CN208637450U - 一种紫外发光二极管芯片的外延结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种紫外发光二极管芯片的外延结构，包括衬底以及位于衬底上的AlN缓冲层、非掺杂AlN层、超晶格层、发光层、电子阻挡层、空穴导电层；其中：所述超晶格层为nAl_xGa_1‑xN层和Al_yGa_1‑yN层周期性交替堆叠形成。本实用新型的优点在于：通过采用nAl_xGa_{1‑ x}N/Al_yGa_1‑yN超晶格层代替传统的单层nAlGaN层，从而将电子导电的传输通道横向分割成为高电导率的nAl_xGa_1‑xN层和低电导率的Al_yGa_1‑yN层，并在nAl_xGa_1‑xN层中创造高电子密度的二维电子气（使nAl_xGa_1‑xN层的带隙宽度小于Al_yGa_{1‑ y}N层）。

Description

一种紫外发光二极管芯片的外延结构

技术领域

本实用新型涉及发光二极管芯片技术领域，尤其涉及一种紫外发光二极管芯片的外延结构。

背景技术

III-V族化合物半导体材料由于其优良的光电性能特性，从而被广泛应用于诸多半导体器件中。其中氮化镓及其化合物半导体（例如氮化铝镓、氮化铟镓化合物）已经被广泛应用于发光二极管领域，通过改变氮化镓中铝组分和铟组分的含量，可以实现发光二极管从绿光到紫外光波段的覆盖。目前氮化镓基蓝光和绿光LED已经占据了手机和电视显示屏、室内外普通照明、大型舞台景观屏幕等照明应用的垄断地位。

近年来随着紫外光在空气和水净化，医疗消毒等应用领域的快速发展，导致紫外光的市场需求稳步增加。与传统的紫外高压汞灯相比，紫外LED具有尺寸可控、可靠性和寿命长、环境友好、低压驱动等诸多优点，从而推动氮化镓基紫外光LED成为下一个研究热点。但是截至目前氮化镓基紫外光LED（特别是深紫外光）的外量子效率仍然非常低（与传统的蓝光LED的外量子效率约50%相比，深紫外光LED的外量子效率目前仅能达到约5%的水准），因此要提高紫外光LED的发光光效还有诸多困难需要克服，例如改善n型和p型半导体的导电能力，提高光提取效率，制作高晶体质量的氮化铝薄膜以提高内量子效率等。

氮化镓基LED的紫外发光是依靠增加AlGaN化合物中的铝组分含量来实现的。（例如要能够实现紫外消毒的280nm发光波长，氮化铝镓量子阱的铝组分约为40%左右，且对应的n型AlGaN和p型AlGaN材料中的铝组分需要高于50%）。随着AlGaN中的Al组分浓度增加，相应的n型AlGaN和p型AlGaN材料的导电能力急剧降低，从而造成紫外LED正向工作电压的增加、电流扩散的困难、发光效率的降低。

实用新型内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种紫外发光二极管芯片的外延结构，解决了现有技术中紫外发光二极管芯片存在正向工作电压增加、电流扩散困难、发光效率降低的问题。

（二）技术方案

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种紫外发光二极管芯片的外延结构，包括衬底以及位于衬底上的AlN缓冲层、非掺杂AlN层、超晶格层、发光层、电子阻挡层、空穴导电层；其中：所述超晶格层为nAl_xGa_1-xN层和Al_yGa_1-yN层周期性交替堆叠形成。

一种紫外发光二极管芯片的外延结构，其中：所述超晶格层的厚度介于1000-3000nm之间，周期数介于50-150之间。

一种紫外发光二极管芯片的外延结构，其中：所述nAl_xGa_1-xN层与所述Al_yGa_1-yN层的厚度之比介于1 ：1 ～ 4 ：1之间。

一种紫外发光二极管芯片的外延结构，其中：所述nAl_xGa_1-xN层中Si掺杂浓度大于或等于1E19 cm^-3，所述Al_yGa_1-yN层的Si掺杂浓度小于或等于1E17 cm^-3。

一种紫外发光二极管芯片的外延结构，其中：所述nAl_xGa_1-xN层中Al组分浓度x介于30%-60%之间，所述Al_yGa_1-yN层中Al组分浓度y介于30%-70%之间。

一种紫外发光二极管芯片的外延结构，其中：所述衬底可以是蓝宝石衬底、硅衬底、氮化硅衬底、氮化铝衬底、氮化镓衬底中的任意一种。

一种紫外发光二极管芯片的外延结构，其中：所述外延结构的生长方法为：

1.提供一衬底；

2.在衬底上生长AlN缓冲层；

3.在AlN缓冲层上生长非掺杂AlN层；

4.在非掺杂AlN层上生长超晶格层；

其中，所述超晶格层的生长方法为：

a.控制通入金属有机化合物气相沉积机台（MOCVD）的三甲基镓TMGa和三甲基铝TMAl的流量，并同时通入一定流量的硅烷氢SiH4作为掺杂剂。生长所需Al组分和Si掺杂浓度的nAl_xGa_1-xN层；

b.改变通入MOCVD机台的三甲基镓TMGa、三甲基铝TMAl和硅烷氢SiH4的流量，生长Al_yGa_1-yN层；

c.依次重复步骤a和步骤b，以实现nAl_xGa_1-xN层/Al_yGa_1-yN层的交替性周期生长；

5. 在完成超晶格层生长后，继续生长MQW发光层；

6. 在MQW发光层上生长pAlGaN电子阻挡层；

7. 在pAlGaN电子阻挡层上生长pGaN空穴导电层。

（三）有益效果

与现有技术相比，本实用新型提供了，一种紫外发光二极管芯片的外延结构，具备以下有益效果：通过采用nAl_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN超晶格层代替传统的单层nAlGaN层，从而将电子导电的传输通道横向分割成为高电导率的nAl_xGa_1-xN层和低电导率的Al_yGa_1-yN层，并在nAl_xGa_1-xN层中创造高电子密度的二维电子气（使nAl_xGa_1-xN层的带隙宽度小于Al_yGa_1-yN层）。

附图说明

图1 为本实用新型的结构示意图。

图2 为本实用新型外延结构生长方法流程图。

附图标记：衬底101、AlN缓冲层102、非掺杂AlN层103、超晶格层104、nAl_xGa_1-xN层1041、Al_yGa_1-yN层1042、MQW发光层105、电子阻挡层106、空穴导电层107。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，一种紫外发光二极管芯片的外延结构，包括衬底101以及位于衬底101上的AlN缓冲层102、非掺杂AlN层103、超晶格层104、MQW发光层105、电子阻挡层106、空穴导电层107；其中：所述超晶格层104为nAl_xGa_1-xN层1041和Al_yGa_1-yN层1042周期性交替堆叠形成。

一种紫外发光二极管芯片的外延结构，其中：所述超晶格层104的厚度介于1000-3000nm之间，周期数介于50-150之间。

一种紫外发光二极管芯片的外延结构，其中：所述nAl_xGa_1-xN层1041与所述Al_yGa_{1- y}N层1042的厚度之比介于1 ：1 ～ 4 ：1之间。

一种紫外发光二极管芯片的外延结构，其中：所述nAl_xGa_1-xN层1041中Si掺杂浓度大于或等于1E19 cm^-3，所述Al_yGa_1-yN层1042的Si掺杂浓度小于或等于1E17 cm^-3。

一种紫外发光二极管芯片的外延结构，其中：所述nAl_xGa_1-xN层1041中Al组分浓度x介于30%-60%之间，所述Al_yGa_1-yN层1042中Al组分浓度y介于30%-70%之间。

一种紫外发光二极管芯片的外延结构，其中：所述衬底101可以是蓝宝石衬底、硅衬底、氮化硅衬底、氮化铝衬底、氮化镓衬底中的任意一种。

请参阅图2，本实施例中，一种紫外发光二极管芯片的外延结构具体生长流程包括以下步骤：

步骤S1，首先使用磁控溅射机台在衬底101上沉积AlN缓冲层102，所述AlN缓冲层102的厚度为20nm；

步骤S2，将镀有AlN缓冲层102的衬底101放置在石墨载盘上，然后将所述石墨载盘传输至MOCVD反应腔体中，升高温度至1300-1400^oC，在反应腔中通入氮气、氢气、氨气、三甲基铝等反应气体，并使用脉冲氨气方式生长3um厚度的非掺杂AlN层103；

步骤S3，降低反应腔温度至1200 ^oC，控制三甲基铝、三甲基镓、硅烷的流量以及控制生长时间，首先生长一层10nm厚度的nAl_0.5Ga_0.5N层1041，然后改变三甲基铝、三甲基镓、硅烷的流量，再生长一层10nm厚度的Al_0.6Ga_0.4N1042层，依此类推，重复100个周期的nAl_0.5Ga_0.5N1041/Al_0.6Ga_0.4N1042生长，即可得超晶格层104，所述nAl_0.5Ga_0.5N层1041中Si的掺杂浓度控制为1E20 cm^-3；

步骤S4，降低反应腔温度并在超晶格层104上通过控制三甲基铝和三已基镓的流量依次生长3个周期的4nm厚度Al_0.5Ga_0.5N层1051和2nm厚度Al_0.4Ga_0.6N层1052，随后再生长10nm厚度Al_0.5Ga_0.5N层1051；

步骤S5，控制三甲基铝、三甲基镓、二茂镁的流量，持续生长20nm厚度的pAl_0.7Ga_0.3N电子阻挡层106；

步骤S6，在pAl_0.7Ga_0.3N电子阻挡层106上生长10nm厚度的pGaN作为空穴导电层107。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种紫外发光二极管芯片的外延结构，包括衬底(101)以及位于衬底(101)上的AlN缓冲层(102)、非掺杂AlN层(103)、超晶格层(104)、MQW发光层(105)、电子阻挡层(106)、空穴导电层(107)；其特征在于：所述超晶格层(104)为nAl_xGa_1-xN层(1041)和Al_yGa_1-yN层(1042)周期性交替堆叠形成。

2.根据权利要求1所述的一种紫外发光二极管芯片的外延结构，其特征在于：所述超晶格层(104)的厚度介于1000-3000nm之间，周期数介于50-150之间。

3.根据权利要求1所述的一种紫外发光二极管芯片的外延结构，其特征在于：所述nAl_xGa_1-xN层(1041)与所述Al_yGa_1-yN层(1042)的厚度之比介于1：1～4：1之间。

4.根据权利要求1所述的一种紫外发光二极管芯片的外延结构，其特征在于：所述nAl_xGa_1-xN层(1041)中Al组分浓度x介于30％-60％之间，所述Al_yGa_1-yN层(1042)中Al组分浓度y介于30％-70％之间。

5.根据权利要求1所述的一种紫外发光二极管芯片的外延结构，其特征在于：所述衬底(101)可以是蓝宝石衬底、硅衬底、氮化硅衬底、氮化铝衬底、氮化镓衬底中的任意一种。