氮化鎵基紫外與深紫外LED關(guān)鍵技術(shù)

2015年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

主要完成人：郝 躍，李培咸，林科闖，李晉閩，張國(guó)華，王軍喜，馬曉華，閆建昌，蔡偉智，高 英

主要完成單位：西安電子科技大學(xué)，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，三安光電股份有限公司，青島杰生電氣有限公司，西安中為光電科技有限公司

圖1為2017年5月以前的技術(shù)中的紫外AlGaNLED外延結(jié)構(gòu)；

圖2為《具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法》實(shí)施例1中的紫外AlGaNLED外延結(jié)構(gòu)；

圖3為《具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法》實(shí)施例2中的紫外AlGaNLED外延結(jié)構(gòu)。

《具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法》涉及一種紫外LED的外延結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法，屬于發(fā)光二極管（Light-EmittingDiode，簡(jiǎn)稱LED）技術(shù)領(lǐng)域。

具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法專利目的

《具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法》提供了一種具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法，該外延結(jié)構(gòu)具有提供量子點(diǎn)的量子阱結(jié)構(gòu)，從而提高了電子空穴復(fù)合幾率，解決了AlGaN量子阱中因無(wú)量子點(diǎn)導(dǎo)致的復(fù)合幾率非常低的問(wèn)題。

具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法技術(shù)方案

《具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法》提供一種具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，包括如下步驟：1）在襯底上，從下至上依次生長(zhǎng)緩沖層、非摻雜層、N型摻雜層；2）在所述N型摻雜層上生長(zhǎng)Q個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)，所述每個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)包含量子阱層和量子壘層AlyGa1-yN，并且所述量子阱層包含M個(gè)AlxGa1-xN-GaN量子點(diǎn)，其中，1≤Q≤50，1≤M≤10，0＜x＜1，0＜y＜1，x＜y，且Q、M均為正整數(shù)；3）在所述Q個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)上，從下至上依次生長(zhǎng)電子阻擋層、P型摻雜AlvGa1-vN層和P型摻雜GaN層，其中，0＜v＜1，v＞y。步驟1）中，首先是在襯底上生長(zhǎng)緩沖層。由于LED外延結(jié)構(gòu)多為金屬的氮化物，因此在通入反應(yīng)物之前，需要對(duì)反應(yīng)室中的溫度以及壓力進(jìn)行控制從而使氨氣和金屬源能夠分解成各自原子而發(fā)生化合反應(yīng)生成金屬的氮化物。具體實(shí)施過(guò)程中，將反應(yīng)室襯底的溫度控制在600～1000℃，壓力為100～500托，將氨氣與金屬源通入襯底上，在該反應(yīng)條件下，金屬源分解為相應(yīng)的金屬原子，氨氣分解為氮原子，從而生成金屬氮化物形成外延結(jié)構(gòu)的緩沖層。為了能夠控制緩沖層的厚度，一般的，金屬源的注入速度為1～300毫升/分鐘，在通入上述反應(yīng)物后并反應(yīng)3～10分鐘，即可在襯底上成長(zhǎng)出厚度大于0且小于等于100納米的緩沖層。其中，金屬源可以選擇為三甲基鎵、三甲基銦以及三甲基鋁中的一種或多種，則可以想到的是，緩沖層的組成會(huì)因此為氮化鎵、氮化銦以及氮化鋁中的一種或幾種。優(yōu)選的，為了避免吸光，金屬源可以選擇為三甲基鋁。其次，當(dāng)緩沖生長(zhǎng)層生長(zhǎng)結(jié)束后，可以將反應(yīng)室的溫度提高至1000～1350℃，壓力維持在30～100托，在氫氣氣氛的保護(hù)下，通入三甲基鎵、三甲基鋁和氨氣。該步驟不僅能夠使緩沖層發(fā)生分解聚合形成均勻分布的成核島，還能夠使新通入的反應(yīng)物分解為原子并化合為金屬氮化物，從而與晶核島合并并長(zhǎng)大，從而生長(zhǎng)出未摻入任何雜質(zhì)的未摻雜層AltGa1-tN。為了能夠控制未摻雜層的厚度，一般的，三甲基鎵和三甲基鋁的注入速度為50～1000毫升/分鐘，在通入上述反應(yīng)物并反應(yīng)10～180分鐘后，即可在緩沖層上成長(zhǎng)出厚度為50～3000納米的未摻雜層。隨后引入N型雜質(zhì)在未摻雜層上生長(zhǎng)出厚度為1000～3000納米N型摻雜層AluGa1-uN?！毒哂械壛孔狱c(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法》中引入的雜原子為硅原子，硅原子的摻雜濃度為1x10¹⁷～5x10¹⁹個(gè)厘米^-3。步驟2）中，是在N型摻雜層上生長(zhǎng)Q個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)?！毒哂械壛孔狱c(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法》對(duì)每個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)中的量子阱層做了設(shè)計(jì)，使每個(gè)量子阱層中都包含GaN量子點(diǎn)，即：當(dāng)M＝1時(shí)，量子阱層具體為AlxGa1-xN-GaN量子點(diǎn)；當(dāng)M＞1時(shí)，量子阱層具體為AlxGa1-xN-GaN量子點(diǎn)/AlxGa1-xN-GaN量子點(diǎn)......AlxGa1-xN-GaN量子點(diǎn)/AlxGa1-xN-GaN量子點(diǎn)。并且，《具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法》中要求量子壘層中的鋁含量y大于量子阱層中的鋁含量x。步驟3）中，首先，在已生長(zhǎng)好的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)一層5-100納米厚的電子阻擋層AlzGa1-zN。此層的目的作為電子阻擋層同時(shí)也可以作為高載流子遷移率插入層。其次，在此基礎(chǔ)上生長(zhǎng)高載流子濃度的厚度大于0且小于500納米的P型摻雜AlvGa1-vN層，此層的摻雜濃度為1×10¹⁸～5×10²⁰個(gè)厘米^-3。最后，生長(zhǎng)P型摻雜GaN層，此層的厚度為2～15納米，此層的摻雜濃度為5×10¹⁹～8×10²⁰個(gè)厘米^-3，以便形成良好的歐姆接觸。以上，便完成了完整的含有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。

《具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法》有效提升了氮化鋁鎵AlGaN量子阱中量子點(diǎn)的數(shù)量，從而提升了電子空穴復(fù)合幾率，提高了紫外LED的發(fā)光性能，有效實(shí)現(xiàn)了紫外LED的殺菌效率。具體地，當(dāng)M＝1，則所述步驟2）包括：a.調(diào)節(jié)溫度為900～1200℃，壓力為30～200托，通入氫氣、三甲基鎵、三甲基鋁、硅原子以及氨氣，生長(zhǎng)量子壘層AlyGa1-yN，其中，所述量子壘層AlyGa1-yN的壘寬為2～25納米；b.通入氫氣、三甲基鎵、三甲基鋁以及氨氣，生長(zhǎng)所述量子阱層中的AlxGa1-xN，其中所述AlxGa1-xN的阱寬為1～5納米；c.降溫至800～1200℃，壓力為30～200托，通入氫氣、三甲基鎵以及氨氣，生長(zhǎng)所述量子阱層中的GaN量子點(diǎn)，所述GaN量子點(diǎn)的厚度為1～20個(gè)原子層級(jí)；d.重復(fù)步驟a～cQ次。該生長(zhǎng)方法具體生長(zhǎng)出量子阱層包含單個(gè)AlxGa1-xN-GaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的量子阱結(jié)構(gòu)。另外，當(dāng)2≤M≤10，則所述步驟2）包括：A.調(diào)節(jié)溫度為900～1200℃，壓力為30～200托，通入氫氣、三甲基鎵、三甲基鋁、硅原子以及氨氣，生長(zhǎng)量子壘層AlyGa1-yN，其中，所述量子壘層AlyGa1-yN的壘寬為2～25納米；B.通入氫氣、三甲基鎵、三甲基鋁以及氨氣，生長(zhǎng)所述量子阱層中的AlxGa1-xN，其中所述AlxGa1-xN的阱寬為1～5納米；C.降溫至800～1200℃，壓力為30～200托，通入氫氣、三甲基鎵以及氨氣，生長(zhǎng)所述量子阱層中的GaN量子點(diǎn)，所述GaN量子點(diǎn)的厚度為1～20個(gè)原子層級(jí)；D.重復(fù)步驟B～CM次；E.重復(fù)步驟A～DQ次。該生長(zhǎng)方法具體生長(zhǎng)出量子阱層包含AlxGa1-xN-GaN量子點(diǎn)……AlxGa1-xN-GaN量子點(diǎn)的周期性結(jié)構(gòu)的量子阱結(jié)構(gòu)。其中步驟A、B、C與步驟a、b、c相同。

《具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法》中量子點(diǎn)的厚度可以通過(guò)步驟c或者步驟C中的生長(zhǎng)時(shí)間和反應(yīng)物通入流量的大小來(lái)調(diào)整。進(jìn)一步地，《具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法》還對(duì)非摻雜層為AltGa1-tN、N型摻雜層為AluGa1-uN，電子阻擋層為AlzGa1-zN中的鋁鎵含量進(jìn)行了限制，其中0＜t＜1，0＜u＜1，0＜z＜1，且z＞y。進(jìn)一步地，在《具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法》中，N型摻雜層的摻雜原子為硅原子，而所述P型摻雜AlvGa1-vN層和P型摻雜層的摻雜原子為鎂原子，具體可以采用二茂鎂的形式作為反應(yīng)物通入反應(yīng)室，其中，二茂鎂的流速為10～1000毫升/分鐘。進(jìn)一步地，《具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法》對(duì)發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)設(shè)備不做限制，可以是金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積設(shè)備、分子束外延設(shè)備或者氫化物氣相外延設(shè)備中的一種。同時(shí)，所述襯底層選自藍(lán)寶石、圖形藍(lán)寶石、硅、碳化硅、玻璃、銅、鎳和鉻中的一種。

《具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法》提供的具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，通過(guò)將GaN量子點(diǎn)引入量子阱層中，有效地提升了氮化鋁鎵AlGaN量子阱中量子點(diǎn)的數(shù)量，提升了電子空穴復(fù)合幾率，提高了紫外LED器件的發(fā)光性能，從而使紫外LED的殺菌效力得到顯著增強(qiáng)。該發(fā)明還提供一種具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)，該具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)按照上述生長(zhǎng)方法得到。該發(fā)明還提供一種具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED，該具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED包括上述的具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)。

具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法改善效果

1）此發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，所需源材料均為普通生產(chǎn)所需，能夠輕易實(shí)現(xiàn)；

2）GaN量子點(diǎn)的引入能夠極大地提高電子空穴復(fù)合幾率，提高紫外LED的發(fā)光效率；

3）能夠通過(guò)控制GaN量子點(diǎn)的厚度來(lái)控制所需紫外LED的波長(zhǎng)。