CN117438513A - Uvb-led外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种UVB‑LED外延结构及其制备方法。所述外延结构包括沿指定方向依次生长的AlN层、应力调控层、N型AlGaN欧姆接触层、多量子阱有源区、P型电子阻挡层、P型空穴注入层和P型欧姆接触层。所述应力调控层由不同Al含量、不同厚度的第一AlxInyGa1‑x‑yN子层和第二AlxInyGa1‑x‑yN子层交叠生长组成，0＜x＜1，0≤y≤0.1，0＜(1‑x‑y)＜1。本申请通过在UVB‑LED外延结构的AlN层和N型AlGaN欧姆接触层之间设置应力调控层，并通过对应力调控层中的Al含量进行调制，可以缓解或消除因N型AlGaN欧姆接触层与AlN层的晶格常数差异大而导致的压应力大等问题，有效调控表面形貌，从而显著改善N型AlGaN层的生长质量，大幅提高UVB‑LED的发光效率和光输出功率。
Description
技术领域
本申请涉及一种紫外LED，特别涉及到一种UVB-LED外延结构及其制备方法，属于半导体器件技术领域。
背景技术
紫外线是太阳光的组成部分之一，根据波长可将紫外线分成以下四个波段：UVA(320-400nm)、UVB(280-320nm)、UVC(200-280nm)和VUV(100-200nm)，其中VUV穿透率很低，只能在宇宙中存在。UVC波段由于穿透率较低，会被臭氧层吸收，也无法穿透大气层到达地面。UVC能量高，可以破坏细菌、病毒等微生物的DNA和RNA的分子链结构，起到杀灭细菌、病毒的作用，因此在消毒杀菌领域有广泛用途，近几年UVC LED的市场规模也日益增大。UVB波段的穿透率中等，有部分能到达地球表面，该波段对皮肤病有一定的治疗作用，也能促进人体维生素D3的产生。在农业应用方面，国外研究发现使用310nm UVB光源可以使水果和蔬菜富集某种植物化学物质，有利于降低心血管疾病的风险。UVA主要应用于固化、防伪检测和光催化等领域。
目前UVB最主要的应用场景是光疗，310nm UVB-LED在光疗领域有广阔的应用前景。UVB-LED的材料体系为AlGaN材料，AlGaN的带隙随Al组分的变化在6.2eV(AlN)和3.4eV(GaN)之间连续可调，覆盖了200-365nm的紫外波段。AlGaN材料在制备UVB-LED光源方面相比汞灯优势如下：安全环保，结构小巧，功耗小，不需预热、即开即用，寿命长，光谱窄，等等。
目前UVB-LED主要使用c面蓝宝石作为衬底，先在衬底上生长AlN模板，然后在AlN模板上生长AlGaN材料。在AlN模板上生长AlGaN的晶格失配率最高可达2％，这取决于Al组分。对于AlxGa1-xN材料，当x约为0.65时，在AlxGa1-xN/AlN界面上可以产生约1％的晶格失配；但是在x约为0.44的情况下，在AlxGa1-xN/AlN上的晶格失配约1.5％。这种晶格失配形成很大的压应力，在生长过程中压应力会累积，使N型AlGaN材料生长质量变差，位错密度增大。随着波长的变长，要求N型AlGaN和量子阱的Al组分更低，以UVC 275nm和UVB 310nm为例，UVC 275nm一般N型AlGaN的Al组分≥50％、发光量子阱Al组分≥30％，而UVB 310nm一般N型AlGaN的Al含量＜50％、发光量子阱Al含量在15％-30％之间。显然，UVB 310nm AlGaN材料的压应力更大，材料生长的技术难度也更大。内量子效率依赖于量子阱有源区的生长质量，而量子阱有源区的生长质量又依赖于底下N型AlGaN层的生长质量。因此，对UVB-LED的N型AlGaN层进行应力调控，改善N型AlGaN层的生长质量，对提高UVB-LED的光输出功率特别重要。
目前，常用的调节应力方法是在AlN模板和N型AlGaN层之间生长AlN/AlGaN超晶格，从而在过滤位错的同时进行一定程度的应力释放。该方法在AlN生长质量较差的情况下的使用情况较理想，能使部分位错转向，从而提升光输出功率。从N型AlGaN层进行应力调控的常见方式是生长两层不同Al含量的N型AlGaN层，起到弛豫部分应力的作用。该方法在UVC-LED外延结构中比较常用，但对于UVB-LED弛豫应力的效果不太理想。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种UVB-LED外延结构及其制备方法，以克服现有技术的不足。
为实现上述发明目的，本申请采用的技术方案包括：
本申请的一个方面提供了一种UVB-LED外延结构，包括沿指定方向依次设置的AlN层、应力调控层、N型AlGaN欧姆接触层、多量子阱有源区、P型电子阻挡层、P型空穴注入层和P型欧姆接触层；所述应力调控层包括沿指定方向依次层叠的第一AlxInyGa1-x-yN子层和第二AlxInyGa1-x-yN子层，其中第一AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量高于第二AlxInyGa1-x-yN子层，且第二AlxInyGa1-x-yN子层中的Al含量沿指定方向降低，0＜x＜1，0≤y≤0.1，0＜(1-x-y)＜1。
本申请的另一个方面提供了一种制备所述UVB-LED外延结构的方法，其包括：在衬底上依次生长AlN层、应力调控层、N型AlGaN欧姆接触层、多量子阱有源区、P型电子阻挡层、P型空穴注入层和P型欧姆接触层。
与现有技术相比，本申请有益效果至少在于：通过在UVB-LED外延结构的AlN模板和N型AlGaN欧姆接触层之间设置应力调控层，并通过对应力调控层中的Al含量进行调制，可以缓解或消除因N型AlGaN欧姆接触层与AlN层的晶格常数差异大而导致的压应力大等问题，有效调控表面形貌，从而显著改善N型AlGaN层的生长质量，大幅提高UVB-LED的发光效率和光输出功率。
附图说明
图1是本申请一典型实施方式中一种UVB-LED外延结构的示意图；
图2为本申请一典型实施方案中一种UVB-LED外延结构的制备工艺流程示意图。
图3为实施例1中应力调控层内的Al含量变化示意图。
图4为实施例2中应力调控层内的Al含量变化示意图。
图5为实施例3中应力调控层内的Al含量变化示意图。
图6为实施例4中应力调控层内的Al含量变化示意图。
图7为实施例5中应力调控层内的Al含量变化示意图。
图8为实施例6中应力调控层内的Al含量变化示意图。
图9为实施例7中应力调控层内的Al含量变化示意图。
图10为实施例8中应力调控层内的Al含量变化示意图。
图11为实施例9中应力调控层内的Al含量变化示意图。
附图标记说明：10-衬底、20-AlN层、30-应力调控层、311-第一子结构层中的第一AlxInyGa1-x-yN子层、312-第一子结构层中的第二AlxInyGa1-x-yN子层、321-第二子结构层中的第一AlxInyGa1-x-yN子层、322-第二子结构层中的第二AlxInyGa1-x-yN子层、40-N型AlGaN欧姆接触层、50-多量子阱有源区、60-P型电子阻挡层、70-P型空穴注入层、80-P型欧姆接触层。
具体实施方式
现有的UVB-LED外延结构中，N型AlGaN接触层一般是由两层Al含量恒定的N型AlGaN层组成。由于AlN模板和N型AlGaN接触层的晶格常数有较大差异，并且随着波长变长，晶格失配变大，进而导致产生的压应力大，使得生长出的半导体材料表面形貌差、缺陷密度高。对于UVB-LED外延结构中存在的这一问题，迄今没有有效解决办法。鉴于此，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本申请的技术方案，其主要是通过设置应力调控层，并调控应力调控层中的Al含量来改善UVB-LED外延结构中N型AlGaN接触层和AlN模板晶格常数差异大导致的压应力大的问题。
如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件或方法步骤区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件或方法步骤之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
本申请的一些实施例提供的一种UVB-LED外延结构包括沿指定方向依次设置的AlN层、应力调控层、N型AlGaN欧姆接触层、多量子阱有源区、P型电子阻挡层、P型空穴注入层和P型欧姆接触层；所述应力调控层包括沿指定方向依次层叠的第一AlxInyGa1-x-yN子层和第二AlxInyGa1-x-yN子层，其中第一AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量高于第二AlxInyGa1-x-yN子层，且第二AlxInyGa1-x-yN子层中的Al含量沿指定方向降低，0＜x＜1，0≤y≤0.1，0＜(1-x-y)＜1。
在本申请中，依据所述UVB-LED外延结构的摆放方式不同，所述指定方向可以是从下向上的方向，也可以是从左向右的方向、从前向后的方向或与前述方向相反的方向。
示例性的，请参阅图1，一种UVB-LED外延结构包括在衬底10上依次生长的AlN层20、应力调控层30、N型AlGaN欧姆接触层40、多量子阱有源区50、P型AlGaN电子阻挡层60、P型AlGaN空穴注入层70和P型欧姆接触层80。
在一个实施例中，所述应力调控层包括沿指定方向依次层叠的第一个子结构层至第n个子结构层，n≥1，优选的，n≥2；其中每一子结构层包括沿指定方向依次层叠的一第一AlxInyGa1-x-yN子层和一第二AlxInyGa1-x-yN子层，并且在每一子结构层中第一AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量高于第二AlxInyGa1-x-yN子层。
在一个实施例中，所述应力调控层可以由多个不同Al含量、不同厚度的第一AlGaN子层和第二AlGaN子层交叠生长组成。
在一个实施例中，第n个子结构层中任意一个AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量低于第n-1个子结构层中相应一个AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量，其有利于减小N型AlGaN层压应力，改善N型AlGaN层生长质量和表面形貌。示例性的，第二个子结构层中第一AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量低于第一个子结构层中第一AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量，第二个子结构层中第二AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量低于第一个子结构层中第二AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量，依次类推，第n个子结构层中某一AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量低于第(n-1)个子结构层中相应子层的Al含量。
在一个实施例中，第n-1个子结构层中第二AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量在第一AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量以下，但在第n个子结构层中第一AlxInyGal-x-yN子层的Al含量以上。其中，通过使任意一个第二AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量逐渐减低，且其中的Al含量为与该第二AlxInyGa1-x-yN子层相邻的前后两个第一AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量之间的任意渐变值，可以有效减小乃至消除因晶格失配导致的应力。在一个实施例中，任意一个第二AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量沿指定方向线性渐变或非线性变化，例如沿上凸曲线渐变(例如参阅图4)，或者沿下凹曲线渐变(例如参阅图5)，通过改变Al含量可以弛豫部分压应力，实现应力调控。
在一个实施例中，任意一个第一AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量沿指定方向保持恒定、升高或降低。
具体的，在同一第一AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量可恒定不变，主要目的是缓解因为压应力引起的表面形貌粗糙和产生位错(例如参阅图3-图5)，也可有一定程度变化趋势，比如增加(例如参阅图6)，或者减少(例如参阅图7)，这一第一AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量的变化范围小于相邻第二AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量变化范围，虽然变化幅度小，但也可以起到缓解压应力，调控形貌和位错缺陷的作用。
在一个实施例中，任意一个第一AlxInyGa1-x-yN子层中还分布有至少一AlGaN插入层，所述AlGaN插入层的Al含量为40at.％～90at.％，且所述AlGaN插入层的Al含量低于第一AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量。通过设置低Al组分的AlGaN插入层，并回调增加Al含量，可以引入一定的张应力，有助于将表面形貌调控得更平整。示例性的，其中Al含量变化可以参阅图8。
在一个实施例中，第n-1个子结构层中第一AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量变化幅度小于与该第一AlxInyGa1-x-yN子层相邻的任一个第二AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量变化幅度。
在一个实施例中，第n个子结构层中第二AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量高于N型AlGaN欧姆接触层。进一步的，第n个子结构层中第二AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量为前一第一AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量和N型AlGaN欧姆接触层的Al含量之间的逐渐减低的任意渐变值，如此可以从AlN模板的小晶格常数过渡到N型AlGaN欧姆接触层的大晶格常数，在一定程度上实现应力释放。
在一个实施例中，所述应力调控层只含有一个第一AlxInyGa1-x-yN子层和一个第二AlxInyGa1-x-yN子层。此时，其中Al含量的变化可以参阅图9。
在一个实施例中，任意两个第一AlxInyGa1-x-yN子层的厚度相同或不同(例如参阅图10)。
在一个实施例中，任意两个第二AlxInyGa1-x-yN子层的厚度相同或不同(例如参阅图11)。
在一个实施例中，所述应力调控层中任意一个子结构层的厚度为0.1～3μm。
在一个实施例中，所述应力调控层的厚度为0.2～10μm。
在一个实施例中，所述应力调控层包括N型AlxInyGa1-x-yN层和/或非掺杂AlxInyGa1-x-yN层，所述N型AlxInyGa1-x-yN层的掺杂浓度为1E+17～1E+20cm-3。
在一个实施例中，所述应力调控层包括沿设定方向依次层叠的非掺杂AlxInyGa1-x-yN层和N型AlxInyGa1-x-yN层。
在一个实施例中，所述N型AlGaN欧姆接触层的厚度为0.1～3μm，其主要作用为制成UVB-LED芯片时，作为N电极的欧姆接触层。
在一个实施例中，所述N型AlGaN欧姆接触层的Si掺杂浓度为1E+18～1E+20cm-3。
在一个实施例中，所述多量子阱有源区包括交替生长多个周期的AlInGaN量子阱和AlInGaN量子垒，周期数为1～10，其中AlInGaN量子阱的Al含量为15at.％～30at.％、In含量为0～10at.％，AlInGaN量子垒的Al含量为30at.％～50at.％、In含量为0～10at.％。亦即，量子阱和量子垒可含In组分，也可不含In组分。并且AlInGaN量子阱的Al含量低于应力调控层、N型AlGaN欧姆接触层和P型电子阻挡层。
其中，所述AlInGaN量子阱的厚度可以为1～6nm，所述AlInGaN量子垒的厚度可以为2～20nm。
在一个实施例中，所述P型电子阻挡层为P型AlGaN电子阻挡层，其中的Al含量大于40at.％。其中Al含量的含量取决于波长，一般UVB的波长越短，要求Al含量越高。
在一个实施例中，所述P型电子阻挡层的厚度为5～100nm，其主要作用是阻挡电子溢出到P型层，提高电子和空穴在量子阱有源区的辐射复合效率。
在一个实施例中，所述P型电子阻挡层的Mg掺杂浓度为1E+18～1E+20cm-3。
在一个实施例中，所述P型空穴注入层为P型AlGaN空穴注入层，其主要作用为提供空穴，实现空穴输运到量子阱并与电子产生辐射复合，其中Mg掺杂浓度优选为1E+18～1E+20cm-3。
在一个实施例中，所述P型欧姆接触层包括P型GaN接触层或P型AlGaN接触层，其中的Mg掺杂浓度在1E+20cm-3以上，以利于形成良好的欧姆接触。
本申请通过采用前述方案，能有效提升UVB-LED的发光效率和光输出功率。
本申请的一些实施例提供的一种制作所述UVB-LED外延结构的方法包括：在衬底上依次生长AlN层、应力调控层、N型AlGaN欧姆接触层、多量子阱有源区、P型电子阻挡层、P型空穴注入层和P型欧姆接触层。
在一个实施例中，所述衬底包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底或AlN衬底，但不限于此。
示例性的，请参阅图2，一种用于制备所述UVB-LED外延结构的方法包括：在衬底上依次生长AlN层、应力调控层、N型AlGaN欧姆接触层、多量子阱有源区、P型电子阻挡层、P型空穴注入层和P型欧姆接触层。
在本申请中，所述UVB-LED外延结构中的各个结构层可以利用本领域常用的HVPE(氢化物气相外延)、MOCVD(金属有机化学气相沉积)、PECVD(等离子体增强化学的气相沉积)等方式生长形成，且不限于此。
本申请提供的制备方法与现有UVB-LED的制作工艺兼容，可控性高，易于实施，利于产业化生产。
本申请的一些实施例提供的一种UVB-LED包括所述的UVB-LED外延结构及与之配合的N电极、P电极。N电极、P电极分别与N型AlGaN欧姆接触层、P型欧姆接触层电连接。
以下通过若干实施例并结合附图进一步详细说明本申请的技术方案。然而，所选的实施例仅用于说明本申请，而不限制本申请的范围。
实施例1一种UVB-LED外延结构可以参阅图2，其制备方法包括如下步骤：
S1、将蓝宝石衬底放入MOCVD机台反应室，通入H2，在1100℃温度下进行高温烘烤，清洗蓝宝石表面杂质。
S2、在1300℃温度下，在蓝宝石衬底表面生长厚约2.5μm的AlN层。
S3、在AlN层上依次生长厚约0.8μm的非掺杂Al0.8Ga0.2N层、厚约0.8μm的Si浓度8E+18cm-3的Al组分从0.8(即Al含量为80at.％，下同)线性渐变至0.65的N型AlGaN层、厚约0.8μm的Si浓度8E+18cm-3的N型Al0.6Ga0.4N层、厚约0.8μm的Si浓度8E+18cm-3的Al组分从0.6线性渐变至0.46的N型AlGaN层，形成应力调控层，其中Al组分变化趋势如图3所示。
S4、在应力调控层上生长厚约0.5μm的Si浓度8E+18cm-3的N型Al0.46Ga0.54N欧姆接触层。
S5、在N型Al0.46Ga0.54N欧姆接触层上交替生长5个周期的多量子阱有源区，其中AlInGaN量子阱厚度约为2.5nm，AlInGaN量子垒厚度约为8nm。
S6、在多量子阱有源区上依次生长厚约30nm的Mg浓度1E+19cm-3的P型Al0.5Ga0.5N电子阻挡层、厚约50nm的Mg浓度3E+19cm-3的P型Al0.3Ga0.7N空穴注入层、厚约20nm Mg浓度8E+19 cm-3的P型GaN欧姆接触层，获得UVB-LED外延结构。
将所述UVB-LED外延结构制成20mil×20mil芯片，通入100mA电流后，芯片所发射光的峰值波长为310nm，光功率为13.5mW。
对比例1本对比例提供的一种UVB-LED外延结构与实施例1相似，区别在于：其中的应力调整层被替换为AlN/AlGaN超晶格结构。
该UVB-LED外延结构的制备方法也与实施例1基本相同，区别在于：
S3、在AlN层上交替生长40个周期的AlN/AlGaN超晶格结构，其中AlN层的厚度为2nm、AlGaN层的厚度为13nm。
将所述UVB-LED外延结构制成20mil×20mil芯片，通入100mA电流后，芯片所发射光的峰值波长为308nm，光功率为11mW。
对比例2本对比例提供的一种UVB-LED外延结构与实施例1相似，区别在于：其中的应力调整层被替换为一厚度约3.2μm的Alx1Ga1-x1N层，且沿从下向上的方向，x1从0.8线性渐变至0.46。在该Alx1Ga1-x1N层下部约0.8μm的厚度范围内无掺杂，在其余2.4μm的厚度范围内Si浓度为8E+18cm-3。
该UVB-LED外延结构的制备方法也与实施例1基本相同，区别在于：
S3、在AlN层上连续生长该Alx1Ga1-x1N层。
将所述UVB-LED外延结构制成20mil×20mil芯片，通入100mA电流后，芯片所发射光的峰值波长为310nm，光功率为10.2mW。
对比例3本对比例提供的一种UVB-LED外延结构及其制备方法与实施例1相似，区别在于，其中步骤S3包括：
在AlN层上依次生长厚约0.8μm的非掺杂Al0.8Ga0.2N层、厚约0.8μm的Si浓度8E+18cm-3的N型Al0.65Ga0.35N层、厚约0.8μm的Si浓度8E+18cm-3的N型Al0.6Ga0.4N层、厚约0.8μm的Si浓度8E+18cm-3的N型Al0.46Ga0.54N层，形成应力调控层。
将所述UVB-LED外延结构制成20mil×20mil芯片，通入100mA电流，芯片所发射光的峰值波长为311nm，光功率为10.7mW。
实施例2一种UVB-LED外延结构可以参阅图2，其制备方法包括如下步骤：
S1、将硅衬底放入MOCVD机台反应室，通入H2，在1100℃温度下进行高温烘烤，清洗蓝宝石表面杂质。
S2、在1250℃温度下，在硅衬底表面生长厚约2μm的AlN层。
S3、在AlN层上依次生长厚约0.6μm Si浓度8E+18cm-3的N型Al0.85Ga0.15N层、厚约1μm的Si浓度8E+18cm-3的Al组分从0.85凸渐变变化至0.65的N型AlGaN层、厚约0.6μm的Si浓度8E+18cm-3的N型Al0.65Ga0.35N层、厚约1μm的Si浓度8E+18cm-3的Al组分从0.65凸渐变变化至0.48的N型AlGaN层，形成应力调控层，Al组分变化趋势如图4所示。
S4、在应力调控层上生长厚约0.5μm的Si浓度8E+18cm-3的N型Al0.48Ga0.52N欧姆接触层。
S5、在N型Al0.48Ga0.52欧姆接触层上交替生长5个周期的多量子阱有源区，AlGaN量子阱厚度约为2.5nm，AlGaN量子垒厚度约为10nm。
S6、在多量子阱有源区上依次生长厚约30nm的Mg浓度1E+19cm-3的P型Al0.5Ga0.5N电子阻挡层、厚约50nm的Mg浓度5E+19cm-3的P型Al0.3Ga0.7N空穴注入层、厚约20nm Mg浓度1E+20cm-3的P型GaN欧姆接触层，获得UVB-LED外延结构。
将所述UVB-LED外延结构制成20mil×20mil芯片，通入100mA电流，芯片所发射光的峰值波长为308nm，光功率为13mW。
实施例3一种UVB-LED外延结构可以参阅图2，其制备方法包括如下步骤：
S1、将AlN衬底放入MOCVD机台反应室，通入H2，在1100℃温度下进行高温烘烤，清洗蓝宝石表面杂质。
S2、在1300℃温度下，在AlN衬底表面生长厚约2.5μm的AlN层。
S3、在AlN层上依次生长厚约0.8μm Si浓度1E+19cm-3的N型Al0.8In0.01Ga0.19N层、厚约0.8μm的Si浓度1E+19cm-3的Al组分从0.8凹渐变变化至0.6的N型AlInGaN层、厚约0.8μm的Si浓度1E+19cm-3的N型Al0.6Ga0.4N层、厚约0.8μm的Si浓度1E+19cm-3的Al组分从0.6凹渐变变化至0.44的N型AlGaN层，形成应力调控层，Al组分变化趋势如图5所示。
S4、在应力调控层上生长厚约0.5μm的Si浓度8E+18cm-3的N型Al0.44Ga0.56N欧姆接触层。
S5、在N型Al0.44Ga0.56N欧姆接触层上交替生长5个周期的多量子阱有源区，AlGaN量子阱厚度约为2.5nm，AlGaN量子垒厚度约为12nm。
S6、在多量子阱有源区上依次生长厚约30nm的Mg浓度8E+18cm-3的P型Al0.5Ga0.5N电子阻挡层、厚约50nm的Mg浓度3E+19cm-3的P型Al0.3Ga0.7N空穴注入层、厚约20nm Mg浓度1E+20cm-3的P型GaN欧姆接触层，获得UVB-LED外延结构。
将所述UVB-LED外延结构制成20mil×20mil芯片，通入100mA电流后，芯片所发射光的峰值波长为310nm，光功率为15mW。
实施例4一种UVB-LED外延结构可以参阅图2，其制备方法包括如下步骤：
S1、将碳化硅衬底放入MOCVD机台反应室，通入H2，在1100℃温度下进行高温烘烤，清洗蓝宝石表面杂质。
S2、在1250℃温度下，在碳化硅衬底表面生长厚约2.5μm的AlN层。
S3、在AlN层上依次生长厚约0.8μm Al组分从0.8线性渐变至0.85的非掺杂AlGaN层、厚约0.8μm的Si浓度8E+18cm-3的Al组分从0.85线性渐变至0.6的N型AlGaN层、厚约0.8μm的Si浓度1E+19cm-3的Al组分从0.6线性渐变至0.65的N型AlGaN层、厚约0.8μm的Si浓度1E+19cm-3的Al组分从0.65线性渐变至0.45的N型AlGaN层，形成应力调控层，Al组分变化趋势如图6所示。
S4、在应力调控层上生长厚约0.5μm的Si浓度1E+19cm-3的N型Al0.45Ga0.54N欧姆接触层。
S5、在N型Al0.45Ga0.54N欧姆接触层上交替生长5个周期的多量子阱有源区，AlGaN量子阱厚度约为2.5nm，AlGaN量子垒厚度约为8nm。
S6、在多量子阱有源区上依次生长厚约30nm的Mg浓度1E+19cm-3的P型Al0.5Ga0.5N电子阻挡层、厚约50nm的Mg浓度3E+19cm-3的P型Al0.3Ga0.7N空穴注入层、厚约20nm Mg浓度8E+19cm-3的P型GaN欧姆接触层，获得UVB-LED外延结构。
将所述UVB-LED外延结构制成20mil×20mil芯片，通入100mA电流后，芯片所发射光的峰值波长为309nm，光功率为13.mW。
实施例5一种UVB-LED外延结构可以参阅图2，其制备方法包括如下步骤：
S1、将蓝宝石衬底放入MOCVD机台反应室，通入H2，在1100℃温度下进行高温烘烤，清洗蓝宝石表面杂质。
S2、在1250℃温度下，在蓝宝石衬底表面生长厚约3μm的AlN层。
S3、在AlN层上依次生长厚约0.8μm Al组分从0.85线性渐变至0.8的非掺杂AlGaN层、厚约0.8μm的Si浓度8E+18cm-3的Al组分从0.8线性渐变至0.65的N型AlGaN层、厚约0.8μm的Si浓度1E+19cm-3的Al组分从0.65线性渐变至0.6的N型AlGaN层、厚约0.8μm的Si浓度1E+19cm-3的Al组分从0.6线性渐变至0.45的N型AlGaN层，形成应力调控层，Al组分变化趋势如图7所示。
S4、在应力调控层上生长厚约0.5μm的Si浓度1E+19cm-3的N型Al0.45Ga0.54N欧姆接触层。
S5、在N型Al0.45Ga0.54N欧姆接触层上交替生长5个周期的多量子阱有源区，AlGaN量子阱厚度约为2.5nm，AlGaN量子垒厚度约为8nm。
S6、在多量子阱有源区上依次生长厚约30nm的Mg浓度1E+19cm-3的P型Al0.5Ga0.5N电子阻挡层、厚约50nm的Mg浓度3E+19cm-3的P型Al0.3Ga0.7N空穴注入层、厚约20nm Mg浓度8E+19cm-3的P型GaN欧姆接触层，获得UVB-LED外延结构。
将所述UVB-LED外延结构制成20mil×20mil芯片，通入100mA电流后，芯片所发射光的峰值波长为295nm，光功率为14.5mW。
实施例6一种UVB-LED外延结构可以参阅图2，其制备方法包括如下步骤：
S1、将蓝宝石衬底放入MOCVD机台反应室，通入H2，在1100℃温度下进行高温烘烤，清洗蓝宝石表面杂质。
S2、在1250℃温度下，在蓝宝石衬底表面生长厚约3μm的AlN层。
S3、在AlN层上依次生长厚约0.2μm非掺杂Al0.8Ga0.2N插入层、厚约0.7μm非掺杂Al0.85Ga0.15N层回调Al组分、厚约0.8μm的Si浓度8E+18cm-3的Al组分从0.8线性渐变至0.65的N型AlGaN层、厚约0.2μm Si浓度8E+18cm-3的Al0.6Ga0.4N插入层、厚约0.7μm的Si浓度8E+18cm-3的N型Al0.65Ga0.35N层回调Al组分，0.8μm的Si浓度8E+18cm-3的Al组分从0.6线性渐变至0.45的N型AlGaN层，形成应力调控层，Al组分变化趋势如图8所示。
S4、在应力调控层上生长0.5μm的Si浓度8E+18cm-3的N型Al0.45Ga0.54N欧姆接触层。
S5、在N型Al0.45Ga0.54N欧姆接触层上交替生长5个周期的多量子阱有源区，AlGaN量子阱厚度约为2.5nm，AlGaN量子垒厚度约为8nm。
S6、在多量子阱有源区上依次生长厚约30nm的Mg浓度1E+19cm-3的P型Al0.5Ga0.5N电子阻挡层、厚约50nm的Mg浓度3E+19cm-3的P型Al0.3Ga0.7N空穴注入层、厚约20nm Mg浓度8E+19cm-3的P型GaN欧姆接触层，获得UVB-LED外延结构。
将所述UVB-LED外延结构制成20mil×20mil芯片，通入100mA电流后，芯片所发射光的峰值波长为310nm，光功率为15mW。
实施例7一种UVB-LED外延结构可以参阅图2，其制备方法包括如下步骤：
S1、将蓝宝石衬底放入MOCVD机台反应室，通入H2，在1100℃温度下进行高温烘烤，清洗蓝宝石表面杂质。
S2、在1250℃温度下，在蓝宝石衬底表面生长厚约2.5μm的AlN层。
S3、在AlN层上依次生长厚约1μm Si浓度1E+19cm-3的N型Al0.8Ga0.2N层、厚约2.3μm的Si浓度1E+19cm-3的Al组分从0.8线性渐变至0.5的N型AlGaN层，形成应力调控层，Al组分变化趋势如图9所示。
S4、在应力调控层上生长1μm的Si浓度1E+19cm-3的N型Al0.46Ga0.54N欧姆接触层。
S5、在N型Al0.46Ga0.54N欧姆接触层上交替生长5个周期的多量子阱有源区，AlGaN量子阱厚度约为2.5nm，AlGaN量子垒厚度约为8nm。
S6、在多量子阱有源区上依次生长厚约30nm的Mg浓度1E+19cm-3的P型Al0.5Ga0.5N电子阻挡层、厚约50nm的Mg浓度3E+19cm-3的P型Al0.3Ga0.7N空穴注入层、厚约20nm Mg浓度8E+19cm-3的P型GaN欧姆接触层，获得UVB-LED外延结构。
将所述UVB-LED外延结构制成20mil×20mil芯片，通入100mA电流后，芯片所发射光的峰值波长为300nm，光功率为13.5mW。
实施例8一种UVB-LED外延结构可以参阅图2，其制备方法包括如下步骤：
S1、将蓝宝石衬底放入MOCVD机台反应室，通入H2，在1100℃温度下进行高温烘烤，清洗蓝宝石表面杂质。
S2、在1250℃温度下，在蓝宝石衬底表面生长厚约2.5μm的AlN层。
S3、在AlN层上依次生长厚约1.3μm非掺杂Al0.8Ga0.2N层、厚约0.8μm的Si浓度8E+18cm-3的Al组分从0.8线性渐变至0.65的N型AlGaN层、厚约0.6μm的Si浓度8E+18cm-3的N型Al0.6Ga0.4N层、厚约0.8μm的Si浓度8E+18cm-3的Al组分从0.6线性渐变至0.45的N型AlGaN层，形成应力调控层，Al组分变化趋势如图10所示。
S4、在应力调控层上生长厚约0.5μm的Si浓度8E+18cm-3的N型Al0.45Ga0.55N欧姆接触层。
S5、在N型Al0.45Ga0.55N欧姆接触层上交替生长5个周期的多量子阱有源区，AlGaN量子阱厚度约为2.5nm，AlGaN量子垒厚度约为8nm。
S6、在多量子阱有源区上依次生长厚约30nm的Mg浓度1E+19cm-3的P型Al0.5Ga0.5N电子阻挡层、厚约50nm的Mg浓度3E+19cm-3的P型Al0.3Ga0.7N空穴注入层、厚约20nm Mg浓度8E+19cm-3的P型GaN欧姆接触层，获得UVB-LED外延结构。
将所述UVB-LED外延结构制成20mil×20mil芯片，通入100mA电流后，芯片所发射光的峰值波长为309nm，光功率为13.8mW。
实施例9一种UVB-LED外延结构可以参阅图2，其制备方法包括如下步骤：
S1、将蓝宝石衬底放入MOCVD机台反应室，通入H2，在1100℃温度下进行高温烘烤，清洗蓝宝石表面杂质。
S2、在1250℃温度下，在蓝宝石衬底表面生长厚约3μm的AlN层。
S3、在AlN层上依次生长厚约0.6μm非掺杂Al0.8Ga0.2N层、厚约1.5μm的Si浓度8E+18cm-3的Al组分从0.8线性渐变至0.65的N型AlGaN层、厚约0.6μm的Si浓度8E+18cm-3的N型Al0.6Ga0.4N层、厚约0.8μm的Si浓度8E+18cm-3的Al组分从0.6线性渐变至0.46的N型AlGaN层，形成应力调控层，Al组分变化趋势如图11所示。
S4、在应力调控层上生长厚约0.5μm的Si浓度8E+18cm-3的N型Al0.46Ga0.54N欧姆接触层。
S5、在N型Al0.46Ga0.54N欧姆接触层上交替生长5个周期的多量子阱有源区，其中AlGaN量子阱厚度约为2.5nm，AlGaN量子垒厚度约为8nm。
S6、在多量子阱有源区上依次生长厚约30nm的Mg浓度1E+19cm-3的P型Al0.5Ga0.5N电子阻挡层、厚约50nm的Mg浓度3E+19cm-3的P型Al0.3Ga0.7N空穴注入层、厚约20nm Mg浓度8E+19 cm-3的P型GaN欧姆接触层，获得UVB-LED外延结构。
将所述UVB-LED外延结构制成20mil×20mil芯片，通入100mA电流后，芯片所发射光的峰值波长为310nm，光功率为14.5mW。
应当理解，上述实施例仅为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡根据本申请精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种UVB-LED外延结构，包括沿指定方向依次设置的AlN层、应力调控层、N型AlGaN欧姆接触层、多量子阱有源区、P型电子阻挡层、P型空穴注入层和P型欧姆接触层；其特征在于：所述应力调控层包括沿指定方向依次层叠的第一AlxInyGa1-x-yN子层和第二AlxInyGa1-x- yN子层，其中第一AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量高于第二AlxInyGa1-x-yN子层，且第二AlxInyGa1-x-yN子层中的Al含量沿指定方向降低，0＜x＜1，0≤y≤0.1，0＜(1-x-y)＜1。
2.根据权利要求1所述的UVB-LED外延结构，其特征在于：所述应力调控层包括沿指定方向依次层叠的第一个子结构层至第n个子结构层，n≥1；
其中每一子结构层包括沿指定方向依次层叠的一第一AlxInyGa1-x-yN子层和一第二AlxInyGa1-x-yN子层，并且在每一子结构层中第一AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量高于第二AlxInyGa1-x-yN子层。
3.根据权利要求2所述的UVB-LED外延结构，其特征在于：所述应力调控层中，第n个子结构层中任意一个AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量低于第n-1个子结构层中相应一个AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量；
和/或，所述应力调控层中，第n-1个子结构层中第二AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量在第一AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量以下，但在第n个子结构层中第一AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量以上。
4.根据权利要求1或3所述的UVB-LED外延结构，其特征在于：任意一个第二AlxInyGa1-x- yN子层的Al含量沿指定方向线性渐变或非线性变化。
5.根据权利要求1或2所述的UVB-LED外延结构，其特征在于：任意一个第一AlxInyGa1-x- yN子层的Al含量沿指定方向保持恒定、升高或降低；
和/或，任意一个第一AlxInyGa1-x-yN子层中还分布有至少一AlGaN插入层，所述AlGaN插入层的Al含量为40at.％～90at.％，且所述AlGaN插入层的Al含量低于第一AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量。
6.根据权利要求2所述的UVB-LED外延结构，其特征在于：所述应力调控层中，第n-1个子结构层中第一AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量变化幅度小于与该第一AlxInyGa1-x-yN子层相邻的任一个第二AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量变化幅度；
和/或，所述应力调控层中，第n个子结构层中第二AlxInyGa1-x-yN子层的Al含量高于N型AlGaN欧姆接触层；
和/或，任意两个第一AlxInyGa1-x-yN子层的厚度相同或不同，和/或，任意两个第二AlxInyGa1-x-yN子层的厚度相同或不同；和/或，所述应力调控层中任意一个子结构层的厚度为0.1～3μm。
7.根据权利要求1或2所述的UVB-LED外延结构，其特征在于：所述应力调控层的厚度为0.2～10μm；和/或，所述应力调控层包括N型AlxInyGa1-x-yN层和/或非掺杂AlxInyGa1-x-yN层，所述N型AlxInyGa1-x-yN层的掺杂浓度为1E+17～1E+20cm-3。
8.根据权利要求7所述的UVB-LED外延结构，其特征在于：所述应力调控层包括沿设定方向依次层叠的非掺杂AlxInyGa1-x-yN层和N型AlxInyGa1-x-yN层。
9.根据权利要求1所述的UVB-LED外延结构，其特征在于：所述N型AlGaN欧姆接触层的厚度为0.1～3μm；和/或，所述N型AlGaN欧姆接触层的Si掺杂浓度为1E+i8～1E+20cm-3；
和/或，所述多量子阱有源区包括交替生长多个周期的AlInGaN量子阱和AlInGaN量子垒，周期数为1～10，其中AlInGaN量子阱的Al含量为15at.％～30at.％、In含量为0～10at.％、厚度为1～6nm，AlInGaN量子垒的Al含量为30at.％～50at.％、In含量为0～10at.％、厚度为2～20nm，并且AlInGaN量子阱的Al含量低于应力调控层、N型AlGaN欧姆接触层和P型电子阻挡层；
和/或，所述P型电子阻挡层为P型AlGaN电子阻挡层，其中的Al含量大于40at.％；和/或，所述P型电子阻挡层的厚度为5～100nm；和/或，所述P型电子阻挡层的Mg掺杂浓度为1E+18～1E+20cm-3；
和/或，所述P型空穴注入层为P型AlGaN空穴注入层，其中的Mg掺杂浓度为1E+18～1E+20cm-3；
和/或，所述P型欧姆接触层包括P型GaN接触层或P型AlGaN接触层，其中的Mg掺杂浓度在1E+20cm-3以上。
10.权利要求1-9中任一项所述UVB-LED外延结构的制备方法，其特征在于包括：在衬底上依次生长AlN层、应力调控层、N型AlGaN欧姆接触层、多量子阱有源区、P型电子阻挡层、P型空穴注入层和P型欧姆接触层。
11.根据权利要求10所述的UVB-LED为延结构的制备方法，其特征在于：所述衬底包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底或AlN衬底。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117954544A (zh) * | 2024-03-26 | 2024-04-30 | 苏州紫灿科技有限公司 | 一种可抗esd的深紫外发光二极管 |
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2022
- 2022-07-14 CN CN202210838225.9A patent/CN117438513A/zh active Pending
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