CN109461799A - 深紫外led的外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深紫外LED的外延结构，包括由下至上依次叠加的蓝宝石衬底、AlN层、N型AlGaN层、多量子阱有源层、超晶格AlGaN势垒层、P型AlGaN电子阻挡层以及P型GaN层；超晶格AlGaN势垒层由势垒Alx1Gay1N和势阱Alx2Gay2N周期性排布组成；势垒Alx1Gay1N的厚度为1nm～3nm，势阱Alx2Gay2N的厚度为0.1nm～2nm，其中，0<x1<0.7，0.3<y1<1；0<x2<x1，y1<y2<1。本发明还公开了一种深紫外LED的外延结构的制备方法，由此解决了现有技术中深紫外LED的光输出功率低的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域，更具体地，涉及一种深紫外LED的外延结构及其制备方法。
背景技术
随着LED技术不断发展，其发光波长已经由可见光波段拓展到深紫外波段，其技术逐渐成熟和成本下降将使得紫外LED应用更加广泛，甚至可能超越目前的蓝光LED。
基于AlGaN的深紫外LED(λ<300nm)由于其广泛的潜在应用，如消毒、空气和水净化、生化检测和光通信，引起了许多科学家的关注。然而，深紫外LED低的外量子效率仍然不能满足目前的应用要求，这主要受限于其低的内量子效率和光提取效率。现有技术中深紫外LED的内量子效率由其外延结构和晶体质量共同决定，是影响深紫外LED光输出功率的重要的因素。基于常规的深紫外LED芯片外延结构，在提高深紫外LED的内量子效率和出光等方面，仍有许多可以提升的空间，亟待开发一种提高深紫外LED光输出功率的外延结构。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种深紫外LED的外延结构，其目的在于解决现有技术中深紫外LED的光输出功率低的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种深紫外LED的外延结构，包括由下至上依次叠加的蓝宝石衬底、AlN层、N型AlGaN层、多量子阱有源层、超晶格AlGaN势垒层、P型AlGaN电子阻挡层以及P型GaN层；
所述超晶格AlGaN势垒层由势垒Alx1Gay1N和势阱Alx2Gay2N周期性排布组成；所述势垒Alx1Gay1N的厚度为1nm～3nm，所述势阱Alx2Gay2N的厚度为0.1nm～2nm，所述超晶格AlGaN势垒层的总厚度为15nm～25nm；
其中，0<x1<0.7，0.3<y1<1；0<x2<x1，y1<y2<1。
优选地，所述AlN层的厚度为1μm～3μm。
优选地，所述N型AlGaN层的厚度为2μm～4μm；其中，Si掺杂浓度为5×1018cm-3～8×1018cm-3。
优选地，所述多量子阱有源层由5～7个周期的Alm1Gan1N量子垒和Alm2Gan2N量子阱组成，所述Alm1Gan1N量子垒的厚度为7nm～12nm，所述Alm2Gan2N量子阱的厚度为2nm～4nm；其中，0<m1<0.7，0.3<n1<1；0<m2<m1，n1<n2<1；所述Alm1Gan1N量子垒的Si掺杂浓度为3×1018cm-3～5×1018cm-3，所述Alm2Gan2N量子阱不掺杂。
优选地，所述P型AlGaN电子阻挡层的厚度为25nm～50nm，Mg掺杂浓度为5×1018cm-3～8×1018cm-3；所述P型GaN层的厚度为200nm～350nm，Mg掺杂浓度为1×1019cm-3～3×1019cm-3。
按照本发明的另一方面，提供了一种上述深紫外LED的外延结构的制备方法，包括以下步骤：
S1、在蓝宝石衬底上生长AlN层；
S2、在所述AlN层上生长N型AlGaN层，并进行Si掺杂；
S3、在所述N型AlGaN层上生长多量子阱有源层；
S4、在所述多量子阱有源层上生长超晶格AlGaN势垒层；
所述超晶格AlGaN势垒层由势垒Alx1Gay1N和势阱Alx2Gay2N周期性排布组成；所述势垒Alx1Gay1N的厚度为1nm～3nm，所述势阱Alx2Gay2N的厚度为0.1nm～2nm，所述超晶格AlGaN势垒层的总厚度为15nm～25nm；
其中，0<x1<0.7，0.3<y1<1；0<x2<x1，y1<y2<1；
S5、在所述超晶格AlGaN势垒层上生长P型AlGaN电子阻挡层，并进行Mg掺杂
S6、在所述P型AlGaN电子阻挡层上生长P型GaN层，并进行Mg掺杂；
S7、高温退火，激活掺杂的Mg杂质。
优选地，所述步骤S1中生长AlN层的方法为：先在低温850℃～950℃下生长20nm～30nm的成核层，再在高温1200℃～1300℃下继续生长至1μm～3μm。
优选地，所述步骤S2中N型AlGaN层的生长温度以及所述步骤S6中P型GaN层的生长温度均为1000℃～1100℃。
优选地，所述步骤S3中多量子阱有源层的生长温度以及所述步骤S4中超晶格AlGaN势垒层的生长温度均为1050℃～1150℃。
优选地，所述步骤S7中退火温度为850℃～950℃，退火时间为25min～40min。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)由于本发明提供的深紫外LED的外延结构包括由下至上依次叠加的蓝宝石衬底、AlN层、N型AlGaN层、多量子阱有源层、超晶格AlGaN势垒层、P型AlGaN电子阻挡层以及P型GaN层，而其中的超晶格AlGaN势垒层由势垒Alx1Gay1N和势阱Alx2Gay2N周期性排布组成，能有效地提高P型AlGaN电子阻挡层的势垒，减轻来自于多量子阱有源层的电子泄露，并同时降低空穴注入的势垒，提高空穴载流子从P型AlGaN和P型GaN层进入到多量子阱有源层的注入效率，实现了多量子阱有源层中电子和空穴两种载流子浓度的提高，有利于增大多量子阱有源层中电子和空穴载流子发生辐射复合的概率，最终提高了深紫外LED的内量子效率和外量子效率，并表现为其光输出功率的提高。
(2)本发明提供的一种深紫外LED的外延结构的制备方法，实现了超晶格AlGaN势垒层的外延生长，可制备获得光输出功率提高的LED外延结构，能够广泛应用在深紫外LED外延工艺领域。且该制备方法流程简单，易于调控，适用于规模生产，具有非常广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明提供的一种深紫外LED的外延结构的结构示意图；
图2是本发明提供的实施例的LED外延结构的能带示意图；
图3是本发明提供的对比例的LED外延结构的能带示意图；
图4是本发明提供的实施例的LED与对比例的LED的量子阱电子浓度图；
图5是本发明提供的实施例的LED与对比例的LED的量子阱空穴浓度图；
图6是本发明提供的实施例的LED与对比例的LED的外量子效率测试图；
图7是本发明提供的实施例的LED与对比例的LED的光输出功率测试图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-P型GaN层；2-P型AlGaN电子阻挡层；3-超晶格AlGaN势垒层；4-多量子阱有源层；5-N型AlGaN层；6-AlN层；7-蓝宝石衬底。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供了一种深紫外LED的外延结构，包括由下至上依次叠加的蓝宝石衬底7、AlN层6、N型AlGaN层5、多量子阱有源层4、超晶格AlGaN势垒层3、P型AlGaN电子阻挡层2以及P型GaN层1；
超晶格AlGaN势垒层3由势垒Alx1Gay1N和势阱Alx2Gay2N周期性排布组成；势垒Alx1Gay1N的厚度为1nm～3nm，势阱Alx2Gay2N的厚度为0.1nm～2nm，超晶格AlGaN势垒层3的总厚度为15nm～25nm；
其中，0<x1<0.7，0.3<y1<1；0<x2<x1，y1<y2<1。
由于本发明提供的深紫外LED的外延结构包括由下至上依次叠加的蓝宝石衬底、AlN层、N型AlGaN层、多量子阱有源层、超晶格AlGaN势垒层、P型AlGaN电子阻挡层以及P型GaN层，而其中的超晶格AlGaN势垒层由势垒Alx1Gay1N和势阱Alx2Gay2N周期性排布组成，能有效地提高P型电子阻挡层的势垒，减轻来自于多量子阱有源层的电子泄露，并同时降低空穴注入的势垒，提高空穴载流子从P型AlGaN和P型GaN层进入到多量子阱有源层的注入效率，实现了多量子阱有源层中电子和空穴两种载流子浓度的提高，有利于增大多量子阱有源层中电子和空穴载流子发生辐射复合的概率，最终提高了深紫外LED的内量子效率和外量子效率，并表现为其光输出功率的提高。
其中，AlN层6的厚度为1μm～3μm。
其中，N型AlGaN层5的厚度为2μm～4μm；其中，Si掺杂浓度为5×1018cm-3～8×1018cm-3。
其中，多量子阱有源层4由5～7个周期的Alm1Gan1N量子垒和Alm2Gan2N量子阱组成，Alm1Gan1N量子垒的厚度为7nm～12nm，Alm2Gan2N量子阱的厚度为2nm～4nm；其中，0<m1<0.7，0.3<n1<1；0<m2<m1，n1<n2<1；Alm1Gan1N量子垒的Si掺杂浓度为3×1018cm-3～5×1018cm-3，Alm2Gan2N量子阱不掺杂。
其中，P型AlGaN电子阻挡层2的厚度为25nm～50nm，Mg掺杂浓度为5×1018cm-3～8×1018cm-3；P型GaN层1的厚度为200nm～350nm，Mg掺杂浓度为1×1019cm-3～3×1019cm-3。
按照本发明的另一方面，提供了一种上述深紫外LED的外延结构的制备方法，包括以下步骤：
S1、在蓝宝石衬底上生长AlN层；
S2、在AlN层上生长N型AlGaN层，并进行Si掺杂；
S3、在N型AlGaN层上生长多量子阱有源层；
S4、在多量子阱有源层上生长超晶格AlGaN势垒层；
超晶格AlGaN势垒层由势垒Alx1Gay1N和势阱Alx2Gay2N周期性排布组成；势垒Alx1Gay1N的厚度为1nm～3nm，势阱Alx2Gay2N的厚度为0.1nm～2nm，超晶格AlGaN势垒层的总厚度为15nm～25nm；
其中，0<x1<0.7，0.3<y1<1；0<x2<x1，y1<y2<1；
S5、在超晶格AlGaN势垒层上生长P型AlGaN电子阻挡层，并进行Mg掺杂；
S6、在P型AlGaN电子阻挡层上生长P型GaN层，并进行Mg掺杂；
S7、高温退火，激活掺杂的Mg杂质。
其中，步骤S1中生长AlN层的方法为：先在低温850℃～950℃下生长20nm～30nm的成核层，再在高温1200℃～1300℃下继续生长至1μm～3μm，高温快速生长有利于获得平整的材料表面，提高材料晶体质量。
其中，步骤S2中N型AlGaN层的生长温度以及步骤S6中P型GaN层的生长温度均为1000℃～1100℃。
其中，步骤S3中多量子阱有源层的生长温度以及步骤S4中超晶格AlGaN势垒层的生长温度均为1050℃～1150℃。
其中，步骤S7中退火温度为850℃～950℃，退火时间为25min～40min。
本发明提供的该制备方法，实现了超晶格AlGaN势垒层的外延生长，可制备获得光输出功率提高的LED外延结构，能够广泛应用在深紫外LED外延工艺领域。且该制备方法流程简单，易于调控，适用于规模生产，具有非常广阔的应用前景。
下表为本发明提出的LED外延结构及制备方法的具体实施例。
表1本发明提出的具体实施例
因根据实施方式1-3制备得到的LED外延结构及LED芯片的外量子效率及光输出功率测量结果差别不大，下面以实施方式2作为本发明的实施例与对比例的实验结果进行具体说明。其中，实施例为超晶格AlGaN势垒层，对比例为本征势垒层。
实施例
制备方法及得到的外延结构如下：
S1、在蓝宝石衬底上生长厚度为1.5μm AlN层：先在低温880℃下生长25nm的成核层，再在高温1250℃下继续生长至1.5μm。
S2、在AlN层上生长2.5μm厚度的N型AlGaN层，并进行Si掺杂，掺杂浓度为5×1018cm-3，生长温度为1050℃；
S3、在N型AlGaN层上生长由5个周期的10nm的Al0.55Ga0.45N量子垒和3nm的Al0.45Ga0.55N量子阱组成多量子阱有源层，生长温度为1100℃，量子垒的Si掺杂浓度5×1018cm-3，量子阱不掺杂；
S4、在多量子阱有源层上生长总厚度为15nm的超晶格AlGaN势垒层，超晶格AlGaN势垒层由1nm的Al0.55Ga0.45N和1nm的Al0.5Ga0.5N周期性排布组成，生长温度为1100℃；
S5、在超晶格AlGaN势垒层上生长厚度为25nm的P型AlGaN电子阻挡层，并进行Mg掺杂，Mg掺杂浓度为5×1018cm-3；
S6、在P型AlGaN电子阻挡层上生长厚度为300nm的P型GaN层，并进行Mg掺杂，Mg掺杂浓度为3×1019cm-3，生长温度为1050℃；
S7、高温退火，激活Mg杂质，退火温度为880℃，退火时间为30min。
对比例
制备方法及得到的外延结构如下：
S1、在蓝宝石衬底上生长厚度为1.5μm AlN层：先在低温880℃下生长25nm的成核层，再在高温1250℃下继续生长至1.5μm。
S2、在AlN层上生长2.5μm厚度的N型AlGaN层，并进行Si掺杂，掺杂浓度为5×1018cm-3，生长温度为1050℃；
S3、在N型AlGaN层上生长由5个周期的10nm的Al0.55Ga0.45N量子垒和3nm的Al0.45Ga0.55N量子阱组成多量子阱有源层，生长温度为1100℃，量子垒的Si掺杂浓度5×1018cm-3，量子阱不掺杂；
S4、在多量子阱有源层上生长总厚度为15nm的AlGaN本征势垒层(单一组分)，生长温度为1100℃；
S5、在本征势垒层上生长厚度为25nm的P型AlGaN电子阻挡层，并进行Mg掺杂，Mg掺杂浓度为5×1018cm-3；
S6、在P型AlGaN电子阻挡层上生长厚度为300nm的P型GaN层，并进行Mg掺杂，Mg掺杂浓度为3×1019cm-3，生长温度为1050℃；
S7、高温退火，激活Mg杂质，退火温度为880℃，退火时间为30min。
上述实施例与对比例制备LED外延层时所采用的制备仪器为MOCVD，所采用的Ga源为三甲基镓TMGa，Al源为三甲基镓TMAl，氮源为氨气NH3，载气为氢气H2，N型和P型的掺杂源分别为硅烷SiH4和二茂镁Cp2Mg。
实验结果
如图2、3所示，为模拟计算的实施例与对比例的LED外延结构的能带图，与对比例中的本征势垒层相比，实施例中的超晶格势垒层有着更高的电子有效势垒，和更低的空穴有效势垒，有利于减轻电子的泄露并同时增强空穴的注入效率。
如图4、5所示，为模拟计算的实施例与对比例的LED的量子阱电子浓度图与空穴浓度图，与对比例相比，实施例的LED有着更高的电子浓度在量子阱中，因而有着更高的出光效率，得到更高的出光功率。
光输出功率和外量子效率测定
如图6、7所示，本发明测量了实施例以及对比例制作好的LED芯片的外量子效率及光输出功率随注入电流变化的曲线图。由图可知，在200毫安的注入电流条件下，与对比例中制备的LED芯片相比，实施例的LED芯片的光输出功率提升16.98％，同时外量子效率也从51.10％增加到了54.48％。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种深紫外LED的外延结构，其特征在于，包括由下至上依次叠加的蓝宝石衬底、AlN层、N型AlGaN层、多量子阱有源层、超晶格AlGaN势垒层、P型AlGaN电子阻挡层以及P型GaN层；
所述超晶格AlGaN势垒层由势垒Alx1Gay1N和势阱Alx2Gay2N周期性排布组成；所述势垒Alx1Gay1N的厚度为1nm～3nm，所述势阱Alx2Gay2N的厚度为0.1nm～2nm，所述超晶格AlGaN势垒层的总厚度为15nm～25nm；
其中，0<x1<0.7，0.3<y1<1；0<x2<x1，y1<y2<1。
2.如权利要求1所述的深紫外LED的外延结构，其特征在于，所述AlN层的厚度为1μm～3μm。
3.如权利要求1所述的深紫外LED的外延结构，其特征在于，所述N型AlGaN层的厚度为2μm～4μm；其中，Si掺杂浓度为5×1018cm-3～8×1018cm-3。
4.如权利要求1所述的深紫外LED的外延结构，其特征在于，所述多量子阱有源层由5～7个周期的Alm1Gan1N量子垒和Alm2Gan2N量子阱组成，所述Alm1Gan1N量子垒的厚度为7nm～12nm，所述Alm2Gan2N量子阱的厚度为2nm～4nm；其中，0<m1<0.7，0.3<n1<1；0<m2<m1，n1<n2<1；所述Alm1Gan1N量子垒的Si掺杂浓度为3×1018cm-3～5×1018cm-3，所述Alm2Gan2N量子阱不掺杂。
5.如权利要求1所述的深紫外LED的外延结构，其特征在于，所述P型AlGaN电子阻挡层的厚度为25nm～50nm，Mg掺杂浓度为5×1018cm-3～8×1018cm-3；所述P型GaN层的厚度为200nm～350nm，Mg掺杂浓度为1×1019cm-3～3×1019cm-3。
6.一种如权利要求1-5中任意一项所述深紫外LED的外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在蓝宝石衬底上生长AlN层；
S2、在所述AlN层上生长N型AlGaN层，并进行Si掺杂；
S3、在所述N型AlGaN层上生长多量子阱有源层；
S4、在所述多量子阱有源层上生长超晶格AlGaN势垒层；
所述超晶格AlGaN势垒层由势垒Alx1Gay1N和势阱Alx2Gay2N周期性排布组成；所述势垒Alx1Gay1N的厚度为1nm～3nm，所述势阱Alx2Gay2N的厚度为0.1nm～2nm，所述超晶格AlGaN势垒层的总厚度为15nm～25nm；
其中，0<x1<0.7，0.3<y1<1；0<x2<x1，y1<y2<1；
S5、在所述超晶格AlGaN势垒层上生长P型AlGaN电子阻挡层，并进行Mg掺杂
S6、在所述P型AlGaN电子阻挡层上生长P型GaN层，并进行Mg掺杂；
S7、高温退火，激活掺杂的Mg杂质。
7.如权利要求6所述的深紫外LED的外延结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中生长AlN层的方法为：先在低温850℃～950℃下生长20nm～30nm的成核层，再在高温1200℃～1300℃下继续生长至1μm～3μm。
8.如权利要求6所述的深紫外LED的外延结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中N型AlGaN层的生长温度以及所述步骤S6中P型GaN层的生长温度均为1000℃～1100℃。
9.如权利要求6所述的深紫外LED的外延结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中多量子阱有源层的生长温度以及所述步骤S4中超晶格AlGaN势垒层的生长温度均为1050℃～1150℃。
10.如权利要求6所述的深紫外LED的外延结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S7中退火温度为850℃～950℃，退火时间为25min～40min。
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