具有勢壘高度漸變超晶格層的led結(jié)構(gòu)及其制備方法
【專利摘要】一種具有勢壘高度漸變超晶格層的LED結(jié)構(gòu)及其制備方法，該LED結(jié)構(gòu)包括襯底，在襯底上自下至上依次設(shè)置有成核層、緩沖層、n型導(dǎo)電層、超晶格層、多量子阱層和p型導(dǎo)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，重復(fù)周期2-50 個，其中0＜x≤u＜1，0＜v≤y＜1；由n型導(dǎo)電層至p型導(dǎo)電層方向的各個超晶格阱中x和y的取值恒定不變，各個超晶格壘中u的取值按等差數(shù)列逐漸降低，v的取值按等差數(shù)列逐漸增加。在MOCVD反應(yīng)腔室中生長各層。本發(fā)明提高了對載流子的束縛能力，增強(qiáng)了電子和空穴波函數(shù)的空間重合率，有效減少電子泄露，增加載流子與空穴的復(fù)合效率，提高器件的發(fā)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(jié)構(gòu)及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種GaN基LED的結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬于光電子【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]II1-V族寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體具有寬帶隙、高電子迀移率、高熱導(dǎo)率、高硬度、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、較小介電常數(shù)和耐高溫的一系列優(yōu)點，因此其在高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管、藍(lán)色半導(dǎo)體激光器以及抗輻射、高頻、高溫、高壓等電子電力器件中有著廣泛的實際應(yīng)用和巨大的市場前景。GaN是半導(dǎo)體III族氮化物的基本材料，質(zhì)地堅硬，且化學(xué)性質(zhì)異常穩(wěn)定，室溫下不與酸、堿反應(yīng)，不溶于水，具有較高的熔點1700°C。GaN具有優(yōu)秀的電學(xué)性質(zhì)，電子迀移率最高可達(dá)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(jīng)是GaN器件的制約瓶頸。在熱退火技術(shù)提出之后，GaN較容易地實現(xiàn)Mg雜質(zhì)的摻雜，目前P型載流子濃度可以達(dá)到117?10 20/cm3o近十幾年來，采用緩沖層的外延技術(shù)和P型摻雜的提高，使得GaN基器件研宄重新振興，變?yōu)闊狳c。
[0003]GaN基多量子阱發(fā)光二極管(LED)已經(jīng)進(jìn)入市場并取得很大進(jìn)展，但是芯片出光效率低下并且衰減的問題仍未得到很好解決。現(xiàn)有的LED結(jié)構(gòu)是在藍(lán)寶石U-Al2O3)或者碳化硅(SiC)襯底上沿著
[0001]方向外延得到的GaN基材料存在自發(fā)極化和壓電極化，致使能帶產(chǎn)生嚴(yán)重彎曲。傳統(tǒng)通用結(jié)構(gòu)中，InGaN量子阱和GaN量子皇之間由于存在極化效應(yīng)，阱和皇的能帶產(chǎn)生形變。形變的量子阱對載流子的束縛能力大幅下降，產(chǎn)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(chǎn)生附加勢皇，使空穴不能均勻的分布在各個量子阱內(nèi)，只能集中在靠近P側(cè)的一兩個阱內(nèi)。因此傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)LED的內(nèi)量子效率在較高電流密度注入下出現(xiàn)衰減。
[0004]中國專利文獻(xiàn)CN103474539A公開的《一種含有超晶格層的LED結(jié)構(gòu)外延生長方法及其結(jié)構(gòu)》，是在生長發(fā)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(yīng)室內(nèi)，采用!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(shù)為10-15層，總厚度為20-30nm。該方法在傳統(tǒng)的發(fā)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的晶格系數(shù)從GaN順利過渡到AlGaN，減小應(yīng)力，增加量子阱的空穴濃度，提高發(fā)光效率。但是在量子阱層和電子阻擋層之間加入超晶格結(jié)構(gòu)，晶格缺陷較大，不利于改善晶體質(zhì)量。
[0005]中國專利文獻(xiàn)CN 103633214 A公開的《一種InGaN/GaN超晶格緩沖層結(jié)構(gòu)制備方法及含該結(jié)構(gòu)的LED芯片》，包括淺量子阱層和MQW層，包括設(shè)置于淺量子阱層和MQW層之間的超晶格緩沖層；超晶格緩沖層包括多個依次疊置的緩沖層單元，其中，每個緩沖層單元包括:InGaN層以及多個摻雜層；摻雜層包括依次疊置的uGaN層和nGaN層，并設(shè)置在InGaN層上；該InGaN/GaN超晶格緩沖層結(jié)構(gòu)能提高具有該結(jié)構(gòu)的LED芯片有源區(qū)晶體質(zhì)量，降低有源區(qū)晶格失和熱應(yīng)力失配，有效減少電子泄露，增加載流子與空穴的復(fù)合效率，提高器件的發(fā)光效率。通過設(shè)置了 InGaN/GaN超晶格緩沖層結(jié)構(gòu)，雖在一定程度上提升了晶體質(zhì)量，但可摻雜的濃度較少，容易導(dǎo)致芯片電壓高。
[0006]上述專利文獻(xiàn)中的LED結(jié)構(gòu)中，雖然采用超晶格緩沖層結(jié)構(gòu)，但是超晶格皇與超晶格阱之間的極化效應(yīng)仍然較強(qiáng)，對載流子的束縛能力大，減弱了電子和空穴波函數(shù)的空間重合率，較強(qiáng)的極化效應(yīng)使得晶格缺陷較多，不能進(jìn)一步提高LED芯片有源區(qū)晶體質(zhì)量和器件的發(fā)光效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對現(xiàn)有超晶格緩沖層的LED結(jié)構(gòu)存在的不足，提供一種能夠增強(qiáng)內(nèi)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(jié)構(gòu)，同時提供一種該LED結(jié)構(gòu)的制備方法。
[0008]本發(fā)明的具有勢皇高度漸變超晶格層的LED結(jié)構(gòu)，包括襯底，在襯底上自下至上依次設(shè)置有成核層、緩沖層、η型導(dǎo)電層、超晶格層、多量子阱層和P型導(dǎo)電層，在η型導(dǎo)電層上和P型導(dǎo)電層上分別設(shè)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，重復(fù)周期2_50個，其中0<乂彡11<1，0<￥彡7<1;由η型導(dǎo)電層至P型導(dǎo)電層方向的各個超晶格阱中X和y的取值恒定不變，各個超晶格皇中u的取值按等差數(shù)列逐漸降低，V的取值按等差數(shù)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]對于不同勢皇高度的AluGa1IvInvN超晶格皇，u和V的數(shù)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(dǎo)電層至P型導(dǎo)電層方向逐步降低；而且超晶格皇的勢皇尚度大于超晶格講的勢皇尚度。
[0012]u和V按等差數(shù)列變化指的是:對于η個超晶格皇，u最大值為u(max)，最小值u (min)，相鄰皇內(nèi)u相差常數(shù)k = [u (max) _u (min) ] / (η-1)，u是按等差數(shù)列降低；同理對于η個超晶格皇，V最大值為v(max)，最小值v(min)，相鄰皇內(nèi)v相差常數(shù)k =[v (max) -v (min) ] / (η-1)，ν是按等差數(shù)列增加。對于不同勢皇高度的AluGa1HlnvN, u和ν的數(shù)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(dǎo)電層至P型導(dǎo)電層方向逐步降低；使得超晶格皇的禁帶寬度大于超晶格阱材料的禁帶寬度。
[0013]根據(jù)本領(lǐng)域內(nèi)通用的半導(dǎo)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的取值需要大于等于X，V的取值需要小于等于y。并且為了得到從η側(cè)到P側(cè)勢皇高度逐步降低的超晶格皇，需要靠近η側(cè)超晶格皇中Al組分不低于相鄰的靠近P側(cè)的超晶格皇中Al的組分，或者靠近η側(cè)超晶格皇中In組分不尚于相鄰的靠近P側(cè)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(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟:
(1)在MOCVD(金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀設(shè)備)反應(yīng)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，然后溫度降至200°C-600°C生長GaN成核層，厚度 lnm_800nm ；
(2)然后溫度升到500°C-950°C，氫氣作為載氣，生長I μπι-100μπι厚的非摻雜GaN緩沖層；
(3)MOCVD反應(yīng)腔室中，將溫度調(diào)節(jié)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的摻雜濃度范圍:I X 11W3-1 X 12W3;
(4)MOCVD反應(yīng)腔室中，將溫度調(diào)節(jié)至420°C _1200°C，通入金屬有機(jī)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，重復(fù)周期2_50個，其中O < x彡u < 1，O<v<y<l;由η型導(dǎo)電層至P型導(dǎo)電層方向的各個超晶格講中X和y的取值恒定不變，各個超晶格皇中u的取值按等差數(shù)列逐漸降低，ν的取值按等差數(shù)列逐漸增加。
[0015](5) MOCVD反應(yīng)腔室中，將溫度調(diào)節(jié)至500°C _1200°C，通入金屬有機(jī)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，重復(fù)周期為2-60個；
(6)M0CVD反應(yīng)腔室中，將溫度調(diào)節(jié)至500°C_1200°C，生長80nm_500nm厚的摻Mg的p型 GaN 層，Mg 摻雜濃度范圍為 I X 118CnT3-1 X 102°cnT3;
(7)最后在η型GaN層和ρ型GaN層上分別制作TiAlNiAu電極，制作成歐姆接觸層。
[0016]本發(fā)明的LED結(jié)構(gòu)中，采用ΑΙ^^ΙινΝ/ΑΙΑ^ΙηνΝ超晶格緩沖層結(jié)構(gòu)，超晶格皇中加入In組分，導(dǎo)致阱皇之間應(yīng)力減小，壓電極化電場強(qiáng)度降低，所以增強(qiáng)了電子和空穴波函數(shù)的空間重合率；同時，極化效應(yīng)的減弱使得晶格缺陷較少，特別是靠近量子阱一側(cè)的Al組分逐漸減少，為多量子阱層的生長和有效發(fā)光提供了結(jié)構(gòu)支持。該超晶格緩沖層可以提高具有該結(jié)構(gòu)的LED芯片有源區(qū)晶體質(zhì)量，降低有源區(qū)晶格失和熱應(yīng)力失配，有效減少電子泄露，增加載流子與空穴的復(fù)合效率，提高器件的發(fā)光效率。
[0017]本發(fā)明的LED結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了 LED結(jié)構(gòu)的內(nèi)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(fā)明LED結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0019]圖中:1、襯底;2、成核層；3、緩沖層；4、η型導(dǎo)電層(η型GaN層);5、超晶格層;6、多量子阱層；7、ρ型導(dǎo)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(fā)明的具有勢皇尚度漸變超晶格層的LED結(jié)構(gòu)，包括襯底I，在襯底上自下至上依次設(shè)置有成核層2、緩沖層3、η型導(dǎo)電層4、超晶格層5、多量子阱層6和ρ型導(dǎo)電層7，在η型導(dǎo)電層4上和ρ型導(dǎo)電層7上分別設(shè)置有歐姆接觸層8。襯底I為藍(lán)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。緩沖層3是厚度為I μ m-100 μ m的非摻雜GaN。η型導(dǎo)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，重復(fù)周期為2-60個。ρ型導(dǎo)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，重復(fù)周期 2-75 個，其中 O < x ^ u < I, O < v ^ y< I ;自η側(cè)至ρ側(cè)(η側(cè)至ρ側(cè)指:從η型導(dǎo)電層方向到ρ型導(dǎo)電層方向，也即LED結(jié)構(gòu)中從下到上)X和I的取值恒定不變，U的取值按等差數(shù)列逐漸降低，V的取值按等差數(shù)列逐漸增加。對于不同勢皇高度的AluGai_u_vInvN，u和ν的數(shù)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(cè)到ρ側(cè)逐步降低；而且超晶格皇的禁帶寬度大于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(jié)構(gòu)的制備過程如下所述:
(I)在MOCVD反應(yīng)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，然后溫度降至200°C _600°C生長GaN成核層；(2)然后溫度升到500°C _950°C，氫氣作為載氣，生長GaN緩沖層；(3)將溫度調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)至420°C _1200°C，通入金屬有機(jī)源TMGa、TMIn和TMA1，生長超晶格層；(5)將溫度調(diào)節(jié)至500°C -1200°C，通入金屬有機(jī)源TMGa、TMIn和TMA1，生長多量子阱層；即交替生長InGaN阱和GaN皇，重復(fù)周期為2_60個；(6) MOCVD反應(yīng)腔室中，將溫度調(diào)節(jié)至500°C -1200°C，生長摻Mg的ρ型GaN層；(7)最后在η型GaN層和ρ型GaN層上分別制作TiAlNiAu電極，制作成歐姆接觸層。
[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。緩沖層3是厚度為3 μ m的非摻雜GaN。η型導(dǎo)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，重復(fù)周期5個；自η側(cè)至ρ側(cè)方向:AlxGa1IyInyN超晶格講中的χ = 0.05，y =0.17，χ和y的取值恒定不變AluGaitvInvN超晶格皇中的u的取值按等差數(shù)列逐漸降低，ν的取值按等差數(shù)列逐漸增加，自η側(cè)至ρ側(cè)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 )，重復(fù)周期5個(6個皇夾雜5個阱)。ρ型導(dǎo)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，重復(fù)周期 20 個。其中，χ = 0.15，y = 0.275。對于 20 個AluGa1IvInvN皇，選取u(min) = 0.2，從η側(cè)到ρ側(cè)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(shù)列逐漸降低；從η側(cè)到ρ側(cè)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(shù)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的取值恒定不變。AluGa1^vInvN超晶格皇中的u的取值按等差數(shù)列逐漸降低，ν的取值按等差數(shù)列逐漸增加，自η側(cè)至ρ側(cè)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(cè)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的取值恒定不變。AluGa1^vInvN超晶格皇中的u的取值按等差數(shù)列逐漸降低，ν的取值按等差數(shù)列逐漸增加，自η側(cè)至ρ側(cè)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(cè)至 P 側(cè)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(quán)利要求】
1.一種具有勢皇高度漸變超晶格層的[即結(jié)構(gòu)，包括襯底，在襯底上自下至上依次設(shè)置有成核層、緩沖層、II型導(dǎo)電層、超晶格層、多量子阱層和？型導(dǎo)電層，在II型導(dǎo)電層上和？型導(dǎo)電層上分別設(shè)置有歐姆接觸層；其特征是:所述超晶格層是交替生長的八超晶格阱和…超晶格皇，重復(fù)周期2-50個，其中0?1彡11? 1，0?乂彡7? 1 ；由II型導(dǎo)電層至？型導(dǎo)電層方向的各個超晶格阱中X和7的取值恒定不變，各個超晶格皇中11的取值按等差數(shù)列逐漸降低，V的取值按等差數(shù)列逐漸增加。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有勢皇高度漸變超晶格層的[￡0結(jié)構(gòu)，其特征是:所述八超晶格阱的厚度為 0.5-3011111 211111-50111110
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有勢皇高度漸變超晶格層的[￡0結(jié)構(gòu)，其特征是:所述八少超晶格皇的厚度為2-7511111 10咖-60111110
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有勢皇高度漸變超晶格層的[￡0結(jié)構(gòu)，其特征是:所述對于不同勢皇尚度的八超晶格皇，11和V的數(shù)值要滿足如下條件:使得超晶格皇的勢皇高度由II型導(dǎo)電層至？型導(dǎo)電層方向逐步降低；而且超晶格皇的勢皇高度大于超晶格阱的勢皇高度。
5.一種權(quán)利要求1所述具有勢皇高度漸變超晶格層的[￡0結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是，包括以下步驟: (1)在10(^0反應(yīng)腔室中將襯底層加熱3001:-12001:，在氫氣氣氛下處理2-10分鐘，然后溫度降至2001: -600 X:生長成核層，厚度1咖-80011111 ； (2)然后溫度升到5001:-950X:，氫氣作為載氣，生長1 V 0-100 V 0厚的非摻雜緩沖層； (3)10^0反應(yīng)腔室中，將溫度調(diào)節(jié)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的摻雜濃度范圍:1^1017003~1^ 1020003； (4)10^0反應(yīng)腔室中，將溫度調(diào)節(jié)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，重復(fù)周期2-50個，其中0 ? X彡11 ? 1，0?乂?7?1；由II型導(dǎo)電層至？型導(dǎo)電層方向的各個超晶格講中X和7的取值恒定不變，各個超晶格皇中11的取值按等差數(shù)列逐漸降低，V的取值按等差數(shù)列逐漸增加； (5)10^0反應(yīng)腔室中，將溫度調(diào)節(jié)至5001:-12001:，通入金屬有機(jī)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，重復(fù)周期為2-60個； (6)10^0反應(yīng)腔室中，將溫度調(diào)節(jié)至5001:-12001:，生長80鹽-500鹽厚的摻啦的口型層，摻雜濃度范圍為1 X 10180^3~1 X 1020003； (7)最后在II型層和？型層上分別制作I'認(rèn)1附八11電極，制作成歐姆接觸層。
【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(yōu)先權(quán)日:2014年12月3日
【發(fā)明者】逯瑤, 曲爽, 王成新, 馬旺, 徐現(xiàn)剛 申請人:山東浪潮華光光電子股份有限公司