CN105702829B - 具有p-型欧姆接触层的发光二极管外延结构 - Google Patents
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Abstract
本发明具有P‑型欧姆接触层的发光二极管外延结构，涉及以电极为特征的至少有一个电位跃变势垒或表面势垒的专门适用于光发射的半导体器件，该结构从下至上顺序包括衬底、缓冲层、N‑型半导体材料层、多量子阱层、P‑型电子阻挡层、P‑型半导体材料传输层和P‑型欧姆接触层，其中，P‑型欧姆接触层的组成为AlxInyGa1‑x‑ yN,其中0≤x＜1，0≤y＜1，0≤１‑ｘ‑y，并且组分量是渐变的，沿着生长方向其晶格常数逐渐增加，并且禁带宽度逐渐减小。本发明克服了现有技术存在的宽禁氮化物半导体难于形成P型欧姆接触和空穴供应困难的缺陷，提高了LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明的技术方案涉及以电极为特征的至少有一个电位跃变势垒或表面势垒的专门适用于光发射的半导体器件，具体地说是具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构。
背景技术
由于发光二极管具有节能环保，可灵巧设计，长寿命等优势，近年来得到迅速发展。尤其是III-V族氮化物的半导体LED技术在蓝光领域的成功，直接推动了LED照明进入千家万户。目前，氮化物LED正在朝着更短波长(紫外，深紫外)和更长波长(绿，黄)发展。LED的欧姆接触特性直接影响到整个器件的效率和可靠性。而氮化物P-型半导体中受主杂质镁的激活能高，其激活效率不到1％，低的空穴浓度使其很难形成P-型欧姆接触。对于氮化镓，为了形成欧姆接触，常用的手段是重掺杂，但是其会影响晶格质量，增加光的吸收。另外一种方法是在氮化镓表面生长一层非掺杂的InGaN，利用[0001]方向p-GaN/InGaN异质结界面处的极化场效应，引起能带偏移实现欧姆接触。这种利用极化场效应作用，提高InGaN中镁的激活效率，提高空穴浓度的方法，避免了重掺杂，并能实现良好的欧姆接触，但是该方法只能在很薄的InGaN中实现，很难获得大体积范围内的空穴浓度的提高，而薄的InGaN的窄的禁带宽度还限制了其在深紫外波段的应用。因此现有技术的深紫外LED中利用了厚的氮化镓作用空穴提供层，这极大的限制了深紫外LED中的发光效率。总之，现有技术存在的宽禁氮化物半导体难于形成P型欧姆接触和空穴供应困难的缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构，是在LED外延结构的P-型传输层表面生长一层组份渐变的半导体材料即P-型欧姆接触层，沿着生长方向其晶格常数逐渐增加，并且禁带宽度逐渐减小，从而在整个组份渐变层中产生压缩应力，通过压电极化效应利用极化效应产生极化负电荷，从而吸引空穴，产生三维空穴气，增加空穴浓度，减小表面耗尽区的宽度，形成了良好的欧姆接触，改善了LED外延结构的P-型欧姆接触特性，克服了现有技术存在的宽禁氮化物半导体难于形成P型欧姆接触和空穴供应困难的缺陷，提高了LED的发光效率。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构，该结构从下至上顺序包括衬底、缓冲层、N-型半导体材料层、多量子阱层、P-型电子阻挡层、P-型半导体材料传输层和P-型欧姆接触层，其中，P-型欧姆接触层的组成为AlxInyGa1-x-yN,其中0≤x＜1，0≤y＜1，0≤1-x-y，并且组分量是渐变的，沿着生长方向其晶格常数逐渐增加，并且禁带宽度逐渐减小。
上述具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构，所述衬底优选为蓝宝石、Si、SiC、AlN、石英玻璃或GaN。
上述具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构，所述缓冲层的材质为Alx1Iny1Ga1-x1-y1N，式中，0≤x1≤1，0≤y1≤1，0≤1-x1+y1，厚度为10～50nm。
上述具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构，所述N-型半导体材料层的材质为Alx1Iny1Ga1-x1-y1N，式中，0≤x1≤1,0≤y1≤1,0≤1-x1-y1，厚度为2～8μm。
上述具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构，所述P-型电子阻挡层的材质为Alx1Iny1Ga1-x1-y1N，式中，0≤x1≤1,0≤y1≤1,0≤1-x1-y1，厚度为10～100nm。
上述具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构，所述P型半导体材料传输层的材质为Alx1Iny1Ga1-x1-y1N，式中，0≤x1≤1,0≤y1≤1,0≤1-x1-y1，厚度为100～500nm。
上述具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构，所述P-型欧姆接触层的组成为AlxInyGa1-x-yN,其组分量是线性渐变的。
上述具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构，所述P-型欧姆接触层的组成为AlxInyGa1-x-yN,其组分量是非线性渐变的。
上述具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构，所述P-型欧姆接触层的厚度为10nm～200nm。
上述具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构，其制备方法如下：
第一步，在MOCVD(即金属有机化合物化学气相沉淀)反应炉中，将衬底在1200℃进行烘烤，处理掉衬底表面异物；
第二步，在MOCVD反应炉中，在第一步处理后的衬底表面沉积厚度为25nm的缓冲层；
第三步，在MOCVD反应炉中，在第二步得到的缓冲层上沉积厚度为2～8μm的N-型半导体材料层；
第四步，在MOCVD反应炉中，在第三步得到的N-型半导体材料层上生长多量子阱层；
第五步，在MOCVD反应炉中，在第四步得到的多量子阱层上生长厚度为50nm的禁带宽度大于量子垒的禁带宽度的P-型电子阻挡层，和厚度为10nm～500nm的P-型半导体材料传输层；
第六步，在MOCVD反应炉中，在第五步得到的P-型半导体材料传输层上生长厚度为10nm～200nm组分量渐变的P-型欧姆接触层，该P-型欧姆接触层的组成为AlxInyGa1-x-yN,其中0≤x＜1，0≤y＜1，0≤1-x-y。
上述具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构，所涉及的原材料均可通过公知途径获得，其制备方法中的操作工艺是本技术领域的技术人员能够掌握的。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明具有如下的突出的实质性特点和显著进步：
(1)现有的常规的发光二极管外延结构，如图3所示，该结构依次包括衬底101、缓冲层102、N-型半导体材料层103、多量子阱层104、P-型电子阻挡层105和P-型半导体材料传输层106(刘如熹主编，白光发光二极管制备技术：由芯片至封装，化学工业出版，2015年1月出版；郭伟玲主编，LED器件与工艺技术，电子工业出版社出版，2015年9月出版)。现有的技术中存在由于宽禁带半导体氮化物的P型掺杂困难，P型杂质难于激活，所以缺乏足够的空穴注入到量子阱且难于形成良好的P型欧姆接触。本发明与现有的常规的发光二极管外延结构的实质性区别如图2所示，在P-型半导体材料传输层106上面增加了一层组成为AlxInyGa1-x-yN,其中0≤x＜1，0≤y＜1，0≤1-x-y，并且组分量是渐变的P-型欧姆接触层107。该层的化合物通过组分的调制，其晶格常数沿着C+方向逐渐增加，其禁带宽度沿着C+方向逐渐降低，其变化可以是线性降低也可以非线性降低。
(2)本发明提出的方案是在LED外延结构的P-型半导体材料传输层106表面生长一层组份渐变的半导体材料，即P-型欧姆接触层107，通过调制该层的化合物组分，使沿着生长方向其晶格常数逐渐增加，并且禁带宽度逐渐减小。从而在整个组份渐变层中产生压缩应力，通过压电极化效应利用极化效应产生极化负电荷，从而吸引空穴，产生三维空穴气，增加空穴浓度，减小表面耗尽区的宽度，这样不仅形成了良好的欧姆接触，改善了LED外延结构的P-型欧姆接触特性，而且整个P-型层(包括P-型电子阻挡层、P-型半导体材料传输层和P-型欧姆接触层)可以减少掺杂和厚度，克服了现有技术存在的宽禁氮化物半导体难于形成P型欧姆接触和空穴供应困难的缺陷，提高了LED的发光效率，从而节约生产成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构中的空穴传输层的能带结构示意图。
图2为本发明具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构构成示意图。
图3为现有技术的发光二极管外延结构构成示意图。
图中，101.衬底，102.缓冲层，103.N-型半导体材料层，104.多量子阱层，105.P-型电子阻挡层，106.P-型半导体材料传输层，107.P-型欧姆接触层。
具体实施方式
图1所示实施例表明，本发明具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构中的空穴传输层的能带按[0001]生长方向依次包括P-型电子阻挡层105的能带、P-型半导体材料传输层106的能带和P-型欧姆接触层107的能带。图1中可见P-型欧姆接触层107的能带的禁带宽度是沿[0001]生长方向即沿着C+方向递减的，而禁带宽度渐变是由于组分量渐变所引起的，这也反过来证明了本发明具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构中的P-型欧姆接触层107的组分量是渐变的。
图2所示实施例表明，本发明具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构构成从下至上顺序依次包括衬底101、缓冲层102、N-型半导体材料层103、多量子阱层104、P-型电子阻挡层105、P-型半导体材料传输层106和P-型欧姆接触层107。图2中绘制的P-型欧姆接触层107的线形表示P-型欧姆接触层107的组分量是渐变的。
图3所示实施例表明，现有技术(刘如熹主编，白光发光二极管制备技术：由芯片至封装，化学工业出版，2015年1月出版；郭伟玲主编，LED器件与工艺技术，电子工业出版社出版，2015年9月出版)的发光二极管外延结构构成从下至上顺序依次包括衬底101、缓冲层102、N-型半导体材料层103、多量子阱层104、P-型电子阻挡层105和P-型半导体材料传输层106。
实施例1
本实施例的具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构，该结构从下至上顺序包括蓝宝石衬底101、厚度为25nm的AlN材质的缓冲层102、厚度为4μm的AlN材质的N-型半导体材料层103、量子垒AlN厚度为10nm的量子阱Al0.8Ga0.2N厚度为5nm的Al0.8Ga0.2N/AlN材质的多量子阱层104、厚度为50nm的AlN材质的P-型电子阻挡层105、厚度为150nm的Al0.9Ga0.1N材质的P-型半导体材料传输层106和厚度为10nm的AlxGa1-xN材质的P-型欧姆接触层107，式中x从0.9线性渐变到0，从而沿着生长方向其晶格常数逐渐增加，并且禁带宽度逐渐减小。
上述本实施例的具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构，其制备方法如下：
第一步，在MOCVD(即金属有机化合物化学气相沉淀)反应炉中，将蓝宝石衬底101在1200℃进行烘烤，处理掉衬底表面异物；
第二步，在MOCVD反应炉中，在第一步处理后的衬底101表面沉积厚度为25nm的AlN材质的缓冲层102；
第三步，在MOCVD反应炉中，在第二步得到的缓冲层102上沉积厚度为4μm的AlN材质的N-型半导体材料层103；
第四步，在MOCVD反应炉中，在第三步得到的N-型半导体材料层103上生长量子垒AlN厚度为10nm的量子阱Al0.8Ga0.2N厚度为5nm的Al0.8Ga0.2N/AlNl材质的多量子阱层104；
第五步，在MOCVD反应炉中，在第四步得到的多量子阱层104上生长厚度为50nm的AlN材质的P-型电子阻挡层105，和厚度为150nm的Al0.9Ga0.1N材质的P-型半导体材料传输层106；
第六步，在MOCVD反应炉中，在第五步得到的P-型半导体材料传输层106上生长厚度为10nm的AlxGa1-xN材质的P-型欧姆接触层107，其中x从0.9线性渐变到0，且从而沿着生长方向其晶格常数逐渐增加，并且禁带宽度逐渐减小。
实施例2
本实施例的具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构，该结构从下至上顺序包括Si衬底101、厚度为10nm的Al0.2In0.3Ga0.5N材质的缓冲层102、厚度为2μm的Al0.1In0.5Ga0.4N材质的N-型半导体材料层103、量子垒GaN厚度为10nm的量子阱In0.8Ga0.2N厚度为5nm的In0.8Ga0.2N/GaN材质的多量子阱层104、厚度为10nm的AlN材质的P-型电子阻挡层105、厚度为100nm的AlN材质的P-型半导体材料传输层106和厚度为150nm的AlxInyGa1-x-yN材质的P-型欧姆接触层107，式中，前100nm生长保持y＝0，x从0.9非线性渐变到0；后50nm生长保持x＝0,y从0非线性变化到0.1，整个P-型欧姆接触层107沿着生长方向其晶格常数逐渐增加，并且禁带宽度逐渐减小。
上述本实施例的具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构，其制备方法如下：
第一步，在MOCVD(即金属有机化合物化学气相沉淀)反应炉中，将Si衬底101在1200℃进行烘烤，处理掉衬底表面异物；
第二步，在MOCVD反应炉中，在第一步处理后的衬底101表面沉积厚度为10nm的Al0.2In0.3Ga0.5N材质的缓冲层102；
第三步，在MOCVD反应炉中，在第二步得到的缓冲层102上沉积厚度为2μm的Al0.1In0.5Ga0.4N材质的N-型半导体材料层103；
第四步，在MOCVD反应炉中，在第三步得到的N-型半导体材料层103上生长量子垒GaN厚度为10nm的量子阱In0.8Ga0.2N厚度为5nm的In0.8Ga0.2N/GaN材质的多量子阱层104；
第五步，在MOCVD反应炉中，在第四步得到的多量子阱层104上生长厚度为10nm的GaN材质的P-型电子阻挡层105，和厚度为100nm的AlN材质的P-型半导体材料传输层106；
第六步，在MOCVD反应炉中，在第五步得到的P-型半导体材料传输层106上生长厚度为150nm的AlxInyGa1-x-yN材质的P-型欧姆接触层107，式中，前100nm生长保持y＝0，x从0.9非线性渐变到0；后50nm生长保持x＝0,y从0非线性变化到0.1，整个P-型欧姆接触层107沿着生长方向其晶格常数逐渐增加，并且禁带宽度逐渐减小。
实施例3
本实施例的具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构，该结构从下至上顺序包括SiC衬底101、厚度为50nm的GaN材质的缓冲层102、厚度为8μm的GaN材质的N-型半导体材料层103、量子垒GaN厚度为10nm的量子阱In0.8Ga0.2N厚度为5nm的In0.8Ga0.2N/GaN材质的多量子阱层104、厚度为100nm的Al0.2Ga0.8N材质的P-型电子阻挡层105、厚度为500nm的GaN材质的P-型半导体材料传输层106和厚度为200nm的InxGa1-xN材质的P-型欧姆接触层107，式中，前100nm生长x从0线性渐变到0.2，后100nm生长x从0.2线性变化到1，从而沿着生长方向其晶格常数逐渐增加，并且禁带宽度逐渐减小。
上述本实施例的具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构，其制备方法如下：
第一步，在MOCVD(即金属有机化合物化学气相沉淀)反应炉中，将SiC衬底101在1200℃进行烘烤，处理掉衬底表面异物；
第二步，在MOCVD反应炉中，在第一步处理后的衬底101表面沉积厚度为50nm的GaN材质的缓冲层102；
第三步，在MOCVD反应炉中，在第二步得到的缓冲层102上沉积厚度为8μm的GaN材质的N-型半导体材料层103；
第四步，在MOCVD反应炉中，在第三步得到的N-型半导体材料层103上生长量子垒GaN厚度为10nm的量子阱In0.8Ga0.2N厚度为5nm的In0.8Ga0.2N/GaN材质的多量子阱层104；
第五步，在MOCVD反应炉中，在第四步得到的多量子阱层104上生长厚度为100nm的Al0.2Ga0.8N材质的P-型电子阻挡层105，和厚度为500nm的GaN材质的P-型半导体材料传输层106；
第六步，在MOCVD反应炉中，在第五步得到的P-型半导体材料传输层106上生长厚度为200nm的InxGa1-xN材质的P-型欧姆接触层107，式中，前100nm生长x从0线性渐变到0.2，后100nm生长x从0.2线性变化到1，从而沿着生长方向其晶格常数逐渐增加，并且禁带宽度逐渐减小。
实施例4
除衬底101为AlN之外，其他同实施例1。
实施例5
除衬底101为石英玻璃之外，其他同实施例2。
实施例6
除衬底101为GaN之外，其他同实施例3。
实施例中所涉及的原材料均可通过公知途径获得，其制备方法中的操作工艺是本技术领域的技术人员能够掌握的。
Claims (1)
1.具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构，其特征在于：该结构从下至上顺序包括衬底、缓冲层、N-型半导体材料层、多量子阱层、P-型电子阻挡层、P-型半导体材料传输层和P-型欧姆接触层，其中，P-型欧姆接触层的组成为AlxInyGa1-x-yN,其中0≤x＜1，0≤y＜1，0≤1-ｘ-y，并且组分量是渐变的，沿着生长方向其晶格常数逐渐增加，并且禁带宽度逐渐减小；所述组分量渐变的方式是以下三种中的任意一种：①AlxGa1-xN式中，x从0.9线性渐变到0；②AlxInyGa1-x-yN式中，前100nm生长保持y=0，x从0.9非线性渐变到0；后50nm生长保持x=0,y从0非线性变化到0.1；③AlxGa1-xN式中，前100nm生长x从0线性渐变到0.2，后100nm生长x从0.2线性变化到1；
在P-型半导体材料传输层上面增加了一层组成为AlxInyGa1-x-yN,其中0≤x＜1，0≤y＜1，0≤1-ｘ-y并且组分量是渐变的P-型欧姆接触层，该层的化合物通过组分的调制，其晶格常数沿着C+方向逐渐增加，其禁带宽度沿着C+方向逐渐降低，其变化可以是线性降低也可以非线性降低；
在LED外延结构的P-型半导体材料传输层表面生长一层组份渐变的半导体材料，即P-型欧姆接触层107，通过调制该层的化合物组分，使沿着生长方向其晶格常数逐渐增加，并且禁带宽度逐渐减小，从而在整个组份渐变层中产生压缩应力，通过压电极化效应利用极化效应产生极化负电荷，从而吸引空穴，产生三维空穴气，增加空穴浓度，减小表面耗尽区的宽度，这样不仅形成了良好的欧姆接触，改善了LED外延结构的P-型欧姆接触特性，而且整个P-型层，包括P-型电子阻挡层、P-型半导体材料传输层和P-型欧姆接触层，减少掺杂和厚度。
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