一种采用mocvd技术制备高亮度近紫外led的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体光电子技术领域，一种近紫外发光二极管的制作方法，尤其涉及一种采用MOCVD(金属有机化合物气相外延)技术制备具有非对称结构电流扩展层的高亮度近紫外LED的方法。
【背景技术】
[0002]紫外半导体光源不但在工业光固化、光触媒、紫外光刻、紫外杀菌、水净化、光疗等方面将取代现有的汞灯紫外光源并发挥更大的作用，而且还将开发出通用照明、光镊、植物生长、石油管道泄漏检测、考古应用、鉴别真假等方面用途。半导体紫外光源作为半导体照明后的又一重大产业方向，已经引起了半导体光电行业的广泛关注。美国、日本、韩国等无不投入巨大的力量以求占据行业的制高点。我国在这方面投入较少，与国际上先进水平差距较大。从全球半导体光电产业发展趋势看，掌控上游核心技术等于掌握产业规则的制定权与行业话语权，占据产业链巨额利润空间，并在产品更新换代中占领先机。我国于2003年6月启动国家半导体照明工程，把UV — LED的研究工作做为其中一个重要的内容。在十五期间，北京大学曾承担近紫外LED的国家863课题，研制出380nm?405nm近紫外LED在350mA下光功率达到llOmW。在i^一五、十二五期间进一步研究紫外LED，得到发光波长280nm?315nm紫外发射。此外，中科院半导体研究所、厦门大学、青岛杰生等单位也正致力于紫外LED研究，300nm的紫外LED光功率已经达到mW量级。与蓝光不同，目前紫外LED正处于技术发展期，在专利和知识产权方面限制较少，利于占领、引领未来的技术制高点。国内在紫外LED的装备、材料和器件方面都有了一定的积累，目前正在积极的向应用模块发展。在UV-LED形成大规模产业之前还需要国家的引导和支持以便在核心技术方面取得先机。
[0003]紫外LED技术面临的首要问题是其光效低。波长365nm的紫外LED输出功率仅为输入功率的5% -8%。对于波长385nm以上的紫外LED光电转化效率相对于短波长有明显提高，但输出功率只有输入功率的15%。如何有效提高紫外LED的光效成为大家关注的焦点问题。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种采用MOCVD技术制备高亮度近紫外发光二极管的方法。通过设计新型的LED结构，在n-GaN和InGaN/AlGaN多量子阱有源区之间生长Al组分、In组分以及η掺杂渐变的电流扩展层，改善水平方向电流扩展，有效缓解有源区应力。进而实现提高近紫外LED发光效率的目的。
[0005]本发明的技术解决方案:通过在近紫外LED n-GaN和有源层之间引入优化的η型电流扩展层。通过优化η型电流扩展层的结构如采用n-AlInGaN、n-A I InGaN/AlGaN超晶格、η-1nGaN/AlGaN超晶格、n-AlInGaN/GaN/AlGaN多层超晶格结构，其中Al组分、In组分以及η型掺杂渐变。优化设计电流扩展层结构参数:各层的生长厚度、Al组分、In组分、Si的掺杂浓度等参数。该方法包括以下步骤:
[0006]步骤一，在金属有机化合物气相外延反应室中将Al2O3衬底在氢气气氛下，10800C -1100°C下处理5分钟，然后降低温度，在530-550°C，反应室压力500torr，在氢气(H2)气氛下，三维生长20-30纳米厚的GaN缓冲层，再在1000-150(TC下生长2_4微米厚n-GaN 层；
[0007]步骤二，在氮气(N2)气氛下，在750-850°C下生长非对称Al组分、In组分以及η掺杂渐变的η型电流扩展层，优化电流扩展层结构如下:
[0008](I)非对称Al组分和In组分以及η掺杂渐变的η型AlylInxlGa1 yl xlN电流扩展层(其中0〈yl ( y ；0<xl ( χ)，单层厚度15nm_30nm ;其中Al组分以及In组分随电流扩展层生长厚度增加而线性增加。
[0009](2)非对称Al组分和In组分以及η掺杂渐变的η型多周期Aly2Inx2Ga1 x2 y2N/Aly2Ga1 y2N超晶格(其中0〈y2 ( y ；0<x2 ( χ)，超晶格结构周期数为I至10 ;其中Al组分以及In组分随电流扩展层生长周期增加而阶梯式增加。
[0010](3)非对称Al组分和In组分以及η掺杂渐变的η型多周期Inx3Ga1 ,/Aly3Ga1 y3N超晶格或量子阱结构(其中0〈y3 ( y ；0<x3 ( χ)，超晶格结构周期数为I至10 ;其中Al组分以及In组分随电流扩展层生长周期增加而阶梯式增加。
[0011 ] (4)非对称Al组分和In组分以及η掺杂渐变的η型多周期Aly4Inx4Ga1 x4 y4N/GaN/Aly4Ga1 y4N超晶格或量子阱结构(其中0〈y4 ( y ；0<x4 ( χ)，超晶格结构周期数为I至10 ;其中Al组分以及In组分随电流扩展层生长周期增加而阶梯式增加。
[0012]接着生长5-10周期InxGa1 ^/AlyGa1 yN多量子阱有源区，其中0〈χ彡0.05 ;0<y ( 0.05 ;在有源区上，在氮气气氛下，在950摄氏度生长p-AlGaN电子阻挡层；
[0013]步骤三，在氢气气氛下，在950°C -1040°C下生长p-GaN。
[0014]通过优化η型电流扩展层改善近紫外LED电流扩展效果，进而有效提高近紫外LED的抗静电能力。
【附图说明】
[0015]图1是本发明实施例1中一种高亮度近紫外发光二极管的竖直剖面视图；
[0016]图2是本发明实施例2中一种高亮度近紫外发光二极管的竖直剖面视图；
[0017]图3采用本发明实施例1中新型电流扩展层近紫外发光二极管UV-LED1、采用本发明实施例2中新型电流扩展层近紫外发光二极管UV-LED2和无电流扩展层近紫外发光二极管UV-LED光功率随注入电流变化曲线图。
【具体实施方式】
[0018]本发明提供一种采用MOCVD技术制备高亮度近紫外LED的方法。通过设计新型的LED结构，在n-GaN和InGaN/AlGaN多量子阱有源区之间生长Al组分、In组分以及η掺杂渐变的电流扩展层，改善水平方向电流扩展，有效缓解有源区应力。进而实现提高近紫外LED发光效率的目的。
[0019]图1是本发明实施例1 一种采用MOCVD技术制备具有非对称结构电流扩展层的高亮度近紫外LED的竖直剖面视图。图1中包括Al2O3衬底101，n_GaN102，n-AlInGaN电流扩展层103，InGaN/AlGaN多量子阱有源层104，p_AlGaN电子阻挡层105，p_GaN 106。其中η型电流扩展层In组分、Al组分小于InGaN/AlGaN多量子阱有源区In组分以及Al组分；图2是本发明实施例2 —种采用MOCVD技术制备具有非对称结构电流扩展层的高亮度近紫外LED的竖直抛面视图。图2中包括Al2O3衬底201，n-GaN 202，n-A I InGaN/AlGaN超晶格结构电流扩展层203，InGaN/AlGaN多量子阱有源层204，p-AlGaN电子阻挡层205，p-GaN206。其中η型电流扩展层In组分、Al组分小于InGaN/AlGaN多量子阱有源区In组分以及Al组分；n型电流扩展层采用Al组分、In组分以及η掺杂渐变的n-AlInGaN、n-AlInGaN/AlGaN超晶格或量子阱结构、n-AlInGaN/GaN/AlGaN超晶格或量子阱结构、或其它结构只要满足Al组分、In组分以及η掺杂渐变的原则都在本专利保护的范围之内。
[0020]实施例1
[0021]使用Aixtron公司，紧耦合垂直反应室MOCVD生长系统。生长过程中使用三甲基镓(TMGa)，三甲基铟(TMIn)，三甲基铝(TMAl)作为III族源，氨气(NH3)作为V族源，硅烷(SiH4)作为η型掺杂源，二茂镁(Cp2Mg)作为ρ型掺杂源，首先在MOCVD反应室中将Al2O3衬底101加热到1080-1100摄氏度，在H2下处理5分钟，然后降温到在530-550摄氏度在Al2O3衬底上，反应室压力500torr，，氢气(H2)气氛下，三维生长20-30纳米后的GaN缓冲层，在1000-150