一種Al組分漸變式P型LED結(jié)構(gòu)及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種Al組分漸變式P型LED結(jié)構(gòu)及制備方法，屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]二十世紀(jì)九十年代初，以氮化物為代表的第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料獲得了歷史性突破，科研人員在氮化鎵材料上成功地制備出藍(lán)綠光和紫外光LED，使得LED照明成為可能。1971年，第一只氮化鎵LED管芯面世，1994年，氮化鎵HEMT出現(xiàn)了高電子遷移率的藍(lán)光GaN基二極管,氮化鎵半導(dǎo)體材料發(fā)展十分迅速。
[0003]半導(dǎo)體發(fā)光二極管具有體積小、堅(jiān)固耐用、發(fā)光波段可控性強(qiáng)、光效高、低熱損耗、光衰小、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在全色顯示、背光源、信號(hào)燈、光電計(jì)算機(jī)互聯(lián)、短距離通信等領(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)。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)，因此在短波長發(fā)光器件、光探測器件以及大功率器件方面有著廣泛的應(yīng)用和巨大的市場前景。
[0004]外延結(jié)構(gòu)的生長是LED芯片的關(guān)鍵技術(shù)，而怎樣提高二極管的發(fā)光效率，是外延結(jié)構(gòu)生長的一個(gè)重要難點(diǎn)。目前市場上大部分GaN基LED都是側(cè)向結(jié)構(gòu)，都存在電流密度分布不均的問題，導(dǎo)致LED發(fā)光區(qū)域沒有得到充分利用。電流密度分布不均，會(huì)影響邊角發(fā)光區(qū)域得不到充分利用，降低發(fā)光二極管的發(fā)光效率。P型區(qū)是制造GaN LED器件必不可少的重要環(huán)節(jié)，PGaN結(jié)構(gòu)及其外延生長方法是提高GaN基LED光取出效率的關(guān)鍵。由于難以形成導(dǎo)電良好的P型III族氮化物材料(例如GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN和AlInN)，P型層內(nèi)電流分布的缺乏可能成為這些材料所形成LED性能的限制因素。
[0005]中國專利文獻(xiàn)CN103078018A公開的一種LED外延結(jié)構(gòu)，所述的P型氮化鎵層之上包括ITO摻錫氧化銦層、P型電極和形成于N型氮化鎵層上的N型電極以及P型接觸層，其所述P型接觸層介于P型氮化鎵層和ITO摻錫氧化銦層之間，呈鍥型結(jié)構(gòu)，且P型接觸層的空穴濃度漸變，靠近P型氮化鎵層一測空穴濃度高，遠(yuǎn)離P型氮化鎵層一側(cè)空穴濃度低。該發(fā)明所述LED外延結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便等優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能較大地提高強(qiáng)LED的發(fā)光效率與信賴性。但是，由于遠(yuǎn)離PGaN的一側(cè)空穴濃度低，使得該方法所制備的LED結(jié)構(gòu)接觸層電阻較大,從而管芯電壓較高，同時(shí)發(fā)光效率也大大降低。
[0006]中國專利文獻(xiàn)CN102769078A公開的“高生長速率的P型GaN結(jié)構(gòu)LED制造方法”，該發(fā)明公開了一種高生長速率的P型GaN結(jié)構(gòu)LED的制造方法，通過借助高生長速率生長P型GaN層，減少生長時(shí)間，其LED結(jié)構(gòu)能夠減少In的揮發(fā)，并且減少對(duì)臨近周期InGaN的破壞，從而有效減少對(duì)發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)的傷害，提高量子阱晶體質(zhì)量。但是，采用高速率生長P型GaN層，其晶體質(zhì)量難以保證；同時(shí)，容易導(dǎo)致Mg摻雜的不均勻，從而造成空穴分布不均。
[0007]中國專利文獻(xiàn)CN102637796A公開的《具有P型AlGaN層結(jié)構(gòu)的LED芯片及其制備方法》，該發(fā)明提供的LED芯片中設(shè)置了 P型AlGaN層中Al的摻雜量有規(guī)律的改變，改變了P型AlGaN層的能帶分布，減弱了 P型AlGaN層的價(jià)帶對(duì)空穴注入時(shí)的阻擋作用。所形成的能帶具有多個(gè)勢阱，這些勢阱能帶有利于空穴的注入。而勢壘則能繼續(xù)對(duì)電子起阻擋作用。但是，該P(yáng)型AlGaN結(jié)構(gòu)對(duì)電子的阻擋作用較弱，從而導(dǎo)致電子外溢至P型，影響發(fā)光效率。
[0008]中國專利文獻(xiàn)CN102157646A公開的《一種氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)及其制備方法》，涉及了一種氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)，其在N型電子注入層與多量子阱有源層之間插入一 In含量漸變的InGaN層以及制備方法。通過這層In含量漸變的InGaN層，可以釋放多量子阱有源層和N型電子注入層之間的應(yīng)力，提高器件的內(nèi)量子效率。但是，此InGaN結(jié)構(gòu)減少了電子濃度，在一定程度上影響了發(fā)光效率。
[0009]中國專利文獻(xiàn)CN102820395A公開的《一種采用高勢壘高度漸變量子壘的LED結(jié)構(gòu)及其制備方法》，涉及一種采用勢壘高度漸變的量子壘的LED結(jié)構(gòu)，其量子壘的勢壘高度從N側(cè)到P側(cè)逐步降低，此種新結(jié)構(gòu)改善了空穴的輸運(yùn)，使得空穴分布于更多的量子阱內(nèi)。但是，由于In濃度的漸變型，導(dǎo)致空穴分布不均勻，芯片單位面積的光功率差異較大。
[0010]中國專利文獻(xiàn)CN102487113A公開的《提高發(fā)光效率的GaN基LED外延片及其制備與應(yīng)用》，涉及一種提高發(fā)光效率的GaN基LED外延片，使用P型的InGaN和P型GaN，一方面利用InGaN和GaN的極化效應(yīng)產(chǎn)生較高的載流子濃度，不需要再次進(jìn)行氮?dú)馔嘶穑涣硪环矫胬肐nGaN和GaN的多周期重復(fù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的表面空洞實(shí)現(xiàn)表面粗化，但是，此方法的晶格失配較大，所制備的外延片質(zhì)量相對(duì)較差。
[0011]中國專利文獻(xiàn)CN101872719B公開的《改善InGaN量子阱的In組分均勻性的外延生長方法》，涉及一種改善InGaN量子阱的In組分均勻性的外延生長方法，是在生長InGaN量子阱的初始階段使TEGa或TMIn的流量高出常規(guī)正常流量，然后再跳變陡降或逐漸漸變到常規(guī)正常生長流量生長InGaN層；或者是先通入一定的TMIn，然后按常規(guī)正常生長流量通入TEGa和TMIn生長InGaN量子阱；在一個(gè)InGaN量子阱生長結(jié)束后，終端后續(xù)生長，使過多的In原子從量子阱表面揮發(fā)，以保證量子阱沿生長方向In組分更均勻。本發(fā)明通過簡單的改變生長源的流量或者通入的先后順序就能大大改善量子阱內(nèi)的In組分分布，量子阱的開始階段In組分即達(dá)到InGaN量子阱中的平均組分，使量子阱的上下界面更陡峭。但是，該方法使得In源的用量較多，不利于生產(chǎn)成本的控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供一種Al組分漸變式P型LED結(jié)構(gòu)及制備方法，該結(jié)構(gòu)能提高P型GaN結(jié)構(gòu)空穴濃度，從而提升外量子效率，所得P型LED結(jié)構(gòu)晶格失配小，從本質(zhì)上降低接觸電阻并改善P型GaN薄膜質(zhì)量。
[0013]發(fā)明概述:
[0014]本發(fā)明是通過對(duì)P型LED芯片中所設(shè)置的P型AMnxGamN層中Al的摻雜量做規(guī)律的變化，來改變P型AlYInxGai_x_YN層的能帶分布，從而減弱P型AlYInxGai_x_YN層的價(jià)帶對(duì)空穴注入時(shí)的阻擋作用，同時(shí)不削弱其對(duì)電子的阻擋作用。通過采用該結(jié)構(gòu)，LED芯片亮度提升了 20%，電壓降低0.02-0.1V。
[0015]術(shù)語說明:
[0016]LED:發(fā)光二極管的簡稱。
[0017]發(fā)明詳述:
[0018]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0019]一種Al組分漸變式P型LED結(jié)構(gòu)，由下至上依次包括襯底、成核層、緩沖層、N型GaN層、多量子阱發(fā)光層、P型AMnxGamN層；其中，
[0020]所述襯底是藍(lán)寶石、碳化硅；
[0021]所述成核層是氮化鎵層、氮化鋁層或鋁鎵氮層之一；
[0022]所述緩沖層是非摻雜氮化鎵；
[0023]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；
[0024]所述P 型 AlyInxGa1^yN 結(jié)構(gòu)中，所述 O ^ X ^ 1,0 ^ Y < 10
[0025]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述多量子阱發(fā)光層為3-20個(gè)周期；
[0026]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述P型AlYInxGai_x_YN的厚度為0.1-5 μ m。
[0027]本發(fā)明上述的一種Al組分漸變式P型LED結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟:
[0028](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1000-1300°C，處理5-15分鐘；
[0029](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；
[0030](3)在上述成核層上生長非摻雜氮化鎵緩沖層、N型GaN層以及多量子阱發(fā)光層；
[0031](4)在上述多量子阱發(fā)光層上生長P型結(jié)構(gòu)，即Al組分漸變的P型AlYInxGai_x_YN結(jié)構(gòu)。
[0032]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(2)中，氮化鎵成核層生長溫度450-650°C，厚度10-50nm ;氮化鋁和鋁鎵氮成核層，生長溫度800-1150°C，厚度50_200nm ；
[0033]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟⑶中，非摻雜氮化鎵層緩沖層生長溫度為1000-1100°C，厚度為1-2 μ m ;N型GaN層生長溫度為1000-1105°C，厚度為2-2.5μπι;多量子阱發(fā)光層的厚度為50-360nm，由3_20個(gè)周期的InGaN勢阱層和GaN勢壘層交互疊加構(gòu)成；單個(gè)周期的所述InGaN勢阱層的厚度0.2_6nm，單個(gè)周期的所述GaN勢壘層的厚度為1-1Onm0
[0034]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟⑷中，具體生長過程中，P型AMnxGamN層生長溫度為750-1600°C，生長壓力為200-800torr，生長時(shí)間為200s_3000s ;首先，開啟摻雜Mg元素所用Mg源，開啟時(shí)間為80-1500S, Mg摻雜濃度為0.2X 11VcnT3-1 X 1019/αιΓ3 ;之后，開啟摻雜Al元素所用的Al源，Al源流量變化范圍為0-300sccm,增速或降速范圍為0.05-2sccm/s，開啟時(shí)間為 50_1000s，Al 組分濃度為 2 X 1017/cnT3-8 X 11VcnT3 ;在開啟 Al源之前、同時(shí)或之后，開啟摻雜In元素所用In源，保證In組分滿足O < X < 1，開啟時(shí)間為5-1000so
[0035]本發(fā)明的優(yōu)良效果:
[0036]1、本發(fā)明Al組分漸變的P型AlYInxGai_x_YN結(jié)構(gòu)，能提高P型GaN結(jié)構(gòu)空穴濃度，從而提升外量子效率，所得P型LED結(jié)構(gòu)晶格失配小，從本質(zhì)上降低接觸電阻并改善P型GaN
薄膜質(zhì)量。
[0037]2、本發(fā)明P型AlYInxGai_x_YN層中Al的摻雜量有規(guī)律的變化后，改變了 P型AlYInxGai_x_YN層的能帶分布，減弱了 P型AlYInxGai_x_YN層的價(jià)帶對(duì)空穴注入時(shí)的阻擋作用，同時(shí)不削弱其對(duì)電子的阻擋作用。
[0038]3、本發(fā)明Al組分漸變的P型AlYInxGai_x_YN結(jié)構(gòu)在一定程度上還可以改善表面粗化，起到提高光提取效率的作用。
【附圖說明】
[0039]圖1是本發(fā)明具有Al組分漸變式P型