一种量子垒掺杂的深紫外LED及制备方法与流程

本发明涉及光电技术领域，特别是一种量子垒掺杂的深紫外led及制备方法。

背景技术：

目前，基于algan材料的深紫外led(即紫外光波长λ<300nm)，由于其广泛的潜在应用，如消毒，空气和水净化，生化检测和光通信，引起了许多科学家的关注。然而，深紫外led低的外量子效率仍然不能满足目前的应用要求，这主要受限于其低的内量子效率和光提取效率。

由于algan材料中存在的强的不对称性，导致了其内部有很强的自发极化和压电极化，产生的极化电场使得量子阱中空穴载流子和电子载流子的波函数分离，降低其相互耦合产生光子的概率，因而，严重的影响了led的内量子效率和出光率。基于常规的深紫外led芯片外延结构设计，在改善深紫外led的量子阱波函数覆盖率方面，需要对深紫外led的结构进行新的设计以解决现有技术中存在的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种量子垒掺杂的深紫外led及制备方法，用于解决现有技术中algan材料极化电场对紫外led的内量子效率造成限制的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供第一解决方案为：一种量子垒掺杂的深紫外led，包括蓝宝石衬底、n型algan接触层、量子阱有源层、p型algan载流子输运层和p型gan接触层，蓝宝石衬底上依次设置n型algan接触层，量子阱有源层，p型algan载流子输运层和p型gan接触层；量子阱有源层由6个周期的量子叠层依次堆叠构成，量子叠层包括量子垒层和量子阱层，量子垒层为12nm的al0.55ga0.45n量子垒，且量子垒层si掺杂浓度为5×10¹⁸～1×10¹⁹。

优选的，量子阱层为3nm的al0.45ga0.55n量子阱，且量子阱层无掺杂。

优选的，n型algan接触层的厚度为2～3μm，且si掺杂浓度为5×10¹⁸～1×10¹⁹。

优选的，p型algan载流子输运层厚度为25nm，且mg掺杂浓度为1×10¹⁹～3×10¹⁹。

优选的，p型gan接触层厚度为300nm，且mg掺杂浓度为1×10¹⁹～5×10¹⁹。

为解决上述技术问题，本发明提供第二解决方案为：一种量子垒掺杂的深紫外led制备方法，具体步骤为采用金属有机化学气相沉积法于蓝宝石衬底上依次沉积n型algan接触层，量子阱有源层，p型algan载流子输运层和p型gan接触层；量子垒掺杂的深紫外led制备方法用于制备前述第一解决方案中任一量子垒掺杂的深紫外led。

优选的，制备量子垒掺杂的深紫外led时，所采用的ga源为三甲基镓tmga，al源为三甲基镓tmal，氮源为氨气nh3，载气为氢气h2，n型和p型的掺杂源分别为硅烷sih4和二茂镁cp2mg。

优选的，沉积n型algan接触层时的反应温度为1050～1080℃；沉积量子阱有源层时的反应温度为1050～1080℃；沉积p型algan载流子输运层时的反应温度为1050～1080℃；沉积p型gan接触层时的反应温度为950～1000℃。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种量子垒掺杂的深紫外led及制备方法，利用量子垒掺杂实现极化自屏蔽的效应，提高量子阱内部的载流子波函数重叠率，从而提高深紫外led的出光功率。

附图说明

图1是本发明中量子垒掺杂的深紫外led一实施方式的结构示意图；

图2是本发明中量子垒掺杂的深紫外led一实施方式中量子阱有源层的结构示意图；

图3是本发明中量子垒掺杂的深紫外led一实施方式的原理示意图；

图4是本发明中量子垒掺杂的深紫外led一实施方式中量子垒层掺杂浓度与波函数覆盖率及出光功率之间的曲线关系图；

图5是本发明中量子垒掺杂的深紫外led一实施方式中量子阱层空穴载流子浓度和量子垒层掺杂浓度的曲线关系图；

图6是本发明中量子垒掺杂的深紫外led一实施方式中发光功率和量子垒层掺杂浓度的曲线关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，均属于本发明保护的范围。

对于本发明提供的第一解决方案，请参阅图1和图2，图1是本发明中量子垒掺杂的深紫外led一实施方式的结构示意图，图2是本发明中量子垒掺杂的深紫外led一实施方式中量子阱有源层的结构示意图。本发明中量子垒掺杂的深紫外led，包括蓝宝石衬底1、n型algan接触层2、量子阱有源层3、p型algan载流子输运层4和p型gan接触层5，蓝宝石衬底1上依次设置n型algan接触层，量子阱有源层，p型algan载流子输运层和p型gan接触层。

具体地，对上述量子垒掺杂的深紫外led的各层结构及组分分别进行详述。本实施方式中，量子阱有源层3由6个周期的量子叠层31依次堆叠构成，量子叠层31包括量子垒层311和量子阱层312，量子垒层311为12nm的al0.55ga0.45n量子垒，且量子垒层311的si掺杂浓度为5×10¹⁸～1×10¹⁹；量子阱层为3nm的al0.45ga0.55n量子阱，且量子阱层无掺杂。此外，优选的，n型algan接触层的厚度为2～3μm，且si掺杂浓度为5×10¹⁸～1×10¹⁹；p型algan载流子输运层厚度为25nm，且mg掺杂浓度为1×10¹⁹～3×10¹⁹；p型gan接触层厚度为300nm，且mg掺杂浓度为1×10¹⁹～5×10¹⁹。

请参阅图3，图3是本发明中量子垒掺杂的深紫外led一实施方式的原理示意图，结合图3对上述量子垒掺杂的深紫外led的原理进行详细阐述。图3中a为量子垒层不掺杂的情况，由于晶格失配产生的压电极化和algan材料本身的自发极化，使得在界面出产生极强的极化电场，并使量子阱的能带弯曲，进而导致量子阱中的电子和空穴载流子的波函数分离，降低了其辐射复合的概率，故最终导致了在不掺杂情况下内量子效率较低的状况；图3中b为量子垒层掺杂适量si的情况，当量子垒蹭中掺杂适量的硅杂质后，硅杂质激活产生的反向电场能有效的屏蔽量子垒本身的极化电场，从而减轻量子阱有源区中的能带倾斜程度，提高量子阱内部载流子的波函数重叠率，因此提高了辐射复合的概率，实现了深紫外led内量子效率的提高。

对于本发明提供的第二解决方案，具体为一种量子垒掺杂的深紫外led制备方法，该方法主要采用金属有机化学气相沉积法，于蓝宝石衬底上依次沉积n型algan接触层，量子阱有源层，p型algan载流子输运层和p型gan接触层。本实施方式中，在制备量子垒掺杂的深紫外led时，所采用的ga源为三甲基镓tmga，al源为三甲基镓tmal，氮源为氨气nh3，载气为氢气h2，n型和p型的掺杂源分别为硅烷sih4和二茂镁cp2mg；沉积各层结构时优选的温度条件如下：沉积n型algan接触层时的反应温度为1050～1080℃，沉积量子阱有源层时的反应温度为1050～1080℃，沉积p型algan载流子输运层时的反应温度为1050～1080℃，沉积p型gan接触层时的反应温度为950～1000℃。

由于第二解决方案中量子垒掺杂的深紫外led制备方法用于制备前述第一解决方案中量子垒掺杂的深紫外led，故两个解决方案中量子垒掺杂的深紫外led的结构和功能应保持一致。

进一步地，为研究上述量子垒掺杂的深紫外led的量子垒层掺杂浓度同波函数覆盖率、量子阱层载流子浓度以及发光功率之间关系，分别进行测试，具体数据请参阅图4～6。其中，图4是本发明中量子垒掺杂的深紫外led一实施方式中量子垒层掺杂浓度与波函数覆盖率及出光功率之间的曲线关系图，从图4中可看出，随着量子垒层si掺杂浓度的提高，波函数重叠率和发光功率均呈现出逐渐上升趋势，但最终发光功率会存在一个最大值而不能一直上升；图5是本发明中量子垒掺杂的深紫外led一实施方式中量子阱层空穴载流子浓度和量子垒层掺杂浓度的曲线关系图，从图5中可看出，随着量子垒层si掺杂浓度的提高，量子阱层中空穴载流子的浓度呈现下降的趋势，说明si掺杂浓度的逐渐提高有助于逐渐减轻量子阱层中能带倾斜程度；图6是本发明中量子垒掺杂的深紫外led一实施方式中发光功率和量子垒层掺杂浓度的曲线关系图，从图6中可看出，随着量子垒层si掺杂浓度的提高，深紫外led的发光功率呈现出先升后降的趋势，起初发光功率随si掺杂浓度的提高而逐渐上升，当超过最优掺杂浓度后，空穴载流子的过度下降对深紫外led的发光功率逐渐产生抑制作用。综合图4～6中的数据表征可知，若需要将深紫外led的发光性能维持在最佳状态，则需要精确控制si掺杂浓度；而本发明中量子垒层的最佳si掺杂浓度为5×10¹⁸～1×10¹⁹，且这种si二维面掺杂方式所制备的深紫外led效果最佳。

区别于现有技术的情况，本发明提供了一种量子垒掺杂的深紫外led及制备方法，利用量子垒掺杂实现极化自屏蔽的效应，提高量子阱内部的载流子波函数重叠率，从而提高深紫外led的出光功率。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。