CN103337568B - 应变超晶格隧道结紫外led外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种应变超晶格隧道结紫外LED外延结构及其制备方法，外延结构自上而下为：外延生长衬底，AlN缓冲层、n型AlGaN层、多层量子阱、电子阻挡层、应变超晶格、n型简并掺杂AlGaN层、n型Si掺杂AlGaN层；应变超晶格包括p型AlGaN层及AlyGa1-yN/AlxGa1-xN。AlGaN的能带在极化电场的作用下整体向低能量方向移动，超晶格结构再与重掺杂的n型AlGaN接触后形成p-AlGaN/SSL/n*-AlGaN隧道结，p型AlGaN价带中的电子在外电场的作用下，通过隧道效应隧穿到n型AlGaN一侧，在p型AlGaN形成空穴。表层材料由p型AlGaN变为n-AlGaN，避免了p型欧姆接触的问题。
Description
【技术领域】
本发明属于半导体发光二级管技术领域，具体涉及一种利用应变超晶格隧道结结构增强p型氮化物材料性能的紫外LED外延结构及其制备方法。
【背景技术】
紫外发光二极管(lightemittingdiode，以下简称LED)，因其波长短、光子能量高、光束均匀等优点，在物理杀菌、高显色指数的照明以及高密度光存储等领域有着重要的应用。目前，大量的研究已经在晶体质量、高Al组分和短波长结构设计等技术方面取得了重要突破，成功制备300纳米以下的深紫外LED器件，实现毫瓦级的功率输出，并在可靠性方面取得很大进展。
然而，高Al组分的AlGaN材料会降低载流子浓度和载流子迁移率。随着Al组分的增加，Mg原子的受主激活能线性增加，使得p型掺杂激活率很低，室温下空穴浓度很低，因此，p型欧姆接触的制备变得非常困难。良好的欧姆接触决定着电注入效率，从而直接影响半导体器件的整体性能。
目前，为了提高p型层的载流子浓度，降低p型欧姆接触电阻，所采用的技术主要是利用超晶格结构的p型层，然后在p型AlGaN上再生长一层p型GaN帽层作为欧姆接触层，并通过退火条件优化来实现。但是，这些方法只能在一定范围内优化p型欧姆接触，其电阻率仍比n型欧姆接触电阻率大几个数量级，而且厚的p型GaN帽层会产生光子的吸收损耗。
一种低电阻GaN/InGaN/GaN隧道结结构，将n型GaN和p型GaN均简并掺杂，在p型GaN上再生长一层n型GaN，并利用界面极化电荷产生的强电场使量子阱上方的GaNpn结满足隧道二极管的条件，这样p型GaN价带的电子就通过隧穿效应进入到n型GaN的导带，从而在p型GaN价带留下大量空穴。而上表面的接触电极是直接做在p型GaN上的n型GaN表面的，即正负接触电极都是在n型GaN结构下实现的，这不仅避免了p型欧姆接触，实现低阻率的目标，而且保持了器件的性能完整。但是，这种方法仍是利用了重掺杂来实现简并，从而得到隧穿结，但是p型氮化物掺杂的困难仍然存在。
当一种材料处于应变***下，并产生弹性应变时，能带会有所改变。其中，正应变分量引起导带和价带的整体移动，移动量分别为：ΔEc＝ac（εxx+εyy+εzz），ΔEv＝av（εxx+εyy+εzz），其中ac、av分别为半导体材料导带边和价带边液体静压力形变势，ε是各个方向的正压力产生的应变。
在晶格失配较大的情况下(7％～9％)，只要晶体各层的厚度足够薄，晶格失配所形成的应力就可以通过各层的弹性应变得到调节，这样就可以生长出无失配位错的应变超晶格(StrainedSuperlattice，简称SSL)。利用超晶格结构可以减小位错带来的缺陷态密度，提高有效载流子浓度；此外，通过控制超晶格的应变产生的应力场可以定量地使半导体材料的导带底和价带顶整体移动，这对于实现非简并的隧穿结有着十分重要的意义。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是提供一种隧道结紫外LED外延结构及制备方法，以提高p型AlGaN层的空穴载流子浓度，解决欧姆接触瓶颈问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种应变超晶格隧道结紫外LED外延结构，包括外延生长衬底，以及依次生长在外延生长衬底上的AlN缓冲层、n型AlGaN层、周期性多层量子阱、电子阻挡层、应变超晶格、n型简并掺杂AlGaN层、n型Si掺杂AlGaN帽层；其中，所述应变超晶格包括p型AlGaN层以及在其上继续生长的单层或多层AlyGa1-yN/AlxGa1-xN，其中，y>x>0.65。
作为本发明的优选实施例，所述多层量子阱的材料为Al0.65Ga0.35N/Al0.7Ga0.3N，交替生长。
作为本发明的优选实施例，所述电子阻挡层的材料为Al0.8Ga0.2N/Al0.77Ga0.23N。
作为本发明的优选实施例，所述单层或多层AlyGa1-yN/AlxGa1-xN为Mg和Si共掺，共掺的掺杂形态呈δ分布。
作为本发明的优选实施例，所述超晶格中AlxGa1-xN中Al组分高于量子阱材料中的Al组分以保证有源层发出的光子不被吸收。
作为本发明的优选实施例，所述n型简并掺杂AlGaN层的掺杂浓度大于1×1019cm-3，以使其能带为简并态，利于遂穿结的形成。
作为本发明的优选实施例，所述n型Si掺杂AlGaN帽层的掺杂浓度大于1×1018cm-3，作为制作器件的阳极欧姆接触层。
一种制备应变超晶格隧道结紫外LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)在外延生长衬底上制备AlN缓冲层，AlN缓冲层的厚度为10nm～500nm；
(2)在生长好AlN缓冲层的外延生长衬底上生长Si掺杂n型Al0.77Ga0.23N层；
(3)在n型Al0.77Ga0.23N层上交替生长多层量子阱；多层量子阱材料为Al0.65Ga0.35N/Al0.7Ga0.3N；
(4)在多层量子阱的最顶层上生长多层电子阻挡层，电子阻挡层材料为Al0.8Ga0.2N/Al0.77Ga0.23N；
(5)在电子阻挡层上生长p型Al0.77Ga0.23N以及Al0.77Ga0.23N/AlN应变超晶格(SSL)；
(6)在Al0.77Ga0.23N/AlN应变超晶格(SSL)上生长一薄层重掺杂n型Al0.77Ga0.23N，然后在重掺杂n型Al0.77Ga0.23N上再生长一层较轻掺杂n型Al0.77Ga0.23N。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明利用超晶格结构所产生的应变场来影响能带结构。在超晶格能带结构中，AlGaN的能带在极化电场的作用下，整体向低能量方向移动。超晶格结构再与重掺杂的n型AlGaN接触后，形成p-AlGaN/SSL/n*-AlGaN隧道结，p型AlGaN价带中的电子在外电场的作用下，通过隧道效应隧穿到n型AlGaN一侧，在p型AlGaN形成空穴，即空穴载流子。同时，表层材料由p型AlGaN变为n-AlGaN，避免了p型欧姆接触的问题，由n型接触电极作为LED器件的阳极，极大地降低了电阻率，提高电流扩展性能，从而增强器件的性能。
【附图说明】
图1是本发明含SSL隧道结的紫外LED外延结构示意图。
图2是电子阻挡层的结构示意图。
图3是AlyGa1-yN/AlxGa1-xN应变超晶格结构示意图。
图4是形成隧道结的能带示意图。
其中，1-外延生长衬底，2-AlN缓冲层，3-n型Si掺杂AlGaN层，4-周期性多层量子阱，5-多层厚度渐变结构电子阻挡层，6-p型AlGaN层、AlyGa1-yN/AlxGa1-xN超晶格，601-隧道结，7-n型简并Si掺杂AlGaN层，8-n型Si掺杂AlGaN层，51-Al0.8Ga0.2N，52-Al0.77Ga0.23N，61-AlyGa1-yN，62-AlxGa1-xN。
【具体实施方式】
本发明提供了一种隧道结增强型紫外LED外延结构的制造方法，利用超晶格产生的应变场使SSL结构中AlGaN材料能带整体向低能量方向移动，与n型AlGaN形成p-AlGaN/SSL/n*-AlGaN隧道结，提供空穴载流子。至少包括以下步骤：
采用MOCVD(Metal-organicChemicalVaporDepositiong，金属有机化合物化学气相沉积)或PAMBE***进行外延生长：
1)在外延衬底1上制备AlN缓冲层2，厚度为10nm～500nm；
2)在生长好AlN缓冲层2的衬底1上生长Si掺杂n型Al0.77Ga0.23N层；
3)在n型AlGaN层3上交替生长5个多量子阱层4；多量子阱层材料为Al0.65Ga0.35N/Al0.7Ga0.3N；
4)在最顶层量子阱层上生长多层电子阻挡层5，电子阻挡层5厚度渐变。材料为Al0.8Ga0.2N/Al0.77Ga0.23N。
5)在电子阻挡层上生长p型Al0.77Ga0.23N以及Al0.77Ga0.23N/AlNSSL；
6)在Al0.77Ga0.23N/AlNSSL上生长一薄层重掺杂n型Al0.77Ga0.23N，然后在重掺杂n型Al0.77Ga0.23N上再生长一层较轻掺杂n型Al0.77Ga0.23N。
在制备隧道结时，可以根据所需隧道结的特性来选择相应的材料、掺杂剂和掺杂浓度。隧道结材料若选用AlGaN/AlNSSL和n型AlGaN制备时，用Mg和Si的掺杂形态呈δ分布的共掺、Si元素分别作为AlGaN/AlNSSL和n型AlGaN的掺杂剂，p型AlGaN区厚度相对较薄。
上述第2)步中，n型Al0.77Ga0.23N的Al组分所占比例根据量子阱中心材料来进行适当的选择但必须比量子肼中Al组分高，以确保有源层发出的光子不被吸收。
上述第3)步中，多量子阱层反光中心材料Al0.65Ga0.35N的Al组分所占比例由所需要的波长决定。若选用Al0.65Ga0.35N作为量子阱发光中心材料，所发光的中心波长是248nm。
上述第5)步中Al0.77Ga0.23N/AlN超晶格层数和厚度都是依据p型AlGaN的Al组分进行变更，AlGaN/AlN超晶格的层数在1-10层之间变更。每层的厚度均在0.5-2nm之间变更。
下面结合附图和具体实施例对本发明结构和制备方法进行进一步说明。在具体的器件设计和制造中，本发明提出的紫外LED结构将根据应用领域和工艺制程实施的需要，对其部分结构和材料作出修改和变通。
实施例详细描述本发明所述的应变超晶格隧道结增强型紫外LED的制备过程，并对相关参数进行具体说明。
(1)选用蓝宝石作为外延生长衬底，首先在蓝宝石衬底1沿[0001]方向上制备AlN缓冲层2，厚度为10nm-500nm。
(2)在低温的AlN缓冲层2上依次生长n型Si掺杂AlGaN层3、周期性多层量子阱4，多层渐变的电子阻挡层5。
(3)生长完电子阻挡层5后继续生长p型AlGaN，以及Mg和Si的掺杂形态呈δ分布的共掺的单层或多层AlyGa1-yN/AlxGa1-xN应变超晶格6。其结构见图3。超晶格中AlxGa1-xN中Al组分高于量子阱材料中的Al组分。超晶格的两种材料的Al组分大小关系为y>x>0.65。超晶格中AlxGa1-xN和AlyGa1-yN的厚度均在0.5nm-2nm之间。AlyGa1-yN/AlxGa1-xN应变超晶格的层数为1-20之间。
(4)在AlyGa1-yN/AlxGa1-xN应变超晶格6上再生长一层重掺杂的n型Si掺杂的AlGaN层7，掺杂浓度大于1×1019cm-3，以使其能带为简并态，利于遂穿结的形成。其厚度在1nm-500nm之间
(5)在简并掺杂的n型AlGaN层7上再生长一层较低掺杂浓度的Si掺杂n型AlGaN层，掺杂浓度大于1×1018cm-3，作为制作器件的阳极欧姆接触层。
如图2所示电子阻挡层为多层AlGaN结构。阻挡层宽度是渐变结构。电子阻挡层的层数为1-10层，厚度为2nm-10nm。根据不同的需要，电子阻挡层厚度可以固定，也可以是渐变的。
如图3所示，使用Mg和Si的掺杂形态呈δ分布的共掺的多层AlyGa1-yN/AlxGa1-xN应变超晶格结构。其中，AlyGa1-yN层处于张应变状态，而AlxGa1-xN层处于压应变状态，于是在AlyGa1-yN和AlxGa1-xN层中分别形成沿[0001]和[000-1]方向的应变极化电场。该电场将导致超晶格中AlGaN的导带和价带整体向低能量方向移动。参见图4，当p型AlGaN的价带能级高于应变超晶格另一侧的n型AlGaN的导带能级时，而且应变超晶格层的厚度很薄，就形成了隧道结601，这时p区价带的电子就可以通过这个隧道结进入到n区导带，而在p区留下空穴。
参见图1-图4，为本发明所述的应变超晶格隧道结紫外LED外延结构，其中包括：
—外延生长衬底1；
—AlN缓冲层2，位于该外延生长衬底1上；
—n型AlGaN层3，位于该AlN缓冲层2上；
—周期性多层量子阱4，位于该n型AlGaN层3上；
—电子阻挡层5，位于该多层量子阱4上；
—p型AlGaN层、Mg和Si的掺杂形态呈δ分布的共掺的多层AlyGa1-yN/AlxGa1-xN应变超晶格6，位于该电子阻挡层5上；
—n型简并掺杂AlGaN层7，位于该多层AlyGa1-yN/AlxGa1-xN应变超晶格6上；
—n型Si掺杂AlGaN帽层8，位于该n型简并掺杂AlGaN层7上。
本发明在在外延生长衬底上以AlN缓冲层为起始层，接着按顺序依次生长n型AlGaN层、多量子阱区、电子阻挡层、p型AlGaN层、AlyGa1-yN/AlxGa1-xN应变超晶格、n型简并掺杂AlGaN层、n型AlGaN帽层。利用Mg和Si的掺杂的形态呈δ分布的共掺的多层AlyGa1-yN/AlxGa1-xN应变超晶格改造能带，使大量电子通过隧道结进入其上的n型AlGaN，从而在p区留下了大量空穴载流子，为有源区发光提供了足够的空穴载流子浓度。此外，上表层的n型AlGaN结构作为器件阳极接触层，解决了欧姆接触的问题，降低器件开启电压，提高电流扩展能力。该方法制备的紫外LED芯片摆脱了p型层掺杂困难，以及欧姆接触难以制作的困难，极大的改善了紫外LED器件的性能。
本发明的优点包括：
1)利用Mg和Si的掺杂的形态呈δ分布的共掺的多层AlGaN/AlNSSL结构产生的应力场来实现SSL中AlGaN的能带整体向低能量方向移动，从而与p型AlGaN和重掺杂至简并态的n型AlGaN共同形成隧道结。这种方法利用应力实现隧道结结构，而不是依靠单纯的Mg元素重掺杂实现简并态。
2)大量电子通过隧道结从p型材料的价带遂穿进入n型材料的导带，这样就会在p型层中留下大量空穴载流子。这种方法解决了p型材料Mg元素掺杂困难的问题，提高了载流子浓度。
3)在p型层表面覆盖了n型AlGaN，阳极欧姆接触就可以直接在n型材料上制作，大大提高了欧姆接触性能，降低接触电阻，提高电流扩展能力。
Claims (9)
1.一种应变超晶格隧道结紫外LED外延结构，其特征在于：包括：外延生长衬底(1)，以及依次生长在外延生长衬底上的AlN缓冲层(2)、n型AlGaN层、周期性多层量子阱(4)、电子阻挡层(5)、应变超晶格(6)、n型简并掺杂AlGaN层(7)、n型Si掺杂AlGaN帽层(8)；其中，所述应变超晶格(6)包括p型AlGaN层以及在其上继续生长的单层或多层AlyGa1-yN/AlxGa1-xN，其中，y>x>0.65。
2.如权利要求1所述的应变超晶格隧道结紫外LED外延结构，其特征在于：所述多层量子阱的材料为Al0.65Ga0.35N/Al0.7Ga0.3N，交替生长。
3.如权利要求1所述的应变超晶格隧道结紫外LED外延结构，其特征在于：所述电子阻挡层的材料为Al0.8Ga0.2N/Al0.77Ga0.23N。
4.如权利要求1所述的应变超晶格隧道结紫外LED外延结构，其特征在于：所述单层或多层AlyGa1-yN/AlxGa1-xN为Mg和Si共掺，共掺的掺杂形态呈δ分布。
5.如权利要求1或4所述的应变超晶格隧道结紫外LED外延结构，其特征在于：所述超晶格中AlxGa1-xN中Al组分高于量子阱材料中的Al组分以保证有源层发出的光子不被吸收。
6.如权利要求1所述的应变超晶格隧道结紫外LED外延结构，其特征在于：所述n型简并掺杂AlGaN层(7)的掺杂浓度大于1×1019cm-3，以使其能带为简并态，利于遂穿结的形成。
7.如权利要求1所述的应变超晶格隧道结紫外LED外延结构，其特征在于：所述n型Si掺杂AlGaN帽层(8)的掺杂浓度大于1×1018cm-3，作为制作器件的阳极欧姆接触层。
8.如权利要求1所述的应变超晶格隧道结紫外LED外延结构，其特征在于：在应变超晶格结构中，AlyGa1-yN层处于张应变状态，AlxGa1-xN层处于压应变状态。
9.一种基于权利要求1所述的应变超晶格隧道结紫外LED外延结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在外延生长衬底(1)上制备AlN缓冲层(2)，AlN缓冲层的厚度为10nm～500nm；
(2)在生长好AlN缓冲层(2)的外延生长衬底(1)上生长Si掺杂n型Al0.77Ga0.23N层；
(3)在n型Al0.77Ga0.23N层上交替生长多层量子阱(4)；多层量子阱材料为Al0.65Ga0.35N/Al0.7Ga0.3N；
(4)在多层量子阱的最顶层上生长多层电子阻挡层(5)，材料为Al0.8Ga0.2N/Al0.77Ga0.23N；
(5)在电子阻挡层上生长p型Al0.77Ga0.23N以及Al0.77Ga0.23N/AlN应变超晶格；
(6)在Al0.77Ga0.23N/AlN应变超晶格上生长一薄层重掺杂n型Al0.77Ga0.23N，然后在重掺杂n型Al0.77Ga0.23N上再生长一层较轻掺杂n型Al0.77Ga0.23N。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |