CN107293624A - 一种基于h‑BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构 - Google Patents
一种基于h‑BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于h‑BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构，其特征在于该外延结构包括衬底、n型半导体材料层、多量子阱层、p‑型电子阻挡层、p‑型半导体材料层、p‑型重掺杂半导体材料层、h‑BN层和n‑型重掺杂半导体材料层，其中h‑BN层相对介电常数取值为3～5.1，该相对介电常数小于p‑型重掺杂半导体材料层的相对介电常数和n‑型重掺杂半导体材料层，h‑BN层的厚度为1nm～5nm；所述p‑型重掺杂半导体材料层、h‑BN层和n‑型重掺杂半导体材料层共同构成隧穿结。该发光二极管外延结构具有能提高LED器件空穴注入效率的隧穿结结构，增加了载流子的隧穿几率，同时改善了电流扩展效应，显著提高LED内量子效率和光输出功率。
Description
技术领域
本发明的技术方案涉及半导体器件技术领域，具体地说为一种基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构。该外延结构采用p-型重掺杂半导体材料层、h-BN层和n-型重掺杂半导体材料层共同构成隧穿结来增强电场。
背景技术
三族氮化物材料在光电器件领域得到了广泛应用，其中一个重要应用方面就是发光二极管(LEDs)。III-V族氮化物的发光二极管可广泛地应用于照明、显示等领域，并且在蓝光领域达到了很高的水平。目前正在向紫外波段进行进一步研究，其在检验、杀菌消毒、聚合物固化、生化探测等领域具有得天独厚的优势。并且相对比于传统紫外汞灯，紫外LED有着环保、小巧、低功耗等特点。
在影响LED内量子效率的诸多因素中，空穴的注入效率被认为是造成LED内量子效率降低的重要原因之一。在深紫外LED中，p-AlGaN材料的掺杂效率的问题很突出，若采用p-GaN层，其掺杂效率相比于p-AlGaN层有所提高，但由于室温下的Mg的激活能高达180meV,激活率最高也仅达1％，这就严重制约了空穴由p-型电极注入到器件量子阱内部的效率，最终导致其内量子效率低于60％。研究人员发现，如果采用同质隧穿结(例如p+-GaN/n+-GaN)，则可以改善电流扩展效应(S-R Jeon,Y-H Song,H-J Jang and G.M.Yang,Appl.Phys.Lett.,vol.78,no.21(2001))，但是局部电场的强度受限于施主和受主掺杂浓度，后又采用极化隧穿结(例如p+-GaN/InGaN/n+-GaN)来进一步优化，即该极化隧穿结中的InGaN层的极化电场方向和隧穿结区中内建电场方向一致，可以有效地增加隧穿结区电场强度，但在紫外波段，InGaN的吸光问题需要解决(Z.H.Zhang,S.T.Tan,Z.kyaw,Y.Ji,W.Liu,Z.G.Ju,N.Hasanov,X.W.Sun,and H.V.Demir,Appl.Phys.Lett.102,193508(2013))。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构。该发光二极管外延结构具有能提高LED器件空穴注入效率的隧穿结结构，通过在传统的LED顶部继引入p-型重掺杂半导体材料层、h-BN层和n-型重掺杂半导体材料层隧穿结结构，增加载流子的隧穿几率，同时改善电流扩展效应，显著提高LED内量子效率和光输出功率。隧穿结区引入禁带宽度更大的h-BN(禁带宽度为6.0eV)，同时h-BN的相对介电常数在3～5.1之间可控，能在隧穿结区产生更强的电场，显著改善电流扩展。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：
一种基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构，其特征在于该外延结构包括衬底、n型半导体材料层、多量子阱层、p-型电子阻挡层、p-型半导体材料层、p-型重掺杂半导体材料层、h-BN层和n-型重掺杂半导体材料层，其中h-BN层相对介电常数取值为3～5.1，该相对介电常数小于p-型重掺杂半导体材料层的相对介电常数和n-型重掺杂半导体材料层，h-BN层的厚度为1nm～5nm；所述p-型重掺杂半导体材料层、h-BN层和n-型重掺杂半导体材料层共同构成隧穿结。
一种上述基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构的制备方法，该方法的步骤是：
第一步，在MOCVD反应炉中，将衬底在800-1400℃进行烘烤，处理掉衬底表面异物；
第二步，在MOCVD反应炉中，在衬底上外延生长厚度为10nm～5000nm的n型半导体材料层；
第三步，在MOCVD反应炉中，在第二步得到的n型半导体材料层上外延生长Alx4Iny4Ga1-x4-y4N/Alx5Iny5Ga1-x5-y5N多量子阱层；
第四步，在MOCVD反应炉中，在第三步得到的多量子阱层上外延生长厚度为10nm～100nm的p-型电子阻挡层；
第五步，在MOCVD反应炉中，在第四步得到的p-型电子阻挡层上外延生长厚度为100nm～300nm的p-型半导体材料层；
第六步，在MOCVD反应炉中，在第五步得到的p-型半导体材料层表面外延生长厚度1nm～200nm的p-型重掺杂半导体材料层；
第七步，在CVD反应炉中，在第六步得到的p-型重掺杂半导体材料层表面外延生长厚度为1nm～5nm的h-BN层；
第八步，在MOCVD反应炉中，在第七步得到的h-BN层表面外延生长厚度为1nm～200nm的n-型重掺杂半导体材料层；由此制得上述的基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明结构将常规用于缓冲层的低介电常数的h-BN材料来做隧穿结区，在LED器件顶部形成p-型重掺杂半导体材料层、h-BN层和n-型重掺杂半导体材料层隧穿结，能显著增强在隧穿结区的电场，提高载流子的隧穿几率，空穴注入效率显著提高，与传统氮化物同质隧穿结的发光二极管相比提高了至少55％，最终并显著提高内量子效率。
(2)本发明结构的本发明在p-型重掺杂半导体材料层和n-型重掺杂半导体材料层之间引入BN材料，能在保证提高发光二极管空穴注入效率同时克服了现有InGaN在紫外光波段存在吸光的问题，得益于BN的禁带宽度比较大；另有效减缓了电流拥挤效应。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为现有传统氮化物同质隧穿结的发光二极管示意图。
图2为本发明基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构的结构示意图。
图3为在35mA工作电流时，实施例1的发光二极管外延结构与传统氮化物同质隧穿结的发光二极管在远离P电极处的位置的空穴注入浓度的对比图。
图中，101.衬底，102.n型半导体材料层，103.多量子阱层，104.p-型电子阻挡层，105.p-型半导体材料层，106.p-型重掺杂半导体材料层，107.h-BN层，108.n-型重掺杂半导体材料层。
具体实施方式
本发明基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构(简称外延结构，参见图2)包括衬底101、n型半导体材料层102、多量子阱层103、p-型电子阻挡层104、p-型半导体材料层105、p-型重掺杂半导体材料层106、h-BN层107和n-型重掺杂半导体材料层108，其中h-BN层相对介电常数取值为3～5.1，该相对介电常数小于p-型重掺杂半导体材料层106的相对介电常数和n-型重掺杂半导体材料层108，h-BN层107的厚度为1nm～5nm；所述p-型重掺杂半导体材料层106、h-BN层107和n-型重掺杂半导体材料层108共同构成隧穿结。
上述基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构，所述衬底101为但并不局限于GaN、AlN、蓝宝石、SiC、Si；该衬底是极性面、非极性面和半极性面，每种衬底材料根据自己的生长方向可以划分为不同的面。
上述基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构，所述n型半导体材料层102的材质为Alx3Iny3Ga1-x3-y3N，式中，0≤x3≤1,0≤y3≤1,0≤1-x3-y3≤1，厚度为5～5000nm。
上述基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构，所述多量子阱层103的结构为Alx4Iny4Ga1-x4-y4N/Alx5Iny5Ga1-x5-y5N，式中，0≤x4≤1、0≤y4≤1、0≤1-x4-y4≤1、0≤x5≤1、0≤y5≤1、0≤1-x5-y5≤1，其中量子垒Alx5Iny5Ga1-x5-y5N的厚度为5nm～50nm，量子阱Alx4Iny4Ga1-x4-y4N的厚度为1nm～20nm，量子阱个数大于或者等于1。
上述基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构，所述p-型电子阻挡层104的材质为Alx6Iny6Ga1-x6-y6N，式中，0≤x6≤1,0≤y6≤1,0≤1-x6-y6≤1，厚度为10nm～100nm。
上述基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构，所述p-型半导体材料层105的材质为Alx7Iny7Ga1-x7-y7N，式中，0≤x7≤1,0≤y7≤1,0≤1-x7-y7≤1，厚度为10nm～300nm。
上述基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构，所述p-型重掺杂半导体材料层106的材质为Alx1Iny1Ga1-x1-y1N，式中，0≤x1≤1,0≤y1≤1,0≤1-x1-y1≤1，厚度为1nm～200nm。
上述具有h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构，所述n-型重掺杂半导体材料层108的材质为Alx2Iny2Ga1-x2-y2N，式中，0≤x2≤1,0≤y2≤1,0≤1-x2-y2≤1，厚度为1nm～200nm。
本发明基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构的制备方法，该方法的步骤是：
第一步，在MOCVD(即金属有机化合物化学气相沉淀)反应炉中，将衬底在800-1400℃进行烘烤，处理掉衬底表面异物；
第二步，在MOCVD反应炉中，在衬底101上外延生长厚度为10nm～5000nm的n型半导体材料层102；
第三步，在MOCVD反应炉中，在第二步得到的n型半导体材料层102上外延生长Alx4Iny4Ga1-x4-y4N/Alx5Iny5Ga1-x5-y5N多量子阱层103；
第四步，在MOCVD反应炉中，在第三步得到的多量子阱层上外延生长厚度为10nm～100nm的p-型电子阻挡层104；
第五步，在MOCVD反应炉中，在第四步得到的p-型电子阻挡层上外延生长厚度为100nm～300nm的p-型半导体材料层105；
第六步，在MOCVD反应炉中，在第五步得到的p-型半导体材料层105表面外延生长厚度1nm～200nm的p-型重掺杂半导体材料层106；
第七步，在CVD反应炉中，在第六步得到的p-型重掺杂半导体材料层106表面外延生长厚度为1nm～5nm的h-BN层107；
第八步，在MOCVD反应炉中，在第七步得到的h-BN层107表面外延生长厚度为1nm～200nm的n-型重掺杂半导体材料层108。
由此制得本发明的基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构。
本发明所涉及的原材料均可通过公知途径获得，其制备方法中的操作工艺是本技术领域的技术人员能够掌握的。
图1所示实施例表明，现有传统氮化物同质隧穿结的发光二极管外延结构依次包括：衬底101、n型半导体材料层102、多量子阱层103、p电子阻挡层104、p-型半导体材料层105、p-型重掺杂半导体材料层106和n-型重掺杂半导体材料层108，各层之间依次通过外延生长获得。
图2所示实施例表明，本发明基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构，依次包括：衬底101、n型半导体材料层102、多量子阱层103、p-电子阻挡层104、p-型半导体材料层105、p-型重掺杂半导体材料层106、h-BN层107和n-型重掺杂半导体材料层108，各层之间也通过外延生长获得。
实施例1
本实施例基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构(简称外延结构，参见图2)包括衬底101、n型半导体材料层102、多量子阱层103、p-型电子阻挡层104、p-型半导体材料层105、p-型重掺杂半导体材料层106、h-BN层107和n-型重掺杂半导体材料层108，其中h-BN层相对介电常数取值为4，该相对介电常数小于p-型重掺杂半导体材料层106的相对介电常数和n-型重掺杂半导体材料层108；所述p-型重掺杂半导体材料层106、h-BN层107和n-型重掺杂半导体材料层108共同构成隧穿结。
其中，n-型重掺杂半导体材料层108的掺杂元素浓度需不小于n型半导体材料层102，通过掺杂Si、Ge、O等元素实现的。p-型重掺杂半导体材料层106的掺杂元素浓度不小于p-型半导体材料层105，P型掺杂通过Mg、Be、Zn等元素实现。
本实施例中所述衬底101为GaN，该衬底是[0001]极性的；n半导体材料层102的材质为GaN，厚度为400nm；多量子阱层103的结构为In0.08Ga0.92N/GaN，其中量子垒GaN的厚度为10nm，量子阱In0.08Ga0.92N的厚度为3nm，量子阱个数为7；p-型电子阻挡层104材质为p-Al0.10Ga0.90N厚度为20nm；p-型半导体材料层105的材质为GaN，厚度为200nm；p-型重掺杂半导体材料层106的材质为GaN，厚度为20nm，低介电常数的h-BN层107厚度为2nm，n-型重掺杂半导体材料层108厚度为20nm。
上述具有h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构，其制备方法如下：
第一步，在MOCVD(即金属有机化合物化学气相沉淀)反应炉中，将[0001]极性的GaN衬底101在1200℃进行烘烤，处理掉衬底表面异物；
第二步，在MOCVD反应炉中，外延生长材质为GaN，厚度为400nm的n型半导体材料层102，生长温度为1050℃，气压为400mbar；
第三步，在MOCVD反应炉中，在第二步得到的n型半导体材料层102外延生长结构为In0.08Ga0.92N/GaN，量子垒GaN的厚度为10nm，量子阱In0.08Ga0.92N的厚度为3nm，生长温度为850℃，气压为400mbar；
第四步，在MOCVD反应炉中，在第三步得到的多量子阱层103上外延生长材质为p-Al0.10Ga0.90N厚度为20nm的p-型电子阻挡层104，生长温度为970℃，气压为200mbar；
第五步，在MOCVD反应炉中，在第四步得到的p-型电子阻挡层上外延生长材质为GaN，厚度200nm的p-型半导体材料层105，生长温度为970℃，气压为300mbar；
第六步，在MOCVD反应炉中，在第五步得到的p型半导体材料层外延生长材质为GaN，厚度20nm的p-型重掺杂半导体材料层106，生长温度为970℃，气压为300mbar；
第七步，在CVD反应炉中，在第六步得到的p-型重掺杂半导体材料层106表面外延生长厚度为2nm的低介电常数h-BN层107，该层介电常数小于p-型重掺杂半导体材料层106的相对介电常数和n-型重掺杂半导体材料层108的相对介电常数，该h-BN层不掺杂；
第八步，在MOCVD反应炉中，在第七步得到的低介电常数h-BN层外延生长材质为GaN，厚度20nm的n-型重掺杂半导体材料层108，生长温度为970℃，气压为300mbar。
由此制得本实施例的基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构，该结构适用于蓝光LED。
将本实施例和相同组成的传统氮化物同质隧穿结的发光二极管在远离P电极处的位置进行空穴注入效率测试。
图3为在35mA工作电流时，二者的空穴注入浓度的对比图，从图中可以看出本实施例通过在P区加入h-BN材料的隧穿结来提高隧穿结中的电场，从而提高隧穿几率，进而提高了P区空穴的浓度，改善了空穴注入问题，使其提高了至少55％(图中Hole concentration是空穴浓度，Relative position是指的多量子阱层的位置。有数据产生的位置即为量子阱，两个数据峰之间的距离为量子垒的厚度)。传统的LED在p电极下方会电流拥挤从而造成在电流在横向传输不够均匀，图3中的数据是在远离P电极的位置进行测量，发现本申请的空穴浓度要比传统的LED显著提高，使电流拥挤问题得到改善。因此，本发明解决了发光二极管的空穴注入效率低的问题，并在一定程度上改善了发光二极管的电流拥挤问题，尤其使得空穴电流的分布更为均匀，电流扩展得到了改善。
实施例2
本实施例外延结构各部分组成及制备方法同实施例1，不同之处在于本实施例所述衬底101为AlN，该衬底是[0001]极性的；n半导体材料层102的材质为Al0.60Ga0.40N，厚度为400nm；多量子阱层103的结构为Al0.45Ga0.55N/Al0.60Ga0.40N，其中量子垒Al0.60Ga0.40N的厚度为10nm，量子阱Al0.45Ga0.55N的厚度为3nm，量子阱个数为7；p-型电子阻挡层104材质为Al0.65Ga0.35N厚度为20nm；p-型半导体材料层105的材质为Al0.40Ga0.60N，厚度为200nm；p-型重掺杂半导体材料层材质为GaN，厚度为20nm；h-BN层107厚度为3nm，h-BN层相对介电常数取值为5.1，n-型重掺杂半导体材料层材质为GaN，厚度为20nm。
上述实施例均能有效改善紫外吸光问题，已知紫外光波长范围为200-400nm，对应的能量6.2-3.1eV。现有技术中的发光二极管外延结构使用AlxInyGa1-x-yN类材料，AlxInyGa1-x-yN类材料的禁带宽度范围值为0.77-6.2eV，能使大部分紫外光被该材料吸收损耗掉；而本申请中采用h-BN材料，h-BN材料的禁带宽度为6.0eV，大于绝大多数紫外光能量，从而有效缓解了紫外吸光效应。
本发明外延结构的制备方法可操作性强，能显著降低发光二极管的制作成本。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (9)
1.一种基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构，其特征在于该外延结构包括衬底、n型半导体材料层、多量子阱层、p-型电子阻挡层、p-型半导体材料层、p-型重掺杂半导体材料层、h-BN层和n-型重掺杂半导体材料层，其中h-BN层相对介电常数取值为3～5.1，该相对介电常数小于p-型重掺杂半导体材料层的相对介电常数和n-型重掺杂半导体材料层，h-BN层的厚度为1nm～5nm；所述p-型重掺杂半导体材料层、h-BN层和n-型重掺杂半导体材料层共同构成隧穿结。
2.根据权利要求1所述的基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构，其特征在于所述衬底为GaN、AlN、蓝宝石、SiC或Si。
3.根据权利要求1所述的基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构，其特征在于所述n型半导体材料层的材质为Alx3Iny3Ga1-x3-y3N，式中，0≤x3≤1,0≤y3≤1,0≤1-x3-y3≤1，厚度为5～5000nm。
4.根据权利要求1所述的基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构，其特征在于所述多量子阱层的结构为Alx4Iny4Ga1-x4-y4N/Alx5Iny5Ga1-x5-y5N，式中，0≤x4≤1、0≤y4≤1、0≤1-x4-y4≤1、0≤x5≤1、0≤y5≤1、0≤1-x5-y5≤1，其中量子垒Alx5Iny5Ga1-x5-y5N的厚度为5nm～50nm，量子阱Alx4Iny4Ga1-x4-y4N的厚度为1nm～20nm，量子阱个数大于或者等于1。
5.根据权利要求1所述的基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构，其特征在于所述p-型电子阻挡层的材质为Alx6Iny6Ga1-x6-y6N，式中，0≤x6≤1,0≤y6≤1,0≤1-x6-y6≤1，厚度为10nm～100nm。
6.根据权利要求1所述的基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构，其特征在于所述p-型半导体材料层的材质为Alx7Iny7Ga1-x7-y7N，式中，0≤x7≤1,0≤y7≤1,0≤1-x7-y7≤1，厚度为10nm～300nm。
7.根据权利要求1所述的基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构，其特征在于所述p-型重掺杂半导体材料层的材质为Alx1Iny1Ga1-x1-y1N，式中，0≤x1≤1,0≤y1≤1,0≤1-x1-y1≤1，厚度为1nm～200nm。
8.根据权利要求1所述的基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构，其特征在于所述n-型重掺杂半导体材料层的材质为Alx2Iny2Ga1-x2-y2N，式中，0≤x2≤1,0≤y2≤1,0≤1-x2-y2≤1，厚度为1nm～200nm。
9.一种权利要求1所述的基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构的制备方法，该方法的步骤是：
第一步，在MOCVD反应炉中，将衬底在800-1400℃进行烘烤，处理掉衬底表面异物；
第二步，在MOCVD反应炉中，在衬底上外延生长厚度为10nm～5000nm的n型半导体材料层；
第三步，在MOCVD反应炉中，在第二步得到的n型半导体材料层上外延生长Alx4Iny4Ga1-x4-y4N/Alx5Iny5Ga1-x5-y5N多量子阱层；
第四步，在MOCVD反应炉中，在第三步得到的多量子阱层上外延生长厚度为10nm～100nm的p-型电子阻挡层；
第五步，在MOCVD反应炉中，在第四步得到的p-型电子阻挡层上外延生长厚度为100nm～300nm的p-型半导体材料层；
第六步，在MOCVD反应炉中，在第五步得到的p-型半导体材料层表面外延生长厚度1nm～200nm的p-型重掺杂半导体材料层；
第七步，在CVD反应炉中，在第六步得到的p-型重掺杂半导体材料层表面外延生长厚度为1nm～5nm的h-BN层；
第八步，在MOCVD反应炉中，在第七步得到的h-BN层表面外延生长厚度为1nm～200nm的n-型重掺杂半导体材料层；由此制得上述的基于h-BN隧穿结为空穴注入层的发光二极管外延结构。
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