具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法与流程

本发明涉及一种紫外led的外延结构，尤其涉及一种具有氮化镓量子点的紫外led的外延结构及其生长方法，属于发光二极管(light-emittingdiode，简称led)技术领域。

背景技术：

随着我国科技水平的进步，制造业的持续发展，生活水平也得到不断地改善，物质生活和精神生活都有大幅的提升。然而近年来雾霾、水污染等的加重给日益改善的生活水平增添了瑕疵，空气和水等携带的细菌正在侵蚀我们的健康。为了保护自身的健康，各种消毒杀菌装置孕育而生，如空气净化器，水处理器。而这些杀菌装置的最主要杀菌功能部件为紫外灯，目前比较热门的是采用深紫外led灯。

紫外led杀菌的原理是利用led产生的适当波长紫外线对细菌的脱氧核糖核酸(dna)和核糖核酸(rna)的分子键进行破坏，破坏原有细菌菌落并阻止细菌的复制繁殖，达到杀死细菌的目的。紫外杀菌技术利用高强度深紫外线照射，能够将各种细菌、病毒、寄生虫、水藻以及其他病原体直接杀死，目前被广泛应用于民生、医疗以及生产制造行业。

因深紫外led的杀菌功能，现在对深紫外led的研究也趋于热门。目前深紫外led主要采用algan作为主要生长材料，利用cvd外延生长方法生长出所需要的发光结构。图1为现有技术中的紫外alganled外延结构，如图1所示，该结构包含缓冲层101，非掺杂altga1-tn层102，n型掺杂aluga1-un层103，alxga1-xnal量子阱层104、alyga1-ynal量子垒层105，alzga1-zn电子阻挡层106，p型掺杂alvga1-vn层107以及p型掺杂gan层108。

虽然，目前紫外深紫外铝镓氮alganled应用广泛。但是，alganled还存在应用上的一些难题。1、发光效率低，目前15milx15mil的芯片在20ma驱动电流下发光亮度约2mw，发光效率低导致杀菌效率也偏低；2、algan量子阱中因无法形成algan量子点，导致电子空穴复合几率非常低。

技术实现要素：

基于以上原因，本发明提供了一种具有氮化镓量子点的紫外led的外延结构及其生长方法，该外延结构具有提供量子点的量子阱结构，从而提高了电子空穴复合几率，解决了algan量子阱中因无量子点导致的复合几率非常低的问题。

本发明提供一种具有氮化镓量子点的紫外led的外延结构的生长方法，包括如下步骤：

1)在衬底上，从下至上依次生长缓冲层、非掺杂层、n型掺杂层；

2)在所述n型掺杂层上生长q个量子阱结构，所述每个量子阱结构包含量子阱层和量子垒层alyga1-yn，并且所述量子阱层包含m个alxga1-xn-gan量子点，其中，1≤q≤50，1≤m≤10，0＜x＜1，0＜y＜1，x＜y，且q、m均为正整数；

3)在所述q个量子阱结构上，从下至上依次生长电子阻挡层、p型掺杂alvga1-vn层和p型掺杂gan层，其中，0＜v＜1，v＞y。

步骤1)中，首先是在衬底上生长缓冲层。由于led外延结构多为金属的氮化物，因此在通入反应物之前，需要对反应室中的温度以及压力进行控制从而使氨气和金属源能够分解成各自原子而发生化合反应生成金属的氮化物。具体实施过程中，将反应室衬底的温度控制在600～1000℃，压力为100～500torr，将氨气与金属源通入衬底上，在该反应条件下，金属源分解为相应的金属原子，氨气分解为氮原子，从而生成金属氮化物形成外延结构的缓冲层。为了能够控制缓冲层的厚度，一般的，金属源的注入速度为1～300ml/min，在通入上述反应物后并反应3～10min，即可在衬底上成长出厚度大于0且小于等于100nm的缓冲层。其中，金属源可以选择为三甲基镓、三甲基铟以及三甲基铝中的一种或多种，则可以想到的是，缓冲层的组成会因此为氮化镓、氮化铟以及氮化铝中的一种或几种。优选的，为了避免吸光，金属源可以选择为三甲基铝。

其次，当缓冲生长层生长结束后，可以将反应室的温度提高至1000～1350℃，压力维持在30～100torr，在氢气气氛的保护下，通入三甲基镓、三甲基铝和氨气。该步骤不仅能够使缓冲层发生分解聚合形成均匀分布的成核岛，还能够使新通入的反应物分解为原子并化合为金属氮化物，从而与晶核岛合并并长大，从而生长出未掺入任何杂质的未掺杂层altga1-tn。为了能够控制未掺杂层的厚度，一般的，三甲基镓和三甲基铝的注入速度为50～1000ml/min，在通入上述反应物并反应10～180min后，即可在缓冲层上成长出厚度为50～3000nm的未掺杂层。随后引入n型杂质在未掺杂层上生长出厚度为1000～3000nmn型掺杂层aluga1-un。本发明中引入的杂原子为硅原子，硅原子的掺杂浓度为1x10¹⁷～5x10¹⁹个cm^-3。

步骤2)中，是在n型掺杂层上生长q个量子阱结构。本发明对每个量子阱结构中的量子阱层做了设计，使每个量子阱层中都包含gan量子点，即：

当m＝1时，量子阱层具体为alxga1-xn-gan量子点；

当m＞1时，量子阱层具体为alxga1-xn-gan量子点/alxga1-xn-gan量子点......alxga1-xn-gan量子点/alxga1-xn-gan量子点。

并且，本发明中要求量子垒层中的铝含量y大于量子阱层中的铝含量x。

步骤3)中，首先，在已生长好的alxga1-xn/alyga1-yn多量子阱结构上生长一层5-100nm厚的电子阻挡层alzga1-zn。此层的目的作为电子阻挡层同时也可以作为高载流子迁移率插入层。其次，在此基础上生长高载流子浓度的厚度大于0且小于500nm的p型掺杂alvga1-vn层，此层的掺杂浓度为1×10¹⁸～5×10²⁰个cm^-3。最后，生长p型掺杂gan层，此层的厚度为2～15nm，此层的掺杂浓度为5×10¹⁹～8×10²⁰个cm^-3，以便形成良好的欧姆接触。

以上，便完成了完整的含有氮化镓量子点的紫外led外延结构的生长。

本发明有效提升了氮化铝镓algan量子阱中量子点的数量，从而提升了电子空穴复合几率，提高了紫外led的发光性能，有效实现了紫外led的杀菌效率。

具体地，当m＝1，则所述步骤2)包括：

a.调节温度为900～1200℃，压力为30～200torr，通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、硅原子以及氨气，生长量子垒层alyga1-yn，其中，所述量子垒层alyga1-yn的垒宽为2～25nm；

b.通入氢气、三甲基镓、三甲基铝以及氨气，生长所述量子阱层中的alxga1-xn，其中所述alxga1-xn的阱宽为1～5nm；

c.降温至800～1200℃，压力为30～200torr，通入氢气、三甲基镓以及氨气，生长所述量子阱层中的gan量子点，所述gan量子点的厚度为1～20个原子层级；

d.重复步骤a～cq次。

该生长方法具体生长出量子阱层包含单个alxga1-xn-gan量子点结构的量子阱结构。

另外，当2≤m≤10，则所述步骤2)包括：

a.调节温度为900～1200℃，压力为30～200torr，通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、硅原子以及氨气，生长量子垒层alyga1-yn，其中，所述量子垒层alyga1-yn的垒宽为2～25nm；

b.通入氢气、三甲基镓、三甲基铝以及氨气，生长所述量子阱层中的alxga1-xn，其中所述alxga1-xn的阱宽为1～5nm；

c.降温至800～1200℃，压力为30～200torr，通入氢气、三甲基镓以及氨气，生长所述量子阱层中的gan量子点，所述gan量子点的厚度为1～20个原子层级；

d.重复步骤b～cm次；

e.重复步骤a～dq次。

该生长方法具体生长出量子阱层包含alxga1-xn-gan量子点……alxga1-xn-gan量子点的周期性结构的量子阱结构。其中步骤a、b、c与步骤a、b、c相同。

值得注意的是，本发明中量子点的厚度可以通过步骤c或者步骤c中的生长时间和反应物通入流量的大小来调整。

进一步地，本发明还对非掺杂层为altga1-tn、n型掺杂层为aluga1-un，电子阻挡层为alzga1-zn中的铝镓含量进行了限制，其中0＜t＜1，0＜u＜1，0＜z＜1，且z＞y。

进一步地，在本发明中，n型掺杂层的掺杂原子为硅原子，而所述p型掺杂alvga1-vn层和p型掺杂层的掺杂原子为镁原子，具体可以采用二茂镁的形式作为反应物通入反应室，其中，二茂镁的流速为10～1000ml/min。

进一步地，本发明对发光二极管外延结构的生长设备不做限制，可以是金属有机化学气相沉积设备、分子束外延设备或者氢化物气相外延设备中的一种。

同时，所述衬底层选自蓝宝石、图形蓝宝石、硅、碳化硅、玻璃、铜、镍和铬中的一种。

本发明提供的具有氮化镓量子点的紫外led的外延结构的生长方法，通过将gan量子点引入量子阱层中，有效地提升了氮化铝镓algan量子阱中量子点的数量，提升了电子空穴复合几率，提高了紫外led器件的发光性能，从而使紫外led的杀菌效力得到显著增强。

本发明还提供一种具有氮化镓量子点的紫外led的外延结构，该具有氮化镓量子点的紫外led的外延结构按照上述生长方法得到。

本发明还提供一种具有氮化镓量子点的紫外led，该具有氮化镓量子点的紫外led包括上述的具有氮化镓量子点的紫外led的外延结构。

本发明的实施，至少包括如下优势：

1)此发明结构简单，易于实现，所需源材料均为普通生产所需，能够轻易实现；

2)gan量子点的引入能够极大地提高电子空穴复合几率，提高紫外led的发光效率；

3)能够通过控制gan量子点的厚度来控制所需紫外led的波长。

附图说明

图1为现有技术中的紫外alganled外延结构；

图2为本发明实施例1中的紫外alganled外延结构；

图3为本发明实施例2中的紫外alganled外延结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例1

1、缓冲层的生长

mocvd反应室温度升至600℃，压力为100torr，同时通入三甲基铝(150ml/min)和nh3，生长10分钟，在蓝宝石衬底(al2o3)上发生反应，生成厚度为50nm的gan缓冲层；

2、非掺杂层的生长

经过10分钟，将温度升高到1200℃，压力降至50torr，通入氢气、三甲基镓(65ml/min)、三甲基铝(300ml/min)和nh3，生长120分钟，铝镓氮晶核在金颗粒底部形成并长大，algan横向生长，生成厚度为2um非掺杂的algan层，al含量为75％；

3、n型掺杂层的生长

反应室温度升高至1250℃，压力保持50mtorr，通入氢气、三甲基镓(80ml/min)、三甲基铝(300ml/min)和氨气，生长90分钟，生成厚度为1500nm的n型algan层，al含量为75％，n型gan的掺杂浓度为1×10¹⁹个cm^-3；

4、多量子阱结构的生长

a.将反应室温度降至1000℃，压力为50mtorr，通入氢气、三甲基镓(20ml/min)，三甲基铝(60ml/min)和氨气，掺入si杂质，生长2分钟，生成厚度为12nm的掺杂algan量子垒，掺杂浓度为1×10¹⁸个cm^-3，al含量为60％；

b.1000℃，压力为50mtorr，通入氢气、三甲基镓(10ml/min)，三甲基铝(40ml/min)和氨气，此层不掺si，生长0.75分钟，生成厚度为3nm的algan量子阱层，al含量为50％；

c.将反应室温度降至900℃，压力为50mtorr，通入氢气、三甲基镓(10ml/min)和氨气，生长5秒，生长厚度为5个原子层级的gan量子点；

d.重复进行a-c共13个循环，形成13个周期的量子阱结构，即q＝13，m＝1；

5、电子阻挡层的生长

将反应室温度提高到1100℃，压力为50torr，通入氢气、三甲基镓(17ml/min)，三甲基铝(60ml/min)和氨气，生长时间为15min，生成厚度为30nm的algan电子阻挡层，al含量为70％；

6、p型掺杂alvga1-vn层

将温度降为950℃，压力调为200torr，通入氢气、三甲基镓(40ml/min)，二茂镁(150ml/min)，氨气，生长25分钟，其中，mg的掺杂浓度为5.5×10¹⁹个cm^-3，此层的厚度为150nm；

7、p型掺杂层的生长

维持温度950℃，压力调为200torr，通入氢气、三甲基镓(40ml/min)，二茂镁(450ml/min)，氨气，生长时间为1分钟，mg的掺杂浓度为2×10²⁰个cm^-3，生成厚度为5nm的重掺p型gan层。

至此，完成本实施例的波长为255nm的具有氮化镓量子点的紫外led的外延结构的生长。图2为本发明实施例1中的紫外alganled外延结构。

对本实施例的外延结构进行如下测试：

1、将具有此外延结构的led，制作成350μm×350μm芯片，通入20ma的电流，工作电压为6.0v，发光亮度为4mw；

2、具有此外延结构的紫外led器件寿命为1万小时。

实施例2

1、缓冲层的生长

mocvd反应室温度升至600℃，压力为100torr，同时通入三甲基铝(150ml/min)和nh3，生长10分钟，在蓝宝石衬底(al2o3)上发生反应，生成厚度为50nm的gan缓冲层；

2、非掺杂层的生长

经过10分钟，将温度升高到1200℃，压力降至50torr，通入氢气、三甲基镓(45ml/min)、三甲基铝(300ml/min)和nh3，生长120分钟，铝镓氮晶核在金颗粒底部形成并长大，algan横向生长，生成厚度为2um非掺杂的algan层，al含量为50％；

3、n型掺杂层的生长

反应室温度升高至1250℃，压力保持50mtorr，通入氢气、三甲基镓(50ml/min)、三甲基铝(300ml/min)和氨气，生长90分钟，生成厚度为1500nm的n型algan层，al含量为50％，n型gan的掺杂浓度为1×10¹⁹个cm^-3；

4、多量子阱结构的生长

a.将反应室温度降至1000℃，压力为50mtorr，通入氢气、三甲基镓(12ml/min)，三甲基铝(60ml/min)和氨气，掺入si杂质，生长2分钟，生成厚度为12nm的掺杂algan量子垒，掺杂浓度为1×10¹⁸个cm^-3，al含量为35％；

b.1000℃，压力为50mtorr，通入氢气、三甲基镓(4ml/min)，三甲基铝(40ml/min)和氨气，此层不掺si，生长0.25分钟，生成厚度为1nm的algan量子阱层，al含量为22％；

c.将反应室温度降至900℃，压力为50mtorr，通入氢气、三甲基镓(10ml/min)和氨气，生长1秒，生长厚度为1个原子层级的gan量子点；

d.重复进行b-c共3个循环，形成alxga1-xn-gan量子点/alxga1-xn-gan量子点/alxga1-xn-gan量子点的量子阱结构,即m＝3；

e.重复进行a-d共8个循环，形成8个周期的量子阱结构，即q＝8；

5、电子阻挡层的生长

将反应室温度提高到1100℃，压力为50mtorr，通入氢气、三甲基镓(12ml/min)，三甲基铝(60ml/min)和氨气，生长时间为15min，生成厚度为30nm的algan电子阻挡层，al含量为50％；

6、p型掺杂alvga1-vn层的生长

将温度降为950℃，压力调为200torr，通入氢气、三甲基镓(40ml/min)，二茂镁(150ml/min)，氨气，生长15分钟，其中，mg的掺杂浓度为5.5×10¹⁹个cm^-3，此层的厚度为90nm；

7、p型掺杂层的生长

维持温度950℃，压力调为200torr，通入氢气、三甲基镓(40ml/min)，二茂镁(450ml/min)，氨气，生长时间为1分钟，mg的掺杂浓度为2×10²⁰个cm^-3，生成厚度为5nm的重掺p型gan层。

至此，完成本实施例的波长为310nm的具有氮化镓量子点的紫外led的外延结构的生长，图3为本发明实施例2中的紫外alganled外延结构。

对本实施例的外延结构进行如下测试：

1、将具有此外延结构的led，制作成350μm×350μm芯片，通入20ma的电流，工作电压为6.0v，发光亮度为4mw；

2、具有此外延结构的紫外led器件寿命为1万小时。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。