UVB-LED外延结构及其制备方法与流程

本申请涉及一种紫外led，特别涉及到一种uvb-led外延结构及其制备方法，属于半导体器件。

背景技术：

1、紫外线是太阳光的组成部分之一，根据波长可将紫外线分成以下四个波段：uva(320-400nm)、uvb(280-320nm)、uvc(200-280nm)和vuv(100-200nm)，其中vuv穿透率很低，只能在宇宙中存在。uvc波段由于穿透率较低，会被臭氧层吸收，也无法穿透大气层到达地面。uvc能量高，可以破坏细菌、病毒等微生物的dna和rna的分子链结构，起到杀灭细菌、病毒的作用，因此在消毒杀菌领域有广泛用途，近几年uvc led的市场规模也日益增大。uvb波段的穿透率中等，有部分能到达地球表面，该波段对皮肤病有一定的治疗作用，也能促进人体维生素d3的产生。在农业应用方面，国外研究发现使用310nm uvb光源可以使水果和蔬菜富集某种植物化学物质，有利于降低心血管疾病的风险。uva主要应用于固化、防伪检测和光催化等领域。

2、目前uvb最主要的应用场景是光疗，310nm uvb-led在光疗领域有广阔的应用前景。uvb-led的材料体系为algan材料，algan的带隙随al组分的变化在6.2ev(aln)和3.4ev(gan)之间连续可调，覆盖了200-365nm的紫外波段。algan材料在制备uvb-led光源方面相比汞灯优势如下：安全环保，结构小巧，功耗小，不需预热、即开即用，寿命长，光谱窄，等等。

3、目前uvb-led主要使用c面蓝宝石作为衬底，先在衬底上生长aln模板，然后在aln模板上生长algan材料。在aln模板上生长algan的晶格失配率最高可达2％，这取决于al组分。对于alxga1-xn材料，当x约为0.65时，在alxga1-xn/aln界面上可以产生约1％的晶格失配；但是在x约为0.44的情况下，在alxga1-xn/aln上的晶格失配约1.5％。这种晶格失配形成很大的压应力，在生长过程中压应力会累积，使n型algan材料生长质量变差，位错密度增大。随着波长的变长，要求n型algan和量子阱的al组分更低，以uvc 275nm和uvb 310nm为例，uvc 275nm一般n型algan的al组分≥50％、发光量子阱al组分≥30％，而uvb 310nm一般n型algan的al含量＜50％、发光量子阱al含量在15％-30％之间。显然，uvb 310nm algan材料的压应力更大，材料生长的技术难度也更大。内量子效率依赖于量子阱有源区的生长质量，而量子阱有源区的生长质量又依赖于底下n型algan层的生长质量。因此，对uvb-led的n型algan层进行应力调控，改善n型algan层的生长质量，对提高uvb-led的光输出功率特别重要。

4、目前，常用的调节应力方法是在aln模板和n型algan层之间生长aln/algan超晶格，从而在过滤位错的同时进行一定程度的应力释放。该方法在aln生长质量较差的情况下的使用情况较理想，能使部分位错转向，从而提升光输出功率。从n型algan层进行应力调控的常见方式是生长两层不同al含量的n型algan层，起到弛豫部分应力的作用。该方法在uvc-led外延结构中比较常用，但对于uvb-led弛豫应力的效果不太理想。

技术实现思路

1、本申请的主要目的在于提供一种uvb-led外延结构及其制备方法，以克服现有技术的不足。

2、为实现上述发明目的，本申请采用的技术方案包括：

3、本申请的一个方面提供了一种uvb-led外延结构，包括沿指定方向依次设置的aln层、应力调控层、n型algan欧姆接触层、多量子阱有源区、p型电子阻挡层、p型空穴注入层和p型欧姆接触层；所述应力调控层包括沿指定方向依次层叠的第一alxinyga1-x-yn子层和第二alxinyga1-x-yn子层，其中第一alxinyga1-x-yn子层的al含量高于第二alxinyga1-x-yn子层，且第二alxinyga1-x-yn子层中的al含量沿指定方向降低，0＜x＜1，0≤y≤0.1，0＜(1-x-y)＜1。

4、本申请的另一个方面提供了一种制备所述uvb-led外延结构的方法，其包括：在衬底上依次生长aln层、应力调控层、n型algan欧姆接触层、多量子阱有源区、p型电子阻挡层、p型空穴注入层和p型欧姆接触层。

5、与现有技术相比，本申请有益效果至少在于：通过在uvb-led外延结构的aln模板和n型algan欧姆接触层之间设置应力调控层，并通过对应力调控层中的al含量进行调制，可以缓解或消除因n型algan欧姆接触层与aln层的晶格常数差异大而导致的压应力大等问题，有效调控表面形貌，从而显著改善n型algan层的生长质量，大幅提高uvb-led的发光效率和光输出功率。

技术特征：

1.一种uvb-led外延结构，包括沿指定方向依次设置的aln层、应力调控层、n型algan欧姆接触层、多量子阱有源区、p型电子阻挡层、p型空穴注入层和p型欧姆接触层；其特征在于：所述应力调控层包括沿指定方向依次层叠的第一alxinyga1-x-yn子层和第二alxinyga1-x-yn子层，其中第一alxinyga1-x-yn子层的al含量高于第二alxinyga1-x-yn子层，且第二alxinyga1-x-yn子层中的al含量沿指定方向降低，0＜x＜1，0≤y≤0.1，0＜(1-x-y)＜1。

2.根据权利要求1所述的uvb-led外延结构，其特征在于：所述应力调控层包括沿指定方向依次层叠的第一个子结构层至第n个子结构层，n≥1；

3.根据权利要求2所述的uvb-led外延结构，其特征在于：所述应力调控层中，第n个子结构层中任意一个alxinyga1-x-yn子层的al含量低于第n-1个子结构层中相应一个alxinyga1-x-yn子层的al含量；

4.根据权利要求1或3所述的uvb-led外延结构，其特征在于：任意一个第二alxinyga1-x-yn子层的al含量沿指定方向线性渐变或非线性变化。

5.根据权利要求1或2所述的uvb-led外延结构，其特征在于：任意一个第一alxinyga1-x-yn子层的al含量沿指定方向保持恒定、升高或降低；

6.根据权利要求2所述的uvb-led外延结构，其特征在于：所述应力调控层中，第n-1个子结构层中第一alxinyga1-x-yn子层的al含量变化幅度小于与该第一alxinyga1-x-yn子层相邻的任一个第二alxinyga1-x-yn子层的al含量变化幅度；

7.根据权利要求1或2所述的uvb-led外延结构，其特征在于：所述应力调控层的厚度为0.2～10μm；和/或，所述应力调控层包括n型alxinyga1-x-yn层和/或非掺杂alxinyga1-x-yn层，所述n型alxinyga1-x-yn层的掺杂浓度为1e+17～1e+20cm-3。

8.根据权利要求7所述的uvb-led外延结构，其特征在于：所述应力调控层包括沿设定方向依次层叠的非掺杂alxinyga1-x-yn层和n型alxinyga1-x-yn层。

9.根据权利要求1所述的uvb-led外延结构，其特征在于：所述n型algan欧姆接触层的厚度为0.1～3μm；和/或，所述n型algan欧姆接触层的si掺杂浓度为1e+i8～1e+20cm-3；

10.权利要求1-9中任一项所述uvb-led外延结构的制备方法，其特征在于包括：在衬底上依次生长aln层、应力调控层、n型algan欧姆接触层、多量子阱有源区、p型电子阻挡层、p型空穴注入层和p型欧姆接触层。

11.根据权利要求10所述的uvb-led为延结构的制备方法，其特征在于：所述衬底包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底或aln衬底。

技术总结
本申请公开了一种UVB‑LED外延结构及其制备方法。所述外延结构包括沿指定方向依次生长的AlN层、应力调控层、N型AlGaN欧姆接触层、多量子阱有源区、P型电子阻挡层、P型空穴注入层和P型欧姆接触层。所述应力调控层由不同Al含量、不同厚度的第一Al<subgt;x</subgt;In<subgt;y</subgt;Ga<subgt;1‑x‑y</subgt;N子层和第二Al<subgt;x</subgt;In<subgt;y</subgt;Ga<subgt;1‑x‑y</subgt;N子层交叠生长组成，0＜x＜1，0≤y≤0.1，0＜(1‑x‑y)＜1。本申请通过在UVB‑LED外延结构的AlN层和N型AlGaN欧姆接触层之间设置应力调控层，并通过对应力调控层中的Al含量进行调制，可以缓解或消除因N型AlGaN欧姆接触层与AlN层的晶格常数差异大而导致的压应力大等问题，有效调控表面形貌，从而显著改善N型AlGaN层的生长质量，大幅提高UVB‑LED的发光效率和光输出功率。

技术研发人员：刘锐森,孙钱,黄应南,杨勇,杨辉
受保护的技术使用者：广东中科半导体微纳制造技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25