一種有p型超晶格的led外延結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電子領(lǐng)域，涉及一種有P型超晶格的LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化鎵材料具有寬帶隙、高電子遷移率、高熱導(dǎo)率、高穩(wěn)定性等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管、藍(lán)色半導(dǎo)體激光器以及抗輻射、高頻、高溫、高壓等電子電力器件中有著廣泛的實際應(yīng)用和巨大的市場前景。發(fā)光二極管(LED)具有體積小、效率高和壽命長的優(yōu)點(diǎn)，在全色顯示、背光源、信號燈等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，逐漸成為目前電子電力學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。
[0003]P型摻雜是制造GaN LED器件必不可少的重要環(huán)節(jié)，由于Mg的鈍化效應(yīng)(passivat1n),用MOCVD技術(shù)生長p型GaN時,受主Mg原子在生長過程中被H (氫原子)嚴(yán)重鈍化，從而導(dǎo)致未經(jīng)處理的GaN = Mg電阻率高達(dá)10 Ω.m，所以必須在生長后對Mg進(jìn)行激活(Activat1n),才能得到可應(yīng)用于器件的P型GaN?，F(xiàn)有技術(shù)提高M(jìn)g原子在氮化鎵中的激活效率的方法是:高溫生長ρ-GaN，然后在氮?dú)鈿夥障峦嘶稹榱双@得性能良好的P型GaN材料，1989年，H.Amano利用低能電子束輻射(IEEBI)處理摻Mg的GaN，得到了低阻的P型GaN,取得了 P型領(lǐng)域的重大突破；此后，有利用快速熱退火法(Rapid Thermal Annealing)成功獲得P型GaN的報道，但是得到的空穴濃度仍然較低，典型值為2X 1017cm_3，比理論摻雜濃度低2-3個數(shù)量級。
[0004]為了提高P型空穴濃度，中國專利文獻(xiàn)CN103050592A公開的一種具有P型超晶格的LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法，該P(yáng)型外延結(jié)構(gòu)是在P型AlGaN電子阻擋層與第二 P型GaN層之間設(shè)置由P型InGaN勢阱層及P型AlGaN勢壘層周期性交疊構(gòu)成的P型超晶格。但是，該外延結(jié)構(gòu)的生長存在很大困難，由于InGaN和AlGaN之間的晶格失配使其較難達(dá)到P型GaN所需要的厚度和周期個數(shù)，使用該文獻(xiàn)的生長方法很容易導(dǎo)致外延層晶體質(zhì)量惡化。
[0005]專利文獻(xiàn)CN102637796A提供了一種具有P型AlGaN層結(jié)構(gòu)的LED芯片及其制備方法，通過P型AlGaN層中Al的摻雜量有規(guī)律的改變，改變P型AlGaN層的能帶分布，減弱P型AlGaN層的價帶對空穴注入時的阻擋作用，所形成的能帶具有多個勢阱，這些勢阱能帶有利于空穴的注入，但是不利于對電子的限制。
[0006]專利文獻(xiàn)CN1133217C公開的“半導(dǎo)體面發(fā)光器件及增強(qiáng)橫向電流擴(kuò)展的方法”，該專利在半導(dǎo)體面發(fā)光器件的η區(qū)或P區(qū)設(shè)計超晶格結(jié)構(gòu)來制造多層二維電子氣或者二維空穴氣，從而提高LED結(jié)構(gòu)的發(fā)光效率。該專利可有效的提高LED中的載流子濃度，但是其提到的AlGaN/GaN超晶格晶格失配較大，導(dǎo)致其Al組分不能太高，減弱了對載流子的限制作用，同時也惡化了晶體質(zhì)量。因此，如何提高P層的空穴濃度、同時避免晶格失配成為P型GaN生長的關(guān)鍵。
[0007]CN101694858A提供一種LED外延結(jié)構(gòu)，其特征是，自下而上包括:襯底層、緩沖層、不摻雜的氮化物層、η型氮化物層、發(fā)光層、插入層、P型氮化物層；所述插入層由不摻雜的AlxInyGanyN層和P型AlxInyGai_x_yN層交替構(gòu)成；其中，O彡χ < 0.3，O彡y < 0.4，x+y ( 0.5。本發(fā)明在LED外延結(jié)構(gòu)的發(fā)光層和P型氮化鎵層之間增加一插入層，這可以有效提高LED外延結(jié)構(gòu)的ESD防護(hù)性能(ESD良率達(dá)到90%以上)，但是，插入該超晶格結(jié)構(gòu)，容易造成空穴滯留，導(dǎo)致空穴較難進(jìn)入量子阱發(fā)光區(qū)，降低了發(fā)光效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種有P型超晶格的LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法，該結(jié)構(gòu)能束縛空穴、提升亮度并且晶格失配小，成功解決現(xiàn)有技術(shù)中P型AlGaN層對空穴的阻擋造成發(fā)光效率低以及P型區(qū)超晶格結(jié)構(gòu)晶格失配大造成外延片斷裂的難題。
[0009]術(shù)語說明:
[0010]1、LED:發(fā)光二極管的簡稱。
[0011]2、LD:激光器的簡稱。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0013]一種有P型超晶格的LED外延結(jié)構(gòu)，由下至上依次包括襯底，成核層，緩沖層，η型GaN層，多量子阱發(fā)光層，第一 P型GaN層，P型AlInN/GaN超晶格，第二 P型GaN層；其中，
[0014]所述成核層是氮化鎵層、氮化鋁層或鋁鎵氮層之一，
[0015]所述緩沖層為非摻雜GaN層，
[0016]所述多量子阱發(fā)光層是由InGaN勢阱層和GaN勢壘層周期性交替疊加構(gòu)成；
[0017]所述P型Al InN/GaN超晶格是由Al InN勢阱層和GaN勢壘層周期性交替重疊構(gòu)成。
[0018]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述多量子阱發(fā)光層5-16個周期。
[0019]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述P型Al InN/GaN超晶格的AlInN勢阱層和GaN勢壘層周期為5-20。
[0020]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，Al InN/GaN超晶格中In組分摻雜量為15_25at%，各層In的摻雜量保持一致。
[0021]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述P型AlInN/GaN超晶格中，單個周期的所述AlInN勢阱層的厚度為2-6nm，單個周期的所述GaN勢壘層的厚度為2_16nm，且每個周期AlInN和GaN超晶格的厚度為4-20nm。
[0022]本發(fā)明上述的具有P型超晶格的LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟:
[0023](I)將藍(lán)寶石或碳化硅襯底放入金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備的反應(yīng)室中，在氫氣氣氛下加熱到1000-1150°C，處理5-15分鐘。
[0024](2)在處理過的藍(lán)寶石或碳化硅襯底上生長氮化鎵、氮化鋁或者鋁鎵氮成核層。
[0025](3)在上述成核層上生長非摻雜氮化鎵緩沖層、η型GaN層以及多量子阱發(fā)光層。
[0026](4)在上述多量子阱發(fā)光層上生長P型結(jié)構(gòu)，包括第一 P型GaN層、P型Al InN/GaN超晶格、第二 P型GaN層。所述P型AlInN/GaN超晶格為AlInN勢阱層和GaN勢壘層周期性交互重疊構(gòu)成的P型超晶格。
[0027]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的上述步驟(2)中，氮化鎵緩沖層生長溫度450-650°C，厚度10-50nm ;氮化鋁和鋁鎵氮緩沖層，生長溫度800-1150°C，厚度50_200nm。
[0028]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的上述步驟(3)中，非摻雜氮化鎵層生長溫度為1000-110(TC，厚度為1-2 μ m;n型GaN層生長溫度為1000_1105°C，厚度為2-2.5 μ m。多量子阱發(fā)光層的厚度為50-360nm，由5_16個周期的InGaN勢阱層和GaN勢壘層交互疊加構(gòu)成；單個周期的所述InGaN勢阱層的厚度為2_20nm，單個周期的所述GaN勢壘層的厚度為5_26nm。
[0029]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的上述步驟(4)中，第一 P型層和第二 P型層生長溫度均為850-1100°C。第一 P型GaN層的厚度為55_65nm，第二 P型GaN層厚度為60_100nm。
[0030]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的上述步驟(4)中，AlInN/GaN超晶格層生長溫度為750_850°C，生長壓力為10-SOOtorr。生長過程中，反應(yīng)室氣氛為氮?dú)浠旌蠚猓渲?，氫氣所占的比例?%-15%體積比。AlInN/GaN超晶格中In組分摻雜量為15_25at%。
[0031]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的上述步驟(4)中，AlInN勢阱層和GaN勢壘層周期為5_20，單個周期的所述AlInN勢講層的厚度為2-6nm,單個周期的所述GaN勢魚層的厚度為2_16nm,且每個周期AlInN和GaN超晶格的厚度為4_20nm。本發(fā)明上述的P型超晶格結(jié)構(gòu)或所述的P型超晶格結(jié)構(gòu)的LED外延結(jié)構(gòu)，用于制備氮化鎵基發(fā)光二極管，即用于GaN基LED。
[0032]根據(jù)本發(fā)明，所述的各個生長層均為金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)外延生長層。
[0033]本發(fā)明在LED外延層的P型區(qū)加入P型Al InN/GaN超晶格，該P(yáng)型超晶格的AlInN和GaN之間存在的自發(fā)極化電場可以顯著提高空穴濃度。同時還發(fā)現(xiàn)，AlInN層的高勢壘特性，不僅可以有效阻止電子外溢至P型區(qū)，還可以有效阻擋空穴逃逸、提高空穴橫向擴(kuò)展。
[0034]本發(fā)明的優(yōu)良效果:
[0035]1、本發(fā)明使用AlInN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)的P型，AlInN和GaN之間存在的自發(fā)極化電場可以顯著的提高空穴濃度。
[0036]2、高勢壘的AlInN層將阻擋N層傳播的電子，防止電子外溢至P層；有效束縛空穴、提高空穴的橫向擴(kuò)展、阻礙空穴的逃逸、阻擋電子外溢。這些勢阱能帶有利于空穴的注入，但是不消弱對電子的限制。
[0037]3、本發(fā)明AlInN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)的P型的引入，相比于其他P型超晶格，比如AlGaN(InGaN) /GaN，其晶格失配小，可以顯著提高晶體質(zhì)量。
【附圖說明】
[0038]圖1是本發(fā)明的具有P型超晶格結(jié)構(gòu)的氮化物發(fā)光二極管示意圖。
[0039]圖1中，1、襯底，2、成核層，3、非摻雜氮化鎵層(緩沖層)，4、N型氮化鎵，5、多量子阱發(fā)光層，6、第一 P型GaN層，7、P型AlInN/GaN超晶格層，8、第二 P型GaN層。
【具體實施方式】
[0040]下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于此。
[0041]實施例1、一種有P型超晶格的LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法。
[0042]結(jié)構(gòu)參見圖1，以用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法在碳化硅襯底上制備P型超晶格結(jié)構(gòu)為例，包括以下步驟:
[0043](I)碳化娃襯底I放入金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積爐(MOCVD)設(shè)備的反應(yīng)室中,在氫氣氣氛下加熱到1050°C，處理15分鐘。
[0044](2)在碳化硅襯底I上生長氮化鋁成核層2，生長溫度為1000°C，厚度150nm，生長壓力為5Otorr。
[0045](3)在氮化鋁成核層2上生長非摻雜氮化鎵層(緩沖層)3，生長溫度為1100°C，生長厚度為2 μ m，生長速率為2 μ m/ho
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