本发明专利技术公开了一种基于AIN/PSS复合衬底的深紫外发光二极管及其制备方法，所述深紫外发光二极管包括从下到上依次层叠设置的AlN/PSS复合衬底、AlN、AlGaN/AlN超晶格、n‑AlGaN接触层、V‑pits层、量子阱有源区、AlGaN电子阻挡层、p‑AlGaN限制层和p‑GaN接触层。本发明专利技术的深紫外发光二极管包括V‑pits层，可以有效屏蔽位错、消除全反射和波导效应，优化设计了量子阱有源区，可以调控发光模式的比例，进而提高深紫外LED的光提取效率。
【技术实现步骤摘要】
一种基于AIN/PSS复合衬底的深紫外发光二极管及其制备方法
本专利技术涉及发光二极管
，更具体地，涉及一种基于AIN/PSS复合衬底的深紫外发光二极管及其制备方法。
技术介绍
深紫外波段(UVC)是指电磁辐射中发光波长200～285nm的部分，以汞灯为代表的传统深紫外气态光源已经在照明、杀菌消毒、荧光分析、紫外探伤、光刻技术等领域得到广泛的应用。然而，为解决全球范围内日益严重的汞污染问题，包括中国在内的92个国家和地区签署了《水俣公约》，2020年后汞灯在全球范围内的使用都将受到严格的限制。因此，发展高效、环保的深紫外光源来替代传统气态汞灯势在必行。III-V族氮化物半导体材料，是继硅、砷化镓之后的第三代半导体材料，包含了氮化镓(GaN)，氮化铝(AlN)和氮化铟(InN)及它们的合金，是直接带隙半导体，具有禁带宽度大(范围为0.7～6.2eV)、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强以及耐化学腐蚀等优点。这些光电性质上的优势使III-V族氮化物材料在光电子领域具有极强的竞争优势。AlGaN基深紫外发光二极管(UVCLED)，是基于第三代半导体材料的新型深紫外全固态光源。相比于传统的气态汞灯，其具有以下显著优势：体积仅为汞灯的1/1000、工作电压仅为汞灯的1/20、光谱单色且连续可调、预计寿命超过2万小时、开关频率大于108Hz、无毒环保、能耗低等，是目前唯一可完美替代汞灯的深紫外光源。近年来，UVCLED已经得到了全球范围内广泛关注和快速发展。但UVCLED过低的光输出功率问题严重制约了其大规模产业化应用。限制UVCLED光输出功率的根本因素在于其较低的发光效率(外量子效率EQE)，现阶段发光效率的国际平均水平只有5％～8％左右，远远低于商业化蓝光LED的平均水平。中国专利申请CN110034216A公开了一种III-V族氮化物深紫外发光二极管结构及其制备方法，该深紫外发光二极管难以满足高发光效率的实际需求。因此，需要开发出具有更高光功率的深紫外LED深紫外发光二极管。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的发光效率不足的缺陷，提供一种基于AIN/PSS复合衬底的深紫外发光二极管，提供的深紫外发光二极管发光效率高。本专利技术的另一目的在于提供一种上述深紫外发光二极管的制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于AIN/PSS复合衬底的深紫外发光二极管，包括从下到上依次层叠设置的AlN/PSS复合衬底、AlN、AlGaN/AlN超晶格、n-AlGaN接触层、V-pits层、量子阱有源区、AlGaN电子阻挡层、p-AlGaN限制层和p-GaN接触层；其中V-pits层包括由下至上依次层叠设置的非掺杂u-AlGaN层、轻掺杂n--AlGaN层和重掺杂n+-AlGaN层，其中非掺杂u-AlGaN层厚度为100～150nm，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.55～0.6，轻掺杂n--AlGaN层厚度为50～100nm，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.55～0.6，Si掺杂浓度为1017～1018cm-3，重掺n+-AlGaN层厚度为10～50nm，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.5～0.55，Si掺杂浓度为1018～1019cm-3。当注入电流密度较高时，借助于V-pits层，电子和空穴可以被注入到更深的量子阱中进行辐射复合，从而大大降低了单个量子阱中的载流子浓度。并且V-pits层可以有效屏蔽位错，降低了非辐射复合的可能性。此外，由于V-pits层中填充材料的折射率和有源区材料折射率不同，V-pits层的存在可以有效消除全反射和波导效应，提高LED的光提取效率。优选地，硅烷作为n型掺杂源。优选地，所述量子阱有源区为1～10个周期的垒层/AlGaN阱层/垒层结构，所述AlGaN阱层包括从下到上依次层叠设置的第一梯度阱、第二梯度阱和第三梯度阱；其中，第一梯度阱的AlGaN厚度为0.5～1.5nm，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.30～0.40，第二梯度阱的AlGaN厚度为1～1.5nm，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.40～0.45，第三梯度阱的AlGaN厚度为0.5～1.5nm，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.30～0.40；位于最下层的垒层采用n+-AlGaN，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.5～0.55，厚度为5～10nm，Si掺杂浓度为1018～1019cm-3；其他垒层采用u-AlGaN，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.5～0.55，厚度为5～10nm，从下到上各垒层厚度随着量子阱生长周期数的增加而梯度减薄，从下到上各垒层Al组分随着量子阱生长周期数的增加而梯度减少。通过采用梯度AlGaN量子阱结构，可以调控发光模式的比例，有效增加TE模式，进而提高深紫外LED光提取效率。优选地，所述AlN厚度为300～400nm。优选地，所述AlGaN/AlN超晶格为30～50个周期，其中AlGaN厚度为3～5nm，AlN厚度为3～5nm，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.7～0.9。优选地，所述n-AlGaN接触层中Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.5～0.6，厚度为0.8～1μm。优选地，所述AlGaN电子阻挡层中Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.60～0.65，厚度为10～15nm。优选地，所述p-AlGaN限制层中Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.50～0.55，厚度为50～80nm；二茂镁作为p型掺杂源，Mg掺杂浓度为1017～1018cm-3。优选地，所述p-GaN接触层厚度为50～80nm；二茂镁作为p型掺杂源，Mg掺杂浓度为1017～1018cm-3。本专利技术还保护上述深紫外发光二极管的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：S1.在氢气和氨气混合气氛中，温度950～1000℃条件下，对AlN/PSS复合衬底进行表面活化处理；S2.在氢气气氛中，通入三甲基铝作为III族源，氨气作为V族源，在AlN/PSS复合衬底上生长AlN，生长温度为1050～1150℃；S3.在氢气气氛中，通入三甲基镓和三甲基铝作为III族源，氨气作为V族源，在AlN上生长AlGaN/AlN超晶格，生长温度为1050～1100℃；S4.在氢气气氛中，通入三甲基镓和三甲基铝作为III族源，氨气作为V族源，在AlGaN/AlN超晶格上生长n-AlGaN接触层，生长温度为1000～1100℃；S5.在氢气气氛中，通入三甲基镓和三甲基铝作为III族源，氨气作为V族源，在n-AlGaN接触层上生长V-pits层，生长温度为800～1000℃，压力为150～400torr；S6.在氢气气氛中，通入三甲基镓和三甲基铝作为III族源，氨气作为V族源，在V-pits层上生长量子阱有源区，生长温度为1000～1050℃；S7.在氢气气氛中，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于AIN/PSS复合衬底的深紫外发光二极管，其特征在于，包括从下到上依次层叠设置的AlN/PSS复合衬底、AlN、AlGaN/AlN超晶格、n-AlGaN接触层、V-pits层、量子阱有源区、AlGaN电子阻挡层、p-AlGaN限制层和p-GaN接触层；/n所述V-pits层包括由下至上依次层叠设置的非掺杂u-AlGaN层、轻掺杂n
【技术特征摘要】
1.一种基于AIN/PSS复合衬底的深紫外发光二极管，其特征在于，包括从下到上依次层叠设置的AlN/PSS复合衬底、AlN、AlGaN/AlN超晶格、n-AlGaN接触层、V-pits层、量子阱有源区、AlGaN电子阻挡层、p-AlGaN限制层和p-GaN接触层；
所述V-pits层包括由下至上依次层叠设置的非掺杂u-AlGaN层、轻掺杂n--AlGaN层和重掺杂n+-AlGaN层，其中非掺杂u-AlGaN层厚度为100～150nm，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.55～0.6，轻掺杂n--AlGaN层厚度为50～100nm，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.55～0.6，Si掺杂浓度为1017～1018cm-3，重掺n+-AlGaN层厚度为10～50nm，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.5～0.55，Si掺杂浓度为1018～1019cm-3。
2.根据权利要求1所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述量子阱有源区为1～10个周期的垒层/AlGaN阱层/垒层结构，所述AlGaN阱层包括从下到上依次层叠设置的第一梯度阱、第二梯度阱和第三梯度阱；其中，第一梯度阱的AlGaN厚度为0.5～1.5nm，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.30～0.40，第二梯度阱的AlGaN厚度为1～1.5nm，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.40～0.45，第三梯度阱的AlGaN厚度为0.5～1.5nm，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.30～0.40；位于最下层的垒层为n+-AlGaN，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.5～0.55，厚度为5～10nm，Si掺杂浓度为1018～1019cm-3；其他垒层为u-AlGaN，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.5～0.55，厚度为5～10nm，从下到上各垒层厚度随着量子阱周期数的增加而梯度减薄，从下到上各垒层Al组分含量占Al和Ga总量的比值随着量子阱周期数的增加而梯度减少。
3.根据权利要求2所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述AlGaN/AlN超晶格为30～50个周期，其中AlGaN厚度为3～5nm，AlN厚度为3～5nm，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.7～0.9。
4.根据权利要求3所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述n-AlGaN接触层中Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.5～0.6，厚度为0.8～1μm。
5.根据权利要求4所述的深紫外发光二极管，其特征在于，所述AlGaN电子阻挡层中Al组分含量占Al...
【专利技术属性】
技术研发人员：贾传宇，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东;44
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