CN103545405B - 氮化物发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化物发光二极管及其制备方法，属于光电器件制备领域。其具体结构包含：衬底、n型氮化物、发光层、p型氮化物层、p+型层、氮化铟铝层、n+型层、ITO透明电极。采用具有氮化铟铝插入层的隧穿结构作为接触层，能够在隧穿结界面处产生极化电荷，同时保持耗尽区的有效宽度，提升空穴的隧穿几率，减小接触电阻。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件制备领域，尤其涉及氮化物半导体LED的制备技术。
背景技术
随着氮化物LED技术的不断发展，用其制备的发光二极管等光电器件，被广泛应用于固态显示、照明和信号灯等领域。尽管使用氮化镓基发光二极管作为光源替代传统光源已成为不可逆转的趋势，但要完全取代现有的照明和显示技术，必须要实现更高的电光转换效率。在诸多问题中，如何降低器件的工作电压和散热是迫切需要解决的关键问题之一。
发明内容
本发明的目的是：提供一种具有隧穿接触层的发光二极管及其制备方法，该隧穿接触层包含氮化铟铝镓渐变层，目的在于优化接触层的能带结构，利用晶格失配产生的极化电荷增加空穴的隧穿几率，降低二极管的工作电压。
本发明的技术方案为：氮化物发光二极管，该发光二极管包括：衬底、n型氮化物层、发光层、p型氮化物层、p+型氮化物层、氮化铟铝层、n+型氮化物层。在具体实施方式中还可以包括：低温缓冲层、电子阻挡层、透明导电层等。所述p+型氮化物层、氮化铟铝镓渐变层及n+型氮化物层构成隧穿结，所述氮化铟铝镓渐变层与p+、n+型氮化物层之间界面处具有因晶格失配产生的极化电荷，可增加空穴的隧穿几率，降低电阻率。
进一步地，隧穿结中p+型氮化物层、n+型氮化物层的禁带宽度大于氮化铟铝镓渐变层禁带宽度的最大值。
进一步地，隧穿结中p+型氮化物层掺杂浓度为1E19~1E21cm-3，厚度为0.1~20nm；n+型氮化物层掺杂浓度为1E19~1E21cm-3，厚度为0.1~20nm。
进一步地，氮化铟铝镓渐变层的厚度为0.1~20nm。
进一步地，所述氮化铟铝镓渐变层的带隙宽度大于量子阱的禁带宽度，目的在于避免所述氮化铟铝镓渐变层对量子阱区发光的吸收。
进一步地，所述氮化铟铝镓渐变层的组分渐变。在一些实施例中，所述氮化铟铝镓渐变层为铟组分呈先递增、再递减的倒立V型渐变结构，在氮化铟铝镓渐变层的正中心具有最高铟组分。在一些实施例中，氮化铟铝镓渐变插入层的组分渐变方式为铝组分呈先递减、接着保持不变，再递增的梯形渐变结构。在一些实施例中，可以包含铟和铝组分同时渐变的组合方式。在一些实施例中，渐变方式还可以是正弦、锯齿或者台阶状，或是其中两种或多种的组合形式。
前述氮化物发光二极管通过下面方法获得：提供衬底；依次在所述衬底上生长低温缓冲层、非掺氮化物层、n型氮化物层、发光层、电子阻挡层、p型氮化物层、p+型氮化物层氮化铟铝镓渐变层、n+型氮化物层；其中所述p+型氮化物层、氮化铟铝镓渐变插入层和n+型氮化物层构成隧穿结。
进一步地，所述n+型氮化物层、p+型氮化层的生长温度为850~1000℃。
进一步地，所述氮化铟铝镓渐变层的生长温度为700~900℃。
在一些实施例中，上述方法中生长方向为晶体学C面，极性为镓极性。
在一些实施例中，上述方法中生长方向为晶体学C面，极性为氮极性。
在本发明中，相比于传统高掺p型层，高掺n型层具有更低的材料电阻率和更低的电子功函数，作为与半导体透明电极的接触层能够增加空穴注入时电流横向分布的均匀性；在隧穿结构中引入氮化铟铝镓渐变层，能够保持界面处的极化电荷在有效密度的水平，减小耗尽区平均带隙宽度，使空穴从高掺杂n型氮化物层隧穿至高掺p型氮化物层的概率增加，增加注入电流，减小电阻率，提升空穴注入效率。进一步地，还能够起到减小器件发热量，增加散热的目的。
附图说明
图1为本发明实施例1的氮化物发光二极管剖视图。
图2为传统发光二极管隧穿结构能带图。
图3为本发明实施例1的氮化物发光二极管隧穿结构能带图。
图4为本发明实施例1之隧穿结构极化电荷分布示意图。
图5为本发明实施例2的氮化物发光二极管隧穿结构生长过程示意图。
图6为本发明实施例2的氮化物发光二极管隧穿结构能带图。
图7为本发明实施例3的氮化物发光二极管隧穿结构能带图。
图8为本发明实施例5的氮化物的隧穿结构极化电荷分布示意图。
具体实施方式
为使本发明一种具有隧穿接触层的氮化物发光二极管及其制备方法更易于理解其实质性特点及其所具的实用性，下面便结合附图对本发明若干具体实施例作进一步的详细说明。但以下关于实施例的描述及说明对本发明保护范围不构成任何限制。
实施例1
图1简单示意了根据本发明实施的一种氮化物发光二极管的剖面图，从下至上依次为：一衬底101、一低温缓冲层102、一非掺氮化物层103、一n型氮化物层104、、一多量子阱区105、一电子阻挡层106、一p型氮化物层107、一p+型氮化物层108、一氮化铟铝层109、一n+型氮化物层110、一ITO透明电极层111。
其中，p+型氮化物层108、氮化铟铝镓渐变层109及n+型氮化物层110构成隧穿结。在所述隧穿结构中，氮化铟铝镓渐变层与高掺p、n型氮化物层之间界面处具有因晶格失配产生的极化电荷，可增加空穴的隧穿几率，降低电阻率，降低发光二极管工作电压。
图3为上述结构中隧穿结的能带结构示意图。相对于传统无插入层的隧穿结（能带结构如图2）而言，上述方法中隧穿结具有带隙宽度更窄的氮化铟铝镓渐变层109，该插入层109处于传统隧穿结耗尽区所在位置，厚度为0.1~20nm。因为氮化铟铝镓与n+型和p+型氮化物层之间的晶格差异，使界面处由于压电极化效应出现极化电荷和极化电场，极化电荷分布如图4。
具体地，上述结构中隧穿结构的隧穿几率满足如下表达式：
（1）
（1）式中，Pt为载流子隧穿几率，m *为参与隧穿的载流子有效质量，e为电子电量，E g 、E分别为辅助隧穿区域材料的禁带宽度和电场。
为了降低器件工作电压，有效的办法是增加隧穿几率。从表达式（1）看出，增加隧穿几率Pt的方法是减小材料禁带宽度E g 或者增加耗尽区的电场E，相对于传统无渐变插入层的隧穿结构而言，氮化铟铝镓渐变层具有更小的禁带宽度，使隧穿几率增加；并且在因为压电极化场和极化电荷，能进一步增加载流子的隧穿几率。
实施例2
本实施例区别于实施例1在于：隧穿结中氮化铟铝镓渐变层109为组分渐变层，下面结合制备方法进行详细说明。
（1）生长高掺p型氮化物层108
在金属有机化学气相沉积（MOCVD）反应室中，使生长完p型氮化物层107的外延片表面温度维持在800~1000℃（优选的为930℃），在如下条件下生长高掺p型氮化物层108：生长反应室压力为50~500mbar，优选的为200mbar，以三甲基镓(TMGa)和氨气(NH3)分别为Ga源和N源，载气为H2，掺杂剂为二戊基镁(Cp2Mg)。生长厚度为0.1~20nm，掺杂浓度为1E19~1E21cm-3。
（2）生长氮化铟铝镓渐变层109
在高掺杂p型氮化物层108上生长氮化铟铝镓渐变层109，其生长条件为：反应室压力为50~500mbar，优选的为200mbar，衬底温度650~850℃，优选的为770℃，三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)分别为Ga、In、Al源和N源，载气为H2。图5为隧穿结120生长过程中的温度和流量随时间的演化示意图，生长氮化铟铝镓渐变层时，TMGa、TMAl和NH3的流量保持不变，TMIn的流量从初始值变化到最大值，再变化至初始值。实现外延层中铟组分先增加后减小，从而获得图3中的能带结构。氮化铟铝镓渐变层铟组分的初始值为5~10%，最大值为10~20%，厚度为0.1~20nm。
当氮化铟铝镓渐变层中铟的组分以初始值5~10%接触两侧的氮化物层时，会在界面处产生一定量的极化电荷，并在渐变插入层内部产生耗尽区，厚度为0.1~20nm。应该注意的是，若初始值过高会使耗尽区的宽度变宽，这样相反会降低隧穿几率。采用组分渐变的氮化铟铝镓渐变层109，能够在获得极化电荷增加隧穿几率的前提下获得厚度为0.1~20nm的耗尽区宽度，增加隧穿几率，降低电阻率。图6显示了本实施例之氮化物发光二极管隧穿结构能带图。
（3）生长高掺n型氮化物层110
在氮化铟铝镓渐变层109上生长高掺杂n型氮化物层110，其生长条件为：使生长完氮化铟铝家109的外延片表面温度维持在800~1000℃，优选的为930℃，在如下条件下生长高掺n型氮化物层110：生长反应室压力为50~500mbar，优选的为200mbar，以三甲基镓(TMGa)和氨气(NH3)分别为Ga源和N源，载气为H2，掺杂剂为硅烷(SiH4)。生长厚度为0.1~20nm，掺杂浓度为1E19~1E21cm-3。
实施例3
本实施例区别于实施例2在于：生长组分渐变的氮化铟铝镓渐变层109时，TMIn的流量从初始值变化到最大值，维持一段时间，优选的为整个渐变层生长时间的1/3，再变化至初始值，使能带变化具有如图7所示的形状，这样能够进一步增加渐变插入层的平均铟组分，减小平均禁带宽度Eg，增加隧穿几率。
实施例4
本实施例区别于实施例2在于：生长组分渐变的氮化铟铝镓渐变层109时，其他源的流量不变，TMAl的流量从初始值变化到最小值，再变化至初始值。采用该渐变方式也能使带变化具有如图6所示的形状，这样能够减小平均禁带宽度Eg，增加隧穿几率。
实施例5
本实施例区别于实施例2在于：生长隧穿结120时，生长面的极性为氮极性。当生长面为氮极性时，会在高掺p型层与氮化铟铝镓渐变层界面处产生正电荷，图8为本发明具有氮极性生长面的隧穿结构极化电荷分布示意图。这样使极化场与p-n结耗尽区的电场方向一致，能够进一步增加隧穿几率，降低电阻率，提升发光二级管的功效。
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，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 (11)
1.氮化物发光二极管，包括：
衬底；
n型氮化物层，形成于所述衬底之上；
发光层，形成于n型氮化物层之上；
p型氮化物层，形成于所述发光层之上；
p+型氮化物层，形成于所述p型氮化物层之上；
氮化铟铝镓渐变层，形成于p+型氮化物层之上；
n+型氮化物层、形成于所述氮化铟铝镓渐变层之上；
所述p+型氮化物层、氮化铟铝镓渐变层和n+型氮化物层构成隧穿结。
2.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述氮化铟铝镓渐变层与所述n+型氮化物层、p+型氮化物层的界面处具有因晶格失配而产生的极化电荷。
3.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述氮化铟铝镓渐变层的带隙宽度大于所述发光层带隙宽度。
4.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述p+型氮化物层、n+型氮化物层的禁带宽度大于所述氮化铟铝镓渐变层禁带宽度。
5.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述氮化铟铝镓渐变层的组分为渐变的。
6.根据权利要求5所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述氮化铟铝镓渐变层中，铟组分呈先递增、再递减的倒立V型渐变结构，在氮化铟铝镓层的正中心具有最高铟组分。
7.根据权利要求5所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述氮化铟铝镓渐变层中，铟组分呈先递增、接着保持不变、再递减的梯形渐变结构。
8.根据权利要求5所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述氮化铟铝镓渐变层中，铝组分呈先递减、接着保持不变，再递增的梯形渐变结构。
9.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述氮化铟铝镓渐变层的厚度为0.1~20nm。
10.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述p+型氮化物层掺杂浓度为1E19~1E21cm-3，厚度为0.1~20nm。
11.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述n+型氮化物层掺杂浓度为1E19~1E21cm-3，厚度为0.1~20nm。
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