具有AlGaN導(dǎo)電層的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及發(fā)光二極管技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有漸變鋁組分的含鋁導(dǎo)電層的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(簡(jiǎn)稱(chēng)“LED”)是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件，它利用半導(dǎo)體材料內(nèi)部的導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴發(fā)生輻射復(fù)合，是以光子形式釋放能量而直接發(fā)光的。通過(guò)設(shè)計(jì)不同的半導(dǎo)體材料禁帶寬度，發(fā)光二極管可以發(fā)射從紅外到紫外不同波段的光。
[0003]氮化物發(fā)光二極管以其具有高效、節(jié)能、長(zhǎng)壽命以及體積小等優(yōu)點(diǎn)在世界范圍內(nèi)得到廣泛發(fā)展。發(fā)光波長(zhǎng)在210~400nm的紫外發(fā)光二極管，因其調(diào)制頻率高、體積小、無(wú)汞環(huán)保以及高殺菌潛力等優(yōu)點(diǎn)，在殺菌消毒、生物醫(yī)藥、照明、存儲(chǔ)和通信等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景；發(fā)光波長(zhǎng)在440~470nm的藍(lán)光發(fā)光二極管因其能耗低、壽命長(zhǎng)以及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在照明、亮化以及顯示領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景；發(fā)光波長(zhǎng)在500~550nm的綠光發(fā)光二極管，在亮化和顯示以及RGB三基色照明領(lǐng)域也有非常好的應(yīng)用前景。
[0004]目前GaN基紫外LED的內(nèi)量子效率很低，且波長(zhǎng)越短，紫外LED的效率越低，這大大限制了紫外LED的應(yīng)用。因此，迫切需要研究高性能的GaN基紫外LED。導(dǎo)致紫外LED內(nèi)量子效率低的一個(gè)主要原因是電子從多量子阱有源區(qū)中溢出。
[0005]世界各國(guó)科學(xué)家為了提高紫外LED的量子效率投入了大量精力。一種被普遍使用的阻止載流子溢出的方法就是在最后一層GaN量子阱勢(shì)皇和P型GaN導(dǎo)電層之間生長(zhǎng)一層P型AlGaN層。這層P型AlGaN層被稱(chēng)為電子阻擋層(簡(jiǎn)稱(chēng)“EBL”)，其禁帶寬度大于GaN的禁帶寬度。因此，可在最后一個(gè)GaN量子阱勢(shì)皇和EBL之間引入一個(gè)勢(shì)皇，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溢出電子的阻擋。該方法的缺點(diǎn)是，在P型GaN導(dǎo)電層和EBL的界面處，價(jià)帶上存在一個(gè)勢(shì)皇，阻擋了空穴從P型導(dǎo)電層向多量子阱有源區(qū)的注入，降低空穴注入效率。同時(shí)，最后一個(gè)GaN量子阱勢(shì)皇層和EBL層之間由于晶格失配所產(chǎn)生的極化電場(chǎng)，在它們的界面處，在價(jià)帶上產(chǎn)生一個(gè)勢(shì)皇尖峰，阻擋空穴注入多量子阱有源區(qū)，且降低了導(dǎo)帶上阻擋電子溢出的有效勢(shì)皇高度，抑制電子阻擋的效果。
[0006]J.R.Chen等(Lightwave Technology Journal of, 2008, 26(3):329 - 337)提出一種使用四元AlInGaN電子阻擋層的外延結(jié)構(gòu)的方法，其技術(shù)方案是，通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂艫lInGaN電子阻擋層中的Al組分和In組分，可以大幅減少最后一個(gè)GaN量子講勢(shì)皇和EBL的界面處的極化電荷密度，減小極化電場(chǎng)強(qiáng)度，以減少電子溢出多量子阱有源區(qū)。該方法的缺點(diǎn)是，由于Al和In的最佳并入條件相差較大，難以生長(zhǎng)高質(zhì)量的AlInGaN晶體。
[0007]專(zhuān)利CN101640236A公開(kāi)了一種超晶格電子阻擋層發(fā)光元件。其技術(shù)方案是，使用兩種能隙不同的三五族半導(dǎo)體層，具有周期性地重復(fù)沉積在上述有源發(fā)光層上，形成超晶格結(jié)構(gòu)，以作為一勢(shì)皇較高的電子阻擋層，用以阻擋電子溢出多量子阱有源區(qū)，同時(shí)通過(guò)晶格大小不同的三五族半導(dǎo)體層的組合，提供應(yīng)力補(bǔ)償，以減少其與多量子阱有源區(qū)之間應(yīng)力的累積，減少極化電場(chǎng)，提高電子阻擋層中的空穴濃度。該方法的缺點(diǎn)是，超晶格電子阻擋層使LED的運(yùn)行電壓上升，且超晶格電子阻擋層和最后一個(gè)GaN量子阱勢(shì)皇的界面處依然存在較大的極化電荷。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008]針對(duì)現(xiàn)有GaN基紫外LED中，電子從多量子阱有源區(qū)溢出和空穴注入多量子阱有源區(qū)效率低，導(dǎo)致內(nèi)量子效率低的問(wèn)題，本實(shí)用新型提出一種采用P型漸變Al組分AlGaN層作為P型導(dǎo)電層的具有AlGaN導(dǎo)電層的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)。
[0009]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是。
[0010]—種具有AlGaN導(dǎo)電層的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，其從下至上依次包括襯底、GaN緩沖層、N型GaN導(dǎo)電層、多量子阱有源區(qū)和P型導(dǎo)電層，所述P型導(dǎo)電層為含鋁的AlGaN材料即P型AlGaN導(dǎo)電層，且P型AlGaN導(dǎo)電層中的Al組分沿生長(zhǎng)方向線(xiàn)性遞增。所述P型導(dǎo)電層是P型摻雜的AlGaN材料。
[0011]進(jìn)一步地，所述P型導(dǎo)電層中，沿著生長(zhǎng)方向，與多量子阱有源區(qū)接觸的界面處的Al組分為X，且X彡0，P型導(dǎo)電層一界面處的Al組分為Y，且Y彡X彡0，P型導(dǎo)電層中間部分的Al組分呈線(xiàn)性遞增變化。
[0012]進(jìn)一步地，所述P型AlGaN導(dǎo)電層中Al組分沿生長(zhǎng)方向線(xiàn)性遞增的生長(zhǎng)方法如下:
[0013]反應(yīng)室通入二茂鎂、氨氣、氮?dú)狻⑷谆壓腿谆X，溫度提高到800攝氏度，在有源區(qū)上生長(zhǎng)P型AlGaN導(dǎo)電層，期間保持三甲基鎵氣流流量恒定，使三甲基鋁氣流流量隨生長(zhǎng)時(shí)間線(xiàn)性增長(zhǎng)，使鋁組分沿生長(zhǎng)方向，從X線(xiàn)性遞增到Y(jié) ;厚度200 nm，摻雜濃度5X 117Cm 3O
[0014]進(jìn)一步地，，所述多量子阱有源區(qū)周期交替排列的InGaN多量子阱勢(shì)阱層和InGaN多量子阱勢(shì)皇層。
[0015]制備所述的具有AlGaN導(dǎo)電層的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)的方法，其包括步驟如下:
[0016](I)將藍(lán)寶石襯底放入金屬有機(jī)化學(xué)氣相化學(xué)沉積設(shè)備中，通入氫氣，反應(yīng)室溫度升高到1300攝氏度，對(duì)襯底片進(jìn)行高溫清洗；
[0017](2)將反應(yīng)室溫度降低到1100度，通入氨氣、氫氣和三甲基鎵，在步驟(I)所述的襯底上生長(zhǎng)3um的非故意摻雜GaN緩沖層；
[0018](3)反應(yīng)室通入硅烷、氨氣、氫氣和三甲基鎵，在步驟(2)所述的GaN緩沖層上生長(zhǎng)N型GaN導(dǎo)電層，厚度4um，摻雜濃度5 X 118Cm 3；
[0019](4)反應(yīng)室溫度保持1100攝氏度，通入硅烷、氨氣、氮?dú)?、三甲基鎵和三甲基銦，在步驟(3)所述的N型摻GaN導(dǎo)電層上生長(zhǎng)GaN多量子阱勢(shì)皇層；
[0020](5)反應(yīng)室溫度降低到700攝氏度度，通入氨氣、氮?dú)?、三甲基鎵和三甲基銦，在步驟(4)所述的InGaN多量子阱勢(shì)皇層上生長(zhǎng)InGaN多量子阱勢(shì)阱層；
[0021](6)循環(huán)重復(fù)如下步驟(a)、步驟(b) 4次，得到InGaN/InGaN多量子阱有源區(qū):
[0022](a)將反應(yīng)室溫度升至1100攝氏度，繼續(xù)生長(zhǎng)GaN多量子阱勢(shì)皇層；
[0023](b)反應(yīng)室溫度降低到700攝氏度度，在步驟(a)所述的GaN多量子阱勢(shì)皇層上生長(zhǎng)InGaN多量子阱勢(shì)阱層；
[0024](7)反應(yīng)室通入二茂鎂、氨氣、氮?dú)?、三甲基鎵和三甲基鋁，溫度提高到800攝氏度，在步驟(6)所述的有源區(qū)上生長(zhǎng)P型AlGaN導(dǎo)電層，期間保持三甲基鎵氣流流量恒定，使三甲基鋁氣流流量隨生長(zhǎng)時(shí)間線(xiàn)性增長(zhǎng)，使鋁組分沿生長(zhǎng)方向，從X線(xiàn)性遞增到Y(jié)，生長(zhǎng)厚度為200 nm，摻雜濃度5 X 117Cm 3。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是:采用P型Al組分漸變AlGaN層作為P型導(dǎo)電層，替代傳統(tǒng)的在GaN量子阱勢(shì)皇層上先后生長(zhǎng)的P型AlGaN電子阻擋層和P型GaN導(dǎo)電層，解決了傳統(tǒng)方法由極化電場(chǎng)所引起的空穴注入效率低、阻擋電子溢出效果差的問(wèn)題，有效地提高了 GaN紫外LED的空穴注入多量子阱有源區(qū)