一种紫外LED外延结构及其制备方法和应用与流程

一种紫外led外延结构及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明涉及led半导体技术领域，具体涉及一种紫外led外延结构及其制备方法和应用。


背景技术：

2.发光二极管(led，light emitting diode)是一种半导体固体发光器件，其利用半导体pn结作为发光材料，可以直接将电转换为光。随着led技术不断发展，其发光波长已经由可见光波段拓展到紫外波段，紫外波段波长为100～400nm，根据波长的不同，一般把紫外线分为a、b、c三个波段：uva为400～315nm，uvb为315～280nm，uvc为280～100nm。其中uva主要用于紫外固化和uv喷墨打印可应用于紫外固化和uv喷墨打印，uvb以医疗为主，uvc则是杀菌消毒。
3.紫外led作为一种新型的紫外光源，具有能耗低、体积小、集成性好、寿命长、环保无毒等优点，是当前iii
‑
族氮化物半导体最有发展潜力的领域和产业之一。虽然紫外led应用前景广泛，但与蓝光led相比，其发光效率较低，制约着其进一步应用。


技术实现要素：

4.有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种紫外led外延结构及其制备方法和应用，使制备的紫外led能够有效降低电子的迁移效率，提升电子和空穴在mqw区域分布的均衡性，提高电子和空穴的复合几率，显著提升内量子效率，进而提高紫外led的发光效率。
5.为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
6.第一方面，本发明提供一种紫外led外延结构，包括由下向上设置的衬底、缓冲层、非故意掺杂层、n型层、量子阱发光层、p型电子阻挡层、p型algan层；所述量子阱发光层为多个周期的al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构，所述al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构包括al
x
ga1‑
x
n势阱层和al
y
ga1‑
y
n势垒层；al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构根据周期数分为奇数层和偶数层；奇数层中，al
y
ga1‑
y
n势垒层的al组分值随着奇数层的增加而减小；偶数层中，al
y
ga1‑
y
n势垒层的al组分值随着偶数层的增加而减小；偶数层的al
y
ga1‑
y
n势垒层的al组分值小于邻近奇数层的al
y
ga1‑
y
n势垒层的al组分值。
7.进一步的，在上述紫外led外延结构中，其中0.2≤x≤0.4，0.3≤y≤0.6。
8.进一步的，在上述紫外led外延结构中，al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构的周期数为5～10。
9.进一步的，在上述紫外led外延结构中，缓冲层为algan、inalgan、aln的单层结构或其组合的多层结构。
10.进一步的，在上述紫外led外延结构中，非故意掺杂层为algan、inalgan、aln的单层结构或其组合的多层结构；所述非故意掺杂层吸收波长的禁带宽度大于紫外led发光波长的禁带宽度。所述n型层是algan、inalgan、aln的单层结构或其组合的多层结构，其吸收波长的禁带宽度大于紫外led发光波长的禁带宽度。
11.优选的，在上述紫外led外延结构中，组合的方式包括但不限于超晶格结构或交替堆叠。
12.进一步的，在上述紫外led外延结构中，所述n型层掺杂si，掺杂浓度为1e18～3e19/cm3。
13.进一步的，在上述紫外led外延结构中，所述p型电子阻挡层是palgan、palingan、paln的单层结构或其组合的超晶格结构。
14.优选的，在上述紫外led外延结构中，所述p型电子阻挡层掺杂mg，掺杂浓度为5e18～1e19/cm3。
15.进一步的，在上述紫外led外延结构中，所述p型algan层掺杂mg，掺杂浓度为5e18～1e20/cm3。
16.第二方面，本发明提供一种紫外led外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
17.步骤1：制备衬底，在衬底上生长缓冲层；所述缓冲层生长温度为500～1100℃，生长厚度约为15～50nm；
18.步骤2：在缓冲层上生长非故意掺杂层；所述非故意掺杂层生长温度为1000～1400℃，生长厚度为2.0～4.0μm；
19.步骤3：在非故意掺杂层上生长n型层；所述n型层生长温度为1000～1400℃之间，生长厚度为1～4μm；
20.步骤4：在n型层上生长量子阱发光层；生长温度为900～1100℃；
21.步骤5：在量子阱发光层生长p型电子阻挡层，生长温度为900～1100℃；生长厚度为30～80nm；
22.步骤6：在p型电子阻挡层上生长p型algan层，生长温度为900～1100℃；生长厚度为30～150nm。
23.进一步的，在上述紫外led外延结构的制备方法中，任意一个周期的al
x
ga1‑
x
n势阱层的生长厚度为2～4nm；al
y
ga1‑
y
n势垒层的生长厚度为3～10nm。
24.第三方面，本发明提供上述紫外led外延结构或上述紫外led外延结构的制备方法在制备紫外led或半导体中的应用。
25.本发明的有益效果为：
26.本发明提供的紫外led外延结构中量子阱发光层采用新型量子垒，通过限定al
x
ga1‑
x
n势阱层和al
y
ga1‑
y
n势垒层的al组分的含量和变化，使得该结构能够有效降低电子的迁移效率，提升了电子和空穴在mqw区域分布的均衡性，有效提高了电子和空穴的复合几率，显著提升了内量子效率，极大提高了发光效率。
附图说明
27.图1是本发明紫外led外延结构的结构示意图；
28.图2是本发明al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构的结构示意图。
具体实施方式
29.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发
明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，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。
30.如图1所示的一种紫外led外延结构，包括由下向上设置的衬底、缓冲层、非故意掺杂层、n型层、量子阱发光层、p型电子阻挡层、p型algan层；所述量子阱发光层为多个周期的al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构，所述al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构包括al
x
ga1‑
x
n势阱层和al
y
ga1‑
y
n势垒层；al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构根据周期数分为奇数层和偶数层；奇数层中，al
y
ga1‑
y
n势垒层的al组分值随着奇数层的增加而减小；偶数层中，al
y
ga1‑
y
n势垒层的al组分值随着偶数层的增加而减小；偶数层的al
y
ga1‑
y
n势垒层的al组分值小于邻近奇数层的al
y
ga1‑
y
n势垒层的al组分值。
31.所述紫外led外延结构的制备方法为：
32.步骤1：制备衬底，在衬底上生长缓冲层；所述缓冲层生长温度为500～1100℃，生长厚度约为15～50nm；
33.步骤2：在缓冲层上生长非故意掺杂层；所述非故意掺杂层生长温度为1000～1400℃，生长厚度为2.0～4.0μm；
34.步骤3：在非故意掺杂层上生长n型层；所述n型层生长温度为1000～1400℃之间，生长厚度为1～4μm；
35.步骤4：在n型层上生长量子阱发光层；生长温度为900～1100℃；
36.步骤5：在量子阱发光层生长p型电子阻挡层，生长温度为900～1100℃；生长厚度为30～80nm；
37.步骤6：在p型电子阻挡层上生长p型algan层，生长温度为900～1100℃；生长厚度为30～150nm。
38.本发明中制备方法过程中生长压力和生长时间等设置，采用本领域技术人员常用的参数即可，本发明不做特别限定。
39.实施例1
40.一种紫外led外延结构，包括由下向上设置的衬底、缓冲层、非故意掺杂层、n型层、量子阱发光层、p型电子阻挡层、p型algan层；所述量子阱发光层为具有多个周期的al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构，所述al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构包括al
x
ga1‑
x
n势阱层和al
y
ga1‑
y
n势垒层；
41.超晶格结构周期数n为5：第一周期结构为al
x1
ga1‑
x1
n/al
y1
ga1‑
y1
n；第二周期结构为al
x2
ga1‑
x2
n/al
y2
ga1‑
y2
n；第三周期结构为al
x3
ga1‑
x3
n/al
y3
ga1‑
y3
n；第三周期结构为al
x3
ga1‑
x3
n/al
y3
ga1‑
y3
n；第四周期结构为al
x4
ga1‑
x4
n/al
y4
ga1‑
y4
n；第五周期结构为al
x5
ga1‑
x5
n/al
y5
ga1‑
y5
n。
42.其中，y1＞y3＞y5，y2＞y4，y5＞y4，y3＞y2，x1＝x2＝x3＝x4＝x5。y1、y2、y3、y4、y5分别为0.5、0.46、0.48、0.42、0.44，x1＝x2＝x3＝x4＝x5＝0.3。
43.紫外led外延结构的制备方法为：
44.步骤1：制备衬底，在衬底上生长缓冲层；所述缓冲层生长温度为500～1100℃，生长厚度约为15～50nm；
45.步骤2：在缓冲层上生长非故意掺杂层；所述非故意掺杂层生长温度为1000～1400
℃，生长厚度为2.0～4.0μm；
46.步骤3：在非故意掺杂层上生长n型层；所述n型层生长温度为1000～1400℃之间，生长厚度为1～4μm；
47.步骤4：在n型层上生长量子阱发光层；生长温度为900～1100℃；
48.步骤5：在量子阱发光层生长p型电子阻挡层，生长温度为900～1100℃；生长厚度为30～80nm；
49.步骤6：在p型电子阻挡层上生长p型algan层，生长温度为900～1100℃；生长厚度为30～150nm。
50.实施例2
51.一种紫外led外延结构，包括由下向上设置的衬底、缓冲层、非故意掺杂层、n型层、量子阱发光层、p型电子阻挡层、p型algan层；所述量子阱发光层为具有多个周期的al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构，所述al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构包括al
x
ga1‑
x
n势阱层和al
y
ga1‑
y
n势垒层；
52.超晶格结构周期数n为6：第一周期结构为al
x1
ga1‑
x1
n/al
y1
ga1‑
y1
n；第二周期结构为al
x2
ga1‑
x2
n/al
y2
ga1‑
y2
n；第三周期结构为al
x3
ga1‑
x3
n/al
y3
ga1‑
y3
n；第三周期结构为al
x3
ga1‑
x3
n/al
y3
ga1‑
y3
n；第四周期结构为al
x4
ga1‑
x4
n/al
y4
ga1‑
y4
n；第五周期结构为al
x5
ga1‑
x5
n/al
y5
ga1‑
y5
n；第六周期结构为al
x6
ga1‑
x6
n/al
y6
ga1‑
y6
n。
53.其中，y1＞y3＞y5，y2＞y4＞y6，y5＞y4，y3＞y2，x1＝x2＝x3＝x4＝x5＝x6。y1、y2、y3、y4、y5、y6分别为0.5、0.46、0.48、0.42、0.44、0.4，x1＝x2＝x3＝x4＝x5＝x6＝0.3。
54.制备方法同实施例1
55.实施例3
56.一种紫外led外延结构，包括由下向上设置的衬底、缓冲层、非故意掺杂层、n型层、量子阱发光层、p型电子阻挡层、p型algan层；所述量子阱发光层为具有多个周期的al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构，所述al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构包括al
x
ga1‑
x
n势阱层和al
y
ga1‑
y
n势垒层；其中0.2≤x≤0.4，0.3≤y≤0.6。
57.超晶格结构周期数n为7：第一周期结构为al
x1
ga1‑
x1
n/al
y1
ga1‑
y1
n；第二周期结构为al
x2
ga1‑
x2
n/al
y2
ga1‑
y2
n；第三周期结构为al
x3
ga1‑
x3
n/al
y3
ga1‑
y3
n；第三周期结构为al
x3
ga1‑
x3
n/al
y3
ga1‑
y3
n；第四周期结构为al
x4
ga1‑
x4
n/al
y4
ga1‑
y4
n；第五周期结构为al
x5
ga1‑
x5
n/al
y5
ga1‑
y5
n；第六周期结构为al
x6
ga1‑
x6
n/al
y6
ga1‑
y6
n；第七周期结构为al
x7
ga1‑
x7
n/al
y7
ga1‑
y7
n。
58.其中，y1＞y3＞y5＞y7，y2＞y4＞y6，y5＞y4，y3＞y2，y7＞y6；x1＝x2＝x3＝x4＝x5＝x6＝x7。y1、y2、y3、y4、y5、y6、y7分别为0.52、0.48、0.50、0.44、0.46、0.40、0.42，x1＝x2＝x3＝x4＝x5＝x6＝x7＝0.3。
59.制备方法同实施例1
60.实施例4
61.一种紫外led外延结构，包括由下向上设置的衬底、缓冲层、非故意掺杂层、n型层、量子阱发光层、p型电子阻挡层、p型algan层；所述量子阱发光层为具有多个周期的al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构，所述al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构包括al
x
ga1‑
x
n势阱层和al
y
ga1‑
y
n势垒层；其中0.2≤x≤0.4，0.3≤y≤0.6。
62.超晶格结构周期数n为8：第一周期结构为al
x1
ga1‑
x1
n/al
y1
ga1‑
y1
n；第二周期结构为al
x2
ga1‑
x2
n/al
y2
ga1‑
y2
n；第三周期结构为al
x3
ga1‑
x3
n/al
y3
ga1‑
y3
n；第三周期结构为al
x3
ga1‑
x3
n/al
y3
ga1‑
y3
n；第四周期结构为al
x4
ga1‑
x4
n/al
y4
ga1‑
y4
n；第五周期结构为al
x5
ga1‑
x5
n/al
y5
ga1‑
y5
n；第六周期结构为al
x6
ga1‑
x6
n/al
y6
ga1‑
y6
n；第七周期结构为al
x7
ga1‑
x7
n/al
y7
ga1‑
y7
n；第八周期结构为al
x8
ga1‑
x8
n/al
y8
ga1‑
y8
n。
63.其中，y1＞y3＞y5＞y7，y2＞y4＞y6＞y8，y5＞y4，y3＞y2，y7＞y6；x1＝x2＝x3＝x4＝x5＝x6＝x7＝x8。y1、y2、y3、y4、y5、y6、y7、y8分别为0.54、0.50、0.52、0.46、0.48、0.42、0.44、0.40，x1＝x2＝x3＝x4＝x5＝x6＝x7＝x8＝0.3。
64.制备方法同实施例1
65.实施例5
66.一种紫外led外延结构，包括由下向上设置的衬底、缓冲层、非故意掺杂层、n型层、量子阱发光层、p型电子阻挡层、p型algan层；所述量子阱发光层为具有多个周期的al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构，所述al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构包括al
x
ga1‑
x
n势阱层和al
y
ga1‑
y
n势垒层；其中0.2≤x≤0.4，0.3≤y≤0.6。
67.超晶格结构周期数n为9：第一周期结构为al
x1
ga1‑
x1
n/al
y1
ga1‑
y1
n；第二周期结构为al
x2
ga1‑
x2
n/al
y2
ga1‑
y2
n；第三周期结构为al
x3
ga1‑
x3
n/al
y3
ga1‑
y3
n；第三周期结构为al
x3
ga1‑
x3
n/al
y3
ga1‑
y3
n；第四周期结构为al
x4
ga1‑
x4
n/al
y4
ga1‑
y4
n；第五周期结构为al
x5
ga1‑
x5
n/al
y5
ga1‑
y5
n；第六周期结构为al
x6
ga1‑
x6
n/al
y6
ga1‑
y6
n；第七周期结构为al
x7
ga1‑
x7
n/al
y7
ga1‑
y7
n；第八周期结构为al
x8
ga1‑
x8
n/al
y8
ga1‑
y8
n；第九周期结构为al
x9
ga1‑
x9
n/al
y9
ga1‑
y9
n。
68.其中，y1＞y3＞y5＞y7＞y9，y2＞y4＞y6＞y8，y5＞y4，y3＞y2，y7＞y6，y9＞y8；x1＝x2＝x3＝x4＝x5＝x6＝x7＝x8＝x9。y1、y2、y3、y4、y5、y6、y7、y8、y9分别为0.54、0.50、0.52、0.46、0.48、0.42、0.44、0.38、0.40，x1＝x2＝x3＝x4＝x5＝x6＝x7＝x8＝x9＝0.3。
69.制备方法同实施例1
70.实施例6
71.一种紫外led外延结构，包括由下向上设置的衬底、缓冲层、非故意掺杂层、n型层、量子阱发光层、p型电子阻挡层、p型algan层；所述量子阱发光层为具有多个周期的al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构，所述al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构包括al
x
ga1‑
x
n势阱层和al
y
ga1‑
y
n势垒层；其中0.2≤x≤0.4，0.3≤y≤0.6。
72.超晶格结构周期数n为10：第一周期结构为al
x1
ga1‑
x1
n/al
y1
ga1‑
y1
n；第二周期结构为al
x2
ga1‑
x2
n/al
y2
ga1‑
y2
n；第三周期结构为al
x3
ga1‑
x3
n/al
y3
ga1‑
y3
n；第三周期结构为al
x3
ga1‑
x3
n/al
y3
ga1‑
y3
n；第四周期结构为al
x4
ga1‑
x4
n/al
y4
ga1‑
y4
n；第五周期结构为al
x5
ga1‑
x5
n/al
y5
ga1‑
y5
n；第六周期结构为al
x6
ga1‑
x6
n/al
y6
ga1‑
y6
n；第七周期结构为al
x7
ga1‑
x7
n/al
y7
ga1‑
y7
n；第八周期结构为al
x8
ga1‑
x8
n/al
y8
ga1‑
y8
n；第九周期结构为al
x9
ga1‑
x9
n/al
y9
ga1‑
y9
n；第十周期结构为al
x10
ga1‑
x10
n/aly
10
ga1‑
y10
n。
73.其中，y1＞y3＞y5＞y7＞y9，y2＞y4＞y6＞y8＞y10，y5＞y4，y3＞y2，y7＞y6，y9＞y8；x1＝x2＝x3＝x4＝x5＝x6＝x7＝x8＝x9＝x10。y1、y2、y3、y4、y5、y6、y7、y8、y9分别为0.54、0.50、0.52、0.46、0.48、0.42、0.44、0.38、0.40、0.36，x1＝x2＝x3＝x4＝x5＝x6＝x7＝x8＝x9＝x10＝0.3。
74.制备方法同实施例1
75.对比例1一种紫外led外延结构，包括由下向上设置的衬底、缓冲层、非故意掺杂层、n型层、量子阱发光层、p型电子阻挡层、p型algan层；所述量子阱发光层为具有多个周期的al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构，所述al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构包括al
x
ga1‑
x
n势阱层和al
y
ga1‑
y
n势垒层，超晶格结构周期数n为5，x和y值固定不变。y为0.45，x为0.3。
76.制备方法同实施例1
77.对比例2一种紫外led外延结构，包括由下向上设置的衬底、缓冲层、非故意掺杂层、n型层、量子阱发光层、p型电子阻挡层、p型algan层；所述量子阱发光层为具有多个周期的al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构，所述al
x
ga1‑
x
n/al
y
ga1‑
y
n超晶格结构包括al
x
ga1‑
x
n势阱层和al
y
ga1‑
y
n势垒层；其中0.2≤x≤0.4，0.3≤y≤0.6。
78.超晶格结构周期数n为10：第一周期结构为al
x1
ga1‑
x1
n/al
y1
ga1‑
y1
n；第二周期结构为al
x2
ga1‑
x2
n/al
y2
ga1‑
y2
n；第三周期结构为al
x3
ga1‑
x3
n/al
y3
ga1‑
y3
n；第三周期结构为al
x3
ga1‑
x3
n/al
y3
ga1‑
y3
n；第四周期结构为al
x4
ga1‑
x4
n/al
y4
ga1‑
y4
n；第五周期结构为al
x5
ga1‑
x5
n/al
y5
ga1‑
y5
n；第六周期结构为al
x6
ga1‑
x6
n/al
y6
ga1‑
y6
n；第七周期结构为al
x7
ga1‑
x7
n/al
y7
ga1‑
y7
n；第八周期结构为al
x8
ga1‑
x8
n/al
y8
ga1‑
y8
n；第九周期结构为al
x9
ga1‑
x9
n/al
y9
ga1‑
y9
n；第十周期结构为al
x10
ga1‑
x10
n/aly
10
ga1‑
y10
n。
79.其中，y1＞y3＞y5＞y7＞y9，y2＞y4＞y6＞y8＞y10，y5≤y4，y3≤y2，y7≤y6，y9≤y8；x1＝x2＝x3＝x4＝x5＝x6＝x7＝x8＝x9＝x10。y1、y2、y3、y4、y5、y6、y7、y8、y9分别为0.54、0.52、0.50、0.48、0.46、0.44、0.42、0.40、0.38、0.36，x1＝x2＝x3＝x4＝x5＝x6＝x7＝x8＝x9＝x10＝0.3。
80.制备方法同实施例1
81.检测数据
82.对采用实施例1～6以及对比例1～2所制备的外延结构制备成2020mil芯片，用维明uv led测试机进行检测，检测数据如表1所示。
83.表1
[0084][0085]
由表1可知，与对比例1～2相比，本发明提供的紫外led外延结构中量子阱发光层
采用新型量子垒，通过限定al
x
ga1‑
x
n势阱层和al
y
ga1‑
y
n势垒层的al组分的含量和变化，能够有效降低电子的迁移效率，提升了电子和空穴在mqw区域分布的均衡性，有效提高了电子和空穴的复合几率，显著提升了内量子效率，极大提高了发光效率。
[0086]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。