《具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法》是圓融光電科技股份有限公司於2017年5月17日申請的專利，該專利申請號：2017103511074，專利公布號：CN106972086A，專利公布日：2017年7月21日，發明人是：黃小輝、王小文、康建、梁旭東。
《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的外延結構及其生長方法，生長方法包括如下步驟：1）在襯底上，從下至上依次生長緩衝層、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，並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；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。該發明能夠極大地提高電子空穴複合幾率，提高紫外LED的發光效率。
2021年8月16日，《具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法》獲得安徽省第八屆專利獎優秀獎。
（概述圖為《具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法》的摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法
- 公布號：CN106972086A
- 公布日：2017年7月21日
- 申請號：2017103511074
- 申請日：2017年5月17日
- 申請人：圓融光電科技股份有限公司
- 地址：安徽省馬鞍山市經濟技術開發區寶慶路399號1棟
- 發明人：黃小輝、王小文、康建、梁旭東
- Int.Cl.：H01L33/06(2010.01)I、H01L33/00(2010.01)I、H01L33/32(2010.01)I
- 專利代理機構：北京同立鈞成智慧財產權代理有限公司
- 代理人：陶敏、黃健
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
隨著中國科技水平的進步，製造業的持續發展，生活水平也得到不斷地改善，物質生活和精神生活都有大幅的提升。然而近年來霧霾、水污染等的加重給日益改善的生活水平增添了瑕疵，空氣和水等攜帶的細菌正在侵蝕我們的健康。為了保護自身的健康，各種消毒殺菌裝置孕育而生，如空氣淨化器，水處理器。而這些殺菌裝置的最主要殺菌功能部件為紫外燈，截至2017年5月，比較熱門的是採用深紫外LED燈。紫外LED殺菌的原理是利用LED產生的適當波長紫外線對細菌的脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）的分子鍵進行破壞，破壞原有細菌菌落並阻止細菌的複製繁殖，達到殺死細菌的目的。紫外殺菌技術利用高強度深紫外線照射，能夠將各種細菌、病毒、寄生蟲、水藻以及其他病原體直接殺死，被廣泛套用於民生、醫療以及生產製造行業。因深紫外LED的殺菌功能，截至2017年5月，該領域對深紫外LED的研究也趨於熱門。
深紫外LED主要採用AlGaN作為主要生長材料，利用CVD外延生長方法生長出所需要的發光結構。圖1為2017年5月以前的技術中的紫外AlGaNLED外延結構，如圖1所示，該結構包含緩衝層101，非摻雜AltGa1-tN層102，N型摻雜AluGa1-uN層103，AlxGa1-xNAl量子阱層104、AlyGa1-yNAl量子壘層105，AlzGa1-zN電子阻擋層106，P型摻雜AlvGa1-vN層107以及P型摻雜GaN層108。雖然，紫外深紫外鋁鎵氮AlGaNLED套用廣泛。但是，AlGaNLED還存在套用上的一些難題。1、發光效率低，截至2017年5月，15x15密位的晶片在20毫安驅動電流下發光亮度約2兆瓦，發光效率低導致殺菌效率也偏低；2、AlGaN量子阱中因無法形成AlGaN量子點，導致電子空穴複合幾率非常低。
發明內容
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複合幾率，解決了AlGaN量子阱中因無量子點導致的複合幾率非常低的問題。
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衝層、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，並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；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衝層。由於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衝層。為了能夠控制緩衝層的厚度，一般的，金屬源的注入速度為1～300毫升/分鐘，在通入上述反應物後並反應3～10分鐘，即可在襯底上成長出厚度大於0且小於等於100納米的緩衝層。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，緩衝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。優選的，為了避免吸光，金屬源可以選擇為三甲基鋁。其次，當緩衝生長層生長結束後，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衝層發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並化合為金屬氮化物，從而與晶核島合併並長大，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，在通入上述反應物並反應10～180分鐘後，即可在緩衝層上成長出厚度為50～3000納米的未摻雜層。隨後引入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。《具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法》中引入的雜原子為矽原子，矽原子的摻雜濃度為1x10～5x10個厘米。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。並且，《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大於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於0且小於500納米的P型摻雜AlvGa1-vN層，此層的摻雜濃度為1×10～5×10個厘米。最後，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5×10～8×10個厘米，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量，從而提升了電子空穴複合幾率，提高了紫外LED的發光性能，有效實現了紫外LED的殺菌效率。具體地，當M＝1，則所述步驟2）包括：a.調節溫度為900～1200℃，壓力為30～200托，通入氫氣、三甲基鎵、三甲基鋁、矽原子以及氨氣，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.重複步驟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.調節溫度為900～1200℃，壓力為30～200托，通入氫氣、三甲基鎵、三甲基鋁、矽原子以及氨氣，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.重複步驟B～CM次；E.重複步驟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矽原子，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，具體可以採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》對發光二極體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、矽、碳化矽、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量，提升了電子空穴複合幾率，提高了紫外LED器件的發光性能，從而使紫外LED的殺菌效力得到顯著增強。該發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。
改善效果
1）此發明結構簡單，易於實現，所需源材料均為普通生產所需，能夠輕易實現；
2）GaN量子點的引入能夠極大地提高電子空穴複合幾率，提高紫外LED的發光效率；
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。
附圖說明
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。
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》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，屬於發光二極體（Light-EmittingDiode，簡稱LED）技術領域。
權利要求
1.《具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法》的特徵在於，包括如下步驟：1）在襯底上，從下至上依次生長緩衝層、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，每個所述量子阱結構包含量子阱層和量子壘層AlyGa1-yN，並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；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。
2.根據權利要求1所述的生長方法，其特徵在於，若M＝1，則所述步驟2）包括：a.調節溫度為900～1200℃，壓力為30～200托；通入氫氣、三甲基鎵、三甲基鋁、矽原子以及氨氣，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.重複步驟a～cQ次。
3.根據權利要求1所述的生長方法，其特徵在於，若2≤M≤10，則所述步驟2）包括：A.調節溫度為900～1200℃，壓力為30～200托，通入氫氣、三甲基鎵、三甲基鋁、矽原子以及氨氣，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1～20個原子層級；D.重複步驟B～CM次；E.重複步驟A～DQ次。
4.根據權利要求2～3任一所述的生長方法，其特徵在於，所述非摻雜層為AltGa1-tN、N型摻雜層為AluGa1-uN，電子阻擋層為AlzGa1-zN，其中，0＜t＜1，0＜u＜1，0＜z＜1，且z＞y。
5.根據權利要求4所述的生長方法，其特徵在於，所述緩衝層選自氮化鎵、氮化銦以及氮化鋁中的一種或幾種。
6.根據權利要求5所述的生長方法，其特徵在於，所述N型摻雜層的摻雜原子為矽原子，所述P型摻雜AlvGa1-vN層和P型摻雜GaN層的摻雜原子為鎂原子。
7.根據權利要求6所述的生長方法，其特徵在於，所述外延結構的生長設備選自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。
8.根據權利要求7所述的生長方法，其特徵在於，所述襯底選自藍寶石、矽、碳化矽、玻璃、銅、鎳和鉻中的一種。
9.《具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法》的特徵在於，按照上述權利要求1～8所述的生長方法得到。
10.《具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法》包括上述權利要求9所述的具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構。
實施方式
- 實施例1
1、緩衝層的生長MOCVD反應室溫度升至600℃，壓力為100托，同時通入三甲基鋁（150毫升/分鐘）和NH3，生長10分鐘，在藍寶石襯底（Al2O3）上發生反應，生成厚度為50納米的GaN緩衝層；2、非摻雜層的生長經過10分鐘，將溫度升高到1200℃，壓力降至50托，通入氫氣、三甲基鎵（65毫升/分鐘）、三甲基鋁（300毫升/分鐘）和NH3，生長120分鐘，鋁鎵氮晶核在金顆粒底部形成並長大，AlGaN橫向生長，生成厚度為2微米非摻雜的AlGaN層，Al含量為75％；3、N型摻雜層的生長反應室溫度升高至1250℃，壓力保持50毫托，通入氫氣、三甲基鎵（80毫升/分鐘）、三甲基鋁（300毫升/分鐘）和氨氣，生長90分鐘，生成厚度為1500納米的N型AlGaN層，Al含量為75％，N型GaN的摻雜濃度為1×1019個厘米-3；4、多量子阱結構的生長a.將反應室溫度降至1000℃，壓力為50毫托，通入氫氣、三甲基鎵（20毫升/分鐘），三甲基鋁（60毫升/分鐘）和氨氣，摻入Si雜質，生長2分鐘，生成厚度為12納米的摻雜AlGaN量子壘，摻雜濃度為1×1018個厘米-3，Al含量為60％；b.1000℃，壓力為50毫托，通入氫氣、三甲基鎵（10毫升/分鐘），三甲基鋁（40毫升/分鐘）和氨氣，此層不摻Si，生長0.75分鐘，生成厚度為3納米的AlGaN量子阱層，Al含量為50％；c.將反應室溫度降至900℃，壓力為50毫托，通入氫氣、三甲基鎵（10毫升/分鐘）和氨氣，生長5秒，生長厚度為5個原子層級的GaN量子點；d.重複進行a-c共13個循環，形成13個周期的量子阱結構，即Q＝13，M＝1；5、電子阻擋層的生長將反應室溫度提高到1100℃，壓力為50托，通入氫氣、三甲基鎵（17毫升/分鐘），三甲基鋁（60毫升/分鐘）和氨氣，生長時間為15分鐘，生成厚度為30納米的AlGaN電子阻擋層，Al含量為70％；6、P型摻雜AlvGa1-vN層將溫度降為950℃，壓力調為200托，通入氫氣、三甲基鎵（40毫升/分鐘），二茂鎂（150毫升/分鐘），氨氣，生長25分鐘，其中，Mg的摻雜濃度為5.5×1019個厘米-3，此層的厚度為150納米；7、P型摻雜層的生長維持溫度950℃，壓力調為200托，通入氫氣、三甲基鎵（40毫升/分鐘），二茂鎂（450毫升/分鐘），氨氣，生長時間為1分鐘，Mg的摻雜濃度為2×1020個厘米-3，生成厚度為5納米的重摻P型GaN層。至此，完成該事實例的波長為255納米的具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構的生長。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。對該事實例的外延結構進行如下測試：1、將具有此外延結構的LED，製作成350微米×350微米晶片，通入20毫安的電流，工作電壓為6.0伏，發光亮度為4兆瓦；2、具有此外延結構的紫外LED器件壽命為1萬小時。
- 實施例2
1、緩衝層的生長MOCVD反應室溫度升至600℃，壓力為100托，同時通入三甲基鋁（150毫升/分鐘）和NH3，生長10分鐘，在藍寶石襯底（Al2O3）上發生反應，生成厚度為50納米的GaN緩衝層；2、非摻雜層的生長經過10分鐘，將溫度升高到1200℃，壓力降至50托，通入氫氣、三甲基鎵（45毫升/分鐘）、三甲基鋁（300毫升/分鐘）和NH3，生長120分鐘，鋁鎵氮晶核在金顆粒底部形成並長大，AlGaN橫向生長，生成厚度為2微米非摻雜的AlGaN層，Al含量為50％；3、N型摻雜層的生長反應室溫度升高至1250℃，壓力保持50毫托，通入氫氣、三甲基鎵（50毫升/分鐘）、三甲基鋁（300毫升/分鐘）和氨氣，生長90分鐘，生成厚度為1500納米的N型AlGaN層，Al含量為50％，N型GaN的摻雜濃度為1×1019個厘米-3；4、多量子阱結構的生長A.將反應室溫度降至1000℃，壓力為50毫托，通入氫氣、三甲基鎵（12毫升/分鐘），三甲基鋁（60毫升/分鐘）和氨氣，摻入Si雜質，生長2分鐘，生成厚度為12納米的摻雜AlGaN量子壘，摻雜濃度為1×1018個厘米-3，Al含量為35％；B.1000℃，壓力為50毫托，通入氫氣、三甲基鎵（4毫升/分鐘），三甲基鋁（40毫升/分鐘）和氨氣，此層不摻Si，生長0.25分鐘，生成厚度為1納米的AlGaN量子阱層，Al含量為22％；C.將反應室溫度降至900℃，壓力為50毫托，通入氫氣、三甲基鎵（10毫升/分鐘）和氨氣，生長1秒，生長厚度為1個原子層級的GaN量子點；D.重複進行B-C共3個循環，形成AlxGa1-xN-GaN量子點/AlxGa1-xN-GaN量子點/AlxGa1-xN-GaN量子點的量子阱結構,即M＝3；E.重複進行A-D共8個循環，形成8個周期的量子阱結構，即Q＝8；5、電子阻擋層的生長將反應室溫度提高到1100℃，壓力為50毫托，通入氫氣、三甲基鎵（12毫升/分鐘），三甲基鋁（60毫升/分鐘）和氨氣，生長時間為15分鐘，生成厚度為30納米的AlGaN電子阻擋層，Al含量為50％；6、P型摻雜AlvGa1-vN層的生長將溫度降為950℃，壓力調為200托，通入氫氣、三甲基鎵（40毫升/分鐘），二茂鎂（150毫升/分鐘），氨氣，生長15分鐘，其中，Mg的摻雜濃度為5.5×1019個厘米-3，此層的厚度為90納米；7、P型摻雜層的生長維持溫度950℃，壓力調為200托，通入氫氣、三甲基鎵（40毫升/分鐘），二茂鎂（450毫升/分鐘），氨氣，生長時間為1分鐘，Mg的摻雜濃度為2×1020個厘米-3，生成厚度為5納米的重摻P型GaN層。至此，完成該事實例的波長為310納米的具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構的生長，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。對該事實例的外延結構進行如下測試：1、將具有此外延結構的LED，製作成350微米×350微米晶片，通入20毫安的電流，工作電壓為6.0伏，發光亮度為4兆瓦；2、具有此外延結構的紫外LED器件壽命為1萬小時。
榮譽表彰
2021年8月16日，《具有氮化鎵量子點的紫外LED的外延結構及其生長方法》獲得安徽省第八屆專利獎優秀獎。
