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CN111341891B - 紫外led外延结构及其制备方法 - Google Patents

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CN111341891B CN202010157147.7A CN202010157147A CN111341891B CN 111341891 B CN111341891 B CN 111341891B CN 202010157147 A CN202010157147 A CN 202010157147A CN 111341891 B CN111341891 B CN 111341891B
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Abstract

本申请提供一种紫外LED外延结构及其制备方法，涉及发光二极管技术领域，所述外延结构包括：衬底、第一AlN层、第二AlN层、AlN/AlGaN超晶格应力释放层、N型AlcGa1‑cN欧姆接触层和AlxGa1‑xN/AlyGa1‑yN多量子阱有源区；其中，AlN/AlGaN超晶格应力释放层至少包括第一超晶格和第二超晶格。AlN/AlGaN超晶格应力释放层能够有效缓解第二AlN层与N型AlcGa1‑cN欧姆接触层之间的应变，并且超晶格中渐变的Al组分能够降低位错密度，逐步释放晶格失配导致的应力，进而获得无龟裂、高质量的紫外LED外延结构，提高了深紫外光LED的输出功率，改善深紫外光泛白的现象。

Description

紫外LED外延结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，更具体地，涉及一种紫外LED(Light-EmittingDiode，发光二极管)外延结构及其制备方法。
背景技术
近年来，凭借着安全、体积小、环保、高效、低能耗等特点，紫外LED光源逐渐取代传统的汞灯光源，市场份额逐年递增，潜力巨大，此次新冠肺炎疫情也使得紫外LED尤其是深紫外LED在杀菌消毒领域的应用受到前所未有的重视和关注。
通常，制备紫外LED的过程中，依次在衬底表面生长AlN缓冲层和AlGaN材料。AlGaN材料位于AlN缓冲层远离衬底的一侧，而最常用的衬底为蓝宝石(Al2O3)，AlN缓冲层和蓝宝石衬底之间较大的晶格失配及热失配会引入大量的位错，同时也会导致外延层生长应力较大，在降温过程容易开裂。并且，生长完AlN缓冲层之后，紧接着生长非掺AlGaN层或N型AlGaN欧姆接触层等AlGaN材料，由于晶格常数存在差异，位错密度会进一步增大，大量穿透位错往上增殖，使AlGaN出现缺陷并容易捕获电子及空穴，产生泛白光的现象。此外，AlGaN生长过程应力大，也会导致其表面尤其是边缘出现龟裂现象，进而可用面积减少，产出率降低。
发明内容
本申请提供了一种紫外LED外延结构及其制备方法，能够降低位错密度并释放应力，提高了紫外LED外延结构的结晶质量和光输出功率，同时有效改善深紫外光泛白的现象。
第一方面，本申请提供一种紫外LED外延结构，所述外延结构包括：
衬底；
生长在所述衬底表面的第一AlN层；
位于所述第一AlN层远离所述衬底一侧的第二AlN层；
位于所述第二AlN层远离所述衬底一侧的AlN/AlGaN超晶格应力释放层；
位于所述AlN/AlGaN超晶格应力释放层远离所述衬底一侧的N型AlcGa1-cN欧姆接触层；
位于所述N型AlcGa1-cN欧姆接触层远离所述衬底一侧的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区；
位于所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区远离所述衬底一侧的P型AldGa1-dN电子阻挡层；
位于所述P型AldGa1-dN电子阻挡层远离所述衬底一侧的P型GaN欧姆接触层；
其中，所述AlN/AlGaN超晶格应力释放层至少包括第一超晶格和第二超晶格，所述第二超晶格位于所述第一超晶格远离所述衬底的一侧；
所述第一超晶格是由AlN及Al组分渐变的AlaGa1-aN交叠生长m个周期形成的AlN/AlaGa1-aN超晶格，所述第二超晶格是由AlN及Al组分渐变的AlbGa1-bN交叠生长n个周期形成的AlN/AlbGa1-bN超晶格；其中，m≥1、n≥1，所述AlaGa1-aN和所述AlbGa1-bN在每个周期内的生长过程中，Al组分逐渐降低；
或者，所述第一超晶格是由AlN、Al组分渐变的Ala1Ga1-a1N及Al组分恒定的Ala2Ga1-a2N交叠生长m个周期形成的AlN/Ala1Ga1-a1N/Ala2Ga1-a2N超晶格；所述Ala1Ga1-a1N在每个周期内的生长过程中，Al组分由a1降低至a2；所述第二超晶格是由AlN、Al组分渐变的Alb1Ga1-b1N及Al组分恒定的Alb2Ga1-b2N交叠生长n个周期形成的AlN/Alb1Ga1-b1N/Alb2Ga1-b2N超晶格；所述AlbGa1-bN在每个周期内的生长过程中，Al组分由b1降低至b2；其中，m≥1、n≥1。
可选地，沿垂直于所述衬底所在平面的方向，所述第一超晶格中每个周期内的AlN的厚度为H1，所述第二超晶格中每个周期内的AlN的厚度为H2；其中，H1＞H2。
可选地，沿垂直于所述衬底所在平面的方向，所述第一超晶格中每个周期内的AlGaN的厚度为H3，所述第二超晶格中每个周期内的AlGaN的厚度为H4；其中，H3＜H4。
可选地，所述AlN/AlGaN超晶格应力释放层还包括第三超晶格，所述第三超晶格位于所述第二超晶格远离所述衬底的一侧；
所述第三超晶格是由AlN及Al组分渐变的AluGa1-uN交叠生长s个周期形成的AlN/AluGa1-uN超晶格；其中，s≥1，所述AluGa1-uN在每个周期内的生长过程中，Al组分逐渐降低；
或者，所述第三超晶格是由AlN、Al组分渐变的Alu1Ga1-u1N及Al组分恒定的Alu2Ga1-u2N交叠生长s个周期形成的AlN/Alu1Ga1-u1N/Alu2Ga1-u2N超晶格；所述Alu1Ga1-u1N在每个周期内的生长过程中，Al组分由u1降低至u2；其中，s≥1。
可选地，沿垂直于所述衬底所在平面的方向，所述第三超晶格中每个周期内的AlN的厚度为H5，所述第三超晶格中每个周期内的AlGaN的厚度为H6；其中，H1＞H2＞H5，H6＞H4＞H3。
可选地，0＜c＜b＜a＜1；
其中，a为所述第一超晶格中AlaGa1-aN的Al组分，b为所述第二超晶格中AlbGa1-bN的Al组分，c为所述N型AlcGa1-cN欧姆接触层中的Al组分。
可选地，所外延结构还包括非掺杂AltGa1-tN层；所述非掺杂AltGa1-tN层位于所述AlN/AlGaN超晶格应力释放层与所述N型AlcGa1-cN欧姆接触层之间。
可选地，0＜c＜t＜b2＜b1＜a2＜a1＜1；
其中，a1为所述第一超晶格中Ala1Ga1-a1N的Al组分，a2为所述第一超晶格中Ala2Ga1-a2N的Al组分，b1为所述第二超晶格中Alb1Ga1-b1N的Al组分，b2为所述第二超晶格中Alb2Ga1-b2N的Al组分，c为所述N型AlcGa1-cN欧姆接触层中的Al组分，t为所述非掺杂AltGa1-tN层中的Al组分。
可选地，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区中，量子阱的Al组分x小于量子垒的Al组分y，即0＜x＜y≤1。
第二方面，本申请提供一种用于制备上述第一方面任一所述的紫外LED外延结构的方法，所述方法包括：
提供蓝宝石衬底；
将所述蓝宝石衬底置入MOCVD机台反应腔，在所述反应腔内通入III族Al源和NH3，并在升温至第一预设温度后，在所述蓝宝石衬底的表面形成第一AlN层；
当所述反应腔内的温度升至第二预设温度时，在所述第一AlN层远离所述衬底的表面形成第二AlN层；所述第二预设温度高于所述第一预设温度；
当所述反应腔内的温度降至第三预设温度时，在所述第二AlN层远离所述衬底的一侧交叠生长m个周期的AlN、Al组分渐变的Ala1Ga1-a1N及Al组分恒定的Ala2Ga1-a2N，形成第一超晶格；其中，m≥1，所述Ala1Ga1-a1N在每个周期内的生长过程中，Al组分由a1逐渐降低至a2；
当所述反应腔内的温度达到第四预设温度时，在所述第一超晶格远离所述衬底的表面交叠生长n个周期的AlN、Al组分渐变的Alb1Ga1-b1N及Al组分恒定的Alb2Ga1-b2N，形成第二超晶格；其中，n≥1，所述Alb1Ga1-b1N在每个周期内的生长过程中，Al组分由b1逐渐降低至b2；
在所述第二超晶格远离所述衬底的表面上依次形成N型AlcGa1-cN欧姆接触层、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区、P型AldGa1-dN电子阻挡层和P型GaN欧姆接触层，得到制备完成的所述紫外LED外延结构。
与现有技术相比，本申请提供的紫外LED外延结构及其制备方法，至少实现了如下的有益效果：
本申请所提供的紫外LED外延结构及其制备方法中，在第二AlN层远离衬底的一侧生长有AlN/AlGaN超晶格应力释放层，能够有效缓解第二AlN层与N型AlcGa1-cN欧姆接触层之间的应变，并且，AlN/AlGaN超晶格应力释放层至少包括第一超晶格和第二超晶格，第一超晶格和第二超晶格中渐变的Al组分可以滑移位错，使穿透位错转向，进而降低位错密度，逐步释放晶格失配导致的应力，从而获得无龟裂、高质量的紫外LED外延结构，进而提高深紫外光LED的输出功率，改善深紫外光泛白的现象。
当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1所示为本申请实施例所提供的紫外LED外延结构的一种结构示意图；
图2所示为图1实施例所提供的紫外LED外延结构中AlN/AlGaN超晶格应力释放层的一种结构示意图；
图3所示为图1实施例所提供的紫外LED外延结构中第一超晶格的一种示意图；
图4所示为图1实施例所提供的紫外LED外延结构中第二超晶格的一种示意图；
图5所示为图1实施例所提供的紫外LED外延结构中AlN/AlGaN超晶格应力释放层的另一种结构示意图；
图6所示为本申请实施例所提供的紫外LED外延结构的一种流程图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
以下将结合附图和具体实施例进行详细说明。
图1所示为本申请实施例所提供的紫外LED外延结构的一种结构示意图，图2所示为图1实施例所提供的紫外LED外延结构中AlN/AlGaN超晶格应力释放层的一种结构示意图。请参见图1及图2，本申请提供的一种紫外LED外延结构，包括：
衬底10；
生长在衬底表面的第一AlN层20；
位于第一AlN层20远离衬底10一侧的第二AlN层30；
位于第二AlN层30远离衬底10一侧的AlN/AlGaN超晶格应力释放层40；
位于AlN/AlGaN超晶格应力释放层40远离衬底10一侧的N型AlcGa1-cN欧姆接触层50；
位于N型AlcGa1-cN欧姆接触层50远离衬底10一侧的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区60；
位于AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区60远离衬底10一侧的P型AldGa1-dN电子阻挡层70；
位于P型AldGa1-dN电子阻挡层70远离衬底10一侧的P型GaN欧姆接触层80；
其中，AlN/AlGaN超晶格应力释放层40至少包括第一超晶格41和第二超晶格42，第二超晶格42位于第一超晶格41远离所述衬底的一侧；
第一超晶格41是由AlN及Al组分渐变的AlaGa1-aN交叠生长m个周期形成的AlN/AlaGa1-aN超晶格，第二超晶格42是由AlN及Al组分渐变的AlbGa1-bN交叠生长n个周期形成的AlN/AlbGa1-bN超晶格；其中，m≥1、n≥1，AlaGa1-aN和AlbGa1-bN在每个周期内的生长过程中，Al组分逐渐降低；
或者，第一超晶格41是由AlN、Al组分渐变的Ala1Ga1-a1N及Al组分恒定的Ala2Ga1-a2N交叠生长m个周期形成的AlN/Ala1Ga1-a1N/Ala2Ga1-a2N超晶格；Ala1Ga1-a1N在每个周期内的生长过程中，Al组分由a1降低至a2；第二超晶格42是由AlN、Al组分渐变的Alb1Ga1-b1N及Al组分恒定的Alb2Ga1-b2N交叠生长n个周期形成的AlN/Alb1Ga1-b1N/Alb2Ga1-b2N超晶格；AlbGa1-bN在每个周期内的生长过程中，Al组分由b1降低至b2；其中，m≥1、n≥1。
具体地，第一AlN层20可以为低温Al层，第二AlN层30可以为高温Al层；P型AldGa1- dN电子阻挡层70中的Al组分通常为50％-100％，如可以设置为55％。
图3所示为图1实施例所提供的紫外LED外延结构中第一超晶格的一种示意图。请参见图3，本实施例中，第一超晶格41可以是由AlN及Al组分渐变的AlaGa1-aN交叠生长m个周期后形成的AlN/AlaGa1-aN超晶格。例如，在每个周期内，AlaGa1-aN的Al组分从0.95逐渐降低至0.85，AlN和Al组分渐变的AlaGa1-aN交叠生长5个周期后，得到AlN/AlaGa1-aN超晶格。
图4所示为图1实施例所提供的紫外LED外延结构中第一超晶格的另一种示意图。如图4所示，在另一种可能的实施方式中，第一超晶格41还可以是由AlN、Al组分渐变的Ala1Ga1-a1N及Al组分恒定的Ala2Ga1-a2N交叠生长m个周期形成的AlN/Ala1Ga1-a1N/Ala2Ga1-a2N超晶格。具体地，在每个周期内，首先生长AlN，然后生长Al组分逐渐降低的Ala1Ga1-a1N，当其中的Al组分由a1降低至a2时，Al组分保持稳定，并继续生长形成Ala2Ga1-a2N。示例性的，第一超晶格可以为AlN/Al0.95Ga0.05N/Al0.85Ga0.15N，也就是说Ala1Ga1-a1N中的Al组分为0.95，生长过程中渐变至0.85，此时Al组分维持在0.85，继续生长一段后得到AlN/Al0.95Ga0.05N/Al0.85Ga0.15N超晶格。
与上述第一超晶格41类似，AlN/AlGaN超晶格应力释放层40中的第二超晶格42，可以是由AlN及Al组分渐变的AlbGa1-bN交叠生长n个周期形成的AlN/AlbGa1-bN超晶格，也可以是由AlN、Al组分渐变的Alb1Ga1-b1N及Al组分恒定的Alb2Ga1-b2N交叠生长n个周期形成的AlN/Alb1Ga1-b1N/Alb2Ga1-b2N超晶格。对于第二超晶格42的具体结构此处不再赘述。本实施例中，第二超晶格的Al组分低于第一超晶格中的Al组分。这里仍以第一超晶格为AlN/Al0.95Ga0.05N，且Al组分渐变至0.85为例，此时，第二超晶格可以为AlN/Al0.8Ga0.2N，而其中的Al组分则由0.8降低至0.75。
另外，由于a、a1、a2、b、b1、b2表示的是Al组分，因而它们的取值范围在0～1。
可见，本申请所提供的紫外LED外延结构中，在第二AlN层远离衬底的一侧生长有AlN/AlGaN超晶格应力释放层，能够有效缓解第二AlN层与N型AlcGa1-cN欧姆接触层之间的应变，并且，AlN/AlGaN超晶格应力释放层至少包括第一超晶格和第二超晶格，第一超晶格和第二超晶格中渐变的Al组分可以滑移位错，使穿透位错转向，进而降低位错密度，逐步释放晶格失配导致的应力，从而获得无龟裂、高质量的紫外LED外延结构，进而提高深紫外光LED的输出功率，改善深紫外光泛白的现象。
可选地，沿垂直于衬底10所在平面的方向，第一超晶格41中每个周期内的AlN的厚度为H1，第二超晶格42中每个周期内的AlN的厚度为H2；第一超晶格41中每个周期内的AlGaN的厚度为H3，第二超晶格42中每个周期内的AlGaN的厚度为H4；其中，H1＞H2，H3＜H4。
在实际生产中，具有高Al含量的AlGaN是实现深紫外波长所必须的材料，但是，在AlGaN材料的制备方面，尤其是制备高Al组分的AlGaN材料，外延结构中的应力及缺陷浓度会随着Al组分的增加而变大，这就导致AlGaN的表面出现开裂，大大降低晶体质量。本实施例中的此种超晶格结构可以通过厚度及Al组分的配合，对外延结构中的晶格失配和应力进行有效调控，避免AlN对AlGaN材料产生应力，进而导致AlGaN材料的外延结构中产生裂纹，有利于进一步释放应力，提高AlGaN外延结构的质量。
图5所示为图1实施例所提供的紫外LED外延结构中AlN/AlGaN超晶格应力释放层的另一种结构示意图。可选地，如图5所示，AlN/AlGaN超晶格应力释放层40还包括第三超晶格43，第三超晶格位于第二超晶格42远离衬底10的一侧；
第三超晶格43是由AlN及Al组分渐变的AluGa1-uN交叠生长s个周期形成的AlN/AluGa1-uN超晶格；其中，s≥1，AluGa1-uN在每个周期内的生长过程中，Al组分逐渐降低；
或者，第三超晶格43是由AlN、Al组分渐变的Alu1Ga1-u1N及Al组分恒定的Alu2Ga1-u2N交叠生长s个周期形成的AlN/Alu1Ga1-u1N/Alu2Ga1-u2N超晶格；Alu1Ga1-u1N在每个周期内的生长过程中，Al组分由u1降低至u2；其中，s≥1。
沿垂直于衬底10所在平面的方向，第三超晶格43中每个周期内的AlN的厚度为H5，第三超晶格中每个周期内的AlGaN的厚度为H6；其中，H1＞H2＞H5，H6＞H4＞H3。
具体地，第三超晶格43的结构与第一超晶格41及第二超晶格42类似，Al组分也随着依次形成的第一超晶格41、第二超晶格42和第三超晶格43而逐渐降低。例如，第三超晶格43可以为AlN/Al0.65Ga0.35N超晶格或AlN/Al0.65Ga0.35N/Al0.45Ga0.55N超晶格。
可选地，0＜c＜b＜a＜1；其中，a为第一超晶格41中AlaGa1-aN的Al组分，b为第二超晶格42中AlbGa1-bN的Al组分，c为N型AlcGa1-cN欧姆接触层50中的Al组分。
具体地，当第一超晶格41和第二超晶格42分别为AlN/AlaGa1-aN超晶格和AlN/AlbGa1-bN超晶格时，0＜c＜b＜a＜1。也就是说，第一超晶格41、第二超晶格42和N型AlcGa1-cN欧姆接触层50中的Al组分逐渐降低，如此设计能有效减小第二Al层与AlGaN材料之间的晶格失配，起到弛豫应力的作用。
可选地，紫外LED的外延结构还包括非掺杂AltGa1-tN层；非掺杂AltGa1-tN层位于AlN/AlGaN超晶格应力释放层40与N型AlcGa1-cN欧姆接触层50之间。其中，0＜c＜t＜b2＜b1＜a2＜a1＜1，a1为第一超晶格41中Ala1Ga1-a1N的Al组分，a2为第一超晶格41中Ala2Ga1-a2N的Al组分，b1为第二超晶格42中Alb1Ga1-b1N的Al组分，b2为第二超晶格42中Alb2Ga1-b2N的Al组分，c为N型AlcGa1-cN欧姆接触层50中的Al组分，t为非掺杂AltGa1-tN层中的Al组分。具体而言，a1、a2、b1、b2、t、c分别可以为95％、85％、80％、75％、65％和55％。
可选地，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区60中，量子阱的Al组分x小于量子垒的Al组分y，即0＜x＜y≤1。
在一种可能的实施方式中，量子垒中的Al组分可以为43％，量子阱中的Al组分可以为27％。
AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区60可以发出波长为200nm-360nm的深紫外光，并且，AlN/AlGaN超晶格应力释放层中的Al组分、非掺杂AltGa1-tN层中的Al组分、N型AlcGa1- cN欧姆接触层中的Al组分以及P型AldGa1-dN电子阻挡层中的Al组分，均高于AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区中的Al组分。可以理解的是，若紫外LED的外延结构中，其它膜层的Al组分低于量子阱中的Al组分，则会严重吸收从多量子阱层中发出的深紫外光，因此，将AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区中的Al组分设置为最低，可以避免其发出的光线被吸收，进而提高紫外LED外延结构的发光效率。
对上述紫外LED外延结构进行EL9点测试，结果如表1所示。其中：
外延结构1中不含AlN/AlGaN超晶格应力释放层；
外延结构2中含有AlN/AlGaN超晶格应力释放层，AlN/AlGaN超晶格应力释放层中包括第一超晶格和第二超晶格，且第一超晶格和第二超晶格分别为AlN/Ala1Ga1-a1N/Ala2Ga1-a2N超晶格和AlN/Alb1Ga1-b1N/Alb2Ga1-b2N超晶格；
外延结构3中也含有AlN/AlGaN超晶格应力释放层，AlN/AlGaN超晶格应力释放层中包括第一超晶格和第二超晶格，但第一超晶格和第二超晶格分别为AlN/AlaGa1-aN超晶格和AlN/AlbGa1-bN超晶格；
外延结构4中含有AlN/AlGaN超晶格应力释放层，并且AlN/AlGaN超晶格应力释放层中的第一超晶格、第二超晶格及第三超晶格分别为AlN/Ala1Ga1-a1N/Ala2Ga1-a2N超晶格、AlN/Alb1Ga1-b1N/Alb2Ga1-b2N超晶格和AlN/Alu1Ga1-u1N/Alu2Ga1-u2N超晶格。
表1
紫外LED外延结构 波长(nm) 电压(v) 光功率(Relative Power)
1 309.8 7 0.008
2 310 7.3 0.030
3 309.9 7.2 0.025
4 309.8 7.5 0.032
可见，上述四种紫外LED外延结构均可发出波长约310nm的深紫外光，但与外延结构2-4相比，外延结构1的EL量测光功率很低，其发出的光偏白；而在外延结构中增加了AlN/AlGaN超晶格应力释放层后，光功率得到大幅度提升，光也呈蓝紫色。
显然，在第二AlN层远离衬底的一侧生长有AlN/AlGaN超晶格应力释放层，能够有效缓解第二AlN层与N型AlcGa1-cN欧姆接触层之间的应变，并且，AlN/AlGaN超晶格应力释放层至少包括第一超晶格和第二超晶格，第一超晶格和第二超晶格中渐变的Al组分可以滑移位错，使穿透位错转向，进而降低位错密度，逐步释放晶格失配导致的应力，从而获得无龟裂、高质量的紫外LED外延结构，进而提高深紫外光LED的输出功率，改善深紫外光泛白的现象。
图6所示为本申请实施例所提供的紫外LED外延结构的一种流程图。本申请还提供一种紫外LED外延结构的制备方法，请结合图1及图6，该方法包括：
步骤601、提供蓝宝石衬底10；
步骤602、将蓝宝石衬底10置入MOCVD机台反应腔，在反应腔内通入III族Al源和NH3，并在升温至第一预设温度后，在蓝宝石衬底10的表面形成第一AlN层20；
步骤603、当反应腔内的温度升至第二预设温度时，在第一AlN层20远离衬底10的表面形成第二AlN层30；第二预设温度高于第一预设温度；
步骤604、当反应腔内的温度降至第三预设温度时，在第二AlN层30远离衬底10的一侧交叠生长m个周期的AlN、Al组分渐变的Ala1Ga1-a1N及Al组分恒定的Ala2Ga1-a2N，形成第一超晶格41；其中，m≥1，Ala1Ga1-a1N在每个周期内的生长过程中，Al组分由a1逐渐降低至a2；
步骤605、当反应腔内的温度达到第四预设温度时，在第一超晶格41远离衬底10的表面交叠生长n个周期的AlN、Al组分渐变的Alb1Ga1-b1N及Al组分恒定的Alb2Ga1-b2N，形成第二超晶格42；其中，n≥1，Alb1Ga1-b1N在每个周期内的生长过程中，Al组分由b1逐渐降低至b2；
步骤606、在第二超晶格42远离衬底10的表面上依次形成N型AlcGa1-cN欧姆接触层50、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区60、P型AldGa1-dN电子阻挡层70和P型GaN欧姆接触层80，得到制备完成的紫外LED外延结构。
下面以制备310nm波段的UVB-LED为例，对上述紫外LED外延结构的制备方法进行详细说明。
步骤一，将蓝宝石衬底置入MOCVD机台反应腔，并在800℃、反应腔压力50Torr下，通入TMAl、NH3和H2，在蓝宝石衬底的表面形成厚度为25nm低温AlN。
步骤二，在1270℃，反应腔压力50Torr下通入TMAl、NH3和H2，形成厚度为3μm高温AlN。
步骤三，降低温度至1180℃，在反应腔压力50Torr下先通入TMAl、NH3和H2，形成AlN；然后通入TMGa，并在15s时间内TMGa流量从14sccm变为28sccm，形成Al组分渐变的Ala1Ga1-a1N，接着TMGa流量保持28sccm，形成Al组分恒定的Ala2Ga1-a2N。重复本步骤5次之后，形成5个周期的AlN/Ala1Ga1-a1N/Ala2Ga1-a2N超晶格，即第一超晶格。
步骤四，降低温度至1130℃，在反应腔压力50Torr下先通入TMAl、NH3和H2，形成AlN；然后通入TMGa，并在15s时间内TMGa流量从18sccm变为36sccm，形成Al组分渐变的Alb1Ga1-b1N，接着TMGa流量保持36sccm，形成Al组分恒定的Alb2Ga1-b2N。重复本步骤5次之后，形成5个周期的AlN/Alb1Ga1-b1N/Alb2Ga1-b2N超晶格，即第二超晶格；
步骤五，降低温度至1070℃，在反应腔压力50Torr下通入TMAl、TMGa、SiH4、NH3和H2，形成厚度为2μm的N型AlcGa1-cN欧姆接触层；其中，SiH4为N型掺杂剂，Si浓度为1.5E+19。
步骤六，降低温度至1000℃，在反应腔压力50Torr下通入TMAl、TMGa、SiH4、NH3和H2，形成掺Si的AlGaN量子垒，厚度约13nm，Al组分约43％。
步骤七，在1000℃、反应腔压力50Torr下通入TMAl、TMGa、NH3和H2，形成AlGaN量子阱，厚度约2.5nm，Al组分约27％；重复步骤六和步骤七6次之后，形成6个周期的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区。
步骤八，降低温度至990℃，在反应腔压力50Torr下通入Cp2Mg、TMAl、TMGa、NH3和H2，形成厚度约50nm的P型AldGa1-dN电子阻挡层；其中，Al组分约55％，Mg浓度约5E+18；
步骤九，降低温度至940℃，在反应腔压力100Torr下通入Cp2Mg、TMGa、NH3和H2，形成厚度约为100nm的P型GaN欧姆接触层；其中，Mg浓度约4E+19。
本申请所提供的紫外LED外延结构制备方法中，在第二AlN层远离衬底的一侧生长有AlN/AlGaN超晶格应力释放层，能够有效缓解第二AlN层与N型AlcGa1-cN欧姆接触层之间的应变，并且，AlN/AlGaN超晶格应力释放层至少包括第一超晶格和第二超晶格，第一超晶格和第二超晶格中渐变的Al组分可以滑移位错，使穿透位错转向，进而降低位错密度，逐步释放晶格失配导致的应力，从而获得无龟裂、高质量的紫外LED外延结构，进而提高深紫外光LED的输出功率，改善深紫外光泛白的现象。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种紫外LED外延结构，其特征在于，所述外延结构包括：
衬底；
生长在所述衬底表面的第一AlN层；
位于所述第一AlN层远离所述衬底一侧的第二AlN层；
位于所述第二AlN层远离所述衬底一侧的AlN/AlGaN超晶格应力释放层；
位于所述AlN/AlGaN超晶格应力释放层远离所述衬底一侧的N型AlcGa1-cN欧姆接触层；
位于所述N型AlcGa1-cN欧姆接触层远离所述衬底一侧的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区；
位于所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区远离所述衬底一侧的P型AldGa1-dN电子阻挡层；
位于所述P型AldGa1-dN电子阻挡层远离所述衬底一侧的P型GaN欧姆接触层；
其中，所述AlN/AlGaN超晶格应力释放层至少包括第一超晶格和第二超晶格，所述第二超晶格位于所述第一超晶格远离所述衬底的一侧；
所述第一超晶格是由AlN及Al组分渐变的AlaGa1-aN交叠生长m个周期形成的AlN/AlaGa1-aN超晶格，所述第二超晶格是由AlN及Al组分渐变的AlbGa1-bN交叠生长n个周期形成的AlN/AlbGa1-bN超晶格；其中，m≥1、n≥1，所述AlaGa1-aN和所述AlbGa1-bN在每个周期内的生长过程中，Al组分逐渐降低；
或者，所述第一超晶格是由AlN、Al组分渐变的Ala1Ga1-a1N及Al组分恒定的Ala2Ga1-a2N交叠生长m个周期形成的AlN/Ala1Ga1-a1N/Ala2Ga1-a2N超晶格；所述Ala1Ga1-a1N在每个周期内的生长过程中，Al组分由a1降低至a2；所述第二超晶格是由AlN、Al组分渐变的Alb1Ga1-b1N及Al组分恒定的Alb2Ga1-b2N交叠生长n个周期形成的AlN/Alb1Ga1-b1N/Alb2Ga1-b2N超晶格；所述AlbGa1-bN在每个周期内的生长过程中，Al组分由b1降低至b2；其中，m≥1、n≥1；
沿垂直于所述衬底所在平面的方向，所述第一超晶格中每个周期内的AlN的厚度为H1，所述第二超晶格中每个周期内的AlN的厚度为H2，所述第一超晶格中每个周期内的AlGaN的厚度为H3，所述第二超晶格中每个周期内的AlGaN的厚度为H4；其中，H1＞H2，H3＜H4。
2.根据权利要求1所述的紫外LED外延结构，其特征在于，所述AlN/AlGaN超晶格应力释放层还包括第三超晶格，所述第三超晶格位于所述第二超晶格远离所述衬底的一侧；
所述第三超晶格是由AlN及Al组分渐变的AluGa1-uN交叠生长s个周期形成的AlN/AluGa1-uN超晶格；其中，s≥1，所述AluGa1-uN在每个周期内的生长过程中，Al组分逐渐降低；
或者，所述第三超晶格是由AlN、Al组分渐变的Alu1Ga1-u1N及Al组分恒定的Alu2Ga1-u2N交叠生长s个周期形成的AlN/Alu1Ga1-u1N/Alu2Ga1-u2N超晶格；所述Alu1Ga1-u1N在每个周期内的生长过程中，Al组分由u1降低至u2；其中，s≥1。
3.根据权利要求2所述的紫外LED外延结构，其特征在于，沿垂直于所述衬底所在平面的方向，所述第三超晶格中每个周期内的AlN的厚度为H5，所述第三超晶格中每个周期内的AlGaN的厚度为H6；其中，H1＞H2＞H5，H6＞H4＞H3。
4.根据权利要求1所述的紫外LED外延结构，其特征在于，0＜c＜b＜a＜1；
其中，a为所述第一超晶格中AlaGa1-aN的Al组分，b为所述第二超晶格中AlbGa1-bN的Al组分，c为所述N型AlcGa1-cN欧姆接触层中的Al组分。
5.根据权利要求1所述的紫外LED外延结构，其特征在于，所外延结构还包括非掺杂AltGa1-tN层；所述非掺杂AltGa1-tN层位于所述AlN/AlGaN超晶格应力释放层与所述N型AlcGa1-cN欧姆接触层之间。
6.根据权利要求5所述的紫外LED外延结构，其特征在于，0＜c＜t＜b2＜b1＜a2＜a1＜1；
其中，a1为所述第一超晶格中Ala1Ga1-a1N的Al组分，a2为所述第一超晶格中Ala2Ga1-a2N的Al组分，b1为所述第二超晶格中Alb1Ga1-b1N的Al组分，b2为所述第二超晶格中Alb2Ga1-b2N的Al组分，c为所述N型AlcGa1-cN欧姆接触层中的Al组分，t为所述非掺杂AltGa1-tN层中的Al组分。
7.根据权利要求1所述的紫外LED外延结构，其特征在于，所述AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区中，量子阱的Al组分x小于量子垒的Al组分y，即0＜x＜y≤1。
8.一种用于制备权利要求1-7中任一所述的紫外LED外延结构的方法，其特征在于，所述方法包括：
提供蓝宝石衬底；
将所述蓝宝石衬底置入MOCVD机台反应腔，在所述反应腔内通入III族Al源和NH3，并在升温至第一预设温度后，在所述蓝宝石衬底的表面形成第一AlN层；
当所述反应腔内的温度升至第二预设温度时，在所述第一AlN层远离所述衬底的表面形成第二AlN层；所述第二预设温度高于所述第一预设温度；
当所述反应腔内的温度降至第三预设温度时，在所述第二AlN层远离所述衬底的一侧交叠生长m个周期的AlN、Al组分渐变的Ala1Ga1-a1N及Al组分恒定的Ala2Ga1-a2N，形成第一超晶格；其中，m≥1，所述Ala1Ga1-a1N在每个周期内的生长过程中，Al组分由a1逐渐降低至a2；
当所述反应腔内的温度达到第四预设温度时，在所述第一超晶格远离所述衬底的表面交叠生长n个周期的AlN、Al组分渐变的Alb1Ga1-b1N及Al组分恒定的Alb2Ga1-b2N，形成第二超晶格；其中，n≥1，所述Alb1Ga1-b1N在每个周期内的生长过程中，Al组分由b1逐渐降低至b2；其中，沿垂直于所述衬底所在平面的方向，所述第一超晶格中每个周期内的AlN的厚度为H1，所述第二超晶格中每个周期内的AlN的厚度为H2，所述第一超晶格中每个周期内的AlGaN的厚度为H3，所述第二超晶格中每个周期内的AlGaN的厚度为H4，且H1＞H2，H3＜H4；
在所述第二超晶格远离所述衬底的表面上依次形成N型AlcGa1-cN欧姆接触层、AlxGa1- xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区、P型AldGa1-dN电子阻挡层和P型GaN欧姆接触层，得到制备完成的所述紫外LED外延结构。
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