一種具有隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的氮極性面發(fā)光二極管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的氮極性面發(fā)光二極管，包括由下至上依次設(shè)置的藍(lán)寶石襯底、低溫成核層、非摻雜半導(dǎo)體層、n型半導(dǎo)體層、多量子阱有源層、p-AlGaN電子阻擋層、p型半導(dǎo)體層、p+-GaN層、非摻雜InxAlyGa1-x-yN層、n型超晶格結(jié)構(gòu)層和金屬電極，所述p+-GaN層、非摻雜InxAlyGa1-x-yN層和n型超晶格結(jié)構(gòu)層共同構(gòu)成p-i-n隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明利用p-i-n隧道結(jié)結(jié)構(gòu)作為LED芯片頂部的歐姆接觸層，既可以提高LED器件電流擴(kuò)展能力，從而降低整個(gè)芯片的開啟電壓，又能有效地提高芯片的光輸出功率。
【專利說明】一種具有隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的氮極性面發(fā)光二極管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種以p-1-n隧道結(jié)作為LED芯片頂部歐姆接觸層結(jié)構(gòu)的氮極性面發(fā)光二極管，屬于半導(dǎo)體光電子材料與器件制造技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]LED作為新型高效的固態(tài)光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小、低工作電壓等顯著優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)獲得了廣泛的應(yīng)用。
[0003]既有的由II1-V族化合物半導(dǎo)體材料制成的LED中，II1-V族化合物半導(dǎo)體材料都是沿[0001]方向即C面方向生長，最終得到金屬極性面的氮化鎵、氮化鋁以及它們的合金晶體。在既有的LED中，P型AlGaN/GaN和ρ型InGaN/GaN已經(jīng)被廣泛應(yīng)用作為P端與金屬電極之間的歐姆接觸層，以此獲得較低的歐姆接觸電阻，從而降低芯片的開啟電壓(參考文獻(xiàn)A.Khan, K.Balakrishnan, and T.Katona, Nature Photonics2, 77 (2008)和 J.S.Jang, App1.Phys.Lett.93，081118(2008))。
[0004]另外，也有研究組利用p+_n+隧道結(jié)結(jié)構(gòu)作為最頂部的歐姆接觸層，以提高芯片的輸出功率和電流的橫向傳播能力，同時(shí)減少芯片的串聯(lián)電阻，降低芯片的開啟電壓(參考文獻(xiàn) S.R.Jeon, M.S.Cho, M.A.Yu, and G.M.Yang, IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.8, 739 (2002)、S.R.Jeon, Y.H.Song, H.J.Jang, K.S.Kim, G.M.Yang, S.ff.Hwang, and S.J.Son, Phys.Status Solidi A188, 167 (2001) > S.R.Jeon, Y.H.Song, H.J.Jang, G.M.Yang, S.ff.Hwang, and S.J.Son, Appl.Phys.Lett.78, 3265 (2001)和J.K.Sheu, J.M.Tsai, Electron Device Letters, IEEE Volume.22, N0.10, (2001))。
[0005]但是，在既有的、以沿著[0001]方向生長的II1-V族化合物半導(dǎo)體材料所制造的LED芯片中，即使是利用p+-GaN/n+-GaN隧道結(jié)結(jié)構(gòu)作為ρ型半導(dǎo)體區(qū)最頂部的歐姆接觸層，電子的隧穿幾率仍然不是很高。而且要得到沿[0001]方向生長的、具有高空穴濃度的P+-GaN層并不容易。另外，要得到空穴濃度很高的p+_GaN，需要進(jìn)行金屬M(fèi)g的重度摻雜，而太高的Mg摻雜可能引起GaN表面從鎵極性反轉(zhuǎn)為氮極性，將會(huì)很大程度地影響氮化鎵基半導(dǎo)體材料的晶體質(zhì)量，從而影響LED的性能。但若一開始即沿著[000-1]方向生長氮極性的GaN基半導(dǎo)體材料，將能夠避免Mg的重度摻雜所引起的極性反轉(zhuǎn)，因此可以得到具有更高空穴濃度的P型半導(dǎo)體材料。此外，僅僅利用n+-GaN層作為最頂部的半導(dǎo)體材料與金屬電極間形成歐姆接觸的方法在解決電流擁堵方面的效果，實(shí)踐證明并不是十分明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足， 本發(fā)明提出一種具有氮極性的P-1-n隧道結(jié)作為LED芯片頂部歐姆接觸層結(jié)構(gòu)的氮極性面發(fā)光二極管，通過以氮極性的P+-GaN層、非摻雜的InxAlyGanyN層、在非摻雜InxAlyGa^N層之上的η型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)層三者共同構(gòu)成的氮極性p-1-n隧道結(jié)結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的p+-GaN/n+-GaN隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，以有效地改善利用傳統(tǒng)隧道結(jié)做為LED芯片頂部歐姆接觸層的一些不足。[0007]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為 :
[0008]一種具有隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的氮極性面發(fā)光二極管，包括由下至上依次設(shè)置的藍(lán)寶石襯底、低溫成核層、非摻雜半導(dǎo)體層、η型半導(dǎo)體層、多量子阱有源層、P-AlGaN電子阻擋層、ρ型半導(dǎo)體層、P+-GaN層、非摻雜InxAlyGa1TyN層、η型超晶格結(jié)構(gòu)層和金屬電極,所述P+-GaN層、非摻雜InxAlyGa1N層和η型超晶格結(jié)構(gòu)層共同構(gòu)成p_i_n隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0009]優(yōu)選的，所述藍(lán)寶石襯底為朝M或A面方向具有0.5~5°斜切角的C面晶體。
[0010]優(yōu)選的，所述η型超晶格結(jié)構(gòu)層為具有一定重復(fù)周期長度和數(shù)量的η型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)層。
[0011]優(yōu)選的，所述η型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)層利用Si進(jìn)行摻雜，其中Si的摻雜濃度為 I X IO17Cm 3 以上，可達(dá) I X IO20Cm 3。
[0012]優(yōu)選的，所述η型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)層中AlGaN層與GaN層的厚度均在0.5~7nm之間；以簡(jiǎn)化生長工藝，節(jié)省原料并且可有效地提高電子濃度，增加芯片中電流的擴(kuò)展能力。
[0013]優(yōu)選的，所述η型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)層的重復(fù)周期數(shù)為I~10個(gè)；以更好地提高電子濃度，增加芯片中電流的擴(kuò)展能力。
[0014]優(yōu)選的，所述非摻雜InxAlyGa^N層中，下標(biāo)滿足如下要求:0≤x≤1，0≤y≤1，x+y=lo
[0015]優(yōu)選的，所述非摻雜InxAlyGa1IyN層的厚度為0.5~10nm。
[0016]優(yōu)選的，所述P+-GaN層利用Mg摻雜,其中Mg的摻雜濃度為I X IO17CnT3以上,可達(dá)3 X IO2W30
[0017]由于在η型AlGaN/GaN超晶格之中存在自發(fā)極化及壓電極化產(chǎn)生的電場(chǎng)，導(dǎo)致在超晶格異質(zhì)結(jié)界面附近存在大量的極化電荷，而這些高密度電荷的存在可進(jìn)一步減少肖特基勢(shì)壘的寬度，因此能夠有效地降低LED芯片頂部歐姆接觸層與金屬電極間的接觸電阻和開啟電壓。其次，在η型AlGaN/GaN超晶格異質(zhì)結(jié)界面處，由于內(nèi)部極化電場(chǎng)作用所形成的高密度二維電子氣增加了隧道結(jié)隧穿區(qū)域中的電場(chǎng)作用，從而增加了隧道結(jié)結(jié)構(gòu)中電子從P+-GaN層價(jià)帶隧穿進(jìn)入η型AlGaN/GaN導(dǎo)帶區(qū)域的幾率,在P+-GaN層的價(jià)帶頂部產(chǎn)生更多的空穴，使這些空穴更容易進(jìn)入到多量子阱有源區(qū)與電子復(fù)合發(fā)光，因而可改善LED的內(nèi)量子效率。與此同時(shí)，在傳統(tǒng)的p+-GaN/n+-GaN隧道結(jié)中，進(jìn)入n+_GaN的隧穿電子會(huì)很快縱向流向與金屬電極建立歐姆接觸的區(qū)域，而在具有η型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)的隧道結(jié)中，會(huì)在η型AlGaN/GaN超晶格異質(zhì)結(jié)界面處形成二維電子氣，有利于電子的橫向傳導(dǎo)，使電流橫向傳播更加容易，可有效地抑制電流擁堵現(xiàn)象的產(chǎn)生，進(jìn)而提高芯片的輸出功率。最后，在P-η結(jié)構(gòu)中間加入一層非常薄的非摻雜InxAlyGa1N層作為i型區(qū)構(gòu)成p_i_n隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，可以有效地減小P-η結(jié)工作時(shí)內(nèi)部耗盡區(qū)的寬度，從而可減少電子隧穿的距離，增加電子隧穿的幾率。
[0018]其中，非摻雜InxAlyGaN層中各元素組分x、y的取值，需考慮該層對(duì)LED有源區(qū)發(fā)出光的吸收，具體可根據(jù)P-1-n隧道結(jié)結(jié)構(gòu)是用于藍(lán)光或者紫外LED而選定。但從理論上說，非摻雜層所用材料禁帶寬度越小越有利于電子隧穿，所以在不會(huì)對(duì)有源區(qū)發(fā)出的光產(chǎn)生吸收的前提下可以通過調(diào)節(jié)X、y的取值，使i層的禁帶寬度盡可能地小。由于本發(fā)明所提供的為沿[000-1]方向生長的氮極性LED器件，與傳統(tǒng)的鎵極性相比，可以大大提高In的并入效率，所以利用禁帶寬度較小的InN或高In組分的InGaN作為i層材料也成為可能。同時(shí)，還可以通過改變x、y的取值，調(diào)節(jié)控制p-1-n隧道結(jié)中非摻雜的InxAlyGa1IyN層的晶格常數(shù)，從而改變內(nèi)部因應(yīng)變導(dǎo)致的壓電極化效應(yīng)而產(chǎn)生的極化電場(chǎng)的大小和方向，以產(chǎn)生有利于電子、空穴向有源區(qū)注入的電場(chǎng)。
[0019]有益效果:本發(fā)明提供的一種沿[000-1]方向生長的氮極性LED芯片，由于其中包含了以P+-GaN層、非摻雜的InxAlyGanyN層和在非摻雜的InxAlyGa^N層之上的η型超晶格結(jié)構(gòu)層三者共同構(gòu)成的p-1-n隧道結(jié)結(jié)構(gòu)作為LED芯片頂部的歐姆接觸層，能夠在一定程度上改善既有的、沿[0001]方向生長的、利用p+-GaN/n+-GaN構(gòu)成的隧道結(jié)作為頂部歐姆接觸層的鎵極性LED芯片的不足；本發(fā)明設(shè)計(jì)的沿[000-1]方向生長的氮極性p-1-n隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，可提高LED的歐姆接觸及電流擴(kuò)展能力，降低整個(gè)芯片的開啟電壓并提高芯片的光輸出功率；這些優(yōu)點(diǎn)在制備大功率LED芯片方面具有尤其重要的意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2為本發(fā)明中p-1-n隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0023]如圖1所示為一種沿[000-1]方向生長的、以p-1-n隧道結(jié)結(jié)構(gòu)作為頂部歐姆接觸層的氮極性面LED芯片，包括由下至上依次設(shè)置的藍(lán)寶石襯底101、低溫成核層102、非摻雜半導(dǎo)體層103、η型半導(dǎo)體層104、多量子阱有源層105、p-AlGaN電子阻擋層106、ρ型半導(dǎo)體層107、p+-GaN層108、非摻雜InxAIyGa1^yN層109、n型超晶格結(jié)構(gòu)層110和金屬電極111。
[0024]所述P+-GaN層108、非摻雜InxAlyGai_x_yN層109和η型超晶格結(jié)構(gòu)層110共同構(gòu)成P-1-n隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。如圖2所示為本例的p-1-n隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，所述η型超晶格結(jié)構(gòu)層110為具有一定重復(fù)周期長度和數(shù)量的η型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)層，圖示中為2層AlGaN (110Α)和2層GaN(IlOB)，即兩個(gè)重復(fù)周期的η型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)層構(gòu)成。當(dāng)然，η型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)層并不局限于此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以根據(jù)需要，具體設(shè)置η型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)層的重復(fù)周期，每個(gè)η型AlGaN/GaN超晶格層依次層疊排列；優(yōu)選的重復(fù)周期數(shù)為I~10個(gè)，由此可以更好地提高電子濃度，增加芯片中電流的擴(kuò)展能力。
[0025]優(yōu)選的，所述η型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)層中AlGaN層與GaN層的厚度均在0.5~7nm之間，以簡(jiǎn)化生長工藝，節(jié)省原料并且可有效地提高電子濃度，增加芯片中電流的擴(kuò)展能力。優(yōu)選的，所述η型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)層利用Si進(jìn)行摻雜，其中Si的摻雜濃度可達(dá) IX IO20cnT3。
[0026]另外，本例中所述非摻雜InxAlyGa1^N層109中，下標(biāo)滿足如下要求:0≤x≤1，O ^ y ^ l，x+y=l ;其中，x、y的值可根據(jù)具體情況調(diào)整。在本實(shí)施例中，非摻雜InxAlyGa1IyN層109的厚度為3nm ;同時(shí)，考慮使用禁帶寬度較小的InGaN(y=0)作為藍(lán)綠光LED芯片的i區(qū)材料，可以增加電子遂穿幾率(但如果應(yīng)用在紫外LED芯片中，考慮到i區(qū)對(duì)有源區(qū)發(fā)出光的吸收，也可使用AlN(x=0，y=l)作為i區(qū)材料)。當(dāng)然，非摻雜InxAlyGanyN層109并不局限于上述幾種情況，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以根據(jù)需要，設(shè)置不同的X、y值，構(gòu)成不同組分比的非摻雜InxAlyGa^N層；此外，所述非摻雜InxAlyGai_x_yN層109的厚度為0.5~10nm，這樣可以得到最大的電子隧穿幾率。
[0027]本例所使用的P+-GaN層108利用Mg摻雜，其中Mg的摻雜濃度可大于3 X 102°cm_3。
[0028]本例的氮極性LED芯片可外延生長在具有從M或A面方向偏離2°斜切角的C面的藍(lán)寶石襯底上，并且在外延生長氮極性氮化鎵基LED結(jié)構(gòu)前，必須對(duì)藍(lán)寶石襯底在NH3的氛圍下，在合適的溫度條件下進(jìn)行氮化處理。
[0029]必須指出的是:本發(fā)明不僅適用于同側(cè)結(jié)構(gòu)的LED，對(duì)于垂直結(jié)構(gòu)以及正、倒裝結(jié)構(gòu)的LED結(jié)構(gòu)也同樣適用。
[0030]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種具有隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的氮極性面發(fā)光二極管，其特征在于:包括由下至上依次設(shè)置的藍(lán)寶石襯底(101)、低溫成核層(102)、非摻雜半導(dǎo)體層(103)、η型半導(dǎo)體層(104)、多量子阱有源層(105)、p-AlGaN電子阻擋層(106)、ρ型半導(dǎo)體層(107)、P+-GaN層(108)、非摻雜InxAlyGa^N層(109 )、η型超晶格結(jié)構(gòu)層(110 )和金屬電極(111 )，所述P+-GaN層(108 )、非摻雜InxAlyGa1^N層(109)和η型超晶格結(jié)構(gòu)層(110)共同構(gòu)成p_i_n隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的氮極性面發(fā)光二極管，其特征在于:所述藍(lán)寶石襯底(101)為朝M或A面方向具有0.5~5°斜切角的C面晶體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的氮極性面發(fā)光二極管，其特征在于:所述η型超晶格結(jié)構(gòu)層(110)為具有一定重復(fù)周期長度和數(shù)量的η型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3述的具有隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的氮極性面發(fā)光二極管，其特征在于:所述η型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)層利用Si進(jìn)行摻雜，其中Si的摻雜濃度為IXlO17cnT3以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求3述的具有隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的氮極性面發(fā)光二極管，其特征在于:所述η型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)層中AlGaN層與GaN層的厚度均在0.5~7nm之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求3述的具有隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的氮極性面發(fā)光二極管，其特征在于:所述η型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)層的重復(fù)周期數(shù)為I~10個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的氮極性面發(fā)光二極管，其特征在于:所述非摻雜InxAlyGa1IyN層(109)中，下標(biāo)滿足如下要求:0≤x≤I, O≤y≤I, x+y=l。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的氮極性面發(fā)光二極管，其特征在于:所述非摻雜InxAlyGanyN層(109)的厚度為0.5~10nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的氮極性面發(fā)光二極管，其特征在于:所述P+-GaN層(108)利用Mg摻雜，其中Mg的摻雜濃度為I X IO17CnT3以上。
【文檔編號(hào)】H01L33/06GK103489975SQ201310464192
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月8日
【發(fā)明者】張 雄, 楊旭, 崔一平 申請(qǐng)人:東南大學(xué)