CN117059714A - 具有增强复合型多量子阱的紫外led结构及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有增强复合型多量子阱的紫外LED结构及其生长方法，其包括按从下至上的顺序依次分布的AlN衬底、AlGaN缓冲层、N型AlGaN接触层、新型多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN接触层。本发明在P型一侧生长低铝组分的量子阱组,其相对于前端的高铝组分量子阱组具有能量更低的导带和能量更高的价带，对电子和空穴的限制作用更强，可以实现电子和空穴的增强复合，提高发光效率，通过调控N型区侧的量子阱组的组分和厚度，可以直接有效地实现对P型区侧量子阱组的应力和质量调控，以实现对发光波长和发光强度的调控，可以广泛应用于UVC和UVB波段的紫外LED的生长和对发光器件的调控，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及属于紫外LED结构技术领域，特别涉及一种具有增强复合型多量子阱的紫外LED结构及其生长方法。
背景技术
以AlGaN材料为核心的紫外波段的LED具有许多有价值的应用，UVC-LED(发光波长200～280nm)可广泛应用于食品及饮用水消毒杀菌、非视距通讯、紫外传感等，UVB-LED(发光波长280～320nm)在银屑病、白癜风等皮肤病的光照治疗，提高食品和动物的维生素D水平、促进次生植物代谢产物等方面也有巨大的应用潜力。
但是目前UVB和UVC波段的LED的效率相对于长波段LED来说还处于相对较低的水平。这很大一部分归因于高铝组分P型AlGaN中空穴的迁移率较低，使得空穴越过电子阻挡层后在多量子阱中的迁移能力不足，导致多量子阱中电子与空穴的复合效率目前还处于较低水准。所以设计并外延生长出优异的多量子阱结构对于提高短波长紫外LED的性能至关重要。
目前，传统短波长紫外LED的外延生长中，多量子阱结构大多都是周期性重复型结构，即量子垒/量子阱/量子垒/量子阱/量子垒…型结构，旨在利用重复阱的结构实现电子和空穴的多阱复合以实现光增强，如专利CN 112768580 A、CN 110112273B、CN103779465B等，这些方法都采用了周期性的多量子阱结构。然而，由于空穴的迁移能力不足，电子和空穴在多量子阱区域的复合能力一般从P型区方向至N型区方向依次减弱，故电子和空穴在多量子阱的每个阱中往往实现不均匀复合，所以一般这种利用重复阱结构实现电子和空穴多阱复合的常规方法对光增强所产生的贡献是有限的，这也在一定程度上导致了目前短波长深紫外LED的EQE还处于一个相对较低的水平。
因此，设计出一种多量子阱结构使得电子和空穴实现更强的有效复合对于短波长紫外LED的研究具有十分重大的意义。
发明内容
针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种具有增强复合型多量子阱的紫外LED结构及其生长方法。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：
一种具有增强复合型多量子阱的紫外LED结构，按从下至上的顺序依次分布的AlN衬底、AlGaN缓冲层、N型AlGaN接触层、新型多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN接触层，所述新型多量子阱结构包括有不同的量子阱组，每个量子阱组由一个或多个相同的量子阱结构构成，每个量子阱结构包括AlGaN型量子垒层以及铝含量低于AlGaN型量子垒层的AlGaN型量子阱层，并满足自下而上不同阱组中阱的铝组分依次降低，且阱和垒的铝组分之差逐渐增大。
一种所述的具有增强复合型多量子阱的紫外LED结构的生长方法，其包括以下步骤：
(1)对AlN衬底进行清洁处理；具体的，选取蓝宝石上的AlN(包括AlN on NPSS(纳米图形化蓝宝石衬底)、AlN on PSS(图形化蓝宝石衬底)、高温退火AlN等)或单晶AlN作为衬底，在1150～1250℃的温度下使用H2对AlN衬底表面进行清洁；
(2)在所述AlN衬底上进行AlN薄膜的再生长，生长厚度100～1μm，生长温度为1100～1350℃，压强为30～70Torr；
(3)在所述AlN衬底上生长超晶格结构以实现位错和应力调控：生长AlxGa1-xN(厚度1～3nm)/AlyGa1-yN(厚度1～3nm)结构，其中0.5≤x<y≤1,生长温度为1000～1200℃，压强为30-75Torr，获得厚度为50～500nm的AlGaN缓冲层；
(4)在所述AlGaN缓冲层生长N型AlGaN接触层，该N型AlGaN接触层为N型AlzGa1-zN结构，其中0.55≤z≤0.75，厚度为500～2.5μm，生长温度为1000～1200℃，压强为30～75Torr，Si掺杂浓度为5x1018～2x1019cm-3；
(5)在所述N型AlGaN接触层上生长新型多量子阱结构，所述新型多量子阱结构包括有不同量子阱组，量子阱组个数介于1至5之间，满足自下而上不同阱组中阱的铝组分依次降低，且阱和垒的铝组分之差逐渐增大。所述量子阱结构由AlxGa1-xN构成，其中0≤x≤1，自下而上最后一个量子阱组中，量子垒层的铝组分与量子阱层的铝组分之差超过30％。具体生长结构为m xAlaGa1-aN/AlbGa1-bN+…+n x AlcGa1-cN/AldGa1-dN,其中满足以下关系：a>b>d,a-b>c-d,c-d≥0.3，1≤m≤5,1≤n≤5，生长温度为1000℃～1200℃，压强为30～75Torr；
(6)在所述新型多量子阱结构上生长电子阻挡层，所述电子阻挡层为AldGa1-dN结构，其中0.6≤d≤0.95。厚度为10～40nm，生长温度为1000～1250℃，压强为30～75Torr，Mg掺杂浓度：5x1018～2x1019cm-3；
(7)在所述电子阻挡层上生长P型AlGaN层；所述P型AlGaN层为AleGa1-eN层结构，其中0.35≤e≤0.65。厚度为30～80nm，生长温度为1000～1200℃，压强为30～75Torr，Mg掺杂浓度：3x1018～1.5x1019cm-3；
(8)在所述P型AlGaN层上生长P型GaN接触层，厚度为5～20nm,生长温度为900～1080℃，压强为75～200Torr，Mg掺杂浓度：5x1019～2x1020cm-3；
(9)降温，在氮气环境下进行退火激活空穴，退火温度为700～900℃，退火时间为10～25min。
本发明的有益效果为：本发明在P型一侧生长低铝组分的量子阱组,其相对于前端的高铝组分量子阱组具有能量更低的导带和能量更高的价带，对电子和空穴的限制作用更强，可以实现电子和空穴的增强复合；而且由于空穴的迁移率比电子低，增强复合区域靠近P型一侧，能有效减小空穴迁移的距离，提高空穴注入效率，进一步提高发光效率。少数载流子会进入靠近N型区侧高铝组分的量子阱组进行复合，其所发出的高能量紫外光可以被靠近P型一侧的低铝组分的量子阱组吸收进行二次激发，提高发光效率；通过调控N型区侧的量子阱组的组分和厚度，可以直接有效地实现对P型区侧量子阱组的应力和质量调控，以实现对发光波长和发光强度的调控；同时也可以实现对电子注入速率的调控，实现电子在有源区中的有效降速以有效避免正向漏电情况的产生。本发明的生长方法可以广泛应用于UVC和UVB波段的紫外LED的生长，可以通过调节量子阱的厚度和铝组分实现以增强复合为基础的出光波长和出光效率的调控。本发明所提供的利用载流子增强限制来实现量子阱光增强的策略也可以广泛应用于其它发光器件的调控，如：紫外激光器、电子束泵浦LED/激光器、紫外垂直腔面激光器(VCSEL)等。
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为新型多量子阱结构示意图。
图2为新型多量子阱结构能带示意简图。
图3为新型多量子阱结构增强载流子限制作用效果的示意简图。
图4为相同注入电流下应用新型多量子阱结构的UVC-LED和常规多量子阱结构的UVC-LED的电致发光光谱对比图。
图5为相同注入电流下应用新型多量子阱结构的UVB-LED和常规多量子阱结构的UVB-LED的电致发光光谱对比图。
具体实施方式
实施例1：本实施例以生长的中心波长为275nm的高亮度UVC-LED为例进行说明：
(1)选取蓝宝石上的AlN(包括AlN on NPSS、高温退火AlN等)或单晶AlN作为衬底，在1200℃左右使用H2对衬底表面进行清洁；
(2)生长厚度为500nm的再生长AlN，生长温度为1100～1350℃，压强30-70Torr；
(3)生长超晶格结构以实现位错和应力调控：生长AlN(厚度1～3nm)/Al0.7Ga0.3N(厚度1～3nm)结构，生长温度为1000～1200℃，压强为30-75Torr；
(4)生长N型Al0.65Ga0.35N接触层：生长厚度为800nm，生长温度为1000～1200℃，压强为30-75Torr，Si掺杂浓度为8x1018cm-3；
(5)生长新型多量子阱：结构为4x Al0.7Ga0.3N(厚度为10nm)/Al0.55Ga0.45N(厚度为2nm)+4x Al0.7Ga0.3N(厚度为10nm)/Al0.4Ga0.6N(厚度为2nm)。生长温度为1000℃～1200℃，压强为30-75Torr，生长过程中可以通过微调控量子阱的Al/Ga比，实现目标波长的发光；
(6)生长P型Al0.8Ga0.2N电子阻挡层，厚度为10～40nm，生长温度为1000～1200℃，压强为30-75Torr，Mg掺杂浓度：5x1018～2x1019cm-3；
(7)生长P型Al0.55Ga0.45N层，厚度为30～80nm，生长温度为1000～1200℃，压强为30-75Torr，Mg掺杂浓度：3x1018～1.5x1019cm-3；
(8)生长P型GaN层，厚度为5～20nm,生长温度为900～1080℃，压强为75-200Torr，Mg掺杂浓度：5x1019～2x1020cm-3；
(9)降温，氮气环境下进行退火激活空穴。退火温度为700～900℃，退火时间为10～25min；
执行上述步骤(1)-(9)后，可生长出发光波长为275nm的UVC-LED，该结构的UVC-LED相比于传统结构来说，电子和空穴会具有更强的限制作用，同时在少数前阱复合所发出的短波长紫外光的重激发的贡献下新型量子阱结构会具有更高的复合效率，从而展现出更高的输出功率。如图4所示，新型多量子阱结构的UVC-LED相对于常规阱结构的对比样品来说具有更高的输出功率。
另外前端高铝组分量子阱组的生长会对电子在有源区内的迁移起到一定减速作用，从而减少正向漏电的产生。
实施例2：本实施例以生长的中心波长为310nm的高亮度UVB-LED为例进行说明：
(1)选取蓝宝石上的AlN(包括AlN on NPSS、高温退火AlN等)或单晶AlN作为衬底，在1200℃左右使用H2对衬底表面进行清洁；
(2)生长厚度为500nm的再生长AlN，生长温度为1100～1350℃，压强30-70Torr；
(3)生长超晶格结构以实现位错和应力调控：生长AlN(厚度1～3nm)/Al0.7Ga0.3N(厚度1～3nm)结构，生长温度为1000～1200℃，压强为30-75Torr；
(4)生长N型Al0.6Ga0.4N接触层：生长厚度为2500nm，生长温度为1000～1200℃，压强为30-75Torr，Si掺杂浓度为8x1018 cm-3；
(5)生长新型多量子阱：结构为4x Al0.6Ga0.4N(厚度为10nm)/Al0.4Ga0.6N(厚度为2nm)+3x Al0.55Ga0.45N(厚度为10nm)/Al0.23Ga0.77N(厚度为2nm)。生长温度为1050℃～1150℃，压强为30-75Torr，生长过程中可以适当调节量子阱的Al/Ga比，实现目标波长的发光；
(6)生长P型Al0.6Ga0.4N电子阻挡层，厚度为10～40nm，生长温度为1000～1200℃，压强为30-75Torr，Mg掺杂浓度：5x1018～2x1019cm-3；
(7)生长P型Al0.35Ga0.65N层，厚度为30～80nm，生长温度为1000～1200℃，压强为30-75Torr，Mg掺杂浓度：3x1018～1.5x1019cm-3；
(8)生长P型GaN层，厚度为5～20nm,生长温度为900～1080℃，压强为75-200Torr，Mg掺杂浓度：5x1019～2x1020cm-3；
(9)降温，氮气环境下进行退火激活空穴。退火温度为700～900℃，退火时间为10～25min。
执行上述步骤(1)-(9)后，可生长出发光波长为310nm的UVB-LED，该结构的UVB-LED相比于传统结构来说，具有以下优势：①首先可以通过前阱的组分和厚度变化来调节P侧主阱组中量子阱生长时的应力状态(可以有效缓解生长过程中的压应力累积)，这对于AlN上中间组分(对应UVB波段组分)的量子阱的生长是至关重要的。②P侧阱组中电子和空穴会具有更强的限制作用，同时在少数前阱复合所发出的短波长紫外光重激发的贡献下新型量子阱结构会具有更高的复合效率，从而展现出更高的输出功率。如图5所示，新型多量子阱结构的UVB-LED相对于常规阱结构的对比样品来说具有更高的输出功率。
其它实施例中，可以利用新型量子阱结构进行不同变式：
1.同垒生长法：所有阱组中的垒采用相同铝组分的AlGaN，同时不同阱组中阱的平均铝组分自下而上依次减少；
2.单独阱组生长法：在N型区侧生长包含m组周期量子阱的阱组(其中1≤m≤7)后，后续的阱组中每一阱组都只包含单一的量子阱。
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。
本发明采用AlGaN多量子阱组，前面的量子阱组中的阱层铝组分大于后面的量子阱组中的阱层铝组分。总得来说，本发明具有以下优点：
1.本发明在靠近P型一侧生长低铝组分的量子阱组,其相对于前端的高铝组分量子阱组具有能量更低的导带和能量更高的价带，对电子和空穴的限制作用更强，可以实现电子和空穴的增强复合；而且由于空穴的迁移率比电子低，增强复合区域靠近P型一侧，能在空穴有限的迁移距离内获得更大的复合效率，进一步提高发光效率；
2.少数载流子会进入靠近N型区侧高铝组分的量子阱组进行复合，其所发出的高能量紫外光可以被靠近P型一侧的低铝组分的量子阱组吸收进行二次激发，提高发光效率；
3.通过调控N型区侧的量子阱组的组分和厚度，可以直接有效地实现对P型区侧量子阱组的应力和质量调控，以实现对发光波长和发光强度的调控；同时也可以实现对电子注入速率的调控，实现电子在有源区中的降速以有效避免正向漏电情况的产生；
4.本发明提供的方法可以广泛应用于UVC和UVB波段的深紫外LED的生长，可以通过调节量子阱的厚度和铝组分实现以增强复合为基础的发光波长的调控，提高发光效率。图4和图5分别为相同注入电流下应用新型多量子阱结构的UVC-LED/UVB-LED和常规多量子阱结构的UVC-LED/UVB-LED的电致发光光谱对比图，可以看到在相同电流注入下，应用新型多量子阱结构的UVC-LED/UVB-LED具有更强的发光强度。本发明所提供的利用载流子增强限制来实现量子阱光增强的策略也可以广泛应用于其它发光器件的调控，如：紫外激光器、电子束泵浦LED/激光器、紫外垂直腔面激光器(VCSEL)等。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。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)
1.一种具有增强复合型多量子阱的紫外LED结构，其特征在于：其包含有新型多量子阱结构，所述新型多量子阱结构包括有不同的量子阱组，每个量子阱组由一个或多个相同的量子阱结构构成，每个量子阱结构包括AlGaN型量子垒层以及铝含量低于AlGaN型量子垒层的AlGaN型量子阱层，并满足自下而上不同阱组中阱的铝组分依次降低，且阱和垒的铝组分之差逐渐增大。
2.根据权利要求1所述具有增强复合型多量子阱的紫外LED结构，其特征在于：所述量子阱组个数介于2至5之间，每个阱组中的量子阱个数介于1至5之间。
3.根据权利要求1所述具有增强复合型多量子阱的紫外LED结构，其特征在于：所述量子阱结构由AlxGa1-xN构成，其中0≤x≤1，自下而上最后一个量子阱组中，量子垒层的铝组分与量子阱层的铝组分之差超过30％。
4.根据权利要求1-3任意一项所述具有增强复合型多量子阱的紫外LED结构，其特征在于：所述新型多量子阱结构之上按由下至上依次分布有电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN接触层，所述新型多量子阱结构之下按由上至下依次分布有N型AlGaN接触层、AlGaN缓冲层和AlN衬底。
5.根据权利要求4所述具有增强复合型多量子阱的紫外LED结构，其特征在于：所述AlN衬底为蓝宝石上的AlN或单晶AlN；所述AlGaN缓冲层为AlxGa1-xN/AlyGa1-yN的超晶格结构，其中0.6≤x<y≤1。
6.根据权利要求4所述具有增强复合型多量子阱的紫外LED结构，其特征在于：所述N型AlGaN接触层为N型AlzGa1-zN结构，其中0.5≤z≤0.75。
7.根据权利要求4所述具有增强复合型多量子阱的紫外LED结构，其特征在于：所述电子阻挡层为AldGa1-dN结构，其中0.6≤d≤0.95。
8.根据权利要求4所述具有增强复合型多量子阱的紫外LED结构，其特征在于：所述P型AlGaN层为AleGa1-eN层结构，其中0.35≤e≤0.65。
9.一种权利要求1-8中任意一项所述的具有增强复合型多量子阱的紫外LED结构的生长方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)对AlN衬底进行清洁处理；
(2)在所述AlN衬底上进行AlN薄膜的再生长；
(3)在所述AlN衬底上生长超晶格结构以实现位错和应力调控，获得AlGaN缓冲层；
(4)在所述AlGaN缓冲层生长N型AlGaN接触层；
(5)在所述N型AlGaN接触层上生长新型多量子阱结构；
(6)在所述新型多量子阱结构上生长电子阻挡层；
(7)在所述电子阻挡层上生长P型AlGaN层；
(8)在所述P型AlGaN层上生长P型GaN接触层；
(9)降温，在氮气环境下进行退火激活空穴。
10.根据权利要求9所述的生长方法，其特征在于：
所述步骤(1)包括以下步骤：选取蓝宝石上的AlN或单晶AlN作为衬底，在1150～1250℃的温度下使用H2对AlN衬底表面进行清洁；
所述步骤(2)中AlN薄膜的生长厚度100～1μm，生长温度为1100～1350℃，压强为30～70Torr；
所述步骤(3)中在温度1000～1200℃、压力30～75Torr生长AlxGa1-xN/AlyGa1-yN结构，其中0.5≤x<y≤1，厚度为50～500nm；
所述步骤(4)中N型AlGaN接触层为N型AlzGa1-zN结构，其中0.55≤z≤0.75，厚度为500～2.5μm，生长温度为1000～1200℃，压强为30～75Torr，Si掺杂浓度为5x1018～2x1019cm-3；
所述步骤(5)中生长新型多量子阱结构的生长结构为mxAlaGa1-aN/AlbGa1-bN+…+nxAlcGa1-cN/AldGa1-dN,其中满足以下关系：2≤阱组个数≤5，a>b>d,c-d>a-b,c-d≥0.3，1≤m≤5,1≤n≤5，生长温度为1000～1200℃，压强为30～75Torr；
所述步骤(6)中电子阻挡层的厚度为10～40nm，生长温度为1000～1250℃，压强为30～75Torr，Mg掺杂浓度：5x1018～2x1019cm-3；
所述步骤(7)中P型AlGaN层的厚度为30～80nm，生长温度为1000～1200℃，压强为30～75Torr，Mg掺杂浓度：3x1018～1.5x1019cm-3；
所述步骤(8)中P型GaN接触层的厚度为5～20nm,生长温度为900～1080℃，压强为75～200Torr，Mg掺杂浓度：5x1019～2x1020cm-3；
所述步骤(9)中退火温度为700～900℃，退火时间为10～25min。
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