一种远紫外led器件及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及半导体光电领域，特别是一种远紫外led器件及其制备方法。
背景技术：2.紫外波段根据其生物效应通常可分为：长波紫外(即uva，波长为320～400nm)、中波紫外(即uvb，波长为280～320nm)、短波紫外(即uvc，波长为200～280nm)以及真空紫外(即vuv，波长为10～200nm)。紫外线虽然不能被人类眼睛所感知，但其应用却非常广泛。长波紫外光源在医学治疗、紫外固化、紫外光刻、信息存储、植物照明等领域有着巨大的应用前景；而深紫外光包含中波紫外和短波紫外，则在杀菌消毒、水净化、生化探测、非视距通信等方面有着不可替代的作用。
3.目前，在uvc波段常用的包括275nm、254nm，对于波长为220nm～240nm的远紫外线同样也可用于杀菌消毒，且其具有对人体皮肤及人眼无害的特点。然而，当algan基材料用于发光波长220nm～240nm的远紫外led制备时，由于量子阱的al组分过高，导致量子阱有源区的导带与电子阻挡层的导带差过小，使得电子阻挡层无法有效的阻挡电子，从而形成强烈的电子溢流现象，具体表现为器件发光光谱中存在明显杂峰，从而对发光效果造成影响。例如新型222nm远紫外led，虽然国内外高校和研究机构均有指出222nm相比于254nm具有诸多优异特性，但由于上述原因，使222nm的远紫外led器件的实际性能受到制约。故亟需提供一种新的远紫外led设计方法用于解决上述问题。
技术实现要素：4.本发明的目的在于，提供一种远紫外led器件及其制备方法，用于解决现有技术中220nm～240nm的远紫外led因较强电子溢流现象而导致发光效果不佳的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明提供的第一解决方案为：一种远紫外led器件，包括依次层叠布置的蓝宝石衬底、aln本征层、n型algan电子注入层、电流扩展层、多量子阱有源层、第一调制掺杂电子阻挡层、第二调制掺杂电子阻挡层、p型algan空穴注入层和p型gan接触层；第一调制掺杂电子阻挡层与第二调制掺杂电子阻挡层均为mg掺杂的algan单层结构，且第一调制掺杂电子阻挡层的掺杂浓度小于第二调制掺杂电子阻挡层的掺杂浓度。
6.优选的，n型algan电子注入层的al组分百分数为70％～100％，厚度为500nm～5000nm。
7.优选的，n型algan电子注入层的掺杂浓度为1
ⅹ
10
17
～1
ⅹ
10
20
cm-3
，掺杂剂为si。
8.优选的，多量子阱有源层为al
x
ga
1-x
n/alyga
1-y
n周期结构，al
x
ga
1-x
n势阱层的al组分百分数x为70％～90％，alyga
1-y
n势垒层的al组分百分数y为85％～100％。
9.优选的，多量子阱有源层中，alyga
1-y
n势垒层的掺杂浓度为1
ⅹ
10
17
～5
ⅹ
10
19
cm-3
。
10.优选的，多量子阱有源层中，alyga
1-y
n势垒层厚度为5nm～50nm，al
x
ga
1-x
n势阱层厚度为0.1nm～5nm，周期数为1～30。
11.优选的，第一调制掺杂电子阻挡层的al组分百分数为90～100％，厚度为0.1nm～
50nm，掺杂浓度为1
ⅹ
10
17
～1
ⅹ
10
19
cm-3
，掺杂剂为mg。
12.优选的，第二调制掺杂电子阻挡层的al组分百分数为90～100％，厚度为1nm～50nm，掺杂浓度为5
ⅹ
10
17
～1
ⅹ
10
20
cm-3
，掺杂剂为mg。
13.优选的，远紫外led器件的应用波段为220～240nm。
14.为解决上述技术问题，本发明提供的第二解决方案为：一种远紫外led器件的制备方法，该制备方法用于制备前述第一解决方案中远紫外led器件，包括如下步骤：
15.(1)在400～800℃条件下，于蓝宝石衬底上生长aln本征层中的缓冲层，厚度为10～50nm。
16.(2)升温至1200～1400℃，于aln本征层中的缓冲层上生长aln本征层，aln本征层的总厚度为500～4000nm。
17.(3)降温至800～1200℃，于aln本征层上生长n型algan电子注入层，其中al组分百分数为70～100％，厚度为500～5000nm，使用sih4进行掺杂，掺杂浓度为1
ⅹ
17cm-3
～1
ⅹ
20cm-3
。
18.(4)维持步骤(3)的温度，停止通入sih4掺杂，于n型algan电子注入层上生长电流扩展层，其al组分百分数为70～100％，厚度为10～300nm。
19.(5)降温至700～1100℃，于电流扩展层上生长多量子阱有源层，其中多量子阱有源层的势阱层厚度为0.1～5nm且势阱层中al组分百分数为70～90％，量子垒厚度为5～50nm且势垒中al组分百分数为85～100％。
20.(6)在700～1100℃条件下，于多量子阱有源层上生长第一调制掺杂电子阻挡层，其al组分百分数为90～100％，厚度为0.1nm～50nm，掺杂浓度为1
ⅹ
10
17
～1
ⅹ
10
19
cm-3
，掺杂剂为mg。
21.(7)在700～1100℃条件下，于多量子阱有源层上生长第二调制掺杂电子阻挡层，其al组分百分数为90～100％，厚度为1nm～50nm，掺杂浓度为5
ⅹ
10
17
～1
ⅹ
10
20
cm-3
，掺杂剂为mg。
22.(8)在700～1100℃条件下，于电子阻挡层上生长p型algan空穴注入层，al组分百分数为50-100％，厚度为1～50nm，采用mg作为p型掺杂剂。
23.(9)在400～900℃条件下，于p型algan空穴注入层上生长p型gan接触层，厚度为1～20nm，采用mg作为p型掺杂剂。
24.本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供一种远紫外led器件及其制备方法，通过引入第一调制掺杂电子阻挡层与第二调制掺杂电子阻挡层，提升了对电子的阻挡能力，能够显著改善远紫外led的光谱杂峰，提升器件在220nm～240nm波段的发光效果。
附图说明
25.图1是本发明中远紫外led器件一实施方式的结构示意图；
26.图2是本发明中对比例1与实施例1的远紫外led样品的光谱对比图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
28.对于本发明中提出的第一解决方案，请参阅图1，图1是本发明中远紫外led器件一实施方式的结构示意图。本发明中远紫外led器件包括依次层叠布置的蓝宝石衬底1、aln本征层2、n型algan电子注入层3、电流扩展层4、多量子阱有源层5、第一调制掺杂电子阻挡层6、第二调制掺杂电子阻挡层7、p型algan空穴注入层8和p型gan接触层9；第一调制掺杂电子阻挡层与第二调制掺杂电子阻挡层均为mg掺杂的algan单层结构，且第一调制掺杂电子阻挡层的掺杂浓度小于第二调制掺杂电子阻挡层的掺杂浓度。由于本发明中远紫外led器件的应用波段为220～240nm，针对高al组分的远紫外led，通过引入第一调制掺杂电子阻挡层与第二调制掺杂电子阻挡层，使电子溢流现象得到抑制，提高了远紫外led的发光性能。此外，上述远紫外led器件还包括n电极10和p电极11，电流扩展层与n电极设置于n型algan电子注入层的同一侧，p电极设置于p型gan接触层上，n电极和p电极可采用常用的金属电极材料，在此不做限定。
29.具体地，n型algan电子注入层的al组分百分数为70％～100％，厚度为500nm～5000nm，掺杂浓度为1
ⅹ
10
17
～1
ⅹ
10
20
cm-3
，掺杂剂为si。
30.具体地，多量子阱有源层为al
x
ga
1-x
n/alyga
1-y
n周期结构，周期数为1～30；al
x
ga
1-x
n势阱层的al组分百分数x为70％～90％，al
x
ga
1-x
n势阱层厚度为0.1nm～5nm；alyga
1-y
n势垒层的al组分百分数y为85％～100％，alyga
1-y
n势垒层厚度为5nm～50nm，alyga
1-y
n势垒层的掺杂浓度为1
ⅹ
10
17
～5
ⅹ
10
19
cm-3
。
31.具体地，第一调制掺杂电子阻挡层的al组分百分数为90～100％，厚度为0.1nm～50nm，掺杂浓度为1
ⅹ
10
17
～1
ⅹ
10
19
cm-3
，掺杂剂为mg。第二调制掺杂电子阻挡层的al组分百分数为90～100％，厚度为1nm～50nm，掺杂浓度为5
ⅹ
10
17
～1
ⅹ
10
20
cm-3
，掺杂剂为mg。第一调制掺杂电子阻挡层的掺杂浓度小于第二调制掺杂电子阻挡层的掺杂浓度，其机理在于，相比于普通的长波紫外光器件和中波紫外光器件来说，远紫外led的波长短，则前述远紫外led器件从量子阱到电子阻挡层的al组分；在al组分极高的情况下(al组分百分数已超过90％)，mg掺杂和激活都十分困难，那么无法激活的mg会作为杂质扩散到量子阱中，进而使器件难以在220nm～240nm波段产生较好的发光效果。而本技术中通过调制掺杂的方式，能够避免mg会作为杂质向量子阱中扩散，从而实现了220nm～240nm波段区间内的发光效果增强。
32.该远紫外led器件制备过程中均采用mocvd方法，此外，采用常规方法在n型algan电子注入层上设置n电极10，并在p型gan接触层上设置p电极11，以构成完整的外延芯片结构，具体工艺在此不做赘述。
33.对于本发明提出的第二解决方案，远紫外led器件制备方法步骤包括：
34.(1)在400～800℃条件下，于蓝宝石衬底上生长aln本征层中的缓冲层，厚度为10～50nm。
35.(2)升温至1200～1400℃，于aln本征层中的缓冲层上生长aln本征层，aln本征层的总厚度为500～4000nm。
36.(3)降温至800～1200℃，于aln本征层上生长n型algan电子注入层，其中al组分百
分数为70～100％，厚度为500～5000nm，使用sih4进行掺杂，掺杂浓度为1
ⅹ
17cm-3
～1
ⅹ
20cm-3
。
37.(4)维持步骤(3)的温度，停止通入sih4掺杂，于n型algan电子注入层上生长电流扩展层，其al组分百分数为70～100％，厚度为10～300nm。
38.(5)降温至700～1100℃，于电流扩展层上生长多量子阱有源层，其中多量子阱有源层的势阱层厚度为0.1～5nm且势阱层中al组分百分数为70～90％，量子垒厚度为5～50nm且势垒中al组分百分数为85～100％。
39.(6)在700～1100℃条件下，于多量子阱有源层上生长第一调制掺杂电子阻挡层，其al组分百分数为90～100％，厚度为0.1nm～50nm，掺杂浓度为1
ⅹ
10
17
～1
ⅹ
10
19
cm-3
，掺杂剂为mg。
40.(7)在700～1100℃条件下，于多量子阱有源层上生长第二调制掺杂电子阻挡层，其al组分百分数为90～100％，厚度为1nm～50nm，掺杂浓度为5
ⅹ
10
17
～1
ⅹ
10
20
cm-3
，掺杂剂为mg。
41.(8)在700～1100℃条件下，于电子阻挡层上生长p型algan空穴注入层，al组分百分数为50-100％，厚度为1～50nm，采用mg作为p型掺杂剂。
42.(9)在400～900℃条件下，于p型algan空穴注入层上生长p型gan接触层，厚度为1～20nm，采用mg作为p型掺杂剂。
43.由于第二解决方案中的远紫外led器件制备方法用于制备前述第一解决方案中的远紫外led器件，故两个方案中的远紫外led器件的结构和功能应保持一致。
44.下面通过具体实施例对上述远紫外led器件的性能效果进行表征，并根据表征结果进行分析。
45.实施例1
46.本实施例中，制备远紫外led器件步骤如下：
47.(1)在600℃条件下，于蓝宝石衬底上生长aln本征层中的缓冲层，厚度为25nm。
48.(2)升温至1200℃，于aln本征层中的缓冲层上生长aln本征层，aln本征层的总厚度为1000nm。
49.(3)降温至1000℃，于aln本征层上生长n型algan电子注入层，其中al组分百分数为50％，厚度为1000nm。
50.(4)维持1000℃，停止通入sih4掺杂，于n型algan电子注入层上生长电流扩展层，其中al组分百分数为80％，厚度为100nm。
51.(5)降温至900℃，于电流扩展层上生长多量子阱有源层，其中多量子阱有源层的势阱层厚度为0.1～5nm且势阱层中al组分百分数为70％，量子垒厚度为5～50nm且势垒中al组分百分数为85％。
52.(6)在950℃条件下，于多量子阱有源层上生长第一调制掺杂电子阻挡层，其al组分百分数为90％，厚度为15nm，掺杂浓度为1
ⅹ
10
17
cm-3
，掺杂剂为mg。
53.(7)在950℃条件下，于多量子阱有源层上生长第二调制掺杂电子阻挡层，其al组分百分数为90％，厚度为15nm，掺杂浓度为1
ⅹ
10
19
cm-3
，掺杂剂为mg。
54.(8)在900℃条件下，于电子阻挡层上生长p型algan空穴注入层，al组分百分数为60％，厚度为20nm，采用mg作为p型掺杂剂。
55.(9)在600℃条件下，于p型algan空穴注入层上生长p型gan接触层，厚度为10nm，采用mg作为p型掺杂剂。
56.对比例1
57.本对比例中，基于实施例1的制备步骤，将上述步骤(6)和(7)替换为：在950℃条件下，于多量子阱有源层上生长单层掺杂电子阻挡层，其al组分百分数为90％，厚度为30nm，掺杂浓度为1
ⅹ
10
19
cm-3
，掺杂剂为mg；其他步骤与实施例1保持一致。
58.对上述实施例1和对比例1进行光谱表征，结果如附图2所示。在生长电子阻挡层的过程中，对比例1采用了单层algan掺杂的方式，掺杂浓度一定，而本发明采用了双层algan掺杂的方式，设置有掺杂浓度梯度，从对比例1可以看出，传统无调制掺杂结构的情况下，在260nm～320nm的区间内存在一个非常大的杂峰，这就是因无法激活的mg向量子阱扩散所产生的；也正是由于这一强杂峰的存在，使器件在220nm～240nm区间表现出很低的强度，所以具有很弱的远紫外应用价值。而本技术通过阶梯掺杂后，可以避免mg向量子阱有源区的扩散，使260nm～320nm的区间杂峰强度显著降低，进而间接提高220nm～240nm区间的主峰强度，表现出优异的远紫外性能。故在220nm～240nm的远紫外波段，实施例1能够显著抑制光谱杂峰的出现，并且针对该波段表现出更好的发光效果。
59.区别于现有技术的情况，本发明提供一种远紫外led器件及其制备方法，通过引入第一调制掺杂电子阻挡层与第二调制掺杂电子阻挡层，提升了对电子的阻挡能力，能够显著改善远紫外led的光谱杂峰，提升器件在220nm～240nm波段的发光效果。
60.以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
技术特征：1.一种远紫外led器件，其特征在于，所述远紫外led器件包括依次层叠布置的蓝宝石衬底、aln本征层、n型algan电子注入层、电流扩展层、多量子阱有源层、第一调制掺杂电子阻挡层、第二调制掺杂电子阻挡层、p型algan空穴注入层和p型gan接触层；所述第一调制掺杂电子阻挡层与第二调制掺杂电子阻挡层均为mg掺杂的algan单层结构，且所述第一调制掺杂电子阻挡层的掺杂浓度小于所述第二调制掺杂电子阻挡层的掺杂浓度。2.根据权利要求1中所述的远紫外led器件，其特征在于，所述n型algan电子注入层的al组分百分数为70％～100％，厚度为500nm～5000nm。3.根据权利要求2中所述的远紫外led器件，其特征在于，所述n型algan电子注入层的掺杂浓度为1
ⅹ
10
17
～1
ⅹ
10
20
cm-3
，掺杂剂为si。4.根据权利要求1中所述的远紫外led器件，其特征在于，所述多量子阱有源层为al
x
ga
1-x
n/al
y
ga
1-y
n周期结构，al
x
ga
1-x
n势阱层的al组分百分数x为70％～90％，al
y
ga
1-y
n势垒层的al组分百分数y为85％～100％。5.根据权利要求4中所述的远紫外led器件，其特征在于，所述多量子阱有源层中，al
y
ga
1-y
n势垒层的掺杂浓度为1
ⅹ
10
17
～5
ⅹ
10
19
cm-3
。6.根据权利要求4中所述的远紫外led器件，其特征在于，所述多量子阱有源层中，al
y
ga
1-y
n势垒层厚度为5nm～50nm，al
x
ga
1-x
n势阱层厚度为0.1nm～5nm，周期数为1～30。7.根据权利要求1中所述的远紫外led器件，其特征在于，所述第一调制掺杂电子阻挡层的al组分百分数为90～100％，厚度为0.1nm～50nm，掺杂浓度为1
ⅹ
10
17
～1
ⅹ
10
19
cm-3
，掺杂剂为mg。8.根据权利要求5中所述的远紫外led器件，其特征在于，所述第二调制掺杂电子阻挡层的al组分百分数为90～100％，厚度为1nm～50nm，掺杂浓度为5
ⅹ
10
17
～1
ⅹ
10
20
cm-3
，掺杂剂为mg。9.根据权利要求5中所述的远紫外led器件，其特征在于，所述远紫外led器件的应用波段为220～240nm。10.一种如权利要求1～9中任一所述远紫外led器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在400～800℃条件下，于蓝宝石衬底上生长aln本征层中的缓冲层，厚度为10～50nm；(2)升温至1200～1400℃，于aln本征层中的缓冲层上生长aln本征层，所述aln本征层的总厚度为500～4000nm；(3)降温至800～1200℃，于所述aln本征层上生长n型algan电子注入层，其中al组分百分数为70～100％，厚度为500～5000nm，使用sih4进行掺杂，掺杂浓度为1
ⅹ
17cm-3
～1
ⅹ
20cm-3
；(4)维持步骤(3)的温度，停止通入sih4掺杂，于所述n型algan电子注入层上生长电流扩展层，其al组分百分数为70～100％，厚度为10～300nm；(5)降温至700～1100℃，于所述电流扩展层上生长多量子阱有源层，其中所述多量子阱有源层的势阱层厚度为0.1～5nm且势阱层中al组分百分数为70～90％，量子垒厚度为5～50nm且势垒中al组分百分数为85～100％；
(6)在700～1100℃条件下，于所述多量子阱有源层上生长第一调制掺杂电子阻挡层，其al组分百分数为90～100％，厚度为0.1nm～50nm，掺杂浓度为1
ⅹ
10
17
～1
ⅹ
10
19
cm-3
，掺杂剂为mg；(7)在700～1100℃条件下，于所述多量子阱有源层上生长第二调制掺杂电子阻挡层，其al组分百分数为90～100％，厚度为1nm～50nm，掺杂浓度为5
ⅹ
10
17
～1
ⅹ
10
20
cm-3
，掺杂剂为mg；(8)在700～1100℃条件下，于所述电子阻挡层上生长p型algan空穴注入层，al组分百分数为50-100％，厚度为1～50nm，采用mg作为p型掺杂剂；(9)在400～900℃条件下，于所述p型algan空穴注入层上生长p型gan接触层，厚度为1～20nm，采用mg作为p型掺杂剂。
技术总结本发明公开了一种远紫外LED器件及其制备方法，该远紫外LED器件包括依次层叠布置的蓝宝石衬底、AlN本征层、n型AlGaN电子注入层、电流扩展层、多量子阱有源层、第一调制掺杂电子阻挡层、第二调制掺杂电子阻挡层、p型AlGaN空穴注入层和p型GaN接触层；第一调制掺杂电子阻挡层与第二调制掺杂电子阻挡层均为Mg掺杂的AlGaN单层结构，且第一调制掺杂电子阻挡层的掺杂浓度小于第二调制掺杂电子阻挡层的掺杂浓度。本发明通过引入第一调制掺杂电子阻挡层与第二调制掺杂电子阻挡层，提升了对电子的阻挡能力，能够显著改善远紫外LED的光谱杂峰，提升器件在220nm～240nm波段的发光效果。升器件在220nm～240nm波段的发光效果。升器件在220nm～240nm波段的发光效果。
技术研发人员：张骏 张毅 陈景文 岳金顺
受保护的技术使用者：苏州紫灿科技有限公司
技术研发日：2022.07.22
技术公布日：2022/11/1
