專利名稱：一種級聯(lián)GaN基LED外延片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電子器件領(lǐng)域，尤其涉及一種級聯(lián)GaN基LED外延片及其制備方法。
背景技術(shù)：
II1-V族化合物半導(dǎo)體材料由于其較寬的直接帶隙，良好的熱學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用于微電子和光電子器件領(lǐng)域，并在近幾年的研究和應(yīng)用中取得了突破性的進(jìn)展。朱麗虹等人2008年在《微細(xì)加工技術(shù)》發(fā)表的《M0CVD側(cè)向外延生長GaN的研究》中采用利用MOCVD系統(tǒng)，用側(cè)向外延生長法提高GaN生長速率并且降低晶格失配度。
GaN、AlN和InN是直接帶隙半導(dǎo)體材料，其室溫禁帶寬度分別為3. 39eV，6. 28eV和 O. 95eV。GaN及其固溶體可用于制造從可見光到紫外波段的光電器件，例如藍(lán)光發(fā)光二極管、激光器和光電探測器。GaN材料可用于制作耐高溫、大功率等電子器件，因而近來II1-V 族化合物受到廣泛重視。然而由于氮化物熔點(diǎn)高，離解壓大，在制備單晶方面進(jìn)展緩慢，所有這些都不利于GaN材料在器件方面的應(yīng)用。近年來用MOCVD技術(shù)在襯底上先低溫生長AlN 或GaN的緩沖層，改善了 GaN、AlGaN和InGaN外延層的表面形貌、晶體完整性并降低了本底電子濃度。陸大成等人1995年11月在《半導(dǎo)體學(xué)報》發(fā)表的《GaN的MOCVD生長》中利用摻 Mg加低能電子輻照技術(shù)已獲得了 P型GaN外延層，于是P-N結(jié)GaN發(fā)光二極管AIGaN/GaN 和InGaN/GaN異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管相繼問世。最近用MOCVD技術(shù)生長的InGaN/GaN高效藍(lán)光發(fā)光二極管已成為商品出售，AIxGai_xN/GaN界面處二維電子氣的證實(shí)和AIGaN/GaN HEMT的實(shí)現(xiàn)等，都標(biāo)志著GaN材料質(zhì)量取得了突破性進(jìn)展。盡管如此，GaN及其有關(guān)化合物的MOCVD 技術(shù)仍然處于發(fā)展的早期階段，有許多問題有待研究。本發(fā)明是利用在原有的理論基礎(chǔ)之上，制備一種新型GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，利用隧道結(jié)反向的特性，將兩個發(fā)光區(qū)用反向的隧道結(jié)連接起來，在相同的 注入電流下，有更多的光子在兩個發(fā)光區(qū)產(chǎn)生，這樣可以提高器件的內(nèi)量子效率。這種方法在光電子器件上已經(jīng)有應(yīng)用，如用隧道結(jié)連接的邊發(fā)射激光器和面發(fā)射激光器等。使每注入的一對電子-空穴對可以在多個有源區(qū)中發(fā)生多次復(fù)合，產(chǎn)生多個光子，量子效率可較大提聞，從而提聞發(fā)光效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種級聯(lián)GaN基LED外延片及其制備方法，利用隧道結(jié)的作用，使每注入的一對電子-空穴對可以在多個有源區(qū)中發(fā)生多次復(fù)合，產(chǎn)生多個光子，量子效率可較大提聞，從而提聞發(fā)光效率。
一種級聯(lián)GaN基LED外延片，其結(jié)構(gòu)包括襯底、低溫氮化鎵緩沖層、非摻雜氮化鎵層、η型氮化鎵層、P型鋁鎵氮層、P型氮化鎵層和高摻雜P型氮化鎵電極接觸層，其特征在于在η型氮化鎵層和P型鋁鎵氮層之間還生長有N個多量子阱層，N ^ 2，相鄰兩個量子阱層之間生長有GaN隧道結(jié)，其厚度小于等于10nm。
所述隧道結(jié)厚度優(yōu)選5-10nm。
所述的多量子阱層材料為InGaN/GaN或AlGaN/GaN，每個多量子阱層的厚度為 IOnm IOOnm,其內(nèi)部周期數(shù)目η < 50。
所述的襯底材料為S1、藍(lán)寶石或SiC。
一種級聯(lián)GaN基LED外延片的制備方法包括以下步驟
采用MOCVD系統(tǒng)進(jìn)行外延生長
I)在H2環(huán)境中，1000°C 1200°C條件下對襯底進(jìn)行高溫凈化；
2)在襯底上生長低溫氮化鎵緩沖層，厚度為IOnm lOOnm，生長溫度在500°C 550 0C ；
3)在低溫氮化鎵緩沖層上生長非摻雜氮化鎵層，厚度為O. Ιμπι ΙΟμπι，生長溫度在 IOOO0C- 1200 0C ；
4)在非摻雜氮化鎵層上生長η型氮化鎵層，厚度 為O. 5 μ m 10 μ m，生長溫度在 1000。。 1200。。；
5)在4或隊環(huán)境中，在η型氮化鎵層上交替生長N個多量子阱層和N-1個GaN隧道結(jié)；多量子阱層材料為InGaN/GaN或AlGaN/GaN，每個多量子阱層的厚度為IOnm lOOnm， 其內(nèi)部周期數(shù)目η彡50，其生長溫度為500°C 1000°C ;生長GaN隧道結(jié)時分別用S1、Mg 做η型GaN、p型GaN的摻雜劑，其摻雜濃度的數(shù)量級為101° IO19CnT3或者更高，其厚度小于等于IOnm ；
6)在最上面的多量子阱層上生長P型鋁鎵氮層，厚度為IOnm lOOnm，生長溫度在 900 °C~ IOOO0C ；
7)在P型鋁鎵氮層上生長P型氮化鎵層，厚度為50nm 250nm，生長溫度在 900。。 950。。；
8)在P型氮化鎵層上生長高摻雜P型氮化鎵電極接觸層，厚度為IOnm IOOnm, 生長溫度在900°C 950°C。
在制備隧道結(jié)時，可根據(jù)隧道結(jié)的特性和相應(yīng)材料來選擇相應(yīng)的摻雜劑及其濃度。隧道結(jié)材料若選用GaN制備時，用S1、Mg元素分別做n+GaN、p+GaN的摻雜劑，而且η區(qū)厚度要比P區(qū)厚度大。
此結(jié)構(gòu)中，由于隧道結(jié)的載流子隧穿作用，使注入的每一對電子-空穴可以在多有源區(qū)中發(fā)生多次復(fù)合，產(chǎn)生多個光子，量子效率可較大提高；和傳統(tǒng)的量子阱有源區(qū)的相比，改善了一對電子-空穴只能產(chǎn)生一個光子的理論。


圖1.傳統(tǒng)GaN基LED外延片結(jié)構(gòu)
圖2.具有兩個多量子阱層的GaN基LED外延片結(jié)構(gòu)
其中100—襯底
110—低溫氮化鎵緩沖層
120—非摻雜氮化鎵層
130—η型氮化鎵層
10-第一多量子阱層
11—隧道結(jié)
12-第二多量子阱層
140—P型鋁鎵氮層
150—P型氮化鎵層
160—高摻雜P型氮化鎵電極接觸層具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
如圖2所示，一種級聯(lián)GaN基LED外延片，其結(jié)構(gòu)包括襯底、低溫氮化鎵緩沖層、非摻雜氮化鎵層、η型氮化鎵層、P型鋁鎵氮層、P型氮化鎵層和高摻雜P型氮化鎵電極接觸層，在η型氮化鎵層和P型鋁鎵氮層之間還生長有2個InGaN/GaN多量子阱層，每個多量子阱層的厚度為lOOnm，其內(nèi)部周期數(shù)目為50 ;2個多量子阱層之間生長有GaN隧道結(jié)，其厚度為10nm。
上述結(jié)構(gòu)采用MOCVD法生長
I)在H2環(huán)境中，1000°C條件下，穩(wěn)定10分鐘，對襯底進(jìn)行高溫凈化；
2)在襯底上生長低溫氮化鎵緩沖層，厚度為10nm，生長溫度在500°C ；
3)在低溫氮化鎵緩沖層上生長非摻雜氮化鎵層，厚度為O.1 μ m，生長溫度在 IOOO0C ；
4)在非摻雜氮化鎵層上生長η型氮化鎵層，厚度為O. 5 μ m，生長溫度在1000°C ；
5)在H2環(huán)境中，在η型氮化鎵層上交替生長2個多量子阱層和I個GaN隧道結(jié)； 多量子阱層材料為InGaN/GaN，每個多量子阱層的厚度為lOOnm，其內(nèi)部周期數(shù)目為50，其生長溫度為1000°C ;生長GaN隧道結(jié)時分別用S1、Mg做η型GaN、p型GaN的摻雜劑，其摻雜濃度的數(shù)量級為101(lcm_3，其厚度為IOnm ；
6)在最上面的多量子阱層上生長P型鋁鎵氮層，厚度為10nm，生長溫度在900°C ；
7)在P型鋁鎵氮層上生長P型氮化鎵層，厚度為50nm，生長溫度在900°C ；
8)在P型氮化鎵層上生長高摻雜P型氮化鎵電極接觸層，厚度為10nm，生長溫度在 900。。。
9)降溫至室溫，生長結(jié)束。
實(shí)施例2
—種級聯(lián)GaN基LED外延片，其結(jié)構(gòu)包括襯底、低溫氮化鎵緩沖層、非摻雜氮化鎵層、η型氮化鎵層、P型鋁鎵氮層、P型氮化鎵層和高摻雜P型氮化鎵電極接觸層，在η型氮化鎵層和P型鋁鎵氮層之間還生長有3個AIGaN/GaN多量子阱層，每個多量子阱層的厚度為 50nm，其內(nèi)部周期數(shù)目為25 ;相鄰兩個多量子阱層之間生長有GaN隧道結(jié)，其厚度為6nm。
上述結(jié)構(gòu)采用MOCVD法生長
I)在H2環(huán)境中，1100°C條件下，穩(wěn)定10分鐘，對襯底進(jìn)行高溫凈化；
2)在襯底上生長低溫氮化鎵緩沖層，厚度為50nm，生長溫度在520°C ；
3)在低溫氮化鎵緩沖層上生長非摻雜氮化鎵層，厚度為3μπι，生長溫度在 IlOO0C ；
4)在非摻雜氮化鎵層上生長η型氮化鎵層，厚度為3 μ m，生長溫度在1100°C ；
5)在H2或N2環(huán)境中，在η型氮化鎵層上交替生長3個多量子阱層和2個GaN隧道結(jié)；多量子阱層材料為AlGaN/GaN，每個多量子阱層的厚度為50nm，其內(nèi)部周期數(shù)目為25， 其生長溫度為750°C ;生長GaN隧道結(jié)時分別用S1、Mg做η型GaN、p型GaN的摻雜劑，其摻雜濃度的數(shù)量級為1012cm_3，其厚度為6nm ；
6)在最上面的多量子阱層上生長P型鋁鎵氮層，厚度為50nm，生長溫度在950°C ；
7)在P型鋁鎵氮層上生長P型氮化鎵層，厚度為150nm，生長溫度在925°C ；
8)在P型氮化鎵層上生長高摻雜P型氮化鎵電極接觸層，厚度為50nm，生長溫度在 925。。。
9)降溫至室溫，生長結(jié)束。
實(shí)施例3
一種級聯(lián)GaN基LED外延片，其結(jié)構(gòu)包括襯底、低溫氮化鎵緩沖層、非摻雜氮化鎵層、η型氮化鎵層、P型鋁鎵氮層、P型氮化鎵層和高摻雜P型氮化鎵電極接觸層，在η型氮化鎵層和P型鋁鎵氮層之間還生長有5個InGaN/GaN多量子阱層，每個多量子阱層的厚度為 40nm，其內(nèi)部周期數(shù)目為20 ;相鄰兩個多量子阱層之間生長有GaN隧道結(jié)，其 厚度為5nm。
上述結(jié)構(gòu)采用MOCVD法生長
I)在H2環(huán)境中，1200°C條件下，穩(wěn)定10分鐘，對襯底進(jìn)行高溫凈化；
2)在襯底上生長低溫氮化鎵緩沖層，厚度為85nm，生長溫度在530°C ；
3)在低溫氮化鎵緩沖層上生長非摻雜氮化鎵層，厚度為6μπι，生長溫度在 IlOO0C ；
4)在非摻雜氮化鎵層上生長η型氮化鎵層，厚度為6 μ m,生長溫度在1100°C ；
5)在H2或N2環(huán)境中，在η型氮化鎵層上交替生長5個多量子阱層和4個GaN隧道結(jié)；多量子阱層材料為InGaN/GaN，每個多量子阱層的厚度為40nm，其內(nèi)部周期數(shù)目為20， 其生長溫度為850°C ;生長GaN隧道結(jié)時分別用S1、Mg做η型GaN、p型GaN的摻雜劑，其摻雜濃度的數(shù)量級為1016cm_3，其厚度為5nm ；
6)在最上面的多量子阱層上生長P型鋁鎵氮層，厚度為80nm，生長溫度在925°C ；
7)在P型鋁鎵氮層上生長P型氮化鎵層，厚度為200nm，生長溫度在925°C ；
8)在P型氮化鎵層上生長高摻雜P型氮化鎵電極接觸層，厚度為75nm，生長溫度在 925。。。
9)降溫至室溫，生長結(jié)束。
實(shí)施例4
一種級聯(lián)GaN基LED外延片，其結(jié)構(gòu)包括襯底、低溫氮化鎵緩沖層、非摻雜氮化鎵層、η型氮化鎵層、P型鋁鎵氮層、P型氮化鎵層和高摻雜P型氮化鎵電極接觸層，在η型氮化鎵層和P型鋁鎵氮層之間還生長有10個AIGaN/GaN多量子阱層，每個多量子阱層的厚度為10nm，其內(nèi)部周期數(shù)目為5 ;相鄰兩個多量子阱層之間生長有GaN隧道結(jié)，其厚度為3nm。
上述結(jié)構(gòu)采用MOCVD法生長
I)在H2環(huán)境中，1200°C條件下，穩(wěn)定10分鐘，對襯底進(jìn)行高溫凈化；
2)在襯底上生長低溫氮化鎵緩沖層，厚度為lOOnm，生長溫度在550°C ；
3)在低溫氮化鎵緩沖層上生長非摻雜氮化鎵層，厚度為ΙΟμπι，生長溫度在 1200 0C ；
4)在非摻雜氮化鎵層上生長η型氮化鎵層，厚度為10 μ m,生長溫度在1200°C ；
5)在H2或N2環(huán)境中，在η型氮化鎵層上交替生長10個多量子阱層和9個GaN隧道結(jié)；多量子阱層材料為AlGaN/GaN，每個多量子阱層的厚度為IOnm lOOnm，其內(nèi)部周期數(shù)目為5，其生長溫度為500°C ;生長GaN隧道結(jié)時分別用S1、Mg做η型GaN、p型GaN的摻雜劑，其摻雜濃度的數(shù)量級為O19CnT3，其厚度為3nm ；
6)在最上面的多量子阱層上生長P型鋁鎵氮層，厚度為lOOnm，生長溫度在 IOOO0C ；
7)在P型鋁鎵氮層上生長P型氮化鎵層，厚度為250nm，生長溫度在950°C ；
8)在P型氮化鎵層上生長高摻雜P型氮化鎵電極接觸層，厚度為lOOnm，生長溫度在 950。。。
9)降溫至室溫，生長結(jié)束。
權(quán)利要求
1.一種級聯(lián)GaN基LED外延片，其結(jié)構(gòu)包括襯底、低溫氮化鎵緩沖層、非摻雜氮化鎵層、η型氮化鎵層、P型鋁鎵氮層、P型氮化鎵層和高摻雜P型氮化鎵電極接觸層，其特征在于在η型氮化鎵層和P型鋁鎵氮層之間還生長有N個多量子阱層，N > 2，相鄰兩個量子阱層之間生長有GaN隧道結(jié)，其厚度小于等于10nm。
2.如權(quán)利要求1所述的一種級聯(lián)GaN基LED外延片，其特征在于隧道結(jié)厚度為5-10nm。
3.如權(quán)利要求2所述的一種級聯(lián)GaN基LED外延片，其特征在于所述的多量子阱層材料為InGaN/GaN或AlGaN/GaN，每個多量子阱層的厚度為IOnm lOOnm，其內(nèi)部周期數(shù)目η < 50。
4.如權(quán)利要求1-3任意一項所述的一種級聯(lián)GaN基LED外延片，其特征在于襯底材料為S1、藍(lán)寶石或SiC。
5.一種級聯(lián)GaN基LED外延片的制備方法包括以下步驟 采用MOCVD系統(tǒng)進(jìn)行外延生長 1)在H2環(huán)境中，1000°C 1200°C條件下對襯底進(jìn)行高溫凈化； 2)在襯底上生長低溫氮化鎵緩沖層，厚度為IOnm lOOnm，生長溫度在500°C ,550 0C ； 3)在低溫氮化鎵緩沖層上生長非摻雜氮化鎵層，厚度為0.Ιμπι ΙΟμπι，生長溫度在,1000。。 1200。。； 4)在非摻雜氮化鎵層上生長η型氮化鎵層，厚度為0.5μπι IOym,生長溫度在,1000。。 1200。。； 5)在H2或N2環(huán)境中，在η型氮化鎵層上交替生長N個多量子阱層和N-1個GaN隧道結(jié)；多量子阱層材料為InGaN/GaN或AlGaN/GaN，每個多量子阱層的厚度為IOnm lOOnm，其內(nèi)部周期數(shù)目η≤50，其生長溫度為500°C 1000°C ;生長GaN隧道結(jié)時分別用S1、Mg做η型GaN、p型GaN的摻雜劑，其摻雜濃度的數(shù)量級為101° IO19CnT3或者更高，其厚度小于等于IOnm ； 6)在最上面的多量子阱層上生長P型鋁鎵氮層，厚度為IOnm lOOnm，生長溫度在,900。。 1000。。； 7)在P型鋁鎵氮層上生長P型氮化鎵層，厚度為50nm 250nm，生長溫度在900°C ,950 0C ； 8)在P型氮化鎵層上生長高摻雜P型氮化鎵電極接觸層，厚度為IOnm IOOnm,生長溫度在900°C 950°C。
全文摘要
本發(fā)明提供一種級聯(lián)GaN基LED外延片及其制備方法。此外延片結(jié)構(gòu)包括用隧道結(jié)級聯(lián)的多個量子阱結(jié)構(gòu)，其中隧道結(jié)采用具有禁帶寬度小、較低電離、低的擴(kuò)散系數(shù)等特性的材料；量子阱選擇的材料是III-V族化合物。該GaN基LED外延片的結(jié)構(gòu)在襯底上利用MOCVD從下至上依次生長低溫氮化鎵緩沖層、非摻雜氮化鎵層、n型氮化鎵層、多量子阱層、隧道結(jié)、多量子阱層、p型鋁鎵氮層、p型氮化鎵層和高摻雜p型氮化鎵電極接觸層。此多極級聯(lián)式結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于由于隧道結(jié)的遂穿作用，注入的每一對電子-空穴可以在多個有源區(qū)中發(fā)生多次復(fù)合，產(chǎn)生多個光子，提高LED的量子效率，使LED的亮度增強(qiáng)。
文檔編號H01L33/04GK103022286SQ201110336758
公開日2013年4月3日 申請日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月27日
發(fā)明者肖志國, 李倩影, 武勝利, 楊天鵬, 唐勇, 孫英博, 薛念亮 申請人:大連美明外延片科技有限公司