一種采用mocvd技術制備高亮度近紫外led的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體光電子技術領域，一種近紫外發(fā)光二極管的制作方法，尤其涉及一種采用MOCVD(金屬有機化合物氣相外延)技術制備具有非對稱結構電流擴展層的高亮度近紫外LED的方法。
【背景技術】
[0002]紫外半導體光源不但在工業(yè)光固化、光觸媒、紫外光刻、紫外殺菌、水凈化、光療等方面將取代現(xiàn)有的汞燈紫外光源并發(fā)揮更大的作用，而且還將開發(fā)出通用照明、光鑷、植物生長、石油管道泄漏檢測、考古應用、鑒別真假等方面用途。半導體紫外光源作為半導體照明后的又一重大產(chǎn)業(yè)方向，已經(jīng)引起了半導體光電行業(yè)的廣泛關注。美國、日本、韓國等無不投入巨大的力量以求占據(jù)行業(yè)的制高點。我國在這方面投入較少，與國際上先進水平差距較大。從全球半導體光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢看，掌控上游核心技術等于掌握產(chǎn)業(yè)規(guī)則的制定權與行業(yè)話語權，占據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈巨額利潤空間，并在產(chǎn)品更新?lián)Q代中占領先機。我國于2003年6月啟動國家半導體照明工程，把UV — LED的研究工作做為其中一個重要的內(nèi)容。在十五期間，北京大學曾承擔近紫外LED的國家863課題，研制出380nm?405nm近紫外LED在350mA下光功率達到llOmW。在i^一五、十二五期間進一步研究紫外LED，得到發(fā)光波長280nm?315nm紫外發(fā)射。此外，中科院半導體研究所、廈門大學、青島杰生等單位也正致力于紫外LED研究，300nm的紫外LED光功率已經(jīng)達到mW量級。與藍光不同，目前紫外LED正處于技術發(fā)展期，在專利和知識產(chǎn)權方面限制較少，利于占領、引領未來的技術制高點。國內(nèi)在紫外LED的裝備、材料和器件方面都有了一定的積累，目前正在積極的向應用模塊發(fā)展。在UV-LED形成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)之前還需要國家的引導和支持以便在核心技術方面取得先機。
[0003]紫外LED技術面臨的首要問題是其光效低。波長365nm的紫外LED輸出功率僅為輸入功率的5% -8%。對于波長385nm以上的紫外LED光電轉(zhuǎn)化效率相對于短波長有明顯提高，但輸出功率只有輸入功率的15%。如何有效提高紫外LED的光效成為大家關注的焦點問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種采用MOCVD技術制備高亮度近紫外發(fā)光二極管的方法。通過設計新型的LED結構，在n-GaN和InGaN/AlGaN多量子阱有源區(qū)之間生長Al組分、In組分以及η摻雜漸變的電流擴展層，改善水平方向電流擴展，有效緩解有源區(qū)應力。進而實現(xiàn)提高近紫外LED發(fā)光效率的目的。
[0005]本發(fā)明的技術解決方案:通過在近紫外LED n-GaN和有源層之間引入優(yōu)化的η型電流擴展層。通過優(yōu)化η型電流擴展層的結構如采用n-AlInGaN、n-A I InGaN/AlGaN超晶格、η-1nGaN/AlGaN超晶格、n-AlInGaN/GaN/AlGaN多層超晶格結構，其中Al組分、In組分以及η型摻雜漸變。優(yōu)化設計電流擴展層結構參數(shù):各層的生長厚度、Al組分、In組分、Si的摻雜濃度等參數(shù)。該方法包括以下步驟:
[0006]步驟一，在金屬有機化合物氣相外延反應室中將Al2O3襯底在氫氣氣氛下，10800C -1100°C下處理5分鐘，然后降低溫度，在530-550°C，反應室壓力500torr，在氫氣(H2)氣氛下，三維生長20-30納米厚的GaN緩沖層，再在1000-150(TC下生長2_4微米厚n-GaN 層；
[0007]步驟二，在氮氣(N2)氣氛下，在750-850°C下生長非對稱Al組分、In組分以及η摻雜漸變的η型電流擴展層，優(yōu)化電流擴展層結構如下:
[0008](I)非對稱Al組分和In組分以及η摻雜漸變的η型AlylInxlGa1 yl xlN電流擴展層(其中0〈yl ( y ；0<xl ( χ)，單層厚度15nm_30nm ;其中Al組分以及In組分隨電流擴展層生長厚度增加而線性增加。
[0009](2)非對稱Al組分和In組分以及η摻雜漸變的η型多周期Aly2Inx2Ga1 x2 y2N/Aly2Ga1 y2N超晶格(其中0〈y2 ( y ；0<x2 ( χ)，超晶格結構周期數(shù)為I至10 ;其中Al組分以及In組分隨電流擴展層生長周期增加而階梯式增加。
[0010](3)非對稱Al組分和In組分以及η摻雜漸變的η型多周期Inx3Ga1 ,/Aly3Ga1 y3N超晶格或量子阱結構(其中0〈y3 ( y ；0<x3 ( χ)，超晶格結構周期數(shù)為I至10 ;其中Al組分以及In組分隨電流擴展層生長周期增加而階梯式增加。
[0011 ] (4)非對稱Al組分和In組分以及η摻雜漸變的η型多周期Aly4Inx4Ga1 x4 y4N/GaN/Aly4Ga1 y4N超晶格或量子阱結構(其中0〈y4 ( y ；0<x4 ( χ)，超晶格結構周期數(shù)為I至10 ;其中Al組分以及In組分隨電流擴展層生長周期增加而階梯式增加。
[0012]接著生長5-10周期InxGa1 ^/AlyGa1 yN多量子阱有源區(qū)，其中0〈χ彡0.05 ;0<y ( 0.05 ;在有源區(qū)上，在氮氣氣氛下，在950攝氏度生長p-AlGaN電子阻擋層；
[0013]步驟三，在氫氣氣氛下，在950°C -1040°C下生長p-GaN。
[0014]通過優(yōu)化η型電流擴展層改善近紫外LED電流擴展效果，進而有效提高近紫外LED的抗靜電能力。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明實施例1中一種高亮度近紫外發(fā)光二極管的豎直剖面視圖；
[0016]圖2是本發(fā)明實施例2中一種高亮度近紫外發(fā)光二極管的豎直剖面視圖；
[0017]圖3采用本發(fā)明實施例1中新型電流擴展層近紫外發(fā)光二極管UV-LED1、采用本發(fā)明實施例2中新型電流擴展層近紫外發(fā)光二極管UV-LED2和無電流擴展層近紫外發(fā)光二極管UV-LED光功率隨注入電流變化曲線圖。
【具體實施方式】
[0018]本發(fā)明提供一種采用MOCVD技術制備高亮度近紫外LED的方法。通過設計新型的LED結構，在n-GaN和InGaN/AlGaN多量子阱有源區(qū)之間生長Al組分、In組分以及η摻雜漸變的電流擴展層，改善水平方向電流擴展，有效緩解有源區(qū)應力。進而實現(xiàn)提高近紫外LED發(fā)光效率的目的。
[0019]圖1是本發(fā)明實施例1 一種采用MOCVD技術制備具有非對稱結構電流擴展層的高亮度近紫外LED的豎直剖面視圖。圖1中包括Al2O3襯底101，n_GaN102，n-AlInGaN電流擴展層103，InGaN/AlGaN多量子阱有源層104，p_AlGaN電子阻擋層105，p_GaN 106。其中η型電流擴展層In組分、Al組分小于InGaN/AlGaN多量子阱有源區(qū)In組分以及Al組分；圖2是本發(fā)明實施例2 —種采用MOCVD技術制備具有非對稱結構電流擴展層的高亮度近紫外LED的豎直拋面視圖。圖2中包括Al2O3襯底201，n-GaN 202，n-A I InGaN/AlGaN超晶格結構電流擴展層203，InGaN/AlGaN多量子阱有源層204，p-AlGaN電子阻擋層205，p-GaN206。其中η型電流擴展層In組分、Al組分小于InGaN/AlGaN多量子阱有源區(qū)In組分以及Al組分；n型電流擴展層采用Al組分、In組分以及η摻雜漸變的n-AlInGaN、n-AlInGaN/AlGaN超晶格或量子阱結構、n-AlInGaN/GaN/AlGaN超晶格或量子阱結構、或其它結構只要滿足Al組分、In組分以及η摻雜漸變的原則都在本專利保護的范圍之內(nèi)。
[0020]實施例1
[0021]使用Aixtron公司，緊耦合垂直反應室MOCVD生長系統(tǒng)。生長過程中使用三甲基鎵(TMGa)，三甲基銦(TMIn)，三甲基鋁(TMAl)作為III族源，氨氣(NH3)作為V族源，硅烷(SiH4)作為η型摻雜源，二茂鎂(Cp2Mg)作為ρ型摻雜源，首先在MOCVD反應室中將Al2O3襯底101加熱到1080-1100攝氏度，在H2下處理5分鐘，然后降溫到在530-550攝氏度在Al2O3襯底上，反應室壓力500torr，，氫氣(H2)氣氛下，三維生長20-30納米后的GaN緩沖層，在1000-150