一种基于碳面SiC衬底的垂直结构氮极性GaN基绿光LED芯片及其制备方法
【专利摘要】一种基于碳面SiC衬底的垂直结构氮极性GaN基绿光LED及其制备方法，属于半导体发光器件领域。其依次由下电极层、n型带有斜切角的碳面SiC衬底、n?Alx0Ga1?x0N导电缓冲层、n?GaN电子提供层、InGaN基量子阱有源区、p?Alx1Ga1?x1N电子阻挡层、p?GaN空穴注入层和上电极层构成。采用碳面SiC作为衬底，以获得氮极性的GaN基绿光LED器件，与传统的镓极性GaN器件相比，氮极性LED结构设计更有利于器件效率的提高。氮极性LED结构中电子阻挡层内的极化电场和外加正向偏压方向一致，有助于空穴的注入，降低器件的开启电压。同时，垂直结构LED可有效避免电流拥堵效应。本发明方法可以获得高效的GaN基绿光LED，进一步促进了GaN基绿光LED发展及其应用。
【专利说明】
-种基于碳面S i C衬底的垂直结构氮极性GaN基绿光LED巧片 及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于半导体发光器件领域，具体设及一种基于碳面SiC衬底的垂直结构氮 极性GaN基绿光L邸忍片及其制备方法。
【背景技术】
[0002] GaN及其合金化合物AlInGaN是重要的半导体材料，在光电子器件方面有着广泛的 应用，如L邸和LD。基于蓝宝石衬底的GaN基蓝光L抓已经商品化，其外量子效率高达84%。然 而，GaN基绿光L抓的性能却远远落后，外量子效率不足30%，并且随着电流的增加，效率会 急剧的下降。因此，GaN基绿光L抓逐渐成为科研人员的研究重点。高效绿光L抓难W获得的 主要原因是其量子阱有源区中需要更高的In含量，In含量的提高会使得量子阱InGaN层和 量子垒GaN层的晶格失配增大，从而使得量子阱所受到的应力增大，加剧了量子阱中的量子 限制斯塔克效应，使得福射复合效率降低。此外晶格失配的增加W及高In组份所需的低溫 生长会使得量子阱中的缺陷增加，从而进一步降低器件的性能。绿光L邸可W和蓝光LED、红 光Lm)-起制作更高级的照明用白光LED。与传统的蓝光加锭侣石恼石(YAG)巧光粉合成的 白光Lm)相比，运种方法获得的白光Lm)其显色指数更高，同时也可W达到更高的光效和灵 活的色彩控制。然而，用混合颜色的方式产生高效能的白光，必须采用高效光源。蓝光和红 光L抓的性能已经很显著，峰值功率转化效率超过81 %和70 %。所W，实现高效GaN基绿光 L邸是至关重要的，具有重要的研究意义。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的就是为了解决上述绿光LED发光效率低的问题，从提高外延层结晶 质量、简化器件制作工艺和改善器件性能等方面综合考虑，在n型的带有斜切角的碳面SiC 衬底上研制带有P型AlGaN电子阻挡层的氮极性GaN基绿光LED。六方纤锋矿结构的GaN晶体 属于非中屯、对称结构，存在极轴即C轴。在无应力的条件下，正负电荷中屯、不重合，形成偶极 矩。其相互累加导致在晶体表面出现极化电荷，沿极轴方向产生自发极化效应（即沿C轴方 向），负的极化界面电荷在嫁面，正的极化界面电荷在氮面，从而产生极化电场，电场方向也 沿C轴方向。极化电场会引起能带的倾斜，导致器件结构中载流子的传输特性发生改变，从 而影响器件的电学、光学特性。目前，大多数的GaN基L抓是沿+C轴[0001]方向进行外_延，其 表面为(OOOl)面即嫁面，_运种Lm)被称作嫁极性LED。而沿-C轴[0001]方向进行外延，其表 面为(OOOl)面即氮面，基于运种外延方式可构建氮极性LED。氮极性Lm)结构中会产生与传 统嫁极性LED相反的极化电场，使得其能带的倾斜方向与嫁极性LED结构中的能带的倾斜方 向相反(如图2所示），从而抬高氮极性L邸结构中最后一个GaN垒层和P-AlGaN电子阻挡层界 面处的有效势垒高度，可W有效地提高P型AlGaN电子阻挡层对电子的阻挡作用，提高器件 的内量子效率和发光效率。此外，氮极性P-AlGaN电子阻挡层中的极化电场方向与外加正向 偏压相同，有助于空穴的注入，降低器件的开启电压。
[0004] 本发明所设计的一种基于碳面SiC衬底的垂直结构氮极性GaN基绿光L抓忍片（见 附图1和【附图说明】），其特征在于：其从下至上依次由下电极层8、n型的带有斜切角的碳面 SiC衬底l、n-Alx〇Gai-x〇N导电缓冲层2、n-GaN电子提供层3、多量子阱有源层4、p-AlxiGai-xiN 电子阻挡层5、p-GaN空穴注入层6和上电极层7构成，其中0.2《如、別《0.4，电流可在上、下 电极之间垂直于外延层注入器件;本发明采用与GaN晶格更匹配的n-SiC作为衬底1，远小于 它与蓝宝石衬底之间的晶格失配，有利于改善GaN外延层的质量，降低位错密度，提高器件 内量子效率;利用带有斜切角的碳面SiC衬底1，W确保获得表面较为平滑的氮极性外延薄 膜饱括n-GaN层3、多量子阱层4、p-AlxiGai-xiN层5、p-GaN层6)。
[0005] 如上所述的一种基于碳面SiC衬底的垂直结构氮极性GaN基绿光L抓忍片，其特征 在于:所述的碳面SiC衬底1的斜切角为2~4°。
[0006] 如上所述的一种基于碳面SiC衬底的垂直结构氮极性GaN基绿光L抓忍片，其特征 在于：n-GaN电子提供层3采用的是两步溫度生长法制备，即先低溫（850~980°C)在11- AlxoGai-xoN导电缓冲层2上外延生长100~200nm厚的低溫GaN层，再升高溫度（1050~1150 °C)继续外延生长2~3皿厚的高溫n-GaN层。
[0007] 一种如上所述的基于碳面SiC衬底的垂直结构氮极性GaN基绿光L邸忍片的制备方 法，其步骤如下：
[000引（1)在n型带有斜切角的碳面SiC衬底(斜切角为2~4°)上采用MOCVD方法依次外延 生长n-AlxoGai-xoN导电缓冲层2(厚度50~IOOnmKn型GaN电子提供层3(先低溫外延生长100 ~200皿厚的n-GaN，再高溫外延生长2~3皿厚的H-GaNKInGaN基量子阱有源区4(量子阱由 阱层Inx2Gai-x2N和垒层GaN交替生长组成，对数在2~5对之间，每个阱层的厚度为2~4皿，每 个垒层的厚度为10~15nm，其中0.2《义2《0.3)、9-41、扣曰1-、诚电子阻挡层5(厚度20~ 30nm)、p-GaN空穴注入层6(厚度150~200nm)，从而制备得到氮极性GaN基绿光L抓结构；生 长源为=甲基侣、=乙基嫁、=甲基嫁和高纯氨气，生长溫度为710~Iiocrc，生长压强为 100~400mbar，并利用硅烷和二茂儀分别进行n型和P型渗杂，渗杂浓度为l0n~IO2Vcm3;
[0009] (2)在P-GaN空穴注入层6上制备上电极7(厚度10~30皿），在n型带有斜切角的碳 面SiC衬底背面制备下电极层8(厚度60~l(K)nm);电极材料可W是Au、Ni等单质材料或化- Au、Ti-Au、Zn-Au、Pt-Au等二元合金材料，也可 W 是 Ti-Pt-Au、Ti-化-Au 或Ni-Pt-Au等 S元 合金材料，制备电极的方法可采用热蒸锻、电子束蒸锻或磁控瓣射方法。
[0010] 本发明的效果和益处:本发明采用碳面SiC作为衬底，W获得氮极性的GaN基绿光 L抓器件，与传统的嫁极性GaN器件相比，氮极性L抓结构设计更有利于器件效率的提高。在 氮极性LED结构中，量子阱中的极化电场方向和外加正向偏压方向相反，从而削弱量子阱中 的量子限制斯塔克效应，提高器件的内量子效率；由于氮极性LED中相反的极化电场，量子 阱有源区4和电子阻挡层5界面处的有效势垒被大大的提高，能更好的抑制电子的溢出，进 一步提高器件的内量子效率;此外，氮极性Lm)结构中电子阻挡层5内的极化电场和外加正 向偏压方向一致，有助于空穴的注入，降低器件的开启电压。同时，垂直结构L邸可有效避免 电流拥堵效应。本发明方法可W获得高效的GaN基绿光LED，进一步促进了 GaN基绿光L抓发 展及其应用。本发明所制备器件的开启电压约为3V。
【附图说明】
[0011] 图I:本发明所述氮极性GaN基垂直结构绿光LED的结构示意图；
[0012] 图2:氮极性LED(图2a)和嫁极性LED(图化)结构在正向偏压下的模拟能带图；
[001引图3:模拟图帥氮极性LED和嫁极性LED结构得到的内量子效率随外加驱动电流变 化的关系曲线。
[0014]图4:实施例1制备的氮极性LED在不同电流注入下的发光谱图；
[001引图中标识a为4度斜切角的碳面n型SiC衬底，2为n-AlGaN导电缓冲层，3为n-GaN电 子提供层，4为InGaN基量子阱有源区，5为P-AlGaN电子阻挡层，6为P-GaN空穴注入层，7为上 电极层，8为下电极层。
【具体实施方式】
[0016] W下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
[0017]实施例1:
[0018] 1.采用MOCVD方法，在购买的4°斜切的n型碳面SiC衬底上一次性外延制备氮极性 GaN基蓝绿光L抓结构，如图1所示。具体结构如下:在4°斜切的n型碳面SiC(渗杂浓度为9 X IQis/cm3)衬底上1依次制备n-Al〇.3Ga〇.7N导电缓冲层2(厚度100nm)、n-GaN电子提供层3(厚 度2皿，渗杂浓度为3X10"/cm3,其中先外延200nm低溫的n-GaN，再升高溫度外延剩余的1.8 皿厚的n-GaN) JnGaN基量子阱有源区4(量子阱对数为2对，即阱一垒一阱一垒层结构，垒层 为GaN,厚度13皿，阱层为In日.2沁a日.77N，厚度2.5nm;)、p-Al日.3Ga日.7N电子阻挡层5(厚度20nm， 渗杂浓度为3 X IO2Vcm3)、P-GaN空穴注入层6(厚度150nm，渗杂浓度3.8 X IO2Vcm3)。生长源 为=甲基侣、=乙基嫁、=甲基嫁和高纯氨气，利用硅烷和二茂儀分别进行n型和P型渗杂， AlGaN导电缓冲层2生长溫度为1100°C，反应压强为IOOmbar;n-GaN电子提供层3的初始低溫 和后续高溫生长溫度分别为980°C和1080°C，反应压强都为IOOmbar; InGaN基量子阱有源区 4的反应压强为400mbar，此外垒层GaN和阱层InGaN的生长溫度分别为830°C和710°C;p- AlGaN电子阻挡层5的和P-GaN空穴注入层6的生长溫度都为945°C，反应压强分别为IOOmbar 和ISOmbar。器件各层具体生长参数见表1。
[0019] 2.上、下表面分别采用热蒸锻方法制备Ni/Au电极层10(厚度60nm，Ni层厚度为 30nm，Au层厚度为30皿)和Ni电极层11 (厚度80nm)，实现垂直结构氮极性GaN基蓝绿光LED。 电极的具体制备工艺见表2。
[0020] 3.图2(b)为实施例1中氮极性L邸结构在正向偏压下的模拟能带图，图2(a)为相同 条件下嫁极性L抓结构的模拟能带图，图中的邸L表示P-AlGaN电子阻挡层5。从图中可W看 到，氮极性Lm)结构中的电子阻挡有效势垒高度为1. IleV,明显高于嫁极性Lm)中所对应的 0.25eV，因此可W很好的抑制电子的溢出，提高器件的内量子效率。此外，氮极性P-AlGaN层 5中的极化电场方向与外加正向偏压相同，有助于空穴的注入，降低器件的开启电压。
[0021] 4.图3为模拟实施例1中氮极性LED结构所得到的内量子效率随驱动电流的关系曲 线，并且给出相同结构下嫁极性Lm)结构的模拟结果。可W发现氮极性LED的内量子效率远 高于嫁极性LED,并且其内量子效率随驱动电流的增加，几乎不会产生效率下降的现象。从 模拟结果可W看出本发明方案的优越性。
[0022] 5.图4所示为实施例1中所制备的氮极性GaN基蓝绿光L抓在不同驱动电流下的电 致发光谱，此时器件的下电极连接直流电源的负极，上电极连接正极。发光波长在480nm处 均显示出蓝绿发光峰。
[0023] 表1:垂直结构氮极性GaN基蓝绿光L邸的各层生长参数
[0024]
[0025] 表1附注：TMGa代表S甲基嫁;TEGa代表S乙基嫁;TMAl代表S甲基侣；Cp2Mg代表 二茂儀；SiH4代表硅烷;N出代表高纯氨气。
[00%]表2:器件电极制备工艺参数 「nrml
【主权项】
1. 一种基于碳面SiC衬底的垂直结构氮极性GaN基绿光LED芯片，其特征在于:其从下至 上依次由下电极层(8)、n型的带有斜切角的碳面SiC衬底（lhn-AlxoGa^oN导电缓冲层(2)、 η-GaN电子提供层(3)、多量子阱有源层(4)、p-AlxlGai-xlN电子阻挡层(5)、p-GaN空穴注入层 (6)和上电极层(7)构成，其中0·2< Χ0、χ1<0·4; 其中，带有斜切角的碳面SiC衬底(1)的斜切角为2~4° ; η-GaN电子提供层(3)为两层结构，即低温η-GaN层和高温η-GaN层； InGaN基量子阱有源区（4)由阱层In^GamN和皇层GaN交替生长组成，对数在2~5对之 间，0.2 彡 x2 彡 0.3〇2. 如权利要求1所述的一种基于碳面SiC衬底的垂直结构氮极性GaN基绿光LED芯片，其 特征在于:n-AlxoGa^oN导电缓冲层（2)的厚度为50~lOOnm，低温η-GaN层的厚度为100~ 200nm，高温η-GaN层的厚度为2~3ym，InGaN基量子阱有源区（4)中每个阱层In x2Gai-x2N的厚 度为2~4nm、每个皇层GaN的厚度为10~15nm，p_AlxiGai-xiN电子阻挡层（5)的厚度为20~ 30nm，p-GaN空穴注入层(6)的厚度为150~200nm，上电极层（7)的厚度为30~120nm，下电极 层(8)的厚度为60~100nm 〇3. 权利要求1所述的基于碳面SiC衬底的垂直结构氮极性GaN基绿光LED芯片的制备方 法，其步骤如下： (1) 在11型的带有斜切角的碳面51(：衬底（1)上采用1000)方法依次外延生长11-41』&1一 χ〇Ν导电缓冲层(2)、n型GaN电子提供层(3)、InGaN基量子阱有源区（4)、p-AlxlGai- xlN电子阻 挡层(5)、p_GaN空穴注入层(6);生长温度为710~1100°C，生长压强为100~400mbar，并利 用硅烷和二茂镁分别进行η型和p型掺杂，掺杂浓度为10 17~102()/cm3;n-GaN电子提供层(3) 米用的是两步温度生长法制备，即先于850~980°C下在n-AlxoGai-χοΝ导电缓冲层(2)上外延 生长100~200nm厚的低温GaN层，再在1050~1150°C下继续外延生长2~3μπι厚的高温n-GaN 层； (2) 在η-GaN空穴注入层(6)上制备上电极层(7)，在η-SiC衬底背面制备下电极层(8)， 从而制备得到基于碳面SiC衬底的垂直结构氮极性GaN基绿光LED芯片。4. 如权利要求3所述的基于碳面SiC衬底的垂直结构氮极性GaN基绿光LED芯片的制备 方法，其特征在于:制备上电极层(7)和下电极层(8)的方法为热蒸镀、电子束蒸镀或磁控溅 射方法。
【文档编号】H01L33/00GK106098890SQ201610445392
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】张源涛, 邓高强, 黄振, 董鑫, 马艳, 张宝林, 杜国同
【申请人】吉林大学