk2Inj2Ga1-k2-j2N材料，且第二波导层中的Al组分含量在量子阱有源层至P型布拉格反射层的方向上线性递增，k2以及j2满足以下关系式：0≤k2≤1，0≤j2≤1，0≤k2+j2≤1。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，Alx1Gay1In1-x1-y1N层的厚度为t1，Alx1Gay1In1-x1-y1N层的平均折射率为n1；Alx2Gay2In1-x2-y2N层的厚度为t2，Alx2Gay2In1-x2-y2N层的平均折射率为n2；
其中，t1、t2、n1以及n2满足以下关系式：t1*n1＝t2*n2＝λ/4，λ为量子阱有源层中出射光的中心波长。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，Alx1Gay1In1-x1-y1N层的带隙为E1，Alx2Gay2In1-x2-y2N层的带隙为E2；
其中，E1以及E2满足以下关系式：1240/E1<λ，1240/E2<λ。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，Alx3Gay3In1-x3-y3N层的厚度为t3，Alx3Gay3In1-x3-y3N层的平均折射率为n3；Alx4Gay4In1-x4-y4N层的厚度为t4，Alx4Gay4In1-x4-y4N层的平均折射率为n4；
其中，t3、t4、n3以及n4满足以下关系式：t3*n3＝t4*n4＝λ/4。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，Alx3Gay3In1-x3-y3N层以及Alx4Gay4In1-x4-y4N层中的至少一层的带隙大于量子阱有源层中出射光的光子能量。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，量子阱有源层为势垒层与势阱层交替层叠组成的周期结构，量子阱有源层的周期数范围为2～8；
其中，势垒层的带隙与量子阱有源层中出射光的光子能量的差值大于0.12eV。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，第一波导层的带隙在N型布拉格反射层至量子阱有源层的方向上线性递减，且第一波导层中与量子阱有源层接触的表面的带隙与势垒层的带隙相等。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，第二波导层的带隙在量子阱有源层至P型布拉格反射层的方向上线性递增；
其中，第二波导层中与量子阱有源层接触的表面的带隙与势垒层的带隙相等，且第二波导层中与P型布拉格反射层接触的表面的带隙小于第一波导层中与N型布拉格反射层接触的表面的带隙。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，N型布拉格反射层的周期数为m，P型布拉格反射层的周期数为n；
其中，m的取值范围为5<m<40；n的取值范围为3<n<10。
在本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中，第一波导层的厚度范围为50～1000nm，第二波导层的厚度范围为30～500nm。
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、N型接触层、N型布拉格反射层、第一波导层、量子阱有源层、第二波导层、P型布拉格反射层以及P型接触层，其中，N型布拉格反射层为Alx1Gay1In1-x1-y1N层与Alx2Gay2In1-x2-y2N层交替层叠组成的周期结构，P型布拉格反射层为Alx3Gay3In1-x3-y3N层与Alx4Gay4In1-x4-y4N层交替层叠组成的周期结构，第一波导层为N型掺杂的Alk1Inj1Ga1-k1-j1N材料，且第一波导层中的Al组分含量在N型布拉格反射层至量子阱有源层的方向上线性递减，第二波导层为P型掺杂的Alk2Inj2Ga1-k2-j2N材料，且第二波导层中的Al组分含量在量子阱有源层至P型布拉格反射层的方向上线性递增；本发明通过使用N型布拉格反射层将量子阱有源层向衬底方向发射的第一出射光反射至第一波导层中，并通过使用P型布拉格反射层将量子阱有源层向P型接触层方向发射的第二出射光反射至第二波导层中，从而使得量子阱有源层发射的出射光均从侧面出射，以此提高深紫外发光二极管的光萃取效率，最终提高深紫外发光二极管的发光效率；同时，Al组分渐变的第二波导层用以充当电子阻挡层，以将电子载流子束缚至量子阱有源层中，Al组分渐变的第一波导层用以充当空穴阻挡层，以将空穴载流子束缚至量子阱有源层中，进而提高了量子阱有源层中电子与空穴的复合效率，最终提高了深紫外发光二极管的发光效率。
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。
图3是本发明实施例所提供的深紫外发光二极管在量子阱有源层附近的能带示意图；
图4是本发明实施例所提供的深紫外发光二极管中用于正向出光时的光路示意图。
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4，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、N型接触层、N型布拉格反射层、第一波导层、量子阱有源层、第二波导层、P型布拉格反射层以及P型接触层；
其中，N型布拉格反射层为Alx1Gay1In1-x1-y1N层与Alx2Gay2In1-x2-y2N层交替层叠组成的周期结构，P型布拉格反射层为Alx3Gay3In1-x3-y3N层与Alx4Gay4In1-x4-y4N层交替层叠组成的周期结构，第一波导层为N型掺杂的Alk1Inj1Ga1-k1-j1N材料，且第一波导层中的Al组分含量在N型布拉格反射层至量子阱有源层的方向上线性递减，第二波导层为P型掺杂的Alk2Inj2Ga1-k2-j2N材料，且第二波导层中的Al组分含量在量子阱有源层至P型布拉格反射层的方向上线性递增。
本发明通过使用N型布拉格反射层将量子阱有源层向衬底方向发射的第一出射光反射至第一波导层中，并通过使用P型布拉格反射层将量子阱有源层向P型接触层方向发射的第二出射光反射至第二波导层中，从而使得量子阱有源层发射的出射光均从侧面出射，以此提高深紫外发光二极管的光萃取效率，最终提高深紫外发光二极管的发光效率；同时，Al组分渐变的第一波导层用以充当电子阻挡层，以将电子载流子束缚至量子阱有源层中，Al组分渐变的第二波导层用以充当空穴阻挡层，以将空穴载流子束缚至量子阱有源层中，进而提高了量子阱有源层中电子与空穴的复合效率，最终提高了深紫外发光二极管的发光效率。
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以及图3，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；图3是本发明实施例所提供的深紫外发光二极管100在量子阱有源层16附近的能带示意图；具体地，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、N型接触层13、N型布拉格反射层14、第一波导层15、量子阱有源层16、第二波导层17、P型布拉格反射层18以及P型接触层19；
其中，N型布拉格反射层14为Alx1Gay1In1-x1-y1N层与Alx2Gay2In1-x2-y2N层交替层叠组成的周期结构，P型布拉格反射层18为Alx3Gay3In1-x3-y3N层与Alx4Gay4In1-x4-y4N层交替层叠组成的周期结构，第一波导层15为N型掺杂的Alk1Inj1Ga1-k1-j1N材料，且第一波导层15中的Al组分含量在N型布拉格反射层14至量子阱有源层16的方向上线性递减，第二波导层17为P型掺杂的Alk2Inj2Ga1-k2-j2N材料，且第二波导层17中的Al组分含量在量子阱有源层16至P型布拉格反射层18的方向上线性递增。
在本发明实施例中，衬底11为纳米图案化的蓝宝石材料；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模板层；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；模板层为氮化铝，其生长温度的范围在1100摄氏度至1300摄氏度之间，其厚度范围在500nm至4000nm之间。
在本发明实施例中，N型接触层13的材料为硅掺杂的氮化铝镓材料，掺杂剂为SiH4；其中，N型接触层13中铝元素的组分范围在20％至90％之间，N型接触层13厚度范围在500nm至4000nm之间，N型接触层13的生长温度的范围在1000摄氏度至1250摄氏度之间。
在本发明实施例中，N型布拉格反射层14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Alx1Gay1In1-x1-y1N层以及Alx2Gay2In1-x2-y2N层；
其中，x1以及y1满足以下关系式：0＜x1≤1，0≤y1≤1，0≤x1+y1≤1；x2以及y2满足以下关系式：0＜x2≤1，0≤y2≤1，0≤x2+y2≤1。
具体地，Alx1Gay1In1-x1-y1N层的厚度为t1，Alx1Gay1In1-x1-y1N层的平均折射率为n1；Alx2Gay2In1-x2-y2N层的厚度为t2，Alx2Gay2In1-x2-y2N层的平均折射率为n2；
其中，t1、t2、n1以及n2满足以下关系式：t1*n1＝t2*n2＝λ/4，λ为量子阱有源层16中出射光的中心波长。
进一步地，上述设计使得N型布拉格反射层14的超晶格周期结构中的每一个子层均为分布式布拉格反射镜，其一方面可以进一步反射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，另一方面更可以进一步有效提高深紫外发光二极管100的亮度。
具体地，N型布拉格反射层14中掺杂剂为含硅的N型掺杂剂，这样有利于提供大量电子载流子，充当电子注入层。
具体地，N型布拉格反射层14中堆叠结构的层数范围(m)在5至40之间。其中，当N型布拉格反射层14中堆叠结构的层数小于5时，使得N型布拉格反射层14反射量子阱有源层16沿衬底11方向发射的出射光的效果不太明显；当N型布拉格反射层14中堆叠结构的层数大于40时，会导致所述深紫外发光二极管100的电子输入能力变差。
具体地，Alx1Gay1In1-x1-y1N层的带隙为E1，Alx2Gay2In1-x2-y2N层的带隙为E2；其中，E1以及E2满足以下关系式：1240/E1<λ，1240/E2<λ(E1与E2的单位为电子伏)。这样设置是为了保证对量子阱有源层16的出射光的波长来说，N型布拉格反射层14为透明的；即确保量子阱有源层16沿衬底11方向发射的出射光的光子不被N型布拉格反射层14吸收，使得该出射光能反射回去。
在本发明实施例中，第一波导层15为N型掺杂的Alk1Inj1Ga1-k1-j1N材料，且第一波导层15中的Al组分含量在N型布拉格反射层14至量子阱有源层16的方向上线性递减，k1以及j1满足以下关系式：0≤k1≤1，0≤j1≤1，0≤k1+j1≤1。
具体地，第一波导层15的厚度范围为50～1000nm；第一波导层15的带隙在N型布拉格反射层14至量子阱有源层16的方向上线性递减，且第一波导层15中与量子阱有源层16接触的表面的带隙与势垒层161的带隙相等。
其中，第一波导层15的带隙在N型布拉格反射层14至量子阱有源层16的方向上线性递减可以对空穴载流子形成漏斗状约束，使空穴载流子尽可能地束缚在量子阱有源层16中。
在本发明实施例中，量子阱有源层16设置于第一波导层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。
具体地，量子阱有源层16包括交替设置的至少一个势阱层162和至少两个势垒层161，每个势阱层162插入在两个相邻的势垒层161之间；其中，势阱层162以及势垒层161的材质均为AlInGaN多元材料，势垒层161和势阱层162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162的铝组分总含量比每一层势垒层161的铝组分总含量低，这样是为了确保量子阱有源层16中的载流子被限制在势阱层162内。
进一步地，量子阱有源层16的周期数范围为2～8；势阱层162的厚度范围为5nm～30nm，势阱层162的Al组分含量占比为大于或者等于20％且小于100％；势阱层162的厚度范围为0.1nm～5nm，Al组分为大于0且小于或者等于80％。
进一步地，势垒层161的带隙与量子阱有源层16中出射光的光子能量的差值大于0.12eV。这样是为了确保势垒层161不吸收光子。
在本发明实施例中，第二波导层17为P型掺杂的Alk2Inj2Ga1-k2-j2N材料，且第二波导层17中的Al组分含量在量子阱有源层16至P型布拉格反射层18的方向上线性递增，k2以及j2满足以下关系式：0≤k2≤1，0≤j2≤1，0≤k2+j2≤1。
具体地，第二波导层17的厚度范围为30～500nm；第二波导层17的带隙在量子阱有源层16至P型布拉格反射层18的方向上线性递增；
其中，第二波导层17中与量子阱有源层16接触的表面的带隙与势垒层161的带隙相等，且第二波导层17中与P型布拉格反射层18接触的表面的带隙小于第一波导层15中与N型布拉格反射层14接触的表面的带隙。这样设计是为了保证电子的迁移率大于空穴的迁移率，以使第二波导层17形成电子阻挡层，进而使电子载流子尽可能地束缚在量子阱有源层16中。
在本发明实施例中，P型布拉格反射层18设置于第二波导层17上，P型布拉格反射层18为Alx3Gay3In1-x3-y3N层与Alx4Gay4In1-x4-y4N层交替层叠组成的周期结构，x3、x4、y3以及y4满足以下关系式：0＜x3≤1，0≤y3≤1，0≤x3+y3≤1，0＜x4≤1，0≤y4≤1，0≤x4+y4≤1。
具体地，Alx3Gay3In1-x3-y3N层的厚度为t3，Alx3Gay3In1-x3-y3N层的平均折射率为n3；Alx4Gay4In1-x4-y4N层的厚度为t4，Alx4Gay4In1-x4-y4N层的平均折射率为n4；
其中，t3、t4、n3以及n4满足以下关系式：t3*n3＝t4*n4＝λ/4。
进一步地，上述设计使得P型布拉格反射层18的超晶格周期结构中的每一个子层均为分布式布拉格反射镜，其一方面可以进一步反射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，另一方面更可以进一步有效提高深紫外发光二极管100的亮度。
具体地，P型布拉格反射层18中掺杂剂为含镁的P型掺杂剂，这样有利于提供大量空穴载流子，充当空穴注入层。
具体地，P型布拉格反射层18中堆叠结构的层数范围(n)在3至10之间。其中，当N型布拉格反射层14中堆叠结构的层数小于3时，使得P型布拉格反射层18反射量子阱有源层16沿衬底11方向发射的出射光的效果不太明显；当P型布拉格反射层18中堆叠结构的层数大于10时，会导致所述深紫外发光二极管100的空穴输入能力变差。
具体地，Alx3Gay3In1-x3-y3N层以及Alx4Gay4In1-x4-y4N层中的至少一层的带隙大于量子阱有源层16中出射光的光子能量。这样设置是为了减少P型布拉格反射层18吸收量子阱有源层16的出射光。
在本发明实施例中，本发明的深紫外发光二极管100还包括P型接触层19，P型接触层19设置P型布拉格反射层18上，P型接触层19的生长温度范围在600摄氏度至900摄氏度之间；其中，P型接触层19的材料为P型掺杂的GaN材料，P型接触层19的厚度范围在5nm至50nm之间，P型接触层19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110和P型电极111；
其中，N型接触层13与N型布拉格反射层14形成台阶状结构，且N型布拉格反射层14的面积小于N型接触层13的面积，P型电极111设置于P型接触层19上，N型电极110设置于N型接触层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，上述外延生长方法在Veeco K465i型号的MOCVD(金属有机化合物化学气相沉积)设备中进行，其中，采用高纯H2或高纯N2或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源，三甲基镓(TMGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂，MOCVD设备中反应腔的压力控制在20～100torr。
进一步地，上述外延生长方法的具体步骤如下：
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为纳米图案化的蓝宝石材料；
之后，在400摄氏度～800摄氏度的生长温度下，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1100摄氏度至1300摄氏度之间，在低温缓冲层上生长AlN材质的模板层，模板层的厚度范围在500nm至4000nm之间。其中，低温缓冲层以及模板层构成本征层12。
S20，在本征层12上外延生长N型接触层13。
具体的，S20还包括：
将生长温度降低至1000摄氏度至1250摄氏度之间；之后，在本征层12外延生长N型接触层13。
S30，在N型接触层13上外延生长N型布拉格反射层14。
具体地，S30还包括：
维持生长温度不变，在N型接触层13上外延生长N型布拉格反射层14；具体地，N型布拉格反射层14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Alx1Gay1In1-x1-y1N层以及Alx2Gay2In1-x2-y2N层；
其中，x1以及y1满足以下关系式：0＜x1≤1，0≤y1≤1，0≤x1+y1≤1；x2以及y2满足以下关系式：0＜x2≤1，0≤y2≤1，0≤x2+y2≤1。
进一步地，Alx1Gay1In1-x1-y1N层的厚度为t1，Alx1Gay1In1-x1-y1N层的平均折射率为n1；Alx2Gay2In1-x2-y2N层的厚度为t2，Alx2Gay2In1-x2-y2N层的平均折射率为n2；
其中，t1、t2、n1以及n2满足以下关系式：t1*n1＝t2*n2＝λ/4，λ为量子阱有源层16中出射光的中心波长。
进一步地，N型布拉格反射层14的周期数为m，5<m<20。
S40，在N型布拉格反射层14上外延生长第一波导层15。
具体地，S40还包括：
维持生长温度不变，在N型布拉格反射层14上外延生长第一波导层15；
具体地，第一波导层15为N型掺杂的Alk1Inj1Ga1-k1-j1N材料，且第一波导层15中的Al组分含量在N型布拉格反射层14至量子阱有源层16的方向上线性递减，k1以及j1满足以下关系式：0≤k1≤1，0≤j1≤1，0≤k1+j1≤1。
具体地，第一波导层15的厚度范围为50～1000nm；第一波导层15的带隙在N型布拉格反射层14至量子阱有源层16的方向上线性递减，且第一波导层15中与量子阱有源层16接触的表面的带隙与势垒层161的带隙相等。
S50，在第一波导层15上外延生长量子阱有源层16。
具体地，S50还包括：
维持生长温度不变，在第一波导层15上外延生长量子阱有源层16；
具体地，量子阱有源层16包括交替设置的至少一个势阱层162和至少两个势垒层161，每个势阱层162插入在两个相邻的势垒层161之间；其中，量子阱有源层16的周期数为2～8。
S60，在量子阱有源层16上外延生长第二波导层17。
具体的，S60还包括：
维持生长温度不变，在量子阱有源层16上外延生长第二波导层17；
具体地，第二波导层17为P型掺杂的Alk2Inj2Ga1-k2-j2N材料，且第二波导层17中的Al组分含量在量子阱有源层16至P型布拉格反射层18的方向上线性递增，k2以及j2满足以下关系式：0≤k2≤1，0≤j2≤1，0≤k2+j2≤1。
具体地，第二波导层17的厚度范围为30～500nm；第二波导层17的带隙在量子阱有源层16至P型布拉格反射层18的方向上线性递增；其中，第二波导层17中与量子阱有源层16接触的表面的带隙与势垒层161的带隙相等，且第二波导层17中与P型布拉格反射层18接触的表面的带隙小于第一波导层15中与N型布拉格反射层14接触的表面的带隙。
S70，在第二波导层17上外延生长P型布拉格反射层18。
具体的，S70还包括：
维持生长温度不变，在第二波导层17上外延生长P型布拉格反射层18；
具体地，P型布拉格反射层18为Alx3Gay3In1-x3-y3N层与Alx4Gay4In1-x4-y4N层交替层叠组成的周期结构，x3、x4、y3以及y4满足以下关系式：0＜x3≤1，0≤y3≤1，0≤x3+y3≤1，0＜x4≤1，0≤y4≤1，0≤x4+y4≤1。
具体地，Alx3Gay3In1-x3-y3N层的厚度为t3，Alx3Gay3In1-x3-y3N层的平均折射率为n3；Alx4Gay4In1-x4-y4N层的厚度为t4，Alx4Gay4In1-x4-y4N层的平均折射率为n4；
其中，t3、t4、n3以及n4满足以下关系式：t3*n3＝t4*n4＝λ/4。
进一步地，P型布拉格反射层18的周期数为n，3<n<10。
S80，在P型布拉格反射层18上外延生长P型接触层19。
具体的，S80还包括：
将生长温度降低到600摄氏度至900摄氏度之间，在P型布拉格反射层18上外延生长P型接触层19；其中，P型接触层19的材料为P型掺杂的氮化镓材料，P型接触层19的厚度范围在5nm至50nm之间，P型接触层19采用二茂镁作为P型掺杂剂。
之后，在N型接触层13的台阶结构处设置N型电极110，N型电极110与N型布拉格反射层14相对且间隔设置；最后，在P型接触层19上形成P型电极111。
请参阅图3，图3是本发明实施例所提供的深紫外发光二极管100在量子阱有源层16附近的能带示意图；其中，由图3可知，量子阱有源层16中势垒层161的带隙大于势阱层162的带隙；第一波导层15的带隙在N型布拉格反射层14至量子阱有源层16的方向上线性递减，且第一波导层15中与量子阱有源层16接触的表面的带隙与势垒层161的带隙相等；
第二波导层17的带隙在量子阱有源层16至P型布拉格反射层18的方向上线性递增；其中，第二波导层17中与量子阱有源层16接触的表面的带隙与势垒层161的带隙相等，且第二波导层17中与P型布拉格反射层18接触的表面的带隙小于第一波导层15中与N型布拉格反射层14接触的表面的带隙。
请参阅图4，图4是本发明实施例所提供的深紫外发光二极管100中用于正向出光时的光路示意图。具体地，由于N型布拉格反射层14的存在，使得量子阱有源层16向衬底11方向发射的第一出射光反射至第一波导层15中；同时，由于P型布拉格反射层18的存在，使得量子阱有源层16向P型接触层19方向发射的第二出射光反射至第二波导层17中，从而使得量子阱有源层16发射的出射光均从侧面出射，以此提高深紫外发光二极管100的光萃取效率，最终提高深紫外发光二极管100的发光效率。
进一步地，为了使深紫外发光二极管100达到正面出光的效果，深紫外发光二极管100还包括杯状结构的反射支架20，当上述深紫外发光二极管100的外延结构封装后，反射支架20可以反射深紫外发光二极管100从侧面发射的出射光，进而使深紫外发光二极管100达到正面出光的效果。
进一步地，反射支架20为表面镀铝的封装支架。
具体地，通过上述方法制备了一种深紫外发光二极管100，并与现有技术的深紫外发光二极管100进行对比，各实施例的具体膜层结构如下：
实施例1：
本发明实施例1提供的深紫外发光二极管100的膜层结构由下至上依次如下所示：
衬底11，材料为蓝宝石材料；
本征层12，包括低温缓冲层以及模板层，低温缓冲层的材料为氮化铝，低温缓冲层的厚度为20nm，模板层的材料为氮化铝，模板层的厚度为2000nm；
N型接触层13，材料为Si掺杂的氮化铝镓材料，其中，N型接触层13中的Al组分占N型接触层13的质量百分数为50％，厚度为30nm；
N型布拉格反射层14，材料为Si掺杂的Al0.9Ga0.1N层与Al0.5Ga0.5N层交替层叠组成的周期结构，Al0.9Ga0.1N层的厚度为29nm，Al0.5Ga0.5N层的厚度为27.5nm，周期数为15；
第一波导层15，材料为Si掺杂的AlGaN材料，第一波导层15中的Al组分含量在N型布拉格反射层14至量子阱有源层16的方向上由0.7线性递减至0.5，第一波导层15的厚度为1000nm；
量子阱有源层16中，材质为氮化铝镓，势垒层161中Al组分含量占比为50％，势垒层161的厚度为10nm；势阱层162中Al组分含量占比为40％，势阱层162的厚度为2nm，量子阱周期数为5个；
第二波导层17，材料为Mg掺杂的AlGaN材料，第二波导层17中的Al组分含量在量子阱有源层16至P型布拉格反射层18的方向上由0.5线性增加至0.65，第二波导层17的厚度为200nm；
P型布拉格反射层18，材料为Mg掺杂的Al0.8Ga0.2N层与Al0.3Ga0.7N层交替层叠组成的周期结构，Al0.8Ga0.2N层的厚度为28nm，Al0.3Ga0.7N层的厚度为27.2nm，周期数为10；
P型接触层19，材料为Mg掺杂的GaN材料，厚度为30nm；
进一步地，采用常规方法在N型接触层13上均设置N型电极110，并在P型接触层19上均设置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。
对比实施例：
对比实施例提供的深紫外发光二极管100采用常规工艺制备，其膜层结构由下至上依次如下所示：
衬底11，材料为蓝宝石材料；
本征层12，包括低温缓冲层以及模板层，低温缓冲层的材料为氮化铝，低温缓冲层的厚度为20nm，模板层的材料为氮化铝，模板层的厚度为2000nm；
N型接触层13，材料为Si掺杂的氮化铝镓材料，其中，N型接触层13中的Al组分占N型接触层13的质量百分数为50％，厚度为30nm；
电子注入层，材料为Si掺杂的氮化铝镓材料，其中，电子注入层中的Al组分占电子注入层的质量百分数为50％，厚度为2000nm；
量子阱有源层16中，材质为氮化铝镓，势垒层161中Al组分含量占比为50％，势垒层161的厚度为10nm；势阱层162中Al组分含量占比为40％，势阱层162的厚度为2nm，量子阱周期数为5个；
电子阻挡层，材质为Mg掺杂的单层AlGaN结构，厚度为200nm，Al组分的质量百分数为60％；
空穴注入层，材质为Mg掺杂的氮化铝镓材料，空穴注入层的铝组分的质量百分数为50％，厚度为600nm；
P型接触层19，材料为Mg掺杂的GaN材料，厚度为30nm；
进一步地，采用常规方法在N型接触层13上均设置N型电极110，并在P型接触层19上均设置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。
最后，在100mA驱动电流的作用下，分别测试上述两种深紫外发光二极管100在发光波长为265nm时的光输出效率(mW)，其实验结果参见表1所示：
表1
由上表1可知，将实施例1与对比实施例进行对比可知，本发明提供的深紫外发光二极管100(实施例1)相比标准工艺制备的深紫外发光二极管100(对比实施例)具有更高的光输出效率。
本发明提出一种深紫外发光二极管100外延生长方法，通过N型布拉格反射层14以及P型布拉格反射层18的反射，形成侧向出光方式，封装后通过杯状结构反射后达到正面出光的效果。本发明克服背面出光角度小的问题，提高深紫外发光二极管100的发光效率。
综上，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，包括由下至上层叠设置的衬底11、本征层12、N型接触层13、N型布拉格反射层14、第一波导层15、量子阱有源层16、第二波导层17、P型布拉格反射层18以及P型接触层19，其中，N型布拉格反射层14为Alx1Gay1In1-x1-y1N层与Alx2Gay2In1-x2-y2N层交替层叠组成的周期结构，P型布拉格反射层18为Alx3Gay3In1-x3-y3N层与Alx4Gay4In1-x4-y4N层交替层叠组成的周期结构，第一波导层15为N型掺杂的Alk1Inj1Ga1-k1-j1N材料，且第一波导层15中的Al组分含量在N型布拉格反射层14至量子阱有源层16的方向上线性递减，第二波导层17为P型掺杂的Alk2Inj2Ga1-k2-j2N材料，且第二波导层17中的Al组分含量在量子阱有源层16至P型布拉格反射层18的方向上线性递增；本发明通过使用N型布拉格反射层14将量子阱有源层16向衬底11方向发射的第一出射光反射至第一波导层15中，并通过使用P型布拉格反射层18将量子阱有源层16向P型接触层19方向发射的第二出射光反射至第二波导层17中，从而使得量子阱有源层16发射的出射光均从侧面出射，以此提高深紫外发光二极管100的光萃取效率，最终提高深紫外发光二极管100的发光效率；同时，Al组分渐变的第二波导层17用以充当电子阻挡层，以将电子载流子束缚至量子阱有源层16中，Al组分渐变的第一波导层15用以充当空穴阻挡层，以将空穴载流子束缚至量子阱有源层16中，进而提高了量子阱有源层16中电子与空穴的复合效率，最终提高了深紫外发光二极管100的发光效率。
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、N型接触层、N型布拉格反射层、第一波导层、量子阱有源层、第二波导层、P型布拉格反射层以及P型接触层；
其中，所述N型布拉格反射层为Alx1Gay1In1-x1-y1N层与Alx2Gay2In1-x2-y2N层交替层叠组成的周期结构，x1、x2、y1以及y2满足以下关系式：0＜x1≤1，0≤y1≤1，0≤x1+y1≤1，0＜x2≤1，0≤y2≤1，0≤x2+y2≤1；所述P型布拉格反射层为Alx3Gay3In1-x3-y3N层与Alx4Gay4In1-x4-y4N层交替层叠组成的周期结构，x3、x4、y3以及y4满足以下关系式：0＜x3≤1，0≤y3≤1，0≤x3+y3≤1，0＜x4≤1，0≤y4≤1，0≤x4+y4≤1；
其中，所述第一波导层为N型掺杂的Alk1Inj1Ga1-k1-j1N材料，且所述第一波导层中的Al组分含量在所述N型布拉格反射层至所述量子阱有源层的方向上线性递减，k1以及j1满足以下关系式：0≤k1≤1，0≤j1≤1，0≤k1+j1≤1；所述第二波导层为P型掺杂的Alk2Inj2Ga1-k2- j2N材料，且所述第二波导层中的Al组分含量在所述量子阱有源层至所述P型布拉格反射层的方向上线性递增，k2以及j2满足以下关系式：0≤k2≤1，0≤j2≤1，0≤k2+j2≤1。
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Alx1Gay1In1-x1-y1N层的厚度为t1，所述Alx1Gay1In1-x1-y1N层的平均折射率为n1；所述Alx2Gay2In1-x2-y2N层的厚度为t2，所述Alx2Gay2In1-x2-y2N层的平均折射率为n2；
其中，t1、t2、n1以及n2满足以下关系式：t1*n1＝t2*n2＝λ/4，λ为所述量子阱有源层中出射光的中心波长。
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Alx1Gay1In1-x1-y1N层的带隙为E1，所述Alx2Gay2In1-x2-y2N层的带隙为E2；
其中，E1以及E2满足以下关系式：1240/E1<λ，1240/E2<λ。
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Alx3Gay3In1-x3-y3N层的厚度为t3，所述Alx3Gay3In1-x3-y3N层的平均折射率为n3；所述Alx4Gay4In1-x4-y4N层的厚度为t4，所述Alx4Gay4In1-x4-y4N层的平均折射率为n4；
其中，t3、t4、n3以及n4满足以下关系式：t3*n3＝t4*n4＝λ/4。
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Alx3Gay3In1-x3-y3N层以及所述Alx4Gay4In1-x4-y4N层中的至少一层的带隙大于所述量子阱有源层中出射光的光子能量。
6.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述量子阱有源层为势垒层与势阱层交替层叠组成的周期结构，所述量子阱有源层的周期数范围为2～8；
其中，所述势垒层的带隙与所述量子阱有源层中出射光的光子能量的差值大于0.12eV。
7.根据权利要求6所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述第一波导层的带隙在所述N型布拉格反射层至所述量子阱有源层的方向上线性递减，且所述第一波导层中与所述量子阱有源层接触的表面的带隙与所述势垒层的带隙相等。
8.根据权利要求7所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述第二波导层的带隙在所述量子阱有源层至所述P型布拉格反射层的方向上线性递增；
其中，所述第二波导层中与所述量子阱有源层接触的表面的带隙与所述势垒层的带隙相等，且所述第二波导层中与所述P型布拉格反射层接触的表面的带隙小于所述第一波导层中与所述N型布拉格反射层接触的表面的带隙。
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N型布拉格反射层的周期数为m，所述P型布拉格反射层的周期数为n；
其中，m的取值范围为5<m<40；n的取值范围为3<n<10。
10.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述第一波导层的厚度范围为50～1000nm，所述第二波导层的厚度范围为30～500nm。
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