一种稳定的半极性深紫外UVC发光二极管及其制备方法与流程

本发明涉及半导体光电材料生长技术领域，具体涉及一种稳定的半极性深紫外uvc发光二极管及其制备方法。

背景技术：

氮化镓材料是一种极性半导体。氮化镓发光二极管在不同的注入电流下，器件内部产生的内建电场极大地影响器件的性能，比如器件的波长会随着注入电流的变化而变化，器件的载流子复合较慢，导致非辐射复合较多，器件的发光效率就降低了。

细菌的脱氧核糖核酸在紫外波段有着特定的吸收波长。紫外杀菌的原理就是细菌吸收了紫外光，使其脱氧核糖核酸的键发生断裂，细菌死亡。因此，我们需要特定的波长，并且是大功率的发光二极管来实现动态杀菌。但是，如果需要大功率，我们就需要加大发光二极管的注入电流。由于氮化镓内建电场的影响，其发光波长也就发生了变化，不利于高功率的动态杀菌。

公开号为cn108321280a的发明专利申请公开了一种非极性紫外led，该非极性紫外led自下而上依次包括r面蓝宝石衬底、生长在r面蓝宝石衬底上的低温algan缓冲层、高温algan缓冲层、非掺杂algan层、n型掺杂algan层、algan/algan超晶格层、algan/algan多量子阱有源区、非掺杂algan盖帽层、低温p型掺杂algan层、p型掺杂algan层和p型重掺杂algan层。整体结构中使用algan材料作为器件基础材料，不仅能有效调控led发光波长，更有效利用了非极性iii族氮化物发光器件具有的光偏振特性。

上述申请虽然能在一定程度上对发光波长进行调控，但是当施加的电压变化时，其发光波长仍然会有较大的波动，相应的衬底上器件载流子复合曲线也有很大差异，因此，发光二极管的稳定性差，仍然不利于高功率的动态杀菌。因此，如何实现稳定的深紫外led是本领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种稳定的半极性深紫外uvc发光二极管及其制备方法。本发明在半极性蓝宝石衬底上生长uvc波段的发光二极管，减少了器件内建电场的影响，提高发光二极管的发光波长在不同注入电流下的稳定性。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种稳定的半极性深紫外uvc发光二极管，自下而上依次包括半极性蓝宝石衬底1、生长在蓝宝石衬底上的低温aln缓冲层2、aln/algan超晶格层3、n型重掺杂的algan层4、algan/algan多量子阱有源区5、p型掺杂alingan层6和p型重掺杂gan层7。

进一步地，所述低温aln缓冲层的厚度为10～40nm，aln/algan超晶格层的超晶格周期为10～20、每层的厚度均为3nm，n型重掺杂的algan层的厚度为1～3um，algan/algan多量子阱有源区为7个周期，其中阱层厚度为12nm，垒层厚度为3nm。p型掺杂alingan层的厚度为60～80nm，p型重掺杂gan层的厚度为型重掺杂gan层1的厚度0.5～1μm。

本发明还提出一种稳定的半极性深紫外uvc发光二极管的制备方法，包括步骤：

s1、对半极性蓝宝石衬底进行清洗、淡化处理；

s2、在半极性蓝宝石衬底上使用低温生长aln缓冲层；

s3、在低温aln缓冲层上生长aln/algan超晶格层；

s4、在aln/algan超晶格层上生长n型重掺杂的algan层；

s5、在n型重掺杂的algan层上生长algan/algan多量子阱有源区；

s6、在algan/algan多量子阱有源区生长p型掺杂alingan层；

s7、在p型掺杂alingan层生长p型重掺杂gan层。

进一步地，所述步骤s1具体为：

半极性蓝宝石衬底在h2氛围下加热至1050℃并维持5min，以除蓝宝石衬底表面的污染物；保持温度不变并通入nh3，对衬底表面进行10min的氮化处理。

进一步地，所述步骤s2具体为：

在半极性蓝宝石衬底上，低温生长厚度为10～40nm的低温aln缓冲层，生长条件：生长温度为670℃，反应室压强为40torr，氨气流量为8000～9000μmol/min，v/iii摩尔比为5000～5500，生长厚度为25nm。

进一步地，所述步骤s3具体为：

在低温aln缓冲层上生长aln/algan超晶格层，aln/algan超晶格层的超晶格周期为10～20，生长条件：反应室内温度为1250℃、气压为30mbar，白氨流量为1200sccm，al源流量为35μmol/min，镓源流量为22μmol/min。

进一步地，所述步骤s4具体为：

生长条件：si掺杂浓度1e18～5e19，生长温度900～1300℃，生长压力200～50mbar，nh3/(tmga+tmal)流量比为40～200，tmga/tmal流量比为0.1～10。

进一步地，所述步骤s5具体为：

生长条件：生长温度为750℃，在n2气氛下，由下至上前6个周期的algan垒层为n型掺杂层，掺杂源为si，掺杂浓度为10¹⁷cm^-3，第7个周期不进行掺杂，阱层不进行掺杂。

进一步地，所述步骤s6具体为：

生长条件：生长温度为750～850℃，压力为100～300torr，通入ga源、in源、al源、n源、以及p型掺杂剂，掺杂浓度为为1×10¹⁹cm^-3，生长p型掺杂alingan层。

进一步地，所述步骤s7生长条件为：

生长条件：生长温度为950～1050℃，压力为100～700torr，通入ga源、n源、以及p型掺杂剂，掺杂浓度为为1×10¹⁹cm^-3，生长p型gan层。长p型gan层。

与现有技术相比，本发明在半极性蓝宝石衬底上生长uvc波段的发光二极管，减少了器件内建电场的影响，提高发光二极管的发光波长在不同注入电流下的稳定性。本发明提出的深紫外uvc波段的发光二极管使用半极性的蓝宝石作为衬底，不仅能使稳定器件的发光波长，也可以通过材料内部内建电场的控制，加快器件载流子寿命，有利于具有高稳定性大功率深紫外uvc波段的发光二极管的制备与应用，也能用于用于动态水杀菌。

附图说明

图1是实施例一提供的一种稳定的半极性深紫外uvc发光二极管结构示意图；

图2是实施例二提供的一种稳定的半极性深紫外uvc发光二极管制备方法流程图；

图3是极性深紫外uvc发光二极管在不同电压降低量下的发光波长与光强度变化图；

图4是半极性深紫外uvc发光二极管在不同电压降低量下的发光波长与光强度变化图；

图5是极性深紫外uvc发光二极管在不同电压增加量下的发光波长与光强度变化图；

图6是半极性深紫外uvc发光二极管在不同电压增加量下的发光波长与光强度变化图；

图7是极性深紫外uvc发光二极管在不同电压变化下的载流子复合速率变化图；

图8是半极性深紫外uvc发光二极管不同电压变化下的载流子复合速率变化图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例一

如图1所示，本实施例提出了一种稳定的半极性深紫外uvc发光二极管，自下而上依次包括半极性蓝宝石衬底1、生长在蓝宝石衬底上的低温aln缓冲层2、aln/algan超晶格层3、n型重掺杂的algan层4、algan/algan多量子阱有源区5、p型掺杂alingan层6和p型重掺杂gan层7。本发明提出的深紫外uvc波段的发光二极管使用半极性的蓝宝石作为衬底，不仅能使稳定器件的发光波长，也可以通过材料内部内建电场的控制，加快器件载流子寿命，有利于具有高稳定性大功率深紫外uvc波段的发光二极管的制备与应用。

具体地，蓝宝石(al2o3)晶面有极性c面、半极性m面、r面和非极性a面，现普遍采用c面衬底，容易生长。由于晶格失配产生应力，引起内部极化场束缚载流子，以致内量子效率低。采用非极性或半极性衬底可大幅度降低缺陷密度。半极性衬底比非极性衬底的稳定性更强，因此，本发明采用半极性蓝宝石衬底，如晶面蓝宝石。

紫外线如果要实现有效的杀菌消毒，需要足够的能量，包括要足够的照射强度和足够的时间，同时需要合适的波段。根据波长，从长到短，紫外波段分为uva、uvb和uvc，其中uvc是波长最短，能量最高的一个波段，经常称其为深紫外波段。对于杀菌消毒，真正最有效的就是uvc。因此，本发明在半极性蓝宝石衬底上生长uvc波段的发光二极管。

所述低温aln缓冲层的厚度为10～40nm，aln/algan超晶格层的超晶格周期为10～20、每层的厚度均为3nm，n型重掺杂的algan层的厚度为1～3um，algan/algan多量子阱有源区为7个周期，其中阱层厚度为12nm，垒层厚度为3nm。p型掺杂alingan层的厚度为60～80nm，p型重掺杂gan层的厚度为型重掺杂gan层1的厚度0.5～1μm。

实施例二

如图2所示，本实施例提出了一种稳定的半极性深紫外uvc发光二极管的制备方法，具体包括如下步骤：

s1、对半极性蓝宝石衬底进行清洗、淡化处理；

具体地，将半极性蓝宝石衬底在h2氛围下加热至1050℃并维持5min，以除蓝宝石衬底表面的污染物；保持温度不变并通入nh3，对衬底表面进行10min的氮化处理；

s2、在半极性蓝宝石衬底上使用低温生长aln缓冲层；

具体地，在半极性蓝宝石衬底上，低温生长厚度为10～40nm的低温氮化铝(aln)缓冲层，生长条件：生长温度为670℃，反应室压强为40torr，氨气流量为8000～9000μmol/min，v/iii摩尔比为5000～5500，生长厚度为25nm。

s3、在低温aln缓冲层上生长aln/algan超晶格层；

具体地，在低温aln缓冲层上生长aln/algan超晶格层，aln/algan超晶格层的超晶格周期为10～20，生长条件：反应室内温度为1250℃、气压为30mbar，白氨流量为1200sccm，al源流量为35μmol/min，镓源流量为22μmol/min。

s4、在aln/algan超晶格层上生长n型重掺杂的algan层；

具体地，生长条件：si掺杂浓度1e18～5e19，生长温度900～1300℃，生长压力200～50mbar，nh3/(tmga+tmal)流量比为40～200，tmga/tmal流量比为0.1～10。

s5、在n型重掺杂的algan层上生长algan/algan多量子阱有源区；

具体地，生长条件：生长温度为750℃，在n2气氛下，由下至上前6个周期的algan垒层为n型掺杂层，掺杂源为si，掺杂浓度为10¹⁷cm^-3，第7个周期不进行掺杂，阱层不进行掺杂。

s6、在algan/algan多量子阱有源区生长p型掺杂alingan层；

具体地，生长条件：生长温度为750～850℃，压力为100～300torr，通入ga源(例如tmga或者tega)、in源(例如tmin)、al源(例如tmal)、n源(例如nh3)、以及p型掺杂剂(例如cp2mg)，掺杂浓度为为1×10¹⁹cm^-3，生长p型掺杂alingan层。

s7、在p型掺杂alingan层生长p型重掺杂gan层。

具体地，生长条件：生长温度为950～1050℃，压力为100～700torr，通入ga源、n源、以及p型掺杂剂，掺杂浓度为为1×10¹⁹cm^-3，生长p型gan层。

为了进一步判断由实施例二制备的半极性深紫外uvc发光二极管的性能，本发明将半极性深紫外uvc发光二极管与现有的极性深紫外uvc发光二极管进行对比。具体地，本发明采用发光波长与光强度、载流子复合速率评估发光二极管的性能。

图3、图4分别示出了极性深紫外uvc发光二极管与半极性深紫外uvc发光二极管在不同电压降低量下的发光波长与光强度；图5、图6分别示出了极性深紫外uvc发光二极管与半极性深紫外uvc发光二极管在不同电压增加量下的发光波长与光强度。由图可知，极性深紫外uvc发光二极管与半极性深紫外uvc发光二极管都有良好的发光性能，但是半极性深紫外uvc发光二极管在不同的电压作用下更为稳定，电压的变化对发光波长和光强度的影响较小。

图7、图8分别示出了极性深紫外uvc发光二极管与半极性深紫外uvc发光二极管在不同的电压变化下的载流子复合速率，显然，随着电压的变化，半极性深紫外uvc发光二极管所对应的载流子复合速率变化较小，而极性深紫外uvc发光二极管的载流子复合速率在电压变化的作用下，随着时间的增长波动越来越大。

由此可知，本发明提出的稳定的半极性深紫外uvc发光二极管及其制备方法，在半极性蓝宝石衬底上生长uvc波段的发光二极管，减少了器件内建电场的影响，提高发光二极管的发光波长在不同注入电流下的稳定性。本发明提出的深紫外uvc波段的发光二极管使用半极性的蓝宝石作为衬底，不仅能使稳定器件的发光波长，也可以通过材料内部内建电场的控制，加快器件载流子寿命，有利于具有高稳定性大功率深紫外uvc波段的发光二极管的制备与应用，也能用于用于动态水杀菌。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。