一種Al組分漸變式N型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Al組分漸變的N型LED (發(fā)光二極管)的結(jié)構(gòu)及制備方法，屬于LED (發(fā)光二極管)結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]二十世紀(jì)九十年代初，以氮化物為代表的第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料獲得了歷史性突破，科研人員在氮化鎵材料上成功地制備出藍(lán)綠光和紫外光LED，使得LED照明成為可能。1971年，第一只氮化鎵LED管芯面世，1994年，氮化鎵HEMT出現(xiàn)了高電子迀移率的藍(lán)光GaN基二極管，氮化鎵半導(dǎo)體材料發(fā)展十分迅速。
[0003]半導(dǎo)體發(fā)光二極管具有體積小、堅(jiān)固耐用、發(fā)光波段可控性強(qiáng)、光效高、低熱損耗、光衰小、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在全色顯示、背光源、信號燈、光電計(jì)算機(jī)互聯(lián)、短距離通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，逐漸成為目前電子電力學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。氮化鎵材料具有寬帶隙、高電子迀移率、高熱導(dǎo)率、高穩(wěn)定性等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在短波長發(fā)光器件、光探測器件以及大功率器件方面有著廣泛的應(yīng)用和巨大的市場前景。
[0004]提高光電轉(zhuǎn)換效率主要依靠提高內(nèi)量子效率和外量子效率，目前內(nèi)量子效率的提高已經(jīng)接近理論的極限狀態(tài)，而提升LED組建的光取出效率成為重要的課題。要求設(shè)計(jì)新的芯片結(jié)構(gòu)來改善出光效率，進(jìn)而提升發(fā)光效率(或外量子效率)，目前國內(nèi)外采用的主要工藝途徑有:倒裝技術(shù)、生長DBR反射層結(jié)構(gòu)以及表面粗化技術(shù)、側(cè)壁腐蝕技術(shù)和襯底圖形化技術(shù)。η型區(qū)是制造GaN LED器件必不可少的重要環(huán)節(jié)，nGaN結(jié)構(gòu)及其外延生長方法是提高GaN基LED光取出效率和降低串聯(lián)電阻的關(guān)鍵。
[0005]中國專利文獻(xiàn)CN102418146A公開的《一種有效提高GaN基LED發(fā)光效率的外延生長方法》，該方法是在傳統(tǒng)的GaN基LED結(jié)構(gòu):襯底上的緩沖層、uGaN層、nGaN, η型電流擴(kuò)展層、η型空間層、量子阱有源區(qū)、P型電子阻擋層、P型GaN、接觸層的基礎(chǔ)上，在η型電流擴(kuò)散層和η型空間層之間加入一步表面處理的程序，將從襯底和GaN界面延伸至電流擴(kuò)散層的缺陷以及應(yīng)力進(jìn)行破壞和釋放，之后再通過生長條件的控制將材料的表面恢復(fù)平整，然后再生長量子阱有源區(qū)。與傳統(tǒng)的生長技術(shù)相比，這樣生長的量子阱受缺陷和應(yīng)力的影響較小，能有效的提高樣品的發(fā)光強(qiáng)度。但是該方法僅適用于藍(lán)綠光波段的GaN基LED的外延生長。
[0006]CN201749864U公開的《一種具有較高靜電擊穿電壓的GaN基LED》，其結(jié)構(gòu)自下至上依次包括SiC或Si襯底、AlN緩沖層、N型GaN層、MQW層和P型GaN層，N型GaN層中設(shè)有一層厚度為20nm-100nm的AlGaN插入層。該LED是通過改變襯底材料和LED的生長結(jié)構(gòu)，在SiC、Si襯底上直接在生長N型GaN層時(shí)插入一層AlGaN，從根本上增強(qiáng)發(fā)光二極管芯片的抗擊穿電壓，由于nGaN層本身較厚，插入AlGaN層時(shí)只需要引入TMA1，生長非常容易實(shí)現(xiàn)，反向抗靜電能力由普通結(jié)構(gòu)的500V-1000V提高到了 2000V-4000V，反向擊穿電壓由原來的15V提高到30V，亮度由50-80mcd提高到了 80_100mcd。但是上述技術(shù)中，對于η型結(jié)構(gòu)的處理，較難保證晶體的生長質(zhì)量，后期芯片工藝容易產(chǎn)生裂片現(xiàn)象。
[0007]CN102969341A公開的《組分漸變AlyGalyN緩沖層的氮化物高電子迀移率晶體管外延結(jié)構(gòu)》，采用組分漸變AlyGa1 yN緩沖層，依然能夠與GaN溝道層形成導(dǎo)帶帶階，增強(qiáng)2DEG限域性，提高器件的微波性能和功率特性AlyGa1 yN緩沖層采用組分由O漸變到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可以提高緩沖層熱導(dǎo)率，有效降低AlGaN緩沖層HEMT器件的自熱效應(yīng)；相比常規(guī)的組分恒定AlyGa1 yN緩沖層，采用這種組分漸變AlyGa1 yN作緩沖層，能有效減低緩沖層中的位錯等缺陷密度，有助于進(jìn)一步提升器件的性能及可靠性。上述結(jié)構(gòu)采用Al組分漸變的模式來制備緩沖層，其主要目的是減低緩沖層中的位錯密度。
[0008]CN101866977A公開的《基于組分漸變緩沖層的透射式GaN紫外光電陰極》，該陰極自下而上由雙拋光的c面藍(lán)寶石襯底、AlxGa1 XN組分漸變緩沖層、P型GaN發(fā)射層以及Cs或Cs/0激活層組成！AlxGa1 XN組分漸變緩沖層由η個(gè)單元層組成，3 ^ n ^ 10 ；η個(gè)單元層由下向上各層中Al組分滿足:1 ^ xl>x2>……xn ^ O。該發(fā)明采用一種Al組分含量從I到O逐漸降低的AlxGa1 ΧΝ來設(shè)計(jì)和制備透射式GaN紫外光電陰極的緩沖層，利用這種組分漸變模式降低緩沖材料與發(fā)射材料之間的生長界面應(yīng)力，提高透射式GaN紫外光電陰極的界面特性，降低光電子的界面復(fù)合速率，最終提高GaN紫外光電陰極的光電發(fā)射量子效率。該GaN紫外光電陰極采用Al組分漸變的模式來制備緩沖層，其主要目的是提高透射式GaN紫外光電陰極的界面特性。
[0009]CN102820394B公開的《一種采用鋁組分漸變電子阻擋層的LED結(jié)構(gòu)》，所述鋁組分漸變電子阻擋層是與多量子阱層的外層GaN皇接觸一側(cè)為低Al組分AlxGa1 ΧΝ，O彡X彡0.1，與P-GaN層接觸一側(cè)為高Al組分AlyGa1 yN，0.1 < y彡0.4，中間部分Al組分的量呈遞增線性變化。電子阻擋層與GaN皇接觸一側(cè)為低Al組分AlGaN，有效地減小了其與GaN皇界面間極化電荷的密度，極化場被減弱，從而使得界面二維電子氣濃度大幅降低，減小了漏電流，總體上提高器件的內(nèi)量子效率并解決了量子效率衰減問題。該結(jié)構(gòu)采用Al組分漸變的模式來制備電子阻擋層，其主要目的是減弱極化場，從而降低界面二維電子氣濃度，提升器件的內(nèi)量子效率。
[0010]現(xiàn)有鋁組分漸變通常是應(yīng)用在制備緩沖層，而在制備N型區(qū)方面卻沒有應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]針對現(xiàn)有LED結(jié)構(gòu)存在的不足，本發(fā)明提供一種晶格失配小、接觸電阻低、能夠提高N型GaN結(jié)構(gòu)電子濃度以及提升外量子效率和抗靜電能力的Al組分漸變式N型LED結(jié)構(gòu)，同時(shí)提供一種該結(jié)構(gòu)的制備方法。
[0012]本發(fā)明Al組分漸變式N型LED結(jié)構(gòu)，采用以下技術(shù)方案:
[0013]該Al組分漸變式N型LED結(jié)構(gòu)，由下至上依次包括襯底、成核層、緩沖層、N型AlJnxGa1 _x _YN層、多量子阱發(fā)光層和P型GaN層，所述N型AlJnxGa1 _x _YN層中，O彡X彡I，0〈Y〈1 #型GaN層中的Al組分是漸變的，N型GaN層與緩沖層接觸一側(cè)為低Al組分AlyInxGa1 _Χ_ΥΝ，N型GaN層與多量子阱發(fā)光層接觸一側(cè)為高Al組分AlyInxGa1 _χ_具或者是，N型GaN層與緩沖層接觸一側(cè)為高Al組分AlyInxGa1 _Χ_ΥΝ，N型GaN層與多量子阱發(fā)光層接觸一側(cè)為低Al組分AlyInxGa1 _X_YN HgAl組分AlyInxGa1 _Χ_ΥΝ中的Y值小于高Al組分AlyInxGa1 _Χ_ΥΝ 中的 Y 值，低 Al 組分 AlJnxGa1 _χ_ΥΝ 至高 Al 組分 AlJnxGa1 _χ_ΥΝ 之間部分的Al組分的量呈遞增線性變化。
[0014]所述襯底是藍(lán)寶石、碳化硅或氮化鎵。
[0015]所述成核層是氮化鎵層、氮化鋁層或鋁鎵氮層。
[0016]所述緩沖層是非摻雜氮化鎵。
[0017]所述多量子阱發(fā)光層是由InGaN勢阱層和GaN勢皇層周期性交替疊加構(gòu)成，總厚度為 500 - 3600nm，周期數(shù) 3-20。
[0018]所述N 型 AlYInxGai _X_YN 的厚度為 0.2 - 5μπι。
[0019]所述N 型 AlJnxGa1 _Χ_ΥΝ 中 Al 組分濃度為 2Χ 1017/cm_3 - 8X10ls/cm_3。
[0020]上述結(jié)構(gòu)通過對LED芯片中所設(shè)置的N型AlYInxGai _X.YN層中Al的摻雜量做規(guī)律的變化，來改變N型GaN層的能帶分布，從而減弱N型AlyInxGa1 _X_YN層的價(jià)帶對空穴注入時(shí)的阻擋作用，同時(shí)不削弱其對電子的阻擋作用。能夠提高N型GaN結(jié)構(gòu)電子濃度，從而提升外量子效率和抗靜電能力，所得制得的LED結(jié)構(gòu)晶格失配小，從本質(zhì)上降低接觸電阻并改善N型GaN薄膜質(zhì)量。通過采用該結(jié)構(gòu)，LED芯片亮度提升了 20%，電壓降低15%。
[0021]上述Al組分漸變式N型LED結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟:
[0022](I)將藍(lán)寶石、碳化硅襯底或氮化鎵襯底放入金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備的反應(yīng)室中，在氫氣氣氛下加熱到800 - 1300°C，處理5 - 15分鐘；
[0023](2)在處理過的藍(lán)寶石、碳化硅或氮化鎵襯底上生長氮化鎵、氮化鋁或者鋁鎵氮成核層；生長溫度450 - 650°C，厚度10 - 60nm ；
[0024](3)在成核層上生長非摻雜氮化鎵緩沖層，生長溫度800 - 1150°C，厚度50 - 2000nm ；
[0025](4)在緩沖層上生長厚度為0.2 - 5 μ m的N型AlyInxGa1 _ x _ YN層；
[0026](5)在N型AlyInxGa1 _X_YN層上生長由InGaN勢阱層和GaN勢皇層周期性交替疊加構(gòu)成多量子阱發(fā)光層；總厚度為500 - 3600nm，由3 - 20個(gè)周期的InGaN勢阱層和GaN勢皇層交互疊加構(gòu)成。
[0027](6)在多量子阱發(fā)光層上生長P型GaN層，摻雜Mg元素，摻雜濃度為6X 117/cm 3 - 5 X 120/cm 3。
[0028]所述步驟⑷的具體生長過程中，N型AlyInxGa1 _X_YN層生長溫度為750 -1600°C，生長壓力為200 - 800torr，生長時(shí)間為200秒-3000秒；首先，開啟摻雜元素所用硅烷，開啟時(shí)間為80秒-1500秒，Si摻雜濃度為0.2X 1isVcnT3 -5X 11VcnT3;之后，開啟Al元素所用的Al源，Al源流量變化范圍為O - 300sccm，增速或降速范圍為0.05 - 2sccm/秒，開啟時(shí)間為50秒-1000秒，Al組分濃度為SXlO1Vcnr3 -8X 10ls/cm_3;在開啟Al源之前、同時(shí)或之后，開啟摻雜In元素所用In源，保證In組分滿足O SXS 1，開啟時(shí)間為5 - 1000s。
[0029]本發(fā)明采用Al組分漸變的模式來制備N型區(qū)，提升了電子濃度和抗靜電能力，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn):
[0030]1.本發(fā)明Al組分漸變的N型AlyInxGa1 _X_YN結(jié)構(gòu)，能提高N型GaN結(jié)構(gòu)電子濃度，從而提升外量子效率，所得LED結(jié)構(gòu)晶格失配小，從本質(zhì)上改善GaN薄膜質(zhì)量。
[0031]2.本發(fā)明N型AlYInxGai_x_YN層中Al的摻雜量有規(guī)律的變化后，改變了 N型AlYlnxGa1 _X_YN層的能帶分布，使電流擴(kuò)展能力增強(qiáng)。
[0032]3.