CN105047776A - 具有AlGaN导电层的发光二极管外延结构及其制法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开具有AlGaN导电层的发光二极管外延结构及其制法。发光二极管外延结构包括衬底、GaN缓冲层、N型GaN导电层、多量子阱有源区和P型AlGaN导电层。P型导电层为含铝的AlGaN材料，且AlGaN层中的Al组分沿生长方向线性递增。本发明的P型AlGaN导电层可以避免在P型AlGaN电子阻挡层和P型GaN导电层引起的阻挡空穴注入多量子阱有源区的势垒，P型AlGaN导电层中的Al组分沿生长方向线性递增，可以减少极化电荷密度，降低量子阱的极化电场强度，减少能带弯曲，增强P型AlGaN导电层对电子溢出阻挡效果，并减弱对空穴注入的阻挡。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，具体涉及一种具有渐变铝组分的含铝导电层的发光二极管外延结构及其制备方法。
背景技术
发光二极管（简称“LED”）是一种半导体固体发光器件，它利用半导体材料内部的导带电子和价带空穴发生辐射复合，是以光子形式释放能量而直接发光的。通过设计不同的半导体材料禁带宽度，发光二极管可以发射从红外到紫外不同波段的光。
氮化物发光二极管以其具有高效、节能、长寿命以及体积小等优点在世界范围内得到广泛发展。发光波长在210~400nm的紫外发光二极管，因其调制频率高、体积小、无汞环保以及高杀菌潜力等优点，在杀菌消毒、生物医药、照明、存储和通信等领域有广泛的应用前景；发光波长在440~470nm的蓝光发光二极管因其能耗低、寿命长以及环保等优点，在照明、亮化以及显示领域有巨大的应用前景；发光波长在500~550nm的绿光发光二极管，在亮化和显示以及RGB三基色照明领域也有非常好的应用前景。
目前GaN基紫外LED的内量子效率很低，且波长越短，紫外LED的效率越低，这大大限制了紫外LED的应用。因此，迫切需要研究高性能的GaN基紫外LED。导致紫外LED内量子效率低的一个主要原因是电子从多量子阱有源区中溢出。
世界各国科学家为了提高紫外LED的量子效率投入了大量精力。一种被普遍使用的阻止载流子溢出的方法就是在最后一层GaN量子阱势垒和P型GaN导电层之间生长一层P型AlGaN层。这层P型AlGaN层被称为电子阻挡层（简称“EBL”），其禁带宽度大于GaN的禁带宽度。因此，可在最后一个GaN量子阱势垒和EBL之间引入一个势垒，以实现对溢出电子的阻挡。该方法的缺点是，在P型GaN导电层和EBL的界面处，价带上存在一个势垒，阻挡了空穴从P型导电层向多量子阱有源区的注入，降低空穴注入效率。同时，最后一个GaN量子阱势垒层和EBL层之间由于晶格失配所产生的极化电场，在它们的界面处，在价带上产生一个势垒尖峰，阻挡空穴注入多量子阱有源区，且降低了导带上阻挡电子溢出的有效势垒高度，抑制电子阻挡的效果。
J.R.Chen等(LightwaveTechnologyJournalof,2008,26(3):329–337)提出一种使用四元AlInGaN电子阻挡层的外延结构的方法，其技术方案是，通过适当的控制AlInGaN电子阻挡层中的Al组分和In组分，可以大幅减少最后一个GaN量子阱势垒和EBL的界面处的极化电荷密度，减小极化电场强度，以减少电子溢出多量子阱有源区。该方法的缺点是，由于Al和In的最佳并入条件相差较大，难以生长高质量的AlInGaN晶体。
专利CN101640236A公开了一种超晶格电子阻挡层发光元件。其技术方案是，使用两种能隙不同的三五族半导体层，具有周期性地重复沉积在上述有源发光层上，形成超晶格结构，以作为一势垒较高的电子阻挡层，用以阻挡电子溢出多量子阱有源区，同时通过晶格大小不同的三五族半导体层的组合，提供应力补偿，以减少其与多量子阱有源区之间应力的累积，减少极化电场，提高电子阻挡层中的空穴浓度。该方法的缺点是，超晶格电子阻挡层使LED的运行电压上升，且超晶格电子阻挡层和最后一个GaN量子阱势垒的界面处依然存在较大的极化电荷。
发明内容
针对现有GaN基紫外LED中，电子从多量子阱有源区溢出和空穴注入多量子阱有源区效率低，导致内量子效率低的问题，本发明提出一种采用P型渐变Al组分AlGaN层作为P型导电层的具有AlGaN导电层的发光二极管外延结构及其制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是。
一种具有AlGaN导电层的发光二极管外延结构，其从下至上依次包括衬底、GaN缓冲层、N型GaN导电层、多量子阱有源区和P型导电层，所述P型导电层为含铝的AlGaN材料即P型AlGaN导电层，且P型AlGaN导电层中的Al组分沿生长方向线性递增。所述P型导电层是P型掺杂的AlGaN材料。
进一步地，所述P型导电层中，沿着生长方向，与多量子阱有源区接触的界面处的Al组分为X，且X≥0，P型导电层一界面处的Al组分为Y，且Y≥X≥0，P型导电层中间部分的Al组分呈线性递增变化。
进一步地，所述P型AlGaN导电层中Al组分沿生长方向线性递增的生长方法如下：
反应室通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铝，温度提高到800摄氏度，在有源区上生长P型AlGaN导电层，期间保持三甲基镓气流流量恒定，使三甲基铝气流流量随生长时间线性增长，使铝组分沿生长方向，从X线性递增到Y；厚度200nm，掺杂浓度5×1017cm-3。
进一步地，，所述多量子阱有源区周期交替排列的InGaN多量子阱势阱层和InGaN多量子阱势垒层。
制备所述的具有AlGaN导电层的发光二极管外延结构的方法，其包括步骤如下：
(1)将蓝宝石衬底放入金属有机化学气相化学沉积设备中，通入氢气，反应室温度升高到1300摄氏度，对衬底片进行高温清洗；
(2)将反应室温度降低到1100度，通入氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(1)所述的衬底上生长3um的非故意掺杂GaN缓冲层；
(3)反应室通入硅烷、氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(2)所述的GaN缓冲层上生长N型GaN导电层,厚度4um，掺杂浓度5×1018cm-3；
(4)反应室温度保持1100摄氏度，通入硅烷、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在步骤(3)所述的N型掺GaN导电层上生长GaN多量子阱势垒层；
(5)反应室温度降低到700摄氏度度，通入氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在步骤(4)所述的InGaN多量子阱势垒层上生长InGaN多量子阱势阱层；
(6)循环重复如下步骤（a）、步骤（b）4次，得到InGaN/InGaN多量子阱有源区：
(a)将反应室温度升至1100摄氏度，继续生长GaN多量子阱势垒层；
(b)反应室温度降低到700摄氏度度，在步骤(a)所述的GaN多量子阱势垒层上生长InGaN多量子阱势阱层；
(7)反应室通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铝，温度提高到800摄氏度，在步骤(6)所述的有源区上生长P型AlGaN导电层，期间保持三甲基镓气流流量恒定，使三甲基铝气流流量随生长时间线性增长，使铝组分沿生长方向，从X线性递增到Y，生长厚度为200nm，掺杂浓度5×1017cm-3。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用P型Al组分渐变AlGaN层作为P型导电层，替代传统的在GaN量子阱势垒层上先后生长的P型AlGaN电子阻挡层和P型GaN导电层，解决了传统方法由极化电场所引起的空穴注入效率低、阻挡电子溢出效果差的问题，有效地提高了GaN紫外LED的空穴注入多量子阱有源区的效率，抑制电子溢出多量子阱有源区造成的电子泄露，从而提高内量子效率。
附图说明
图1为实例中的GaN外延结构示意图。
图2为本发明和传统GaNLED的能带结构示意图。
图3为本发明LED和传统LED在相同注入电流密度下的多量子阱有源区中的空穴浓度分布对比图。
图4是本发明LED和传统LED在不同注入电流密度下的光功率曲线。
图中：1、衬底；2、GaN缓冲层；3、N型GaN导电层；4、GaN量子垒；5、InGaN量子阱；6、多量子阱有源区；7、P型AlGaN导电层；8、本发明LED的导带；9、传统LED的导带；10、传统LED的价带；11、本发明LED的价带。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明做进一步说明，但不限于此。
如图1所示，所述发光二极管外延自下而上依次为蓝宝石衬底1、GaN缓冲层2、N型GaN导电层3、多量子阱有源区6和P型AlnGaN导电层7。
具有AlGaN导电层的发光二极管外延结构的制备方法步骤如下：
(1).将蓝宝石衬底放入金属有机化学气相化学沉积设备中，通入氢气，反应室温度升高到1300摄氏度，对衬底片进行高温清洗。
(2).将反应室温度降低到1100度，通入氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(1)所述的衬底上生长3um的非故意掺杂GaN缓冲层。
(3).反应室通入硅烷、氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(2)所述的GaN缓冲层上生长N型GaN导电层,厚度4um，掺杂浓度5×1018cm-3。
(4).反应室温度保持1100摄氏度，通入硅烷、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在步骤(3)所述的N型掺GaN导电层上生长GaN多量子阱势垒层。
(5).反应室温度降低到700摄氏度度，通入氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在步骤(4)所述的InGaN多量子阱势垒层上生长InGaN多量子阱势阱层；
(6).循环重复如下步骤（a）、步骤（b）4次，得到InGaN/InGaN多量子阱有源区：
(a).将反应室温度升至1100摄氏度，继续生长GaN多量子阱势垒层；
(b).反应室温度降低到700摄氏度度，在步骤(a)所述的GaN多量子阱势垒层上生长InGaN多量子阱势阱层；
(7).反应室通入二茂镁、氨气、氮气三甲基镓和三甲基铝，温度提高到800摄氏度，在步骤(6)所述的有源区上生长P型AlGaN导电层。期间保持三甲基镓气流流量恒定，使三甲基铝气流流量随生长时间线性增长，使铝组分沿生长方向，从X线性递增到Y。厚度200nm，掺杂浓度5×1017cm-3。
本发明所述P型AlGaN导电层中，沿生长方向，与最后一个GaN多量子阱势垒的界面处的Al组分为X，且X≥0，P型AlGaN层另一界面处的Al组分为Y，且Y≥X≥0，中间部分Al组分呈线性递增变化。
图2为本发明和传统GaNLED的能带结构示意图，本发明LED的导带8；传统LED的导带9；传统LED的价带10；本发明LED的价带11。图3为本发明LED和传统LED在相同注入电流密度下的多量子阱有源区中的空穴浓度分布，在图3中，纵坐标为空穴密度，单位是1018/cm3，横坐标是位置，单位是μm。图4是本发明LED和传统LED在不同注入电流密度下的光功率曲线，在图4中，纵坐标为光功率，单位是mW,横坐标是注入电流密度，单位是A/cm2。
可知，本发明直接使用AlGaN作为P型导电层，替代传统的在GaN量子阱势垒层上先后生长P型AlGaN电子阻挡层和P型GaN导电层的方法，可以避免在P型AlGaN电子阻挡层引起的阻挡空穴注入多量子阱有源区的势垒，提高空穴注入多量子阱有源区的效率，从而提高内量子效率。其次，P型AlGaN导电层中的Al组分沿生长方向逐渐由X提高到Y，可以使AlGaN层的晶格常数更接近GaN多量子阱势垒层的晶格常数，晶格失配度减小，减小GaN量子阱势垒层和AlGaN层界面处的极化电荷密度，降低量子阱的极化电场强度，减少能带弯曲，增强P型AlGaN导电层对电子溢出阻挡效果，并减弱对空穴注入的阻挡。采用本发明的方法，解决了传统方法由极化电场所引起的空穴注入效率低、阻挡电子溢出效果差的问题，有效地提高了GaN紫外LED的空穴注入多量子阱有源区的效率，抑制电子溢出多量子阱有源区造成的电子泄露，从而提高内量子效率，提高光功率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种具有AlGaN导电层的发光二极管外延结构，其从下至上依次包括衬底、GaN缓冲层、N型GaN导电层、多量子阱有源区和P型导电层，其特征是所述P型导电层为含铝的AlGaN材料即P型AlGaN导电层，且P型AlGaN导电层中的Al组分沿生长方向线性递增。
2.根据权利要求1所述的具有AlGaN导电层的发光二极管外延结构，其特征是：所述P型导电层是P型掺杂的AlGaN材料。
3.根据权利要求1所述的具有AlGaN导电层的发光二极管外延结构，其特征是：所述P型导电层中，沿着生长方向，与多量子阱有源区接触的界面处的Al组分为X，且X≥0，P型导电层一界面处的Al组分为Y，且Y≥X≥0，P型导电层中间部分的Al组分呈线性递增变化。
4.如权利要求3所述的具有AlGaN导电层的发光二极管外延结构，其特征在于，所述P型AlGaN导电层中Al组分沿生长方向线性递增的生长方法如下：
反应室通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铝，温度提高到800摄氏度，在有源区上生长P型AlGaN导电层，期间保持三甲基镓气流流量恒定，使三甲基铝气流流量随生长时间线性增长，使铝组分沿生长方向，从X线性递增到Y；厚度200nm，掺杂浓度5×1017cm-3。
5.如权利要求1所述的具有AlGaN导电层的发光二极管外延结构，其特征在于，所述多量子阱有源区周期交替排列的InGaN多量子阱势阱层和InGaN多量子阱势垒层。
6.制备权利要求1所述的具有AlGaN导电层的发光二极管外延结构的方法，其特征在于包括步骤如下：
(1)将蓝宝石衬底放入金属有机化学气相化学沉积设备中，通入氢气，反应室温度升高到1300摄氏度，对衬底片进行高温清洗；
(2)将反应室温度降低到1100度，通入氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(1)所述的衬底上生长3um的非故意掺杂GaN缓冲层；
(3)反应室通入硅烷、氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(2)所述的GaN缓冲层上生长N型GaN导电层,厚度4um，掺杂浓度5×1018cm-3；
(4)反应室温度保持1100摄氏度，通入硅烷、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在步骤(3)所述的N型掺GaN导电层上生长GaN多量子阱势垒层；
(5)反应室温度降低到700摄氏度度，通入氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在步骤(4)所述的InGaN多量子阱势垒层上生长InGaN多量子阱势阱层；
(6)循环重复如下步骤（a）、步骤（b）4次，得到InGaN/InGaN多量子阱有源区：
(a)将反应室温度升至1100摄氏度，继续生长GaN多量子阱势垒层；
(b)反应室温度降低到700摄氏度度，在步骤(a)所述的GaN多量子阱势垒层上生长InGaN多量子阱势阱层；
(7)反应室通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铝，温度提高到800摄氏度，在步骤(6)所述的有源区上生长P型AlGaN导电层，期间保持三甲基镓气流流量恒定，使三甲基铝气流流量随生长时间线性增长，使铝组分沿生长方向，从X线性递增到Y，生长厚度为200nm，掺杂浓度5×1017cm-3。
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