In-Si共掺杂量子阱的AlGaN基深紫外LED外延结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及属于深紫外LED外延结构技术领域，特别涉及一种In-Si共掺杂量子阱的AlGaN基深紫外LED外延结构及其制备方法。

背景技术

目前深紫外LED的电光效率普遍在3-5％之间，主要是由于AlN模板的晶体质量较差、量子阱内量子效率较低、光提取效率较低，其中内量子效率一般在80％以下，存在一定的提升空间，影响内量子效率的主要因素有：强的极化电场引起量子阱中的空穴和电子波函数重叠减少，降低了辐射复合几率；蓝宝石衬底上生长的AlN模板中的位错延伸到量子阱区域，降低辐射复合发光；低AlN组分量子阱中本身的点缺陷密度较大，导致非辐射复合中心增加；载流子的限制能力较弱，电子容易泄露，同时空穴注入不足，导致辐射复合较少。其中量子阱中的非辐射复合中心是目前影响量子阱内量子效率的一个主要因素，这关系到后续器件工作过程中的可靠性，非辐射复合中心在大电流、高温下会进一步增多，从而使器件的电光效率降低，因此，急需从结构设计和生长方面解决这一问题。

公开号“CN111063753B”，名称为“一种利用Mg掺杂量子阱增强发光效率的AlGaN基深紫外LED外延结构及其制备方法”，其公开了一种利用Mg掺杂量子阱增强发光效率的AlGaN基深紫外LED外延结构及其制备方法，其在LED的多量子阱有源发光层的阱层中间三分之一进行Mg杂质掺杂，以提高LED的内量子效率和光提取效率。其虽然采用Mg掺杂多量子阱结构来抑制量子限制斯塔克效应，但是多量子阱因为Al组分相对较低，生长的材料质量较差，存在大量的非辐射复合中心，可靠性相对不够理想。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种In-Si共掺杂量子阱的AlGaN基深紫外LED外延结构及其制备方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：

一种In-Si共掺杂量子阱的AlGaN基深紫外LED外延结构，衬底为蓝宝石或者AlN单晶，其包括按从下至上的顺序依次分布衬底、低温AlGaN缓冲层、高温AlN层、AlGaN/AlGaN超晶格应力缓冲层、n型AlGaN层、有源发光区AlGaN/AlGaN多量子阱、电子阻挡p型AlGaN层、电流扩展p型AlGaN层和p型GaN接触层，所述有源发光区AlGaN/AlGaN多量子阱包括周期性重复叠设的垒层和阱层，所述阱层进行In-Si共掺杂。

作为本发明的一种优选方案，n型或p型AlGaN的组分为30-85％。所述的有源发光区AlGaN/AlGaN多量子阱的量子垒的组分为40-65％。所述的有源发光区AlGaN/AlGaN多量子阱的量子阱的组分为40-65％。所述的垒层和阱层的厚度为1-20nm。

一种上述的In-Si共掺杂量子阱的AlGaN基深紫外LED外延结构的制备方法，其包括以下步骤：

(1)清洁处理：将所述衬底在温度1200～1400℃、压力75～200torr、H

(2)生长低温AlN缓冲层：在温度900～1000℃、压力20～80torr、V/III比为100～4000、H

(3)生长高温AlN层：在温度1100～1400℃、压力20～80torr、V/III比为100～4000、H

(4)生长AlGaN/AlGaN超晶格应力调控层：在温度1100～1400℃、压力20～80torr、V/III比为100～4000、H

(5)生长n型AlGaN层：在温度1100～1400℃、压力20～80torr、V/III比为100～4000、H

(6)生长有源发光区AlGaN/AlGaN多量子阱：在温度1100～1400℃、压力20～80torr、V/III比为100～4000、H

(7)生长电子阻挡p型AlGaN层：在温度1200～1400℃、压力100～200torr、V/III比为100～4000、H

(8)生长电流扩展p型AlGaN层：在温度1200～1400℃、压力100～200torr、V/III比为100～4000、H

(9)生长p型GaN接触层：在温度1200～1400℃、压力100～200torr、V/III比为100～4000、H

(10)退火：将所述In-Si共掺杂量子阱的AlGaN基深紫外LED外延结构在温度600～1100℃、压力100～200torr、N

本发明的有益效果为：本发明在多量子阱区域引入In-Si共掺杂原子，能够实现对多量子阱有源区的非辐射复合中心的湮灭，除了能实现Mg掺杂量子阱一样的提升内量子效率以外，增强有源区的辐射复合发光，提升深紫外LED外延结构的内量子效率，同时In-Si原子能钳制住高温下的位错迁移，能够抑制器件在长时间工作过程中的非辐射复合中心的增多，降低非辐射复合中心，提升器件长时间工作条件下的可靠性。

下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。

附图说明

图1为本发明In-Si共掺杂量子阱AlGaN基深紫外LED外延结构的结构示意图；

图2为图1中多量子阱有源发光区AlGaN/AlGaN的结构示意图；

图3为In-Si共掺杂量子阱结构的外延生长时序图；

图4为实施例1所制备的具有In-Si共掺杂与非掺杂量子阱AlGaN基深紫外LED的实验光输出功率对比图；

图5为实施例1所制备的具有In-Si共掺杂与非掺杂量子阱AlGaN基深紫外LED的实验168小时光衰对比图。

具体实施方式

实施例1：本实施例提供的一种In-Si共掺杂量子阱的AlGaN基深紫外LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)把C面蓝宝石作为衬底放置在MOCVD的石墨载盘中，在温度1200～1400℃、压力75～200torr、H

(2)在温度950℃、压力80torr、V/III比为1000、H

(3)在温度1300℃、压力80torr、V/III比为1000、H

(4)在温度1250℃、压力20～80torr、V/III比为2000、H2和N2混合气作为载气的条件下，在反应室通入Ga源、Al源、氨气，生长AlGaN/AlGaN超晶格应力调控层，Al组分分别为80％和60％，厚度分别为1.5nm和2nm，总厚度为500nm；

(5)在温度1200℃、压力80torr、V/III比为2000、H

(6)在温度1200℃、压力80torr、V/III比为3000、H2和N2混合气作为载气，在反应室通入Ga源、Al源、氨气，生长有源发光区AlGaN/AlGaN多量子阱，量子阱周期数为4～8个，在生长阱层过程中的通入In源、SiH

(7)在温度1200℃、压力200torr、V/III比为2000、H

(8)在温度1200℃、压力200torr、V/III比为2000、H

(9)在温度1000℃、压力200torr、V/III比为1000、H

(10)在温度950℃、压力100torr、N

实施例2：本实施例提供的一种In-Si共掺杂量子阱的AlGaN基深紫外LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)把C面蓝宝石作为衬底放置在MOCVD的石墨载盘中，在温度1200～1400℃、压力75～200torr、H

(2)在温度950℃、压力80torr、V/III比为1000、H

(3)在温度1300℃、压力80torr、V/III比为1000、H

(4)在温度1250℃、压力20～80torr、V/III比为2000、H

(5)在温度1200℃、压力80torr、V/III比为2000、H

(6)在温度1200℃、压力80torr、V/III比为3000、H

区别于具体实施例1，实施例2的有源区发光区，In-Si只在量子阱中间1/3区域进行掺杂，In的掺杂浓度为5e19cm

其他变化类型：

A、In在量子阱的前后1/3区域掺杂，Si中间1/3区域掺杂，In的掺杂浓度为5e19cm

B、Si在量子阱的前后1/3区域掺杂，In中间1/3区域掺杂，In的掺杂浓度为5e19cm

C、In在量子阱的中间1/3区域掺杂，其余为非掺杂，In的掺杂浓度为5e19cm

D、Si在量子阱的中间1/3区域掺杂，其余为非掺杂，Si的掺杂浓度为5e17cm

(7)在温度1200℃、压力200torr、V/III比为2000、H

(8)在温度1200℃、压力200torr、V/III比为2000、H

(9)在温度1000℃、压力200torr、V/III比为1000、H

(10)在温度950℃、压力100torr、N

以上所述，仅是本发明的一较佳实施例，并非对本发明的技术范围作任何限制。故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

参见图4，为实施例1所制备的具有In-Si共掺杂与非掺杂量子阱AlGaN基深紫外LED的实验光输出功率对比图。参见图5，为实施例1所制备的具有In-Si共掺杂与非掺杂量子阱AlGaN基深紫外LED的实验168小时光衰对比图。通过图4和图5，可以得知本发明在多量子阱区域引入In-Si共掺杂原子，能增强有源区的辐射复合发光，提升深紫外LED外延结构的内量子效率，同时In-Si原子能钳制住高温下的位错迁移，光衰速度慢，能提升器件长时间工作条件下的可靠性。

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，对本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，采用与其相同或相似的其它结构及方法，均在本发明保护范围内。