氮化镓基紫外与深紫外LED关键技术

2015年度国家科学技术进步奖二等奖。

主要完成人：郝 跃，李培咸，林科闯，李晋闽，张国华，王军喜，马晓华，闫建昌，蔡伟智，高 英

主要完成单位：西安电子科技大学，中国科学院半导体研究所，三安光电股份有限公司，青岛杰生电气有限公司，西安中为光电科技有限公司

图1为2017年5月以前的技术中的紫外AlGaNLED外延结构；

图2为《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》实施例1中的紫外AlGaNLED外延结构；

图3为《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》实施例2中的紫外AlGaNLED外延结构。

《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》涉及一种紫外LED的外延结构，尤其涉及一种具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法，属于发光二极管（Light-EmittingDiode，简称LED）技术领域。

具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法专利目的

《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》提供了一种具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法，该外延结构具有提供量子点的量子阱结构，从而提高了电子空穴复合几率，解决了AlGaN量子阱中因无量子点导致的复合几率非常低的问题。

具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法技术方案

《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》提供一种具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构的生长方法，包括如下步骤：1）在衬底上，从下至上依次生长缓冲层、非掺杂层、N型掺杂层；2）在所述N型掺杂层上生长Q个量子阱结构，所述每个量子阱结构包含量子阱层和量子垒层AlyGa1-yN，并且所述量子阱层包含M个AlxGa1-xN-GaN量子点，其中，1≤Q≤50，1≤M≤10，0＜x＜1，0＜y＜1，x＜y，且Q、M均为正整数；3）在所述Q个量子阱结构上，从下至上依次生长电子阻挡层、P型掺杂AlvGa1-vN层和P型掺杂GaN层，其中，0＜v＜1，v＞y。步骤1）中，首先是在衬底上生长缓冲层。由于LED外延结构多为金属的氮化物，因此在通入反应物之前，需要对反应室中的温度以及压力进行控制从而使氨气和金属源能够分解成各自原子而发生化合反应生成金属的氮化物。具体实施过程中，将反应室衬底的温度控制在600～1000℃，压力为100～500托，将氨气与金属源通入衬底上，在该反应条件下，金属源分解为相应的金属原子，氨气分解为氮原子，从而生成金属氮化物形成外延结构的缓冲层。为了能够控制缓冲层的厚度，一般的，金属源的注入速度为1～300毫升/分钟，在通入上述反应物后并反应3～10分钟，即可在衬底上成长出厚度大于0且小于等于100纳米的缓冲层。其中，金属源可以选择为三甲基镓、三甲基铟以及三甲基铝中的一种或多种，则可以想到的是，缓冲层的组成会因此为氮化镓、氮化铟以及氮化铝中的一种或几种。优选的，为了避免吸光，金属源可以选择为三甲基铝。其次，当缓冲生长层生长结束后，可以将反应室的温度提高至1000～1350℃，压力维持在30～100托，在氢气气氛的保护下，通入三甲基镓、三甲基铝和氨气。该步骤不仅能够使缓冲层发生分解聚合形成均匀分布的成核岛，还能够使新通入的反应物分解为原子并化合为金属氮化物，从而与晶核岛合并并长大，从而生长出未掺入任何杂质的未掺杂层AltGa1-tN。为了能够控制未掺杂层的厚度，一般的，三甲基镓和三甲基铝的注入速度为50～1000毫升/分钟，在通入上述反应物并反应10～180分钟后，即可在缓冲层上成长出厚度为50～3000纳米的未掺杂层。随后引入N型杂质在未掺杂层上生长出厚度为1000～3000纳米N型掺杂层AluGa1-uN。《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》中引入的杂原子为硅原子，硅原子的掺杂浓度为1x10¹⁷～5x10¹⁹个厘米^-3。步骤2）中，是在N型掺杂层上生长Q个量子阱结构。《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》对每个量子阱结构中的量子阱层做了设计，使每个量子阱层中都包含GaN量子点，即：当M＝1时，量子阱层具体为AlxGa1-xN-GaN量子点；当M＞1时，量子阱层具体为AlxGa1-xN-GaN量子点/AlxGa1-xN-GaN量子点......AlxGa1-xN-GaN量子点/AlxGa1-xN-GaN量子点。并且，《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》中要求量子垒层中的铝含量y大于量子阱层中的铝含量x。步骤3）中，首先，在已生长好的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱结构上生长一层5-100纳米厚的电子阻挡层AlzGa1-zN。此层的目的作为电子阻挡层同时也可以作为高载流子迁移率插入层。其次，在此基础上生长高载流子浓度的厚度大于0且小于500纳米的P型掺杂AlvGa1-vN层，此层的掺杂浓度为1×10¹⁸～5×10²⁰个厘米^-3。最后，生长P型掺杂GaN层，此层的厚度为2～15纳米，此层的掺杂浓度为5×10¹⁹～8×10²⁰个厘米^-3，以便形成良好的欧姆接触。以上，便完成了完整的含有氮化镓量子点的紫外LED外延结构的生长。

《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》有效提升了氮化铝镓AlGaN量子阱中量子点的数量，从而提升了电子空穴复合几率，提高了紫外LED的发光性能，有效实现了紫外LED的杀菌效率。具体地，当M＝1，则所述步骤2）包括：a.调节温度为900～1200℃，压力为30～200托，通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、硅原子以及氨气，生长量子垒层AlyGa1-yN，其中，所述量子垒层AlyGa1-yN的垒宽为2～25纳米；b.通入氢气、三甲基镓、三甲基铝以及氨气，生长所述量子阱层中的AlxGa1-xN，其中所述AlxGa1-xN的阱宽为1～5纳米；c.降温至800～1200℃，压力为30～200托，通入氢气、三甲基镓以及氨气，生长所述量子阱层中的GaN量子点，所述GaN量子点的厚度为1～20个原子层级；d.重复步骤a～cQ次。该生长方法具体生长出量子阱层包含单个AlxGa1-xN-GaN量子点结构的量子阱结构。另外，当2≤M≤10，则所述步骤2）包括：A.调节温度为900～1200℃，压力为30～200托，通入氢气、三甲基镓、三甲基铝、硅原子以及氨气，生长量子垒层AlyGa1-yN，其中，所述量子垒层AlyGa1-yN的垒宽为2～25纳米；B.通入氢气、三甲基镓、三甲基铝以及氨气，生长所述量子阱层中的AlxGa1-xN，其中所述AlxGa1-xN的阱宽为1～5纳米；C.降温至800～1200℃，压力为30～200托，通入氢气、三甲基镓以及氨气，生长所述量子阱层中的GaN量子点，所述GaN量子点的厚度为1～20个原子层级；D.重复步骤B～CM次；E.重复步骤A～DQ次。该生长方法具体生长出量子阱层包含AlxGa1-xN-GaN量子点……AlxGa1-xN-GaN量子点的周期性结构的量子阱结构。其中步骤A、B、C与步骤a、b、c相同。

《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》中量子点的厚度可以通过步骤c或者步骤C中的生长时间和反应物通入流量的大小来调整。进一步地，《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》还对非掺杂层为AltGa1-tN、N型掺杂层为AluGa1-uN，电子阻挡层为AlzGa1-zN中的铝镓含量进行了限制，其中0＜t＜1，0＜u＜1，0＜z＜1，且z＞y。进一步地，在《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》中，N型掺杂层的掺杂原子为硅原子，而所述P型掺杂AlvGa1-vN层和P型掺杂层的掺杂原子为镁原子，具体可以采用二茂镁的形式作为反应物通入反应室，其中，二茂镁的流速为10～1000毫升/分钟。进一步地，《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》对发光二极管外延结构的生长设备不做限制，可以是金属有机化学气相沉积设备、分子束外延设备或者氢化物气相外延设备中的一种。同时，所述衬底层选自蓝宝石、图形蓝宝石、硅、碳化硅、玻璃、铜、镍和铬中的一种。

《具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法》提供的具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构的生长方法，通过将GaN量子点引入量子阱层中，有效地提升了氮化铝镓AlGaN量子阱中量子点的数量，提升了电子空穴复合几率，提高了紫外LED器件的发光性能，从而使紫外LED的杀菌效力得到显著增强。该发明还提供一种具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构，该具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构按照上述生长方法得到。该发明还提供一种具有氮化镓量子点的紫外LED，该具有氮化镓量子点的紫外LED包括上述的具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构。

具有氮化镓量子点的紫外LED的外延结构及其生长方法改善效果

1）此发明结构简单，易于实现，所需源材料均为普通生产所需，能够轻易实现；

2）GaN量子点的引入能够极大地提高电子空穴复合几率，提高紫外LED的发光效率；

3）能够通过控制GaN量子点的厚度来控制所需紫外LED的波长。