一种紫外LED外延结构
阅读：638发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种紫外LED外延结构专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种紫外LED 外延 结构。这种紫外LED外延结构包括 自下而上 依次设置的衬底、 缓冲层 、n型AlGaN层、多 量子阱 区、复合结构区和p型GaN层；其中，复合结构区自下而上依次由AlxGa1‑xN凹层、p型AlyGa1‑yN 电子 阻挡层和p型AlzGa1‑zN空穴注入层组成。本发明通过单独或联合调控复合结构区的各部分AlGaN的Al组分，获得的复合结构区既能减少多量子阱区的电子 泄漏 ，又能增加空穴注入。本发明提供的外延结构能增强 辐射 复合，提高紫外LED的光输出功率。，下面是一种紫外LED外延结构专利的具体信息内容。
1.一种紫外LED外延结构，其特征在于：包括自下而上依次设置的衬底、缓冲层、n型AlGaN层、多量子阱区、复合结构区和p型GaN层；所述复合结构区自下而上依次由AlxGa1-xN层、p型AlyGa1-yN电子阻挡层和p型AlzGa1-zN空穴注入层组成；所述AlxGa1-xN层包括相同或不同x组分的AlxGa1-xN；所述p型AlyGa1-yN电子阻挡层包括相同或不同y组分的p型AlyGa1-yN；所述p型AlzGa1-zN空穴注入层包括相同或不同z组分的p型AlzGa1-zN；0
2.根据权利要求1所述的一种紫外LED外延结构，其特征在于：通过调控p型AlyGa1-yN电子阻挡层的y值，形成单峰或多峰结构。
3.根据权利要求2所述的一种紫外LED外延结构，其特征在于：所述p型AlyGa1-yN电子阻挡层中，y值大于多量子阱区的垒层Al组分数值。
4.根据权利要求1所述的一种紫外LED外延结构，其特征在于：通过调控p型AlzGa1-zN空穴注入层的z值，形成单峰或多峰结构。
5.根据权利要求4所述的一种紫外LED外延结构，其特征在于：所述p型AlzGa1-zN空穴注入层中，z值大于或等于多量子阱区的垒层Al组分数值。
6.根据权利要求2或4所述的一种紫外LED外延结构，其特征在于：所述单峰或多峰结构中，峰的形状选自三角峰、矩形峰、梯形峰中的一种或多种；多峰结构是由多个相同峰形或者多个不同峰形任意组合形成。
7.根据权利要求1所述的一种紫外LED外延结构，其特征在于：通过调控x、y、z中任意一种、两种或三种，实现复合结构区的结构改变。
一种紫外LED外延结构
技术领域
背景技术
[0002] 紫外(UV)LED是LED的一种。与目前市面上使用的汞灯、氙灯和氘灯等传统紫外光源相比，紫外LED具有长寿命、冷光源、无热辐射、寿命不受开闭次数影响、能量高以及不含有毒物质等优点，可望取代传统紫外光源，成为新一代的短波长光源。
[0003] 紫外LED有巨大的应用价值，比如生化检测，空气和水净化，高密度光学存储，紫外固化和医学治疗等。对于太阳盲区(小于280nm)的深紫外LED，可以应用于通信和科学分析等领域，因此紫外LED的市场潜力很大。目前紫外LED是以AlGaN作为结构生长的主要材料，其基本结构包括：AlN缓冲层、n型AlGaN层、AlGaN多量子阱层、AlGaN电子阻挡层、AlGaN空穴注入层和p型GaN层。
[0004] 虽然最近几年紫外LED得到业界的重视，但发展很缓慢，并不像可见光LED那样能快速实现大规模生产和市场应用，一种原因是受到量产率低、生产成本高影响，更重要原因是当前紫外LED的技术不成熟，LED内量子效率较低，LED发出的光功率不高，影响产品的应用价值。若要加快紫外LED的技术创新和产业发展，就离不开继续提高紫外LED的内量子效率和光功率等核心技术指标，而LED内量子效率和光功率的提高就需要优化LED的外延结构。因此设计提高紫外LED光输出功率的外延结构是很重要的工作。
发明内容
[0005] 为了解决传统紫外LED存在的内量子效率和光输出功率低的问题，本发明的目的在于提供一种紫外LED外延结构。
[0006] 为了实现上述的目的，本发明所采取的技术方案是：
[0007] 一种紫外LED外延结构，包括自下而上依次设置的衬底、缓冲层、n型AlGaN层、多量子阱区、复合结构区和p型GaN层；其中，复合结构区自下而上依次由AlxGa1-xN凹层、p型AlyGa1-yN电子阻挡层和p型AlzGa1-zN空穴注入层组成；AlxGa1-xN凹层包括相同或不同x组分的AlxGa1-xN；p型AlyGa1-yN电子阻挡层包括相同或不同y组分的p型AlyGa1-yN；p型AlzGa1-zN空穴注入层包括相同或不同z组分的p型AlzGa1-zN；0
[0008] 进一步的，本发明提供的紫外LED外延结构自下而上依次是衬底、AlN缓冲层、n型AlGaN层、AlGaN多量子阱区、AlxGa1-xN凹层、p型AlyGa1-yN电子阻挡层、p型AlzGa1-zN空穴注入+层、p型GaN层；其中，n型AlGaN层可细分为n-AlGaN层和n-AlGaN层。
[0009] 在本发明中，x、y、z分别表示AlxGa1-xN凹层、p型AlyGa1-yN电子阻挡层和p型AlzGa1-zN空穴注入层的Al组分数值。
[0010] 优选的，这种紫外LED外延结构中，AlxGa1-xN凹层位于多量子阱区最后的垒层与p型AlyGa1-yN电子阻挡层之间。
[0011] 优选的，这种紫外LED外延结构中，调控AlxGa1-xN凹层的x值大于多量子阱区的阱层Al组分数值，且等于或小于多量子阱区的垒层Al组分数值，使AlxGa1-xN凹层相对于多量子阱区的垒层分别相平或下凹；进一步说明，调控AlxGa1-xN凹层的x值大于多量子阱区的阱层Al组分数值，且等于多量子阱区的垒层Al组分数值，使AlxGa1-xN凹层相对于多量子阱区的垒层相平；或者是调控AlxGa1-xN凹层的x值大于多量子阱区的阱层Al组分数值，且小于多量子阱区的垒层Al组分数值，使AlxGa1-xN凹层相对于多量子阱区的垒层下凹。
[0012] 优选的，这种紫外LED外延结构中，当AlxGa1-xN凹层相对于多量子阱区的垒层下凹时，下凹的形状为矩形、倒三角形或倒梯形。
[0013] 优选的，这种紫外LED外延结构中，当AlxGa1-xN凹层包括不相同x组分的AlxGa1-xN时，不相同x组分的AlxGa1-xN包括渐变的AlxGa1-xN，所述渐变的方式选自线性渐变或阶梯渐变。
[0014] 优选的，这种紫外LED外延结构中，当p型AlyGa1-yN电子阻挡层包括不相同y组分的p型AlyGa1-yN时，通过调控p型AlyGa1-yN电子阻挡层的y值，可以形成单峰或多峰结构。
[0015] 优选的，这种紫外LED外延结构中，p型AlyGa1-yN电子阻挡层中，至少有一组分的y值大于多量子阱区的垒层Al组分数值。
[0016] 优选的，这种紫外LED外延结构中，当p型AlyGa1-yN电子阻挡层包括不相同y组分的p型AlyGa1-yN时，不相同y组分的p型AlyGa1-yN包括渐变的p型AlyGa1-yN，所述渐变的方式选自线性渐变或阶梯渐变。
[0017] 优选的，这种紫外LED外延结构中，当p型AlzGa1-zN空穴注入层包括不相同z组分的p型AlzGa1-zN时，通过调控p型AlzGa1-zN空穴注入层的z值，可以形成单峰或多峰结构。
[0018] 优选的，这种紫外LED外延结构中，p型AlzGa1-zN空穴注入层中，至少有一组分的z值大于或等于多量子阱区的垒层Al组分数值。
[0019] 优选的，这种紫外LED外延结构中，当p型AlzGa1-zN空穴注入层包括不相同z组分的p型AlzGa1-zN时，不相同z组分的p型AlzGa1-zN包括渐变的p型AlzGa1-zN，所述渐变的方式选自线性渐变或阶梯渐变。
[0020] 优选的，这种紫外LED外延结构所述的p型AlyGa1-yN电子阻挡层或p型AlzGa1-zN空穴注入层，形成的单峰或多峰结构中，峰的形状选自三角峰、矩形峰、梯形峰中的一种或多种；多峰结构是由多个相同峰形或者多个不同峰形任意组合形成。
[0021] 在本发明中，多峰结构所述的“多个”是指两个或者两个以上。
[0022] 优选的，这种紫外LED外延结构中，通过调控x、y、z中任意一种、两种或三种，实现复合结构区的结构改变；进一步的，单独调控AlxGa1-xN凹层、p型AlyGa1-yN电子阻挡层或p型AlzGa1-zN空穴注入层中任意一种结构层的Al组分(x、y、z中的任意一种)，再配合传统紫外LED复合结构区的其它部分来实现结构改变；或者，同时调控AlxGa1-xN凹层、p型AlyGa1-yN电子阻挡层和p型AlzGa1-zN空穴注入层中任意两种结构层的Al组分(x、y、z中的任意两种)，再配合传统紫外LED复合结构区的其它部分结构来实现结构改变；或者，同时调控AlxGa1-xN凹层、p型AlyGa1-yN电子阻挡层和p型AlzGa1-zN空穴注入层中三种结构层的Al组分(x、y、z这三种)来实现结构改变。
[0023] 本发明的有益效果是：
[0024] 本发明通过单独或联合调控复合结构区的各部分AlGaN的Al组分，获得的复合结构区既能减少多量子阱区的电子泄漏，又能增加空穴注入。本发明提供的外延结构能增强辐射复合，提高紫外LED的光输出功率。
[0025] 与现有技术相比，本发明的优点具体如下：
[0026] 1)为了改善LED发光性能，现有技术主要是针对LED外延结构的某一单层进行改进设计，而本发明提供的LED外延结构设计，是对LED的复合结构区进行整体的多部分设计。相对于现有的单层设计，本发明提供这种多部分结构的设计思想有更大的调控灵活性。
[0027] 2)本发明提供的多部分结构设计，既考虑某一层结构设计的特点，又能考虑到该层对临近层的影响，通过对多部分结构进行整体考虑并共同优化设计来获得最大效果，这样更能提升LED的发光效率和光输出功率，而现有的技术没有这样去设计。
[0028] 3)本发明提出在复合结构区设计了AlxGa1-xN凹层，可将电子有效限制在多量子阱区。设计了不同y组分的p型AlyGa1-yN电子阻挡层，是为了减少电子在p型区的泄露，从而进一步把电子限制在多量子阱区，同时不同y组分的p型AlyGa1-yN电子阻挡层设计对空穴注入到多量子阱区也有帮助。设计不同z组分的p型AlzGa1-zN空穴注入层，起着储层和传输空穴的作用，使p型GaN的空穴能更有效地向多量子阱区注入。通过这样的复合结构区设计，能够明显抑制电子泄漏，同时增加空穴注入到多量子阱区中，增强电子与空穴的辐射复合率，从而提高LED的内量子效率和光输出功率。附图说明
[0029] 图1是本发明紫外LED外延结构的示意图；
[0030] 图2是本发明紫外LED外延结构不同实施例的复合结构区中的Al组分变化示意图；
[0031] 图3是实施例1和传统紫外LED外延结构的发光光谱图；
[0032] 图4是实施例1和传统紫外LED外延结构的光输出功率图；
[0033] 图5是实施例2和传统紫外LED外延结构的发光光谱图；
[0034] 图6是实施例2和传统紫外LED外延结构的光输出功率图；
[0035] 图7是实施例3和传统紫外LED外延结构的发光光谱图；
[0036] 图8是实施例3和传统紫外LED外延结构的光输出功率图；
[0037] 图9是实施例4和传统紫外LED外延结构的发光光谱图；
[0038] 图10是实施例4和传统紫外LED外延结构的内量子效率图；
[0039] 图11是实施例4和传统紫外LED外延结构的光输出功率图。
具体实施方式
[0040] 附图1是本发明紫外LED外延结构的示意图。参见图1可知，本发明提供的紫外LED外延结构自下而上依次是蓝宝石衬底、AlN缓冲层、n+-AlGaN层、n-AlGaN层、AlGaN多量子阱区、AlxGa1-xN凹层、p型AlyGa1-yN电子阻挡层、p型AlzGa1-zN空穴注入层、p型GaN层。
[0041] 以下结合图1，通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。实施例中所用的原料如无特殊说明，均可从常规商业途径得到。实施例中所提及的制备或测试方法如无特殊说明，均为本领域的常规方法。
[0042] 对比例(传统LED结构)
[0043] 传统紫外LED外延结构是在蓝宝石(Al2O3)衬底上首先生长一层厚度约1.5μm的AlN缓冲层，接着依次生长浓度为8×1018cm-3的n型Al0.65Ga0.35N层(厚度为2μm，Si掺杂)、浓度为5×1018cm-3的n型Al0.65Ga0.35N层(厚度为2μm，Si掺杂)、5周期Al0.65Ga0.35N/Al0.55Ga0.45N多量子阱区(Al0.65Ga0.35N和Al0.55Ga0.45N厚度分别为10nm和3nm)、浓度为3×1017cm-3的p型Al0.75Ga0.25N电子阻挡层(厚度为30nm，Mg掺杂)，浓度为3×1017cm-3的p型Al0.65Ga0.35N空穴注入层(厚度为15nm，Mg掺杂)和浓度为5×1017cm-3的p型GaN层(厚度为0.1μm，Mg掺杂)，p电极是由Ni/Au构成，n电极是由Ti/Al/Ti/Au构成。紫外LED的外延结构是采用MOCVD生长技术获得。
[0044] 实施例1
[0045] 与传统结构不同的是，本实施例是把紫外LED复合结构区的电子阻挡层设计为双梯形峰结构(类似双驼峰结构)，而传统结构的电子阻挡层仅为单一Al组分层。附图2是本发明紫外LED外延结构不同实施例的复合结构区中的Al组分变化示意图，本例的结构详见图2中的实施例1结构示意图。这里的双梯形峰结构采用的是Mg掺杂的多Al组分电子阻挡层，依次为2nm厚p-Al0.82Ga0.18N、8nm厚p-AlGaN渐变层(从Al0.82Ga0.18N线性渐变为Al0.65Ga0.35N)、10nm厚p-Al0.65Ga0.35N、2nm厚p-Al0.82Ga0.18N和8nm厚p-AlGaN渐变层(从Al0.82Ga0.18N线性渐变为Al0.65Ga0.35N)，双梯形峰材料的p型掺杂浓度都为3×1017cm-3。本实施例的其他结构层参数与传统结构相同，采用的外延结构生长技术、工艺条件与传统结构也相同。
[0046] 为了比较两个不同外延结构的光电性能，先把传统结构和实施例1的紫外LED外延片切割成相同尺寸的LED芯片(300μm×300μm)，接着对它们进行光电测量。补充说明的是，紫外LED芯片在电流驱动下紫外光是从多量子阱区发出，并经蓝宝石衬底向外射出。传统结构(对比例)和实施例1的LED发光光谱图以及光输出功率图分别如附图3和附图4所示。由图3得知，实施例1和传统结构的紫外LED发出的光谱峰相同，为273nm，处于深紫外波段。但在相同工作电流下，由图4可知，实施例1比传统结构的紫外LED有更好的光输出功率，这表明实施例1有更好的光电性能。
[0047] 实施例2
[0048] 本实施例与传统结构有两点不同，在复合结构区采用AlxGa1-xN凹层以及在p型空穴注入层增设一个矩形峰。通过调控AlxGa1-xN材料的Al组分，实现凹层的倒梯形峰结构，详见附图2中的实施例2结构示意图。凹层的倒梯形峰结构是由2nm厚AlGaN渐变层(由Al0.65Ga0.35N线性渐变为Al0.58Ga0.42N)和2nm厚Al0.58Ga0.42N组成，而空穴注入层是由Mg掺杂浓度为3×1017cm-3的6nm厚p-Al0.65Ga0.35N、3nm厚p-Al0.82Ga0.18N和6nm厚p-Al0.65Ga0.35N材料组成，其他结构层参数与传统结构相同。采用的外延结构生长技术、工艺条件与传统结构也相同。
[0049] 为了对传统结构与实施例2的LED光电性能进行比较，先把实施例2的LED外延片切割成传统结构的芯片尺寸(300μm×300μm)，再进行光电性能测试。传统结构(对比例)和实施例2的LED发光光谱图以及光输出功率图分别如附图5和附图6所示。由图5得知，实施例2与传统结构的LED芯片发出相同的峰值波长(273nm)，但由图6可知，实施例2的光输出功率更高(相同工作电流下比较)，所以实施例2比传统结构有更好光电特性。
[0050] 实施例3
[0051] 本实施例与传统结构不同的是：在复合结构区的电子阻挡层中设计三个峰，为三角峰、矩形峰和三角峰组合，在空穴注入层中设置了一个高峰(由一个矩形峰和一个三角峰叠加而成)，详见附图2中的实施例3结构示意图。电子阻挡层的材料结构依次为Mg掺杂浓度为3×1017cm-3的6nm厚渐变层(由Al0.86Ga0.14N线性渐变为Al0.65Ga0.35N)、7nm厚Al0.65Ga0.35N、4nm厚Al0.75Ga0.25N、7nm厚Al0.65Ga0.35N和6nm厚渐变层(由Al0.86Ga0.14N线性渐变为Al0.65Ga0.35N)。而空穴注入层是由Mg掺杂浓度为3×1017cm-3的3nm厚Al0.65Ga0.35N、4.5nm厚渐变层(由Al0.75Ga0.25N线性渐变为Al0.86Ga0.14N)、4.5nm厚渐变层(由Al0.86Ga0.14N线性渐变为Al0.75Ga0.25N)和3nm厚Al0.65Ga0.35N材料组成。其他结构层参数与传统结构相同。采用的外延结构生长技术、工艺条件与传统结构也相同。
[0052] 为了与传统结构作光电性能比较，先把实施例3的LED外延片切割成传统结构的芯片尺寸(300μm×300μm)，再进行光电性能测试。传统结构(对比例)和实施例3的LED发光光谱图以及光输出功率图分别如附图7和附图8所示。由图7得知，在120mA的正向电流驱动下，实施例3和传统结构的LED芯片发出相同的峰值波长(273nm)。但由图8可知，实施例3发出的光谱面积更大，有更多的光能量输出。图8的结果进一步证实实施例3比传统结构的LED芯片有更高的光输出功率(相同工作电流下比较)，因此实施例3比传统结构有更好的光电性质。
[0053] 实施例4
[0054] 本实施例与传统结构不同的是：通过调控Al组分，在复合结构区设置了倒三角形的AlxGa1-xN凹层、电子阻挡层中设置了一个三角峰和一个矩形峰、空穴注入层中设置了一个三角峰，详见附图2中的实施例4结构示意图。AlxGa1-xN凹层的材料是采用4nm厚的渐变层(由Al0.65Ga0.35N线性渐变为Al0.58Ga0.42N)，电子阻挡层的材料结构依次为Mg掺杂浓度为3×1017cm-3的7nm厚渐变层(由Al0.86Ga0.14N线性渐变为Al0.65Ga0.35N)、16nm厚Al0.65Ga0.35N和7nm厚Al0.86Ga0.14N组成，而空穴注入层是由Mg掺杂浓度为3×1017cm-3的3nm厚Al0.65Ga0.35N、9nm厚渐变层(由Al0.86Ga0.14N线性渐变为Al0.65Ga0.35N)和3nm厚Al0.65Ga0.35N组成。其他结构层参数与传统结构相同。采用的外延结构生长技术、工艺条件与传统结构也相同。
[0055] 为了与传统结构作比较，先把实施例4的LED外延片切割成传统结构的芯片尺寸(300μm×300μm)，再进行光电性能分析，传统结构(对比例)和实施例4的LED发光光谱图、内量子效率图以及光输出功率图分别如附图9、附图10和附图11所示。由图9得知，实施例4和传统结构的LED芯片在120mA驱动电流下都发出峰值波长为273nm的光谱，但实施例4发出的光谱面积更大，有更多的光能量输出。图10的结果指出实施例4比传统结构的紫外LED有更好的内量子效率，特加是在大电流驱动下，两者的内量子效率差别更明显，这主要是因为实施例4的外延结构更有利于限制电子的泄露，增加空穴的注入，从而增强多量子阱区的辐射复合，所以实施例4发出的光谱面积比传统结构的要大。图11的结果进一步证实实施例4比传统结构的LED芯片有更高的光功率输出(相同工作电流下比较)，因此实施例4比传统结构有更好的光电优势。
[0056] 以上实施例中复合结构区的结构层形状、厚度和掺杂浓度等工艺参数均为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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