氮化鎵基紫外與深紫外LED關鍵技術

2015年度國家科學技術進步獎二等獎。

主要完成人：郝 躍，李培咸，林科闖，李晉閩，張國華，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，中國科學院半導體研究所，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月以前的技術中的紫外AlGaNLED外延結構；

圖2為《具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法》實施例1中的紫外AlGaNLED外延結構；

圖3為《具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法》實施例2中的紫外AlGaNLED外延結構。

《具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法》涉及一種紫外LED的外延結構，尤其涉及一種具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法，屬于發(fā)光二極管（Light-EmittingDiode，簡稱LED）技術領域。

具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法專利目的

《具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法》提供了一種具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法，該外延結構具有提供量子點的量子阱結構，從而提高了電子空穴復合幾率，解決了AlGaN量子阱中因無量子點導致的復合幾率非常低的問題。

具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法技術方案

《具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法》提供一種具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構的生長方法，包括如下步驟：1）在襯底上，從下至上依次生長緩沖層、非摻雜層、N型摻雜層；2）在所述N型摻雜層上生長Q個量子阱結構，所述每個量子阱結構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AlxGa1-xN-GaN量子點，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個量子阱結構上，從下至上依次生長電子阻擋層、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緩沖層。由于LED外延結構多為金屬的氮化物，因此在通入反應物之前，需要對反應室中的溫度以及壓力進行控制從而使氨氣和金屬源能夠分解成各自原子而發(fā)生化合反應生成金屬的氮化物。具體實施過程中，將反應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，在該反應條件下，金屬源分解為相應的金屬原子，氨氣分解為氮原子，從而生成金屬氮化物形成外延結構的緩沖層。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，在通入上述反應物后并反應3～10分鐘，即可在襯底上成長出厚度大于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，當緩沖生長層生長結束后，可以將反應室的溫度提高至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大，從而生長出未摻入任何雜質的未摻雜層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，在通入上述反應物并反應10～180分鐘后，即可在緩沖層上成長出厚度為50～3000納米的未摻雜層。隨后引入N型雜質在未摻雜層上生長出厚度為1000～3000納米N型摻雜層AluGa1-uN?！毒哂械壛孔狱c的紫外LED的外延結構及其生長方法》中引入的雜原子為硅原子，硅原子的摻雜濃度為1x10¹⁷～5x10¹⁹個厘米^-3。步驟2）中，是在N型摻雜層上生長Q個量子阱結構。《具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法》對每個量子阱結構中的量子阱層做了設計，使每個量子阱層中都包含GaN量子點，即：當M＝1時，量子阱層具體為AlxGa1-xN-GaN量子點；當M＞1時，量子阱層具體為AlxGa1-xN-GaN量子點/AlxGa1-xN-GaN量子點......AlxGa1-xN-GaN量子點/AlxGa1-xN-GaN量子點。并且，《具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法》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，在已生長好的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱結構上生長一層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也可以作為高載流子遷移率插入層。其次，在此基礎上生長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個厘米^-3。最后，生長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的紫外LED外延結構的生長。

《具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法》有效提升了氮化鋁鎵AlGaN量子阱中量子點的數(shù)量，從而提升了電子空穴復合幾率，提高了紫外LED的發(fā)光性能，有效實現(xiàn)了紫外LED的殺菌效率。具體地，當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，生長所述量子阱層中的GaN量子點，所述GaN量子點的厚度為1～20個原子層級；d.重復步驟a～cQ次。該生長方法具體生長出量子阱層包含單個AlxGa1-xN-GaN量子點結構的量子阱結構。另外，當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，生長所述量子阱層中的GaN量子點，所述GaN量子點的厚度為1～20個原子層級；D.重復步驟B～CM次；E.重復步驟A～DQ次。該生長方法具體生長出量子阱層包含AlxGa1-xN-GaN量子點……AlxGa1-xN-GaN量子點的周期性結構的量子阱結構。其中步驟A、B、C與步驟a、b、c相同。

《具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法》中量子點的厚度可以通過步驟c或者步驟C中的生長時間和反應物通入流量的大小來調(diào)整。進一步地，《具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法》還對非摻雜層為AltGa1-tN、N型摻雜層為AluGa1-uN，電子阻擋層為AlzGa1-zN中的鋁鎵含量進行了限制，其中0＜t＜1，0＜u＜1，0＜z＜1，且z＞y。進一步地，在《具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法》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物通入反應室，其中，二茂鎂的流速為10～1000毫升/分鐘。進一步地，《具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法》對發(fā)光二極管外延結構的生長設備不做限制，可以是金屬有機化學氣相沉積設備、分子束外延設備或者氫化物氣相外延設備中的一種。同時，所述襯底層選自藍寶石、圖形藍寶石、硅、碳化硅、玻璃、銅、鎳和鉻中的一種。

《具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法》提供的具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構的生長方法，通過將GaN量子點引入量子阱層中，有效地提升了氮化鋁鎵AlGaN量子阱中量子點的數(shù)量，提升了電子空穴復合幾率，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。該發(fā)明還提供一種具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構，該具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構按照上述生長方法得到。該發(fā)明還提供一種具有氮化鎵量子點的紫外LED，該具有氮化鎵量子點的紫外LED包括上述的具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構。

具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法改善效果

1）此發(fā)明結構簡單，易于實現(xiàn)，所需源材料均為普通生產(chǎn)所需，能夠輕易實現(xiàn)；

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

3）能夠通過控制GaN量子點的厚度來控制所需紫外LED的波長。