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CN106935690B - 一种提高紫外led光输出功率的外延结构 - Google Patents

一种提高紫外led光输出功率的外延结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高紫外LED光输出功率的外延结构，所述外延结构自下而上包括依次设置的衬底，GaN缓冲层，未掺杂的GaN层，掺杂N型GaN层，AlGaN/GaN多量子阱结构，插入层，电子阻挡层EBL，P型GaN层，所述衬底采用蓝宝石衬底，所述GaN缓冲层厚度为20‑25nm，生长温度为530‑550℃，并在1050℃恒温6分钟使GaN缓冲层重结晶，所述未掺杂的GaN层厚度为2.0‑2.5μm，生长温度为1050℃，所述掺杂N型GaN层的厚度为2.5‑3.0μm，其中Si掺杂浓度为5x1018cm‑3，生长温度为1050℃，所述多量子阱AlGaN/GaN结构由多量子阱AlGaN层和多量子阱GaN层按6个周期的交替生长而成。本发明通过提高紫外LED芯片的晶体质量，优化电子阻挡层的电子阻挡效果，减少电子泄露，从而改善紫外LED器件的效率下降，提高光输出功率。

Description

一种提高紫外LED光输出功率的外延结构
技术领域
本发明属于紫外LED领域，具体的说是通过设计一种新的外延结构提高紫外LED芯片的晶体质量，优化电子阻挡层的电子阻挡效果，减少电子泄露，从而改善紫外LED器件的效率下降，提高光输出功率。
背景技术
紫外发光波段中的UV-A区域，其发光波长通常在320nm-400nm之间。此波段的紫外光在很多方面有应用，如紫要求外固化、钱币辨伪、人造日光、空气净化以及照明等方面。现阶段紫外LED期间的生产工艺水平存在诸多问题，特别是波长范围在275nm-320nm的UV-B,波长范围在100nm-275nm的UV-C，其工艺更高，生产难度更大。因此，UV-A波段的紫外LED，特别是波长范围在360nm-400nm的近紫外波段LED对研究来说更具吸引力。此波段的紫外LED，其量子阱有源区是基于GaN、InGaN材料，且n型、p型区基于低于Al组分的AlGaN材料，使其生长工艺更接近成熟的蓝光LED工艺，同时，也具有更高的发光效率和更好的可靠性。
对于InGaN基蓝光LED的研究，已有很多优化LED性能的技术方法。因此，通过借鉴类似的方法解决近紫外AlGaN基LED中的问题，是一种可行性方案。例如在蓝光LED中，人们通过引入电子阻挡层来减少有源区电子泄露。而在紫外LED中，要想达到理想的电子阻挡效果，对电子阻挡层中AlGaN材料中Al组分的要求较高，易导致生长过程中的p型掺杂较为困难，影响外延层晶体质量。本发明中，我们通过不提高EBL中Al组分的前提下，通过插入一层未掺杂的AlGaN来提高EBL的电子阻挡效果，进而提高LED的发光效率。
发明内容
本发明的目的在于提出一种提高紫外LED光输出功率的外延结构，目的在于提高紫外LED芯片的晶体质量，优化电子阻挡层的电子阻挡效果，减少电子泄露，从而改善紫外LED器件的效率下降问题，提高光输出功率。
本发明所采用的技术方案：一种提高紫外LED光输出功率的外延结构，所述外延结构自下而上包括依次设置的衬底，GaN缓冲层，未掺杂的GaN层，掺杂N型GaN层，AlGaN/GaN多量子阱结构，插入层，电子阻挡层EBL，P型GaN层。
进一步的，所述衬底采用蓝宝石衬底。
进一步的，所述GaN缓冲层厚度为20-25nm，生长温度为530-550℃，并在1050℃恒温6分钟使GaN缓冲层重结晶。
进一步的，所述未掺杂的GaN层厚度为2.0-2.5μm，生长温度为1050℃。
进一步的，所述掺杂N型GaN层的厚度为2.5-3.0μm，其中Si掺杂浓度为5x1018cm-3，生长温度为1050℃。
进一步的，所述多量子阱AlGaN/GaN结构由多量子阱AlGaN层和多量子阱GaN层按6个周期的交替生长而成，其中每层多量子阱AlGaN组分比例为Al0.15Ga0.85N，厚度为8-10nm；每层多量子阱GaN为2-3nm厚，生长温度为1020℃。
进一步的，所述插入层为未掺杂Al0.25Ga0.75N，厚度为4-5nm，生长温度为990℃。
进一步的，所述电子阻挡层EBL为P型Al0.2Ga0.8N层，厚度为20-25nm，其中Mg掺杂浓度为5x1017cm-3。
进一步的，所述P型GaN层的厚度为80-100nm，生长温度为990℃，并在700℃下退火20-25分钟。
制造一种提高紫外LED光输出功率的外延结构的方法，其特征在于:所采用制备仪器为MOCVD，所采用的的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。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
由于提高电子阻挡层材料的Al组分，易导致p型掺杂层生长难度加大，呈现较差的晶体质量。在本发明中，通过插入未掺杂的Al0.25Ga0.75N，且厚度较薄为5nm，能在实现较好的电子阻挡效果的状态下，生长出质量较好的晶体。
本发明中由于引入一层Al0.25Ga0.75N插入层，能有效抑制EBL能带向下倾斜，抬高能带，因而能增加电子阻挡层EBL的势垒宽度，增强该结构的电子阻挡效果。
本发明中，此设计的优化结构，由于存在Al0.25Ga0.75N插入层，其Al组分高于EBL电子阻挡层，能有效提高EBL电子阻挡层的势垒高度，减少电子泄露，呈现较优越的发光性能。
本发明由于插入层Al0.25Ga0.75N使得电子阻挡层EBL的电子阻挡效率提高，有效的减少了电子泄露，使得更多的载流子在有源区中发生辐射复合，呈现较高的辐射复合率。
附图说明
图1为本发明一种提高紫外LED光输出功率的外延结构的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
蓝光LED的成熟应用，可通过借鉴类似的方法解决近紫外AlGaN基LED中的问题。例如在蓝光LED中，人们通过引入电子阻挡层来减少有源区电子泄露。而在紫外LED中，要想达到理想的电子阻挡效果，对电子阻挡层中AlGaN材料中Al组分的要求较高，易导致生长过程中的p型掺杂较为困难，影响外延层晶体质量。本发明中，我们通过在不提高EBL中Al组分的前提下，通过插入一层未掺杂的AlGaN来提高EBL的电子阻挡效果，进而提高LED的发光效率。
如图1所示，本发明提供一种提高紫外LED光输出功率的外延结构，所述外延结构自下而上包括依次设置的衬底1，GaN缓冲层2，未掺杂的GaN层3，掺杂N型GaN层4，AlGaN/GaN多量子阱结构5，插入层6，电子阻挡层EBL7，P型GaN层8。所述衬底1采用蓝宝石衬底，所述GaN缓冲层2厚度为20-25nm，生长温度为530-550℃，并在1050℃恒温6分钟使GaN缓冲层2重结晶；所述未掺杂的GaN层3厚度为2.0-2.5μm，生长温度为1050℃，所述掺杂N型GaN层4的厚度为2.5-3.0μm，其中Si掺杂浓度为5x1018cm-3，生长温度为1050℃。
在本发明的具体技术方案中，所述多量子阱AlGaN/GaN结构由多量子阱AlGaN层和多量子阱GaN层按6个周期的交替生长而成，其中每层多量子阱AlGaN组分比例为Al0.15Ga0.85N，厚度为8-10nm；每层多量子阱GaN为2-3nm厚，生长温度为1020℃，所述插入层6为未掺杂Al0.25Ga0.75N，厚度为4-5nm，生长温度为990℃，所述电子阻挡层EBL7为P型Al0.2Ga0.8N层，厚度为20-25nm，其中Mg掺杂浓度为5x1017cm-3，所述P型GaN层8的厚度为80-100nm，Mg掺杂浓度为5x1017cm-3，生长温度为990℃，并在700℃下退火20-25分钟。
在本发明的具体技术方案中，制造所述的一种提高紫外LED光输出功率的外延结构的方法，所采用制备仪器为MOCVD，所采用的的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。
实施例一
如图1所示，一种提高紫外LED光输出功率的外延结构，包括从下至上的结构依次为：衬底1，GaN缓冲层2，未掺杂的GaN层3，掺杂N型GaN层4，AlGaN/GaN多量子阱结构5，插入层6，电子阻挡层EBL7，P型GaN层8。
如图1所示，衬底1为蓝宝石衬底。在蓝宝石衬底上生长25nm的GaN缓冲层2。接着，在GaN缓冲层2上，生长一层2.5μm未掺杂的u-GaN层。然后，在2.5μm未掺杂的u-GaN层上生长一层N型GaN层，其厚度为3μm，其中Si掺杂浓度为5x1018cm-3。随后，在N型GaN层上，生长AlGaN/GaN多量子阱结构5，具体组分为6个周期交替的Al0.15Ga0.85N/GaN多量子阱结构，其中Al0.15Ga0.85N每层厚度为10nm，GaN每层厚度为3nm。紧接着，AlGaN/GaN多量子阱结构5上，先生长一层未掺杂的u-Al0.25Ga0.75N，厚度为5nm。随后，在未掺杂u-Al0.25Ga0.75N层之上，生长一层P型p-Al0.2Ga0.8N层，厚度为20nm，其中Mg掺杂浓度为5x1017cm-3。然后，P型p-Al0.2Ga0.8N层之上，生长一层P型GaN层8，其厚度为100nm，其中Mg掺杂浓度为5x1017cm-3。
作为本实施例的优选实施方式，对于上述的LED外延片结构，利用MOCVD这一生长设备来制备，而其具体生长过程为：
首先，将蓝宝石衬底装入反应室。然后，在1090℃通高纯氢气高温灼烧沉底。接着，在530℃下通Ga源和氨气生长低温GaN缓冲层2，厚度约为25nm。然后，升温到1050℃并恒温6分钟左右，使得缓冲层重结晶。随后，在1050℃下通入Ga源和氨气生长未掺杂的GaN(u-GaN)，厚度约为2.5μm。接下来，在1050℃下通入Ga源、氨气和硅烷生长N型GaN层，厚度约为3μm，其中Si掺杂浓度为5x1018cm-3。然后，降温到1020℃并通入Al源生长10nm厚的Al0.15Ga0.85N量子垒。接着，在1020℃温度下，生长3nm厚的GaN量子阱。重复前两步步骤，共生长6个周期的AlGaN/GaN多量子阱结构5，其中前五个掺Si，最后一个不掺杂Si。紧接着，降温到990℃，先通入Al源，Ga源，氨气，生长5nm厚的未掺杂的u-Al0.25Ga0.75N。然后，通入Al源，Ga源，氨气和Mg源，生长P型Al0.2Ga0.8N层，即电子阻挡层EBL7，厚度约为20nm，其中Mg掺杂浓度为5x1017cm-3。然后，在990℃，通入Al源Ga源，氨气和Mg源，生长P型GaN层8，厚度约为100nm，其中Mg掺杂浓度为5x1017cm-3。最后，在700℃退火20分钟，得到高空穴浓度的P型层。
上述生长程序，所采用的的生长设备为MOCVD。所采用的的Ga源为三甲基镓TMGa，Al源为三甲基铝，氮源为NH3，载气为H2，N型和P型掺杂源分别为硅烷SiH4和二茂镁Cp2Mg。
需要说明的是，以上所述并非是对本发明专利技术方案的限定，在不脱离本发明的创造构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种提高紫外LED光输出功率的外延结构，其特征在于：所述外延结构自下而上包括依次设置的衬底，GaN缓冲层，未掺杂的GaN层，掺杂N型GaN层，AlGaN/GaN多量子阱结构，插入层，电子阻挡层EBL，P型GaN层；
所述GaN缓冲层厚度为20-25nm，生长温度为530-550℃，并在1050℃恒温6分钟使GaN缓冲层重结晶；
所述未掺杂的GaN层厚度为2.0-2.5μm，生长温度为1050℃；
所述掺杂N型GaN层的厚度为2.5-3.0μm，其中Si掺杂浓度为5x1018cm-3，生长温度为1050℃；
所述多量子阱AlGaN/GaN结构由多量子阱AlGaN层和多量子阱GaN层按6个周期的交替生长而成，其中每层多量子阱AlGaN组分比例为Al0.15Ga0.85N，厚度为8-10nm；每层多量子阱GaN为2-3nm厚，生长温度为1020℃；
所述插入层为未掺杂Al0.25Ga0.75N，厚度为4-5nm，生长温度为990℃；
所述电子阻挡层EBL为P型Al0.2Ga0.8N层，厚度为20-25nm，其中Mg掺杂浓度为5x1017cm-3；
所述P型GaN层的厚度为80-100nm，生长温度为990℃，并在700℃下退火20-25分钟。
2.根据权利要求1所述的一种提高紫外LED光输出功率的外延结构，其特征在于：所述衬底采用蓝宝石衬底。
3.制造根据权利要求1或2所述的一种提高紫外LED光输出功率的外延结构的方法，其特征在于:所采用制备仪器为MOCVD，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。
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