一种高亮度V型极化掺杂深紫外LED制备方法

摘要

本发明提供一种高亮度V型极化掺杂深紫外LED的制备方法，制备的深紫外LED结构包括衬底，AlN缓冲层，应力释放层，N型AlGaN层，AlGaN/AlGaN多量子阱有源区，Al组分呈V形渐变的P型AlGaN层。利用Al组分呈V形渐变的P型AlGaN层增加发光效率，同时用这种V形渐变的结构替代P型AlGaN电子阻挡层、P型AlGaN接触层和P型P‑GaN接触层，提高光提取效率。这种结构可以极大地提高P型层的空穴浓度，且从根本上避免P型接触层的吸光，制作工艺简单，可工业化生产。

权利要求

1.一种高亮度V型极化掺杂深紫外LED的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.在衬底上，生长厚度为15～25nm的低温氮化铝缓冲层；

S2.在低温氮化铝缓冲层上生长厚度为300～500nm的高温氮化铝缓冲层；

S3.在高温氮化铝缓冲层上生长厚度为1～1.5um的组分渐变的N型AlGaN应力释放层；

所述组分渐变的N型AlGaN为AlxGa1-xN，其中x从0渐变到0.55；

S4.在组分渐变的N型AlGaN应力释放层上生长厚度为1～1.5um的N型Al0.55Ga0.45N层；

S5.在N型Al0.55Ga0.45N层上生长发光层；所述发光层为5个周期的Al0.4Ga0.6N/Al0.55Ga0.45N多量子阱有源区，其中Al0.4Ga0.6N阱层厚度为3nm，Al0.55Ga0.45N垒层厚度为

10nm；

S6.在发光层上生长总厚度为90～120nm的P型AlGaN层，P型掺杂浓度为2×1017～7×

1017cm-3；所述P型AlGaN层中Al组分呈V形渐变，每个V形厚度为10～30nm，Al组分沿生长方向渐变规律依次为Al0.7Ga0.3N～AlxGa1-xN和AlxGa1-xN～Al0.7Ga0.3N，x为0.4～0.7；或Al组分沿生长方向渐变规律依次为AlxGa1-xN～Al0.7Ga0.3N和Al0.7Ga0.3N～AlxGa1-xN，x为0.4～0.7；

S6所述P型AlGaN层生长条件：生长温度1050℃，压强40torr，TMGa流量为17μmol/min，氨气流量为10000～11000μmol/min，TMAl流量为2～6μmol/min；所述TMAl流量是变化的，使得生长的P型AlGaN层Al组分呈V形渐变；

在所述高亮度V型极化掺杂深紫外LED中，用所述P型AlGaN层替代电子阻挡层、P型层和P型接触层。

2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，S1所述低温氮化铝缓冲层的生长条件：生长温度650～670℃，压强40～50torr，氨气流量8000～9000μmol/min，V/III摩尔比为

5000～5500。

3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，S2所述高温氮化铝缓冲层生长条件：生长温度1050～1080℃，压强40～50torr，氨气流量8000～9000μmol/min，V/III摩尔比为

5000～5500。

4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，S3所述组分渐变的N型AlGaN应力释放层生长条件：生长温度1050～1080℃，压强40～50torr，TMGa流量为17μmol/min，TMAl流量从2μmol/min线性增加到5.5μmol/min，SiH4流量为7～9nmol/min，氨气流量为10000～11000μmol/min。

5.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述SiH4流量从7nmol/min线性增加到

9nmol/min，使得N型AlGaN应力释放层掺杂浓度从1.2×1017cm-3增加到7.9×1017cm-3。

6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，S4所述N型Al0.55Ga0.45N层生长条件：生长温度1050～1080℃，压强40～50torr，TMGa流量为17μmol/min，TMAl流量从3μmol/min线性增加到5.5μmol/min，SiH4流量为7～9nmol/min，氨气流量为10000～11000μmol/min。

7.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，S5所述发光层生长条件：压强50torr，阱和垒的生长温度都是1030℃，阱和垒的氨气流量为9000μmol/min，阱和垒的TMGa流量为17μmol/min，阱中掺SiH4，其中SiH4流量为3nmol/min，阱中通TMAl流量3μmol/min，垒中通TMAl流量5.5μmol/min。

8.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，S1所述衬底为蓝宝石衬底或蓝宝石和氮化铝的复合衬底。

9.由权利要求1～8任一权利要求所述制备方法制备得到的高亮度V型极化掺杂深紫外LED。

说明书

一种高亮度V型极化掺杂深紫外LED制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于LED制备技术领域，主要涉及一种高亮度V型极化掺杂深紫外LED制备方法。

背景技术

[0002] 紫外LED在杀菌消毒、聚合物固化、生化探测、非视距通讯及特种照明等领域有着广阔的应用前景。相比于传统紫外光源汞灯，紫外LED有着无汞环保、小巧便携、低电压、低功耗、易于集成、环保友好等许多优势，近年来技术发展和市场成长都非常迅速，成为LED领域的一个高附加值增长点。据估计其相关市场规模可高达数十亿美元，因此受到越来越多的关注和重视。

[0003] 紫外LED领域中，基于AlGaN材料的深紫外LED得到了快速的发展，但是发光功率和效率较低仍然是阻碍其发展的主要问题。一方面，高Al组分的AlGaN材料外延生长P型掺杂困难，导致P层空穴浓度较低且电阻率较高；另一方面，AlGaN材料还具有很强的极化效应，从而引起量子限制斯塔克效应，降低了LED有源区的辐射复合率。另外，由于传统的AlGaN基深紫外LED中的电子阻挡层和P-GaN接触层的带隙宽度小，它们强烈吸收从发光区发出的深紫外光，使LED器件光提取效率降低。高浓度的P型掺杂是提升紫外LED发光效率的关键，但随Al组分增加，Mg受主激活能呈线性增加，P型AlGaN空穴激活能越来越大，使LED的P型掺杂十分困难。为解决深紫外LED发光功率和效率低的问题，技术人员不断研究以寻求解决方案。

[0004] 专利CN104900767B公开了一种深紫外LED的P型掺杂层生长方法，包括：在衬底上生长核层、在所述核层上生长非掺杂结构层、在所述非掺杂结构层上生长N型掺杂层、在所述N型掺杂层上生长量子阱发光层、在所述量子阱发光层上生长P型掺杂层。其中P型掺杂层中包括在所述量子阱发光层上生长低温P型氮化嫁P-GaN、在所述低温P-GaN上生长P型铝氮化嫁P-AlGaN、在所述P-AlGaN上生长高温P-GaN、在所述高温P-GaN上生长至少三对AlGaN和AlN的超晶格结构、在AlGaN和AlN的超晶格结构上生长P型铟氮化嫁P-InGaN。专利CN107180899A公开了一种深紫外LED结构，包括衬底、位于所述衬底表面的未掺杂的缓冲层、位于所述未掺杂的缓冲层背离所述衬底表面的N型AlGaN层、位于所述N型AlGaN层背离所述衬底表面的多量子阱结构、位于所述多量子阱结构背离所述衬底表面的V型Al组分渐变的P型AlGaN结构、位于所述V型Al组分渐变的P型AlGaN结构背离所述衬底表面的P型GaN层。其中，V型Al组分渐变的P型AlGaN结构采用极化掺杂，且其中Al组分与多量子阱结构的Al组分不同。

[0005] 上述研究虽然一定程度上提高了LED发光功率和效率，但结构层中依然存在电子阻挡层或P-GaN接触层，它们强烈吸收从发光区发出的深紫外光，使LED器件光提取效率降低。

发明内容

[0006] 本发明针对现有深紫外LED结构存在的不足，提供一种高亮度V型极化掺杂深紫外LED的制备方法，提高LED的发光功率和效率。

[0007] 本发明还提供由所述制备方法制备得到的高亮度V型极化掺杂深紫外LED。

[0008] 一种高亮度V型极化掺杂深紫外LED的制备方法，包括如下步骤：

[0009] S1.在衬底上，生长厚度为15～25nm的低温氮化铝缓冲层；

[0010] S2.在低温氮化铝缓冲层上生长厚度为300～500nm的高温氮化铝缓冲层；

[0011] S3.在高温氮化铝缓冲层上生长厚度为1～1.5um的组分渐变的N型AlGaN应力释放层；所述组分渐变的N型AlGaN为AlxGa1-xN，其中x从0渐变到0.55；

[0012] S4.在组分渐变的N型AlGaN应力释放层上生长厚度为1～1.5um的N型Al0.55Ga0.45N层；

[0013] S5.在N型Al0.55Ga0.45N层上生长发光层；所述发光层为5个周期的Al0.4Ga0.6N/Al0.55Ga0.45N多量子阱有源区，其中Al0.4Ga0.6N阱层厚度为3nm，Al0.55Ga0.45N垒层厚度为10nm；

[0014] S6.在发光层上生长总厚度为90～120nm的P型AlGaN层，P型掺杂浓度为2×1017～717 -3
×10 cm ；所述P型AlGaN层中Al组分呈V形渐变，每个V形厚度为10～30nm，Al组分沿生长方向渐变规律依次为Al0.7Ga0.3N～AlxGa1-xN和AlxGa1-xN～Al0.7Ga0.3N，x为0.4～0.7；或Al组分沿生长方向渐变规律依次为AlxGa1-xN～Al0.7Ga0.3N和Al0.7Ga0.3N～AlxGa1-xN，x为0.4～
0.7。

[0015] 本发明利用V形Al组分渐变的P型AlGaN层替代常规紫外LED中P型AlGaN电子阻挡层、P型AlGaN接触层，和P型P-GaN接触层。整个V形Al组分渐变的P型AlGaN层的厚度在90～120nm之间，沿生长方向Al组分渐变规律依次为Al0.7Ga0.3N～AlxGa1-xN和AlxGa1-xN～Al0.7Ga0.3N或Al组分渐变规律依次为AlxGa1-xN～Al0.7Ga0.3N和Al0.7Ga0.3N～AlxGa1-xN。P型AlGaN层每个V字的厚度在10～30nm之间，P型掺杂浓度可从2×1017cm-3增大到7×1017cm-3。
此外，还在缓冲层上设置了应力释放层，减小应力释放，降低外延片的位错及避免外延片龟裂。本发明极大提高了LED的内量子效率和发射功率。

[0016] 在本发明中，V/III摩尔比指V族源和III族源的摩尔比。对于本领域技术人员而言，显然本发明中的Al源、Ga源、N源的具体选择不做限定，本发明选用的为：使用三甲基铝TMAl作为外延生长所需要的Al源，使用三甲基镓TMGa作为外延生长所需要的Ga源，载气选用H2，NH3提供氮源。

[0017] 优选地，S1所述低温氮化铝缓冲层的生长条件：生长温度650～670℃，压强40～50torr，氨气流量8000～9000μmol/min，V/III摩尔比为5000～5500。

[0018] 优选地，S2所述高温氮化铝缓冲层的生长条件：生长温度1050～1080℃，压强40～50torr，氨气流量8000～9000μmol/min，V/III摩尔比为5000～5500。

[0019] 优选地，S3所述组分渐变的N型AlGaN应力释放层生长条件：生长温度1050～1080℃，压强40～50torr，TMGa流量为17μmol/min，TMAl流量从2μmol/min线性增加到5.5μmol/min，SiH4流量为7～9nmol/min，氨气流量为10000～11000μmol/min。

[0020] 更优选地，所述SiH4流量从7nmol/min线性增加到9nmol/min，使得N型AlGaN应力释放层掺杂浓度从1.2×1017cm-3增加到7.9×1017cm-3。

[0021] 优选地，S4所述N型Al0.55Ga0.45N层生长条件：生长温度1050～1080℃，压强40～50torr，TMGa流量为17μmol/min，TMAl流量5.5μmol/min，SiH4流量为7～9nmol/min，氨气流量为10000～11000μmol/min。

[0022] 优选地，S5所述发光层生长条件：压强50torr，阱和垒的生长温度都是1030℃，阱和垒的氨气流量为9000μmol/min，阱和垒的TMGa流量为17μmol/min，阱中掺SiH4，其中SiH4流量为3nmol/min，阱中通TMAl流量3μmol/min，垒中通TMAl流量5.5μmol/min。

[0023] 优选地，S6所述P型AlGaN层生长条件：生长温度1050℃，压强40torr，TMGa流量为17μmol/min，氨气流量为10000～11000μmol/min，TMAl流量为2～6μmol/min；所述TMAl流量是变化的，使得生长的P型AlGaN层Al组分呈V形渐变。

[0024] 优选地，S1所述衬底为蓝宝石衬底或蓝宝石和氮化铝的复合衬底。

[0025] 对于上述低温氮化铝缓冲层、高温氮化铝缓冲层、组分渐变的N型AlGaN应力释放层、N型Al0.55Ga0.45N层、发光层、P型AlGaN层的生长，可采用本领域常规制作方法制备，例如采用MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉积)方法制作各层结构。

[0026] 一种高亮度V型极化掺杂深紫外LED，由上述高亮度V型极化掺杂深紫外LED的制备方法制备得到。

[0027] 本发明的有益效果：

[0028] 本发明针对AlGaN基深紫外LED存在的问题，提供一种P型AlGaN中Al组分呈V形渐变的AlGaN基深紫外LED外延结构的制备方法。制备的器件外延结构包括衬底，AlN缓冲层，应力释放层，N型AlGaN层，AlGaN/AlGaN多量子阱有源区，Al组分呈V形渐变的P型AlGaN层。利用Al组分呈V形渐变的P型AlGaN层增加发光效率，同时用这种V形渐变的结构替代P型AlGaN电子阻挡层、P型AlGaN接触层和P型P-GaN接触层，提高光提取效率。这种结构可以极大地提高P型层的空穴浓度，且从根本上避免P型接触层的吸光，制作工艺简单，可工业化生产。

附图说明

[0029] 图1是本发明的外延片与衬底结合剖面示意图；

[0030] 图2是本发明的V形Al组分渐变的P型AlGaN层示意图；

具体实施方式

[0031] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图和具体实施例，对本发明进一步详细说明，但本发明要求的保护范围并不局限于实施例。

[0032] 下述实施例均利用MOCVD工艺进行高亮度V型极化掺杂深紫外LED的制备。

[0033] 实施例1:

[0034] S1.在蓝宝石衬底上，先低温生长厚度为25nm的氮化铝(AlN)缓冲层，生长条件：生长温度为670℃，反应室压强为40torr，氨气流量为8000～9000μmol/min，V/III摩尔比为5000～5500，生长厚度为25纳米。

[0035] S2.在低温氮化铝(AlN)缓冲层上生长厚度为500纳米的高温氮化铝(AlN)缓冲层。生长条件：生长温度为1050℃，反应室压强为40torr，氨气流量为8000μmol/min，V/III摩尔比为5000。

[0036] S3.在高温氮化铝(AlN)缓冲层上生长1.5微米厚的组分渐变的N型AlGaN应力释放层。生长条件：生长温度为1050℃，反应室压强为40torr，TMGa流量为17μmol/min，TMAl流量为2～5.5μmol/min，SiH4流量为7～9nmol/min，氨气流量为10000μmol/min，生长厚度1.5微米。

[0037] 生长过程中TMAl和SiH4流量都是变化的，TMAl变化使得生长的AlxGa1-xN是组分渐变(x:0～0.55)。SiH4流量变化从7nmol/min线性增加到9nmol/min，使得N型AlGaN掺杂浓度17 -3 17 -3
从1.2×10 cm 增加到7.9×10 cm 。

[0038] S4.在组分渐变的N型AlGaN层上生长N型Al0.55Ga0.45N层，生长条件：生长温度为1050℃，反应室压强为40torr，氨气流量为8000μmol/min，TMGa流量为17μmol/min，TMAl流量5.5μmol/min，SiH4流量9nmol/min，氨气流量为10000μmol/min，生长厚度1.5微米。

[0039] S5.在N型Al0.55Ga0.45N层上生长深紫外发光层，即生长5个周期的Al0.4Ga0.6N/Al0.55Ga0.45N多量子阱有源区，其中Al0.4Ga0.6N阱层厚度为3nm，Al0.55Ga0.45N垒层厚度为10nm。生长条件：反应室压强50torr，阱和垒的生长温度都是1030℃，阱和垒的氨气流量为
9000μmol/min，阱和垒的TMGa流量为17μmol/min，阱中掺SiH4，其中SiH4流量为3nmol/min，阱中通TMAl流量3μmol/min，垒中通TMAl流量5μmol/min。

[0040] S6.在深紫外发光层上，生长总厚度为100nm的V形Al组分渐变的P型AlGaN层，每个V形厚度为10nm，P型掺杂浓度为2×1017cm-3，Al组分沿生长方向渐变规律依次为Al0.7Ga0.3N～Al0.5Ga0.5N和Al0.5Ga0.5N～Al0.7Ga0.3N。生长条件：生长温度1050℃，反应室压强均为40torr，生长过程中TMGa流量为17μmol/min，氨气流量为10000～11000μmol/min，TMAl流量为2～6μmol/min；生长过程中TMAl流量是变化的，使得P型AlGaN层Al组分呈V形渐变。

[0041] 实施例2:

[0042] S1.在蓝宝石和氮化铝的复合衬底(Al2O3/AlN)上，先低温生长厚度为15nm的氮化铝(AlN)缓冲层，生长条件：生长温度为650℃，反应室压强为50torr，氨气流量为9000μmol/min，V/III摩尔比为5000～5500。

[0043] S2.在低温氮化铝(AlN)缓冲层上生长厚度为300纳米的高温氮化铝(AlN)缓冲层。生长条件：生长温度为1080℃，反应室压强为50torr，氨气流量为9000μmol/min，V/III摩尔比为5500。

[0044] S3.在高温氮化铝(AlN)缓冲层上生长1微米厚的组分渐变的N型AlGaN应力释放层。生长条件：生长温度为1080℃，反应室压强为50torr，TMGa流量为17μmol/min，TMAl流量2～5.5μmol/min，SiH4流量为7～9nmol/min，氨气流量为11000μmol/min。生长过程中TMAl和SiH4流量都是变化的，TMAl流量变化使得生长的AlxGa1-xN是组分渐变(x:0～0.55)，SiH4
17 -3
流量变化从7nmol/min线性增加到9nmol/min，使得N型AlGaN掺杂浓度从1.2×10 cm 增大到7.9×1017cm-3。

[0045] S4.在组分渐变的N型AlGaN应力释放层上生长N型Al0.55Ga0.45N层，生长条件：生长温度为1080℃，反应室压强为50torr，TMGa流量为17μmol/min，TMAl流量为5.5μmol/min，SiH4流量为7nmol/min，氨气流量为11000μmol/min，生长厚度1微米。

[0046] S5步骤与实施例1相同。

[0047] S6.在深紫外发光层上，生长总厚度为120nm的V形Al组分渐变的P型AlGaN层，每个V形厚度为30nm，P型掺杂浓度为7×1017cm-3，Al组分沿生长方向渐变规律依次为Al0.7Ga0.3N～Al0.4Ga0.6N和Al0.4Ga0.6N～Al0.7Ga0.3N。生长条件：生长温度为1050℃，反应室压强40torr，生长过程中TMGa流量为17μmol/min，氨气流量为10000～11000μmol/min，TMAl流量2～6μmol/min。生长过程中TMAl流量是变化的，使得P型AlGaN层Al组分呈V形渐变。

[0048] 实施例3:

[0049] S1～S5步骤与实施例1相同。

[0050] S6.在深紫外发光层上，生长总厚度为110nm的V形Al组分渐变的P型AlGaN层，每个V形厚度为12.22nm，其它与实施例1相同。

[0051] 实施例4:

[0052] S1～S5步骤与实施例1相同。

[0053] S6.在深紫外发光层上，生长总厚度为90nm的V形Al组分渐变的P型AlGaN层，每个V形厚度为10nm，Al组分沿生长方向渐变规律依次为Al0.7Ga0.3N～Al0.55Ga0.45N和Al0.55Ga0.45N～Al0.7Ga0.3N，其它与实施例1相同。

[0054] 实施例5:

[0055] S1～S5步骤与实施例1相同。

[0056] S6.在深紫外发光层上，生长总厚度为90nm的V形Al组分渐变的P型AlGaN层，每个V形厚度为10nm，Al组分沿生长方向渐变规律依次为Al0.4Ga0.6N～Al0.7Ga0.3N和Al0.7Ga0.3N～Al0.4Ga0.6N，其它与实施例1相同。

[0057] 对比例1：

[0058] S1～S5步骤与实施例1相同。

[0059] S6.在深紫外发光层上，生长20nm的Al0.6Ga0.4N的电子阻挡层，生长厚度70nm的P型Al0.55Ga0.45N和厚度为10nm的P-GaN接触层，其它与实施例1相同(常规结构)。

[0060] 对比例2：

[0061] S1～S5步骤与实施例1相同。

[0062] S6.在深紫外发光层上，生长厚度为90nm的Al0.6Ga0.4N/Al0.6Ga0.4N超晶格作电子阻挡层和P型层，在P型层上生长厚度为10nm的P-GaN接触层，其它与实施例1相同。

[0063] 对比例3：

[0064] 与实施例1相比，去掉S2步骤，其它步骤与实施例1相同。

[0065] 对比例4：

[0066] 与实施例1相比，去掉S3步骤，其它步骤与实施例1相同。

[0067] LED输出功率分析

[0068] 根据实施方案，实验制备了实施列1-5和对比列1-4的九个样品，然后对样品进行芯片制备和封装。封装后测试其光输出功率如下表所示。

[0069] 表1

[0070]

[0071] 通过表1可知，实施列1-5的样品的输出功率高于对比列1-4的样品。

[0072] 根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。