一种紫外LED的外延结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种紫外LED的外延结构及其制备方法，该外延结构从下至上依次包括：衬底层、缓冲层，非掺杂层，N型掺杂层，多量子阱结构，电子阻挡层以及P型GaN层；其中，所述P型GaN层上具有M个通孔，M≥1且为整数。该外延结构中具有带有通孔的P型GaN层，因此能够降低量子阱发出的紫外光在p型层的吸收率，提高紫外光出光几率，提高紫外LED的发光效率。

【技术实现步骤摘要】
一种紫外LED的外延结构及其制备方法
本专利技术涉及一种紫外LED的外延结构及其制备方法，属于发光二极管(Light-EmittingDiode，简称LED)

技术介绍
科技水平的进步引领着生活水平的不断改善，随着物质生活和精神生活大幅的提升。人们更加关注生活的质量，例如雾霾、水污染等环境问题。这些既是人们关心的热点，也是近年来影响品质生活的难点。空气和水等携带的细菌正在侵蚀我们的健康，为了去除水中和空气中的有害细菌，各种消毒杀菌装置孕育而生，如空气净化器，水处理器。而这些杀菌装置的最主要杀菌功能部件为UVC段紫外灯，目前比较热门的是采用深紫外UVC-LED灯。紫外LED杀菌的原理是利用LED产生的适当波长紫外线对细菌的脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)的分子键进行破坏，破坏原有细菌菌落并阻止细菌的复制繁殖，达到杀死细菌的目的。紫外杀菌技术利用高强度深紫外线照射，能够将各种细菌、病毒、寄生虫、水藻以及其他病原体直接杀死，目前被广泛应用于民生、医疗以及生产制造行业。因深紫外LED的杀菌的优异功能，使得深紫外LED的研究和使用不断深入和广泛。目前深紫外LED主要采用AlGaN作为主要生长材料，利用CVD外延生长方法生长出所需要的发光结构。最基本的结构包含AlN缓冲层，AlGaN非掺层，n型AlGaN层，AlGaN量子阱层，AlGaN电子阻挡层，以及P型GaN层。虽然，目前紫外深紫外铝镓氮AlGaNLED应用广泛，但是AlGaNLED还存在应用上的一些难题，例如发光效率低。目前15milx15mil的芯片在20mA驱动电流下发光亮度约2mW，发光效率低导致杀菌效率也偏低。导致深紫外LED发光效率低的原因有很多，但其中一个比较大的原因是p型GaN对AlGaN量子阱层发出的光有非常强的吸收。因为AlGaN材料的禁带宽度在3.4eV～6.2eV，而UVB和UVC段LED的量子阱的禁带宽度一般在3.8eV～5eV，要明显大于GaN的3.4eV的禁带宽度，所以更高能量的量子阱紫外光没办法透过p型GaN层，从而导致发光亮度的大量损失。而p型GaN在提供空穴和电极接触方面具有不可取代的作用，所以一般地紫外LED采用倒装结构，使光从蓝宝石层辐射出来。不过即便如此，p型GaN对量子阱发出的紫外光的吸收也超过一半。
技术实现思路
本专利技术提供一种紫外LED的外延结构及其制备方法，该外延结构中具有带有通孔的P型GaN层，因此能够降低量子阱发出的紫外光在p型层的吸收率，提高紫外光出光几率，提高紫外LED的发光效率。本专利技术提供一种紫外LED的外延结构，从下至上依次包括：衬底层、缓冲层，非掺杂层，N型掺杂层，多量子阱结构，电子阻挡层以及P型GaN层；其中，所述P型GaN层上具有M个通孔，M≥1且为整数。在本专利技术的LED外延结构中，由于P型GaN层具有通孔，因此会极大的减弱P型GaN层对量子阱层发出的光的吸收，使量子阱层发出的光能够大量的辐射出外延结构的表面，从而提高发光效率。可以想像的是，M个通孔贯穿P型GaN层从而通过通孔能够看见电子阻挡层。另外，本专利技术的衬底层可以是选自蓝宝石、图形蓝宝石、硅、碳化硅、玻璃、铜、镍和铬中的一种；缓冲层可以是GaN、AlN中的一种或GaN与AlN的混合物，优选的，缓冲层的厚度为0～100nm；非掺杂层为AlGaN非掺层；N型掺杂层为N型AlGaN层；多量子阱结构为AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子肼结构且0＜x＜1，0＜y＜1，x＜y；电子阻挡层为AlGaN电子阻挡层。在一具体实施方式中，所述P型GaN层的厚度为50～1000nm。将P型GaN层的厚度控制在上述范围，有助于提高空穴注入以及抗静电能力。进一步地，相邻两个所述通孔间的距离为100nm～1000nm。在P型GaN层上，每个孔洞可以按照相同的距离均匀分布，也可以以不同的距离杂乱分布。相邻两个通孔控制在上述范围能够有效的将量子肼层的光释放出，并且也能够保证P型GaN层在提供空穴和电极接触方面的作用。另外，还可以通过控制通孔间距调节LED发光效率。本专利技术不限制通孔的横截面图形的具体形状，可以是圆形、三角形、方形、多边形中的一种，也可以上述图形的混合，即P型GaN层上不仅可以包括横截面为一种形状的通孔，也可以同时包括横截面为多种形状的通孔。本专利技术还提供一种上述任一所述的紫外LED的外延结构的制备方法，包括以下步骤：1)在生长设备的反应室中，在衬底层上从下至上依次生长缓冲层、非掺杂层、N型掺杂层；2)在所述N型掺杂层上生长Q个量子阱结构，每个所述量子阱结构包含量子阱层AlxGa1-xN和量子垒层AlyGa1-yN，其中，1≤Q≤50，0＜x＜1，0＜y＜1，x＜y，且Q为正整数；3)在所述Q个量子阱结构上生长电子阻挡层；4)在所述反应室外，在所述电子阻挡层AlzGa1-zN上蒸镀SiO2层，并利用光刻工艺使所述SiO2层具有M个掩膜；5)利用等离子刻蚀工艺对所述SiO2层进行刻蚀使所述SiO2层成为M个SiO2柱，其中，相邻的所述SiO2柱之间为所述电子阻挡层AlzGa1-zN；6)在所述反应室内，在所述相邻的SiO2柱之间的所述电子阻挡层AlzGa1-zN上生长P型GaN层后，利用缓冲氧化物刻蚀液刻蚀所述SiO2柱，得到所述外延结构；其中，所述P型GaN层的厚度为50～1000nm。具体地，首先是在衬底上生长缓冲层。由于LED外延结构多为金属的氮化物，因此在通入反应物之前，需要对反应室中的温度以及压力进行控制从而使氨气和金属源能够分解成各自原子而发生化合反应生成金属的氮化物。具体实施过程中，将反应室衬底的温度控制在600～1000℃，压力为100～500torr，将氨气与金属源通入衬底上，在该反应条件下，金属源分解为相应的金属原子，氨气分解为氮原子，从而生成金属氮化物形成外延结构的缓冲层。为了能够控制缓冲层的厚度，一般的，金属源的注入速度为1～300mL/min，在通入上述反应物后并反应3～10min，即可在衬底上成长出厚度大于0且小于等于100nm的缓冲层。其中，金属源可以选择为三甲基镓、三甲基铟以及三甲基铝中的一种或多种，则可以想到的是，缓冲层的组成可以为氮化镓或氮化铝中的一种或氮化镓与氮化铝的混合物。其次，当缓冲生长层生长结束后，可以将反应室的温度提高至1000～1350℃，压力维持在30～100torr，在氢气气氛的保护下，通入三甲基镓、三甲基铝和氨气。该步骤不仅能够使缓冲层发生分解聚合形成均匀分布的成核岛，还能够使新通入的反应物分解为原子并化合为金属氮化物，从而与晶核岛合并并长大，从而生长出未掺入任何杂质的未掺杂层AltGa1-tN。为了能够控制未掺杂层的厚度，一般的，三甲基镓和三甲基铝的注入速度为50～1000mL/min，在通入上述反应物并反应10～180min后，即可在缓冲层上成长出厚度为50～3000nm的未掺杂层。随后引入N型杂质在未掺杂层上生长出厚度为1000～3000nmN型掺杂层AluGa1-uN。本专利技术中引入的杂原子为硅原子，硅原子的掺杂浓度为1x1017～5x1019个cm-3。步骤2)中，是在N型掺杂层上生长Q个AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱结构。本专利技术中要求量子垒层中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种紫外LED的外延结构，其特征在于，从下至上依次包括：衬底层、缓冲层，非掺杂层，N型掺杂层，多量子阱结构，电子阻挡层以及P型GaN层；其中，所述P型GaN层上具有M个通孔，M≥1且为整数。

【技术特征摘要】
1.一种紫外LED的外延结构，其特征在于，从下至上依次包括：衬底层、缓冲层，非掺杂层，N型掺杂层，多量子阱结构，电子阻挡层以及P型GaN层；其中，所述P型GaN层上具有M个通孔，M≥1且为整数。2.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于，相邻两个所述通孔间的距离为100nm～1000nm。3.根据权利要求1或2所述的外延结构，其特征在于，所述通孔的横截面选自圆形、三角形、方形中的一种或多种。4.权利要求1-3任一所述的紫外LED的外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在生长设备的反应室中，在衬底层上从下至上依次生长缓冲层、非掺杂层、N型掺杂层；2)在所述N型掺杂层上生长Q个量子阱结构，每个所述量子阱结构包含量子阱层AlxGa1-xN和量子垒层AlyGa1-yN，其中，1≤Q≤50，0＜x＜1，0＜y＜1，x＜y，且Q为正整数；3)在所述Q个量子阱结构上生长电子阻挡层；4)在所述反应室外，在所述电子阻挡层AlzGa1-zN上蒸镀SiO2层，并利用光刻工艺使所述SiO2层具有M个掩膜；5)利用等离子刻蚀工艺对所述SiO2层进行刻蚀使所述SiO2层成为M个SiO2柱，其中，相邻的所述SiO2柱之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄小辉，王小文，郑远志，康建，梁旭东，
申请(专利权)人：马鞍山杰生半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34