CN117153964A - 深紫外发光二极管外延片及其制备方法、深紫外led - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深紫外发光二极管外延片及其制备方法、深紫外LED，所述深紫外发光二极管外延片包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、非掺杂AlGaN层、复合N型半导体层、有源层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；所述复合N型半导体层包括至少一个复合层，所述复合层包括依次层叠的N型AlGaN层、BN层、SiN层。本发明提供的深紫外发光二极管外延片能够提高N型半导体层晶体质量，释放N型半导体层应力，降低外延层缺陷密度，提升紫外深紫外发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种深紫外发光二极管外延片及其制备方法、深紫外LED。
背景技术
近年来，采用基材料制作的发光二极管(LED)、激光器(LD)等光电器件，在学术界和企业界引起了广泛的关注和兴趣。GaN材料领域的进步促进了高亮度LED的商业化应用，并且人们也意识到了可以使用材料制作寿命超过的10000h的激光器。目前，生长高Al组分的薄膜的一个挑战是获得低位错密度、高晶体质量的材料。在AlGaN生长过程中，Al原子与表面的黏附系数远大于Ga原子，故其在表面的移动性就比较差，生长中很难到达最合适的格点位置，而是就近成核生长，因此在成核层生长时会形成高密度的小岛，导致后续成核小岛合并产生大量的位错，使得AlGaN外延层晶体质量下降，甚至导致AlGaN外延层薄膜龟裂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种深紫外发光二极管外延片，其能够提高N型半导体层晶体质量，释放N型半导体层应力，降低外延层缺陷密度，提升紫外深紫外发光二极管的发光效率。
本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种深紫外发光二极管外延片的制备方法，其工艺简单，能够稳定制得发光效率良好的深紫外发光二极管外延片。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种深紫外发光二极管外延片，包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、非掺杂AlGaN层、复合N型半导体层、有源层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；
所述复合N型半导体层包括至少一个复合层，所述复合层包括依次层叠的N型AlGaN层、BN层、SiN层。
在一种实施方式中，所述N型AlGaN层的Si掺杂浓度呈梯形变化，Si掺杂浓度沿生长方向先升高，后维持恒定不变，再下降。
在一种实施方式中，所述N型AlGaN层的Si掺杂浓度为1×1017atoms/cm3～1×1021atoms/cm3；
所述N型AlGaN层的Al组分为0.01～0.8。
在一种实施方式中，所述第N型AlGaN层的厚度为50nm～500nm；
所述BN层的厚度为1nm～10nm；
所述SiN层的厚度为1nm～10nm。
在一种实施方式中，所述复合N型半导体层包括1～50个复合层。
为解决上述问题，本发明还提供了一种深紫外发光二极管外延片的制备方法，包括以下步骤：
S1、准备衬底；
S2、在所述衬底上依次沉积缓冲层、非掺杂AlGaN层、复合N型半导体层、有源层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；
所述复合N型半导体层包括至少一个复合层，所述复合层包括依次层叠的N型AlGaN层、BN层、SiN层。
在一种实施方式中，所述N型AlGaN层采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在1000℃～1300℃，压力控制在50torr～500torr，通入N2、H2和NH3，N2、H2和NH3的通入比例为1：(1～10)：(1～10)，通入N源、Ga源、Al源、Si源，生长所述N型AlGaN层。
在一种实施方式中，所述BN层采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在1000℃～1300℃，压力控制在50torr～500torr，通入N2、H2和NH3，N2、H2和NH3的通入比例为1：(1～10)：(1～10)，通入N源、B源，生长所述BN层。
在一种实施方式中，所述SiN层采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在1000℃～1300℃，压力控制在50torr～500torr，通入N2、H2和NH3，N2、H2和NH3的通入比例为1：(1～10)：(1～10)，通入N源、Si源，生长所述SiN层。
相应地，本发明还提供了一种深紫外LED，所述深紫外LED包括上述的深紫外发光二极管外延片。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明提供的深紫外发光二极管外延片，其具有特定结构的复合N型半导体层，所述复合N型半导体层包括至少一个复合层，所述复合层包括依次层叠的N型AlGaN层、BN层、SiN层。
首先，所述N型AlGaN层通过足够的Si掺杂浓度为紫外LED发光提供充足电子与空穴发生复合，提高发光二极管载流子的复合效率。并且，通过足够的Si掺杂可以有效的降低N型AlGaN层的电阻率，降低发光二极管的工作电压。其次，在所述N型AlGaN层上沉积BN层，通过BN层引入张应力，平衡累积的压应力，提高N型AlGaN层的晶体质量。再次，在BN层后沉积SiN层，降低复合N型半导体层的缺陷密度，减少缺陷产生的非辐射复合。最后，所述复合N型半导体层包括至少一个复合层，采用多周期交叠结构能够通过多次的引入张应力及降低缺陷密度，大大提高了复合N型半导体层的晶体质量，提高了发光二极管的发光效率。
附图说明
图1为本发明提供的深紫外发光二极管外延片的结构示意图；
图2为本发明提供的深紫外发光二极管外延片的复合层的结构示意图；
图3为本发明提供的深紫外发光二极管外延片的制备方法的流程图；
图4为本发明提供的深紫外发光二极管外延片的制备方法的步骤S2的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明作进一步地详细描述。
除非另外说明或存在矛盾之处，本文中使用的术语或短语具有以下含义：
本发明中，“优选”仅为描述效果更好的实施方式或实施例，应当理解，并不构成对本发明保护范围的限制。
本发明中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。
本发明中，涉及到数值区间，如无特别说明，则包括数值区间的两个端点。
为解决上述问题，本发明提供了一种深紫外发光二极管外延片，如图1、图2所示，包括衬底1，所述衬底1上依次设有缓冲层2、非掺杂AlGaN层3、复合N型半导体层4、有源层5、电子阻挡层6、P型AlGaN层7和P型接触层8；
所述复合N型半导体层4包括至少一个复合层41，所述复合层41包括依次层叠的N型AlGaN层411、BN层412、SiN层413。
所述复合N型半导体层4的具体结构如下：
在一种实施方式中，所述N型AlGaN层411的Si掺杂浓度为1×1017atoms/cm3～1×1021atoms/cm3；优选地，所述N型AlGaN层411的Si掺杂浓度为1×1018atoms/cm3～1×1020atoms/cm3。所述N型AlGaN层通过足够的Si掺杂浓度为紫外LED发光提供充足电子与空穴发生复合，提高发光二极管载流子的复合效率。并且，通过足够的Si掺杂可以有效的降低N型AlGaN层的电阻率，降低发光二极管的工作电压。在一种实施方式中，所述N型AlGaN层411的Al组分为0.01～0.8。优选地，所述N型AlGaN层411的Al组分为0.1～0.7。在一种实施方式中，所述N型AlGaN层411的厚度为50nm～500nm；所述N型AlGaN层411的示例性厚度为100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm，但不限于此。
进一步地，在一种实施方式中，所述N型AlGaN层411的Si掺杂浓度呈梯形变化，Si掺杂浓度沿生长方向先升高，后维持恒定不变，再下降。需要说明的是，所述N型AlGaN层411的Si掺杂浓度不是均匀不变的，示例性地，所述N型AlGaN层411内包含3个子层，第一子层的Si掺杂浓度沿生长方向递增，第二子层的Si掺杂浓度不变，第三子层的Si掺杂浓度沿生长方向递减。优选地，所述N型AlGaN层411内包含3个子层，分别为第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层的Si掺杂浓度沿生长方向由1×1017atoms/cm3递增到1×1021atoms/cm3，所述第二子层的Si掺杂浓度维持在1×1021atoms/cm3，所述第三子层的Si掺杂浓度沿生长方向由1×1021atoms/cm3递减到1×1017atoms/cm3。更佳地，第一子层、第二子层与第三子层的厚度比为1：(1～20)：1。所述本发明所述N型AlGaN层411的Si掺杂方式呈梯形变化，可以提高N型AlGaN层411的晶体质量，同时N型AlGaN层411靠近有源层的Si掺杂浓度较低，提高电子向有源层注入电子的均匀度。
在一种实施方式中，所述BN层412的厚度为1nm～10nm；所述BN层412的示例性厚度为2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm，但不限于此。本发明在所述N型AlGaN层411上沉积BN层412，通过BN层412引入张应力，平衡累积的压应力，提高N型AlGaN层411的晶体质量。
在一种实施方式中，所述SiN层413的厚度为1nm～10nm；所述SiN层413的示例性厚度为2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm，但不限于此。本发明在BN层412后沉积SiN层413，降低复合N型半导体层的缺陷密度，减少缺陷产生的非辐射复合。
在一种实施方式中，所述复合N型半导体层4包括1～50个复合层42，优选地，所述复合N型半导体层4包括2～49个复合层42。本发明采用多周期交叠结构能够通过多次的引入张应力及降低缺陷密度，大大提高了复合N型半导体层的晶体质量，提高了发光二极管的发光效率。
相应地，本发明提供了一种深紫外发光二极管外延片的制备方法，如图3所示，包括以下步骤：
S1、准备衬底1；
在一种实施方式中，衬底1选用硅衬底。硅衬底尺寸大、价格便宜，可以降低外延生长成本。对比硬度大、导热导、电性质差的蓝石衬底有较大优势，而且简化衬底减薄加工工艺，降低成本。
S2、在所述衬底1上依次沉积缓冲层2、非掺杂AlGaN层3、复合N型半导体层4、有源层5、电子阻挡层6、P型AlGaN层7和P型接触层8。
如图4所示，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21、在衬底1上沉积缓冲层2。
在一种实施方式中，选用在PVD中沉积AlN缓冲层，其厚度为20nm～200nm。采用AlN缓冲层提供了与衬底取向相同的成核中心，释放了AlGaN和衬底之间的晶格失配产生的应力以及热膨胀系数失配所产生的热应力，进一步的生长提供了平整的成核表面，减少其成核生长的接触角使岛状生长的GaN晶粒在较小的厚度内能连成面，转变为二维外延生长，提高后续沉积AlGaN层晶体质量，降低位错密度，提高多量子阱层辐射复合效率。
S22、在缓冲层2上沉积非掺杂AlGaN层3。
在一种实施方式中，将反应室的温度控制在1000℃～1300℃，压力控制为50torr～500torr，通入N源、Ga源、Al源，生长厚度为1μm～5μm的非掺杂AlGaN层。
S23、在非掺杂AlGaN层3上沉积复合N型半导体层4。
所述复合N型半导体层包括至少一个复合层，所述复合层包括依次层叠的N型AlGaN层、BN层、SiN层。
在一种实施方式中，所述N型AlGaN层采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在1000℃～1300℃，压力控制在50torr～500torr，通入N2、H2和NH3，N2、H2和NH3的通入比例为1：(1～10)：(1～10)，通入N源、Ga源、Al源、Si源，生长所述N型AlGaN层。
优选地，所述N型AlGaN层采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在1000℃～1300℃，压力控制在50torr～500torr，通入N2、H2和NH3，N2、H2和NH3的通入比例为1：(1～10)：(1～10)，通入N源、Ga源、Al源、Si源，先控制Si源的通入量逐渐增大，生长所述N型AlGaN层的第一子层，然后维持Si源的通入量保持不变，生长所述N型AlGaN层的第二子层，再控制Si源的通入量逐渐减小，生长所述N型AlGaN层的第三子层，最终使得生长得到的N型AlGaN层内的Si掺杂浓度呈梯形变化，即Si掺杂浓度沿生长方向先升高，后维持恒定不变，再下降。
在一种实施方式中，所述BN层采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在1000℃～1300℃，压力控制在50torr～500torr，通入N2、H2和NH3，N2、H2和NH3的通入比例为1：(1～10)：(1～10)，通入N源、B源，生长所述BN层。
在一种实施方式中，所述SiN层采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在1000℃～1300℃，压力控制在50torr～500torr，通入N2、H2和NH3，N2、H2和NH3的通入比例为1：(1～10)：(1～10)，通入N源、Si源，生长所述SiN层。
S24、在复合N型半导体层4上沉积有源层5。
在一种实施方式中，所述有源层为交替堆叠的AlxGa1-xN量子阱层和AlyGa1-yN量子垒层，堆叠周期数3～15个；所述AlxGa1-xN量子阱层的生长温度为950℃～1150℃，厚度为2nm～5nm，生长压力为50torr～300torr，Al组分为0.2～0.6；所述AlyGa1-yN量子垒层的生长温度为1000℃～1300℃，厚度为5nm～15nm，生长压力50torr～300torr，Al组分为0.4～0.8。
S25、在有源层5上沉积电子阻挡层6。
在一种实施方式中，将反应室的温度控制在1000℃～1100℃，压力控制在100torr～300torr，通入N源、Al源、Ga源，生长厚度为10nm～100nm的AlGaN电子阻挡层。
S26、在电子阻挡层6上沉积P型AlGaN层7。
在一种实施方式中，将反应室的温度控制在1000℃～1100℃，压力控制在100torr～600torr，通入N源、Al源、Ga源、Mg源，生长厚度为20nm～200nm的P型AlGaN层。优选地，Mg掺杂浓度为1×1019atoms/cm3～5×1020atoms/cm3；Mg掺杂浓度过高会破坏晶体质量，而掺杂浓度较低则会影响空穴浓度。同时，P型掺杂的AlGaN层可以有效填平外延层，得到表面光滑的深紫外LED外延片。
S27、在P型AlGaN层7上沉积P型接触层8。
在一种实施方式中，将反应室的温度控制在900℃～1100℃，压力控制在100torr～600torr，通入N源、Al源、Ga源，生长厚度为5nm～50nm的P型AlGaN接触层。
相应地，本发明还提供了一种深紫外LED，所述深紫外LED包括上述的深紫外发光二极管外延片。所述深紫外LED的光电效率得到有效提升，且其他项电学性能良好。
下面以具体实施例进一步说明本发明：
实施例1
本实施例提供一种深紫外发光二极管外延片，包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、非掺杂AlGaN层、复合N型半导体层、有源层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；
所述复合N型半导体层包括20个复合层，所述复合层包括依次层叠的N型AlGaN层、BN层、SiN层。
N型AlGaN层的厚度为150nm，Al组分为0.5，其包括第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层、第二子层与第三子层的厚度比为1:6:1，第一子层中Si掺杂浓度沿生长方向由1×1018atoms/cm3递增到5×1019atoms/cm3，所述第二子层的Si掺杂浓度维持在5×1019atoms/cm3，所述第三子层的Si掺杂浓度沿生长方向由5×1019atoms/cm3递减到1×1018atoms/cm3。
BN层的厚度为4nm，SiN层的厚度为6nm。
实施例2
本实施例提供一种深紫外发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：N型AlGaN层的厚度为100nm，BN层的厚度为2nm，SiN层的厚度为4nm，其余均参照实施例1。
实施例3
本实施例提供一种深紫外发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：N型AlGaN层的厚度为200nm，BN层的厚度为6nm，SiN层的厚度为7nm，其余均参照实施例1。
实施例4
本实施例提供一种深紫外发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：Al组分为0.3，所述第一子层、第二子层与第三子层的厚度比为1:3:1，其余均参照实施例1。
实施例5
本实施例提供一种深紫外发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：Al组分为0.7，所述第一子层、第二子层与第三子层的厚度比为1:8:1，其余均参照实施例1。
实施例6
本实施例提供一种深紫外发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：第一子层中Si掺杂浓度沿生长方向由5×1018atoms/cm3递增到3×1019atoms/cm3，所述第二子层的Si掺杂浓度维持在3×1019atoms/cm3，所述第三子层的Si掺杂浓度沿生长方向由3×1019atoms/cm3递减到5×1018atoms/cm3，其余均参照实施例1。
实施例7
本实施例提供一种深紫外发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：第一子层中Si掺杂浓度沿生长方向由5×1017atoms/cm3递增到5×1019atoms/cm3，所述第二子层的Si掺杂浓度维持在5×1019atoms/cm3，所述第三子层的Si掺杂浓度沿生长方向由5×1019atoms/cm3递减到5×1017atoms/cm3，其余均参照实施例1。
实施例8
本实施例提供一种深紫外发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：所述复合N型半导体层包括25个复合层，其余均参照实施例1。
实施例9
本实施例提供一种深紫外发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：所述复合N型半导体层包括10个复合层，其余均参照实施例1。
对比例1
本对比例提供一种深紫外发光二极管外延片，包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型半导体层、有源层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；
所述N型半导体层为Si掺杂浓度维持在7×1019atoms/cm3的AlGaN层。
对比例2
本对比例提供一种深紫外发光二极管外延片，其余实施例1不同之处在于，所述复合层不包括BN层，其余参照实施例1。
对比例3
本对比例提供一种深紫外发光二极管外延片，其余实施例1不同之处在于，所述复合层不包括SiN层，其余参照实施例1。
以实施例1～实施例9和对比例1～对比例3制得深紫外发光二极管外延片使用相同芯片工艺条件制备成15mil×15mil芯片，分别抽取300颗LED芯片，在120mA/60mA电流下测试，以对比例1为参照，计算各实施例和对比例的发光效率提升率，具体测试结果如表1所示。
表1实施例1～实施例9和对比例1～对比例3制得LED的性能测试结果
由上述结果可知，本发明提供的深紫外发光二极管外延片，其具有特定结构的复合N型半导体层，所述复合N型半导体层包括至少一个复合层，所述复合层包括依次层叠的N型AlGaN层、BN层、SiN层。
首先，所述N型AlGaN层通过足够的Si掺杂浓度为紫外LED发光提供充足电子与空穴发生复合，提高发光二极管载流子的复合效率。并且，通过足够的Si掺杂可以有效的降低N型AlGaN层的电阻率，降低发光二极管的工作电压。其次，在所述N型AlGaN层上沉积BN层，通过BN层引入张应力，平衡累积的压应力，提高N型AlGaN层的晶体质量。再次，在BN层后沉积SiN层，降低复合N型半导体层的缺陷密度，减少缺陷产生的非辐射复合。最后，所述复合N型半导体层包括至少一个复合层，采用多周期交叠结构能够通过多次的引入张应力及降低缺陷密度，大大提高了复合N型半导体层的晶体质量，提高了发光二极管的发光效率。
以上所述是发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种深紫外发光二极管外延片，其特征在于，包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、非掺杂AlGaN层、复合N型半导体层、有源层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；
所述复合N型半导体层包括至少一个复合层，所述复合层包括依次层叠的N型AlGaN层、BN层、SiN层。
2.如权利要求1所述的深紫外发光二极管外延片，其特征在于，所述N型AlGaN层的Si掺杂浓度呈梯形变化，Si掺杂浓度沿生长方向先升高，后维持恒定不变，再下降。
3.如权利要求1所述的深紫外发光二极管外延片，其特征在于，所述N型AlGaN层的Si掺杂浓度为1×1017atoms/cm3～1×1021atoms/cm3；
所述N型AlGaN层的Al组分为0.01～0.8。
4.如权利要求1所述的深紫外发光二极管外延片，其特征在于，所述第N型AlGaN层的厚度为50nm～500nm；
所述BN层的厚度为1nm～10nm；
所述SiN层的厚度为1nm～10nm。
5.如权利要求1所述的深紫外发光二极管外延片，其特征在于，所述复合N型半导体层包括1～50个复合层。
6.一种如权利要求1～6任一项所述的深紫外发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备衬底；
S2、在所述衬底上依次沉积缓冲层、非掺杂AlGaN层、复合N型半导体层、有源层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；
所述复合N型半导体层包括至少一个复合层，所述复合层包括依次层叠的N型AlGaN层、BN层、SiN层。
7.如权利要求6所述的深紫外发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述N型AlGaN层采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在1000℃～1300℃，压力控制在50torr～500torr，通入N2、H2和NH3，N2、H2和NH3的通入比例为1：(1～10)：(1～10)，通入N源、Ga源、Al源、Si源，生长所述N型AlGaN层。
8.如权利要求6所述的深紫外发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述BN层采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在1000℃～1300℃，压力控制在50torr～500torr，通入N2、H2和NH3，N2、H2和NH3的通入比例为1：(1～10)：(1～10)，通入N源、B源，生长所述BN层。
9.如权利要求6所述的深紫外发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述SiN层采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在1000℃～1300℃，压力控制在50torr～500torr，通入N2、H2和NH3，N2、H2和NH3的通入比例为1：(1～10)：(1～10)，通入N源、Si源，生长所述SiN层。
10.一种深紫外LED，其特征在于，所述深紫外LED包括如权利要求1～5任一项所述的深紫外发光二极管外延片。
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