一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构的制作方法

本实用新型涉及LED外延成长技术领域，尤其涉及一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构。

背景技术：

III族氮化物近年来产业逐渐转向紫外发光器件发展，紫外光LED目前已有商业应用，如空气和水的净化、紫外医疗、防伪鉴定、计算机数据存储、显示器、照明等等，皆有广阔的应用。随著III族氮化物在可见光领域的技术日渐成熟，研究者们将重心转向波长较短的紫外光，紫外光波段可分为：320-400nm长波紫外光(UVA)、280-320nm中波紫外光 (UVB)、200-280nm短波紫外光(UVC)。其中短波紫外光波段200-280nm在大气中非常微量，UVC波段可直接破坏细菌和病毒里的脱氧核醣核酸(DNA)和核醣核酸(RNA)键结，杀菌效率最高。但现阶段氮化镓系紫外光LED发光效率和氮化镓系蓝光LED相比一直有偏低的问题,以波长280nm深紫外光LED为例,其内部量子效率已经可达60％以上，但外部量子效率却只有约3％，主要原因为光取出效率太差(只有约5％左右),这和目前常见的氮化镓系蓝光LED的发光效率(外部量子效率约50％)相比,有很大的提升空间。

在氮化镓系LED中p型氮化镓的制作难度较n型氮化镓高,原因是p型氮化镓需要的活化能(约～200meV)较n型氮化镓的活化能(约～30meV)高,使p型氮化镓材料难制作,现今业界p型氮化镓的导电率只有约n型氮化镓的千分之一,使得氮化镓系LED的p型欧姆接触电极制作困难,这将大大的影响到氮化镓系LED的器件特性,为此,许多技术被提出,例如使用超晶格结构改进Mg doping效率和使用p+/n+high doping形成穿隧结等技术被提出, 使在p型氮化镓材料上制作欧姆接触电极成可能。

使用氮化镓系材料制作波长短于365nm的紫外光LED时,因为材料吸光问题,LED的主结构需使用氮化铝镓制作,但p型氮化铝镓比p型氮化镓更难制作,使得现行氮化镓系材料制作波长短于365nm紫外光LED的p型结构时,仍使用会吸收波长短于365nm紫外光的氮化镓。

氮化镓材料的能系宽度为3.4eV,可知波长短于365nm的光即有机会被氮化镓材料所吸收,现今氮化镓系材料主要成长蓝光LED(波长主要分布在450nm～460nm),对氮化镓材料而言蓝光LED发出来的光不会被吸收,但使用氮化镓系材料成长波长短于365nm的紫外光 LED时,外延结构即需使用带隙较大的氮化铝镓材料以避免吸收。

当今波长短于365nm的紫外光LED由于其杀菌应用而被广泛的发展,其p型接触层一般是采用p型氮化镓而非p型氮化铝镓,主要是在p型氮化铝镓的接触层上很难制作欧姆接触电极,然而如上所述氮化镓又会吸收波长短于365nm的光,造成较低的光取出效率和外部量子效率，存在不足。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构，解决了现有技术中光取出效率偏低的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构，包括在衬底上依次生长的缓冲层、n型欧姆接触层、有源层、p型势垒层、n⁺型欧姆接触层；其中：所述缓冲层、n型欧姆接触层、p型势垒层和n⁺型欧姆接触层均由带隙宽度不小于二极管发光光子能量的氮化镓系材料所构成，所述衬底由蓝宝石材料所制成。

一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构，其中：所述缓冲层为膜厚约13nm～30nm的AlN薄膜。

一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构，其中：所述n型欧姆接触层材料均为AlxGa1-xN,其中0.2≦x≦1，所述n型欧姆接触层厚度在2-5um之间，所述n型欧姆接触层掺杂源为单质硅，掺杂浓度为在1E19cm^-3。

一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构，其中：所述n型欧姆接触层材料为Al0.6Ga0.4N，所述n型欧姆接触层厚度为3.5um。

一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构，其中：所述有源层由阱层和垒层组成，所述阱层材料为Al0.4Ga0.6N，厚度为1-3nm，所述垒层材料为Al0.5Ga0.5N，厚度为8-12nm。

一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构，其中：所述阱层厚度为 3nm，所述垒层厚度为10nm。

一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构，其中：所述p型势垒层材料均为AlxGa1-xN,其中0.2≦x≦1，所述p型势垒层厚度在20—100nm之间，所述p型势垒层掺杂源为金属镁，掺杂浓度为1E20-1E21cm^-3。

一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构，其中：所述p型势垒层厚度为50nm。

一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构，其中：所述n⁺型欧姆接触层材料为AlxGa1-xN,其中0.1≦x≦1，所述n⁺型欧姆接触层厚度小于10nm，所述n⁺型欧姆接触层掺杂源为气体SiH4，掺杂浓度1E20-1E21cm^-3之间。

一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构，其中：所述n⁺型欧姆接触层厚度为3nm。

(三)有益效果

与现有技术相比，本实用新型提供了一种具有提高波长短于365nm紫外光光取出的发光二极管外延结构，具备以下有益效果：该LED外延结构采用高掺杂(>1e19cm^-3)且厚度薄 (<10nm)的n⁺型氮化铝镓结构取代p型氮化镓作为接触层,利用界面穿隧效应使电极和n⁺型氮化铝镓结构形成欧姆接触，如此不需成长p型氮化镓去当电极的接触层，不让p型氮化镓层吸收紫外光而降低光取出效率。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

附图标记：衬底1、缓冲层2、n型欧姆接触层3、有源层4、p型势垒层5、n⁺型欧姆接触层6。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构，包括在衬底 1上依次生长的缓冲层2、n型欧姆接触层3、有源层4、p型势垒层5、n⁺型欧姆接触层6；其中：所述缓冲层2、n型欧姆接触层3、p型势垒层5和n⁺型欧姆接触层6均由带隙宽度不小于二极管发光光子能量的氮化镓系材料所构成，所述衬底1由蓝宝石材料所制成。

一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构，其中：所述缓冲层2为膜厚约13nm～30nm的AlN薄膜。

一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构，其中：所述n型欧姆接触层3材料均为AlxGa1-xN,其中0.2≦x≦1，所述n型欧姆接触层3厚度在2-5um之间，所述 n型欧姆接触层3掺杂源为单质硅，掺杂浓度为在1E19cm^-3。

一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构，其中：所述n型欧姆接触层3材料为Al0.6Ga0.4N，所述n型欧姆接触层3厚度为3.5um。

一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构，其中：所述有源层4由阱层和垒层组成，所述阱层材料为Al0.4Ga0.6N，厚度为1-3nm，所述垒层材料为Al0.5Ga0.5N，厚度为8-12nm。

一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构，其中：所述阱层厚度为 3nm，所述垒层厚度为10nm。

一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构，其中：所述p型势垒层5 材料均为AlxGa1-xN,其中0.2≦x≦1，所述p型势垒层5厚度在20-100nm之间，所述p型势垒层5掺杂源为金属镁，掺杂浓度为1E20-1E21cm^-3。

一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构，其中：所述p型势垒层5 厚度为50nm。

一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构，其中：所述n⁺型欧姆接触层6材料为AlxGa1-xN,其中0.1≦x≦1，所述n⁺型欧姆接触层6厚度小于10nm，所述n⁺型欧姆接触层6掺杂源为气体SiH4，掺杂浓度1E20-1E21cm^-3之间。

一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构，其中：所述n⁺型欧姆接触层6厚度为3nm。

一种提高波长短于365nm紫外光光取出的LED外延结构具体生长方法包括以下步骤：

步骤一，将镀有AlN薄膜厚度在13nm～30nm的蓝宝石图形衬底1，放置在石墨盘上并送入 MOCVD反应腔中；

步骤二，反应腔的温度保持在1000-1400℃之间，并将反应腔的压强控制在50-200torr之间，在缓冲层2上面生长一层厚度在2-5um之间的n型Al0.6Ga0.4N欧姆接触层3，掺杂源为单质硅，掺杂浓度为在1E19cm^-3；优选所述n型欧姆接触层3的生长温度为 1300℃,压强为80torr，所述n型欧姆接触层3厚度为3.5um；

步骤三，在n型欧姆接触层3之上生长周期对至少为5对的Al0.4Ga0.6N/Al0.5Ga0.5N多量子阱结构作为所述有源层4，所述阱层Al0.4Ga0.6N厚度为1-3nm，所述垒层Al0.5Ga0.5N厚度为8- 12nm，其中的生长温度范围在900-1300℃之间；优选所述垒层和阱层生长温度分别为1100 ℃和1000℃，压强为200torr，所述阱层厚度为3nm，所述垒层厚度为10nm；

步骤四，控制反应腔内的温度在900-1300℃之间，压力在50-300torr时，在有源层4之上生长出厚度在20-100nm之间的p型势垒层5，掺杂源为金属镁，掺杂浓度为1E20-1E21cm^-3；优选所述p型势垒层5生长温度为1050℃，压强为100torr，厚度为50nm；

步骤五，控制反应腔内的温度在900-1300℃之间时，在所述p型势垒层5上面生长出一层厚度<10nm的n⁺型欧姆接触层6，掺杂源为气体SiH4，掺杂浓度1E20-1E21cm^-3之间，优选所述n⁺型欧姆接触层6生长温度为1000℃，生长压力为100torr，生成的厚度为3nm。

步骤六，在所述n⁺型欧姆接触层6生长完成后，控制反应腔温度在500-800℃之间，压力在100-300torr，气氛为纯氮气氛，进行热退火处理3-15min，即得到紫外光LED外延结构。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。