CN208352326U - 一种紫外发光二极管的外延结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种紫外发光二极管的外延结构，包括衬底以及依次位于所述衬底上的AlN缓冲层、非掺杂Al_aGa_1‑aN层、n型Al_bGa_1‑bN层、多量子阱层、pAl_cGa_1‑cN电子阻挡层、pAl_dGa_1‑dN空穴导电层；其中：所述多量子阱层由复合垒层和Al_xGa_1‑xN阱层依次周期性堆叠而成，所述复合垒层由Al_yGa_1‑yN层和Al_uIn_vGa_1‑u‑vN层以复合方式构成。本实用新型的优点在于：采用AlGaN/AlInGaN复合垒层代替传统的单层AlGaN垒层，一方面，由于AlInGaN的插入，可以降低有源区中垒层和阱层晶格常数差异导致的压电极化，从而增加载流子在阱层的复合效率；另一方面，控制AlInGaN层的厚度在一定范围之内，避免了单层AlInGaN所造成的晶体质量下降和相分离现象。

Description

一种紫外发光二极管的外延结构

技术领域

本实用新型涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种紫外发光二极管的外延结构。

背景技术

III-V族化合物半导体材料由于其优良的光电性能特性，从而被广泛应用于诸多半导体器件中。其中氮化镓及其化合物半导体（例如氮化铝镓、氮化铟镓化合物）已经被广泛应用于发光二极管领域，通过改变氮化镓中铝组分和铟组分的含量，可以实现发光二极管从绿光到深紫外光波段的覆盖。近年来随着紫外光在UV固化、空气和水净化，医疗消毒等应用领域的快速发展，导致紫外光的市场需求稳步增加。与传统的紫外高压汞灯相比，紫外光LED具有尺寸可控、可靠性和寿命长、环境友好、低压驱动等诸多优点，从而推动氮化镓基紫外光LED成为下一个研究热点。

目前，发光波长小于360nm的紫外发光二极管的多量子阱结构是由Al_xGa_1-xN阱层和Al_yGa_1-yN垒层组成的，其中Al_yGa_1-yN垒层的Al组分含量需大于Al_xGa_1-xN阱层的Al组分含量约10%，以达到对载流子的限制作用。由于阱层和垒层Al组分含量的差异，相应带来晶格常数差异，进而导致压电极化效应降低LED的发光效率。理论上通过AlInGaN四元化合物材料的使用，改变其中Al组分和In组分含量，可以在一定范围内实现带隙宽度和晶格常数的自由组合，从而可以降低压电极化效应的影响且保持同样的载流子限制效果。然而，从晶体质量和相分离方面考量，AlInGaN用作多量子阱的单层垒层实际上并不可行。

实用新型内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种紫外发光二极管的外延结构，解决了现有技术中随着AlInGaN厚度的增加，外延层晶体质量和相分离现象出现明显恶化的问题。

（二）技术方案

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种紫外发光二极管的外延结构，包括衬底以及依次位于所述衬底上的AlN缓冲层、非掺杂Al_aGa_1-aN层、n型Al_bGa_1-bN层、多量子阱层、pAl_cGa_1-cN电子阻挡层、pAl_dGa_1-dN空穴导电层；其中：所述多量子阱层由复合垒层和Al_xGa_1-xN阱层依次周期性堆叠而成，所述复合垒层由Al_yGa_1-yN层和Al_uIn_vGa_1-u-vN层以复合方式构成，所述非掺杂Al_aGa_1-aN层中Al组分浓度为0<a≤1，所述n型Al_bGa_1-bN层中Al组分浓度为0<b≤1，所述pAl_cGa_1-cN电子阻挡层中Al组分浓度为0<c≤1，所述pAl_dGa_1-dN空穴导电层中Al组分浓度为0≤d≤1。

一种紫外发光二极管的外延结构，其中：所述复合垒层结构可以是将所述Al_uIn_vGa_1-u-vN层插入在所述Al_yGa_1-yN层之前、之中、之后或交替分布，及其相应的多种组合。

一种紫外发光二极管的外延结构，其中：所述Al_yGa_1-yN层的厚度介于5-15nm之间，所述Al_uIn_vGa_1-u-vN层的厚度介于1-4nm之间。

一种紫外发光二极管的外延结构，其中：所述Al_xGa_1-xN阱层中的Al组分浓度为0<x≤0.9。

一种紫外发光二极管的外延结构，其中：所述Al_yGa_1-yN层中的Al组分浓度为0<y≤1；所述Al_uIn_vGa_1-u-vN层中的Al组分浓度为0<u≤1，In组分浓度为0<v≤0.3, 且0<u+v≤1。

一种紫外发光二极管的外延结构，其中：所述Al_xGa_1-xN阱层中的Al组分浓度x与所述复合垒层中Al_yGa_1-yN层的Al组分浓度y关系为0.03≤y-x≤0.3。

一种紫外发光二极管的外延结构，其中：所述Al_xGa_1-xN阱层的厚度介于1-4nm之间。

一种紫外发光二极管的外延结构，其中：所述多量子阱层的周期数介于3-12组之间。

一种紫外发光二极管的外延结构，其中：所述外延结构的生长方法为：

1. 提供一衬底，在衬底上生长AlN缓冲层；

2. 在AlN缓冲层上生长非掺杂Al_aGa_1-aN层；

3. 在非掺杂Al_aGa_1-aN层上生长n型Al_bGa_1-bN层；

4. 在n型Al_bGa_1-bN层上生长多量子阱层，所述多量子阱层为依次周期生长的Al_yGa_1-yN/Al_uIn_vGa_1-u-vN复合垒层和Al_xGa_1-xN阱层；

5. 在多量子阱层上生长pAl_cGa_1-cN电子阻挡层；

6. 在pAl_cGa_1-cN电子阻挡层上生长pAl_dGa_1-dN空穴导电层。

（三）有益效果

与现有技术相比，本实用新型提供了，一种紫外发光二极管的外延结构，具备以下有益效果：采用AlGaN/AlInGaN复合垒层代替传统的单层AlGaN垒层，一方面，由于AlInGaN的插入，可以降低有源区中垒层和阱层晶格常数差异导致的压电极化，从而增加载流子在阱层的复合效率；另一方面，控制AlInGaN层的厚度在一定范围之内，避免了单层AlInGaN所造成的晶体质量下降和相分离现象。

附图说明

图1 为本实用新型的结构示意图。

图2 为本实用新型外延结构生长方法流程图。

附图标记：衬底1、AlN缓冲层2、非掺杂Al_aGa_1-aN层3、n型Al_bGa_1-bN层4、多量子阱层5、复合垒层501、Al_yGa_1-yN层5011、Al_uIn_vGa_1-u-vN层5012、Al_xGa_1-xN阱层502、pAl_cGa_1-cN电子阻挡层6、pAl_dGa_1-dN空穴导电层7。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，一种紫外发光二极管的外延结构，包括衬底1以及依次位于所述衬底1上的AlN缓冲层2、非掺杂Al_aGa_1-aN层3、n型Al_bGa_1-bN层4、多量子阱层5、pAl_cGa_1-cN电子阻挡层6、pAl_dGa_1-dN空穴导电层7；其中：所述多量子阱层5由复合垒层501和Al_xGa_1-xN阱层502依次周期性堆叠而成，所述复合垒层501由Al_yGa_1-yN层5011和Al_uIn_vGa_1-u-vN层5012以复合方式构成，所述非掺杂Al_aGa_1-aN层3中Al组分浓度为0<a≤1，所述n型Al_bGa_1-bN层4中Al组分浓度为0<b≤1，所述pAl_cGa_1-cN电子阻挡层6中Al组分浓度为0<c≤1，所述pAl_dGa_1-dN空穴导电层7中Al组分浓度为0≤d≤1。

一种紫外发光二极管的外延结构，其中：所述复合垒层501结构可以是将所述Al_uIn_vGa_1-u-vN层5012插入在所述Al_yGa_1-yN层5011之前、之中、之后或交替分布，及其相应的多种组合。

一种紫外发光二极管的外延结构，其中：所述Al_yGa_1-yN层5011的厚度介于5-15nm之间，所述Al_uIn_vGa_1-u-vN层5012的厚度介于1-4nm之间。

一种紫外发光二极管的外延结构，其中：所述Al_xGa_1-xN阱层502中的Al组分浓度为0<x≤0.9。

一种紫外发光二极管的外延结构，其中：所述Al_yGa_1-yN层5011中的Al组分浓度为0<y≤1；所述Al_uIn_vGa_1-u-vN层5012中的Al组分浓度为0<u≤1，In组分浓度为0<v≤0.3, 且0<u+v≤1。

一种紫外发光二极管的外延结构，其中：所述Al_xGa_1-xN阱层502中的Al组分浓度x与所述复合垒层501中Al_yGa_1-yN层5011的Al组分浓度y关系为0.03≤y-x≤0.3。

一种紫外发光二极管的外延结构，其中：所述Al_xGa_1-xN阱层502的厚度介于1-4nm之间。

一种紫外发光二极管的外延结构，其中：所述多量子阱层5的周期数介于3-12组之间。

请参阅图2，本实施例中，一种紫外发光二极管的外延结构具体生长流程包括以下步骤：

步骤S1：首先使用磁控溅射机台在衬底1上沉积AlN缓冲层2，所述AlN缓冲层2的厚度为20nm；

步骤S2：将镀有AlN缓冲层2的衬底1放置在石墨载盘上，然后将石墨载盘传输至MOCVD反应腔体中，升高温度至1100-1200^oC，在反应腔中通入氮气、氢气、氨气、三甲基镓、三甲基铝等反应气体，生长3um厚度的非掺杂Al_0.2Ga_0.8N层3；

步骤S3：随后保持其他气体流量和反应条件不变，在反应腔体中通入一定流量的硅烷气体并控制生长时间，生长2um厚度的n型Al_0.2Ga_0.8N层4；

步骤S4：降低反应腔温度，并改变通入反应腔中的氮气、氢气、氨气、三乙基镓、三甲基铝等反应气体的流量，在n型Al_0.2Ga_0.8N层4上首先生长一层10nm厚度的Al_0.2Ga_0.8N5011，然后改变三乙基镓、三甲基铝、三甲基铟的流量，生长一层2nm厚度Al_0.3In_0.05Ga_0.65N5012，继续改变三乙基镓、三甲基铝的流量，生长一层3nm厚度的Al_0.1Ga_0.9N 502。依此类推，重复10个周期的生长，即可得多量子阱层5；

步骤S5：控制三甲基铝、三甲基镓、二茂镁的流量，持续生长20nm厚度的pAl_0.4Ga_0.6N 6电子阻挡层；

步骤S6：在pAl_0.4Ga_0.6N 6电子阻挡层上生长50nm厚度的pAl_0.2Ga_0.8N 7作为空穴导电层。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种紫外发光二极管的外延结构，包括衬底（1）以及依次位于所述衬底（1）上的AlN缓冲层（2）、非掺杂Al_aGa_1-aN层（3）、n型Al_bGa_1-bN层（4）、多量子阱层（5）、pAl_cGa_1-cN电子阻挡层（6）、pAl_dGa_1-dN空穴导电层（7）；其特征在于：所述多量子阱层（5）由复合垒层（501）和Al_xGa_1-xN阱层（502）依次周期性堆叠而成，所述复合垒层（501）由Al_yGa_1-yN层（5011）和Al_uIn_vGa_1-u-vN层（5012）以复合方式构成，所述非掺杂Al_aGa_1-aN层（3）中Al组分浓度为0<a≤1，所述n型Al_bGa_1-bN层（4）中Al组分浓度为0<b≤1，所述pAl_cGa_1-cN电子阻挡层（6）中Al组分浓度为0<c≤1，所述pAl_dGa_1-dN空穴导电层（7）中Al组分浓度为0≤d≤1。

2.根据权利要求1所述的一种紫外发光二极管的外延结构，其特征在于：所述复合垒层（501）结构可以是将所述Al_uIn_vGa_1-u-vN层（5012）插入在所述Al_yGa_1-yN层（5011）之前、之中、之后或交替分布，及其相应的多种组合。

3.根据权利要求1所述的一种紫外发光二极管的外延结构，其特征在于：所述Al_yGa_1-yN层（5011）的厚度介于5-15nm之间，所述Al_uIn_vGa_1-u-vN层（5012）的厚度介于1-4nm之间。

4.根据权利要求1所述的一种紫外发光二极管的外延结构，其特征在于：所述Al_xGa_1-xN阱层（502）中的Al组分浓度为0<x≤0.9。

5.根据权利要求1所述的一种紫外发光二极管的外延结构，其特征在于：所述Al_yGa_1-yN层（5011）中的Al组分浓度为0<y≤1；所述Al_uIn_vGa_1-u-vN层（5012）中的Al组分浓度为0<u≤1，In组分浓度为0<v≤0.3, 且0<u+v≤1。

6.根据权利要求4或5所述的一种紫外发光二极管的外延结构，其特征在于：所述Al_xGa_1-xN阱层（502）中的Al组分浓度x与所述复合垒层（501）中Al_yGa_1-yN层（5011）的Al组分浓度y关系为0.03≤y-x≤0.3。

7.根据权利要求1所述的一种紫外发光二极管的外延结构，其特征在于：所述Al_xGa_1-xN阱层（502）的厚度介于1-4nm之间。

8.根据权利要求1所述的一种紫外发光二极管的外延结构，其特征在于：所述多量子阱层（5）的周期数介于3-12组之间。