铝镓氮基紫外LED外延结构及紫外LED灯的制作方法

本实用新型涉及半导体技术领域，特别是涉及一种铝镓氮基紫外LED外延结构及紫外LED灯。

背景技术：

随着发光二极管(Light Emitting Diode，LED)科技的不断发展，紫外发光二极管在商业领域中越来越重要，其具有重大的应用价值。并且，与传统的紫外光源汞灯相比，紫外LED具有超长寿命、无热辐射、能量高、照射均匀、效率高、体积小和不含有毒物质等优势，这就使紫外LED最有可能取代传统的紫外光光源。因此，紫外LED越来越受研究者们的关注。其中，紫外LED的发光功率与其内部的紫外LED外延片发出光线的内量子率相关，当前制备紫外LED外延片主要采用III族氮化物铝镓氮(铝镓氮)材料。

但是，紫外LED外延片中非辐射复合较为严重，强大的极化场造成发光层内的大部分电子泄露，使得发光层内电子与空穴的辐射复合率低下，从而使得紫外LED外延片发出光线的内量子率低下，进而造成紫外LED外延片的发光功率低下。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种结构简单且提高内量子率和发光率的铝镓氮基紫外LED外延结构及紫外LED灯。

一种铝镓氮基紫外LED外延结构，包括：依次叠层设置的衬底、缓冲层、第一铝镓氮层、发光层、电子阻挡层、第二铝镓氮层以及氮化镓层；所述电子阻挡层包括厚度相等的第一铝镓氮阻挡层、第二铝镓氮阻挡层以及第三铝镓氮阻挡层，所述第二铝镓氮阻挡层位于所述第一铝镓氮阻挡层和所述第三铝镓氮阻挡层之间，所述第一铝镓氮阻挡层远离所述第二铝镓氮阻挡层的一面与所述发光层连接，所述第三铝镓氮阻挡层远离所述第二铝镓氮阻挡层的一面与所述第二铝镓氮层连接。

在其中一个实施例中，所述第一铝镓氮阻挡层的厚度为2～7nm。

在其中一个实施例中，所述第一铝镓氮阻挡层的厚度为4～6nm。

在其中一个实施例中，所述第二铝镓氮阻挡层的厚度为3～8nm。

在其中一个实施例中，所述第二铝镓氮阻挡层的厚度为4～7nm。

在其中一个实施例中，所述第三铝镓氮阻挡层的厚度为4～10nm。

在其中一个实施例中，所述第三铝镓氮阻挡层的厚度为5～8nm。

在其中一个实施例中，所述发光层包括量子垒层和量子阱层，所述量子垒层背离所述量子阱层的一面与所述第一铝镓氮层连接，所述量子阱层背离所述量子垒层的一面与所述电子阻挡层连接。

在其中一个实施例中，所述电子阻挡层的厚度为15～25nm。

一种紫外LED灯，包括上述任一实施例中所述的铝镓氮基紫外LED外延结构。

在上述铝镓氮基紫外LED外延结构及紫外LED灯中，电子阻挡层位于发光层和第二铝镓氮层之间，利用三层厚度相等的阻挡层，减弱了电子阻挡层内的压电极化效应，使得电子阻挡层的内建静电场强度减弱，避免了电子泄露，从而使得空穴的注入发光层的概率增大，进而使得电子与空穴的辐射复合率提高，提高了铝镓氮基紫外LED外延结构的内量子率和发光率。

附图说明

图1为一实施例的铝镓氮基紫外LED外延结构的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施方式。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本实用新型的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

例如，一种铝镓氮基紫外LED外延结构，包括依次叠层设置的衬底、缓冲层、第一铝镓氮层、发光层、电子阻挡层、第二铝镓氮层以及氮化镓层；所述电子阻挡层包括厚度相等的第一铝镓氮阻挡层、第二铝镓氮阻挡层以及第三铝镓氮阻挡层，所述第二铝镓氮阻挡层位于所述第一铝镓氮阻挡层和所述第三铝镓氮阻挡层之间，所述第一铝镓氮阻挡层远离所述第二铝镓氮阻挡层的一面与所述发光层连接，所述第三铝镓氮阻挡层远离所述第二铝镓氮阻挡层的一面与所述第二铝镓氮层连接。在上述铝镓氮基紫外LED外延结构中，电子阻挡层位于发光层和第二铝镓氮层之间，利用三层厚度相等的阻挡层，减弱了电子阻挡层内的压电极化效应，使得电子阻挡层的内建静电场强度减弱，避免了电子泄露，从而使得空穴的注入发光层的速率增大，进而使得电子与空穴的辐射复合率提高，提高了铝镓氮基紫外LED外延结构的内量子率和发光率。

请参阅图1，其为一实施例的铝镓氮基紫外LED外延结构10，包括依次叠层设置的衬底100、缓冲层200、第一铝镓氮层300、发光层400、电子阻挡层500、第二铝镓氮层600以及氮化镓层700；所述电子阻挡层500包括厚度相等的第一铝镓氮阻挡层510、第二铝镓氮阻挡层520以及第三铝镓氮阻挡层530，所述第二铝镓氮阻挡层520位于所述第一铝镓氮阻挡层510和所述第三铝镓氮阻挡层530之间，所述第一铝镓氮阻挡层510远离所述第二铝镓氮阻挡层520的一面与所述发光层400连接，所述第三铝镓氮阻挡层530远离所述第二铝镓氮阻挡层520的一面与所述第二铝镓氮层600连接。

在上述铝镓氮基紫外LED外延结构中，电子阻挡层500位于发光层400和第二铝镓氮层600之间，利用三层厚度相等的阻挡层，即厚度相等的第一铝镓氮阻挡层510、第二铝镓氮阻挡层520以及第三铝镓氮阻挡层530，减弱了电子阻挡层500内的压电极化效应，使得电子阻挡层500的内建静电场强度减弱，避免了电子泄露，从而使得空穴的注入发光层400的速率增大，进而使得电子与空穴的辐射复合率提高，提高了铝镓氮基紫外LED外延结构的内量子率和发光率。

在一实施例中，采用MOCVD(Metalorganic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)方法生成所述铝镓氮基紫外LED外延结构，所述缓冲层200形成于所述衬底100上，所述第一铝镓氮层300形成于所述缓冲层200上，所述发光层400形成于所述第一铝镓氮层300上，所述电子阻挡层500形成于所述发光层400上，所述第二铝镓氮层600长于所述电子阻挡层500上，所述氮化镓层700长于所述第二铝镓氮层600上，即所述衬底100、所述缓冲层200、所述第一铝镓氮层300、所述发光层400、所述电子阻挡层500、所述第二铝镓氮层600以及所述氮化镓层700依次形成于前一层上。

在一实施例中，所述第一铝镓氮层300包括N型铝镓氮层，所述第一铝镓氮层300中掺杂有硅原子，掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3，所述第二铝镓氮层600包括P型铝镓氮层，所述第二铝镓氮层600中掺杂有镁原子，掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3。这样，所述第一铝镓氮层300和所述第二铝镓氮层600之间形成PN结。

在外电压场的作用下，电子和空穴在所述发光层400中以一定的移动方向运动，即所述第一铝镓氮层300产生的电子朝向所述第二铝镓氮层600方向运动，所述第二铝镓氮层600产生的空穴朝向所述第一铝镓氮层300方向运动，也即所述发光层400内的电子和空穴的运动方向相向，从而使得电子和空穴在所述发光层400中辐射复合，进而在所述发光层400中而发射出光线。

在一实施例中，所述第一铝镓氮层和所述氮化镓层分别与外部电源的两端连接，在本实施例中，所述第一铝镓氮层与外部电源的负极连接，外部电源使得所述第一铝镓氮层产生电子，所述氮化镓层与外部电源的正极连接，外部电源使得所述氮化镓层和第二铝镓氮层产生空穴。这样，外部电源加载于所述第一铝镓氮层和氮化镓层上，使得所述第一铝镓氮层和所述第二铝镓氮层之间形成外加电场，从而便于电子和空穴在所述发光层中运动。

在一实施例中，所述电子阻挡层500包括P型铝镓氮阻挡层，所述电子阻挡层500掺杂有镁原子，掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3，所述电子阻挡层500位于所述发光层400和所述第二铝镓氮层600之间，外部电源的电流流经所述第二铝镓氮层600和所述电子阻挡层500，产生的空穴一同注入所述发光层400，并且，空穴在外加电源产生的外加电场的作用下由所述第二铝镓氮层600朝向所述第一铝镓氮层300的方向运动。

在一实施例中，所述第二镓氮层600包括P型镓氮层，其掺杂原子包括镁原子，掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3，所述第二镓氮层600的厚度为90nm。

在一实施例中，所述氮化镓层700包括P型氮化镓层，其掺杂原子包括镁原子，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，所述氮化镓层700的厚度为10nm。

在一实施例中，所述缓冲层200包括未掺杂的氮化镓层，所述缓冲层200的厚度为2.5μm。

在一实施例中，所述第一铝镓氮层300包括N型铝镓氮层，其掺杂原子包括硅原子，掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3，所述第一铝镓氮层300的厚度为3μm。

在一实施例中，所述第一铝镓氮阻挡层510和所述第三铝镓氮阻挡层530的材料为铝组成分相等的铝镓氮，例如，所述第一铝镓氮阻挡层510的材料为Al0.3Ga0.7N，所述第三铝镓氮阻挡层530的材料为Al0.3Ga0.7N。

为了便于空穴注入，所述第二铝镓氮阻挡层520的铝组成分与所述第一铝镓氮阻挡层510的铝组成分不同，在一实施例中，所述第二铝镓氮阻挡层520的铝组成分均小于所述第一铝镓氮阻挡层510的铝组成分和所述第三铝镓氮阻挡层530的铝组成分；在一个实施例中，第一铝镓氮阻挡层为AlxGa1-xN阻挡层，第二铝镓氮阻挡层为AlyGa1-yN阻挡层，第三铝镓氮阻挡层为AlzGa1-zN阻挡层。在一个实施例中，所述AlxGa1-xN阻挡层的x和所述AlzGa1-zN阻挡层的z相等，且x的取值为0.2～0.5。在一个实施例中，所述x的取值为0.3。在一个实施例中，所述y的取值小于所述x。

一个实施例是，所述第二铝镓氮阻挡层520的材料为Al0.25Ga0.75N，所述第一铝镓氮阻挡层510的材料以及所述第三铝镓氮阻挡层530的材料为Al0.3Ga0.7N；一个实施例是，所述第二铝镓氮阻挡层520的材料为Al0.15Ga0.85N，所述第一铝镓氮阻挡层510的材料以及所述第三铝镓氮阻挡层530的材料为Al0.3Ga0.7N；一个实施例是，所述第二铝镓氮阻挡层520的材料为Al0.05Ga0.95N，所述第一铝镓氮阻挡层510的材料以及所述第三铝镓氮阻挡层530的材料为Al0.3Ga0.7N。这样，所述第二铝镓氮阻挡层520中的铝组成分小于第一铝镓氮阻挡层510的铝组成和第三铝镓氮阻挡层530的铝组成分，即所述第二铝镓氮阻挡层520中的铝含量减少，减小了所述电子阻挡层内各层之间的极化效应，使得所述电子阻挡层的内建静电场强度减弱，避免了电子泄露，同时使得所述电子阻挡层500与所述发光层400之间的极化效应，从而有效改善空穴注入所述发光层400，即提高空穴注入效率，进而使得电子与空穴的辐射复合率提高，提高了铝镓氮基紫外LED外延结构的内量子率和发光率。

在一实施例中，为了减少电子泄露，所述第一铝镓氮阻挡层510的一面与所述第二铝镓氮阻挡层520连接，所述第二铝镓氮阻挡层520背离所述第一铝镓氮阻挡层510的一面与所述第三铝镓氮阻挡层530连接，所述第二铝镓氮层600中的空穴依次通过所述第三铝镓氮阻挡层530、所述第二铝镓氮阻挡层520以及所述第一铝镓氮阻挡层510注入所述发光层400。

其中，所述电子阻挡层500的厚度直接影响空穴注入所述发光层400的效率，即所述第一铝镓氮阻挡层510、所述第二铝镓氮阻挡层520以及所述第三铝镓氮阻挡层530影响空穴注入效率，由于所述第一铝镓氮阻挡层510、所述第二铝镓氮阻挡层520以及所述第三铝镓氮阻挡层530为P型铝镓氮层，即所述第一铝镓氮阻挡层510、所述第二铝镓氮阻挡层520以及所述第三铝镓氮阻挡层530的材质类似，也即所述第一铝镓氮阻挡层510、所述第二铝镓氮阻挡层520以及所述第三铝镓氮阻挡层530的元素组成相同，这样，所述第一铝镓氮阻挡层510的厚度、所述第二铝镓氮阻挡层520的厚度以及所述第三铝镓氮阻挡层530的厚度影响了所述电子阻挡层各层之间的压电极化效应，即所述电子阻挡层内的压电极化效应减小，使得所述电子阻挡层内的内建静电场强度减弱，从而有效提高了空穴注入效率。

在一实施例中，所述第一铝镓氮阻挡层510的厚度为2～7nm，由于所述第一铝镓氮阻挡层510位于所述第二铝镓氮阻挡层520和所述发光层400之间，所述第一铝镓氮阻挡层510的小厚度结构，减小了所述电子阻挡层内的压电极化效应，即减小了所述第一铝镓氮阻挡层510与所述第二铝镓氮阻挡层520之间的压电极化效应，使得所述电子阻挡层内的内建静电场强度减弱，从而使得通过所述第一铝镓氮阻挡层510注入所述发光层400的空穴数量增多，有效改善空穴注入所述发光层400。

在一实施例中，所述第一铝镓氮阻挡层510的厚度为4～6nm。

在一实施例中，所述第二铝镓氮阻挡层520的厚度为3～8nm，所述第二铝镓氮阻挡层520位于所述第一铝镓氮阻挡层510和所述第三铝镓氮阻挡层530之间，所述第二铝镓氮阻挡层520的小厚度结构，减小了所述电子阻挡层内的压电极化效应，即减小了所述第二铝镓氮阻挡层520与所述第一铝镓氮阻挡层510和所述第三铝镓氮阻挡层530之间的压电极化效应，使得所述电子阻挡层内的内建静电场强度减弱，从而有效提高了空穴注入效率。

在一实施例中，所述第二铝镓氮阻挡层520的厚度为4～7nm。

在一实施例中，所述第三铝镓氮阻挡层530的厚度为4～10nm，所述第三铝镓氮阻挡层530远离所述第二铝镓氮阻挡层520的一面与所述第二铝镓氮层600连接，所述第二铝镓氮层600与外部电源的正极连接，所述第二铝镓氮层600产生的空穴首先注入所述第三铝镓氮阻挡层530内，所述第三铝镓氮阻挡层530的小厚度结构，减小了所述电子阻挡层内的压电极化效应，即减小了所述第三铝镓氮阻挡层530与所述第二铝镓氮阻挡层520之间的压电极化效应，使得所述电子阻挡层内的内建静电场强度减弱，从而提高空穴的有效注入。

在一实施例中，所述第三铝镓氮阻挡层530的厚度为5～8nm。

在一实施例中，所述第一铝镓氮阻挡层510的厚度、所述第二铝镓氮阻挡层520的厚度以及所述第三铝镓氮阻挡层530的厚度采用相同厚度，即所述电子阻挡层500平均分成等厚度的三层结构，例如，所述第一铝镓氮阻挡层510的厚度、所述第二铝镓氮阻挡层520的厚度以及所述第三铝镓氮阻挡层530的厚度为5nm。这样，所述电子阻挡层之间的压电极化效应减小，即使得所述第一铝镓氮阻挡层510与所述第二铝镓氮阻挡层520之间的压电极化效应、所述第二铝镓氮阻挡层520与所述第三铝镓氮阻挡层530之间的压电极化效应减小，使得所述电子阻挡层内的内建静电场强度减弱，从而使得所述电子阻挡层500有效改善空穴注入效率，即使得通过所述电子阻挡层500注入所述发光层400的空穴增多。由于从所述电子阻挡层500注入的空穴增多，使得所述电子阻挡层500内的空穴减少，从而所述电子阻挡层500内的残留空穴减少，在所述电子阻挡层500内的固定电子作用下，使得所述电子阻挡层500内的静电场强度减小，从而减少电子通过所述电子阻挡层500的泄露，进而提高了所述发光层400内的电子和空穴的辐射复合，即提高了铝镓氮基紫外LED外延结构的内量子率和发光率。

在一实施例中，所述电子阻挡层500的厚度为15～25nm，所述电子阻挡层500的厚度小于所述第二铝镓氮层600，使得所述电子阻挡层500的厚度具有薄层结构，这样，便于所述第二铝镓氮层600产生的空穴通过所述电子阻挡层500，从而使得空穴通过所述电子阻挡层500的数量增多。

一实施例中，所述电子阻挡层500包括厚度均为5nm的第一铝镓氮阻挡层510、第二铝镓氮阻挡层520以及第三铝镓氮阻挡层530，即所述电子阻挡层500的厚度为15nm。即本实施例中，第一铝镓氮阻挡层510的厚度为5nm，第二铝镓氮阻挡层520为5nm，第三铝镓氮阻挡层530为5nm，第一铝镓氮阻挡层510、第二铝镓氮阻挡层520以及第三铝镓氮阻挡层530的厚度之和即为所述电子阻挡层500的厚度，为15nm。

在一实施例中，所述第一铝镓氮阻挡层510为5nm厚度的Al0.3Ga0.7N层，所述第二铝镓氮阻挡层520为5nm厚度的Al0.25Ga0.75N层，所述第三铝镓氮阻挡层530为5nm厚度的Al0.3Ga0.7N层，随着外部电源的电流增大，铝镓氮基紫外LED外延结构的内量子率趋于平稳，所述内量子率为38.75％～41.25％。

在一实施例中，所述第一铝镓氮阻挡层510为5nm厚度的Al0.3Ga0.7N层，所述第二铝镓氮阻挡层520为5nm厚度的Al0.15Ga0.85N层，所述第三铝镓氮阻挡层530为5nm厚度的Al0.3Ga0.7N层，随着外部电源的电流增大，铝镓氮基紫外LED外延结构的内量子率趋于平稳，所述内量子率为46.25％～48.75％。

在一实施例中，所述第一铝镓氮阻挡层510为5nm厚度的Al0.3Ga0.7N层，所述第二铝镓氮阻挡层520为5nm厚度的Al0.05Ga0.95N层，所述第三铝镓氮阻挡层530为5nm厚度的Al0.3Ga0.7N层，随着外部电源的电流增大，铝镓氮基紫外LED外延结构的内量子率趋于平稳，所述内量子率为49.75％～52％。

在一实施例中，所述发光层包括量子垒层和量子阱层，所述量子垒层背离所述量子阱层的一面与所述第一铝镓氮层连接，所述量子阱层背离所述量子垒层的一面与所述电子阻挡层连接。

在一实施例中，所述量子垒层中的铝组成分大于所述量子阱层的铝组成分。

在一实施例中，所述发光层包括多个量子垒层和多个量子阱层，所述量子垒层和所述量子阱层相互交替设置，即相邻两个所述量子垒层之间设置有一个所述量子阱层，相邻两个所述量子阱层之间设置有一个所述量子垒层。

本实用新型还提供一种紫外LED灯，所述紫外LED灯包括上述任一实施例中所述的铝镓氮基紫外LED外延结构。

在上述铝镓氮基紫外LED外延结构及紫外LED灯中，电子阻挡层位于发光层和第二铝镓氮层之间，利用三层厚度相等的阻挡层，减弱了电子阻挡层内的压电极化效应，使得电子阻挡层的内建静电场强度减弱，避免了电子泄露，从而使得空穴的注入发光层的速率增大，进而使得电子与空穴的辐射复合率提高，提高了铝镓氮基紫外LED外延结构的内量子率和发光率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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