阅读说明：本技术 一种紫外发光二极管外延结构及其制作方法 (Ultraviolet light emitting diode epitaxial structure and manufacturing method thereof ) 是由 王孟源 曾伟强 于 2019-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种紫外发光二极管外延结构及其制作方法,所述外延结构包括依次设于衬底上的AlN层、缓冲层、N型AlGaN层、渐变层、有源层、阻挡层和P型AlGaN层。本发明通过缓冲层和渐变层来提升外延结构的晶体质量,提高发光效率。(The invention discloses an ultraviolet light-emitting diode epitaxial structure and a manufacturing method thereof. The crystal quality of the epitaxial structure is improved through the buffer layer and the gradual change layer, and the luminous efficiency is improved.)

一种紫外发光二极管外延结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种紫外发光二极管外延结构及其制作方法。

背景技术

AlGaN半导体材料具有很宽的直接带隙，禁带宽度从3.4～6.2eV连续可调，使其光响应波段覆盖从近紫外(UVA)到深紫外(UVC)。相比于传统紫外光源，如汞灯和氙灯，紫外LED具有无汞污染、波长可控、体积小、耗电低、寿命长等优点，在高显色指数白光照明、防伪识别、紫外聚合物固化、杀菌消毒、医疗卫生、水与空气净化、高密度光学数据存贮等领域都有着广阔的应用前景和巨大的市场需求。

相较于成熟的GaN基蓝光外延结构，紫外发光二极管外延结构的发光效率普遍偏低，且发光效率随波长的减小急剧下降。如何制备结晶质量好、发光功率高的紫外发光二极管外延结构，是当前急需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种紫外发光二极管外延结构，晶体质量好，发光效率高。

本发明还提供了一种紫外发光二极管外延结构的制作方法，工艺简单，成本低，便于大规模生产。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种紫外发光二极管外延结构，包括依次设于衬底上的AlN层、缓冲层、N型AlGaN层、渐变层、有源层、阻挡层和P型AlGaN层，

所述缓冲层由m个周期的AlN/AlGaN超晶格结构组成，m≥3，所述渐变层由n层N型AlGaN层组成，4≤n≤9，第1层和第n层的AlGaN层的Al含量相同；

若n为单数，则第1层到第(n+1)/2层的AlGaN层的Al含量逐渐减少，第(n+1)/2层到第n层的AlGaN层的Al含量逐渐增加；

若n为双数，则第1层到第n/2层的AlGaN层的Al含量逐渐减少，第n/2层到第n层的AlGaN层的Al含量逐渐增加。

作为上述方案的改进，所述渐变层由n层N型AlGaN层组成，第1层和第n层的x＝0.5～0.6，第2层至第(n-1)层的x＝0.2～0.4。

作为上述方案的改进，所述缓冲层由m个周期的AlN/Al_uGa_1-uN超晶格结构组成，u＜0.8；每个AlN/Al_uGa_1-uN超晶格结构的厚度为2～10nm；所述缓冲层的厚度为200～400nm。

作为上述方案的改进，所述有源层由5～9个周期的量子阱结构组成，所述量子阱结构包括Al_xGa_1-xN阱层和Al_yGa_1-yN垒层，0＜x＜0.3，y比x大40％以上。

作为上述方案的改进，所述阻挡层为P型Al_wGa_1-wN层，w比x大20％以上。

相应地，本发明还提供了一种紫外发光二极管外延结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、在衬底上形成AlN层；

二、在AlN层上形成缓冲层，所述缓冲层由m个周期的AlN/AlGaN超晶格结构组成；

三、在缓冲层上形成N型AlGaN层；

四、在N型AlGaN层上形成渐变层，所述渐变层由n层N型AlGaN层组成，4≤n≤9；

五、在渐变层上依次形成有源层、阻挡层和P型AlGaN层。

作为上述方案的改进，在完成步骤(一)之后，将温度调整为1000～1400℃，生长压力调整为40～60torr，生长厚度为200～400nm的缓冲层，所述缓冲层由m个周期的AlN/Al_uGa_1-uN超晶格结构组成，z＜u＜0.8，每个AlN/Al_uGa_1-uN超晶格结构的厚度为2～10nm，所述缓冲层的厚度为200～400nm。

作为上述方案的改进，在完成步骤(三)之后，将温度调整为900～1300℃，生长压力调整为40～60torr，生长n层N型AlGaN层组成，掺杂浓度为3E18～4E18atom/cm³。

作为上述方案的改进，在步骤(一)之前，将衬底放入MOCVD设备中，在1000～1200℃条件下烘烤7～15分钟；

步骤(一)中，将温度调整为1000～1400℃，生长压力调整为40～60torr，在衬底上形成一层厚度为2～4μm的AlN层；

在完成步骤(二)之后，将温度调整为900～1300℃，生长压力调整为40～60torr，在缓冲层上形成N型AlGaN层，掺杂浓度为2E19atom/cm³；

将温度调整为800～1000℃，生长压力调整为180～250torr，在有源层上形成P型AlGaN阻挡层；

将温度调整为900～1300℃，生长压力调整为80～130torr，在阻挡层上形成P型AlGaN层，掺杂浓度为2E20atom/cm³。

作为上述方案的改进，在步骤(二)中，在形成N型AlGaN层之后，形成阻挡层之前，将温度调整为900～1200℃，生长压力调整为80～130torr，在N型AlGaN层上生长5～9个周期的量子阱结构，所述量子阱结构包括Al_xGa_1-xN阱层和Al_yGa_1-yN垒层，0＜x＜0.3，y比x大40％以上。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明提供的一种紫外发光二极管外延结构，包括依次设于衬底上的AlN层、缓冲层、N型AlGaN层、渐变层、有源层、阻挡层和P型AlGaN层。

本发明在AlN层和N型AlGaN层之间形成一层缓冲层，以将晶格失配产生的应力在缓冲层逐步释放，从而避免AlN层发生龟裂问题，AlN层的质量得到提升，位错和缺陷会大幅减少，从而提升外延结构的晶体质量，进而改善发光效率。另外，更低的外延材料位错和缺陷意味着更少的光子俘获中心，有利于更多的紫外光能够穿越外延结构向外出光，提高了出光效率，同时降低了光子被俘获后产生的总热量，对紫光LED器件的性能有极大提升。

每个AlN/Al_uGa_1-uN超晶格结构的厚度为2～10nm，由于其厚度是几个原子层的厚度，因此AlN/Al_uGa_1-uN超晶格结构对应力释放和降低位错效果最佳。

本发明的渐变层可以有效地抑制量子限制斯塔克效应，削弱有源层的极化电场，最终提高紫外LED芯片的内量子效率。由于本发明的渐变层设置在有源层和N型AlGaN层之间，可以减少对未生长的有源层所造成的影响，以减少有源层中Al组分所发生的迁移，从而可以避免有源层中的能带结构发生变化，进而提高外延结构的发光效率

附图说明

图1是本发明外延结构的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

参见图1，本发明提供的一种紫外发光二极管外延结构，包括依次设于衬底10上的AlN层20、缓冲层30、N型AlGaN层40、渐变层50、有源层60、阻挡层70和P型AlGaN层80。

本发明衬底10的材料可以为蓝宝石、碳化硅或硅，也可以为其他半导体材料。优选的，本发明的衬底10为蓝宝石衬底。

本发明AlN层20由AlN制成，作为外延结构的基材材料，其作用是为后续生长的N型AlGaN层40、有源层60和P型AlGaN层80做准备。由于AlN的能级在III/V族体系中是最大的，对LED的吸光是最小的，采用AlN作为基础材料有效提高外延结构的出光效率。

优选的，AlN层20的厚度是2～4μm。若AlN层20的厚度小于2μm，则不能完全释放衬底与AlN材料的应力失配，影响AlN材料的晶体质量；若厚度太厚，则浪费时间和材料。

由于AlN层20和N型AlGaN层40之间存在较大的晶格差异，若直接在AlN层上生长N型AlGaN层，会因应力聚集在两种材料界面导致龟裂的问题。本发明在AlN层20和N型AlGaN层40之间形成一层缓冲层30，以将晶格失配产生的应力在缓冲层30逐步释放，从而避免AlN层发生龟裂问题，AlN层的质量得到提升，位错和缺陷会大幅减少，从而提升外延结构的晶体质量，进而改善发光效率。另外，更低的外延材料位错和缺陷意味着更少的光子俘获中心，有利于更多的紫外光能够穿越外延结构向外出光，提高了出光效率，同时降低了光子被俘获后产生的总热量，对紫光LED器件的性能有极大提升。

优选的，所述缓冲层的厚度为200～400nm。若缓冲层的厚度小于200nm，则不能很好地释放应力和降低错位，若厚度太厚，则浪费时间和材料。

由于AlN/AlGaN超晶格结构能够很好地释放AlN材料与N型AlGaN之间的应力，另外AlN/AlGaN超晶格结构能弯转位错线，从而达到提高晶体质量的目的。具体的，所述缓冲层30由m个周期的AlN/Al_uGa_1-uN(u＜0.8)超晶格结构组成，m≥3。需要说明的是，若u大于0.8，则缓冲层不能很好释放应力。

每个AlN/Al_uGa_1-uN超晶格结构的厚度为2～10nm，由于其厚度是几个原子层的厚度，因此AlN/Al_uGa_1-uN超晶格结构对应力释放和降低位错效果最佳。

所述渐变层40由n层N型AlGaN层组成，4≤n≤9，第1层和第n层的AlGaN层的Al含量相同；若n为单数，则第1层到第(n+1)/2层的AlGaN层的Al含量逐渐减少，第(n+1)/2层到第n层的AlGaN层的Al含量逐渐增加；若n为双数，则第1层到第n/2层的AlGaN层的Al含量逐渐减少，第n/2层到第n层的AlGaN层的Al含量逐渐增加。

本发明的渐变层可以有效地抑制量子限制斯塔克效应，削弱有源层的极化电场，最终提高紫外LED芯片的内量子效率。由于本发明的渐变层设置在有源层和N型AlGaN层之间，可以减少对未生长的有源层所造成的影响，以减少有源层中Al组分所发生的迁移，从而可以避免有源层中的能带结构发生变化，进而提高外延结构的发光效率

优选的，所述渐变层由n层N型AlGaN层组成，第1层和第n层的x＝0.5～0.6，第2层至第(n-1)层的x＝0.2～0.4。

为了提高有源层60的出光效率，本发明对有源层的结构做了特殊设计。所述有源层60由5～9个周期的量子阱结构组成，所述量子阱结构包括Al_xGa_1-xN阱层和Al_yGa_1-yN垒层，0＜x＜0.3，y比x大40％以上。

需要说明的是，太少的量子阱不能完全限制电子和空穴对，影响亮度；由于空穴的迁移距离有限，太多的量子阱周期数不会提升亮度，但时间和原材料成本增加。

由于外延结构的发光波长由量子阱结构中的x决定，本发明针对波长为260～320nm的紫外发光二极管，对应的Al组分为0～30％，即0＜x＜0.3。为了更好的限制电子空穴对在量子阱结构中的发光，y需要比x大40％以上。

本发明的N型AlGaN层40用于提供电子，P型AlGaN层80用于提供空穴。为了提高外延结构的出光效率，所述N型AlGaN层的掺杂浓度为2E19atom/cm³；所述P型AlGaN的掺杂浓度为2E20atom/cm³。

为了将更多的电子束量子阱结构内，提高有源层复合效率，提升亮度。本发明在有源层60和P型AlGaN层80之间设置了阻挡层70。为了能到得到良好的电流阻挡效果，所述阻挡层70为P型Al_wGa_1-wN层，阻挡层中Al的含量要比阱层中Al的含量多20％以上。

相应地，本发明还提供了一种紫外发光二极管外延结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、在衬底上形成AlN层；

需要说明的是，在衬底上形成AlN层上时，为了能够形成晶体质量好的外延结构，本发明需要采用高温来处理衬底。具体的，将衬底放入MOCVD设备中，在1000～1200℃条件下烘烤7～15分钟。

处理完衬底后，将温度调整为1000～1400℃，生长压力调整为40～60torr，在衬底上形成一层厚度为2～4μm的AlN层。

二、在AlN层上形成缓冲层；

在完成步骤(一)之后，将温度调整为1000～1400℃，生长压力调整为40～60torr，生长厚度为200～400nm的缓冲层。具体的，所述缓冲层由m个周期的AlN/Al_uGa_1-uN超晶格结构组成，z＜u＜0.8，每个AlN/Al_uGa_1-uN超晶格结构的厚度为2～10nm，所述缓冲层的厚度为200～400nm。

三、在缓冲层上形成N型AlGaN层；

将温度调整为900～1300℃，生长压力调整为40～60torr，在缓冲层上形成N型AlGaN层，掺杂浓度为2E19atom/cm³。

四、在N型AlGaN层上形成渐变层；

所述渐变层由n层N型AlGaN层组成，4≤n≤9。具体的，将温度调整为900～1300℃，生长压力调整为40～60torr，生长4～9层N型AlGaN层组成，掺杂浓度为3E18～4E18atom/cm³。

五、在渐变层上依次形成有源层、阻挡层和P型AlGaN层；

将温度调整为800～1000℃，生长压力调整为180～250torr，在有源层上形成P型AlGaN阻挡层；

将温度调整为900～1300℃，生长压力调整为80～130torr，在阻挡层上形成P型AlGaN层，掺杂浓度为2E20atom/cm³。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。