一种具有极化隧道结的GaN基LED外延片及其制备方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种具有极化隧道结的GaN基LED外延片及其制备方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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
6.1eVXaN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。
[0004]GaN基LED外延片的结构通常是由P型氮化镓层和η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η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。
[0005]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N1-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，N1-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，N1-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。
[0006]P型氮化镓层相对于η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。
[0007]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ρ型氮化镓层上再依次生长IOnm的高掺杂ρ型氮化镓层和IOnm的高掺杂η型氮化镓层，并以η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】
[0008]本发明针对目前制造LED器件中ρ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。
[0009]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。
[0010]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、η型氮化镓层4、量子阱层5、ρ型铝镓氮层6、ρ型氮化镓层7、高掺杂ρ型氮化镓层8和高掺杂η型氮化镓层10组成，在高掺杂ρ型氮化镓层8和高掺杂η型氮化镓层10之间有一非掺杂的铟铝氮层9，高掺杂ρ型氮化镓层8、非掺杂的铟铝氮层9和高掺杂η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。
[0011 ] 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η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。
[0012]这种具有极化隧道结的GaN基LED外延片，其衬底I是蓝宝石、硅或SiC。
[0013]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。
[0014]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、AIN、InN或者及其合金材料，生长温度在50(T600°C，厚度为l(T100nm ;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95(Tl250°C，厚度为0.1~1Ο μ m ;然后生长η型氮化镓层4，生长温度在95(Tl250°C，厚度为0.1~ 10μ m ;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50(T1000°C ;在量子阱层5上再生长ρ型铝镓氮层6，生长温度在90(T1000°C，厚度l(T200nm ;再生长ρ型氮化镓层7，生长温度在900~1000°C，厚度5(T300nm ;最后在ρ型氮化镓层7上依次生长具有高掺杂ρ型氮化镓层8、非掺杂的铟铝氮层9、高掺杂η型氮化镓层10。这三层的厚度均小于20nm，生长温度在900~1000°C。由高掺杂P型氮化镓层8、非掺杂铟铝氮层9和高掺杂η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η型氮化镓层可以再生长一层
0.1^5 μ m的η型氮化镓层4。
[0015]上述所有ρ型层的受主为Mg或Zn，η型层的施主为Si。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。[0020]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。
[0021]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。
[0022]图中:1.衬底；2.缓冲层；3.非掺杂氮化镓层；4.η型氮化镓层；5.量子阱层；6.ρ型铝镓氮层；7.ρ型氮化镓层；8.高掺杂ρ型氮化镓层；9.非掺杂的铟铝氮层；10.高掺杂η型氮化镓层；11.电极。
【具体实施方式】
[0023]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。
[0024]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、η型氮化镓层4、量子阱层5、ρ型铝镓氮层6、ρ型氮化镓层7、高掺杂ρ型氮化镓层8、非掺杂的铟铝氮层9和高掺杂η型氮化镓层10组成。
[0025]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°C条件下，进行10分钟预处理，对衬底I进行高温净化； 在衬底I上生长缓冲层2，生长温度为500°C，厚度为15nm ；
再继续生长非掺杂氮化镓层3，生长温度为1000°C，厚度为2 μ m ;
在非掺杂氮化镓层3上生长η型氮化镓层4，生长温度为1000°C，厚度为Iym;
在η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°C ；
再升温至1050°C，在量子阱层5上生长50nm厚的ρ型铝镓氮层6 ;
降温至1000°C，在ρ型铝镓氮层6上生长IOOnm厚的ρ型氮化镓层7 ；
保持1000°C温度不变的条件下，再逐次生长高掺杂ρ型氮化镓层8、非掺杂的铟铝氮层
9、高掺杂η型氮化镓层10三层，每层的厚度均为5nm ；
在高掺杂η型氮化镓层10上蒸镀电极11。
[0026]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。
[0027]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。
[0028]其结构依次是衬底1、低温缓冲层2、非掺杂氮化镓层3、η型氮化镓层4、高掺杂η型氮化镓层10、非掺杂的铟铝氮层9、高掺杂ρ型氮化镓层8、ρ型氮化镓层7、量子阱层5、η型氮化镓层4。
[0029]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°C条件下，进行10分钟预处理，对衬底I进行高温净化； 在衬底I上生长缓冲层2，生长温度为500°C，厚度为15nm ；
再继续生长非掺杂氮化镓层3，生长温度为1000°C，厚度为2 μ m ;
在非掺杂氮化镓层3上生长η型氮化镓层4，生长温度为1000°C，厚度为Iym; 保持1000°C温度不变的条件下，再在η型氮化镓层4上依次生长高掺杂η型氮化镓层10、非掺杂的铟铝氮层9、高掺杂ρ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°C温度不变的条件下，再在这个极化隧道结上生长IOOnm厚的ρ型氮化镓层7 ;
接着降温至700°C，在ρ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IOnm ；
再升温至1000°C，在量子阱层5上生长500nm的η型氮化镓层4 ；
最后采用LED芯片工艺技术，在上下两个η型氮化镓层4上都蒸镀电极11。
[0030] 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η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η型氮化镓层10、非掺杂的铟铝氮层9和高掺杂ρ型氮化镓层8组成这种极化隧道结。
【权利要求】
1.一种具有极化隧道结的GaN基LED外延片，其结构由衬底(I)、低温缓冲层(2)、非掺杂氮化镓层(3)、η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η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η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η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(I)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(I)上首先生长低温缓冲层(2)，生长温度500-600°C，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-l250°C，厚度为0.1-10μm ； 3)在非掺杂氮化镓层(3)上生长η型氮化镓层(4)，生长温度950-l250°C，厚度为0.4^10 μ m ； 4)在η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°C，厚度为l0-500nm ； 5)在量子阱层(5)上生长P型铝镓氮层(6)，生长温度900-1000°C，厚度l0-200nm； 6)在P型铝镓氮层(6)上生长P型氮化镓层(7)，生长温度900-l000°C，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η型氮化镓层(10)，所述三层的厚度均小于20nm，生长温度900-1000°C，由高掺杂P型氮化镓层(8)、非掺杂铟铝氮层(9)和高掺杂η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η型氮化镓层(10)再生长0.1-5 μ m的η型氮化镓层(4)。
【文档编号】H01S5/343GK103855263SQ201410063659
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年2月25日 优先权日:2014年2月25日
【发明者】贺龙飞, 陈志涛, 刘宁炀, 赵维, 张志清, 张康, 王巧, 张娜, 范广涵 申请人:广东省工业技术研究院(广州有色金属研究院)