CN103855263A - 一种具有极化隧道结的GaN基LED外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有极化隧道结的氮化镓GaN基LED外延片及其制备方法。该GaN基LED外延片由衬底、低温缓冲层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、量子阱层、p型铝镓氮层、p型氮化镓层、高掺杂p型氮化镓层和高掺杂n型氮化镓层组成，其特征在于在高掺杂p型氮化镓层和高掺杂n型氮化镓层之间有一非掺杂的铟铝氮层。本发明是利用MOCVD外延设备依次生长上述各层。高掺杂p型氮化镓层、非掺杂的铟铝氮层和高掺杂n型氮化镓层共同组成一个极化隧道结，取代了外延片p型氮化镓层上面的电流扩展层。该极化隧道结具有比普通隧道结在电流驱动下更高的极化电场，能显著提高载流子的隧穿几率以及横向电导率，从而减少压降和增强发光二极管的横向电流扩展，获取高光效的发光二极管。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子器件领域，尤其涉及一种具有极化隧道结的GaN基LED外延片及其制备方法。
背景技术
高亮度发光二极管 (LED) 作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，由于其具有体积小、重量轻、寿命长、可靠性高、以及使用电压低且功耗低等优点，正在迅速广泛地得到应用，已成为替代传统照明光源的最佳光源选择。
GaN、InN和AlN是直接带隙半导体材料，其室温禁带宽度分别为3.4eV，0.6eV和6.1eV。GaN及其固溶体可用于制造从可见光到紫外波段的光电器件，例如蓝光发光二极管、激光器和光电探测器等。GaN基高亮度发光二极管(LED)是目前全球光电子领域研究和产业的前沿和热点。GaN基LED制备要经过LED外延片生长，LED芯片制备和LED封装三个主要环节。其中LED外延片生长是LED的核心技术，它对LED的性能水平起主要作用。
GaN基LED外延片的结构通常是由p型氮化镓层和n型氮化镓层以及位于这两层之间的有源区（例如，量子阱）组成，但由于p型GaN的Mg杂质激活困难及功函数较高(大约7.5eV)等原因，导致p型氮化镓层与n型氮化镓层相比具有更强的抵抗电流能力，即，导电性能低，这种缺点会导致电流从电极进入p型氮化镓层时会阻碍整个侧向电流，从而致使非均匀电流注入有源区并降低整个器件的效率。
目前，解决电流扩展问题的一种方法是在p型氮化镓层上沉积金属层，例如Ni-Au，这样的器件具有较好的电流扩展性能。为了满足正面出光的要求, Ni-Au电极必须做得很薄，其可见光透过率大约为65%，但是，为实现电流的均匀扩展, Ni-Au极则要求相对较厚，两者相互矛盾。由于此层具有较低的透过率和会吸收从有源区穿过p型氮化镓层过来的光，均会降低器件的发光效率。有些沉积金属层材料不能有效地附着于p型氮化镓层的表面，这样也会使LED的器件光电性能进一步下降。
p型氮化镓层相对于n型氮化镓层可靠性也要差很多，经常会因为器件的加工等步骤而损坏暴露在表层的p型氮化镓层，从而影响LED器件的发光效率。
解决电流扩展问题的另一种方法是在p型氮化镓层上再制造隧道结，该方法在Seong-Ran Jeon等人在（《应用物理快报》，第78卷，第21期，第3265-3267页）发表的“在利用隧道接触结的GaN衬底发光二极管中扩散的侧向电流”一文中做了描述。Jeon利用MOCVD外延设备制造GaN基LED外延片时，在p型氮化镓层上再依次生长10nm的高掺杂p型氮化镓层和10nm的高掺杂n型氮化镓层，并以n型氮化镓层作为表层再做电极。尽管这样的结构可以改善LED芯片的电流扩展性能，但是这样的隧道结都是由GaN成分组成，属于同质结，没有极化而产生的极化电场，对于隧道结的隧道几率有一定影响，而且会提高整个LED器件的工作电压。
发明内容
本发明针对目前制造LED器件中p型层很难获得较低的接触电阻及电流扩展性能等缺陷，改善LED器件效率，提供了一种具有极化隧道结的GaN基LED外延片。
本发明的另一个目的是一种所述具有极化隧道结的GaN基LED外延片的制备方法。
这种具有极化隧道结的GaN基LED外延片由衬底1、低温缓冲层2、非掺杂氮化镓层3、n型氮化镓层4、量子阱层5、p型铝镓氮层6、p型氮化镓层7、高掺杂p型氮化镓层8和高掺杂n型氮化镓层10组成，在高掺杂p型氮化镓层8和高掺杂n型氮化镓层10之间有一非掺杂的铟铝氮层9，高掺杂p型氮化镓层8、非掺杂的铟铝氮层9和高掺杂n型氮化镓层10共同组成一个极化隧道结，极化隧道结的厚度小于20nm。与Jeon所制备具有隧道结的LED结构相比，中间有一层非掺杂的铟铝氮层9，这样能多产生一个极化电场，器件受电流驱动时的电场强度就由外部电场、内建电场、极化电场三部分组成，总电场强度的增加能提高隧道结的隧道几率，从而降低电流注入时的阻碍作用，降低LED器件的工作电压，提高横向电导率，从而改善电流扩展性能，能有更多的载流子在有源区均匀复合，提高LED的发光效率。
采用在高掺杂p型氮化镓层8上生长非掺杂铟铝氮层9，再继续生长高掺杂n型氮化镓层10，能减少缺陷，提高外延片的晶体质量。研究表明，极化隧道结中间的铟铝氮合金层中的In的质量含量在10~40%之间可调。优选的铟铝氮层中In质量含量在14~22%，该含量与GaN的晶格失配小于0.5%，性质好于InGaN。
这种具有极化隧道结的GaN基LED外延片，其衬底1是蓝宝石、硅或SiC。
量子阱层5由单量子阱或多量子阱组成，多量子阱内部的周期数目小于60。
通过MOCVD外延设备进行外延生长所述具有极化隧道结的GaN基LED外延片的流程如下：首先在衬底上生长低温缓冲层2，可以是GaN、AlN、InN或者及其合金材料，生长温度在500~600℃，厚度为10~100nm；接着生长非掺杂氮化镓层3，目的是改善晶体质量，生长温度在950~1250℃，厚度为0.1~10μm；然后生长n型氮化镓层4，生长温度在950~1250℃，厚度为0.4~10μm；再生长量子阱层5，量子阱的材料为单个或者多个InGaN/GaN周期，其生长温度在500~1000℃；在量子阱层5上再生长p型铝镓氮层6，生长温度在900~1000℃，厚度10~200nm；再生长p型氮化镓层7，生长温度在900~1000℃，厚度50~300nm；最后在p型氮化镓层7上依次生长具有高掺杂p型氮化镓层8、非掺杂的铟铝氮层9、高掺杂n型氮化镓层10。这三层的厚度均小于20nm，生长温度在900~1000℃。由高掺杂p型氮化镓层8、非掺杂铟铝氮层9和高掺杂n型氮化镓层10组成极化隧道结。根据制造要求，一般就以这个极化隧道结作为覆盖层，但有时也可以根据需要在高掺杂n型氮化镓层可以再生长一层0.1~5μm的n型氮化镓层4。
上述所有p型层的受主为Mg或Zn，n型层的施主为Si。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
图1为实施例1的具有极化隧道结的GaN基LED外延片结构示意图。
图2为实施例1的具有极化隧道结的GaN基LED正装结构示意图。
图3为实施例1的具有极化隧道结的GaN基LED倒装结构示意图。
图4为实施例1的具有极化隧道结的GaN基LED垂直结构示意图。
图5为实施例2的具有极化隧道结的倒置生长结构GaN基LED外延片。
图中：1.衬底；2.缓冲层；3.非掺杂氮化镓层；4.n型氮化镓层；5.量子阱层；6.p型铝镓氮层；7.p型氮化镓层；8.高掺杂p型氮化镓层；9.非掺杂的铟铝氮层；10.高掺杂n型氮化镓层；11.电极。
具体实施方式
参阅图1至图4所示，本发明一种具有极化隧道结的GaN基LED外延片的较佳实施例，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，一种具有极化隧道结的GaN基LED外延片，由衬底1、缓冲层2、非掺杂氮化镓层3、n型氮化镓层4、量子阱层5、p型铝镓氮层6、p型氮化镓层7、高掺杂p型氮化镓层8、非掺杂的铟铝氮层9和高掺杂n型氮化镓层10组成。
通过MOCVD外延设备对上述结构进行生长：
在H2环境中，温度控制在1050℃条件下，进行10分钟预处理，对衬底1进行高温净化；
在衬底1上生长缓冲层2，生长温度为500℃，厚度为15nm；
再继续生长非掺杂氮化镓层3，生长温度为1000℃，厚度为2μm；
在非掺杂氮化镓层3上生长n型氮化镓层4，生长温度为1000℃，厚度为1μm；
在n型氮化镓层4上生长量子阱层5，量子阱层的材料为InGaN/GaN周期结构，内部周期数目为10个，其中InGaN的厚度均为3nm，GaN的厚度均为10nm，生长温度为700℃；
再升温至1050℃，在量子阱层5上生长50nm厚的p型铝镓氮层6；
降温至1000℃，在p型铝镓氮层6上生长100nm厚的p型氮化镓层7；
保持1000℃温度不变的条件下，再逐次生长高掺杂p型氮化镓层8、非掺杂的铟铝氮层9、高掺杂n型氮化镓层10三层，每层的厚度均为5nm；
在高掺杂n型氮化镓层10上蒸镀电极11。
采用LED芯片工艺制作三种不同结构的极化隧道结LED，分别是具有极化隧道结的GaN基LED正装结构，如图2所示；具有极化隧道结的GaN基LED倒装结构，如图3所示；具有极化隧道结的GaN基LED垂直结构，如图4所示。
实施例2
如图5所示的一种极化隧道结的倒置生长结构GaN基LED外延片，采用MOCVD外延设备的制备方法以及各层的厚度均与实施例1相同。
其结构依次是衬底1、低温缓冲层2、非掺杂氮化镓层3、n型氮化镓层4、高掺杂n型氮化镓层10、非掺杂的铟铝氮层9、高掺杂p型氮化镓层8、p型氮化镓层7、量子阱层5、n型氮化镓层4。
通过MOCVD外延设备对图5所示的LED结构进行生长：
在H2环境中，温度控制在1050℃条件下，进行10分钟预处理，对衬底1进行高温净化；
在衬底1上生长缓冲层2，生长温度为500℃，厚度为15nm；
再继续生长非掺杂氮化镓层3，生长温度为1000℃，厚度为2μm；
在非掺杂氮化镓层3上生长n型氮化镓层4，生长温度为1000℃，厚度为1μm；
保持1000℃温度不变的条件下，再在n型氮化镓层4上依次生长高掺杂n型氮化镓层10、非掺杂的铟铝氮层9、高掺杂p型氮化镓层8三层，每层的厚度均为5nm，由这三层形成极化隧道结；
继续保持1000℃温度不变的条件下，再在这个极化隧道结上生长100nm厚的p型氮化镓层7；
接着降温至700℃，在p型氮化镓层7上生长量子阱层5，量子阱层的材料为InGaN/GaN周期结构，内部周期数目为10个，其中InGaN的厚度均为3nm，GaN的厚度均为10nm；
再升温至1000℃，在量子阱层5上生长500nm的n型氮化镓层4；
最后采用LED芯片工艺技术，在上下两个n型氮化镓层4上都蒸镀电极11。
这种结构与实施例1区别在于生长倒置的LED外延片结构，在衬底上首先生长p型层，然后生长有源区发光层，再生长n型层作为帽层，这样就能形成很好的电极接触和电流扩展性能。在衬底和p型层之间采用极化隧道结连接，由高掺杂n型氮化镓层10、非掺杂的铟铝氮层9和高掺杂p型氮化镓层8组成这种极化隧道结。
Claims (7)
1.一种具有极化隧道结的GaN基LED外延片，其结构由衬底（1）、低温缓冲层（2）、非掺杂氮化镓层（3）、n型氮化镓层（4）、量子阱层（5）、p型铝镓氮层（6）、p型氮化镓层（7）、高掺杂p型氮化镓层（8）和高掺杂n型氮化镓层（10）组成，其特征在于在高掺杂p型氮化镓层（8）和高掺杂n型氮化镓层（10）之间有一非掺杂的铟铝氮层（9），高掺杂p型氮化镓层（8）、非掺杂的铟铝氮层（9）和高掺杂n型氮化镓层（10）共同组成一个极化隧道结，极化隧道结的厚度小于20nm 。
2.根据权利要求1所述的一种具有极化隧道结的GaN基LED外延片，其特征在于极化隧道结中间的铟铝氮层（9）中的In的质量含量在10~40%。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有极化隧道结的GaN基LED外延片，其特征在于极化隧道结中间的铟铝氮层（9）中的In的质量含量在14~22%。
4.根据权利要求1所述的一种具有极化隧道结的GaN基LED外延片，其特征在于衬底（1）为蓝宝石、硅或SiC。
5.根据权利要求1所述的一种具有极化隧道结的GaN基LED外延片，其特征在于量子阱层（5）由单量子阱或多量子阱组成，多量子阱内部的周期数目小于60。
6.权利要求1所述的一种具有极化隧道结的GaN基LED外延片的制备方法，是通过MOCVD设备进行外延生长，其特征在于步骤如下：
1）采用MOCVD设备在衬底（1）上首先生长低温缓冲层（2），生长温度500~600℃，厚度为10~100nm；
2）在低温缓冲层（2）上生长非掺杂氮化镓层（3），生长温度950~1250℃，厚度为0.1~10μm；
3）在非掺杂氮化镓层（3）上生长n型氮化镓层（4），生长温度950~1250℃，厚度为0.4~10μm；
4）在n型氮化镓层（4）上生长量子阱层（5），量子阱的材料为单个或者多个InGaN/GaN周期，生长温度500~1000℃，厚度为10~500nm；
5）在量子阱层（5）上生长p型铝镓氮层（6），生长温度900~1000℃，厚度10~200nm；
6）在p型铝镓氮层（6）上生长p型氮化镓层（7），生长温度900~1000℃，厚度50~300nm；
7）在p型氮化镓层（7）上生长高掺杂p型氮化镓层（8），接着生长非掺杂的铟铝氮层（9），再生长高掺杂n型氮化镓层（10），所述三层的厚度均小于20nm，生长温度900~1000℃，由高掺杂p型氮化镓层（8）、非掺杂铟铝氮层（9）和高掺杂n型氮化镓层（10）组成极化隧道结。
7.权利要求6所述的一种具有极化隧道结的GaN基LED外延片的制备方法，其特征在于在高掺杂n型氮化镓层（10）再生长0.1~5μm的n型氮化镓层（4）。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140611 |