采用复合电子阻挡层的深紫外LED外延结构的制作方法

本实用新型属于半导体光电子领域，特别是采用复合电子阻挡层的深紫外LED外延结构。

背景技术：

基于高质量的高Al组分AlGaN外延薄膜的深紫外LED可以广泛应用在消毒杀菌、水和食品处理、生化检测、信息储存、雷达探测和保密通讯等领域，市场潜力和应用前景十分巨大。

然而，目前深紫外LED的发光效率普遍较低，如何提升发光效率，是当今深紫外LED外延的重点。通常认为以下几个原因影响深紫外LED的发光效率：1.难以外延出较高晶体质量的AlGaN材料导致内量子效率较低；2.高铝组分材料的掺杂难度较大；3.由于pGaN吸光导致深紫外LED的光引出效率较低；4.漏电流导致电子注入效率较低。

其中电子泄露到深紫外LED的p层区域不光会导致注入效率降低，还会造成长波长的寄生发光峰。于是，电子阻挡层的设计便变得尤为重要。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的不足，本实用新型的目的是提供一种采用复合电子阻挡层的深紫外LED外延结构。它能有效增加电子阻挡层的电子阻挡能力，又不损害空穴注入到有源区的效率，最终可以极大提高深紫外LED的发光效率。

为了达到上述发明目的，本实用新型的技术方案以如下方式实现：

采用复合电子阻挡层的深紫外LED外延结构，它包括衬底层、成核层、AlN层、N型AlGaN层、Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN多量子阱有源层、复合电子阻挡层、P型AlGaN层和P型GaN层。其结构特点是，所述复合电子阻挡层分为两层，其与多量子阱有源层接触一侧为AlN阻挡层，其与P型AlGaN层接触一侧为高Al组分Al_zGa_1-zN阻挡层，y<z<1。

在上述深紫外LED外延结构中，所述复合电子阻挡层中AlN阻挡层是厚度为1-20nm的非掺杂AlN层。

在上述深紫外LED外延结构中，所述复合电子阻挡层中高Al组分Al_zGa_1-zN阻挡层是厚度为5-50nm的P型AlGaN阻挡层。

在上述深紫外LED外延结构中，所述衬底层采用蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氮化铝衬底或者硅衬底中的一种。

在上述深紫外LED外延结构中，所述成核层采用厚度为5-50nm的AlN，所述AlN层采用厚度为1-5μm 的非掺杂AlN。

在上述深紫外LED外延结构中，所述N型AlGaN层是厚度为0.5-5μm的掺Si的N型AlGaN。

在上述深紫外LED外延结构中，所述Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN多量子阱有源层是交替生长的厚度为2-6nm的Al_xGa_1-xN势阱层(0<x<1)和厚度为5-15nm的Al_yGa_1-yN势垒层(0<y<1,x<y)，多量子阱周期数1-10。

在上述深紫外LED外延结构中，所述P型AlGaN层采用厚度为10-200nm的P型AlGaN层。

在上述深紫外LED外延结构中，所述P型GaN层是厚度为10-200nm的P型GaN接触层。

本实用新型由于采用了上述结构，同现有技术相比具有如下优点：采用复合电子阻挡层的深紫外LED外延结构，可以有效减小电子泄露到p层区域的几率，能够很好的抑制长波长的寄生发光峰，提高电子注入效率。本实用新型采用的外延结构最终可以显著提高深紫外LED器件的发光性能。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

附图说明

图1是本实用新型深紫外LED外延结构示意图；

图2是本实用新型中复合电子阻挡层的结构示意图；

图3是实施例中采用本实用新型复合电子阻挡层和常规电子阻挡层的电致发光谱比较图。

具体实施方式

参看图1和图2，本实用新型采用复合电子阻挡层的深紫外LED外延结构，它包括衬底层1、成核层2、AlN层3、N型AlGaN层4、Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN多量子阱有源层5、复合电子阻挡层6、P型AlGaN层7和P型GaN层8。复合电子阻挡层6分为两层，其与多量子阱有源层5接触一侧为AlN阻挡层601，其与P型AlGaN层7接触一侧为高Al组分Al_zGa_1-zN阻挡层602，y<z<1。复合电子阻挡层6中AlN阻挡层601是厚度为1-20nm的非掺杂AlN层，或者是Mg掺杂浓度为5E17 cm^-3 ~5E19cm^-3的P型AlN层。复合电子阻挡层6中高Al组分Al_zGa_1-zN阻挡层602是厚度为5-50nm的P型AlGaN阻挡层，Mg掺杂浓度为1E18 cm^-3 ~1E20cm^-3。衬底层1采用蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氮化铝衬底或者硅衬底中的一种。成核层2采用厚度为5-50nm的AlN，所述AlN层3采用厚度为1-5μm 的非掺杂AlN。N型AlGaN层4是厚度为0.5-5μm的掺Si的N型AlGaN，其中的Al组分为0-1，Si的掺杂浓度为1E18 cm^-3 ~2E19cm^-3。Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN多量子阱有源层5是交替生长的厚度为2-6nm的Al_xGa_1-xN势阱层(0<x<1)和厚度为5-15nm的Al_yGa_1-yN势垒层(0<y<1,x<y)，多量子阱周期数1-10。P型AlGaN层7采用厚度为10-200nm的P型AlGaN层，其中Al组分为0-1，Mg掺杂浓度为1E18 cm^-3 ~1E20cm^-3。P型GaN层8是厚度为10-200nm的P型GaN接触层，Mg掺杂浓度为5E18 cm^-3 ~5E20cm^-3。

本实用新型采用复合电子阻挡层的深紫外LED外延结构的制备方法，依次包括以下步骤：

1）生长AlN成核层2：控制生长温度为600-1200℃，反应室压力为50-200mbar，Ⅴ/Ⅲ比为100-5000，生长厚度为5-50nm的成核层2。

2）生长AlN层3：控制生长温度为900-1400℃，反应室压力为20-200mbar，Ⅴ/Ⅲ比为50-5000，生长厚度为1-5μm的AlN层3。

3）生长N型AlGaN接触层4：控制生长温度为900-1200℃，反应室压力为50-200mbar，生长厚度为0.5-5μm的N型AlGaN接触层4，Al组分为0-1，Si 掺杂浓度为1E18 cm^-3~2E19cm^-3。

4）生长Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN多量子阱有源层5：控制生长温度为900-1200℃，反应室压力为50-200mbar，交替生长厚度为2-6nm的Al_xGa_1-xN势阱层(0<x<1)和厚度为5-15nm的Al_yGa_1-yN势垒层(0<y<1,x<y)，多量子阱周期数1-10。

5）生长复合电子阻挡层6：首先控制生长温度为900-1400℃，反应室压力为20-200mbar，Ⅴ/Ⅲ比为50-5000，生长厚度为1-20nm的非掺杂AlN阻挡层601或掺杂Mg掺杂浓度为5E17 cm^-3 ~5E19cm^-3的P型AlN阻挡层601；然后控制生长温度为800-1200℃，反应室压力为50-200mbar，Mg掺杂浓度为1E18 cm^-3 ~1E20cm^-3，生长厚度为5-50nm的高Al组分Al_zGa_1-zN阻挡层602，y<z<1。

6）生长P型AlGaN层7： 控制生长温度为800-1200℃，反应室压力为50-200mbar，生长厚度为10-200nm的P型AlGaN层7，Al组分为0-1，Mg掺杂浓度为1E18 cm^-3 ~1E20cm^-3。

7）生长P型GaN层8：控制生长温度为800-1100℃，反应室压力为100-1000mbar，生长厚度为10-200nm的P型GaN层8，Mg掺杂浓度为5E18 cm^-3 ~5E20cm^-3。

实施例一：

在衬底层1上首先依次生长成核层2、AlN层3、N型AlGaN层4、Al_0.4Ga_1-0.4N/Al_0.5Ga_0.5N多量子阱有源层5、复合电子阻挡层6、P型AlGaN层7和P型GaN层8。其中生长复合电子阻挡层6分为两个步骤：首先控制生长温度为900℃，反应室压力为50mbar，Ⅴ/Ⅲ比为50，生长厚度为1nm的非掺杂AlN阻挡层601；然后控制生长温度为800℃，反应室压力为50mbar，Mg掺杂浓度为1E18 cm^-3 ，生长厚度为5nm的高Al组分Al_0.7Ga_0.3N电子阻挡层602。

参看图3，利用电致发光来表征深紫外LED的发光性能。结果发现，本实用新型采用的复合电子阻挡层结构相比常规电子阻挡层结构，发光波长都在280nm左右，发光强度数值从9000增加到12500，而且峰位在320nm的寄生杂质峰明显减弱，说明采用本实用新型的复合电子阻挡层结构，能使深紫外LED发光性能明显提高。

实施例二：

在衬底层1上首先依次生长成核层2、AlN层3、N型AlGaN层4、Al_0.4Ga_1-0.4N/Al_0.5Ga_0.5N多量子阱有源层5、复合电子阻挡层6、P型AlGaN层7和P型GaN层8。其中生长复合电子阻挡层6分为两个步骤：首先控制生长温度为1400℃，反应室压力为200mbar，Ⅴ/Ⅲ比为500，生长厚度为20nm的AlN阻挡层601；然后控制生长温度为1200℃，反应室压力为200mbar，Mg掺杂浓度为1E20cm^-3 ，生长厚度为50nm的高Al组分Al_0.7Ga_0.3N电子阻挡层602。

实施例三：

在衬底层1上首先依次生长成核层2、AlN层3、N型AlGaN层4、Al_0.4Ga_1-0.4N/Al_0.5Ga_0.5N多量子阱有源层5、复合电子阻挡层6、P型AlGaN层7和P型GaN层8。其中生长复合电子阻挡层6分为两个步骤：首先控制生长温度为1400℃，反应室压力为200mbar，Ⅴ/Ⅲ比为500，生长厚度为1nm的掺杂Mg掺杂浓度为5E17cm^-3的AlN阻挡层601；然后控制生长温度为1200℃，反应室压力为200mbar，Mg掺杂浓度为1E19cm^-3，生长厚度为50nm的高Al组分Al_0.6Ga_0.4N电子阻挡层602。

实施例四：

在衬底层1上首先依次生长成核层2、AlN层3、N型AlGaN层4、Al_0.4Ga_1-0.4N/Al_0.5Ga_0.5N多量子阱有源层5、复合电子阻挡层6、P型AlGaN层7和P型GaN层8。其中生长复合电子阻挡层6分为两个步骤：首先控制生长温度为1300℃，反应室压力为100mbar，Ⅴ/Ⅲ比为500，生长厚度为20nm的掺杂Mg掺杂浓度为5E19cm^-3的AlN阻挡层601；然后控制生长温度为1200℃，反应室压力为200mbar，Mg掺杂浓度为1E20cm^-3 ，生长厚度为50nm的高Al组分Al_0.9Ga_0.1N电子阻挡层602。

实施例五：

在衬底层1上首先依次生长成核层2、AlN层3、N型AlGaN层4、Al_0.4Ga_1-0.4N/Al_0.5Ga_0.5N多量子阱有源层5、复合电子阻挡层6、P型AlGaN层7和P型GaN层8。其中生长复合电子阻挡层6分为两个步骤：首先控制生长温度为1200℃，反应室压力为50mbar，Ⅴ/Ⅲ比为1000，生长厚度为5nm的掺杂Mg掺杂浓度为5E18cm^-3的AlN阻挡层601；然后控制生长温度为1100℃，反应室压力为100mbar，Mg掺杂浓度为1E19cm^-3 ，生长厚度为25nm的高Al组分Al_0.8Ga_0.2N电子阻挡层602。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；凡属于按照本技术方案进行显而易见的修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案，均属于本实用新型的保护范围。