CN110890447A - 一种具有渐变Al组分AlGaN导电层的发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有渐变Al组分AlGaN导电层的发光二极管及其制备方法。本发明直接使用P型渐变Al组分GaN导电层，渐变Al组分AlGaN导电层采用含Al的AlGaN材料，且Al组分含量沿生长方向自下而上由X呈线性递减渐变减少到0X取值为0.7。可以避免由于P型AlGaN电子阻挡层导致的阻挡空穴进入多量子阱有源区势垒的影响，从而提高空穴进入多量子阱有源区的效率和内量子效率。其次，P型AlGaN导电层中的Al组分沿生长方向逐渐由X降低到0，可以减少能带弯曲，增强P型GaN导电层对电子溢出阻挡效果，并减弱对空穴注入的阻挡，最终提高自发辐射速率和内量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有渐变Al组分AlGaN导电层的发光二极管及其制备方法,属于二极管技术领域。
背景技术
发光二极管(LED)是一种半导体发光器件，其通过半导体材料的导带电子和价带空穴产生辐射复合的方式，以光子形式直接发光并释放能量。通过不同方式改变和设计半导体材料的禁带宽度，可使LED发射从紫外到红外不同波长的光。
近些年来，氮化物LED凭借其节能、环保、低成本以及使用寿命长等突出优点在全球范围内得到广泛发展和应用。其中又因LED发光波长不同，在各个领域的应用也不尽相同。紫外LED(发光波长在210～400nm)凭借其调制周期短、无汞环保及灭菌率高等优点，在照明、通信、杀菌、生物医疗等领域有光明的应用前景；蓝光LED(发光波长在440～470nm)凭借其功率低、寿命长及环保等优点，在照明、亮化及显示领域有巨大的应用前景；绿光LED(发光波长在500～550nm)在RGB三基色照明领域也有美好的应用前景。
但是，由于电子容易从多量子阱有源区中溢出导致GaN基紫外LED内量子效率低，成为限制紫外LED进一步发展应用的瓶颈。为努力提高紫外LED的量子效率，各国科学家付出了巨大努力。目前最常用的一种方法是在多量子阱有源区发光层上设置具有渐变Al组分的P型GaN导电层，用来阻止电子溢出。通过这种方法可使GaN导电层势垒渐变到0，以实现对溢出电子的阻挡。然而该方法同样存在以下缺点：GaN导电层势垒渐变到0，阻挡了空穴从P型导电层向多量子阱有源区的注入，降低了空穴注入效率。
中国专利文献CN104952994A公开了一种具有渐变Al组分GaN导电层的发光元件。该发光元件使用两种禁带宽度不同的三组半导体元素掺杂GaN导电层，并对组分进行规律性地控制，使其周期性地沉积在有源区发光层上，从而形成超晶格结构。GaN导电层作为电子阻挡层，其势垒较高可阻挡电子溢出多量子阱有源区。同时因使用两种不同的三族半导体元素的组合，由于其晶格大小不同提供应力补偿来减少GaN导电层与多量子阱有源区间的应力积累，从而减小极化电场强度，提高了多量子阱有源区中的空穴浓度和电子浓度。该方法的缺陷是：超晶格GaN电子阻挡层增加了LED的运行电压，并且在最后一个AlGaN量子阱势垒和GaN导电层的界面处仍存在较多的极化电荷，不利于电子空穴的结合。
发明内容
针对现有GaN基紫外LED中，空穴进入多量子阱有源区效率较低和电子从多量子阱有源区溢出导致GaN基紫外LED内量子效率低的问题，本发明提供一种具有渐变Al组分AlGaN导电层的发光二极管及其制备方法。
为解决以上技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
一种具有渐变Al组分AlGaN导电层的发光二极管，自下而上包括：
衬底；
设置在衬底上的GaN缓冲层；
设置在GaN缓冲层上的GaN导电层；
设置在GaN导电层上的多量子阱有源区；以及
在多量子阱有源区上自下而上依次设置的P型掺杂AlGaN电子阻挡层、渐变Al组分AlGaN导电层和P型掺杂GaN接触层，
其中，渐变Al组分AlGaN导电层采用含Al的AlGaN材料，且Al组分含量沿生长方向自下而上由X递减渐变减少到0，X≥0。
根据本发明优选的，渐变Al组分AlGaN导电层为P型Al组分渐变AlGaN导电层，厚度为50nm，掺杂浓度为5×1017cm-3，渐变Al组分AlGaN导电层中，与P型掺杂AlGaN电子阻挡层接触的界面处Al组分含量为X，与P型掺杂GaN接触层接触的界面处Al组分含量为0。
根据本发明优选的，Al组分含量从X呈线性递减渐变减少到0。
根据本发明优选的，X取值为0.7。X为AlGaN材料中Al的比例，Al为0.7，Ga为0.3。
根据本发明优选的，所述的衬底为蓝宝石衬底。
根据本发明优选的，GaN缓冲层为厚度3.5um的N型掺杂AlGaN缓冲层，N型掺杂浓度为5×1018cm-3。
根据本发明优选的，GaN导电层为厚度0.5um的N型掺杂AlGaN导电层,掺杂浓度为5×1018cm-3。
根据本发明优选的，多量子阱有源区从下至上依次包括AlGaN多量子阱势垒层和AlGaN多量子阱势阱层，AlGaN多量子阱势垒层厚度为0.009nm，AlGaN多量子阱势阱层厚度为0.003nm。
根据本发明优选的，P型掺杂AlGaN电子阻挡层厚度为30nm，掺杂浓度为5×1017cm-3。
根据本发明优选的，P型掺杂GaN接触层厚度为10nm，P型掺杂浓度为5×1018cm-3。
本发明直接使用P型渐变Al组分GaN导电层，可以避免由于P型AlGaN电子阻挡层导致的阻挡空穴进入多量子阱有源区势垒的影响，从而提高空穴进入多量子阱有源区的效率和内量子效率。其次，P型AlGaN导电层中的Al组分沿生长方向逐渐由X降低到0，可以减少能带弯曲，增强P型GaN导电层对电子溢出阻挡效果，并减弱对空穴注入的阻挡，最终提高自发辐射速率和内量子效率。
本发明还提供一种具有渐变Al组分AlGaN导电层的发光二极管的制备方法。
一种具有渐变Al组分AlGaN导电层的发光二极管的制备方法，包括步骤如下：
(1)将衬底进行高温清洗；
(2)在清洗后的衬底上生长N型掺杂AlGaN缓冲层，N型掺杂浓度为5×1018cm-3；(3)在N型掺杂AlGaN缓冲层上生长N型掺杂AlGaN导电层,厚度为0.5um，掺杂浓度为5×1018cm-3；(4)在N型掺杂AlGaN导电层上生长AlGaN/AlGaN多量子阱有源区；
(5)于AlGaN/AlGaN多量子阱有源区上生长P型掺杂AlGaN电子阻挡层，厚度为30nm，P型掺杂浓度为5×1017cm-3；(6)于P型掺杂AlGaN电子阻挡层上生长渐变Al组分AlGaN导电层，生长期间使铝组分沿生长方向从X线性递减到0；
(7)在渐变Al组分AlGaN导电层上继续生长P型掺杂GaN接触层，厚度为10nm，P型掺杂浓度为5×1018cm-3。
根据本发明优选的，步骤(1)所述的高温清洗为将衬底置于金属有机化学气相沉积反应器中，通入氢气，等待反应室温度达到1300℃时，对衬底进行高温清洗。
根据本发明优选的，步骤(2)中，生长温度为1100℃，生长时通入氨气、硅烷、三甲基镓、三甲基铝和氢气。
根据本发明优选的，步骤(3)中，生长温度为1100℃，生长时通入硅烷、氨气、氢气、三甲基镓和三甲基铝。
根据本发明优选的，步骤(4)中，重复以下步骤(a)、(b)3次后再重复1次步骤(a)，得到AlGaN/AlGaN多量子阱有源区；
(a)将反应室温度提高到900℃，通入氮气、硅烷、氨气、三甲基镓和三甲基铝，继续生长AlGaN多量子阱势垒层,厚度为0.009nm；
(b)将反应室温度降低到800℃，通入氨气、硅烷、氮气、三甲基镓和三甲基铝，继续生长AlGaN多量子阱势阱层，厚度为0.003nm。
根据本发明优选的，步骤(5)中，生长温度为900℃，生长时通入氨气、氮气、二茂镁、三甲基镓和三甲基铝，生长期间维持三甲基镓气流流量流速恒定，使三甲基铝气流流量不随生长时间改变，铝组分沿生长方向恒定为X。
根据本发明优选的，步骤(6)中，生长温度为1000℃，生长时通入氨气、氮气、二茂镁、三甲基镓和三甲基铝，生长期间维持三甲基镓气流流量恒定并使三甲基铝气流流量随生长时间线性减少，并使铝组分沿生长方向从X线性递减到0。
根据本发明优选的，步骤(7)中，生长温度为1000℃，生长时通入氨气、氮气、二茂镁、三甲基镓。
本发明的技术特点及优点：
1、本发明使用P型渐变Al组分AlGaN导电层作为P型导电层，并取代常规的在GaN量子阱势垒层上先或后生长的P型AlGaN导电层，解决了常规方式因阻挡电子溢出效果较差、极化电场导致的空穴进入效率较低的问题，显著增强了GaN紫外LED多量子阱有源区的空穴进入效率，降低了电子溢出多量子阱有源区的比率，从而大幅提高了LED的量子效率。
2、本发明直接使用P型渐变Al组分GaN导电层，可以避免由于P型AlGaN电子阻挡层导致的阻挡空穴进入多量子阱有源区势垒的影响，从而提高空穴进入多量子阱有源区的效率和内量子效率。其次，P型AlGaN导电层中的Al组分沿生长方向逐渐由X降低到0，可以减少能带弯曲，增强P型GaN导电层对电子溢出阻挡效果，并减弱对空穴注入的阻挡，最终提高自发辐射速率和内量子效率。
附图说明
图1为本发明具有渐变Al组分AlGaN导电层的发光二极管的GaN外部结构示意图。
1、蓝宝石衬底；2、N型掺杂AlGaN缓冲层；3、N型掺杂AlGaN导电层；4、AlGaN多量子阱势垒层；5、AlGaN多量子阱势阱层；6、AlGaN/AlGaN多量子阱有源区；7、P型掺杂AlGaN电子阻挡层；8、渐变Al组分AlGaN导电层；9、P型掺杂GaN接触层。图2为本发明具有渐变Al组分AlGaN导电层的发光二极管和传统AlGaN导电层组分恒定的LED的电流-电压曲线，在图2中纵坐标为电流密度，单位是A/cm2，横坐标是电压，单位是V。
图3为本发明具有渐变Al组分AlGaN导电层的发光二极管和传统AlGaN导电层组分恒定的LED在相同电流密度下的光功率对比图，在图3中，纵坐标是光功率，单位是mW，横坐标是注入电流密度，单位是A/cm2。
图4为本发明具有渐变Al组分AlGaN导电层的发光二极管和传统AlGaN导电层组分恒定的LED在相同电流密度下的光谱对比图，在图4中，纵坐标是自发辐射强度，单位是eV·s·m，横坐标是波长，单位是um。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步阐述，但本发明所保护范围不限于此。
实施例1
一种具有渐变Al组分AlGaN导电层的发光二极管，自下而上包括：
蓝宝石衬底1；
设置在蓝宝石衬底1上的GaN缓冲层2；GaN缓冲层为厚度3.5um的N型掺杂AlGaN缓冲层，N型掺杂浓度为5×1018cm-3。
设置在GaN缓冲层2上的GaN导电层3；GaN导电层为厚度0.5um的N型掺杂AlGaN导电层,掺杂浓度为5×1018cm-3。
设置在GaN导电层3上的多量子阱有源区6；以及
在多量子阱有源区上自下而上依次设置的P型掺杂AlGaN电子阻挡层7、渐变Al组分AlGaN导电层8和P型掺杂GaN接触层9，P型掺杂AlGaN电子阻挡层7厚度为30nm，掺杂浓度为5×1017cm-3，P型掺杂GaN接触层9厚度为10nm，P型掺杂浓度为5×1018cm-3。
渐变Al组分AlGaN导电层8采用含Al的AlGaN材料，且Al组分含量沿生长方向自下而上由X呈线性递减渐变减少到0X取值为0.7。
渐变Al组分AlGaN导电层8为P型Al组分渐变AlGaN导电层，厚度为50nm，P型掺杂浓度为5×1023cm-3，渐变Al组分AlGaN导电层8中，与P型掺杂AlGaN电子阻挡层7接触的界面处Al组分含量为X，与P型掺杂GaN接触层9接触的界面处Al组分含量为0。
实施例2
同实施例1所述的一种具有渐变Al组分AlGaN导电层的发光二极管，不同之处在于：
多量子阱有源区6从下至上依次包括AlGaN多量子阱势垒层4和AlGaN多量子阱势阱层5，AlGaN多量子阱势垒层厚度为0.009nm，AlGaN多量子阱势阱层厚度为0.003nm。
实施例3
实施例1或实施例2具有渐变Al组分AlGaN导电层的发光二极管的制备方法，包括步骤如下：
(1)、把蓝宝石衬底1置于金属有机化学气相沉积反应器中，通入氢气，等待反应室温度达到1300℃时，对蓝宝石衬底1进行高温清洗。
(2)、把反应室温度降低到1100℃，通入氨气、硅烷、氢气、三甲基镓和三甲基铝，于步骤(1)所述的衬底上生长3.5um的N型掺杂AlGaN缓冲层2，掺杂浓度为5×1018cm-3。
(3)、向反应室通入硅烷、氨气、氢气、三甲基镓和三甲基铝，于步骤(2)所述的AlGaN缓冲层基础上生长0.5um的N型掺杂AlGaN导电层3，掺杂浓度为5×1018cm-3。
(4)、按顺序重复以下步骤(a)、(b)3次后再重复1次步骤(a)，得到AlGaN/AlGaN多量子阱有源区6。
(a)、将反应室温度保持在900℃，通入氮气、硅烷、氨气、三甲基镓和三甲基铝，继续生长AlGaN多量子阱势垒层4，厚度为0.009nm；
(b)、将反应室温度降低到800℃，通入氨气、硅烷、氮气、三甲基镓和三甲基铝，于步骤(a)所述的AlGaN多量子阱势垒层上继续生长AlGaN多量子阱势阱层5，厚度为0.003nm；
(5)、向反应室通入氨气、氮气、二茂镁、三甲基镓和三甲基铝，将温度提高到1000℃，于步骤(4)所述的有源区上生长P型掺杂AlGaN电子阻挡层7，厚度为30nm，掺杂浓度为5×1017cm-3。生长期间维持三甲基镓和三甲基铝气流流量流速恒定，铝组分沿生长方向恒定为X。
(6)、向反应室通入氨气、氮气、二茂镁、三甲基镓和三甲基铝，将温度维持在1000℃，于步骤(5)所述的P型掺杂GaN导电层上继续生长渐变Al组分AlGaN导电层8，厚度为50nm，掺杂浓度为5×1017cm-3。生长期间维持三甲基镓气流流量流速恒定并使三甲基铝气流流量随生长时间线性减少，使铝组分沿生长方向，从X线性递减到0。
(7)、向反应室通入氨气、氮气、二茂镁、三甲基镓，将温度维持在1000℃，于步骤(6)所述的P型掺杂渐变Al组分GaN导电层上继续生长P型掺杂GaN接触层9，厚度为10nm，掺杂浓度为5×1018cm-3。
应当进行介绍的是：以上各实例只用于介绍本发明的技术方案，而并非对本发明进行限制；即使参照上述各实例对本发明进行了详尽的介绍，相关领域的技术人员有必要进行充分了解：本发明仍旧可以对上述各实例所记载的技术解决方案加以修改和优化，或对本发明部分或全部技术解决方案特征进行等同代替；而这些修改、优化或代替，并不使相应技术解决方案的实质偏离本各实例技术解决方案的范畴。
Claims (10)
1.一种具有渐变Al组分AlGaN导电层的发光二极管，自下而上包括：
衬底；
设置在衬底上的GaN缓冲层；
设置在GaN缓冲层上的GaN导电层；
设置在GaN导电层上的多量子阱有源区；以及
在多量子阱有源区上自下而上依次设置的P型掺杂AlGaN电子阻挡层、渐变Al组分AlGaN导电层和P型掺杂GaN接触层，
其中，渐变Al组分AlGaN导电层采用含Al的AlGaN材料，且Al组分含量沿生长方向自下而上由X递减渐变减少到0，X≥0。
2.根据权利要求1所述的具有渐变Al组分AlGaN导电层的发光二极管，其特征在于，渐变Al组分AlGaN导电层为P型Al组分渐变AlGaN导电层，厚度为50nm，掺杂浓度为5×1017cm-3，渐变Al组分AlGaN导电层中，与P型掺杂AlGaN电子阻挡层接触的界面处Al组分含量为X，与P型掺杂GaN接触层接触的界面处Al组分含量为0。
3.根据权利要求1所述的具有渐变Al组分AlGaN导电层的发光二极管，其特征在于，Al组分含量从X呈线性递减渐变减少到0，X取值为0.7。
4.根据权利要求1所述的具有渐变Al组分AlGaN导电层的发光二极管，其特征在于，所述的衬底为蓝宝石衬底，GaN缓冲层为厚度3.5um的N型掺杂AlGaN缓冲层，N型掺杂浓度为5×1018cm-3，GaN导电层为厚度0.5um的N型掺杂AlGaN导电层,掺杂浓度为5×1018cm-3。
5.根据权利要求1所述的具有渐变Al组分AlGaN导电层的发光二极管，其特征在于，多量子阱有源区从下至上依次包括AlGaN多量子阱势垒层和AlGaN多量子阱势阱层，AlGaN多量子阱势垒层厚度为0.009nm，AlGaN多量子阱势阱层厚度为0.003nm；P型掺杂AlGaN电子阻挡层厚度为30nm，掺杂浓度为5×1017cm-3；P型掺杂GaN接触层厚度为10nm，P型掺杂浓度为5×1018cm-3。
6.一种具有渐变Al组分AlGaN导电层的发光二极管的制备方法，包括步骤如下：
(1)将衬底进行高温清洗；
(2)在清洗后的衬底上生长N型掺杂AlGaN缓冲层，N型掺杂浓度为5×1018cm-3；(3)在N型掺杂AlGaN缓冲层上生长N型掺杂AlGaN导电层,厚度为0.5um，掺杂浓度为5×1018cm-3；(4)在N型掺杂AlGaN导电层上生长AlGaN/AlGaN多量子阱有源区；
(5)于AlGaN/AlGaN多量子阱有源区上生长P型掺杂AlGaN电子阻挡层，厚度为30nm，P型掺杂浓度为5×1017cm-3；(6)于P型掺杂AlGaN电子阻挡层上生长渐变Al组分AlGaN导电层，生长期间使铝组分沿生长方向从X线性递减到0；
(7)在渐变Al组分AlGaN导电层上继续生长P型掺杂GaN接触层，厚度为10nm，P型掺杂浓度为5×1018cm-3。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的高温清洗为将衬底置于金属有机化学气相沉积反应器中，通入氢气，等待反应室温度达到1300℃时，对衬底进行高温清洗；步骤(2)中，生长温度为1100℃，生长时通入氨气、硅烷、三甲基镓、三甲基铝和氢气；步骤(3)中，生长温度为1100℃，生长时通入硅烷、氨气、氢气、三甲基镓和三甲基铝。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，重复以下步骤(a)、(b)3次后再重复1次步骤(a)，得到AlGaN/AlGaN多量子阱有源区；
(a)将反应室温度提高到900℃，通入氮气、硅烷、氨气、三甲基镓和三甲基铝，继续生长AlGaN多量子阱势垒层,厚度为0.009nm；
(b)将反应室温度降低到800℃，通入氨气、硅烷、氮气、三甲基镓和三甲基铝，继续生长AlGaN多量子阱势阱层，厚度为0.003nm。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，生长温度为900℃，生长时通入氨气、氮气、二茂镁、三甲基镓和三甲基铝，生长期间维持三甲基镓气流流量流速恒定，使三甲基铝气流流量不随生长时间改变，铝组分沿生长方向恒定为X。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，生长温度为1000℃，生长时通入氨气、氮气、二茂镁、三甲基镓和三甲基铝，生长期间维持三甲基镓气流流量恒定并使三甲基铝气流流量随生长时间线性减少，并使铝组分沿生长方向从X线性递减到0；步骤(7)中，生长温度为1000℃，生长时通入氨气、氮气、二茂镁、三甲基镓。
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