一种高亮度近紫外LED及其制备方法技术

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制备方法，属于半导体光电子技术领域。该LED结构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、n-Inx1Ga1-x1N/Aly1Ga1-y1N量子阱结构的应力释放层、低温n-Aly1Ga1-y1N电流扩展层、InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱发光层、p-Aly2Inx2Ga1-x2-y2N电子阻挡层、高温p型GaN层和p型InGaN接触层。本发明专利技术通过优化n型应力释放层和n型电流扩展层，可改善近紫外LED电流扩展效果，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及其制备方法
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电流扩展层的高亮度近紫外LED。
技术介绍
紫外LED是发射紫外光的二极管。一般指发光中心波长在400nm以下的LED。紫外LED(UVLED)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。而且随着技术的发展，新的应用会不断出现以替代原有的技术和产品，紫外LED有着广阔的市场应用前景,如紫外LED光疗仪是未来很受欢迎的医疗器械，但是目前技术还处于成长期。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、台湾等无不投入巨大的力量以求占据行业的制高点。如日亚化工、台湾光宏等是目前主要的紫外光源研发和生产单位。与蓝光不同，目前紫外LED正处于技术发展期，在专利和知识产权方面限制较少，利于占领、引领未来的技术制高点。国内在紫外LED的装备、材料和器件方面都有了一定的积累，目前正在积极的向应用模块发展。但紫外LED技术面临的首要问题是其光效低，如何有效提高紫外LED的光效成为大家关注的焦点问题。为了提高近紫外光LED的发光效率，研究人员采用在n-GaN中生长SiN插入层的方法，来降低n-GaN外延层的位错密度，有源区采用InGaN/AlGaN量子阱结构来提高载流子限制效果，以减少载流子从有源区的泄露。然而采用SiN插入层法不能消除有源区低温生长产生的V型位错；而且采用有源区InGaN/AlGaN量子阱结构会增加量子阱和垒层之间的应力失配，加重电子和空穴在空间分离，进而影响发光效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高亮度近紫外发光二极管，其外延结构中含有层厚变化的InGaN/AlGaN量子阱结构应力释放层，即一种势阱和势垒厚度随应力释放层周期数变化而梯度变化的量子阱应力释放层结构，可以使电子在注入有源区之前在水平方向更均匀的扩展，大幅提高载流子注入效率，有效缓解n-GaN和InGaN/AlGaN有源区的晶格失配以及热失配，改善有源区晶体质量，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、n-Inx1Ga1-x1N/Aly1Ga1-y1N量子阱结构的应力释放层105、低温n-Aly1Ga1-y1N电流扩展层106、InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱发光层107、p-Aly2Inx2Ga1-x2-y2N电子阻挡层108、高温p型GaN层109、p型InGaN接触层110，其中，随着应力释放层生长周期数的增加，应力释放层中势阱Inx1Ga1-x1N层的厚度从3nm阶梯式变化到5nm,应力释放层中势垒Aly1Ga1-y1N层厚度从30nm阶梯式变化为10nm，该应力释放层单个周期的势阱和势垒总厚度会随周期数增加而减小，势阱和势垒厚度比则随周期数增加而增大；InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱发光层的周期数为5-10，且n-Inx1Ga1-x1N/Aly1Ga1-y1N超晶格应力释放层、低温n-Aly1Ga1-y1N电流扩展层和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电子阻挡层中0.01≤x2≤x≤0.1；0.01≤y2≤y≤0.1。本专利技术还提供了高亮度近紫外发光二极管的制备方法，其步骤包括：1)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；2)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1-3微米厚高温非掺杂GaN缓冲层；3)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；4)在750-850℃下，在氮气气氛下，V/III摩尔比为5000-20000，反应室压力300torr,生长5至15个周期的量子阱宽、垒宽渐变的非掺Inx1Ga1-x1N/Aly1Ga1-y1N量子阱结构的应力释放层，其中应力释放层中势阱Inx1Ga1-x1N层的厚度从3nm阶梯式变化到5nm,应力释放层中势垒Aly1Ga1-y1N层厚度从30nm阶梯式变化为10nm；5)在820-870℃下，在氮气(N2)气氛下，V/III摩尔比为5000-20000，反应室压力300torr,生长50-150nm厚的n-Aly1Ga1-y1N；Si掺杂浓度为1018-1019cm-3；6)在750-850℃下，在氮气气氛下，V/III摩尔比为5000-20000，反应室压力300torr,接着生长5-10周期InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱发光层,其中InxGa1-xN量子阱层厚度为2-3nm；AlyGa1-yN垒层厚度为10-20nm；7)在780℃-850℃下，在有源区上，在氮气气氛下，V/III摩尔比为5000-20000，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；8)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；9)在650℃-750℃下,在氢气气氛下，V/III摩尔比为5000-20000，反应室压力300torr,生长2nm-4nmp-InGaN，Mg掺杂浓度为大于1018cm-3。本专利技术通过优化n型应力释放层和n型电流扩展层，可改善近紫外LED电流扩展效果，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采用实施例1(UV-LED1)和采用实施例2(UV-LED2)方案制备紫外光LEDI-V曲线对比。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量子阱结构的应力释放层、低温n‑Aly1Ga1‑y1N电流扩展层、InxGa1‑xN/AlyGa1‑yN多量子阱发光层、p‑Aly2Inx2Ga1‑x2‑y2N电子阻挡层、高温p型GaN层、p型InGaN接触层，其中，n‑Inx1Ga1‑x1N/Aly1Ga1‑y1N应力释放层的周期数为5‑15，随着应力释放层生长周期数的增加，n‑Inx1Ga1‑x1N/Aly1Ga1‑y1N超晶格应力释放层中势阱Inx1Ga1‑x1N层的厚度从3nm阶梯式变化到5nm,势垒Aly1Ga1‑y1N层厚度从30nm阶梯式变化为10nm，InxGa1‑xN/AlyGa1‑yN多量子阱发光层的周期数为5‑10，且n‑Inx1Ga1‑x1N/Aly1Ga1‑y1N超晶格应力释放层、低温n‑Aly1Ga1‑y1N电流扩展层和InxGa1‑xN/AlyGa1‑yN多量子阱发光层中0.01≤x1≤x≤0.1，0.01≤y1≤y≤0.1；p‑Aly2Inx2Ga1‑x2‑y2N电子阻挡层中0.01≤x2≤x≤0.1；0.01≤y2≤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量子阱结构的应力释放层、低温n-Aly1Ga1-y1N电流扩展层、InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱发光层、p-Aly2Inx2Ga1-x2-y2N电子阻挡层、高温p型GaN层、p型InGaN接触层，其中，n-Inx1Ga1-x1N/Aly1Ga1-y1N应力释放层的周期数为5-15，随着应力释放层生长周期数的增加，n-Inx1Ga1-x1N/Aly1Ga1-y1N超晶格应力释放层中势阱Inx1Ga1-x1N层的厚度从3nm阶梯式变化到5nm,势垒Aly1Ga1-y1N层厚度从30nm阶梯式变化为10nm，InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱发光层的周期数为5-10，且n-Inx1Ga1-x1N/Aly1Ga1-y1N超晶格应力释放层、低温n-Aly1Ga1-y1N电流扩展层和InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱发光层中0.01≤x1≤x≤0.1，0.01≤y1≤y≤0.1；p-Aly2Inx2Ga1-x2-y2N电子阻挡层中0.01≤x2≤x≤0.1；0.01≤y2≤y≤0.1。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-Aly1Ga1-y1N电流扩展层的厚度为50-150nm，掺杂Si，掺杂浓度1018-1019cm-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多量子阱发光层中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接触层厚度范围为2nm-4nm，掺杂Mg，掺杂浓度大于1018cm-3。8.权利要求1所述的高亮...

【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