一种紫外LED外延结构的制作方法

本发明涉及半导体光电子技术领域，尤其涉及一种紫外led(light-emittingdiode，发光二极管)外延结构。

背景技术：

紫外(uv)led是led的一种，与目前市面上使用的汞灯和氙灯等传统气体紫外光源相比，紫外led具备超长寿命、冷光源、无热辐射、寿命不受开闭次数影响、能量高、照射均匀效率高，不含有毒物质等强大优势，使其最有希望取代现有的紫外高压水银灯，成为下一代的紫外光光源。

紫外led在医疗、杀菌、印刷、照明、数据存储以及保密通信等方面都有重大应用价值。365nm作为紫外uv-a(320nm～400nm)波段最典型的波长，在紫外应用上有广泛的基础。而通过大功率365nm紫外led芯片的制备与产业化实现，将会对紫外产品应用提供示范作用。为更深波段的紫外开拓市场空间，带动led产业发展。

但目前紫外led正处于技术发展期，还存在一些难以突破的问题，如algan基紫外led的内量子效率和发射功率相对较低。

因此，如何提高algan基紫外led的内量子效率和发射功率成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种紫外led外延结构，以解决现有技术中紫外led的内量子效率和发射功率较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种紫外led外延结构，包括：

衬底；

依次生长在所述衬底上的未掺杂缓冲层、n型algan层、多量子阱结构、超晶格结构、电子阻挡层、p型algan层和p型gan层；

其中，所述超晶格结构包括至少一层第一algan层和至少一层第二algan层，所述第一algan层和所述第二交替叠加。

优选地，所述多量子阱结构包括交替生长的6个周期的al0.36ga0.64n/al0.5ga0.5n。

优选地，所述第一algan层为alxga1-xn层，所述第二algan层为al0.36ga0.64n层，且所述第一algan层生长在所述多量子阱中的al0.5ga0.5n层表面。

优选地，所述x的取值范围为0.51≤x≤0.57。

优选地，所述超晶格结构包括7个周期的alxga1-xn/al0.36ga0.64n，每层alxga1-xn层和每层al0.36ga0.64n层的厚度均为1nm，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3，生长温度为1020℃。

优选地，所述衬底为c面的蓝宝石衬底。

优选地，所述未掺杂缓冲层为al0.5ga0.5n缓冲层，厚度为1.5μm，生长温度为530℃，且所述al0.5ga0.5n缓冲层在1050℃恒温6分钟重结晶。

优选地，所述n型algan层为n型al0.5ga0.5n层，厚度为3.0μm，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，生长温度为1050℃。

优选地，所述多量子阱中的生长温度为1020℃，其中，每层al0.36ga0.64n厚度为8nm，每层al0.5ga0.5n层厚度为3nm。

优选地，所述电子阻挡层为10nm厚的p型al0.65ga0.35n层，掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3，生长温度为990℃。

优选地，所述p型algan层为10nm厚的p型al0.5ga0.5n层，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3，生长温度为990℃。

优选地，所述p型gan层，厚度为100nm，生长温度为990℃，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

经由上述的技术方案可知，本发明提供的紫外led外延结构，在多量子阱与电子阻挡层之间增加设置超晶格结构，所述超晶格结构能够有效缓解有源区最后一个量子垒与电子阻挡层之间的应变，抑制电子泄漏，增大空穴注入率，从而提高紫外led的光输出功率和内量子效率，使其呈现更佳的发光性能。另外，通过降低最后一个量子垒和电子阻挡层之间打的应变来显著减弱有源区量子阱结构中的极化电场，并增加电子和空穴波函数在空间上的重叠率，减弱了量子限制斯塔克效应，从而使得有源区电子和空穴发生辐射复合的几率增大，进而提高了紫外led外延结构的内量子效率和发射功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种紫外led外延结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种超晶格结构的结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，现有技术中algan基紫外led的内量子效率和发射功率相对较低。

目前algan基紫外led光源发光效率低的原因主要有：高al组分algan材料的载流子注入效率低，制约了紫外led内量子效率的提高；高al组分algan材料的结构性质决定其出光效率低。

基于此，本发明提供一种紫外led外延结构，其特征在于，包括：

衬底；

依次生长在所述衬底上的未掺杂缓冲层、n型algan层、多量子阱结构、超晶格结构、电子阻挡层、p型algan层和p型gan层；

其中，所述超晶格结构包括至少一层第一algan层和至少一层第二algan层，所述第一algan层和所述第二交替叠加。

本发明提供的紫外led外延结构，在多量子阱与电子阻挡才层之间增加设置超晶格结构，所述超晶格结构能够有效缓解有源区最后一个量子垒与电子阻挡层之间的应变，抑制电子泄漏，增大空穴注入率，从而提高紫外led的光输出功率和内量子效率，使其呈现更佳的发光性能。另外，通过降低最后一个量子垒和电子阻挡层之间打的应变来显著减弱有源区量子阱结构中的极化电场，并增加电子和空穴波函数在空间上的重叠率，减弱了量子限制斯塔克效应，从而使得有源区电子和空穴发生辐射复合的几率增大，进而提高了紫外led外延结构的内量子效率和发射功率。

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，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，为本发明实施例提供的一种紫外led外延结构，包括：衬底1；依次生长在衬底1上的未掺杂缓冲层2、n型algan层3、多量子阱结构4、超晶格结构5、电子阻挡层6、p型algan层7和p型gan层8；其中，超晶格结构5包括至少一层第一algan层和至少一层第二algan层，第一algan层和第二交替叠加。

需要说明的是，本发明实施例中不限定超晶格结构5的具体结构，可选的，如图2所示，超晶格结构5包括至少一层第一algan层——alxga1-xn层a和至少一层第二algan层——al0.36ga0.64n层b，alxga1-xn层a和al0.36ga0.64n层b交替叠加，其中，第一algan层——alxga1-xn层a生长在所述多量子阱的表面。

本发明实施例中不限定超晶格结构中第一algan层和第二algan层的交叠结构的周期，可选的，本实施例中包括7个周期的alxga1-xn/al0.36ga0.64n。本发明实施例中不限定alxga1-xn层中x的取值范围，可选的，发明人经过模拟得到当x的取值范围为0.51≤x≤0.57时，且超晶格结构中每层结构的厚度为相同，均为1nm，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3，生长温度为1020℃，从而使得紫外led外延结构的内量子效率和输出功率提高较为明显。

需要说明的是，在本发明中不限定未掺杂缓冲层、n型algan层、多量子阱结构、电子阻挡层、p型algan层和p型gan层中各种物质的组分。为了在x的取值范围为0.51≤x≤0.57时，紫外led外延结构的内量子效率和输出功率提高较为明显，本实施例中可选的，未掺杂缓冲层为al0.5ga0.5n缓冲层，厚度为1.5μm，生长温度为530℃，且所述al0.5ga0.5n缓冲层在1050℃恒温6分钟重结晶。n型algan层为n型al0.5ga0.5n层，厚度为3.0μm，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，生长温度为1050℃。多量子阱中的生长温度为1020℃，其中，每层al0.36ga0.64n厚度为8nm，每层al0.5ga0.5n层厚度为3nm。本实施例中多量子阱的结构包括交替生长的6个周期的al0.36ga0.64n/al0.5ga0.5n。在其他实施例中，多量子阱结构的周期还可以为其他数值，本实施例中对此不做限定。电子阻挡层为10nm厚的p型al0.65ga0.35n层，掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3，生长温度为990℃。p型algan层为10nm厚的p型al0.5ga0.5n层，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3，生长温度为990℃。p型gan层，厚度为100nm，生长温度为990℃，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。在本发明的其他实施例中，可以根据不同的结构层的材质组分不同，而设置不同x值，以使得紫外led外延结构的内量子效率和输出功率提高较为明显。

本实施例中不限定衬底的具体材质，可以根据实际需求进行选择，需要说明的是，由于蓝宝石具有较高的透光性，本实施例中可选的，所述衬底为蓝宝石。蓝宝石常被运用的切面有a面、c面、r面。蓝宝石的c面与iii-v族和ii-vi族沉积薄膜之间的晶格常数适配率小，同时符合gan垒晶制程中耐高温的要求，因此，本实施例中可选的，所述衬底为c面的蓝宝石衬底。

本发明提供的紫外led外延结构，在多量子阱与电子阻挡才层之间增加设置超晶格结构，所述超晶格结构能够有效缓解有源区最后一个量子垒与电子阻挡层之间的应变，抑制电子泄漏，增大空穴注入率，从而提高紫外led的光输出功率和内量子效率，使其呈现更佳的发光性能。另外，通过降低最后一个量子垒和电子阻挡层之间打的应变来显著减弱有源区量子阱结构中的极化电场，并增加电子和空穴波函数在空间上的重叠率，减弱了量子限制斯塔克效应，从而使得有源区电子和空穴发生辐射复合的几率增大，进而提高了紫外led外延结构的内量子效率和发射功率。

对于上述提供的深紫外led结构，本发明不限定紫外led外延结构的制作方法，可选的，可以采用mocvd(metal-organicchemicalvapordeposition，金属有机化合物化学气相淀积)设备制作各层结构。具体地，本发明实施例还提供一种制作所述紫外led外延结构的制作方法，包括：

首先，将蓝宝石衬底置入反应室。

然后，在1090℃通高纯氢气高温灼烧衬底。

接着，在530℃下通ga源、al源和氮源生长低温未掺杂的al0.5ga0.5n缓冲层，未掺杂的al0.5ga0.5n缓冲层的厚度约为1.5μm。然后，升温到1050℃并恒温6分钟左右，使得未掺杂的al0.5ga0.5n缓冲层重结晶。

随后，在1050℃下通入ga源、al源、氨气和硅烷sih4，生长n型al0.5ga0.5n层，其掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，厚度为3μm。

接下来，降温到1020℃并通入ga源、al源、氮源生长8nm厚的al0.36ga0.64n量子垒。接着，在1020℃生长3nm厚的al0.5ga0.5n量子阱。重复前两步步骤，共生长6个周期的al0.36ga0.64n/al0.5ga0.5n多量子阱结构。

紧接着，降温到990℃，通入al源，ga源，氨气和mg源，生长alxga1-xn/al0.36ga0.64n超晶格结构。alxga1-xn/al0.36ga0.64n超晶格结构中，其x的取值范围为0.51≤x≤0.57。超晶格结构为alxga1-xn/al0.36ga0.64n两者交替生长7个周期，每层algan的厚度是1nm，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3。

然后，在990℃下，在超晶格结构之上生长一层10nm厚的p型al0.65ga0.35n电子阻挡层，其掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3。

接着，在990℃下，生长一层10nm厚的p型al0.5ga0.5n层，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3。

最后，在990℃下，生长一层100nm厚的p型gan层，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，并在700℃退火20分钟，得到高空穴浓度的p型gan层。

需要说明的是，本实施例中不限定ga源、al源的具体形式，可选的，本实施例中所采用的ga源为三甲基镓tmga，al源为三甲基铝tmal，氮源为氨气nh3，载气为h2，n型和p型掺杂源分别为硅烷sih4和二茂镁cp2mg。

由上述紫外led外延结构采用了algan超晶格结构，能减少极化效应，削弱电子阻挡层ebl到p型algan层之间的能带弯曲，使得红移现象得到改善，呈现更短的发光波长，发光强度也随之增大；输出功率能得到大幅度提升，且输出功率随电流的增幅增大，呈现较好的功率性能；降低了电子和空穴复合的难易程度，因而所需的能量下降，使得具有更小的开启电压；由于新结构的设计，可使得芯片随电流的增加其电压改变较小，显示出更好的二极管性能；再者，能更有效实现p型掺杂，增强导电性，促使电阻降低，从而减小工作电压，这有利于减少紫外led芯片的能耗，节约能源。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。