具有勢壘高度漸變超晶格層的led結構及其製備方法
2023-05-26 23:04:06 1
具有勢壘高度漸變超晶格層的led結構及其製備方法
【專利摘要】一種具有勢壘高度漸變超晶格層的LED結構及其製備方法，該LED結構包括襯底，在襯底上自下至上依次設置有成核層、緩衝層、n型導電層、超晶格層、多量子阱層和p型導電層，所述超晶格層是交替生長的AlxGa1-x-yInyN超晶格阱和AluGa1-u-vInvN超晶格壘，重複周期2-50 個，其中0＜x≤u＜1，0＜v≤y＜1；由n型導電層至p型導電層方向的各個超晶格阱中x和y的取值恆定不變，各個超晶格壘中u的取值按等差數列逐漸降低，v的取值按等差數列逐漸增加。在MOCVD反應腔室中生長各層。本發明提高了對載流子的束縛能力，增強了電子和空穴波函數的空間重合率，有效減少電子洩露，增加載流子與空穴的複合效率，提高器件的發光效率，光輸出功率提高5%。
【專利說明】具有勢壘高度漸變超晶格層的LED結構及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種GaN基LED的結構及其製備方法，屬於光電子【技術領域】。
【背景技術】
[0002]II1-V族寬禁帶直接帶隙半導體具有寬帶隙、高電子迀移率、高熱導率、高硬度、穩定的化學性質、較小介電常數和耐高溫的一系列優點，因此其在高亮度藍色發光二極體、藍色半導體雷射器以及抗輻射、高頻、高溫、高壓等電子電力器件中有著廣泛的實際應用和巨大的市場前景。GaN是半導體III族氮化物的基本材料，質地堅硬，且化學性質異常穩定，室溫下不與酸、鹼反應，不溶於水，具有較高的熔點1700°C。GaN具有優秀的電學性質，電子迀移率最高可達900cm2/ (V.s)。η型摻雜的GaN材料很容易得到，但是P型摻雜GaN卻不易得到，P型GaN曾經是GaN器件的制約瓶頸。在熱退火技術提出之後，GaN較容易地實現Mg雜質的摻雜，目前P型載流子濃度可以達到117?10 20/cm3o近十幾年來，採用緩衝層的外延技術和P型摻雜的提高，使得GaN基器件研宄重新振興，變為熱點。
[0003]GaN基多量子阱發光二極體(LED)已經進入市場並取得很大進展，但是晶片出光效率低下並且衰減的問題仍未得到很好解決。現有的LED結構是在藍寶石U-Al2O3)或者碳化矽(SiC)襯底上沿著
[0001]方向外延得到的GaN基材料存在自發極化和壓電極化，致使能帶產生嚴重彎曲。傳統通用結構中，InGaN量子阱和GaN量子皇之間由於存在極化效應，阱和皇的能帶產生形變。形變的量子阱對載流子的束縛能力大幅下降，產生很大的漏電流。而且量子皇的形變對載流子尤其是空穴的輸運產生附加勢皇，使空穴不能均勻的分布在各個量子阱內，只能集中在靠近P側的一兩個阱內。因此傳統結構LED的內量子效率在較高電流密度注入下出現衰減。
[0004]中國專利文獻CN103474539A公開的《一種含有超晶格層的LED結構外延生長方法及其結構》，是在生長發光層步驟與生長P型AlGaN層步驟之間，包括生長InN/GaN超晶格層的步驟:在溫度為740-770°C、10mbar到800mbar壓力的反應室內，採用!12和/或N2作為載氣，生長InN/GaN超晶格層，每層InN厚度為l_2nm，每層GaN厚度為l_2nm ；InN/GaN超晶格層的周期數為10-15層，總厚度為20-30nm。該方法在傳統的發光層量子阱層和電子阻擋層(AlGaN:Mg)之間插入InN/GaN超晶格層，利用InN的晶格係數從GaN順利過渡到AlGaN，減小應力，增加量子阱的空穴濃度，提高發光效率。但是在量子阱層和電子阻擋層之間加入超晶格結構，晶格缺陷較大，不利於改善晶體質量。
[0005]中國專利文獻CN 103633214 A公開的《一種InGaN/GaN超晶格緩衝層結構製備方法及含該結構的LED晶片》，包括淺量子阱層和MQW層，包括設置於淺量子阱層和MQW層之間的超晶格緩衝層；超晶格緩衝層包括多個依次疊置的緩衝層單元，其中，每個緩衝層單元包括:InGaN層以及多個摻雜層；摻雜層包括依次疊置的uGaN層和nGaN層，並設置在InGaN層上；該InGaN/GaN超晶格緩衝層結構能提高具有該結構的LED晶片有源區晶體質量，降低有源區晶格失和熱應力失配，有效減少電子洩露，增加載流子與空穴的複合效率，提高器件的發光效率。通過設置了 InGaN/GaN超晶格緩衝層結構，雖在一定程度上提升了晶體質量，但可摻雜的濃度較少，容易導致晶片電壓高。
[0006]上述專利文獻中的LED結構中，雖然採用超晶格緩衝層結構，但是超晶格皇與超晶格阱之間的極化效應仍然較強，對載流子的束縛能力大，減弱了電子和空穴波函數的空間重合率，較強的極化效應使得晶格缺陷較多，不能進一步提高LED晶片有源區晶體質量和器件的發光效率。
【發明內容】
[0007]本發明針對現有超晶格緩衝層的LED結構存在的不足，提供一種能夠增強內量子效率和光輸出功率的具有勢皇高度漸變超晶格層的LED結構，同時提供一種該LED結構的製備方法。
[0008]本發明的具有勢皇高度漸變超晶格層的LED結構，包括襯底，在襯底上自下至上依次設置有成核層、緩衝層、η型導電層、超晶格層、多量子阱層和P型導電層，在η型導電層上和P型導電層上分別設置有歐姆接觸層；所述超晶格層是交替生長的AlxGa1^InyN超晶格阱和AluGa1IvInvN超晶格皇，重複周期2_50個，其中0<乂彡11<1，0<￥彡7<1;由η型導電層至P型導電層方向的各個超晶格阱中X和y的取值恆定不變，各個超晶格皇中u的取值按等差數列逐漸降低，V的取值按等差數列逐漸增加。
[0009]AlxGa1^yInyN 超晶格阱的厚度為 0.5_30nm 2nm_50nm。
[0010]AluGa1^vInvN 超晶格皇的厚度為 2-75nm 10nm_60nm。
[0011]對於不同勢皇高度的AluGa1IvInvN超晶格皇，u和V的數值要滿足如下條件:使得超晶格皇的勢皇高度(也就是禁帶寬度)由η型導電層至P型導電層方向逐步降低；而且超晶格皇的勢皇尚度大於超晶格講的勢皇尚度。
[0012]u和V按等差數列變化指的是:對於η個超晶格皇，u最大值為u(max)，最小值u (min)，相鄰皇內u相差常數k = [u (max) _u (min) ] / (η-1)，u是按等差數列降低；同理對於η個超晶格皇，V最大值為v(max)，最小值v(min)，相鄰皇內v相差常數k =[v (max) -v (min) ] / (η-1)，ν是按等差數列增加。對於不同勢皇高度的AluGa1HlnvN, u和ν的數值要滿足如下條件:使得超晶格皇的勢皇高度(也就是禁帶寬度)從由η型導電層至P型導電層方向逐步降低；使得超晶格皇的禁帶寬度大於超晶格阱材料的禁帶寬度。
[0013]根據本領域內通用的半導體物理知識，AlGaInN材料中Al組分的增加或In組分的減小都會使得材料的禁帶寬度減小。超晶格皇材料，U的取值需要大於等於X，V的取值需要小於等於y。並且為了得到從η側到P側勢皇高度逐步降低的超晶格皇，需要靠近η側超晶格皇中Al組分不低於相鄰的靠近P側的超晶格皇中Al的組分，或者靠近η側超晶格皇中In組分不尚於相鄰的靠近P側的超晶格皇中In的組分。
[0014]上述具有勢皇高度漸變超晶格層的LED結構的製備方法，包括以下步驟:
(1)在MOCVD(金屬有機化合物化學氣相沉澱設備)反應腔室中將襯底層加熱300°C-1200°C，在氫氣氣氛下處理2-10分鐘，然後溫度降至200°C-600°C生長GaN成核層，厚度 lnm_800nm ；
(2)然後溫度升到500°C-950°C，氫氣作為載氣，生長I μπι-100μπι厚的非摻雜GaN緩衝層；
(3)MOCVD反應腔室中，將溫度調節至850°C _1300°C，氫氣作為載氣的條件下，生長厚度為Ιμ---ΙΟμπι的摻Si的η型GaN層，Si的摻雜濃度範圍:I X 11W3-1 X 12W3;
(4)MOCVD反應腔室中，將溫度調節至420°C _1200°C，通入金屬有機源TMGa、TMIn和TMA1，生長超晶格層；所述的超晶格層是交替生長的厚度為0.5-30nm的AlxGa1^InyN超晶格阱和厚度為2-75nm的AluGa1IvInvN超晶格皇，重複周期2_50個，其中O < x彡u < 1，O<v<y<l;由η型導電層至P型導電層方向的各個超晶格講中X和y的取值恆定不變，各個超晶格皇中u的取值按等差數列逐漸降低，ν的取值按等差數列逐漸增加。
[0015](5) MOCVD反應腔室中，將溫度調節至500°C _1200°C，通入金屬有機源TMGa、TMIn和TMAl，生長多量子阱層；所述的多量子阱層是交替生長的厚度為l_30nm的InGaN阱和厚度為10-80nm的GaN皇，重複周期為2-60個；
(6)M0CVD反應腔室中，將溫度調節至500°C_1200°C，生長80nm_500nm厚的摻Mg的p型 GaN 層，Mg 摻雜濃度範圍為 I X 118CnT3-1 X 102°cnT3;
(7)最後在η型GaN層和ρ型GaN層上分別製作TiAlNiAu電極，製作成歐姆接觸層。
[0016]本發明的LED結構中，採用ΑΙ^^ΙινΝ/ΑΙΑ^ΙηνΝ超晶格緩衝層結構，超晶格皇中加入In組分，導致阱皇之間應力減小，壓電極化電場強度降低，所以增強了電子和空穴波函數的空間重合率；同時，極化效應的減弱使得晶格缺陷較少，特別是靠近量子阱一側的Al組分逐漸減少，為多量子阱層的生長和有效發光提供了結構支持。該超晶格緩衝層可以提高具有該結構的LED晶片有源區晶體質量，降低有源區晶格失和熱應力失配，有效減少電子洩露，增加載流子與空穴的複合效率，提高器件的發光效率。
[0017]本發明的LED結構增強了 LED結構的內量子效率和光輸出功率，試驗證明，光輸出功率提高5%。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明LED結構的示意圖。
[0019]圖中:1、襯底;2、成核層；3、緩衝層；4、η型導電層(η型GaN層);5、超晶格層;6、多量子阱層；7、ρ型導電層(ρ型GaN層)；8、歐姆接觸層。
【具體實施方式】
[0020]如圖1所不，本發明的具有勢皇尚度漸變超晶格層的LED結構，包括襯底I，在襯底上自下至上依次設置有成核層2、緩衝層3、η型導電層4、超晶格層5、多量子阱層6和ρ型導電層7，在η型導電層4上和ρ型導電層7上分別設置有歐姆接觸層8。襯底I為藍寶石襯底、碳化娃襯底、氮化鎵襯底、娃襯底之一。成核層2是厚度為lnm-800nm的非摻雜GaN。緩衝層3是厚度為I μ m-100 μ m的非摻雜GaN。η型導電層4是厚度為I μ m-10 μ m的摻Si的η型GaN層，Si的摻雜濃度是I X 117Cm^3-1 X 102°cm_3。多量子阱層6為交替生長的厚度為l-30nm的InGaN阱和厚度為10_80nm的GaN皇，重複周期為2-60個。ρ型導電層7是厚度為80nm-500nm的摻Mg的ρ型GaN層，Mg摻雜濃度是I X 118CnT3-1 X 102°cnT3。歐姆接觸層8為TiAlNiAu電極。
[0021]所述超晶格層6是交替生長的厚度為2nm-50nm的AlxGai_x_yInyN超晶格阱和厚度為 10nm-60nm 的 AluGa1IvInvN 超晶格皇，重複周期 2-75 個，其中 O < x ^ u < I, O < v ^ y< I ;自η側至ρ側(η側至ρ側指:從η型導電層方向到ρ型導電層方向，也即LED結構中從下到上)X和I的取值恆定不變，U的取值按等差數列逐漸降低，V的取值按等差數列逐漸增加。對於不同勢皇高度的AluGai_u_vInvN，u和ν的數值要滿足如下條件:使得超晶格皇的禁帶寬度(也就是勢皇高度)從η側到ρ側逐步降低；而且超晶格皇的禁帶寬度大於超晶格阱的禁帶寬度。
[0022]上述具有勢皇高度漸變超晶格層的LED結構的製備過程如下所述:
(I)在MOCVD反應腔室中將襯底I加熱300°C _1200°C，在氫氣氣氛下處理2_10分鐘，然後溫度降至200°C _600°C生長GaN成核層；(2)然後溫度升到500°C _950°C，氫氣作為載氣，生長GaN緩衝層；(3)將溫度調節至850°C _1300°C，氫氣作為載氣的條件下，生長摻Si的η型GaN層；(4)將溫度調節至420°C _1200°C，通入金屬有機源TMGa、TMIn和TMA1，生長超晶格層；(5)將溫度調節至500°C -1200°C，通入金屬有機源TMGa、TMIn和TMA1，生長多量子阱層；即交替生長InGaN阱和GaN皇，重複周期為2_60個；(6) MOCVD反應腔室中，將溫度調節至500°C -1200°C，生長摻Mg的ρ型GaN層；(7)最後在η型GaN層和ρ型GaN層上分別製作TiAlNiAu電極，製作成歐姆接觸層。
[0023]實施例1
襯底層I為氮化鎵襯底。成核層2是厚度為1nm的GaN。緩衝層3是厚度為3 μ m的非摻雜GaN。η型導電層4是厚度為4 μπι的摻Si的η型GaN層，Si的摻雜濃度5X 1017cm_3。超晶格層5是交替生長的厚度為4nm為AlxGanyInyN超晶格阱和厚度為15nm的AluGa1IvInvN超晶格皇，重複周期5個；自η側至ρ側方向:AlxGa1IyInyN超晶格講中的χ = 0.05，y =0.17，χ和y的取值恆定不變AluGaitvInvN超晶格皇中的u的取值按等差數列逐漸降低，ν的取值按等差數列逐漸增加，自η側至ρ側方向，五個超晶格皇中u的取值分別是Ul =0.2、u2 = 0.175、u3 = 0.15、u4 = 0.125 和 u5 = 0.1，ν 的取值分別是 vl = 0.11、ν2 =0.12、v3 = 0.13、v4 = 0.14和v5 = 0.15多量子阱層6是交替生長的厚度為3nm的InGaN阱(750 °C )和厚度為14nm的GaN皇(800 °C )，重複周期5個(6個皇夾雜5個阱)。ρ型導電層7是厚度為200nm的摻Mg的ρ型GaN層，Mg摻雜濃度5Χ 1018cm_3。歐姆接觸層8為TiAlNiAu 電極。。
[0024]實施例2
超晶格層是交替生長的厚度為1nm的AlxGamInyN超晶格阱和厚度為15nm的AluGa1IvInvN超晶格皇，重複周期 20 個。其中，χ = 0.15，y = 0.275。對於 20 個AluGa1IvInvN皇，選取u(min) = 0.2，從η側到ρ側20個超晶格皇中，Al組分為ul = u(max) =0.6，u5=u (min) = 0.2，u的取值按等差數列逐漸降低；從η側到ρ側20個超晶格皇中In組分為ν? = ν (min) = 0.21，v5 = v (max) = 0.25，ν的取值按等差數列逐漸增加。
[0025]實施例3
本實施例與實施例1不同之處是:
AlxGa1IyInyN超晶格講中的χ = 0.l，y = 0.302，χ和y的取值恆定不變。AluGa1^vInvN超晶格皇中的u的取值按等差數列逐漸降低，ν的取值按等差數列逐漸增加，自η側至ρ側方向，u 的取值分別是 ul = 0.25，u2 = 0.225，u3 = 0.2，u4 = 0.175，u5 = 0.15 ;自「則至 P 側方向，ν 的取值分別是 vl = 0.25，v2 = 0.26，v3 = 0.27，v4 = 0.28, v5 = 0.29。
[0026]實施例4
本實施例與實施例1不同之處是: AlxGa1IyInyN超晶格講中的χ = 0.15，y = 0.275，χ和y的取值恆定不變。AluGa1^vInvN超晶格皇中的u的取值按等差數列逐漸降低，ν的取值按等差數列逐漸增加，自η側至ρ側方向，u 的取值分別是 ul = 0.3，u2 = 0.275，u3 = 0.25，u4 = 0.225，u5 = 0.2 ;自 η 側至 P 側方向，ν 的取值分別是 vl = 0.21，ν2 = 0.22，v3 = 0.23，v4 = 0.24, v5 = 0.25。
【權利要求】
1.一種具有勢皇高度漸變超晶格層的[即結構，包括襯底，在襯底上自下至上依次設置有成核層、緩衝層、II型導電層、超晶格層、多量子阱層和？型導電層，在II型導電層上和？型導電層上分別設置有歐姆接觸層；其特徵是:所述超晶格層是交替生長的八超晶格阱和…超晶格皇，重複周期2-50個，其中0?1彡11? 1，0?乂彡7? 1 ；由II型導電層至？型導電層方向的各個超晶格阱中X和7的取值恆定不變，各個超晶格皇中11的取值按等差數列逐漸降低，V的取值按等差數列逐漸增加。
2.根據權利要求1所述的具有勢皇高度漸變超晶格層的[￡0結構，其特徵是:所述八超晶格阱的厚度為 0.5-3011111 211111-50111110
3.根據權利要求1所述的具有勢皇高度漸變超晶格層的[￡0結構，其特徵是:所述八少超晶格皇的厚度為2-7511111 10咖-60111110
4.根據權利要求1所述的具有勢皇高度漸變超晶格層的[￡0結構，其特徵是:所述對於不同勢皇尚度的八超晶格皇，11和V的數值要滿足如下條件:使得超晶格皇的勢皇高度由II型導電層至？型導電層方向逐步降低；而且超晶格皇的勢皇高度大於超晶格阱的勢皇高度。
5.一種權利要求1所述具有勢皇高度漸變超晶格層的[￡0結構的製備方法，其特徵是，包括以下步驟: (1)在10(^0反應腔室中將襯底層加熱3001:-12001:，在氫氣氣氛下處理2-10分鐘，然後溫度降至2001: -600 X:生長成核層，厚度1咖-80011111 ； (2)然後溫度升到5001:-950X:，氫氣作為載氣，生長1 V 0-100 V 0厚的非摻雜緩衝層； (3)10^0反應腔室中，將溫度調節至8501:-13001:，氫氣作為載氣的條件下，生長厚度為1 4111-10 VIII的摻31的!1型&^層，31的摻雜濃度範圍:1^1017003~1^ 1020003； (4)10^0反應腔室中，將溫度調節至4201:11?和I'嫩1，生長超晶格層；所述的超晶格層是交替生長的厚度為0.5-3011111的八超晶格阱和厚度為2-7511111的八少超晶格皇，重複周期2-50個，其中0 ? X彡11 ? 1，0?乂?7?1；由II型導電層至？型導電層方向的各個超晶格講中X和7的取值恆定不變，各個超晶格皇中11的取值按等差數列逐漸降低，V的取值按等差數列逐漸增加； (5)10^0反應腔室中，將溫度調節至5001:-12001:，通入金屬有機源11&1、11?和丁嫩1，生長多量子阱層；所述的多量子阱層是交替生長的厚度為1-30=0的1成抓阱和厚度為10-8011111的皇，重複周期為2-60個； (6)10^0反應腔室中，將溫度調節至5001:-12001:，生長80鹽-500鹽厚的摻啦的口型層，摻雜濃度範圍為1 X 10180^3~1 X 1020003； (7)最後在II型層和？型層上分別製作I'認1附八11電極，製作成歐姆接觸層。
【文檔編號】H01L33/32GK104465914SQ201410719477
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月3日 優先權日:2014年12月3日
【發明者】逯瑤, 曲爽, 王成新, 馬旺, 徐現剛 申請人:山東浪潮華光光電子股份有限公司