一種高亮度近紫外led及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種采用MOCVD(金屬有機(jī)化合物氣相外延)技術(shù)制備具有阱寬漸變電流擴(kuò)展層的高亮度近紫外LED。
【背景技術(shù)】
[0002]紫外LED是發(fā)射紫外光的二極管。一般指發(fā)光中心波長在400nm以下的LED。紫外LED(UV LED)主要應(yīng)用在生物醫(yī)療、防偽鑒定、凈化(水、空氣等)領(lǐng)域、計算機(jī)數(shù)據(jù)存儲和軍事等方面。而且隨著技術(shù)的發(fā)展，新的應(yīng)用會不斷出現(xiàn)以替代原有的技術(shù)和產(chǎn)品，紫外LED有著廣闊的市場應(yīng)用前景，如紫外LED光療儀是未來很受歡迎的醫(yī)療器械，但是目前技術(shù)還處于成長期。半導(dǎo)體紫外光源作為半導(dǎo)體照明后的又一重大產(chǎn)業(yè)方向，已經(jīng)引起了半導(dǎo)體光電行業(yè)的廣泛關(guān)注。美國、日本、韓國、臺灣等無不投入巨大的力量以求占據(jù)行業(yè)的制高點(diǎn)。如日亞化工、臺灣光宏等是目前主要的紫外光源研發(fā)和生產(chǎn)單位。與藍(lán)光不同，目前紫外LED正處于技術(shù)發(fā)展期，在專利和知識產(chǎn)權(quán)方面限制較少，利于占領(lǐng)、引領(lǐng)未來的技術(shù)制高點(diǎn)。國內(nèi)在紫外LED的裝備、材料和器件方面都有了一定的積累，目前正在積極的向應(yīng)用模塊發(fā)展。但紫外LED技術(shù)面臨的首要問題是其光效低，如何有效提高紫外LED的光效成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)問題。
[0003]為了提高近紫外光LED的發(fā)光效率，研宄人員采用在n-GaN中生長SiN插入層的方法，來降低n-GaN外延層的位錯密度，有源區(qū)采用InGaN/AlGaN量子阱結(jié)構(gòu)來提高載流子限制效果，以減少載流子從有源區(qū)的泄露。然而采用SiN插入層法不能消除有源區(qū)低溫生長產(chǎn)生的V型位錯；而且采用有源區(qū)InGaN/AlGaN量子阱結(jié)構(gòu)會增加量子阱和皇層之間的應(yīng)力失配，加重電子和空穴在空間分離，進(jìn)而影響發(fā)光效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種高亮度近紫外發(fā)光二極管，其外延結(jié)構(gòu)中含有層厚變化的InGaN/AlGaN量子阱結(jié)構(gòu)應(yīng)力釋放層，即一種勢阱和勢皇厚度隨應(yīng)力釋放層周期數(shù)變化而梯度變化的量子阱應(yīng)力釋放層結(jié)構(gòu)，可以使電子在注入有源區(qū)之前在水平方向更均勻的擴(kuò)展，大幅提高載流子注入效率，有效緩解n-GaN和InGaN/AlGaN有源區(qū)的晶格失配以及熱失配，改善有源區(qū)晶體質(zhì)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高近紫外LED發(fā)光效率的目的。
[0005]本發(fā)明提供一種高亮度近紫外LED，如圖1所示，該LED外延結(jié)構(gòu)從下向上的順序的依次為:圖形化藍(lán)寶石襯底101、低溫GaN成核層102、高溫非摻雜GaN緩沖層103、η型GaN層lOLn-1r^GamN/Al^GamN量子阱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力釋放層105、低溫n-AlylGai_ylN電流擴(kuò)展層1eUnxGa^NAlyGahN多量子阱發(fā)光層107、ρ_Α1?2Ιηχ26&1_χ2_?2Ν電子阻擋層108、高溫P型GaN層109、ρ型InGaN接觸層110，其中，隨著應(yīng)力釋放層生長周期數(shù)的增加，應(yīng)力釋放層中勢講InxlGah1N層的厚度從3nm階梯式變化到5nm,應(yīng)力釋放層中勢皇AlylGa1I1N層厚度從30nm階梯式變化為10nm，該應(yīng)力釋放層單個周期的勢阱和勢皇總厚度會隨周期數(shù)增加而減小，勢阱和勢皇厚度比則隨周期數(shù)增加而增大；InxGahNAlyGahN多量子阱發(fā)光層的周期數(shù)為5-10，且I1-1nxlGah1NAlylGa1I1N超晶格應(yīng)力釋放層、低溫n-AlylGai_ylN電流擴(kuò)展層和InxGahNAlyGahN多量子阱有源層中0.01彡X1S x彡0.1，0.01彡y # y彡0.1 ;P-Aly2Inx2Ga1^y2N 電子阻擋層中 0.01 ^ X2^ 0.1 ；0.01^y2^y^0.10
[0006]本發(fā)明還提供了高亮度近紫外發(fā)光二極管的制備方法，其步驟包括:
[0007]I)在金屬有機(jī)化合物氣相外延反應(yīng)室中將Al2O3襯底在氫氣氣氛下，10800C -1100°C下反應(yīng)室壓力lOOtorr，處理5_10分鐘；然后降低溫度，在530_550°C，反應(yīng)室壓力500torr，在氫氣氣氛下，V/III摩爾比為500-1300 ;三維生長20-30納米厚的低溫GaN成核層；
[0008]2)在1000-1500°C下，反應(yīng)室壓力為200_300torr，在氫氣(H2)氣氛下，V/III摩爾比為1000-1300，生長1-3微米厚高溫非摻雜GaN緩沖層；
[0009]3)在1000-1500°C下，反應(yīng)室壓力為100_200torr，在氫氣(H2)氣氛下，V/III摩爾比為1000-1300，生長2-4微米厚n-GaN層；Si摻雜濃度為1018-1019cnT3;
[0010]4)在750-850 °C下，在氮?dú)鈿夥障?，V/III摩爾比為5000-20000，反應(yīng)室壓力300torr,生長5至15個周期的量子阱寬、皇寬漸變的非摻InxlGah1NAlylGa^1N量子阱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力釋放層，其中應(yīng)力釋放層中勢講InxlGah1N層的厚度從3nm階梯式變化到5nm,應(yīng)力釋放層中勢皇AlylGapylN層厚度從30nm階梯式變化為1nm ；
[0011]5)在820-870°C下，在氮?dú)?N2)氣氛下，V/III摩爾比為5000-20000，反應(yīng)室壓力300torr,生長 50_150nm 厚的 n-AlylGai_ylN ；Si 摻雜濃度為 1018-1019cnT3;
[0012]6)在750-850 °C下，在氮?dú)鈿夥障?，V/III摩爾比為5000-20000，反應(yīng)室壓力300torr,接著生長5-10周期Ιη^^Ν/ΑΙ^^Ν多量子阱發(fā)光層，其中InxGai_xN量子阱層厚度為2-3nm ;AlyGai_yN皇層厚度為10_20nm ；
[0013]7)在780°C _850°C下，在有源區(qū)上，在氮?dú)鈿夥障?，V/III摩爾比為5000-20000，反應(yīng)室壓力100-300torr,生長20nm-40nm P-Aly2Inx2Ga1^y2N電子阻擋層；Mg摻雜濃度為117-1O18Cnr3;
[0014]8)在950°C -1050°C下，在氫氣氣氛下，V/III摩爾比為2000-5000，反應(yīng)室壓力10torr,生長 100nm-200nm p-GaN, Mg 慘雜濃度為 117-1O18Cm 3；
[0015]9)在650°C -750°C下，在氫氣氣氛下，V/III摩爾比為5000-20000，反應(yīng)室壓力300torr,生長 2nm_4nm p-1nGaN，Mg 慘雜濃度為大于 118Cm 3。
[0016]本發(fā)明通過優(yōu)化η型應(yīng)力釋放層和η型電流擴(kuò)展層，可改善近紫外LED電流擴(kuò)展效果，進(jìn)而有效提高近紫外LED的發(fā)光效率。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明高亮度近紫外發(fā)光二極管的豎直剖面視圖；
[0018]圖2采用實(shí)施例1 (UV-LEDl)和采用實(shí)施例2 (UV-LED2)方案制備紫外光LED 1-V曲線對比。
【具體實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例1
[0020]使用Aixtron公司，緊耦合垂直反應(yīng)室MOCVD生長系統(tǒng)。生長過程中使用三甲基鎵(TMGa)，三甲基銦(TMIn)，三甲基鋁(TMAl)作為III族源，氨氣(NH3)作為V族源，硅烷(SiH4)作為η型摻雜源，二茂鎂(Cp2Mg)作為P型摻雜源，首先在MOCVD反應(yīng)室中將圖形化Al2O3襯底101加熱到1080-1100攝氏度，在反應(yīng)室壓力為10torr,在H2下處理5分鐘，然后降溫到在530-550攝氏度在圖形化Al2O3襯底上，反應(yīng)室壓力500torr，氫氣(H2)氣氛下，V/III摩爾比為500-1300，三維生長20-30納米后的GaN成核層，在1000_1500°C下，反應(yīng)室壓力為200-300torr，在氫氣(H2)氣氛下，V/III摩爾比為1000-1300 ;生長1_3微米厚高溫U-GaN層；在1000-1500 °C下，反應(yīng)室壓力為100-200torr，在氫氣(H2)氣氛下，V/III摩爾比為1000-1300 ;生長2-4微米厚n-GaN層；Si摻雜濃度為118-1O1W3;在750-850°C下，在氮?dú)?N2)氣氛下，V/III摩爾比為5000-20000，反應(yīng)室壓力300torr，生長5個周期的量子阱寬漸變的非摻InxlGah1NAlylGa1I1N量子阱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力釋放層，其中應(yīng)力釋放層勢阱InxlGa^N層的厚度隨著量子阱周期數(shù)的增加依次為:3nm、3.5nm、4nm、4.5nm、5nm ;勢皇AlylGa1I1N層厚度隨著量子講周期數(shù)的增加依次為30nm、25nm、20nm、15nm、10nm ;其中應(yīng)力釋放層的In組分X1小于有源區(qū)In組分x(0.01 < x # x < 0.1)、Al組分yi小于有源區(qū)Al組分y (0.01彡yi<y彡0.1)。在820-870 °C下，在氮?dú)?N2)氣氛下，V/III摩爾比為5000-20000，反應(yīng)室壓力300torr，生長50nm厚的n-AlylGai_ylN ;其中(0.01 ^ Y1^ y ^ 0.1) ;Si 摻雜濃度為 118-1O19Cnr3;在 750-850°C下，在氮?dú)?N2)氣氛下，V/III摩爾比為5000-20000，反應(yīng)室壓力300torr，接著生長5周期Ιηχ6&1_χΝ/Α1#&1ιΝ多量子阱有源區(qū)107，其中InxGa^xN量子阱層厚度為2nm ;AlyGai_yNl皇層厚度為1nm ;其中X = 0.05 ;y = 0.05 ;在780°C -850°C下，在有源區(qū)上，在氮?dú)鈿夥障?，V/III摩爾比為5000-20000，反應(yīng)室壓力 100-300torr，生長 20nm p-Aly2Inx2Gai_x2_y2N 電子阻擋層 108 ；x2 =
0.05，y2= 0.05Mg 摻雜濃度為 10 1^lO1W3O 在 950°C -1050°C下，在氫氣氣氛下，V/III 摩爾比為2000-5000，反應(yīng)室壓力10torr,生長10nm p-GaN, Mg摻雜濃度為1017-1018cnT3。在650°C _750°C下，在氮?dú)鈿夥障?，V/III摩爾比為5000-20000，反應(yīng)室壓力300torr,生長2nm p-1nGaN，Mg摻雜濃度為大于118CnT3。
[0021]實(shí)施例2
[0022]使用Aixtron公司，緊耦合垂直反應(yīng)室MOCVD生長系統(tǒng)。生長過程中使用三甲基鎵(TMGa)，三甲基銦(TMIn)，三甲基鋁(TMAl)作為III族源，氨氣(NH3)作為V族源，硅烷(SiH4)作為η型摻雜源，二茂鎂(Cp2Mg)作為P型摻雜源，首先在MOCVD反應(yīng)室中將圖形化Al2O3襯底加熱到1080-1100攝氏度，在反應(yīng)室壓力為10torr,在H2下處理5分鐘，然后降溫到在530-550攝氏度在圖形化Al2O3襯底上，反應(yīng)室壓力500