一种紫外LED外延结构及其制备方法与流程

一种紫外led外延结构及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及紫外led器件技术领域，尤其涉及一种紫外led外延结构及其制备方法。


背景技术：

2.由于紫外led具有驱动电压低、寿命长、效率高、不含汞和体积小等优点，紫外led正在替代传统荧光紫外灯管，应用于水净化、空气净化、医疗消毒、uv固化和光刻等领域。特别是发光波长在200~280nm的深紫外led，具有传统的广源所没有的特性，具有巨大的社会和商业价值而受到了人们的普遍关注。
3.由于紫外led主要由gan、ingan和algan等材料在异质衬底上生长，会有严重的晶格失配和热失配，产生较大的位错密度，导致电子由紫外led的n型区泄漏至p型区，使紫外led非辐射复合增加，降低了出光效率甚至严重影响紫外led的使用寿命。因此，通常情况下，使用较大带隙的algan作为电子阻挡层，减少电子泄漏，从而提高紫外led光电性能。
4.虽然algan带隙大，且随着al组分改变，带隙可调，可以有效防止电子向p型区移动。然而，由于空穴的迁移率较低，有效质量较大，当空穴由p型区向量子阱传输时，会受到电子阻挡层的阻碍，减少了空穴注入到量子阱中的数量，从而影响发光效率。此外，随着al组分增加，p型掺杂效率降低，进一步减少了空穴注入到量子阱中的数量。因此，为了提高空穴的注入数量，通常会在电子阻挡层中掺杂p型掺杂剂。然而，空穴注入效率仍然很低。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种紫外led外延结构及其制备方法，所述紫外led外延结构具有较高的空穴注入效率，进而能够提高紫外led芯片的发光性能。
6.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：本发明提供了一种紫外led外延结构，包括依次层叠设置的衬底、缓冲层、n型algan层、多量子阱结构层、p型电子阻挡层、p型algan层和p型gan层；所述缓冲层包括依次层叠设置的aln缓冲层和非掺杂的algan层；所述aln缓冲层设置与所述衬底的表面；所述p型电子阻挡层包括依次交替层叠设置的第一p型algan层和第二p型algan层；所述第一p型algan层中al的掺杂浓度大于所述第二p型algan层中al的掺杂浓度。
7.优选的，所述第一p型algan层的材料为al
x
ga
1-x
n；所述第二p型algan层的材料为alyga
1-y
n；其中，x和y的取值范围为1》x》y》0.5。
8.优选的，所述第一p型algan层的p型掺杂浓度和所述第二p型algan层的p型掺杂浓度不同。
9.优选的，所述第一p型algan层的p型掺杂浓度和所述第二p型algan层的p型掺杂浓
度独立的为5
×
10
18
~1
×
10
19
cm-3
或1
×
10
18
~5
×
10
18
cm-3
；当所述第一p型algan层的p型掺杂浓度为5
×
10
18
~1
×
10
19
cm-3
时，所述第二p型algan层的p型掺杂浓度为1
×
10
18
~5
×
10
18
cm-3
；当所述第一p型algan层的p型掺杂浓度为1
×
10
18
~5
×
10
18
时，所述第二p型algan层的p型掺杂浓度为5
×
10
18
~1
×
10
19
cm-3
。
10.优选的，所述第一p型algan层和第二p型algan层的厚度独立的为5~15nm；所述p型电子阻挡层的总厚度为50~100nm。
11.本发明还提供了上述技术方案所述的紫外led外延结构的制备方法，包括以下步骤：在衬底表面依次生长aln缓冲层、非掺杂的algan层、n型algan层、多量子阱结构层后，在所述多量子阱结构层的表面依次交替层叠生长第一p型algan层和第二p型algan层，得到p型电子阻挡层；在所述p型电子阻挡层的表面依次生长p型algan层和p型gan层，得到所述紫外led外延结构。
12.优选的，生长所述第一p型algan层和第二p型algan层的温度不同。
13.优选的，所述第一p型algan层和第二p型algan层的生长温差为20~100℃。
14.优选的，所述第一p型algan层和第二p型algan层中生长温度高的p型algan层的厚度低于生长温度低的p型algan层的厚度。
15.优选的，所述第一p型algan层和第二p型algan层中生长温度高的p型algan层的p型掺杂浓度为5
×
10
18
~1
×
10
19
cm-3
cm-3
；所述第一p型algan层和第二p型algan层中生长温度低的p型algan层的p型掺杂浓度为1
×
10
18
~5
×
10
18
cm-3
。
16.本发明提供了一种紫外led外延结构，包括依次层叠设置的衬底、缓冲层、n型algan层、多量子阱结构层、p型电子阻挡层、p型algan层和p型gan层；所述缓冲层包括依次层叠设置的aln缓冲层和非掺杂的algan层；所述aln缓冲层设置与所述衬底的表面；所述p型电子阻挡层包括依次交替层叠设置的第一p型algan层和第二p型algan层；所述第一p型algan层中al的掺杂浓度大于所述第二p型algan层中al的掺杂浓度。本发明采用不同铝掺杂浓度的p型algan层进行交替周期性设置，可以有效的提高电子阻挡层的势垒高度，减少电子泄漏，进而提高紫外led的光电性能。
附图说明
17.图1为本发明所述紫外led外延结构的结构示意图；图2为本发明所述p型电子阻挡层的结构示意图；其中，1-衬底，2-aln缓冲层，3-非掺杂的algan层，4-n型algan层，5-多量子阱结构层，6-p型电子阻挡层，7-p型algan层，8-p型gan层，9-第一p型algan层，10-第二p型algan层。
具体实施方式
18.本发明提供了一种紫外led外延结构，包括依次层叠设置的衬底、缓冲层、n型
algan层、多量子阱结构层、p型电子阻挡层、p型algan层和p型gan层；所述缓冲层包括依次层叠设置的aln缓冲层和非掺杂的algan层；所述aln缓冲层设置与所述衬底的表面；所述p型电子阻挡层包括依次交替层叠设置的第一p型algan层和第二p型algan层；所述第一p型algan层中al的掺杂浓度大于所述第二p型algan层中al的掺杂浓度。
19.在本发明中，所述衬底的材料优选为蓝宝石、碳化硅、硅、氮化铝、氮化镓、氧化镓或氧化锌。本发明对所述衬底的厚度没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的厚度即可。
20.在本发明中，所述aln缓冲层的厚度优选为1~4μm，更优选为2~4μm。
21.在本发明中，所述非掺杂的algan层的厚度优选为1~2μm，更优选为1.5μm；本发明对所述非掺杂的algan层中al的掺杂量量没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的掺杂量即可。在本发明的具体实施例中，所述非掺杂的algan层为厚度为1μm的非掺杂的al
0.7
ga
0.3
n层。
22.在本发明中，所述n型algan层的厚度优选为1μm；所述n型algan层中n型掺杂浓度优选为1~2μm，更优选为1.5μm；本发明对所述n型algan层中的al的掺杂量量没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的掺杂量即可。在本发明的具体实施例中，所述n型algan层为厚度为1μm、n型掺杂浓度为5
×
10
18
cm-3
的n型al
0.6
ga
0.4
n层。
23.在本发明中，所述多量子阱结构层优选包括依次交替层叠设置的algan量子垒层和algan量子阱层；本发明对所述algan量子垒层和algan量子阱层没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的即可。在本发明的具体实施例中，所述多量子阱层包括依次交替层叠设置6个周期的厚度为11nm的al
0.5
ga
0.5
n量子垒层和厚度为2nm的al
0.4
ga
0.6
n量子阱层。
24.在本发明中，所述p型电子阻挡层包括依次交替层叠设置的第一p型algan层和第二p型algan层；所述第一p型algan层中al的掺杂浓度大于所述第二p型algan层中al的掺杂浓度。在本发明中，所述第一p型algan层的材料优选为al
x
ga
1-x
n；所述第二p型algan层的材料优选为alyga
1-y
n；其中，x和y的取值范围优选为1》x》y》0.5。在本发明中，所述第一p型algan层的p型掺杂浓度和所述第二p型algan层的p型掺杂浓度优选不同。在本发明中，所述第一p型algan层的p型掺杂浓度和所述第二p型algan层的p型掺杂浓度独立的优选为5
×
10
18
~1
×
10
19
cm-3
或1
×
10
18
~5
×
10
18
cm-3
；当所述第一p型algan层的p型掺杂浓度为5
×
10
18
~1
×
10
19
cm-3
时，所述第二p型algan层的p型掺杂浓度优选为1
×
10
18
~5
×
10
18
cm-3
；当所述第一p型algan层的p型掺杂浓度为1
×
10
18
~5
×
10
18
时，所述第二p型algan层的p型掺杂浓度优选为5
×
10
18
~1
×
10
19
cm-3
cm-3
。在本发明中，所述第一p型algan层的p型掺杂浓度和所述第二p型algan层的p型掺杂浓度不同，避免了高掺杂浓度来提高空穴浓度导致晶体质量严重下降的问题，进而提高了紫外led芯片的发光效率。
25.在本发明中，所述第一p型algan层和第二p型algan层的厚度独立的优选为5~15nm；所述p型电子阻挡层的总厚度优选为50~100nm。
26.在本发明中，所述p型algan层的厚度优选为10~50nm，更优选为20~40nm。所述p型algan层中p型掺杂浓度优选为3
×
10
19
cm-3
；本发明对所述p型algan层中的al的掺杂量没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的掺杂量即可。在本发明的具体实施例中，所述
p型algan层为厚度为20nm、p型掺杂浓度为3
×
10
19
cm-3
的p型al
0.4
ga
0.6
n层。
27.在本发明中，所述p型gan层的厚度优选为5~350nm，更优选为100~300nm。所述p型gan层中p型掺杂浓度优选为1
×
10
20
cm-3
。在本发明的具体实施例中，所述p型gan层的厚度为300nm、p型掺杂浓度为1
×
10
20
cm-3
。
28.本发明还提供了上述技术方案所述的紫外led外延结构的制备方法，包括以下步骤：在衬底表面依次生长aln缓冲层、非掺杂的algan层、n型algan层、多量子阱结构层后，在所述多量子阱结构层的表面依次交替层叠生长第一p型algan层和第二p型algan层，得到p型电子阻挡层；在所述p型电子阻挡层的表面依次生长p型algan层和p型gan层，得到所述紫外led外延结构。
29.生长所述aln缓冲层前，本发明优选对所述衬底进行预处理，所述预处理优选为1100℃高温处理10min。
30.本发明对所述aln缓冲层、非掺杂的algan层、n型algan层、多量子阱结构层、p型algan层和p型gan层的生长过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。在本发明的具体实施例中，所述紫外led外延结构中各层的制备原料为三甲基铝（tmal）、三甲基镓（tmga）、nh3、n型掺杂剂sih4或p型掺杂剂二茂镁(cp2mg)。
31.在本发明中，生长所述第一p型algan层和第二p型algan层的温度优选不同。在本发明中，所述第一p型algan层和第二p型algan层的生长温差优选为20~100℃。在本发明中，所述第一p型algan层和第二p型algan层中生长温度高的p型algan层的厚度优选低于生长温度低的p型algan层的厚度。在本发明中，所述第一p型algan层和第二p型algan层中生长温度高的p型algan层的p型掺杂浓度优选为5
×
10
18
~1
×
10
19
cm-3
cm-3
；所述第一p型algan层和第二p型algan层中生长温度低的p型algan层的p型掺杂浓度优选为1
×
10
18
~5
×
10
18
cm-3
。
32.在本发明中，采用高低温交叉生长p型algan电子阻挡层，且生长温度高的algan层掺杂浓度高于生长温度低的algan层，一方面可以提高algan结晶质量，减少位错密度，另一方面又可以解决高温下p型掺杂剂不易并入algan的问题以及algan的空穴浓度随al组份增加而降低的问题，使更多的空穴注入到量子阱有源区，增加辐射复合，提升紫外led光电性能。
33.得到p型gan层后，本发明还优选包括依次进行的退火处理和冷却。本发明对所述退火处理和冷却过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。在本发明的具体实施例中，所述退火处理为在氮气气氛中，800℃退火30min，随炉冷却。
34.下面结合实施例对本发明提供的紫外led外延结构及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
35.实施例1将蓝宝石衬底置于设备反应室中，1100℃处理10min后，在1250℃的条件下，通入三甲基铝（tmal）和nh3，得到厚度为2000nm的aln缓冲层；在1150℃的条件下，通入tmal、三甲基镓（tmga）和nh3，在所述aln缓冲层的表面生长厚度为1μm的非掺杂的al
0.7
ga
0.3
n层；保持温度不变，通入tmal、tmga、nh3和n型掺杂剂sih4，在所述非掺杂的al
0.7
ga
0.3n层的表面生长厚度为1μm的n型al
0.6
ga
0.4
n层（n型掺杂浓度为5
×
10
18
cm-3
）；在1100℃的条件下，通入tmal、tmga和nh3，在所述n型al
0.6
ga
0.4
n层的表面依次生长厚度为11nm的al
0.5
ga
0.5
n量子垒层和厚度为5nm的al
0.4
ga
0.6
n量子阱层，循环生长6个周期，得到多量子阱结构；在1150℃的条件下，通入tmal、tmga、nh3和p型掺杂剂二茂镁(cp2mg)，在所述多量子阱结构的表面生长厚度为10nm的al
0.75
ga
0.25
n第一层电子阻挡层（p型掺杂浓度为8
×
10
18
cm-3
）；在1100℃的条件下，在所述al
0.75
ga
0.25
n第一层电子阻挡层的表面生长厚度为6nm的al
0.6
ga
0.4
n第二层电子阻挡层（p型掺杂浓度为2
×
10
18
cm-3
），循环生长5个周期，得到电子阻挡层；在1050℃的条件下，通入tmal、tmga、nh3和p型掺杂剂二茂镁(cp2mg)，在所述电子阻挡层表面生长厚度为20nm的p型al0.4ga0.6n层（p型掺杂浓度为3
×
10
19
cm-3
）；在900℃的条件下，通入tmga、nh3、h2和cp2mg，在所述p型掺杂al
0.4
ga
0.6
n层的表面生长厚度为300nm的p型覆盖层（p型gan层，p型掺杂浓度为1
×
10
20
cm-3
）；最后，在氮气气氛中，800℃退火30min，随炉冷却，得到紫外led外延结构；将所述紫外led外延结构制成紫外led芯片后，在500ma的电流下，亮度为105mw。
36.实施例2将蓝宝石衬底置于设备反应室中，1100℃处理10min后，在1250℃的条件下，通入三甲基铝（tmal）和nh3，得到厚度为2000nm的aln缓冲层；在1150℃的条件下，通入tmal、tmga和nh3，在所述aln缓冲层的表面生长厚度为1μm的非掺杂的al
0.7
ga
0.3
n层；保持温度不变，通入tmal、tmga、nh3和n型掺杂剂sih4，在所述非掺杂的al
0.7
ga
0.3
n层的表面生长厚度为1μm的n型al
0.6
ga
0.4
n层（n型掺杂浓度为5
×
10
18
cm-3
）；在1100℃的条件下，通入tmal、tmga和nh3，在所述n型al
0.6
ga
0.4
n层的表面依次生长厚度为11nm的al
0.5
ga
0.5
n量子垒层和厚度为5nm的al
0.4
ga
0.6
n量子阱层，循环生长6个周期，得到多量子阱结构；在1110℃的条件下，通入tmal、tmga、nh3和p型掺杂剂二茂镁(cp2mg)，在所述多量子阱结构的表面生长厚度为5nm的al
0.85
ga
0.15
n第一层电子阻挡层（p型掺杂浓度为2
×
10
18
cm-3
）；在1150℃的条件下，在所述al
0.85
ga
0.15
n第一层电子阻挡层的表面生长厚度为10nm的al
0.65
ga
0.35
n第二层电子阻挡层（p型掺杂浓度为5
×
10
18
cm-3
），循环生长6个周期，得到电子阻挡层；在1050℃的条件下，通入tmal、tmga、nh3和p型掺杂剂二茂镁(cp2mg)，在所述电子阻挡层表面生长厚度为20nm的p型al
0.4
ga
0.6
n层（p型掺杂浓度为3
×
10
19
cm-3
）；在900℃的条件下，通入tmga、nh3、h2和cp2mg，在所述p型al
0.4
ga
0.6
n层的表面生长厚度为300nm的p型覆盖层（p型gan层，p型掺杂浓度为1
×
10
20
cm-3
）；最后，在氮气气氛中，800℃退火30min，随炉冷却，得到紫外led外延结构；将所述紫外led外延结构制成紫外led芯片后，在500ma的电流下，亮度为100mw。
37.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。