CN103489975B - 一种具有隧道结结构的氮极性面发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有隧道结结构的氮极性面发光二极管，包括由下至上依次设置的蓝宝石衬底、低温成核层、非掺杂半导体层、n型半导体层、多量子阱有源层、p‑AlGaN电子阻挡层、p型半导体层、p+‑GaN层、非掺杂InxAlyGa1‑x‑yN层、n型超晶格结构层和金属电极，所述p+‑GaN层、非掺杂InxAlyGa1‑x‑yN层和n型超晶格结构层共同构成p‑i‑n隧道结结构。本发明利用p‑i‑n隧道结结构作为LED芯片顶部的欧姆接触层，既可以提高LED器件电流扩展能力，从而降低整个芯片的开启电压，又能有效地提高芯片的光输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种以p-i-n隧道结作为LED芯片顶部欧姆接触层结构的氮极性面发光二极管，属于半导体光电子材料与器件制造技术。
背景技术
LED作为新型高效的固态光源，具有节能、环保、寿命长、体积小、低工作电压等显著优点，在世界范围内获得了广泛的应用。
既有的由III-V族化合物半导体材料制成的LED中，III-V族化合物半导体材料都是沿[0001]方向即C面方向生长，最终得到金属极性面的氮化镓、氮化铝以及它们的合金晶体。在既有的LED中，p型AlGaN/GaN和p型InGaN/GaN已经被广泛应用作为p端与金属电极之间的欧姆接触层，以此获得较低的欧姆接触电阻，从而降低芯片的开启电压（参考文献A.Khan,K.Balakrishnan,and T.Katona,Nature Photonics2,77(2008)和J.S.Jang,Appl.Phys.Lett.93,081118(2008)）。
另外，也有研究组利用p+-n+隧道结结构作为最顶部的欧姆接触层，以提高芯片的输出功率和电流的横向传播能力，同时减少芯片的串联电阻，降低芯片的开启电压（参考文献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.W.Hwang,and S.J.Son,Phys.Status Solidi A188,167(2001)、S.R.Jeon,Y.H.Song,H.J.Jang,G.M.Yang,S.W.Hwang,and S.J.Son,Appl.Phys.Lett.78,3265(2001)和J.K.Sheu,J.M.Tsai,Electron Device Letters,IEEE Volume.22,NO.10,(2001)）。
但是，在既有的、以沿着[0001]方向生长的III-V族化合物半导体材料所制造的LED芯片中，即使是利用p+-GaN/n+-GaN隧道结结构作为p型半导体区最顶部的欧姆接触层，电子的隧穿几率仍然不是很高。而且要得到沿[0001]方向生长的、具有高空穴浓度的p+-GaN层并不容易。另外，要得到空穴浓度很高的p+-GaN，需要进行金属Mg的重度掺杂，而太高的Mg掺杂可能引起GaN表面从镓极性反转为氮极性，将会很大程度地影响氮化镓基半导体材料的晶体质量，从而影响LED的性能。但若一开始即沿着[000-1]方向生长氮极性的GaN基半导体材料，将能够避免Mg的重度掺杂所引起的极性反转，因此可以得到具有更高空穴浓度的p型半导体材料。此外，仅仅利用n+-GaN层作为最顶部的半导体材料与金属电极间形成欧姆接触的方法在解决电流拥堵方面的效果，实践证明并不是十分明显。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种具有氮极性的p-i-n隧道结作为LED芯片顶部欧姆接触层结构的氮极性面发光二极管，通过以氮极性的p+-GaN层、非掺杂的InxAlyGa1-x-yN层、在非掺杂InxAlyGa1-x-yN层之上的n型AlGaN/GaN超晶格结构层三者共同构成的氮极性p-i-n隧道结结构替代传统的p+-GaN/n+-GaN隧道结结构，以有效地改善利用传统隧道结做为LED芯片顶部欧姆接触层的一些不足。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有隧道结结构的氮极性面发光二极管，包括由下至上依次设置的蓝宝石衬底、低温成核层、非掺杂半导体层、n型半导体层、多量子阱有源层、p-AlGaN电子阻挡层、p型半导体层、p+-GaN层、非掺杂InxAlyGa1-x-yN层、n型超晶格结构层和金属电极，所述p+-GaN层、非掺杂InxAlyGa1-x-yN层和n型超晶格结构层共同构成p-i-n隧道结结构。
优选的，所述蓝宝石衬底为朝M或A面方向具有0.5～5°斜切角的C面晶体。
优选的，所述n型超晶格结构层为具有一定重复周期长度和数量的n型AlGaN/GaN超晶格结构层。
优选的，所述n型AlGaN/GaN超晶格结构层利用Si进行掺杂，其中Si的掺杂浓度为1×1017cm-3以上，可达1×1020cm-3。
优选的，所述n型AlGaN/GaN超晶格结构层中AlGaN层与GaN层的厚度均在0.5～7nm之间；以简化生长工艺，节省原料并且可有效地提高电子浓度，增加芯片中电流的扩展能力。
优选的，所述n型AlGaN/GaN超晶格结构层的重复周期数为1～10个；以更好地提高电子浓度，增加芯片中电流的扩展能力。
优选的，所述非掺杂InxAlyGa1-x-yN层中，下标满足如下要求：0≤x≤1，0≤y≤1，x+y=1。
优选的，所述非掺杂InxAlyGa1-x-yN层的厚度为0.5～10nm。
优选的，所述p+-GaN层利用Mg掺杂，其中Mg的掺杂浓度为1×1017cm-3以上，可达3×1020cm-3。
由于在n型AlGaN/GaN超晶格之中存在自发极化及压电极化产生的电场，导致在超晶格异质结界面附近存在大量的极化电荷，而这些高密度电荷的存在可进一步减少肖特基势垒的宽度，因此能够有效地降低LED芯片顶部欧姆接触层与金属电极间的接触电阻和开启电压。其次，在n型AlGaN/GaN超晶格异质结界面处，由于内部极化电场作用所形成的高密度二维电子气增加了隧道结隧穿区域中的电场作用，从而增加了隧道结结构中电子从p+-GaN层价带隧穿进入n型AlGaN/GaN导带区域的几率，在p+-GaN层的价带顶部产生更多的空穴，使这些空穴更容易进入到多量子阱有源区与电子复合发光，因而可改善LED的内量子效率。与此同时，在传统的p+-GaN/n+-GaN隧道结中，进入n+-GaN的隧穿电子会很快纵向流向与金属电极建立欧姆接触的区域，而在具有n型AlGaN/GaN超晶格结构的隧道结中，会在n型AlGaN/GaN超晶格异质结界面处形成二维电子气，有利于电子的横向传导，使电流横向传播更加容易，可有效地抑制电流拥堵现象的产生，进而提高芯片的输出功率。最后，在p-n结构中间加入一层非常薄的非掺杂InxAlyGa1-x-yN层作为i型区构成p-i-n隧道结结构，可以有效地减小p-n结工作时内部耗尽区的宽度，从而可减少电子隧穿的距离，增加电子隧穿的几率。
其中，非掺杂InxAlyGa1-x-yN层中各元素组分x、y的取值，需考虑该层对LED有源区发出光的吸收，具体可根据p-i-n隧道结结构是用于蓝光或者紫外LED而选定。但从理论上说，非掺杂层所用材料禁带宽度越小越有利于电子隧穿，所以在不会对有源区发出的光产生吸收的前提下可以通过调节x、y的取值，使i层的禁带宽度尽可能地小。由于本发明所提供的为沿[000-1]方向生长的氮极性LED器件，与传统的镓极性相比，可以大大提高In的并入效率，所以利用禁带宽度较小的InN或高In组分的InGaN作为i层材料也成为可能。同时，还可以通过改变x、y的取值，调节控制p-i-n隧道结中非掺杂的InxAlyGa1-x-yN层的晶格常数，从而改变内部因应变导致的压电极化效应而产生的极化电场的大小和方向，以产生有利于电子、空穴向有源区注入的电场。
有益效果：本发明提供的一种沿[000-1]方向生长的氮极性LED芯片，由于其中包含了以p+-GaN层、非掺杂的InxAlyGa1-x-yN层和在非掺杂的InxAlyGa1-x-yN层之上的n型超晶格结构层三者共同构成的p-i-n隧道结结构作为LED芯片顶部的欧姆接触层，能够在一定程度上改善既有的、沿[0001]方向生长的、利用p+-GaN/n+-GaN构成的隧道结作为顶部欧姆接触层的镓极性LED芯片的不足；本发明设计的沿[000-1]方向生长的氮极性p-i-n隧道结结构，可提高LED的欧姆接触及电流扩展能力，降低整个芯片的开启电压并提高芯片的光输出功率；这些优点在制备大功率LED芯片方面具有尤其重要的意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中p-i-n隧道结结构的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种沿[000-1]方向生长的、以p-i-n隧道结结构作为顶部欧姆接触层的氮极性面LED芯片，包括由下至上依次设置的蓝宝石衬底101、低温成核层102、非掺杂半导体层103、n型半导体层104、多量子阱有源层105、p-AlGaN电子阻挡层106、p型半导体层107、p+-GaN层108、非掺杂InxAlyGa1-x-yN层109、n型超晶格结构层110和金属电极111。
所述p+-GaN层108、非掺杂InxAlyGa1-x-yN层109和n型超晶格结构层110共同构成p-i-n隧道结结构。如图2所示为本例的p-i-n隧道结结构，所述n型超晶格结构层110为具有一定重复周期长度和数量的n型AlGaN/GaN超晶格结构层，图示中为2层AlGaN(110A)和2层GaN(110B)，即两个重复周期的n型AlGaN/GaN超晶格结构层构成。当然，n型AlGaN/GaN超晶格结构层并不局限于此，本领域的技术人员还可以根据需要，具体设置n型AlGaN/GaN超晶格结构层的重复周期，每个n型AlGaN/GaN超晶格层依次层叠排列；优选的重复周期数为1～10个，由此可以更好地提高电子浓度，增加芯片中电流的扩展能力。
优选的，所述n型AlGaN/GaN超晶格结构层中AlGaN层与GaN层的厚度均在0.5～7nm之间，以简化生长工艺，节省原料并且可有效地提高电子浓度，增加芯片中电流的扩展能力。优选的，所述n型AlGaN/GaN超晶格结构层利用Si进行掺杂，其中Si的掺杂浓度可达1×1020cm-3。
另外，本例中所述非掺杂InxAlyGa1-x-yN层109中，下标满足如下要求：0≤x≤1，0≤y≤1，x+y=1；其中，x、y的值可根据具体情况调整。在本实施例中，非掺杂InxAlyGa1-x-yN层109的厚度为3nm；同时，考虑使用禁带宽度较小的InGaN(y=0)作为蓝绿光LED芯片的i区材料，可以增加电子遂穿几率（但如果应用在紫外LED芯片中，考虑到i区对有源区发出光的吸收，也可使用AlN(x=0,y=1)作为i区材料）。当然，非掺杂InxAlyGa1-x-yN层109并不局限于上述几种情况，本领域技术人员还可以根据需要，设置不同的x、y值，构成不同组分比的非掺杂InxAlyGa1-x-yN层；此外，所述非掺杂InxAlyGa1-x-yN层109的厚度为0.5～10nm，这样可以得到最大的电子隧穿几率。
本例所使用的p+-GaN层108利用Mg掺杂，其中Mg的掺杂浓度可大于3×1020cm-3。
本例的氮极性LED芯片可外延生长在具有从M或A面方向偏离2°斜切角的C面的蓝宝石衬底上，并且在外延生长氮极性氮化镓基LED结构前，必须对蓝宝石衬底在NH3的氛围下，在合适的温度条件下进行氮化处理。
必须指出的是：本发明不仅适用于同侧结构的LED，对于垂直结构以及正、倒装结构的LED结构也同样适用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种具有隧道结结构的氮极性面发光二极管，其特征在于：包括由下至上依次设置的蓝宝石衬底(101)、低温成核层(102)、非掺杂半导体层(103)、n型半导体层(104)、多量子阱有源层(105)、p-AlGaN电子阻挡层(106)、p型半导体层(107)、p+-GaN层(108)、非掺杂InxAlyGa1-x-yN层(109)、n型超晶格结构层(110)和金属电极(111)，所述p+-GaN层(108)、非掺杂InxAlyGa1-x-yN层(109)和n型超晶格结构层(110)共同构成沿[000-1]方向生长的氮极性p-i-n隧道结结构。
2.根据权利要求1所述的具有隧道结结构的氮极性面发光二极管，其特征在于：所述蓝宝石衬底(101)为朝M或A面方向具有0.5～5°斜切角的C面晶体。
3.根据权利要求1所述的具有隧道结结构的氮极性面发光二极管，其特征在于：所述n型超晶格结构层(110)为具有一定重复周期长度和数量的n型AlGaN/GaN超晶格结构层。
4.根据权利要求3所述的具有隧道结结构的氮极性面发光二极管，其特征在于：所述n型AlGaN/GaN超晶格结构层利用Si进行掺杂，其中Si的掺杂浓度为1×1017cm-3以上。
5.根据权利要求3所述的具有隧道结结构的氮极性面发光二极管，其特征在于：所述n型AlGaN/GaN超晶格结构层中AlGaN层与GaN层的厚度均在0.5～7nm之间。
6.根据权利要求3所述的具有隧道结结构的氮极性面发光二极管，其特征在于：所述n型AlGaN/GaN超晶格结构层的重复周期数为2～10个。
7.根据权利要求1所述的具有隧道结结构的氮极性面发光二极管，其特征在于：所述非掺杂InxAlyGa1-x-yN层(109)中，下标满足如下要求：0≤x≤1，0≤y≤1，x+y＝1。
8.根据权利要求1所述的具有隧道结结构的氮极性面发光二极管，其特征在于：所述非掺杂InxAlyGa1-x-yN层(109)的厚度为0.5～10nm。
9.根据权利要求1所述的具有隧道结结构的氮极性面发光二极管，其特征在于：所述p+-GaN层(108)利用Mg掺杂，其中Mg的掺杂浓度为1×1017cm-3以上。
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