专利名称：一种采用AlGaInN四元材料作为量子阱和量子垒的LED结构及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种采用AlGaInN四元材料作为量子阱和量子垒的LED结构及其制备方法，属于光电子技术领域。
背景技术：
III V族宽禁带直接带隙半导体具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高硬度、稳定的化学性质、较小介电常数和耐高温等一系列优点，因此其在高亮度蓝色发光二极管、蓝色半导体激光器以及抗辐射、高频、高温、高压等电子电力器件中有着广泛的实际应用和巨大的市场前景。GaN是半导体III族氮化物的基本材料，质地坚硬，且化学性质异常稳定，室温下不与酸、碱反应，不溶于水，具有较高的熔点1700°C。GaN具有优秀的电学性质，电子迁 移率最高可达900cm2/ (V s)。n型掺杂的GaN材料很容易得到，但是p型掺杂GaN却不易得到，P型GaN曾经是GaN器件的制约瓶颈。在热退火技术提出之后，GaN较容易地实现了Mg杂质的掺杂，目前p型载流子浓度可以达到IO17 102°/cm3。近十几年来，采用缓冲层的外延技术和P型掺杂的提高，使得GaN基器件研究重新振兴，变为热点。GaN基多量子阱发光二极管(LED)已经进入市场并取得很大进展，但是芯片出光效率低下并且衰减的问题仍未得到很好解决。原因在于在蓝宝石(Ci-Al2O3)或者碳化硅(SiC)衬底上沿着
方向外延得到的GaN基材料存在自发极化和压电极化，致使量子阱和量子垒能带产生严重弯曲，极化电荷产生的极化场使电子和空穴的波函数在空间上不完全重合，从而降低了量子阱内的载流子自发辐射速率，使得器件的内量子效率低下，同时也限制了发光效率。Min-Ho Kim等人使用四元化合物AlGaInN取代传统的GaN量子垒。因为AlGaInN由氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)和氮化铟(InN)所组成，通过改变Al或In组分能连续调节AlGaInN的总极化电荷，可以使讲、垒的极化电荷抵消，而提高器件的内量子效率和输出光功率，参阅 Min-Ho Kim, Martin F. Schubert, Qi Dai et. al.，AppI. Phys. Lett. 91，183507(2007)。在中国专利CN101355127B中，也采用了 InGaN/AlGalnN量子阱/量子垒结构，其中 InxGahN 组分 x 为 0. 1-0. 4，AlxGayIn1^yN 组分为 0. I < x < 0. 4，0. I < y < 0. 4，采用以上的结构得到无极化效应的量子阱活性层，提高了器件的发光效率。上述文献和专利中米用AlGaInN作为量子鱼,可以减弱器件内部极化,但是量子阱材料依然为三元系材料InGaN，当出射波长确定后，量子阱的In(或者Ga)组分也确定，进而量子阱的晶格常数和极化强度也被确定。相应地，欲使AlGaInN量子垒与量子阱达到极化匹配，其组分(Al、Ga、In)的可选范围变小，限制了材料的可选范围。本发明中，量子阱和量子垒都是采用四元系材料AlGalnN。对于量子阱，有更大范围(可以调节Al、Ga、In三种元素)来获得所需的出射波长，相比InGaN量子阱，AlGaInN阱在晶格常数和极化强度上有着更多的选择；对于量子垒，同样有更多的选择去和量子阱进行极化匹配，材料可选范围变大，实际可操作性变强，而且最终效果都能使阱垒间达到极化匹配，提高量子效率和输出光功率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是使量子阱产生的总极化电荷与量子垒的总极化电荷相匹配而消除内建电场，从而得到无极化效应的量子阱活性层，提高器件内量子效率，从而达到提高LED器件内效的目的。为此本发明提供一种采用AlGaInN四元材料作为量子阱和量子垒的LED结构。本发明还提供一种所述LED结构的制备方法。发明概述本发明利用III族氮化物AlGaInN四元材料的带隙和晶格常数具有很大的可调范围的特性，将AlGaInN取代传统的InGaN量子阱和GaN量子鱼，通过改变Al和In的组分来调节极化电荷密度大小，经过计算组分以获得极化强度完全匹配的量子阱/量子垒结构，使AlGaInN阱产生的总极化电荷与AlGaInN垒的总极化电荷相匹配而消除内建电场，得到 无极化效应的量子阱活性层，提高器件内量子效率，从而达到提高LED器件内效的目的。MOCVD :金属有机物化学气相沉淀。发明详述本发明的技术方案如下一种采用AlGaInN四元材料作为量子阱和量子垒的LED结构，包括衬底层上依次是成核层、缓冲层、N型导电层、多量子阱层和P型导电层，在N型导电层上和P型导电层上分别是欧姆接触层；其特征在于，所述的多量子阱层是交替生长的厚度为2-20nm的AlxGa1^yInyN阱和厚度为10_30nm的AluGa1IvInvN鱼，重复周期为2-20个，其中，0 < x < I，0<y<l;0 <U<L0<V<1。所述的衬底层为蓝宝石衬底或碳化硅衬底之一。所述的缓冲层是厚度为Iym-IOOiim的非掺杂GaN，所述的成核层是厚度为10nm_50nm 的 GaN。所述的N型导电层是厚度为0. 5 ii m-6 ii m的掺Si的N型GaN层，Si的掺杂浓度范围是:5X1017cm_3-5X 1019cm_3 ；所述的多量子阱层的总厚度为22nm-1030nm。所述的P型导电层是厚度为120nm-300nm的掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度范围是:5X1019cm_3-5X102Qcm_3。所述的欧姆接触层为TiAlNiAu电极。根据本发明，进一步优选的，根据LED结构所设定出射波长入，所述的AlxGa1^yInyN讲中和所述的AluGa1HlnvN鱼中的x、y、U、v的取值如下表I :表I
AxyUv
~60nm 0.0~ 0. 173 0.2 0.24~5Q0nm 0. 1~ 0.275 0.2 0.292~550nm | 0. I | 0. 302 | 0. 15 | 0. 319一种本发明所述LED结构的制备方法，采用金属有机物化学气相沉淀方法在衬底上依次生长成核层、缓冲层、N型导电层、多量子阱层和P型导电层，在N型导电层和P型导电层上分别制作欧姆接触层，步骤如下I)在MOCVD反应腔室中将衬底层加热到500°C -1200°C，在氢气气氛下处理5分钟，然后温度降至500 0C -600 °C生长GaN成核层，厚度10nm-50nm ;然后温度升到6000C -1300°C，氢气作为载气，生长Iym-IOOiim厚的非掺杂GaN缓冲层；2)MOCVD反应腔室中，将温度调节至600°C -1300°C，氢气作为载气的条件下，生长厚度为0. 5 u m-6 u m的掺Si的N型GaN层，Si的掺杂浓度范围5 X IO1W-5 X IO1W ；3)MOCVD反应腔室中，将温度调节至600°C -1000°C，通入金属有机源TMGa、TMIn和TMA1，生长厚度为30nm-450nm的多量子阱层，所述的多量子阱层是交替生长的厚度为2-20nm 的 AlxGai_x_yInyN 阱和厚度为 10_30nm 的 AluGa1IvInvN 垒，重复周期 2-20 个；4)MOCVD反应腔室中，将温度调节至800°C -1200°C，生长120nm_300nm厚的掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度范围为5X 1019cnT3-5X IO2ciCnT3 ；5)最后在N型GaN层和P型GaN层上分别制作TiAlNiAu电极，制作成欧姆接触层。所述的步骤3)中AlxGanInyN阱中的x和y根据LED结构的出射波长\确定；AluGa1^vInvN鱼中的u和v由根据x和y的值来确定；本发明对有关计算方法及公式简要说明如下根据公式入=1. 24/E Pm，计算出所需出射波长入对应的光子能量E ;然后通过下列AlGaInN四元系材料能带公式计算出x与y的关系
权利要求
1.一种采用AlGaInN四元材料作为量子阱和量子垒的LED结构，包括衬底层上依次是成核层、缓冲层、N型导电层、多量子阱层和P型导电层，在N型导电层上和P型导电层上分别是欧姆接触层；其特征在于，所述的多量子阱层是交替生长的厚度为2-20nm的AlxGa1^yInyN阱和厚度为10_30nm的AluGa1IvInvN鱼，重复周期为2-20个，其中，0 < x < I，0<y<l;0 <U<L0<V<1。
2.如权利要求I所述的LED结构，其特征在于，所述的衬底层为蓝宝石衬底或碳化硅衬底之一。
3.如权利要求I所述的LED结构，其特征在于，所述的缓冲层是厚度为IU m-100 y m的非掺杂GaN，所述的成核层是厚度为10nm-50nm的GaN。
4.如权利要求I所述的LED结构，其特征在于，所述的N型导电层是厚度为0. 5 u m-6 u m 的掺 Si 的 N 型 GaN 层，Si 的掺杂浓度范围是5 X 1017cnT3-5 X IO19CnT3 ；所述的P型导电层是厚度为120nm-300nm的掺Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度范围是5X1019cm_3-5X102Clcm_3。
5.如权利要求I所述的LED结构，其特征在于，所述的多量子阱层的总厚度为22nm-1030nmo
6.如权利要求I所述的LED结构，其特征在于，所述的欧姆接触层为TiAlNiAu电极。
7.如权利要求I所述的LED结构，其特征在于，根据LED结构所出射波长入，所述的AlxGa1^yInyN讲中和所述的AluGa1HlnvN鱼中的x、y、U、v的取值如下表I : 表 1
8.根据权利要求I所述的LED结构的制备方法，采用金属有机物化学气相沉淀方法在衬底上依次生长成核层、缓冲层、N型导电层、多量子阱层和P型导电层，在N型导电层和P型导电层上分别制作欧姆接触层，步骤如下 1)在MOCVD反应腔室中将衬底层加热到500°C-1200°C，在氢气气氛下处理5分钟，然后温度降至500°C _600°C生长GaN成核层，厚度10nm-50nm ;然后温度升到600°C -1300°C,氢气作为载气，生长I U m-100 u m厚的非掺杂GaN缓冲层； 2)在MOCVD反应腔室中，将温度调节至600°C-1300°C，氢气作为载气的条件下，生长厚度为0. 5 u m-6 u m的掺Si的N型GaN层，Si的掺杂浓度范围:5 X 1017cm_3_5 X 1019cm_3 ； 3)在MOCVD反应腔室中，将温度调节至600°C-1000°C，通入金属有机源TMGa、TMIn和TMA1，生长厚度为20nm-1030nm的多量子阱层，所述的多量子阱层是交替生长的厚度为2-20nm的AlxGai_x_yInyN阱和厚度为10_30nm的AluGa1IvInvN鱼，重复周期为2-20个，其中，0<x<l，0<y<l;0<u<l，0<v<l; 4)在MOCVD反应腔室中，将温度调节至800°C-1200°C，生长120nm_300nm厚的掺Mg的P 型 GaN 层，Mg 掺杂浓度范围为 5X1019nT3-5X102°cnT3 ； 5)最后在N型GaN层和P型GaN层上分别制作TiAlNiAu电极，制作成欧姆接触层。
9.根据权利要求8所述的LED结构的制备方法，其特征在于，所述的步骤3)中AlxGa1^yInyN阱中的x和y根据LED结构的出射波长\计算确定AluGaitvInvN垒中的u和V由根据X和y的值来计算确定；计算方法及公式如下 根据公式\ = 1.24/E Pm，计算出所需出射波长\对应的光子能量E ; 然后通过下列AlGaInN四元系材料能带公式计算出x与y的关系
全文摘要
本发明涉及一种采用AlGaInN四元材料作为量子阱和量子垒的LED结构及其制备方法。LED结构包括衬底层上依次是成核层、缓冲层、N型导电层、多量子阱层和P型导电层，在N型导电层上和P型导电层上分别是欧姆接触层；所述的多量子阱层是交替生长的厚度为2-20nm的AlxGa1-x-yInyN阱和厚度为10-30nm的AluGa1-u-vInvN垒，重复周期为2-20个。本发明利用AlGaInN四元材料的带隙和晶格常数具有很大的可调范围的特性，通过改变Al和In的组分来调节极化电荷密度大小，使AlGaInN阱产生的总极化电荷与AlGaInN垒的总极化电荷相匹配而消除内建电场，提高器件内量子效率。
文档编号H01L33/00GK102738341SQ20111008244
公开日2012年10月17日 申请日期2011年4月1日 优先权日2011年4月1日
发明者徐现刚, 曲爽, 李树强, 王强, 王成新 申请人:山东华光光电子有限公司