具有新型量子垒结构的紫外LED外延结构及其制备方法与流程

本发明涉及led半导体技术领域，尤其涉及具有新型量子垒结构的紫外led外延结构及其制备方法。

背景技术：

由于紫外led具有体积小、耗能低、寿命长、环保无毒等优点，以及其在生物杀菌、紫外固化、军事通信等广泛的领域具有广阔的市场价值。因此，其引起了研究者们的重点关注，并且有望成为传统的紫外光源汞灯的替代品。

然而，制备出紫外led需要高铝组分的algan，特别是制备发光波长在200-380nm内的深紫led。就目前技术而言，制备出高质量的高铝组分的材料还是非常难的。除此之外，由于紫外led的多量子阱内存在量子限制斯塔克效应以及极化引起的电子泄露，从而导致紫外led的内量子效率低和发光效率低等问题。

鉴于以上原因，对于如何减缓紫外led内的量子限制斯塔克效应以及极化效应來提高其发光效率成为一个急需解决的难题。

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具有新型量子垒结构的紫外led外延结构及其制备方法,以解决现有技术中紫外led外延结构存在的内量子效率低和发光效率低的问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一种具有新型量子垒结构的紫外led外延结构，所述紫外led外延片由底向上依次包括：衬底、缓冲层、n型铝镓氮层、发光层、电子阻挡层、p型铝镓氮层和p型氮化镓层，所述发光层中包括至少3个周期的量子垒层和量子阱层，所述每个量子垒由底向上依次包括alxga1-xn层、alyga1-yn层和alzga1-zn层；所述发光层中由底向上除第一个和最后一个量子垒外，其余所有的量子垒的alyga1-yn层中铝分子含量y为固定值,alxga1-xn层中铝分子含量x由初始值b逐渐增加到y；alzga1-zn层中铝分子含量z由初始值y逐渐减小到b。

进一步的，所述的n型铝镓氮层为alaga1-an，其中0<a<1。

进一步的，所述alyga1-yn层铝组分y为固定值且0<y<1。

进一步的，所述量子阱层为albga1-bn，其中铝组分b的取值范围为0≤b<y。

进一步的，所述电子阻挡层为alnga1-nn,其中铝组分n的取值范围为y<n<1。

进一步的，发光层由底向上第一个量子垒的alxga1-xn层、alyga1-yn层和alzga1-zn层的铝分子含量为：x＝y＝a为固定值,z为变化值且由初始值y线性减小到b。

进一步的，所述发光层由底向上最后一个量子垒中的alyga1-yn层的铝分子含量y为固定值,alxga1-xn层中铝分子含量x由初始值b线性增加到y；alzga1-zn层铝分子含量z由初始值y线性增加到n。

本发明还提供一种具有新型量子垒结构的紫外led外延结构的制备方法，包括以下步骤：

在蓝宝石衬底生长一层缓冲层；

在所述缓冲层上生长n型铝镓氮层；

在所述n型铝镓氮层上生长发光层，所述发光层中包括至少3个周期的量子垒层和量子阱层，所述每个量子垒由底向上依次包括alxga1-xn层、alyga1-yn层和alzga1-zn层；所述发光层中由底向上除第一个和最后一个量子垒外，其余所有的量子垒的alyga1-yn层中铝分子含量y为固定值,alxga1-xn层中铝分子含量x由初始值b逐渐增加到y；alzga1-zn层中铝分子含量z由初始值y逐渐减小到b；

在所述发光层上生长电子阻挡层；

在所述电子阻挡层上生长p型铝镓氮层；

在所述p型铝镓氮层上生长p型氮化镓层。

进一步的，所述的n型铝镓氮层为alaga1-an，其中0<a<1；所述量子阱层为albga1-bn，其中铝组分b的取值范围为0≤b<y；所述电子阻挡层为alnga1-nn,其中铝组分n的取值范围为y<n<1；所述alyga1-yn层铝组分y为固定值且0<y<1。

进一步的，发光层由底向上第一个量子垒的alxga1-xn层、alyga1-yn层和alzga1-zn层的铝分子含量为：x＝y＝a为固定值,z为变化值且由初始值y线性减小到b；由底向上最后一个量子垒中的alyga1-yn层的铝分子含量y为固定值,alxga1-xn层中铝分子含量x由初始值b线性增加到y；alzga1-zn层铝分子含量z由初始值y线性增加到n。

本发明实现的具有新型量子垒结构的紫外led外延结构及其制备方法，其中量子垒由三层不同al组分的铝镓氮层构成，该结构通过使用变化的铝成分层使量子垒与量子阱、量子垒与电子阻挡层之间的极化效应得到有效的减缓，同时也减缓了多量子阱内的量子限制斯塔克效应，从而减少了电子泄露，提高了电子与空穴的辐射复合效率，从而能提高紫外led的内量子效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的新型量子垒结构的紫外led外延结构示意图；

图2为本发明实施例提供的量子垒的结构示意图。

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。

实施例一

本发明第一实施例提供一种具有新型量子垒结构的紫外led外延结构，如图1所示，所述紫外led外延片由底向上依次包括：衬底、缓冲层、n型铝镓氮层、发光层、电子阻挡层、p型铝镓氮层和p型氮化镓层，优选的，所述的n型铝镓氮层为alaga1-an，其中0<a<1。所述电子阻挡层为alnga1-nn,其中铝组分n的取值范围为y<n<1。

所述发光层中包括至少3个周期的量子垒层和量子阱层，所述量子阱层为albga1-bn，其中铝组分b的取值范围为0≤b<y；如图2所示，所述每个量子垒由底向上依次包括alxga1-xn层、alyga1-yn层和alzga1-zn层；所述发光层中由底向上除第一个和最后一个量子垒外，其余所有的量子垒的alyga1-yn层中铝分子含量y为固定值,且0<y<1；alxga1-xn层中铝分子含量x由初始值b逐渐增加到y；alzga1-zn层中铝分子含量z由初始值y逐渐减小到b。例如一个三周期的发光层，位于中间的量子垒层的第一部分在1-3nm范围内生长alxga1-xn层，其中x的值为变化值，其由0逐渐增加到0.15；接着在第一部分的基础上的4-6nm范围内生长alyga1-yn层，其中y的值为固定值0.15；之后在第二部分的基础上的7-9nm范围内生长alzga1-zn层，其中z的值为变化值，其由0.15逐渐降低到0。

所述发光层由底向上第一个量子垒的alxga1-xn层、alyga1-yn层和alzga1-zn层的铝分子含量为：x＝y＝a为固定值,z为变化值且由初始值y线性减小到b；所述发光层由底向上最后一个量子垒中的alyga1-yn层的铝分子含量y为固定值,alxga1-xn层中铝分子含量x由初始值b线性增加到y；alzga1-zn层铝分子含量z由初始值y线性增加到n。例如，取n型铝镓氮层为al0.15ga0.85n，发光层阱层为gan,电子阻挡层为al0.3ga0.7n。而对于每个9nm厚的垒层，在生长时将其平均分为3个铝组分不同的层；对于第一个9nm厚的势垒(靠近n型层)：第一部分在1-3nm范围内生长alxga1-xn层，其中x的值为固定值0.15；接着在第一部分的基础上第一个势垒的4-6nm范围内生长alyga1-yn层，其中y的值为固定值0.15；之后在第二部分的基础上第一个势垒的7-9nm范围内生长alzga1-zn层，其中z的值为变化值，其由0.15逐渐降低到0；对于最后一个9nm厚的势垒(靠近电子阻挡层)：第一部分在1-3nm范围内生长alxga1-xn层，其中x的值为变化值，其由0逐渐增加到0.15；接着在第一部分的基础上的4-6nm范围内生长alyga1-yn层，其中y的值为固定值0.15；之后在第二部分的基础上的7-9nm范围内生长alzga1-zn层，其中z的值为变化值，其由0.15逐渐增加到0.3。

本发明通过设计特殊的多量子阱结构取代传统的algan/algan多量子阱垒层，通过垒层中的变化铝组分使之与n型铝镓氮层、量子阱层和电子阻挡层之间的极化效应得到减缓，从而提高电子与空穴的辐射复合效率以及减小电子泄露，进一步提升紫外led的内量子效率。极化效应减缓可以提高电子与空穴的辐射复合，通过设计渐变量子垒使最后一个量子垒的第三部分铝组分与电子阻挡层的铝组分一致，可以有效的减缓电子阻挡层能带弯曲，从而增加了电子阻挡层的势垒高度，进而可以减缓电子泄露。

本实施例实现的具有新型量子垒结构的紫外led外延结构，其中量子垒由三层不同al组分的铝镓氮层构成，该结构通过使用变化的铝成分层使量子垒与量子阱、量子垒与电子阻挡层之间的极化效应得到有效的减缓，同时也减缓了多量子阱内的量子限制斯塔克效应以及极化效应，从而减少了电子泄露，提高了电子与空穴的辐射复合效率，提高紫外led的内量子效率。

实施例二

本发明第二实施例提供一种具有新型量子垒结构的紫外led外延结构的制备方法，包括以下步骤：

所述衬底为c面蓝宝石衬底；将蓝宝石衬底放置在金属有机化合物化学气相沉积外延反应室中，设置氢气环境且温度为1280℃，烘焙处理所述衬底5分钟；

所述缓冲层生长于所述衬底的上面，所述缓冲层的生长温度为1200℃，生长的厚度为2.5-3μm。

所述n型铝镓氮层生长于所述缓冲层的上面，所述n型铝镓氮层层的生长温度控制在1200℃，生长的厚度控制为3μm，同时n型的掺杂浓度为2×10¹⁸㎝^-3。

设置氮气环境且温度为1000-1200℃，在所述n型铝镓氮层上生长发光层，所述发光层包括至少3个周期的量子垒层和量子阱层，所述每个量子垒由底向上依次包括alxga1-xn层、alyga1-yn层和alzga1-zn层；所述发光层中由底向上除第一个和最后一个量子垒外，其余所有的量子垒的alyga1-yn层中铝分子含量y为固定值,alxga1-xn层中铝分子含量x由初始值b逐渐增加到y；alzga1-zn层中铝分子含量z由初始值y逐渐减小到b；所述发光层由底向上第一个量子垒的alxga1-xn层、alyga1-yn层和alzga1-zn层的铝分子含量为：x＝y＝a为固定值,z为变化值且由初始值y线性减小到b；由底向上最后一个量子垒中的alyga1-yn层的铝分子含量y为固定值,alxga1-xn层中铝分子含量x由初始值b线性增加到y；alzga1-zn层铝分子含量z由初始值y线性增加到n。

在本实施例中，发光层包括3个周期的量子垒层和量子阱层，量子垒层由底向上依次为alxga1-xn层、alyga1-yn层和alzga1-zn层，量子阱层为albga1-bn层；为了更清晰的说明本发明，取n型铝镓氮层为al0.15ga0.85n，发光层阱层为gan,电子阻挡层为al0.3ga0.7n。而对于每个9nm厚的垒层，在生长时将其平均分为3个铝组分不同的层；对于第一个9nm厚的势垒(靠近n型层)：第一部分在1-3nm范围内生长alxga1-xn层，其中x的值为固定值0.15；接着在第一部分的基础上第一个势垒的4-6nm范围内生长alyga1-yn层，其中y的值为固定值0.15；之后在第二部分的基础上第一个势垒的7-9nm范围内生长alzga1-zn层，其中z的值为变化值，其由0.15逐渐降低到0；对于最后一个9nm厚的势垒(靠近电子阻挡层)：第一部分在1-3nm范围内生长alxga1-xn层，其中x的值为变化值，其由0逐渐增加到0.15；接着在第一部分的基础上的4-6nm范围内生长alyga1-yn层，其中y的值为固定值0.15；之后在第二部分的基础上的7-9nm范围内生长alzga1-zn层，其中z的值为变化值，其由0.15逐渐增加到0.3；除第一个(靠近n型层)和最后一个(靠近电子阻挡层)量子垒以外，对于其余所有的量子垒而言：第一部分在1-3nm范围内生长alxga1-xn层，其中x的值为变化值，其由0逐渐增加到0.15；接着在第一部分的基础上的4-6nm范围内生长alyga1-yn层，其中y的值为固定值0.15；之后在第二部分的基础上的7-9nm范围内生长alzga1-zn层，其中z的值为变化值，其由0.15逐渐降低到0；

发光层上生长电子阻挡层，所述电子阻挡层生长温度控制在1000-1200℃范围内，其为15nm厚的p型al0.3ga0.7n电子阻挡层，其中空穴掺杂浓度为1.0×10¹⁷-2.0×10¹⁷cm^-3。

所述p型铝镓氮层生长于所述电子阻挡层上面，所述p型铝镓氮层控制生长温度为1000℃，生长100nm厚的p型al0.15ga0.85n层，其中空穴掺杂浓度为1.0×10¹⁷-2.0×10¹⁷cm^-3。

所述p型氮化镓层生长于所述p型铝镓氮层表面，p型氮化镓层的生长温度在900℃-1000℃范围内，其为9nm厚的p型氮化镓层，其中空穴掺杂浓度为1.0×10¹⁸-2.0×10¹⁸cm^-3。

本实施例实现的具有新型量子垒结构的紫外led外延结构的制备方法，其中量子垒由三层不同al组分的铝镓氮层构成，该结构通过使用变化的铝成分层使量子垒与量子阱、量子垒与电子阻挡层之间的极化效应得到有效的减缓，同时也减缓了多量子阱内的量子限制斯塔克效应以及极化效应，从而减少了电子泄露，提高了电子与空穴的辐射复合效率，提高紫外led的内量子效率。

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。