多波长发光的紫外LED外延结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多波长发光的紫外LED外延结构及其制备方法，其包括AlN模板、AlGaN缓冲层、N型AlGaN层、新型多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层，新型多量子阱结构包括至少两个发光波长不同的量子阱组，各个量子阱组中的量子阱的厚度不同，从N型区至P型区方向依次减小分布，其中位于第二阱组位置及其之后位置的量子垒的厚度均≤5nm。本发明专利技术通过改变势阱层的厚度实现不同波长的发射,通过调节相同Al组分AlGaN量子阱的厚度而获得薄阱，利用增强的量子限制效应实现波长的有效蓝移，同时薄阱也有利于空穴向第一量子阱的迁移，从而可以实现波长在250～350nm范围内的两种或三种波长的发光。三种波长的发光。三种波长的发光。

【技术实现步骤摘要】
多波长发光的紫外LED外延结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及属于LED外延结构
，特别涉及一种多波长发光的紫外LED外延结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]AlGaN基紫外LED发光波长可以有效覆盖200～400nm区间，与现有的紫外汞灯相比，具有以下优点：(1)体积小，且方便与其他设施整合集成；(2)安全无毒，无汞，对环境无害；(3)环境适应性强，封装后可用于特种气体、液体与各种复杂环境中；(4)启停快，无需预热等。通过调节AlGaN的Al组分，可以实现发光波长的有效调节，其中发光波长在200～280nm之间的UVC紫外线可广泛应用于物体表面和空气、水等流体的杀菌消毒、高密度信息存储、非视距通讯等领域；而发光波长在280nm～320nm之间的UVB波段紫外线则在水净化、皮肤病治疗、动植物辅助生长等方面具有巨大的应用潜力。
[0003]在紫外水净化领域，紫外线对水中微生物的失活机制有三种，其中波长在190～254nm之间的紫外线会造成蛋白质损伤并抑制DNA修复；波长在250～320nm之间的紫外线会直接或间接造成DNA损伤；而波长在300～405nm之间的紫外线则会通过光敏反应产生活性氧，导致微生物细胞凋亡。采用多种波长的紫外线同时进行水净化，有利于产生协同作用触发出多种不同的失活机制，使水净化过程效率更高而成本更低。
[0004]目前AlGaN基紫外LED均为单波长发光，因为现有的常规紫外LED通常只有一个量子阱组(由若干个周期的量子垒和量子阱依次叠层而成)，其量子阱的铝组分和宽度都一样，所以只发一种波长的紫外光。如果要实现多波长协同作用，则需生产集成多种紫外LED芯片，同时要求至少两组以上的控制电路模块进行控制，大大增加了工作成本与难度。
[0005]此外，为了实现对量子阱中空穴更好的限制作用，现有的紫外LED的量子垒通常比较厚，高铝组分P型AlGaN区域产生的空穴在量子阱和量子垒中迁移能力严重不足，使得量子阱的发光显著集中于P型侧一端，所以即使将所有的量子阱设计成不同铝组分，也很难发两种波长的紫外光，或者说即使发出两种紫外光，但是两者强度差距巨大，难以有效应用。
[0006]为此，实现单片上有效覆盖UVA
‑
UVC波段的多波长LED,尤其是实现对波长分布和相对强度的简单可调，对于实现具有针对性多重功效的紫外LED具有推动性意义，因此有必要研发一种能实现多波长发光的AlGaN基紫外LED外延结构，从而实现多波长发光的紫外LED芯片。

技术实现思路

[0007]针对上述不足，本专利技术的目的在于，提供一种能实现多波长发光的紫外LED外延结构及其制备方法。
[0008]为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案是：
[0009]一种多波长发光的紫外LED外延结构，其包括按照外延生长顺序自下而上依次分布的AlN模板、AlGaN缓冲层、N型AlGaN层、新型多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P
型接触层，所述新型多量子阱结构包括至少两个发光波长不同的量子阱组，各个量子阱组中的量子阱的厚度不同，并且按厚度由N型区至P型区的顺序依次减小，其中位于第二阱组位置及其之后位置的量子阱组中的量子垒的厚度均≤5nm。
[0010]所述量子阱组的数量由需发几种波长的光而定，如需要发出两种波长的光，所述新型多量子阱结构包括两个发光波长不同的量子阱组。如需要发出三种波长的光，所述新型多量子阱结构相应包括三个发光波长不同的量子阱组，其中第一量子阱组包括1～5组厚度为d1的第一量子垒Al
x
Ga1‑
x
N和厚度为D1的第一量子阱Al
y
Ga1‑
y
N，第二量子阱组包括1～3组厚度为d2的第二量子垒Al
x
Ga1‑
x
N和厚度为D2的第二量子阱Al
y
Ga1‑
y
N，第三量子阱组包括1～3组厚度为d3的第三量子垒Al
x
Ga1‑
x
N和厚度为D3的第三量子阱Al
y
Ga1‑
y
N，满足0≤y＜0.4＜x≤0.8，量子阱的厚度依次减小，D1>D2>D3，可使三个量子阱发不同波长的光。
[0011]作为本专利技术的一种优选方案，所述第一量子阱组中的量子垒的厚度d1为8～15nm，所述第一量子阱的厚度D1为1～4nm；所述第二量子阱的厚度D2和所述第三量子阱的厚度D3均≤2nm，这样有利于空穴向所述第一量子阱中的迁移，同时利用薄阱中增强的量子限制效应，实现比所述第一量子阱更短波长的发光，从而实现了相同铝组分下多种波长的发光。
[0012]作为本专利技术的一种优选方案，所述第二量子垒的厚度d2和所述第三量子垒的厚度d3均≤5nm。比常规量子垒的厚度薄，有利于空穴向所述第一量子阱中的迁移，同时可以通过调节d2和d3的厚度来调节到达各个量子阱组中空穴的数目，从而调节不同波长紫外光的相对强度。
[0013]作为本专利技术的一种优选方案，所述AlN模板为蓝宝石上的AlN或单晶AlN。所述AlGaN缓冲层为Al
m
Ga1‑
m
N/Al
n
Ga1‑
n
N的超晶格结构，其中0.5≤m<n≤1。所述N型AlGaN层的铝组分含量为50％～70％，所述电子阻挡层的铝组分含量为60％～90％，所述P型AlGaN层的铝组分含量为30％～70％，所述P型欧姆接触层为P型GaN或铝组分含量小于40％的P型AlGaN。
[0014]一种所述的多波长发光的紫外LED外延结构的制备方法，其包括以下步骤：
[0015]S1：选取蓝宝石上的AlN或单晶AlN作为衬底，对衬底的表面进行清洁；优选在1100℃～1300℃的温度下使用H2对衬底的表面进行清洁；
[0016]S2：在AlN模板上进行AlN薄膜的再生长，生长厚度100nm～1μm，生长温度1100℃～1350℃，获得AlN模板；
[0017]S3：在AlN模板上生长AlGaN缓冲层，AlGaN缓冲层为周期生长厚度为1～3nm的Al
m
Ga1‑
m
N/Al
n
Ga1‑
n
N超晶格结构，其中0.5≤m<n≤1，生长温度1000℃～1200℃；
[0018]S4：在AlGaN缓冲层上生长厚度为1～3μm的N型AlGaN层，生长温度1000℃～1200℃，Si掺杂浓度为1
×
10
18
～1
×
10
19
cm
‑3；
[0019]S5：在N型AlGaN层上生长新型多量子阱结构，依次生长1～5组厚度为8～15nm的第一量子垒Al
x
Ga1‑
x
N和厚度为1～4nm的第一量子阱Al<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多波长发光的紫外LED外延结构，其特征在于：其包括按照外延生长顺序自下而上依次分布的AlN模板、AlGaN缓冲层、N型AlGaN层、新型多量子阱结构、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层，所述新型多量子阱结构包括至少两个发光波长不同的量子阱组，各个量子阱组中的量子阱的厚度不同，并且厚度按由N型区至P型区的顺序依次减小，其中位于第二阱组位置及其之后位置的量子阱组中的量子垒的厚度均≤5nm。2.根据权利要求1所述多波长发光的紫外LED外延结构，其特征在于：所述新型多量子阱结构包括三个发光波长不同的量子阱组，第一量子阱组包括1～5组厚度为d1的第一量子垒Al
x
Ga1‑
x
N和厚度为D1的第一量子阱Al
y
Ga1‑
y
N，第二量子阱组包括1～3组厚度为d2的第二量子垒Al
x
Ga1‑
x
N和厚度为D2的第二量子阱Al
y
Ga1‑
y
N，第三量子阱组包括1～3组厚度为d3的第三量子垒Al
x
Ga1‑
x
N和厚度为D3的第三量子阱Al
y
Ga1‑
y
N，满足0≤y＜0.4＜x≤0.8。3.根据权利要求2所述多波长发光的紫外LED外延结构，其特征在于：所述第一量子阱组中的量子垒的厚度d1为8～15nm，所述第一量子阱的厚度D1为1～4nm。4.根据权利要求1所述多波长发光的紫外LED外延结构，其特征在于：所述第二量子阱的厚度D2和所述第三量子阱的厚度D3均≤2nm。5.根据权利要求1所述多波长发光的紫外LED外延结构，其特征在于：所述第二量子垒的厚度d2和所述第三量子垒的厚度d3均≤5nm,通过调节d2和d3的厚度调节到达各个量子阱组中空穴的数目，从而调节不同波长紫外光的相对强度。6.根据权利要求1所述多波长发光的紫外LED外延结构，其特征在于：所述AlGaN缓冲层为Al
m
Ga1‑
m
N/Al
n
Ga1‑
n
N的超晶格结构，其中0.5≤m&lt;n≤1。7.根据权利要求1所述多波长发光的紫外LED外延结构，其特征在于：所述N型AlGaN层的铝组分含量为50％～70％，所述电子阻挡层的铝组分含量为60％～90％，所述P型AlGaN层的铝组分含量为30％～70％，所述P型欧姆接触层为P型GaN或铝组分含量小于40％的P型AlGaN。8.一种权利要求1
‑
7中任意一项所述的多波长发光的紫外LED外延结构的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：S1：选取蓝宝石上的AlN或单晶AlN作为衬底，对衬底的表面进行清洁；S2：在AlN模板上进行AlN薄膜的再生长，生长厚度100nm～1μm，生长温度1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新强，李泰，罗巍，康俊杰，袁冶，王维昀，李永德，王后锦，
申请(专利权)人：松山湖材料实验室，
类型：发明
国别省市：