一种紫外发光二极管及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种紫外发光二极管及其制备方法和应用。本发明专利技术的紫外发光二极管，包括从下到上依次层叠设置的PSS衬底、GaN缓冲层、u‑GaN外延层、n‑GaN接触层、V‑pits层、多量子阱有源区、u‑AlGaN垒层、p

【技术实现步骤摘要】
一种紫外发光二极管及其制备方法和应用
本专利技术涉及技术发光二极管
，更具体的，涉及一种紫外发光二极管及其制备方法和应用。
技术介绍
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、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(如LED和LD)具有极强的竞争优势，是制作半导体发光二极管的理想材料。紫光LED在印刷、固化、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。AlGaN基紫光二极管，是基于第三代半导体材料的新型紫光全固态光源。相比于传统的气态紫光光源，AlGaN基紫光二极管具有以下显著优势：体积小、工作电压低、光谱单色且连续可调、寿命长、无毒环保、能耗低等。但紫光LED过低的光输出功率问题严重制约了其大规模产业化应用，限制紫光LED光输出功率的根本因素在于其较低的发光效率(即外量子效率EQE)。由于紫光LED外延层中的p-GaN中的Mg掺杂剂的电离能高达160meV，并且随着p-AlGaN中Al含量的增加而增加。P型层中通常会使用1019cm-3的高Mg掺杂浓度，镁掺杂剂的电离率低，只有不到10％的Mg原子被电离并成为自由空穴，而超过90％的受主束缚的空穴。这些空穴是GaN基发光器件中光吸收的主要来源，并产生较大的光学吸收损耗。中国专利申请CN105932130A公开了一种具有新型电子阻挡层的近紫外LED，通过具有p型Aly1Ga1-y1N/Inx1Ga1-x1N超晶格结构的电子阻挡层提高空穴注入效率，从而提高近紫外LED发光效率。但该近紫外LED仍未解决P型层空穴光吸收的问题，其发光效率仍无法满足实际使用中的高要求。因此，需要开发出一种紫外发光二极管，减少P型层光吸收产生的光损耗，有效提高发光效率。
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低的缺陷，提供一种紫外发光二极管，该紫外发光二极管具有V-Pits层，且P-GaN的掺杂方式采用高掺杂Mg/低掺杂Mg/高掺杂Mg的结构，有效减少了p-GaN外延层中未激活的受主束缚空穴对发光器件的光吸收，降低了光损耗，提高了紫外发光二极管的发光效率。本专利技术的另一目的在于提供上述紫外发光二极管的制备方法。本专利技术的另一目的在于提供上述紫外发光二极管的应用。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种紫外发光二极管，包括从下到上依次层叠设置的PSS衬底、GaN缓冲层、u-GaN外延层、n-GaN接触层、V-pits层、多量子阱有源区、u-AlGaN垒层、p+-GaN、p型电子阻挡层、p-GaN接触层；所述p型电子阻挡层为从下到上依次层叠设置的p-AlGaN/GaN超晶格第一梯度和p-AlGaN/GaN超晶格第二梯度；所述p-AlGaN/GaN超晶格第一梯度为5个周期的p-Alx1Ga1-x1N/GaN超晶格，Mg掺杂浓度从下到上随生长周期数的增加由1×1020cm-3阶梯式下降至1×1019cm-3；所述p-AlGaN/GaN超晶格第二梯度为5个周期的p-Alx1Ga1-x1N/GaN超晶格，Mg掺杂浓度从下到上随生长周期数的增加由1×1019cm-3阶梯式上升至5×1019cm-3；0.1≤x1≤0.15；p-Alx1Ga1-x1N/GaN超晶格中每个周期的Alx1Ga1-x1N厚度为2.5～3nm，每个周期的GaN厚度为2.5～3nm；所述p-GaN接触层的厚度为80～150nm，Mg掺杂浓度随着p-GaN接触层生长厚度的增加从5×1019cm-3增加为1×1020cm-3。专利技术人研究发现，通过在P型层(即p+-GaN、p型电子阻挡层和p-GaN接触层)设计特殊的掺杂方式，采用高掺杂Mg/低掺杂Mg/高掺杂Mg的结构，可以有效减少p-GaN外延层中未激活的束缚空穴对发光器件的光吸收，进而提高紫光LED光外量子效率。由于紫外发光二极管的发光部位为多量子阱有源区，光线发出后向上传播，经过上表面的P型层。本专利技术的p+-GaN、p型电子阻挡层和p-GaN接触层中Mg掺杂为渐变式的掺杂，具有高掺杂Mg/低掺杂Mg/高掺杂Mg的结构。这样的P型层掺杂方式，既保证了P型层中具有充足的空穴，可形成良好的PN结，又减少了空穴对光吸收的不良影响，降低了光损耗。具有V型结构的V-pits层在多量子阱有源区的下方，使得量子阱附近的介质材料折射率变化，使光线产生散射现象，提高光提取效率。V-pits层与P型层通过结合，协同增效，使得紫外发光二极管具有优异的发光效率。优选地，所述V-pits层为从下到上依次层叠设置的3～5个周期的u-Iny1Ga1-y1N/u-GaN量子阱、u-GaN、6～10个周期的n-Iny2Ga1-y2N/GaN超晶格的复合结构；所述u-Iny1Ga1-y1N/u-GaN量子阱中，0.01≤y1≤0.05，Iny1Ga1-y1N阱层的厚度为2～3nm，GaN垒层的厚度为40～50nm；所述u-GaN的厚度为70～100nm；所述n-Iny2Ga1-y2N/GaN超晶格，0.05≤y2≤0.1，Iny2Ga1-y2N阱层的厚度为1～2nm，GaN垒层的厚度为2～3nm，Si掺杂浓度为1×1018～5×1018cm-3。优选地，所述多量子阱有源区为Iny3Ga1-y3N/Alx2Ga1-x2N多量子阱结构，量子阱周期数为5～10，Iny3Ga1-y3N阱层的厚度为2.5～3nm，0.05≤y3≤0.1，Alx2Ga1-x2N垒层厚度为10～15nm，0.05≤x2≤0.1。优选地，所述GaN缓冲层的厚度为25～50nm。优选地，所述u-GaN外延层的厚度为1.5～2μm。优选地，所述n-GaN接触层的厚度2～4μm。优选地，所述u-AlGaN垒层为u-Alx3Ga1-x3N，0.1≤x3≤0.15，u-AlGaN垒层的厚度为10～15nm。优选地，所述p+-GaN的厚度为20～40nm，Mg掺杂浓度为1020cm-3。优选地，所述紫外发光二极管以三甲基镓(TMGa)和/或三甲基铝(TMAl)作为III族源，以氨气(NH3)作为V族源，以硅烷(SiH4)作为n型掺杂源，以二茂镁(Cp2Mg)作为p型掺杂源。本专利技术还保护上述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℃、压力100torr条件下，对PSS衬底进行表面活化处理；S2.在氢气气氛中，温度1050～1150℃条件下，通入TMGa作为III族源，NH3作为V族源，在PSS衬底上生长GaN缓冲层；S3.在氢气气氛中，温度1050～1100℃条件下，通入TMGa作为III族源，NH3作为V族源，在GaN缓冲层上生长u-G本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种紫外发光二极管，其特征在于，包括从下到上依次层叠设置的PSS衬底、GaN缓冲层、u-GaN外延层、n-GaN接触层、V-pits层、多量子阱有源区、u-AlGaN垒层、p

【技术特征摘要】
1.一种紫外发光二极管，其特征在于，包括从下到上依次层叠设置的PSS衬底、GaN缓冲层、u-GaN外延层、n-GaN接触层、V-pits层、多量子阱有源区、u-AlGaN垒层、p+-GaN、p型电子阻挡层、p-GaN接触层；
所述p型电子阻挡层为从下到上依次层叠设置的p-AlGaN/GaN超晶格第一梯度和p-AlGaN/GaN超晶格第二梯度；
所述p-AlGaN/GaN超晶格第一梯度为5个周期的p-Alx1Ga1-x1N/GaN超晶格，Mg掺杂浓度从下到上随生长周期数的增加由1×1020cm-3阶梯式下降至1×1019cm-3；所述p-AlGaN/GaN超晶格第二梯度为5个周期的p-Alx1Ga1-x1N/GaN超晶格，Mg掺杂浓度从下到上随生长周期数的增加由1×1019cm-3阶梯式上升至5×1019cm-3；0.1≤x1≤0.15；p-Alx1Ga1-x1N/GaN超晶格中每个周期的Alx1Ga1-x1N厚度为2.5～3nm，每个周期的GaN厚度为2.5～3nm；
所述p-GaN接触层的厚度为80～150nm，Mg掺杂浓度随着p-GaN接触层生长厚度的增加从5×1019cm-3增加为1×1020cm-3。


2.根据权利要求1所述紫外发光二极管，其特征在于，所述V-pits层为从下到上依次层叠设置的3～5个周期的u-Iny1Ga1-y1N/u-GaN量子阱、u-GaN、6～10个周期的n-Iny2Ga1-y2N/GaN超晶格的复合结构；
所述u-Iny1Ga1-y1N/u-GaN量子阱中，0.01≤y1≤0.05，Iny1Ga1-y1N阱层的厚度为2～3nm，GaN垒层的厚度为40～50nm；
所述u-GaN的厚度为70～100nm；
所述n-Iny2Ga1-y2N/GaN超晶格中0.05≤y2≤0.1，Iny2Ga1-y2N阱层的厚度为1～2nm，GaN垒层的厚度为2～3nm，Si掺杂浓度为1×1018～5×1018cm-3。


3.根据权利要求2所述紫外发光二极管，其特征在于，所述多量子阱有源区为Iny3Ga1-y3N/Alx2Ga1-x2N多量子阱结构，量子阱周期数为5～10，Iny3Ga1-y3N阱层的厚度为2.5～3nm，0.05≤y3≤0.1，Alx2Ga1-x2N垒层厚度为10～15nm，0.05≤x2≤0.1。


4.根据权利要求3所述紫外发光二极管，其特征在于，所述p+-GaN的厚度为20～40nm，Mg掺杂浓度为1020cm-3。...

【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