CN102820394B - 一种采用铝组分渐变电子阻挡层的led结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用铝组分渐变电子阻挡层的LED结构。所述铝组分渐变电子阻挡层是与多量子阱层的外层GaN垒接触一侧为低Al组分AlxGa1-xN，0≤x≤0.1，与p-GaN层接触一侧为高Al组分AlyGa1-yN，0.1＜y≤0.4，中间部分Al组分的量呈递增线性变化。电子阻挡层与GaN垒接触一侧为低Al组分AlGaN，有效地减小了其与GaN垒界面间极化电荷的密度，极化场被减弱，从而使得界面二维电子气浓度大幅降低，减小了漏电流，总体上提高器件的内量子效率并解决了量子效率衰减问题。
Description
技术领域
本发明涉及采用铝组分渐变电子阻挡层的LED结构，属于光电子技术领域。
背景技术
III V族宽禁带直接带隙半导体具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高硬度、稳定的化学性质、较小介电常数和耐高温的一系列优点，因此其在高亮度蓝色发光二极管、蓝色半导体激光器以及抗辐射、高频、高温、高压等电子电力器件中有着广泛的实际应用和巨大的市场前景。GaN是半导体III族氮化物的基本材料，质地坚硬，且化学性质异常稳定，室温下不与酸、碱反应，不溶于水，具有较高的熔点1700℃。GaN具有优秀的电学性质，电子迁移率最高可达900cm2/(V·s)。n型掺杂的GaN材料很容易得到，但是p型掺杂GaN却不易得到，p型GaN曾经是GaN器件的制约瓶颈。在热退火技术提出之后，GaN较容易地实现了Mg杂质的掺杂，目前p型载流子浓度可以达到1017～1020/cm3。近十几年来，采用缓冲层的外延技术和p型掺杂的提高，使得GaN基器件研究重新振兴，变为热点。
GaN基多量子阱发光二极管(LED)已经进入市场并取得很大进展，但是芯片出光效率低下并且衰减的问题仍未得到很好解决。
在蓝宝石(α-Al2O3)或者碳化硅(SiC)衬底上沿着[0001]方向外延得到的GaN基材料存在自发极化和压电极化，致使能带产生严重弯曲。特别地，现有技术的通用结构中，GaN量子垒与AlGaN EBL界面处由于具有非常高的极化电荷密度，使得此界面处能带弯曲严重，导带产生明显凹陷，形成了浓度很高的二维电子气。如图1，导带的凹陷捕获了从量子阱内溢出的和从EBL反射回来的电子，整体上降低了EBL反射电子的能力，而且此处的二维电子气还会与空穴发生非辐射复合。总体来说，GaN垒与AlGaN EBL界面处的极化效应降低了器件的内量子效率。
CN101640236A(CN200810135058.1)公开了一种组合式电子阻挡层发光元件，可具有一有源发光层、一n型氮化镓层、以及一p型氮化镓层、以及两种能隙不同的三五族半导体层，具有周期性地重复沉积在上述有源发光层上，以作为一势垒较高的电子阻挡层，用以阻挡过多电子溢流有源发光层。该发明可以实现通过电子阻挡层阻挡电子溢流，以增加电子与空穴在有源发光层复合的机率，放出光子并且通过品格大小不同的三五族半导体层的组合，提供应力补偿，以减少其与有源发光层之间应力的累积。
CN101740681A(CN200910004817.5)供了一种氮化物半导体器件，包括：n型氮化物半导体层；p型氮化物半导体层；活性层，设置在n型氮化物半导体层和p型氮化物半导体层之间，并具有彼此交替地堆叠的量子阱层和量子垒层；电子阻挡层，设置在活性层和p型氮化物半导体层之间，并具有多个第一氮化物层和多个第二氮化物层，第一氮化物层由带隙能比量子垒层的带隙能高的材料形成，第二氮化物层由带隙能比第一氮化物层低的材料形成，第一和第二氮化物层彼此交替地堆叠，以形成堆叠结构，其中，多个第一氮化物层具有以预定倾斜度弯曲的能级，越接近p型氮化物半导体层，第一氮化物层的能级倾斜度越小。该发明通过使电子阻挡层能级总差异最小化来减小极化造成的影响，从而提高发光效率、降低工作电压。该技术方案的特点是在活性层和p型氮化物之间设置电子阻挡层来阻止电子泄漏，电子阻挡层是两种材料层的交替堆积，其中一种材料层具有预定倾斜度弯曲的能级，带隙宽度大于量子垒宽度，而且越接近p型氮化物层，其能带弯曲越小；另一种材料带隙宽度与量子垒相同。
以上技术方案中，所述的电子阻挡层是两种不同材料相互交替生长而成，形成了超品格结构；电子阻挡层在靠近有源区的部分依然存在较大极化电荷，此结构并没有消除电子阻挡层和有源区之间的二维电子气聚集。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种采用渐变铝组分电子阻挡层的LED结构。
本发明针对目前GaN LED器件中由于存在内建极化电场及能带弯曲的现象，特别是在GaN垒和传统AlGaN EBL界面处导带弯曲，且形成高密度二维电子气而导致内量子效率降低的这一严重问题，提出一种消除GaN垒与EBL界面处二维电子气的Al组分渐变AlGaN EBL结构。对于Al组分渐变的AlGaN EBL，在其与GaN垒交界处一侧，AlGaN为低Al组分；在其与p-GaN交界处的另一侧AlGaN为高Al组分，而在这两侧之间Al组分线性渐变。Al组分渐变的AlGaN使得GaN垒和EBL界面处二维电子气浓度降低或者消除，最终提高了器件的内量子效率。
术语说明：
LED，发光二极管的通称。
EBL，电子阻挡层(electron blocking layer)。
n-GaN层，n型GaN层，也称n型导电层。
p-GaN层，与p-GaN同义，也称p型导电层。
MQW，多量子阱层(Multiple Quantum Well)。
MOCVD，金属有机物化学气相沉积。
金属有机源TMGa和TMAl、TMIn：
TMGa：三甲基镓，分子式Ga(CH3)3，无色液体，熔点-15.8℃，沸点55.8℃，液体密度1.151g/cm3；
TMAl：三甲基铝，分子式Al(CH3)3，无色液体，熔点15℃，沸点126℃，密度0.752g/cm3；
TMIn：三甲基铟，分子式In(CH3)3，无色结晶，熔点89℃，沸点135.8℃，密度1.568g/cm3。
本发明技术方案如下：
一种LED外延结构，包括衬底层，成核层，缓冲层，n-GaN层，多量子阱层，铝组分渐变电子阻挡层，p-GaN层，欧姆接触层；如图3所示。其中，
所述铝组分渐变电子阻挡层，与多量子阱层的外层GaN垒接触一侧为低Al组分AlxGa1-xN，0≤x≤0.1，与p-GaN层接触一侧为高Al组分AlyGa1-yN，0.1＜y≤0.4，中间部分Al组分的量呈递增线性变化，即铝组分ρ在外延生长方向的梯度为常数k：0＜k≤0.4。如图2所示。
优选的，所述的铝组分渐变电子阻挡层厚度d为1-100nm。
k＝(y-x)/d，d为电子阻挡层的厚度。k最大值为(0.4-0)/1＝0.4；当电子阻挡层低铝端Al组分为0.1，高铝端铝组分趋于(大于但是不等于)0.1时，k趋于0；因此k范围为0＜k≤0.4。
根据本发明，所述衬底层、成核层、缓冲层、n-GaN层、多量子阱层、p-GaN层、欧姆接触层可参照现有技术；本发明优选的技术方案如下：
所述的成核层是厚度为1nm-50nm的非掺杂GaN，所述的缓冲层是厚度为2μm-250μm的非掺杂GaN。
所述的n-GaN层是厚度为0.3μm-8μm的掺Si的n型GaN，Si的掺杂浓度为5×1017cm-3-5×1019cm-3。
所述的多量子阱层是交替生长的厚度为2-20nm的InGaN阱和厚度为10-30nm的GaN垒，重复周期为2-25个。
所述的p-GaN层是厚度为100nm-200nm的掺Mg的p型GaN层，Mg掺杂浓度为5×1019cm-3-5×1020cm-3。
所述的欧姆接触层为TiAlNiAu电极。所述的衬底层为蓝宝石衬底或碳化硅衬底。
根据本发明，所述LED外延结构的制备方法，包括采用MOCVD方法依次对衬底层、成核层、缓冲层、n-GaN层、多量子阱层、铝组分渐变电子阻挡层、p-GaN层进行外延生长，其中，所述铝组分渐变电子阻挡层的生长方法如下：
MOCVD反应腔室中，将温度调节至800℃-1100℃，通入金属有机源TMGa和TMAl，生长1nm-100nm厚的Al组分渐变电子阻挡层。通过控制源气体流量使得与GaN垒接触一侧为低Al组分AlxGa1-xN，0≤x≤0.1；与p-GaN接触的一侧为高Al组分AlyGa1-yN，0.1＜y≤0.4。中间部分AlGaN的Al组分的量从GaN垒一侧至p-GaN一侧呈递增线性变化，即铝组分ρ在外延生长方向的梯度为常数k：0＜k≤0.4。
在上述制备方法中，源气体流量控制是：使TMGa气流流量恒定，TMAl气流流量随生长时间线性增长。
本发明所说的Al组分渐变电子阻挡层是一个整层。这一层生长在多量子阱有源区之上，有源区最外层是GaN垒，固Al渐变阻挡层就是长在GaN垒上，从开始的低铝组分到最后的高铝组分都是渐变的。生长渐变Al组分AlGaN，和恒定Al的AlGaN外延生长现有技术相同，所不同的是在生长过程中控制TMAl流量为递增的，以使得Al组分含量递增。本领域的技术人员知晓此生长过程。本发明生长过程中使用的材料都是本领域常用的外延生长材料。
更为详细的，所述LED外延结构的制备方法，包括步骤如下：
1)在MOCVD反应腔室中将衬底层加热到500℃-1200℃，在氢气气氛下处理5分钟，然后温度降至500℃-600℃生长非掺杂GaN成核层，厚度1nm-50nm；然后温度升到600℃-1300℃，氢气作为载气，生长2μm-250μm厚的非掺杂GaN缓冲层；
2)MOCVD反应腔室中，将温度调节至850℃-1200℃，氢气作为载气的条件下，生长厚度为0.3μm-8μm的掺Si的n型GaN层，Si的掺杂浓度为5×1017cm-3-5×1019cm-3；
3)MOCVD反应腔室中，将温度调节至520℃-1100℃，通入金属有机源TMGa、TMIn和TMAl，所述的多量子阱层是交替生长的厚度为2-20nm的InGaN阱和厚度为10-30nm的GaN垒，重复周期为2-25个；
4)MOCVD反应腔室中，将温度调节至800℃-1100℃，通入金属有机源TMGa和TMAl，TMGa流量恒定，TMAl流量随生长时间线性增长，生长1nm-100nm厚的Al组分渐变EBL层；使得与GaN垒接触一侧为低Al组分AlxGa1-xN，且0≤x≤0.1；与p-GaN接触的另一侧为高Al组分AlyGa1-yN，且0.1＜y≤0.4。中间部分AlGaN的Al组分线性变化，铝组分ρ在外延生长方向的梯度为常数k：0＜k≤0.4。
5)MOCVD反应腔室中，将温度调节至680℃-1050℃，生长100nm-200nm厚的掺Mg的p型GaN层，Mg掺杂浓度为5×1019cm-3-5×1020cm-3；
6)最后，在n型GaN层和p型GaN层上分别制作TiAlNiAu电极，制作成欧姆接触层。
本发明的特点及优良效果如下：
1、本发明电子阻挡层只用AlGaN材料，克服了交替生长两种材料组成的超品格结构的缺陷；2、本发明采用铝组分渐变的AlGaN电子阻挡层(EBL)取代传统的铝组分恒定的AlGaN电子阻挡层。电子阻挡层在与GaN垒交界处一侧，为低铝组分；在其与p-GaN交界处的另一侧为高铝组分，在这两侧之间铝组分线性渐变。电子阻挡层的铝组分从有源区到p侧线性连续渐变。在靠近有源区部位，电子阻挡层和GaN垒组分相近，二者界面处极化基本匹配，能带弯曲大大减弱。较小的能带弯曲对溢出量子阱以及从EBL反射回的电子的捕获能力减弱，从而消除了此处的高浓度二维电子气。另一方面也提高了EBL反射电子的能力，同时减弱了空穴向n侧输运的势垒，从整体上提高了载流子注入效率，也提高了器件的内量子效率。
附图说明
图1是具有Al组分恒定电子阻挡层的对比例的能带图。
图2是本发明实施例1Al组分渐变电子阻挡层结构的能带图。
图3是本发明的LED外延结构示意图。
图4是对比例(普通结构)和实施例1(Al组分渐变结构)的内量子效率随注入电流密度变化的模拟曲线。横坐标为电流密度(A/cm2)，纵坐标是内量子效率(是比值，单位为1)。
图5是对比例(普通结构)和实施例1(Al组分渐变结构)的输出光功率随注入电流密度变化的模拟曲线。横坐标为电流密度(A/cm2)，纵坐标是输出光功率(单位是mW)。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1、
本发明利用MOCVD生长技术在蓝宝石衬底上生长含有渐变Al组分EBL的LED外延结构。具体包括如下步骤：
1)成核层和缓冲层：在MOCVD反应腔室中将衬底加热到1100℃，在氢气气氛下处理5分钟，然后温度降至530℃生长厚度为40nm的GaN成核层；然后温度升到1070℃，氢气作为载气，生长厚度为3μm的非掺杂GaN缓冲层；
2)在MOCVD反应腔室中，将温度调节至1050℃，生长3.5μm厚的掺Si的n型GaN层，Si的掺杂浓度范围为：5×1018cm-3；
3)在MOCVD反应腔室中，通入金属有机源TMGa、TMIn，生长多量子阱层，所述的多量子阱层是交替生长的厚度为3nm的InGaN阱(750℃)和厚度为14nm的GaN垒(800℃)，重复周期5个(6个垒夹杂5个阱)；
4)MOCVD反应腔室中，将温度调节至900℃，通入金属有机源TMGa和TMAl，TMGa流量恒定50cc/min，TMAl开始流量为0cc/min，随生长时间以6.67cc/min的速率线性增长至20cc/min，生长30nm厚的Al组分渐变EBL层。其中，与GaN垒接触一侧为低Al组分AlxGa1-xN，x＝0；与p-GaN接触的另一侧为高Al组分AlyGa1-yN，y＝0.2。中间部分AlGaN的Al组分线性变化。铝组分ρ在外延生长方向的梯度为常数k＝(0.2-0)/30＝0.0067。
5)在MOCVD反应腔室中，将温度提高至850℃，生长150nm厚的掺Mg的p型GaN层，Mg掺杂浓度范围为1×1020cm-3；
6)最后在n型GaN层和p型GaN层上分别制作TiAlNiAu电极，制成欧姆接触层。
实施例2、
本发明利用MOCVD生长技术在蓝宝石衬底上生长含有渐变Al组分EBL的LED外延结构。具体包括如下步骤：
1)成核层和缓冲层：在MOCVD反应腔室中将衬底加热到1100℃，在氢气气氛下处理5分钟，然后温度降至530℃生长厚度为40nm的GaN成核层；然后温度升到1070℃，氢气作为载气，生长厚度为3μm的非掺杂GaN缓冲层；
2)在MOCVD反应腔室中，将温度调节至1050℃，生长3.5μm厚的掺Si的n型GaN层，Si的掺杂浓度范围为：5×1018cm-3；
3)在MOCVD反应腔室中，通入金属有机源TMGa、TMIn，生长多量子阱层，所述的多量子阱层是交替生长的厚度为3nm的InGaN阱(750℃)和厚度为14nm的GaN垒(800℃)，重复周期5个(6个垒夹杂5个阱)；
4)MOCVD反应腔室中，将温度调节至900℃，通入金属有机源TMGa和TMAl，TMGa流量恒定50cc/min，TMAl开始流量为5cc/min，随生长时间以8.33cc/min的速率线性增长至30cc/min，生长30nm厚的Al组分渐变EBL层。其中，与GaN垒接触一侧为低Al组分AlxGa1-xN，x＝0.05；与p-GaN接触的另一侧为高Al组分AlyGa1-yN，y＝0.3。中间部分AlGaN的Al组分线性变化。铝组分ρ在外延生长方向的梯度为常数k＝(0.3-0.005)/30＝0.0098。
5)在MOCVD反应腔室中，将温度提高至850℃，生长150nm厚的掺Mg的p型GaN层，Mg掺杂浓度范围为1×1020cm-3；
6)最后在n型GaN层和p型GaN层上分别制作TiAlNiAu电极，制成欧姆接触层。
对比例：
生长铝组分恒定电子阻挡层普通LED结构，采用实施例1的生长步骤，不同的是将实施例1中的步骤4)替代为：MOCVD反应腔室中，将温度调节至900℃，通入金属有机源TMGa和TMAl，生长30nm厚的Al组分恒定EBL层。其中AlxGa1-xN中，Al组分的量x为0.15。
对比结果：
经过理论模拟(300K温度下)，实施例1(Al组分渐变EBL的LED结构)和对比例(Al组分恒定EBL普通结构)的内量子效率曲线和输出光功率曲线分别如图4和图5。
量子效率：图4是对比例(普通结构)和实施例1(Al组分渐变结构)的内量子效率随注入电流密度变化的模拟曲线。对比例的内量子效率在小电流密度(5A/cm2)下达到最大值(92.9％)，此后随着电流密度增加迅速衰减；实施例1的内量子效率在较高电流密度(33A/cm2)下达到最大值(95.6％)，而且随电流密度增加衰减十分缓慢。
输出光功率：图5是对比例(普通结构)和实施例1(Al组分渐变结构)的输出光功率随注入电流密度变化的模拟曲线，与二者内量子效率曲线的趋势一致：对比例的光功率数值较小而且随注入电流密度增加呈现出饱和趋势；实施例的光功率数值高于对比例，并且没有饱和趋势。50A/cm2电流密度注入下(等效于20mA注入)，实施例1的光功率(25.7mW)是对比例(12.3mW)的2.1倍。
Claims (9)
1.一种采用铝组分渐变电子阻挡层的LED外延结构，包括衬底层，成核层，缓冲层，n－GaN层，多量子阱层，铝组分渐变电子阻挡层，p－GaN层，欧姆接触层；其中，所述铝组分渐变电子阻挡层是按以下方法制备的：
MOCVD反应腔室中，将温度调节至800℃-1100℃，通入金属有机源TMGa和TMAl，使TMGa气流流量恒定，TMAl气流流量随生长时间线性增长，生长1nm-100nm厚的Al组分渐变电子阻挡层；使得与GaN垒接触一侧为低Al组分AlxGa1-xN，0≤x≤0.1；与p-GaN接触的一侧为高Al组分AlyGa1-yN，0.1＜y≤0.4；中间部分AlGaN 的Al组分的量从GaN垒一侧至p-GaN一侧呈递增线性变化，即铝组分在外延生长方向的梯度为常数k:，0＜k≤0.4。
2.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述的铝组分渐变电子阻挡层厚度d为1-100nm。
3.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述的成核层是厚度为1nm-50nm的非掺杂GaN，所述的缓冲层是厚度为2μm-250μm的非掺杂GaN。
4.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述的n－GaN层是厚度为0.3μm-8μm的掺Si的n型GaN，Si的掺杂浓度为5×1017cm-3—5×1019cm-3。
5.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述的多量子阱层是交替生长的厚度为2-20nm的InGaN阱和厚度为10-30nm的GaN垒，重复周期为2-25个。
6.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述的p－GaN层是厚度为100nm-200nm的掺Mg的p型GaN层，Mg掺杂浓度为5×1019cm-3—5×1020cm-3。
7.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述的欧姆接触层为TiAlNiAu电极。
8.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述的衬底层为蓝宝石衬底或碳化硅衬底。
9.权利要求1~8任一项所述的LED外延结构的制备方法，包括步骤如下：
（1）在MOCVD反应腔室中将衬底层加热到500℃ -1200℃，在氢气气氛下处理5分钟，然后温度降至500℃ -600℃，生长非掺杂GaN成核层,厚度1nm-50nm；然后温度升到600℃ -1300℃，氢气作为载气，生长2μm-250μm厚的非掺杂GaN缓冲层；
（2）MOCVD反应腔室中，将温度调节至850℃ -1200℃，氢气作为载气的条件下，生长厚度为0.3μm-8μm的掺Si的n型GaN层，Si的掺杂浓度为5×1017cm-3—5×1019cm-3；
（3）MOCVD反应腔室中，将温度调节至520℃ -1100℃，通入金属有机源TMGa、TMIn和TMAl，所述的多量子阱层是交替生长的厚度为2-20nm的InGaN阱和厚度为10-30nm的GaN垒，重复周期为2-25个；
（4）MOCVD反应腔室中，将温度调节至800℃ -1100℃，通入金属有机源TMGa和TMAl，TMGa流量恒定，TMAl流量随生长时间线性增长，生长1nm-100nm厚的Al组分渐变EBL层；使得与GaN垒接触一侧为低Al组分AlxGa1-xN，且0≤x≤0.1；与p-GaN接触的另一侧为高Al组分AlyGa1-yN，且0.1＜y≤0.4；中间部分AlGaN 的Al组分线性变化，铝组分在外延生长方向的梯度为常数k:，0＜k≤0.4；
（5）MOCVD反应腔室中，将温度调节至680℃ -1050℃，生长100nm-200nm厚的掺Mg的 p型GaN层，Mg掺杂浓度为5×1019cm-3—5×1020cm-3；
（6）最后，在n型GaN层和p型GaN层上分别制作TiAlNiAu电极，制作成欧姆接触层。
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