一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)

《一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)》屬于半導(dǎo)體制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)。

發(fā)光二極管（LED，LightEmittingDiode）是一種外延固體發(fā)光器件，通過在器件兩端加載正向電壓，電子和空穴在有源區(qū)復(fù)合產(chǎn)生大量光子，電能轉(zhuǎn)化為光能。而氮化鎵基外延是繼Si和GaAs之后的第三代外延材料，近年來發(fā)展較為迅速。但同樣也面臨著很多問題，例如，當(dāng)LED處于工作狀態(tài)時(shí)，大量的電子會(huì)從有源層溢出，使得發(fā)光效率大大降低。截至2015年12月，常采用的解決方法是在發(fā)光層之后生長一層P型氮化鋁鎵電子阻擋層，用以減少電子的溢出，同時(shí)還可以顯著降低外延片中P型層的位錯(cuò)密度，減弱鎂的自補(bǔ)償效應(yīng)以及減少甚至抑制非輻射復(fù)合中心的產(chǎn)生，提高空穴的注入效率。

截至2015年12月，大部分P型氮化鋁鎵是鋁組分是恒定不變的單層結(jié)構(gòu)，隨著鎂的增加，氮化鋁鎵中空穴濃度單調(diào)上升，當(dāng)空穴濃度達(dá)到最大后，隨著鎂的繼續(xù)增加，鎂的自補(bǔ)償效應(yīng)，使空穴濃度反而下降，且材料劣化產(chǎn)生裂紋。因此，P型電子阻擋層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)氮化鎵基LED的內(nèi)量子效率和發(fā)光效率有很重要的影響。

圖1為《一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)》實(shí)施例一之發(fā)光半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為該發(fā)明實(shí)施例一之多層結(jié)構(gòu)示意圖一。

圖3為該發(fā)明實(shí)施例一之多層結(jié)構(gòu)示意圖二。

圖4為該發(fā)明實(shí)施例一之發(fā)光半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制備方法流程圖。

圖5為該發(fā)明實(shí)施例二之發(fā)光半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為該發(fā)明實(shí)施例二之多層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：10.襯底；20.緩沖層；30.N型摻雜半導(dǎo)體層；40.發(fā)光層；50.P型摻雜空穴注入層；60.多層結(jié)構(gòu)；61、61’、62、62’.子組合層；611、611’、621、621’.電子阻擋層；612、612’、622、622’.空穴調(diào)整層；70.P型摻雜半導(dǎo)體層。

2020年7月17日，《一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)》獲得安徽省第七屆專利獎(jiǎng)銀獎(jiǎng)。

• 實(shí)施例1

參看附圖1和2，該發(fā)明提出的一種具有電流阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)，包括襯底10、緩沖層20、N型摻雜半導(dǎo)體層30、發(fā)光層40、P型摻雜半導(dǎo)體層70；其中，發(fā)光層40與P型摻雜半導(dǎo)體層70之間還包含一材料為Al_x0In_y0G_a1-x₀-y₀N、厚度為50埃～1000埃的P型摻雜空穴注入層50，以及復(fù)數(shù)個(gè)子組合層（61、61’62、和62’）堆疊形成的多層結(jié)構(gòu)60；每一個(gè)子組合層均由材料為Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N的電子阻擋層（611、611’、621、621’）與材料為Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N的空穴調(diào)整層（612、612’、622、622’）組成，其中，y₀＞x₀＞0，x₁＞y₁＞0，x₂≥y₂＞0，x₁＞x₂≥x₀，y₀＞y₂＞y₁。由于P型摻雜空穴注入層50的主要作用是提供足夠的空穴濃度以增加電子空穴復(fù)合效率，因此為了使空穴較好的遷移進(jìn)入發(fā)光層40，故設(shè)計(jì)該層的Al組分偏低，且為避免過高沉積溫度破壞發(fā)光層40質(zhì)量，則采用較低沉積溫度，從而使該層的In摻雜組分偏高，即符合y₀＞x₀＞0的關(guān)系。而為了使多層結(jié)構(gòu)60中的電子阻擋層（611、611’、621、621’）具有更好的電子阻擋效果，該層優(yōu)選較高的Al組分，即x₁＞y₁＞0；同時(shí)為緩解較高Al組分所引起的材料質(zhì)量降低現(xiàn)象，故隨后沉積的空穴調(diào)整層（612、612’、622、622’）采用較低Al組分，且為進(jìn)一步優(yōu)化Al與In的摻雜比例，得到更高的空穴調(diào)整作用，則該空穴調(diào)整層（612、612’、622、622’）的In組分與該層Al組分相近或略高，即x₂≥y₂＞0。同時(shí)，為進(jìn)一步提升P型摻雜空穴注入層50和多層結(jié)構(gòu)60各自的功能作用，該發(fā)明進(jìn)一步限定此兩層中Al組分和In組分的濃度，即x₁＞x₂≥x₀，y₀＞y₂＞y₁。

多層結(jié)構(gòu)60中至少2個(gè)子組合層（61、61’和62、62’）的Al組分不同；多層結(jié)構(gòu)60中子組合層的個(gè)數(shù)≥2。每一子組合層的總厚度為10?！?00埃。其中，臨近于空穴注入層50的不同Al組分的子組合層61和62為非故意P型摻雜層，而臨近于P型摻雜半導(dǎo)體層70的不同Al組分的子組合層61’和62’為故意P型摻雜層，且子組合層61與61’，62與62’的Al組分相同，同時(shí)優(yōu)選每一子組合層內(nèi)電子阻擋層與空穴調(diào)整層內(nèi)的Al組分相同，即層611和612、611’和612’、621和622、621’和622’的Al組分相同。

而作為此結(jié)構(gòu)的一變形實(shí)施例，子組合層61與61’，62與62’為Al組分不同層，且按照61、62、61’、62’的順序?yàn)楹愣〒诫s或拋物線形或遞增或遞減變化，其x1和x2的變化范圍為：0.01～0.25，同時(shí)為了得到更好的效果，在調(diào)節(jié)鋁濃度變化時(shí)亦可調(diào)節(jié)銦的組分，使y1和y2的變化范圍為0.01～0.1。

參看附圖3，作為此結(jié)構(gòu)的另一變形實(shí)施例，此多層結(jié)構(gòu)60具有三個(gè)子組合層61、61’和62，其中，61、61’為未摻雜子組合層，62為P型摻雜子組合層；且Al組分不同，并按照61、61’、62、的順序亦可依照恒定摻雜或拋物線形或遞增或遞減變化，其x1和x2的變化范圍為：0.01～0.25。

參看附圖4，為制備上述外延結(jié)構(gòu)，該發(fā)明同時(shí)提出一種制備方法，其包括以下步驟：

S01、提供一襯底10，襯底10選用藍(lán)寶石、碳化硅、硅、氮化鎵等材料中的一種；

S02、沉積緩沖層20于襯底10之上，緩沖層20為非摻雜氮化物層或低摻雜氮化物層；

S03、沉積N型摻雜半導(dǎo)體層30于緩沖層20之上；

S04、沉積發(fā)光層層40于N型半導(dǎo)體層30之上；

S05、調(diào)節(jié)反應(yīng)室溫度至600~1000℃，壓力為50~500托，沉積材料為Al_x0In_y0G_a1-x₀-y₀N的P型摻雜空穴注入層50于發(fā)光層40之上，其中，y₀＞x₀＞0，P型摻雜空穴注入層50的厚度為50?！?000埃，其P型雜質(zhì)濃度≥1×10¹⁸，利用此高濃度P型摻雜提供充足的空穴，提高發(fā)光層40中的復(fù)合效率；且此高于后續(xù)多層結(jié)構(gòu)60摻雜濃度的雜質(zhì)亦為后續(xù)沉積層中雜質(zhì)的遷移提供先決條件。同時(shí)該層沉積溫度略高于或等同于發(fā)光層40溫度，從而避免發(fā)光層40因高溫環(huán)境而被破壞；

S06、保持壓力不變，調(diào)節(jié)反應(yīng)室溫度，使溫度高于空穴注入層50的沉積溫度50~100℃，沉積材料為Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N的電子阻擋層與材料為Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N的空穴調(diào)整層交替堆疊組成的多層結(jié)構(gòu)60于空穴注入層50之上；與空穴注入層50的沉積溫度相比，該多層結(jié)構(gòu)60的沉積溫度較高，利用此高溫條件提升晶體質(zhì)量，減少缺陷，改善發(fā)光半導(dǎo)體的性能，其中y₀＞x₀＞0；x₁＞y₁＞0，x₂≥y₂＞0，x₁＞x₂≥x₀，y₀＞y₂＞y₁；S07、沉積P型摻雜半導(dǎo)體層70于多層結(jié)構(gòu)60之上形成外延結(jié)構(gòu)。

該發(fā)明中，所述多層結(jié)構(gòu)60中至少包含2個(gè)Al組分不同的子組合層，每一個(gè)子組合層均由一對(duì)材料為Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N的電子阻擋層與材料為Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N的空穴調(diào)整層組成，且電子阻擋層和空穴調(diào)整層中Al組分的變化方式為恒定摻雜、拋物線形、遞增或遞減變化摻雜；該實(shí)施例中沉積多層結(jié)構(gòu)60的具體過程為：在P型摻雜的空穴注入層50沉積結(jié)束后，停止通入P型雜質(zhì)源，通過延遲效應(yīng)及后續(xù)高溫條件下的擴(kuò)散作用生長非故意P型摻雜的子組合層61，其由AAl_x1In_y1Ga_1-x1-y1N的電子阻擋層611與Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N的空穴調(diào)整層612組成，繼續(xù)沉積子組合層62，其亦由材料為Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N的電子阻擋層621與Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N的空穴調(diào)整層622組成，其中x₁＞y₁＞0，x₂≥y₂＞0，此處優(yōu)選x₁=0.05~0.25，y₁=0.01~0.1，x₂=0.05~0.25，y₂=0.01~0.1；所述組合層61和62為鋁組分不同的子組合層，優(yōu)選子組合層61的Al組分高于子組合層62，且相比于空穴注入層50，其鋁和銦組分滿足關(guān)系式：x₁＞x₂≥x₀，y₀＞y₂＞y₁。后通入P型雜質(zhì)源，沉積鋁組分和銦組分分別與子組合層61和子組合層62相同或不同的子組合層61’和子組合層62’，其均由材料為Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N的電子阻擋層611’、621’及材料為Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N的空穴調(diào)整層612’、622’組成。

雖然臨近于空穴注入層50的子組合層61和62在生長過程中未通入雜質(zhì)源，但其沉積溫度較高，而P型雜質(zhì)源在高溫條件下亦有擴(kuò)散作用，同時(shí)P型雜質(zhì)源也具有記憶延遲效應(yīng)，因此利用此兩種特性可使空穴注入層50中的高濃度P型雜質(zhì)源及腔室中延遲遺留的P型雜質(zhì)源進(jìn)入臨近的非故意P型摻雜層內(nèi)，在不影響晶體質(zhì)量的前提下，也使得電阻較小，減小最終形成的半導(dǎo)體元件的使用電壓。而臨近于P型摻雜半導(dǎo)體層70的子組合層61’和62’因摻雜有P型雜質(zhì)源，從而使得形成的多層結(jié)構(gòu)中P型雜質(zhì)濃度均值≥1×10¹⁶，進(jìn)一步降低半導(dǎo)體元件的使用電壓。

作為本方法的變形例，沉積的多層結(jié)構(gòu)60具有2個(gè)或3個(gè)子組合層，臨近于空穴調(diào)整層的一個(gè)或2個(gè)子組合層為未摻雜層，而臨近于P型摻雜半導(dǎo)體層70的子組合層則為P型摻雜層。

同時(shí)，所述空穴注入層50和多層結(jié)構(gòu)60均為氮化鋁銦鎵材料層，當(dāng)鋁組分越高，其電子阻擋效果越好，但其應(yīng)力也隨之增加造成晶體質(zhì)量劣化，因此該實(shí)施例采用鋁組分變化的方法及多層堆疊的結(jié)構(gòu)緩解該層應(yīng)力，同時(shí)配合P型雜質(zhì)源非摻雜/摻雜的模式調(diào)節(jié)該多層結(jié)構(gòu)60的電阻值，進(jìn)而獲得具有良好的電子阻擋性能及低阻值特性的P型結(jié)構(gòu)層，同時(shí)再利用高濃度空穴注入層50提供有效空穴注入來源，改善芯片的抗靜電性能。

• 實(shí)施例2

參看附圖5和6，該實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于多層結(jié)構(gòu)60中臨近空穴注入層50的非故意P型摻雜的子組合層（61、62、…）數(shù)目大于3，隨后在此非故意P型摻雜的子組合層上繼續(xù)沉積故意P型摻雜子組合層（61’、62’…），后將此非故意P型摻雜的子組合層與P型摻雜子組合層依次堆疊最終形成多層結(jié)構(gòu)60。其中臨近空穴注入層50的非故意P型摻雜的子組合層及其上沉積的故意P型摻雜子組合層數(shù)目根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的電性能需求靈活調(diào)節(jié)，不局限于該實(shí)施例的數(shù)目。而為優(yōu)化多層結(jié)構(gòu)60對(duì)于電流阻擋效果及抗靜電性能，當(dāng)多層結(jié)構(gòu)60中子組合層數(shù)目大于8時(shí)，優(yōu)選摻雜的子組合層數(shù)目小于等于3。

一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)專利目的

《一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)》所解決的技術(shù)問題在于提供一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)及制備方法，以解決上述背景技術(shù)中所提及的問題。

一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)技術(shù)方案

《一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)》提供的技術(shù)方案為：一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)，從下至上依次包括襯底、緩沖層、N型摻雜半導(dǎo)體層、發(fā)光層和P型摻雜半導(dǎo)體層，其中，所述發(fā)光層與P型摻雜半導(dǎo)體層之間還包含材料為Al_x0In_y0G_a1-x₀-y₀N的P型摻雜空穴注入層和復(fù)數(shù)個(gè)子組合層堆疊形成的多層結(jié)構(gòu)；所述每一個(gè)子組合層由材料為Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N的電子阻擋層與材料為Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N的空穴調(diào)整層組成，其中，y₀＞x₀＞0，x₁＞y₁＞0，x₂≥y₂＞0，x₁＞x₂≥x₀，y₀＞y₂＞y₁。

優(yōu)選的，所述多層結(jié)構(gòu)中位于下部的子組合層為非故意P型摻雜層，位于上部的子組合層為故意P型摻雜層，所述非故意P型摻雜的子組合層個(gè)數(shù)大于或等于所述故意P型摻雜的子組合層個(gè)數(shù)。優(yōu)選的，所述空穴注入層的P型雜質(zhì)濃度大于多層結(jié)構(gòu)的P型雜質(zhì)濃度。優(yōu)選的，所述空穴注入層形成過程中的P型雜質(zhì)通過延遲效應(yīng)及后續(xù)高溫條件下的擴(kuò)散作用進(jìn)入非故意P型摻雜子組合層內(nèi)。優(yōu)選的，所述故意P型摻雜的子組合層個(gè)數(shù)≤3。優(yōu)選的，所述多層結(jié)構(gòu)中至少2個(gè)子組合層的Al組分不同。優(yōu)選的，所述多層結(jié)構(gòu)中子組合層的個(gè)數(shù)≥2。優(yōu)選的，每一所述子組合層的總厚度為10埃～200埃。優(yōu)選的，所述空穴注入層的厚度為50?！?000埃。

優(yōu)選的，所述空穴注入層、電子阻擋層與空穴調(diào)整層的Al組分的變化方式為恒定摻雜、拋物線形、遞增或遞減變化摻雜。優(yōu)選的，所述空穴注入層的P型雜質(zhì)平均濃度≥1×10¹⁸。優(yōu)選的，所述多層結(jié)構(gòu)的P型雜質(zhì)平均濃度≥1×10¹⁶。為制備上述的外延結(jié)構(gòu)，該發(fā)明同時(shí)提出一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)的制備方法，所述方法包括以下步驟：

提供一襯底；沉積緩沖層于所述襯底之上；沉積N型摻雜半導(dǎo)體層于所述緩沖層之上；沉積發(fā)光層于所述N型摻雜半導(dǎo)體層之上；沉積材料為Al_x0In_y0G_a1-x₀-y₀N的P型摻雜空穴注入層于所述發(fā)光層之上；沉積材料為Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N的電子阻擋層與材料為Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N的空穴調(diào)整層交替堆疊組成的多層結(jié)構(gòu)于所述空穴注入層之上，其中，y₀＞x₀＞0，x₁＞y₁＞0，x₂≥y₂＞0，x₁＞x₂≥x₀，y₀＞y₂＞y₁；沉積P型摻雜半導(dǎo)體層于所述多層結(jié)構(gòu)之上，形成外延結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，沉積所述P型摻雜空穴注入層時(shí)反應(yīng)室的溫度低于沉積所述多層結(jié)構(gòu)時(shí)反應(yīng)室的溫度。

優(yōu)選的，沉積所述P型摻雜空穴注入層時(shí)反應(yīng)室的溫度與沉積所述多層結(jié)構(gòu)時(shí)反應(yīng)室的溫度差值為50~100℃。

優(yōu)選的，沉積所述P型摻雜空穴注入層時(shí)反應(yīng)室的壓力與沉積所述多層結(jié)構(gòu)時(shí)反應(yīng)室的壓力相同，壓力值為50~500托。

優(yōu)選的，沉積多層結(jié)構(gòu)過程中，首先停止通入P型雜質(zhì)源，沉積位于多層結(jié)構(gòu)下部的非故意P型摻雜子組合層，所述空穴注入層形成過程中的P型雜質(zhì)通過延遲效應(yīng)及后續(xù)高溫條件下的擴(kuò)散作用進(jìn)入所述非故意P型摻雜子組合層內(nèi)；然后再次通入P型雜質(zhì)源，沉積形成位于所述多層結(jié)構(gòu)上部的故意P型摻雜子組合層。

優(yōu)選的，所述非故意P型摻雜子組合層的個(gè)數(shù)大于或等于所述故意P型摻雜子組合層的個(gè)數(shù)。

優(yōu)選的，所述故意P型摻雜子組合層的個(gè)數(shù)≤3。

優(yōu)選的，所述空穴注入層的P型雜質(zhì)濃度大于多層結(jié)構(gòu)的P型雜質(zhì)濃度。

優(yōu)選的，所述空穴注入層的P型雜質(zhì)平均濃度≥1×10¹⁸。

優(yōu)選的，所述多層結(jié)構(gòu)的P型雜質(zhì)平均濃度≥1×10¹⁶。

優(yōu)選的，所述多層結(jié)構(gòu)中至少2個(gè)子組合層的Al組分不同。

優(yōu)選的，所述多層結(jié)構(gòu)中子組合層的個(gè)數(shù)≥2。

優(yōu)選的，每一所述子組合層的總厚度為10?！?00埃。

優(yōu)選的，所述空穴注入層的厚度為50埃～1000埃。

優(yōu)選的，所述空穴注入層、電子阻擋層與空穴調(diào)整層的Al組分的變化方式為恒定摻雜、拋物線形、遞增或遞減變化摻雜。

一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)改善效果

《一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)》通過在外延結(jié)構(gòu)中的發(fā)光層與P型摻雜半導(dǎo)體層之間插入一層P型空穴注入層，以高濃度摻雜提供足夠的空穴，且臨近發(fā)光層，可有效提升發(fā)光效率，同時(shí)為緩沖發(fā)光層與后續(xù)多層結(jié)構(gòu)的晶格差異及實(shí)現(xiàn)低能階特性，該空穴注入層采用低Al組分高In組分的材料組成。

隨后生長高Al組分的電子阻擋層和低Al組分的空穴調(diào)整層交替層疊組成的多層結(jié)構(gòu)，利用高Al組分與低Al組分交替分布的結(jié)構(gòu)避免高Al組分引起的材料質(zhì)量降低現(xiàn)象，同時(shí)利用In組分低能階的特性與Al組分搭配調(diào)變多層結(jié)構(gòu)的能階變化以進(jìn)一步改善多層結(jié)構(gòu)整體電子阻擋及空穴調(diào)整的作用。

此外，在沉積臨近空穴注入層的多層結(jié)構(gòu)的子組合層時(shí)不通入P型雜質(zhì)源，而是通過P型雜質(zhì)的延遲效應(yīng)及后續(xù)高溫條件下的擴(kuò)散作用進(jìn)入該子組合層內(nèi)；然后在繼續(xù)生長的臨近P型摻雜半導(dǎo)體層的子組合層中摻入P型雜質(zhì)，在保證不增加電壓特性的前提下，提升多層結(jié)構(gòu)的晶體質(zhì)量。

同時(shí)，所述空穴注入層和多層結(jié)構(gòu)均為氮化鋁銦鎵材料層，調(diào)整多層結(jié)構(gòu)中鋁和銦的組分含量，在形成良好的電子阻擋性能的同時(shí)降低其阻值，且結(jié)合前述的空穴注入層提供的有效空穴來源改善芯片的抗靜電性能。

1.《一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)》從下至上依次包括襯底、緩沖層、N型摻雜半導(dǎo)體層、發(fā)光層和P型摻雜半導(dǎo)體層，其特征在于：所述發(fā)光層與P型摻雜半導(dǎo)體層之間還包含材料為Al_x0In_y0G_a1-x₀-y₀N的P型摻雜空穴注入層和復(fù)數(shù)個(gè)子組合層堆疊形成的多層結(jié)構(gòu)；所述每一個(gè)子組合層由材料為Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N的電子阻擋層與材料為Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N的空穴調(diào)整層組成，其中，y₀＞x₀＞0，x₁＞y₁＞0，x₂≥y₂＞0，x₁＞x₂≥x₀，y₀＞y₂＞y₁；所述多層結(jié)構(gòu)中位于下部的子組合層為非故意P型摻雜層，位于上部的子組合層為故意P型摻雜層，所述非故意P型摻雜的子組合層個(gè)數(shù)大于或等于所述故意P型摻雜的子組合層個(gè)數(shù)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述空穴注入層形成過程中的P型雜質(zhì)通過延遲效應(yīng)及后續(xù)高溫條件下的擴(kuò)散作用進(jìn)入非故意P型摻雜子組合層內(nèi)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述空穴注入層的P型雜質(zhì)濃度大于多層結(jié)構(gòu)的P型雜質(zhì)濃度。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述空穴注入層的P型雜質(zhì)平均濃度≥1×10¹⁸。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述多層結(jié)構(gòu)的P型雜質(zhì)平均濃度≥1×10¹⁶。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述故意P型摻雜的子組合層個(gè)數(shù)≤3。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述多層結(jié)構(gòu)中至少2個(gè)子組合層的Al組分不同。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述多層結(jié)構(gòu)中子組合層的個(gè)數(shù)≥2。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于：每一所述子組合層的總厚度為10?！?00埃。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述空穴注入層的厚度為50?！?000埃。

11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有電子阻擋與空穴調(diào)整層的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述空穴注入層、電子阻擋層與空穴調(diào)整層的Al組分的摻雜方式為恒定摻雜、拋物線形、遞增或遞減變化摻雜。

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

《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量子阱中因無量子點(diǎn)導(dǎo)致的復(fù)合幾率非常低的問題。

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(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(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)緩沖生長層生長結(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大，從而生長出未摻入任何雜質(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(jié)構(gòu)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(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。

《具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)及其生長方法》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(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。該生長方法具體生長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(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。該生長方法具體生長出量子阱層包含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)及其生長方法》中量子點(diǎn)的厚度可以通過步驟c或者步驟C中的生長時(shí)間和反應(yīng)物通入流量的大小來調(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)及其生長方法》對(duì)發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)的生長設(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)的生長方法，通過將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)及其生長方法改善效果

1）此發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，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）能夠通過控制GaN量子點(diǎn)的厚度來控制所需紫外LED的波長。

《具有氮化鎵量子點(diǎn)的紫外LED的外延結(jié)構(gòu)及其生長方法》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)及其生長方法，屬于發(fā)光二極管（Light-EmittingDiode，簡稱LED）技術(shù)領(lǐng)域。

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)及其生長方法》實(shí)施例2中的紫外AlGaNLED外延結(jié)構(gòu)。