CN105679897B - 发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种发光二极管及其制备方法，至少包括：N型层、有源层、及位于有源层之上的低温P型GaN层和P型接触层，在低温P型GaN层和P型接触层之间插入一非P型氮化物层，取代高温P型GaN层，减小高温生长对量子阱的晶格质量的破坏及吸光性能，非P型氮化物层中高浓度二维电子气增加了电流的横向扩展能力，改善电流拥堵引起的器件局部过热易击穿特征，提升LED器件的抗静电能力。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种发光二极管及其制备方法。
背景技术
发光二极管（英文缩写为LED）是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光结构，近年来，以GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料受到了人们的广泛关注和大力研究，在大功率电子器件领域取得了显著的优势，并在近几年来取得了突破性的进展。
如附图1所示，传统的GaN基发光二极管结构，至少包括：N型层10、有源(MQW)层20、P型电子阻挡层30、低温P型GaN型40、高温P型GaN层50和P型接触层60，以及分别位于P型接触层60上的P电极70。由于P电极70与外延层的接触面积较小，当器件工作时，电流容易集中在电极附近而不利与电流的横向扩展，造成电流拥堵现象，因此，随着电压的升高，P电极70附近区域容由于电流的拥堵而易引起发光器件局部过热击穿。同时，高温P型GaN层50的生长温度为900~1050℃，该生长温度较高，会对已经生长完成的MQW层20造成结构内损伤，且其厚度为40~300nm，具有吸光性，从而降低了LED器件的发光效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发光二极管及其制备方法，用于解决现有技术中高温P型GaN层的吸光作用及电流横向扩展能力差造成的电流拥堵现象，改善LED器件的抗静电能力，提高其发光效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种发光二极管，至少包括：N型层、有源层、及位于有源层之上的低温P型GaN层和P型接触层，其特征在于：于所述低温P型GaN层和P型接触层之间插入一非P型氮化物层，所述非P型氮化物层包括u型氮化物层和n型氮化物层，所述u型氮化物层包括第一u型氮化物层和能带高于所述第一u型氮化物层的第二u型氮化物层，所述第一u型氮化物层与第二u型氮化物层的界面处形成二维电子气，所述n型氮化物层提高所述二维电子气浓度。
优选的，所述第一u型氮化物层与所述第二u型氮化物层界面处具有三角形极化带，所述二维电子气形成于三角形极化带内，当注入电流时，所述二维电子气增加电流的横向扩展能力。
优选的，所述第一u型氮化物层材料为u-GaN，第二u型氮化物层材料为u-AlxGa1- xN，n型氮化物层材料为n-AlyGa1-yN，其中，0＜x≤1，0≤y＜1。
优选的，所述u-AlxGa1-xN材料中，Al组分为5%~35%。
优选的，所述u型氮化物层为一对或者多对第一u型氮化物层和第二u型氮化物层。
优选的，所述n型氮化物层中n型杂质浓度为2×1017~1×1019/cm3。
优选的，所述第一u型氮化物层的厚度为1~30nm。
优选的，所述第二u型氮化物层的厚度为1~25nm。
优选的，所述n型氮化物层的厚度为1~25nm。
优选的，所述低温P型GaN层、P型接触层和非P型氮化物层的厚度小于等于1000Å。此外，本发明还提供了一种发光二极管的制备方法，至少包括依次沉积N型层、有源层、低温P型GaN层、P型接触层的步骤，其特在于：在沉积P型接触层之前还包括沉积一非P型氮化物层的步骤，所述非P型氮化物层包括依次沉积的第一u型氮化物层、第二u型氮化物层和n型氮化物层，所述第一u型氮化物层与第二u型氮化物层的界面处形成二维电子气，所述n型氮化物层提高所述二维电子气浓度。
优选的，所述第一u型氮化物层与所述第二u型氮化物层界面处具有三角形极化带，所述二维电子气形成于三角形极化带内，当注入电流时，所述二维电子气增加电流的横向扩展能力。
优选的，所述第一u型氮化物层材料为u-GaN，第二u型氮化物层材料为u-AlxGa1- xN，n型氮化物层材料为n-AlyGa1-yN，其中，0＜x≤1，0≤y＜1。
本发明至少具有以下有益效果：
（1）使用非P型氮化物层取代高温P型GaN层，通过减薄P型层提升发光二极管的外部光萃取效率。
（2）u型氮化物层中的二维电子气增加了电流的横向扩展能力，改善电流拥堵引起的器件局部过热易击穿特征，提升LED器件的抗静电能力。
（3）非P型氮化物层为u-GaN/u-AlxGa1-xN/n-AlyGa1-yN三层的设计，通过在二维电子气与P型接触层的接口处掺杂，使二维电子气浓度增加，u-AlxGa1-xN位于n-AlyGa1-yN与u-GaN，同时降低了n-AlyGa1-yN中的合金散射对载流子的影响，从而显著提高二维电子气的迁移率。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1 现有技术中发光二极管示意图；
图2 本发明具体实施方式之发光二极管示意图；
图3 本发明具体实施方式之u型氮化物层能带图；
图4 本发明具体实施方式之发光二极管制备流程图；
附图标注：10：N型层；20：有源层；30：P型电子阻挡层；40：低温P型GaN层；50：高温P型GaN层；60：P型接触层60；70：P电极；80：非P型氮化物层；81：u型氮化物层；811：第一u型氮化物层；812：第二u型氮化物层；813：三角形极化带；82：n型氮化物层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行详细说明。
参看附图2，本发明中设计的一种发光二极管，至少包括：N型层10、有源层20、位于有源层20之上的低温P型GaN层40、非P型氮化物层80和P型接触层60，其中，N型杂质为硅、锗、锡中的任意一种，用于提供电子，P型杂质为铍、镁、钙、锶、钡中的任意一种，用于提供空穴；有源层20为由InGaN阱层和GaN垒层组成的周期性结构，其周期数为4~12。低温P型GaN层40为空穴注入层，位于有源层20之上，减小电子-空穴的有效复合时空穴的迁移距离，增加复合机率。当然，由于电子的迁移率(Mobility)比空穴高10倍（电子迁移率>1500 cm2/vs，空穴<200 cm2/vs），因此为降低电子的迁移速率；有源层20与低温P型GaN层40之间还设有一P型电子阻挡层30，其为P型AlGaN材料，调节其中Al组份来阻挡N型层10中电子过多的迁移至低温P型层；P型接触层60材料为GaN，其厚度为10~100Å，P型掺杂浓度为为1×1019~1×1022/cm3。
更进一步的，其中非P型氮化物层80包括u型氮化物层81和n型氮化物层82。u型氮化物层81包括第一u型氮化物层811和能带高于第一u型氮化物层811的第二u型氮化物层812，第一u型氮化物层811的材料为u-GaN，第二u型氮化物层812材料为u-AlxGa1-xN，其中，0＜x≤1。由于第一u型氮化物层811和第二u型氮化物层812势能高低的不同及材料极化效应的影响，其界面处发生能带扭曲现象而形成三角形极化带813，参看附图3，u型氮化物层81中电子的背景浓度为5×1016~2×1017/cm3，如此高浓度的电子集中迁移至三角形极化带813时无法越过此极化带继续迁移，而又因电子的迁移速率较快，因此在极化带内横向扩展的能力和速率较高，形成一定浓度的二维电子气，但是此时二维电子气的浓度较低，当注入电流时，其对电流的横向扩展能力较弱，因此，为增加二维电子气浓度，于第二u型氮化物层812上设置一材料为AlyGa1-yN的n型氮化物层82，0≤y＜1，n型杂质浓度为2×1017~1×1019/cm3。本实施例为减少与P型接触层60的晶格失配，优选第二u型氮化物层812为GaN材料。
因此，非P型氮化物层80中的电子被束缚在三角形极化带813内，无法逃逸，只能在二维空间内高速迁移，当注入电流时，所述高速迁移的电子形成一道“气态”屏障，现有电流传输的特征是优先选择最短路径传输，其纵向传送能力远远高于横向扩展速度，而高浓度二维电子气的存在，阻碍电流在纵向传输，迫使其在二维方向扩展，改善电流传输过程中因电流拥挤及溢流现象造成的爆点易击穿特征，提升LED器件的抗静电能力。
u型氮化物层81包括一对或者多对第一u型氮化物层811和第二u型氮化物层812，但是由于其为未掺杂半导体结构，相比于掺杂型半导体结构，其电阻会较高，因此本实施例优选u型氮化物层为一对第一u型氮化物层811和第二u型氮化物层812组成，同时控制其厚度以减小外延结构内部电阻，其中，第一u型氮化物层811的厚度为1~30nm，第二u型氮化物层812的厚度1~25nm；同时较薄的u型氮化物层81也更有利于三角形极化带813的形成。极化效应还与u-AlxGa1-xN材料中Al组份有关，Al组分越高其带隙能级越高，三角形极化带813则越显著，但是极化效应过大，影响有源层20中电子-空穴的有效复合辐射几率，因此，本实施例优选Al组分为5%~35%。且低温P型GaN、P型电子阻挡层30、非P型氮化物层80和P型接触层60的总厚度小于1000Å，减少有源层20上部氮化物层的吸光现象，提升LED器件的外量子效率。
本实施例还提供一种发光二极管的生长方法，参看附图4，其包括依次沉积N型层10、有源层20、低温P型GaN层40、P型接触层60的步骤，其中，在沉积P型接触层60之前还包括沉积一非P型氮化物层80的步骤，调节反应室温度为930℃~1000℃，关闭镁源，生长u型氮化物层81，然后关闭镁源，通入硅烷，生长n型氮化物层82。具体地，u型氮化物层81的沉积步骤为先沉积一材料为u-GaN的第一u型氮化物层811，然后沉积一材料为u-AlxGa1-xN的第二u型氮化物层812，其中，0＜x≤1。材料为n-AlyGa1-yN的n型氮化物层82沉积于第二u型氮化物层812上，其中，0≤y＜1。本实施例提供的一种发光二极管的制备方法还包括在有源层20与低温P型GaN层40之间沉积P型电子阻挡层30的步骤，所述电子阻挡层为P型AlGaN材料。
调节u-AlxGa1-xN材料中Al组份为5%~35%，使u-GaN材料与u-AlxGa1-xN材料的界面处极化形成三角形极化带813，n-AlyGa1-yN材料注入一定量的电子进一步提高三角形极化带内二维电子气浓度，u-AlxGa1-xN位于n-AlyGa1-yN与u-GaN，同时降低了n-AlyGa1-yN中的合金散射对载流子的影响，从而显著提高二维电子气的迁移率。当注入电流时，高速迁移的电子形成一道“气态”屏障，改善电流的横向扩展能力，减少电流拥挤现象及电子溢流现象。
很明显地，本发明的内容不应理解为仅仅限制在上述实施例，而是包括利用本发明构思的所有可能的实施方式。
Claims (13)
1.一种发光二极管，至少包括：N型层、有源层、及位于有源层之上的低温P型GaN层和P型接触层，其特征在于：于所述低温P型GaN层和P型接触层之间插入一非P型氮化物层，所述非P型氮化物层包括u型氮化物层和n型氮化物层，所述u型氮化物层包括第一u型氮化物层和能带高于所述第一u型氮化物层的第二u型氮化物层，所述第一u型氮化物层与第二u型氮化物层的界面处形成二维电子气，所述n型氮化物层提高所述二维电子气浓度。
2.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述第一u型氮化物层与所述第二u型氮化物层界面处具有三角形极化带，所述二维电子气形成于三角形极化带内，当注入电流时，所述二维电子气增加电流的横向扩展能力。
3.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述第一u型氮化物层材料为u-GaN，第二u型氮化物层材料为u-AlxGa1-xN，n型氮化物层材料为n-AlyGa1-yN，其中，0＜x≤1，0≤y＜1。
4.根据权利要求3所述的一种发光二极管，其特征在于：所述u-AlxGa1-xN材料中，Al组分为5%~35%。
5.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述u型氮化物层为一对或者多对第一u型氮化物层和第二u型氮化物层。
6.根据权利要求1所述一种发光二极管，其特征在于：所述n型氮化物层中n型杂质浓度为2×1017~1×1019/cm3。
7.根据权利要求2所述的一种发光二极管，其特征在于：所述第一u型氮化物层的厚度为1~30nm。
8.根据权利要求2所述的一种发光二极管，其特征在于：所述第二u型氮化物层的厚度为1~25nm。
9.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述n型氮化物层的厚度为1~25nm。
10.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述低温P型GaN层、P型接触层和非P型氮化物层的厚度小于等于1000Å。
11.一种发光二极管的制备方法，至少包括依次沉积N型层、有源层、低温P型GaN层、P型接触层的步骤，其特在于：在沉积P型接触层之前还包括沉积一非P型氮化物层的步骤，所述非P型氮化物层包括依次沉积的第一u型氮化物层、第二u型氮化物层和n型氮化物层，所述第一u型氮化物层与第二u型氮化物层的界面处形成二维电子气，所述n型氮化物层提高所述二维电子气浓度。
12.根据权利要求11所述的一种发光二极管的制备方法，其特征在于：所述第一u型氮化物层与所述第二u型氮化物层界面处具有三角形极化带，所述二维电子气形成于三角形极化带内，当注入电流时，所述二维电子气增加电流的横向扩展能力。
13.根据权利要求11所述的一种发光二极管的制备方法，其特征在于：所述第一u型氮化物层材料为u-GaN，第二u型氮化物层材料为u-AlxGa1-xN，n型氮化物层材料为n-AlyGa1-yN，其中，0＜x≤1，0≤y＜1。
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