一种紫外LED外延片结构及其制备方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种紫外led外延片结构及其制备方法。

背景技术：

根据不同波长范围，紫外光可划分为：长波紫外uva(320-400nm)、中波紫外uvb(280-320nm)、短波紫外uvc(200-280nm)和真空紫外vacuumuv(10-200nm)。对于不同波长范围的紫外光在不同的领域具有非常强大的市场价值，如：长波紫外uva(320-400nm)被应用在uv固化、防伪鉴定等。此外，紫外led具有节能、环保、安全、寿命长、低耗、低热等优点。因此，紫外led越来越受研究者们的关注。

当前制备紫外led外延片主要采用iii族氮化物algan材料，其禁带宽度适合制备出紫外波段器件，并且可以通过改变材料中al组分來得到不同禁带宽度的algan材料。因此，通常采用改变紫外led量子阱内的al组分的大小来制备出发射波长在200-400nm内变化的紫外led。但是就目前工艺技术制备出的algan仍存在如下问题：1)高al组分iii族氮化物材料的高缺陷密度导致严重的非辐射复合；2)强大的极化场引起能带弯曲致使量子阱内大部分电子的泄露。这就使得紫外led面临内量子效率、光输出功率均比较低等问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种紫外led外延片结构及其制备方法,以解决现有紫外led外延片多量子阱发光层中电子泄露、空穴注入效率低等问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一种紫外led外延片结构，由下而上依次包括：衬底、缓冲层、n型algan层、alxga1-xn/alyga1-yn多量子阱层、p型algan插入层、p型algan电子阻档层、p型algan层、p型gan层；所述alxga1-xn/alyga1-yn多量子阱层中ai组分含量x<y；

所述的p型algan插入层包含多层，由底向上分为奇数层和偶数层，其中奇数层中ai组分含量线性增长、偶数层中ai组分含量线性降低从而使p型algan插入层中ai组分含量呈锯齿形，或者奇数层中ai组分含量线性降低、偶数层中ai组分含量线性增长从而使p型algan插入层中ai组分含量呈锯齿形。

进一步的，所述的alxga1-xn/alyga1-yn多量子阱层中，alxga1-xn为阱层，alyga1-yn为垒层，且ai组分含量0≤x<y<1。

进一步的，所述的p型algan电子阻档层为almga1-mn，ai组分含量m的取值范围为：y<m<1。

进一步的，所述的p型algan插入层的总厚度为10-20nm。

进一步的，所述的p型algan插入层中每一层ai组分厚度为1-4nm。

进一步的，所述的p型algan插入层中除最后一层ai组分线性增加层以外其他ai组分线性增加层为alznga1-znn，zn为第n个组分线性增加结构层ai组分值,该层ai组分值zn以上一层ai组分值最小值为初始值线性递增到yan，其中yan为第n个al组分线性增加结构层ai组分值最大值，其中y<yan<1；所述的p型algan插入层除第一层和最后一层ai组分线性增加层以外其他ai组分线性增加层为alaga1-an，该层al组分值由初始值yb线性递增到a,其中a的取值范围为yb<a<1。

进一步的，所述的p型algan插入层中ai组分线性下降的结构层为albnga1-bnn，该层ai组分值bn以上一层ai组分值最大值为初始值线性降低到ybn，其中bn为第n个组分线性下降结构层ai组分值,ybn为第n个组分线性下降结构层ai组分值最小值,n为正整数，其中0<ybn<yan<1。

进一步的，所述的p型algan插入层从底向上最后一层为alnga1-nn，该层ai组分值n以上一层下降结构层的组分最小值为初始值线性递增到m。

本发明还提供一种紫外led外延片结构制备方法，包含以下步骤：

在氢气气氛、温度为1000-1100℃下，在衬底上生长一层2.5-3μm厚的非掺杂algan缓冲层；

在氢气气氛且温度1000-1200℃下，在缓冲层上生长n型铝镓氮层，其厚度为2.5-3μm，n型掺杂浓度为1×10¹⁸-5×10¹⁸cm^-3；

在氮气气氛、温度为1000℃下，在n型铝镓氮层上生长多量子阱发光层,其中量子阱厚度为3-7nm,量子垒厚度为9-20nm；

在氮气气氛、温度为900-1000℃下，在发光层上生长p型algan插入层，所述p型algan插入层包含多层，由底向上分为奇数层和偶数层，其中奇数层中ai组分含量线性增长、偶数层ai组分含量线性降低从而使p型algan插入层中ai组分含量呈锯齿形，或者奇数层中ai组分含量线性降低、偶数层ai组分含量线性增长从而使p型algan插入层中ai组分含量呈锯齿形；

在氮气气氛、温度为1000-1200℃下，在所述p型algan插入层上生长p型algan电子阻档层，其厚度为15-25nm，p型掺杂浓度为1×10¹⁷-2×10¹⁷cm^-3；

在氮气气氛、温度为1000-1200℃下，在所述p型algan电子阻档层上生长p型algan层，其厚度为80-100nm，p型掺杂浓度为1×10¹⁷-2×10¹⁷cm^-3；

最后在氢气气氛且温度为900-1000℃下生长p型铝镓氮层，其厚度为10-20nm，p型掺杂浓度为1×10¹⁸-2×10¹⁸cm^-3。

本发明实现的紫外led外延片结构及其制备方法，在外延片的发光层与电子阻挡层之间设置ai组份含量呈锯齿状的插入层，可以进一步阻挡电子的泄露，以及起到了储存空穴的作用，最终可以改善紫外led的内量子效率低和光输出功率低的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的algan基紫外led外延片的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的algan基紫外led外延片的结构中的插入层的结构示意图；

图3为本发明的algan基紫外led内量子效率结果图；

图4为本发明的algan基紫外led光输出功率结果图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，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。

本发明实施例提供一种紫外led外延片结构，如图1所示，由下而上依次包括：衬底、缓冲层、n型algan层、alxga1-xn/alyga1-yn多量子阱层、p型algan插入层、p型algan电子阻档层、p型algan层、p型gan层；所述alxga1-xn/alyga1-yn多量子阱层中ai组分含量x<y；优选的，所述衬底优选蓝宝石衬底，所述缓冲层为未掺杂缓冲层，所述n型algan层为al0.15ga0.85n，其厚度为3μm，掺杂元素为硅且浓度为5×10¹⁸cm^-3；所述p型algan电子阻档层为al0.3ga0.7n，其厚度为20nm，掺杂元素为镁且浓度为1×10¹⁷cm^-3。所述p型algan层为al0.15ga0.85n，其厚度为90nm，掺杂元素为镁且浓度为1×10¹⁷cm^-3；所述p型gan层，其厚度为10nm，掺杂元素为镁且浓度为2×10¹⁸cm^-3。

本实施例所涉及的alxga1-xn/alyga1-yn多量子阱层中，alxga1-xn为阱层，alyga1-yn为垒层，且ai组分含量0≤x<y<1；所述的p型algan电子阻档层为almga1-mn，ai组分含量m的取值范围为：y<m<1。例如，所述alxga1-xn/alyga1-yn多量子阱层(x<y)为6个周期的gan/al0.15ga0.85n多量子阱层，其中阱的厚度为3nm，垒的厚度为9nm。

本实施例所涉及的p型algan插入层包含多层，如图2所示，由底向上分为奇数层和偶数层，每一层ai组分厚度为1-4nm；其中奇数层中ai组分含量线性增长、偶数层ai组分含量线性降低；或者奇数层中ai组分含量线性降低、偶数层ai组分含量线性增长，从而使p型algan插入层中ai组分含量呈锯齿形。所述的p型algan插入层的总厚度为10-20nm；所述的p型algan插入层中除最后一层ai组分线性增加层以外其他ai组分线性增加层为alznga1-znn，zn为第n个组分线性增加结构层ai组分值,该层ai组分值zn以上一层ai组分值最小值为初始值线性递增到yan，其中yan为第n个al组分线性增加结构层ai组分值最大值，其中y<yan<1；所述的p型algan插入层除第一层和最后一层ai组分线性增加层以外其他ai组分线性增加层为alaga1-an，该层al组分值由初始值yb线性递增到a,其中a的取值范围为yb<a<1；p型algan插入层中ai组分线性下降的结构层为albnga1-bnn，该层ai组分值bn以上一层ai组分值最大值为初始值线性降低到ybn，其中bn为第n个组分线性下降结构层ai组分值,ybn为第n个组分线性下降结构层ai组分值最小值,n为正整数，其中0<ybn<yan<1；p型algan插入层从底向上最后一层为alnga1-nn，该层ai组分值n以上一层下降结构层的组分最小值为初始值线性递增到m。举例来说，假如所述p型algan插入层的总厚度为10nm，将其平均分成五等份：第一、二、三层为线性变化ai组分的alz1ga1-z1n层，其中z1由初始值0.15线性递增到0.3；第二、四层为线性变化ai组分的alnga1-nn,其中n由初始值0.3线性降低到0.15。如图3和图4所示，由于在多量子阱发光层和p型电子阻挡层之间插入锯齿状的插入层，能够提高紫外led的电子限制能力、空穴注入效率，增强电子空穴辐射复合效率，从而提高紫外led的内量子效率和光输出功率。

该紫外led外延片结构制备过程为：

在氢气气氛、温度为1000-1100℃下，在衬底上生长一层厚度2.5-3um的非掺杂algan缓冲层；优选，所述衬底优选蓝宝石衬底，

在氢气气氛且温度1000-1200℃下，在缓冲层上生长n型铝镓氮层；优选，所述缓冲层为未掺杂缓冲层，所述n型algan层为al0.15ga0.85n，其厚度为3μm，掺杂元素为硅且浓度为5×10¹⁸cm^-3；

在氮气气氛、温度为1000℃下，在n型铝镓氮层上生长多量子阱发光层；

在氮气气氛、温度为900-1000℃下，在发光层上生长p型algan插入层，所述p型algan插入层包含多层，由底向上分为奇数层和偶数层，其中奇数层中ai组分含量线性增长、偶数层ai组分含量线性降低，或者奇数层中ai组分含量线性降低、偶数层ai组分含量线性增长，从而使p型algan插入层中ai组分含量呈锯齿形；例如，所述p型algan插入层的总厚度为10nm，将其平均分成五等份：第一、二、三层为线性变化ai组分的alz1ga1-z1n层，其中z1由初始值0.15线性递增到0.3；

在氮气气氛、温度为1000-1200℃下，在所述p型algan插入层上生长p型algan电子阻档层；所述p型algan电子阻档层为al0.3ga0.7n，其厚度为20nm，掺杂元素为镁且浓度为1×10¹⁷cm^-3。

在氮气气氛、温度为1000-1200℃下，在所述p型algan电子阻档层上生长p型algan层；所述p型algan层为al0.15ga0.85n，其厚度为90nm，掺杂元素为镁且浓度为1×10¹⁷cm^-3。

最后在氢气气氛且温度为900-1000℃下生长p型gan层；所述p型gan层生长在p型algan层上，其厚度为10nm，掺杂元素为镁且浓度为2×10¹⁸cm^-3。

由于本发明是在多量子阱层与电子阻挡层之间加入锯齿状的插入层，该插入层能够减缓量子层与电子阻挡层间的极化效应，从而提高了紫外led对电子的限制能力以及提高了空穴的有效注入，进而提高了载流子在多量子阱层的复合效率。另外，锯齿状插入层能够进一步阻挡电子的泄露以及能够充当空穴储存层。

以上参照附图说明了本发明的优选实施例，并非因此局限本发明的权利范围。本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本发明的权利范围之内。