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CN105140356B - 一种Al组分渐变式N型LED结构及其制备方法 - Google Patents

一种Al组分渐变式N型LED结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种Al组分渐变式N型LED结构及其制备方法，其结构由下至上依次包括衬底、成核层、缓冲层、N型AlYInXGa1‐X‐YN层、多量子阱发光层和P型GaN层，N型AlYInXGa1‐X‐YN层中，0≤X≤1，0<Y<1；N型GaN层中的Al组分是渐变的；其制备方法包括以下步骤：(1)在处理过的衬底上生长成核层；(2)在成核层上生长非掺杂氮化镓缓冲层，(3)在缓冲层上生长N型AlYInXGa1‐X‐YN层；(4)在N型AlYInXGa1‐X‐YN层上生长由InGaN势阱层和GaN势垒层周期性交替叠加构成多量子阱发光层；(5)在多量子阱发光层上生长P型GaN层。本发明采用Al组分渐变的模式来制备N型区，提升了电子浓度和抗静电能力，从本质上改善GaN薄膜质量，使电流扩展能力增强，提高了光提取效率。

Description

一种Al组分渐变式N型LED结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种Al组分渐变的N型LED(发光二极管)的结构及制备方法，属于LED(发光二极管)结构技术领域。
背景技术
二十世纪九十年代初，以氮化物为代表的第三代宽带隙半导体材料获得了历史性突破，科研人员在氮化镓材料上成功地制备出蓝绿光和紫外光LED，使得LED照明成为可能。1971年，第一只氮化镓LED管芯面世，1994年，氮化镓HEMT出现了高电子迁移率的蓝光GaN基二极管，氮化镓半导体材料发展十分迅速。
半导体发光二极管具有体积小、坚固耐用、发光波段可控性强、光效高、低热损耗、光衰小、节能、环保等优点，在全色显示、背光源、信号灯、光电计算机互联、短距离通信等领域有着广泛的应用，逐渐成为目前电子电力学领域研究的热点。氮化镓材料具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高稳定性等一系列优点，因此在短波长发光器件、光探测器件以及大功率器件方面有着广泛的应用和巨大的市场前景。
提高光电转换效率主要依靠提高内量子效率和外量子效率，目前内量子效率的提高已经接近理论的极限状态，而提升LED组建的光取出效率成为重要的课题。要求设计新的芯片结构来改善出光效率，进而提升发光效率(或外量子效率)，目前国内外采用的主要工艺途径有：倒装技术、生长DBR反射层结构以及表面粗化技术、侧壁腐蚀技术和衬底图形化技术。n型区是制造GaN LED器件必不可少的重要环节，nGaN结构及其外延生长方法是提高GaN基LED光取出效率和降低串联电阻的关键。
中国专利文献CN102418146A公开的《一种有效提高GaN基LED发光效率的外延生长方法》，该方法是在传统的GaN基LED结构：衬底上的缓冲层、uGaN层、nGaN、n型电流扩展层、n型空间层、量子阱有源区、p型电子阻挡层、p型GaN、接触层的基础上，在n型电流扩散层和n型空间层之间加入一步表面处理的程序，将从衬底和GaN界面延伸至电流扩散层的缺陷以及应力进行破坏和释放，之后再通过生长条件的控制将材料的表面恢复平整，然后再生长量子阱有源区。与传统的生长技术相比，这样生长的量子阱受缺陷和应力的影响较小，能有效的提高样品的发光强度。但是该方法仅适用于蓝绿光波段的GaN基LED的外延生长。
CN201749864U公开的《一种具有较高静电击穿电压的GaN基LED》，其结构自下至上依次包括SiC或Si衬底、AlN缓冲层、N型GaN层、MQW层和P型GaN层，N型GaN层中设有一层厚度为20nm-100nm的AlGaN插入层。该LED是通过改变衬底材料和LED的生长结构，在SiC、Si衬底上直接在生长N型GaN层时插入一层AlGaN，从根本上增强发光二极管芯片的抗击穿电压，由于nGaN层本身较厚，插入AlGaN层时只需要引入TMA1，生长非常容易实现，反向抗静电能力由普通结构的500V-1000V提高到了2000V-4000V，反向击穿电压由原来的15V提高到30V，亮度由50-80mcd提高到了80-100mcd。但是上述技术中，对于n型结构的处理，较难保证晶体的生长质量，后期芯片工艺容易产生裂片现象。
CN102969341A公开的《组分渐变AlyGa1-yN缓冲层的氮化物高电子迁移率晶体管外延结构》，采用组分渐变AlyGa1-yN缓冲层，依然能够与GaN沟道层形成导带带阶，增强2DEG限域性，提高器件的微波性能和功率特性；AlyGa1-yN缓冲层采用组分由0渐变到y的结构，可以提高缓冲层热导率，有效降低AlGaN缓冲层HEMT器件的自热效应；相比常规的组分恒定AlyGa1-yN缓冲层，采用这种组分渐变AlyGa1-yN作缓冲层，能有效减低缓冲层中的位错等缺陷密度，有助于进一步提升器件的性能及可靠性。上述结构采用Al组分渐变的模式来制备缓冲层，其主要目的是减低缓冲层中的位错密度。
CN101866977A公开的《基于组分渐变缓冲层的透射式GaN紫外光电阴极》，该阴极自下而上由双抛光的c面蓝宝石衬底、AlxGa1-xN组分渐变缓冲层、p型GaN发射层以及Cs或Cs/O激活层组成；AlxGa1-xN组分渐变缓冲层由n个单元层组成，3≤n≤10；n个单元层由下向上各层中Al组分满足：1≥x1>x2>……xn≥0。该发明采用一种Al组分含量从1到0逐渐降低的AlxGa1-xN来设计和制备透射式GaN紫外光电阴极的缓冲层，利用这种组分渐变模式降低缓冲材料与发射材料之间的生长界面应力，提高透射式GaN紫外光电阴极的界面特性，降低光电子的界面复合速率，最终提高GaN紫外光电阴极的光电发射量子效率。该GaN紫外光电阴极采用Al组分渐变的模式来制备缓冲层，其主要目的是提高透射式GaN紫外光电阴极的界面特性。
CN102820394B公开的《一种采用铝组分渐变电子阻挡层的LED结构》，所述铝组分渐变电子阻挡层是与多量子阱层的外层GaN垒接触一侧为低Al组分AlxGa1-xN，0≤x≤0.1，与p-GaN层接触一侧为高Al组分AlyGa1-yN，0.1＜y≤0.4，中间部分Al组分的量呈递增线性变化。电子阻挡层与GaN垒接触一侧为低Al组分AlGaN，有效地减小了其与GaN垒界面间极化电荷的密度，极化场被减弱，从而使得界面二维电子气浓度大幅降低，减小了漏电流，总体上提高器件的内量子效率并解决了量子效率衰减问题。该结构采用Al组分渐变的模式来制备电子阻挡层，其主要目的是减弱极化场，从而降低界面二维电子气浓度，提升器件的内量子效率。
现有铝组分渐变通常是应用在制备缓冲层，而在制备N型区方面却没有应用。
发明内容
针对现有LED结构存在的不足，本发明提供一种晶格失配小、接触电阻低、能够提高N型GaN结构电子浓度以及提升外量子效率和抗静电能力的Al组分渐变式N型LED结构，同时提供一种该结构的制备方法。
本发明Al组分渐变式N型LED结构，采用以下技术方案：
该Al组分渐变式N型LED结构，由下至上依次包括衬底、成核层、缓冲层、N型AlYInXGa1‐X‐YN层、多量子阱发光层和P型GaN层，所述N型AlYInXGa1‐X‐YN层中，0≤X≤1，0<Y<1；N型GaN层中的Al组分是渐变的，N型GaN层与缓冲层接触一侧为低Al组分AlYInXGa1‐X‐YN，N型GaN层与多量子阱发光层接触一侧为高Al组分AlYInXGa1‐X‐YN，或者是，N型GaN层与缓冲层接触一侧为高Al组分AlYInXGa1‐X‐YN，N型GaN层与多量子阱发光层接触一侧为低Al组分AlYInXGa1‐X‐YN；低Al组分AlYInXGa1‐X‐YN中的Y值小于高Al组分AlYInXGa1‐X‐YN中的Y值，低Al组分AlYInXGa1‐X‐YN至高Al组分AlYInXGa1‐X‐YN之间部分的Al组分的量呈递增线性变化。
所述衬底是蓝宝石、碳化硅或氮化镓。
所述成核层是氮化镓层、氮化铝层或铝镓氮层。
所述缓冲层是非掺杂氮化镓。
所述多量子阱发光层是由InGaN势阱层和GaN势垒层周期性交替叠加构成，总厚度为500‐3600nm，周期数3‐20。
所述N型AlYInXGa1‐X‐YN的厚度为0.2‐5μm。
所述N型AlYInXGa1‐X‐YN中Al组分浓度为2×1017/cm‐3‐8×1018/cm‐3。
上述结构通过对LED芯片中所设置的N型AlYInXGa1‐X‐YN层中Al的掺杂量做规律的变化，来改变N型GaN层的能带分布，从而减弱N型AlYInXGa1‐X‐YN层的价带对空穴注入时的阻挡作用，同时不削弱其对电子的阻挡作用。能够提高N型GaN结构电子浓度，从而提升外量子效率和抗静电能力，所得制得的LED结构晶格失配小，从本质上降低接触电阻并改善N型GaN薄膜质量。通过采用该结构，LED芯片亮度提升了20％，电压降低15％。
上述Al组分渐变式N型LED结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)将蓝宝石、碳化硅衬底或氮化镓衬底放入金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备的反应室中，在氢气气氛下加热到800‐1300℃，处理5‐15分钟；
(2)在处理过的蓝宝石、碳化硅或氮化镓衬底上生长氮化镓、氮化铝或者铝镓氮成核层；生长温度450‐650℃，厚度10‐60nm；
(3)在成核层上生长非掺杂氮化镓缓冲层，生长温度800‐1150℃，厚度50‐2000nm；
(4)在缓冲层上生长厚度为0.2‐5μm的N型AlYInXGa1‐X‐YN层；
(5)在N型AlYInXGa1‐X‐YN层上生长由InGaN势阱层和GaN势垒层周期性交替叠加构成多量子阱发光层；总厚度为500‐3600nm，由3‐20个周期的InGaN势阱层和GaN势垒层交互叠加构成。
(6)在多量子阱发光层上生长P型GaN层，掺杂Mg元素，掺杂浓度为6×1017/cm‐3‐5×1020/cm‐3。
所述步骤(4)的具体生长过程中，N型AlYInXGa1‐X‐YN层生长温度为750‐1600℃，生长压力为200‐800torr，生长时间为200秒‐3000秒；首先，开启掺杂元素所用硅烷，开启时间为80秒‐1500秒，Si掺杂浓度为0.2×1018/cm‐3‐5×1019/cm‐3；之后，开启Al元素所用的Al源，Al源流量变化范围为0‐300sccm，增速或降速范围为0.05‐2sccm/秒，开启时间为50秒‐1000秒，Al组分浓度为2×1017/cm‐3‐8×1018/cm‐3；在开启Al源之前、同时或之后，开启掺杂In元素所用In源，保证In组分满足0≤X≤1，开启时间为5‐1000s。
本发明采用Al组分渐变的模式来制备N型区，提升了电子浓度和抗静电能力，与现有技术相比，具有以下特点：
1.本发明Al组分渐变的N型AlYInXGa1‐X‐YN结构，能提高N型GaN结构电子浓度，从而提升外量子效率，所得LED结构晶格失配小，从本质上改善GaN薄膜质量。
2.本发明N型AlYInXGa1‐X‐YN层中Al的掺杂量有规律的变化后，改变了N型AlYInXGa1‐X‐YN层的能带分布，使电流扩展能力增强。
3.本发明Al组分渐变的N型AlYInXGa1‐X‐YN结构在一定程度上还可以改善表面粗化，起到提高光提取效率的作用。
附图说明
图1是本发明具有Al组分渐变式N型LED结构示意图。
图中，1、衬底，2、成核层，3、缓冲层，4、N型AlYInXGa1‐X‐YN，5、多量子阱发光层，6、P型GaN。
具体实施方式
实施例1
如图1，以用金属有机物化学气相沉积法在碳化硅衬底上制备N型GaN结构为例，具体包括以下步骤：
(1)碳化硅衬底1放入金属有机物化学气相沉积炉(MOCVD)设备的反应室中，在氢气气氛下加热到800℃，处理15分钟；
(2)在碳化硅衬底1上生长氮化铝成核层2，生长温度为450℃，厚度60nm；
(3)在氮化铝成核层2上生长非掺杂氮化镓层缓冲层3，生长温度为1150℃，生长厚度为50nm；
(4)在氮化镓缓冲层3上生长N型AlYInXGa1‐X‐YN层4，设定生长温度为750℃，生长压力为800torr，生长时间为200s。生长时，开启所需的硅烷，时间为80s，硅掺杂浓度为5×1019/cm‐3，开启硅烷100s后，开启Al源，Al组分浓度为2×1017/cm‐3，Al源初始流量为0sccm，增速为2sccm/s，开启时间为1000s；开启Al源后，开启In源，开启时间为5s，In组分X＝0.01。N型Al0.1In0.2Ga0.7N厚度为0.2um，本发明所用In源可以为常用生长多量子阱发光区时所用In源。
(5)在N型AlYInXGa1‐X‐YN层4上生长多量子阱结构5，其中，势阱层为InGaN材料，势垒层为GaN材料，由20个周期的InGaN势阱层和GaN势垒层交互叠加构成，厚度为3600nm。
(6)在上述多量子阱发光层上生长P型结构，镁掺杂浓度为6×1017/cm‐3。
实施例2
如图1，以用金属有机物化学气相沉积法在蓝宝石衬底上制备LED结构为例，具体包括以下步骤：
(1)蓝宝石衬底1放入金属有机物化学气相沉积炉(MOCVD)设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1300℃，处理5分钟；
(2)在蓝宝石衬底1上生长铝镓氮成核层2，生长温度为650℃，厚度10nm；
(3)在铝镓氮成核层2上生长非掺杂氮化镓层缓冲层3，生长温度为800℃，生长厚度为2000nm；
(4)在氮化镓缓冲层3上生长N型AlYInXGa1‐X‐YN层4，设定生长温度为1600℃，生长压力为200torr，生长时间为3000s。生长时，开启所需的硅烷，时间为1500s，硅掺杂浓度为0.2×1018/cm‐3，开启硅烷100s后，开启Al源，Al组分浓度为8×1018/cm‐3，Al源初始流量为300sccm，降速为0.05sccm/s，开启时间为5s；开启Al源前，开启In源，开启时间为1000s，In组分X＝0.9。厚度为5um，本发明所用In源可以为常用生长多量子阱发光区时所用In源。
(5)在N型氮化镓4上生长多量子阱结构5，其中，势阱层为InGaN材料，势垒层为GaN材料，生长温度为750℃，由3个周期的InGaN势阱层和GaN势垒层交互叠加构成；单个周期InGaN势阱层的厚度为0.3nm，单个周期GaN势垒层的厚度为2nm；
(6)在上述多量子阱发光层上生长P型结构，镁掺杂浓度为5×1020/cm‐3。
该发光二极管发光效率相比传统发光二极管提高了约12％。
实施例3
如图1，以用金属有机物化学气相沉积法在蓝宝石衬底上制备N型超晶格结构为例，具体包括以下步骤：
(1)蓝宝石衬底1放入金属有机物化学气相沉积炉(MOCVD)设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1000℃，处理10分钟；
(2)在蓝宝石衬底1上生长氮化镓成核层2，生长温度为550℃，厚度30nm；
(3)在氮化镓成核层2上生长非掺杂氮化镓层缓冲层3，生长温度为1080℃，生长厚度为1000nm；
(4)在氮化镓缓冲层3上生长N型AlYInXGa1‐X‐YN层4，设定生长温度为1005℃，生长压力为500torr，生长时间为1500s。生长时，开启所需的硅烷，时间为1020s，硅掺杂浓度为0.2×1018/cm‐3，开启硅烷100s后，开启Al源，Al组分浓度为8×1018/cm‐3，Al源初始流量为10sccm，升速为0.8sccm/s，开启时间为800s；开启Al源同时，开启In源，开启时间为800s，In组分X＝0.7，厚度为3.2um，本发明所用In源可以为常用生长多量子阱发光区时所用In源。
(5)在N型氮化镓4上生长多量子阱结构5，其中，势阱层为InGaN材料，势垒层为GaN材料，由12个周期的InGaN势阱层和GaN势垒层交互叠加构成，厚度为2000nm。
(6)在多量子阱结构5上生长P型AlYInXGa1‐X‐YN的P型层，镁掺杂浓度为6×1018/cm‐3。
该发光二极管发光效率相比传统发光二极管提高了约15％。

Claims (2)

1.一种Al组分渐变式N型LED结构的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
（1）将蓝宝石、碳化硅衬底或氮化镓衬底放入金属有机物化学气相沉积设备的反应室中，在氢气气氛下加热到800-1300℃，处理5-15分钟；
（2）在处理过的蓝宝石、碳化硅或氮化镓衬底上生长氮化镓、氮化铝或者铝镓氮成核层；生长温度450-650℃，厚度10-60nm；
（3）在成核层上生长非掺杂氮化镓缓冲层，生长温度800-1150℃，厚度50-2000nm；
（4）在缓冲层上生长厚度为0.2-5μm的N型AlYInXGa1-X-YN层；
（5）在N型AlYInXGa1-X-YN层上生长由InGaN势阱层和GaN势垒层周期性交替叠加构成多量子阱发光层；总厚度为500-3600nm，由3-20个周期的InGaN势阱层和GaN势垒层交互叠加构成；
（6）在多量子阱发光层上生长P型GaN层，掺杂Mg元素，掺杂浓度为6×1017/cm-3-5×1020/cm-3。
2.根据权利要求1所述Al组分渐变式N型LED结构的制备方法，其特征是，所述步骤（4）的具体生长过程中，N型AlYInXGa1-X-YN层生长温度为750-1600℃，生长压力为200-800torr，生长时间为200秒-3000秒；首先，开启掺杂元素所用硅烷，开启时间为80秒-1500秒，Si掺杂浓度为0.2×1018/cm-3-5×1019/cm-3；之后，开启Al元素所用的Al源，Al源流量变化范围为0-300sccm，增速或降速范围为0.05-2sccm/秒，开启时间为50秒-1000秒，Al组分浓度为2×1017/cm-3-8×1018/cm-3；在开启Al源之前、同时或之后，开启掺杂In元素所用In源，保证In组分满足0≤X≤1，开启时间为5-1000s。
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