一种高亮度近紫外LED及其外延生长方法技术

本发明专利技术公开了一种高亮度近紫外发光二极管及其外延生长方法。该LED结构从下向上依次为：图形化蓝宝石衬底、低温GaN成核层、高温非掺杂GaN缓冲层、n型GaN层、10至20个周期的n-Inx1Ga1-x1N/Aly1Ga1-y1N超晶格应力释放层、InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区、低温p型AlInGaN层、高温p型GaN层和p型InGaN接触层，其中应力释放层随着超晶格周期数的增加可有效降低V型缺陷密度，缓解量子阱受到的应力，进而有效提高近紫外LED的发光效率。

【技术实现步骤摘要】
一种高亮度近紫外LED及其外延生长方法
本专利技术涉及半导体光电子
，尤其涉及一种采用MOCVD(金属有机化合物气相外延)技术制备具有阱宽渐变超晶格结构应力释放层的高亮度近紫外LED。
技术介绍
紫外半导体光源主要应用在生物医疗、防伪鉴定、净化(水、空气等)领域、计算机数据存储和军事等方面。随着紫外光技术的进步，新的应用会不断出现以替代原有的技术和产品，紫外光LED有着广阔的市场应用前景。紫外光源将开发出通用照明、光镊、植物生长、石油管道泄漏检测、考古应用、鉴别真假等方面用途。半导体紫外光源作为半导体照明后的又一重大产业方向，已经引起了半导体光电行业的广泛关注。美国、日本、韩国等无不投入巨大的力量以求占据行业的制高点。目前，紫外LED技术面临的首要问题是其光效低。波长365nm的紫外LED输出功率仅为输入功率的5％-8％。对于波长385nm以上的紫外LED光电转化效率相对于短波长有明显提高，但输出功率只有输入功率的15％。有效提高紫外LED的光效成为业内关注的焦点，而影响紫外光LED的效率的重要原因之一是应力引起的量子限制斯塔克效应，因此，调制有源区应力对提高紫外光发光效率具有重要作用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种采用MOCVD技术制备的高亮度近紫外发光二极管，通过设计新型的LED结构，采用调制掺杂具有渐变阱宽的n-InGaN/AlGaN超晶格结构作为应力释放层，有效缓解有源区应力，并改善水平方向电流扩展，进而实现提高近紫外LED发光效率的目的。本专利技术提供一种高亮度近紫外LED，如图1所示，该LED外延结构从下向上的顺序的依次为：图形化蓝宝石衬底101、低温GaN成核层102、高温非掺杂GaN缓冲层103、n型GaN层104、阱宽渐变的n-Inx1Ga1-x1N/Aly1Ga1-y1N超晶格应力释放层105、InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层106、p-Aly2Inx2Ga1-x2-y2N电子阻挡层107、高温p型GaN层108和p型InGaN接触层109，其中，阱宽渐变n-Inx1Ga1-x1N/Aly1Ga1-y1N超晶格应力释放层105的周期数为10至20，n-Inx1Ga1-x1N/Aly1Ga1-y1N超晶格应力释放层中势阱Inx1Ga1-x1N层的厚度为从1nm阶梯式变大到5.5nm，势垒Aly1Ga1-y1N层厚度保持固定数值不变，势垒Aly1Ga1-y1N层厚度范围为2.5-3nm，InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层106的周期数为5-10，n-Inx1Ga1-x1N/Aly1Ga1-y1N超晶格应力释放层105和InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层106中0.01≤x1≤x≤0.1，0.01≤y1≤y≤0.1；p-Aly2Inx2Ga1-x2-y2N电子阻挡层107和InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层106中0.01≤x2≤x≤0.1；0.01≤y2≤y≤0.1。本专利技术提供一种采用MOCVD技术制备高亮度近紫外LED的外延生长方法，包括以下步骤：步骤一，在金属有机化合物气相外延反应室中将Al2O3衬底在氢气气氛下，1080℃-1100℃下反应室压力100torr，处理5-10分钟；然后降低温度，在530-550℃，反应室压力500torr，在氢气(H2)气氛下，V/III摩尔比为500-1300，三维生长20-30纳米厚的低温GaN成核层；步骤二，在1000-1500℃下，反应室压力为200-300torr，在氢气(H2)气氛下，V/III摩尔比为1000-1300，生长2-4微米厚高温非掺杂GaN缓冲层；步骤三，在1000-1500℃下，反应室压力为100-200torr，在氢气(H2)气氛下，V/III摩尔比为1000-1300，生长2-4微米厚n-GaN层，Si掺杂浓度为1018-1019cm-3；步骤四，在750-850℃下，在氮气(N2)气氛下，V/III摩尔比为5000-10000，反应室压力300torr,生长10至20个周期的量子阱宽渐变的n型Inx1Ga1-x1N/Aly1Ga1-y1N超晶格结构的n型应力释放层，其中随着超晶格周期数的增加，其中的Inx1Ga1-x1N层的厚度为从1nm阶梯式变化到5.5nm，而势垒层Aly1Ga1-y1N层厚度保持固定数值不变；其中应力释放层的In组分x1小于有源区In组分x(0.01≤x1≤x≤0.1)、Al组分y1小于有源区Al组分y(0.01≤y1≤y≤0.1)。Si掺杂浓度大于1018cm-3；步骤五，在750-850℃下，在氮气(N2)气氛下，V/III摩尔比为5000-10000，反应室压力300torr,接着生长5-10周期InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层；其中InxGa1-xN量子阱层厚度为2-3nm，AlyGa1-yN垒层厚度为10-20nm，其中0<x≤0.1；0<y≤0.1；步骤六，在780℃-850℃下，在有源区上，在氮气气氛下，V/III摩尔比为5000-10000，反应室压力100-300torr,生长20nm-40nmp-Aly2Inx2Ga1-x2-y2N电子阻挡层；Mg掺杂浓度为1017-1018cm-3，其中In组分x2小于有源区In组分x(0.01≤x2≤x≤0.1)、Al组分y2小于有源区Al组分y(0.01≤y2≤y≤0.1)。步骤七，在950℃-1050℃下,在氢气气氛下，V/III摩尔比为2000-5000，反应室压力100torr,生长100nm-200nmp-GaN，Mg掺杂浓度为1017-1018cm-3。步骤八，在650℃-750℃下,在氢气气氛下，V/III摩尔比为5000-10000，反应室压力300torr,生长2nm-3nmp型InGaN接触层，Mg掺杂浓度为大于1018cm-3。本专利技术通过优化n型应力释放层，可有效降低V型缺陷密度，缓解量子阱受到的应力；且超晶格应力释放层中Inx1Ga1-x1N层的厚度为从1nm阶梯式变化到5.5nm，Aly1Ga1-y1N层厚度(2.5-3nm)保持不变，可改善水平方向电流扩展，提高载流子注入效率，进而有效提高近紫外LED的发光效率。附图说明图1是本专利技术高亮度近紫外发光二极管的竖直剖面视图；图2采用本专利技术实施例1中新型应力释放层近紫外发光二极管UV-LED1、采用本专利技术实施例2中新型应力释放层近紫外发光二极管UV-LED2光功率随注入电流变化曲线图。具体实施方式实施例1使用Aixtron公司,紧耦合垂直反应室MOCVD生长系统。生长过程中使用三甲基镓(TMGa)，三甲基铟(TMIn)，三甲基铝(TMAl)作为III族源，氨气(NH3)作为V族源，硅烷(SiH4)作为n型掺杂源，二茂镁(Cp2Mg)作为p型掺杂源，首先在MOCVD反应室中将图形化Al2O3衬底101加热到1080-1100摄氏度，在反应室压力为100torr,在H2下处理5分钟，然后降温到在530-550摄氏度在图形化Al2O3衬底上，反应室压力500torr，氢气(H2)气氛下，V/III摩尔比为500-1300，三维生长20-30纳米厚的低本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高亮度近紫外发光二极管，其特征在于，该发光二极管外延为层状叠加结构，从下向上的材料依次为：图形化蓝宝石衬底、低温GaN成核层、高温非掺杂GaN缓冲层、n型GaN层、n‑Inx1Ga1‑x1N/Aly1Ga1‑y1N超晶格应力释放层、InxGa1‑xN/AlyGa1‑yN多量子阱有源层、p‑Aly2Inx2Ga1‑x2‑y2N电子阻挡层、高温p型GaN层和p型InGaN接触层，其中，n‑Inx1Ga1‑x1N/Aly1Ga1‑y1N超晶格应力释放层的周期数为10至20，随着超晶格周期数的增加，n‑Inx1Ga1‑x1N/Aly1Ga1‑y1N超晶格应力释放层中势阱Inx1Ga1‑x1N层的厚度阶梯式变大，势垒Aly1Ga1‑y1N层厚度保持固定数值不变，InxGa1‑xN/AlyGa1‑yN多量子阱有源层的周期数为5‑10，n‑Inx1Ga1‑x1N/Aly1Ga1‑y1N超晶格应力释放层和InxGa1‑xN/AlyGa1‑yN多量子阱有源层中0.01≤x1≤x≤0.1，0.01≤y1≤y≤0.1；p‑Aly2Inx2Ga1‑x2‑y2N电子阻挡层和InxGa1‑xN/AlyGa1‑yN多量子阱有源层中0.01≤x2≤x≤0.1；0.01≤y1≤y≤0.1。...

【技术特征摘要】
1.一种高亮度近紫外发光二极管，其特征在于，该发光二极管外延为层状叠加结构，从下向上的材料依次为：图形化蓝宝石衬底、低温GaN成核层、高温非掺杂GaN缓冲层、n型GaN层、n-Inx1Ga1-x1N/Aly1Ga1-y1N超晶格应力释放层、InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层、p-Aly2Inx2Ga1-x2-y2N电子阻挡层、高温p型GaN层和p型InGaN接触层，其中，n-Inx1Ga1-x1N/Aly1Ga1-y1N超晶格应力释放层的周期数为10至20，随着超晶格周期数的增加，n-Inx1Ga1-x1N/Aly1Ga1-y1N超晶格应力释放层中势阱Inx1Ga1-x1N层的厚度阶梯式变大，势垒Aly1Ga1-y1N层厚度保持固定数值不变，InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层的周期数为5-10，n-Inx1Ga1-x1N/Aly1Ga1-y1N超晶格应力释放层和InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层中0.01≤x1≤x≤0.1，0.01≤y1≤y≤0.1；p-Aly2Inx2Ga1-x2-y2N电子阻挡层和InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层中0.01≤x2≤x≤0.1；0.01≤y2≤y≤0.1，势阱Inx1Ga1-x1N层的厚度为从1nm阶梯式变大到5.5nm，势垒Aly1Ga1-y1N层的厚度范围为2.5-3nm。2.如权利要求1所述的高亮度近紫外发光二极管，其特征在于，n型GaN层厚度范围为2-4微米，掺杂Si，掺杂浓度为1018-1019cm-3。3.如权利要求1所述的高亮度近紫外发光二极管，其特征在于，n-Inx1Ga1-x1N/Aly1Ga1-y1N超晶格应力释放层掺杂Si，掺杂浓度大于1019cm-3。4.如权利要求1所述的高亮度近紫外发光二极管，其特征在于，InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源层中InxGa1-xN量子阱层的厚度范围为2-3nm；AlyGa1-yNl垒层的厚度范围为10-20nm。5.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，p-Aly2Inx2Ga1-x2-y2N电子阻挡层厚度范围为20nm-40nm，掺杂Mg，掺杂浓度为1017-1018cm-3。6.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，高温p型GaN层厚度范围为100nm-200nm，掺杂Mg，掺杂浓度为1017-1018cm-3。7.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，p型InGaN...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾传宇，于彤军，殷淑仪，张国义，童玉珍，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11