CN220189680U - 一种改善短波长紫外led限制的外延结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种改善短波长紫外LED限制的外延结构，涉及近紫外波段LED外延结构技术领域；为了解决现有技术存在缺陷问题；该外延结构，从下至上依次包括衬底、GaN低温缓冲层、GaN第一非掺杂层、GaN第二非掺杂层、n型AlGaN/GaN过渡层、AlGaN/AlN超晶格层、多量子阱层。本实用新型不但可以起到更好的载流子限制作用，也可以获得更高质量的势垒层，改善载流子溢出问题，提升量子阱区的发光效率，而且AlGaN势垒层中Al组分低于15％，能够保证AlGaN有较高的晶体质量，解决了现有技术中近紫外LED中量子阱载流子限制较弱和AlGaN材料的生长困难问题，易于推广。
Description
技术领域
本实用新型近紫外波段LED外延结构技术领域，尤其涉及一种改善短波长紫外LED限制的外延结构。
背景技术
目前，固态紫外LED因其具有高效、尺寸小的优势，在杀菌消毒、固化、打印、宝石鉴定等领域有着广泛的应用。这其中近紫外波段LED材料可以在较低的铝组分下实现发光，其结构通常包括衬底、GaN或者AlGaN导电层、InGaN/GaN/AlGaN多量子阱层、p型AlGaN电子阻挡层、p型GaN层及表面接触层，由于其结构及材料与蓝绿光氮化镓基LED接近，因此可以在成熟的商业化设备上实现大规模量产。
经检索，中国专利申请号为CN201911127056.2的专利，公开了具有InGaN/GaN/AlGaN/GaN量子阱的LED外延薄膜及其制法与应用，所述LED外延薄膜包括n-GaN，依次生长在n-GaN上的MOCVD制备的InGaN/GaN/AlGaN/GaN量子阱、电子阻挡层、p-GaN层。上述专利中的具有InGaN/GaN/AlGaN/GaN量子阱的LED外延薄膜及其制法与应用存在以下不足：生长量子阱时，①InGaN和AlGaN材料的最佳条件差异较大，其中InGaN需要大约800℃的低温生长，而AlGaN在高于900℃的条件下才能得到较高的晶体质量，因此较难获得高质量的高铝组分AlGaN材料；②在商用化的成熟设备上生长高铝组分的AlGaN时，反应腔中的预反应也比较强，如果系统中长时间通入较多的铝源，严重的预反应进一步导致晶体质量的降低。基于此，我们提出了一种改善短波长紫外LED限制的外延结构。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种改善短波长紫外LED限制的外延结构。
为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
一种改善短波长紫外LED限制的外延结构，从下至上依次包括衬底、GaN低温缓冲层、GaN第一非掺杂层、GaN第二非掺杂层、n型AlGaN/GaN过渡层、AlGaN/AlN超晶格层、多量子阱层、p型AlGaN电子阻挡层、p型GaN层和p型GaN重掺杂接触层，所述衬底为蓝宝石/AlN复合衬底；所述多量子阱层的结构为InGaN/GaN/AlGaN/AlN或AlN/InGaN/GaN/AlGaN/AlN中的一种，多量子阱层的周期数为4-13个；
所述多量子阱层的结构为InGaN/GaN/AlGaN/AlN时，从下至上依次包括InGaN量子阱、GaN保护层、AlGaN势垒层和AlN限制层一；
所述多量子阱层的结构为AlN/InGaN/GaN/AlGaN/AlN时，从下至上依次包括AlN限制层一、InGaN量子阱、GaN保护层、AlN限制层二和AlGaN势垒层。
优选地：所述GaN低温缓冲层的厚度为5-50nm；
所述GaN第一非掺杂层的厚度为0.2-1μm；
所述GaN第二非掺杂层的厚度为1-2μm；
所述n型AlGaN/GaN过渡层的厚度为1-3μm；
所述p型GaN重掺杂接触层的厚度为1-5nm。
优选地：所述InGaN量子阱的厚度为2.5-4nm；
所述GaN保护层的厚度为1-2nm；
所述AlGaN势垒层的厚度为5-12nm；
所述AlN限制层一的厚度为0.5-3nm。
优选地：所述AlN限制层一的厚度为0.5-3nm；
所述InGaN量子阱的厚度为2.5-4nm；
所述GaN保护层的厚度为1-2nm；
所述AlN限制层二的厚度为0.5-3nm；
所述AlGaN势垒层的厚度为5-12nm。
优选地：所述AlGaN/AlN超晶格层的生长周期为5-30个，AlGaN/AlN超晶格层中AlGaN的厚度为4-9nm，AlN厚度为0.5-3nm。
与现有技术相比，本实用新型提供了一种改善短波长紫外LED限制的外延结构，具备以下有益效果：
1.该改善短波长紫外LED限制的外延结构，提出了一种具有InGaN/GaN/AlGaN/AlN量子阱或者AlN/InGaN/GaN/AlGaN/AlN量子阱的紫外发光LED外延结构，并采用了超薄的AlN，不但可以起到更好的载流子限制作用，也可以获得更高质量的势垒层，改善载流子溢出问题，提升量子阱区的发光效率，而且AlGaN势垒层中Al组分低于15％，能够保证AlGaN有较高的晶体质量，解决了现有技术中近紫外LED中量子阱载流子限制较弱和AlGaN材料的生长困难问题，易于推广。
2.该改善短波长紫外LED限制的外延结构，在InGaN量子阱生长前设置AlN限制层一，形成一种具有InGaN/GaN/AlGaN/AlN量子阱的紫外发光LED外延结构，能够改善短波长LED结构量子阱的载流子限制，提升辐射符合效率和发光效率。
3.该改善短波长紫外LED限制的外延结构，在InGaN量子阱后的GaN保护层生长后再设置一层AlN限制层二，使得InGaN量子阱前后分别设有AlN载流子限制层，形成一种具有AlN/InGaN/GaN/AlGaN/AlN量子阱的紫外发光LED外延结构，可以显著改善短波长LED结构量子阱的载流子限制，提升辐射符合效率和发光效率。
附图说明
图1为本实用新型提出的一种改善短波长紫外LED限制的外延结构的结构示意图；
图2为本实用新型提出的实施例2一种改善短波长紫外LED限制的外延结构的多量子阱层结构示意图；
图3为本实用新型提出的实施例3一种改善短波长紫外LED限制的外延结构的多量子阱层结构示意图；
图4为本实用新型提出的一种改善短波长紫外LED限制的外延结构的生长方法的流程示意图。
图中：1衬底、2GaN低温缓冲层、3GaN第一非掺杂层、4GaN第二非掺杂层、5n型AlGaN/GaN过渡层、6AlGaN/AlN超晶格层、7多量子阱层、8p型AlGaN电子阻挡层、9p型GaN层、10p型GaN重掺杂接触层。
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。
实施例1：
一种改善短波长紫外LED限制的外延结构，如图1所示，从下至上依次包括衬底1、GaN低温缓冲层2、GaN第一非掺杂层3、GaN第二非掺杂层4、n型AlGaN/GaN过渡层5、AlGaN/AlN超晶格层6、多量子阱层7、p型AlGaN电子阻挡层8、p型GaN层9和p型GaN重掺杂接触层10；
进一步的，所述衬底1为蓝宝石/AlN复合衬底。
进一步的，所述GaN低温缓冲层2的厚度为5-50nm。
进一步的，所述GaN第一非掺杂层3的厚度为0.2-1μm。
进一步的，所述GaN第二非掺杂层4的厚度为1-2μm。
进一步的，所述多量子阱层7的结构为InGaN/GaN/AlGaN/AlN或AlN/InGaN/GaN/AlGaN/AlN中的一种。
进一步的，所述n型AlGaN/GaN过渡层5的厚度为1-3μm。
进一步的，所述p型GaN重掺杂接触层10的厚度为1-5nm。
优选的，本实施例中外延结构的波长范围是360～420nm。
本实施例在使用时，通过本实用新型紫外LED外延结构制成的紫外芯片，选择垂直芯片结构，即通过激光剥离把外延层从衬底上剥离，能够提高外量子效率；本实用新型提出了一种具有InGaN/GaN/AlGaN/AlN量子阱或者AlN/InGaN/GaN/AlGaN/AlN量子阱的紫外发光LED外延结构，进而解决了现有技术中的缺陷问题。
实施例2：
一种改善短波长紫外LED限制的外延结构，如图1-2和图4所示，其生长方法包括以下步骤：
S1：将蓝宝石衬底放入AlN磁控溅射设备中生长AlN，得到蓝宝石/AlN复合衬底；
进一步的，所述AlN的生长厚度为5-30nm；不但可以起到更好的载流子限制作用，也可以获得更高质量的势垒层，提升量子阱区的发光效率。
S2：将蓝宝石/AlN衬底放入金属有机物化学气相沉积设备(MOCVD)中升温至1000-1300℃，于氢气氛围下处理1-10min；
S3：调整金属有机物化学气相沉积设备内部温度降至500-650℃后通入氨气和三甲基镓，生长GaN低温缓冲层2后不再通入三家钾镓；
S4：再次调整金属有机物化学气相沉积设备内部温度升至950-1100℃，并在此温度下进行退火处理1-8min；
S5：通入三甲基镓生长第一非掺杂氮化镓层即GaN第一非掺杂层3后，继续将设备温度升至1050-1150℃后生长第二非掺杂氮化镓层即GaN第二非掺杂层4；
S6：然后调整金属有机物化学气相沉积设备内部温度降至1030-1120℃后再生长n型AlGaN/GaN过渡层5；
进一步的，所述n型AlGaN/GaN过渡层5中Al组分为2-8％，n型AlGaN/GaN5过渡层中的掺杂剂为Si，掺杂剂的掺杂浓度为2E18/cm3-5E19/cm3；
S7：控制金属有机物化学气相沉积设备内部温度降至800-900℃后，生长AlGaN/AlN超晶格层6；设置AlGaN/AlN超晶格层6起到引入一个应力场与穿通位错相互作用，从而使位错线弯曲或折断，不能进入后续的外延层中，提高外延层质量。
进一步的，所述AlGaN/AlN超晶格层6的生长周期为5-30个，AlGaN/AlN超晶格层6中AlGaN的厚度为4-9nm，AlN厚度为0.5-3nm；
S8：调整金属有机物化学气相沉积设备内部温度重复生长多量子阱层7；
进一步的，所述多量子阱层7周期数为4-13个，优选为5-7个；
优选的，所述多量子阱层7的生长方法，具体包括如下内容：
A1：先调整金属有机物化学气相沉积设备内部温度至770-830℃生长InGaN量子阱；
A2：再生长GaN保护层；
A3：控制金属有机物化学气相沉积设备内部温度上升25-50℃后生长AlGaN势垒层；
A4：最后生长AlN限制层一，从而形成一个完整的多层量子阱结构。
进一步优选的，InGaN量子阱的厚度为2.5-4nm；
进一步优选的，GaN保护层的厚度为1-2nm；
进一步优选的，AlGaN势垒层的厚度为5-12nm，其中，AlGaN势垒层中Al组分为1％-15％，为了保证AlGaN有较高的晶体质量，Al组分优选为3～5％；
进一步优选的，AlN限制层一的厚度为0.5-3nm，起到限制载流子溢出的作用。
作为补充的，在生长最后一个周期量子阱时的AlGaN势垒层厚度为10-20nm。
S9：将金属有机物化学气相沉积设备内部温度升至800-950℃后生长p型AlGaN电子阻挡层8；
进一步的，所述p型AlGaN电子阻挡层8中的Al组分为8％-20％，p型AlGaN电子阻挡层8中的掺杂剂为二茂镁，掺杂剂的掺杂浓度为5E18/cm3-5E19/cm3；
S10：然后调整金属有机物化学气相沉积设备内部温度升至900-1050℃，再生长p型GaN层9；
进一步的，所述p型GaN层9中的掺杂剂为二茂镁，掺杂剂的掺杂浓度为1E19/cm3-8E19/cm3；
S11：最后在金属有机物化学气相沉积设备内部温度850-950℃环境中，生长p型GaN重掺杂接触层10。
进一步的，所述p型GaN重掺杂接触层10中的掺杂剂为二茂镁，掺杂剂的掺杂浓度为5E20/cm3-5E21/cm3。
本实施例在使用时，在InGaN量子阱生长前设置AlN限制层一，形成一种具有InGaN/GaN/AlGaN/AlN量子阱的紫外发光LED外延结构，能够改善短波长LED结构量子阱的载流子限制，提升辐射符合效率和发光效率。
实施例3：
一种改善短波长紫外LED限制实施例1-2所述的外延结构，如图3所示，将多量子阱层7的生长方法进行以下改进：
A100：先调整金属有机物化学气相沉积设备内部温度至800-880℃生长AlN限制层一；
A101：然后调整金属有机物化学气相沉积设备内部温度至770-830℃后生长InGaN量子阱；
A102：于相同温度下生长GaN保护层；
A103：再控制金属有机物化学气相沉积设备内部温度上升25-50℃后先后生长AlN限制层二和AlGaN势垒层，从而形成一个完整的多层量子阱结构。
进一步优选的，AlN限制层一的厚度为0.5-3nm，起到限制载流子溢出的作用。
进一步优选的，InGaN量子阱的厚度为2.5-4nm；
进一步优选的，GaN保护层的厚度为1-2nm；
进一步优选的，AlN限制层二的厚度为0.5-3nm；
进一步优选的，AlGaN势垒层的厚度为5-12nm，其中，AlGaN势垒层中Al组分为1％-15％，为了保证AlGaN有较高的晶体质量，Al组分优选为3～5％。
本实施例相比较实施例2，在InGaN量子阱后的GaN保护层生长后再设置一层AlN限制层二，使得InGaN量子阱前后分别设有AlN载流子限制层，形成一种具有AlN/InGaN/GaN/AlGaN/AlN量子阱的紫外发光LED外延结构，可以显著改善短波长LED结构量子阱的载流子限制，提升辐射符合效率和发光效率。
应用例：
通过本实用新型生长技术的实施，可以使波长360-420nm的紫外LED发光功率至少提升5％。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种改善短波长紫外LED限制的外延结构，从下至上依次包括衬底(1)、GaN低温缓冲层(2)、GaN第一非掺杂层(3)、GaN第二非掺杂层(4)、n型AlGaN/GaN过渡层(5)、AlGaN/AlN超晶格层(6)、多量子阱层(7)、p型AlGaN电子阻挡层(8)、p型GaN层(9)和p型GaN重掺杂接触层(10)，其特征在于，所述衬底(1)为蓝宝石/AlN复合衬底；所述多量子阱层(7)的结构为InGaN/GaN/AlGaN/AlN或AlN/InGaN/GaN/AlGaN/AlN中的一种，多量子阱层(7)的周期数为4-13个；
所述多量子阱层(7)的结构为InGaN/GaN/AlGaN/AlN时，从下至上依次包括InGaN量子阱、GaN保护层、AlGaN势垒层和AlN限制层一；
所述多量子阱层(7)的结构为AlN/InGaN/GaN/AlGaN/AlN时，从下至上依次包括AlN限制层一、InGaN量子阱、GaN保护层、AlN限制层二和AlGaN势垒层。
2.根据权利要求1所述的一种改善短波长紫外LED限制的外延结构，其特征在于，所述GaN低温缓冲层(2)的厚度为5-50nm；
所述GaN第一非掺杂层(3)的厚度为0.2-1μm；
所述GaN第二非掺杂层(4)的厚度为1-2μm；
所述n型AlGaN/GaN过渡层(5)的厚度为1-3μm；
所述p型GaN重掺杂接触层(10)的厚度为1-5nm。
3.根据权利要求1所述的一种改善短波长紫外LED限制的外延结构，其特征在于，所述InGaN量子阱的厚度为2.5-4nm；
所述GaN保护层的厚度为1-2nm；
所述AlGaN势垒层的厚度为5-12nm；
所述AlN限制层一的厚度为0.5-3nm。
4.根据权利要求1所述的一种改善短波长紫外LED限制的外延结构，其特征在于，所述AlN限制层一的厚度为0.5-3nm；
所述InGaN量子阱的厚度为2.5-4nm；
所述GaN保护层的厚度为1-2nm；
所述AlN限制层二的厚度为0.5-3nm；
所述AlGaN势垒层的厚度为5-12nm。
5.根据权利要求1所述的一种改善短波长紫外LED限制的外延结构，其特征在于，所述AlGaN/AlN超晶格层(6)的生长周期为5-30个，AlGaN/AlN超晶格层(6)中AlGaN的厚度为4-9nm，AlN厚度为0.5-3nm。
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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