CN209045599U - 一种具有隧道结的氮化镓基发光二极管外延结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有隧道结的氮化镓基发光二极管外延结构，从衬底往上依序包括缓冲层、第一n型半导体层、有源层、p型半导体层和第二n型半导体层；其中：所述p型半导体层包括有两种以上不同的p型掺杂浓度层，其中p型半导体层的最表层为厚度为5~50nm，Mg的掺杂浓度为5E19~1E21cm^‑3的p++重掺杂半导体层。本实用新型的优点在于：通过在所述n++重掺杂半导体层上设有用于电流扩散的n掺杂半导体层,所述n掺杂半导体层可以帮助电流在有源层的p型半导体层一侧进行均匀扩散,解决了已知p型氮化镓本身因电阻率较高造成电流不易在p型氮化镓中均匀扩散的问题。

Description

一种具有隧道结的氮化镓基发光二极管外延结构

技术领域

本实用新型涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种具有隧道结的氮化镓基发光二极管外延结构。

背景技术

发光二极管（Light Emitting Diode，LED）具有电光转换效率高、使用寿命长、环保、节能、低热、高亮度和反应速度快等优点，目前已经广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明等领域。

传统的氮化镓（GaN）基发光二极管外延结构主要包括：缓冲层、n型半导体层、有源层和p型半导体层。在氮化镓基的发光二极管器件结构中，p型氮化镓本身的电阻率与和器件电极的接触电阻皆较n型氮化镓高，其中p型氮化镓的电阻率约是n型氮化镓的一千倍，而p型氮化镓和器件电极的接触电阻也约是n型氮化镓的一千倍。在氮化镓基的发光二极管器件结构中, p型氮化镓本身的电阻率较高使电流不易在p型氮化镓中均匀扩散,而p型氮化镓和器件电极的接触电阻较高使p型氮化镓的欧姆接触电极制作难度提高。

因为p型氮化镓的欧姆接触电极制作难度较n型氮化镓高,先前有人提出在原发光二极管外延结构的p型氮化镓上再外延成长一n型氮化镓,如此可将原先要制作在p型氮化镓上的欧姆接触电极改成制作在此外延成长的n型氮化镓上,避免了p型氮化镓上欧姆接触电极不易制作的问题。此即为习知的具有隧道结的氮化镓基发光二极管外延结构，此结构包括:缓冲层、第一n型半导体层、有源层、p型半导体层和第二n型半导体层。其中p型半导体层和第二n型半导体层的界面处形成p++/n++重掺杂的隧道结，当二极管工作时，会对重掺杂的p++/n++隧道结施加反向偏压，此时空穴会从第二n型半导体层的导带遂穿进入p型半导体层的价带，最后空穴会再进入有源层中和由第一n型半导体层进入的电子复合,使发光二极管发光。

而对于p型氮化镓本身因电阻率较高造成电流不易在p型氮化镓中均匀扩散的问题,传统的解决方法是在p型氮化镓上制作一兼具电流扩散和透光的透明导电层，习知的透明导电层一般是采用铟锡氧化物（ITO）。然而，作为透明导电层的铟锡氧化物材料相较于氮化镓基发光二极管外延材料本身具有较高的光学损耗。所以，使用铟锡氧化物的透明导电层解决了电流在p型氮化镓中均匀扩散问题,但是因铟锡氧化物的透光率较差，而影响发光二极管器件的发光亮度。

实用新型内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种具有隧道结的氮化镓基发光二极管外延结构，利用外延结构的设计,解决已知电流不易在p型氮化镓中均匀扩散的问题。

（二）技术方案

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种具有隧道结的氮化镓基发光二极管外延结构，从衬底往上依序包括缓冲层、第一n型半导体层、有源层、p型半导体层和第二n型半导体层；其中：

所述p型半导体层包括有两种以上不同的p型掺杂浓度层，其中p型半导体层的最表层为厚度为5~50nm，Mg的掺杂浓度为5E19~1E21cm^-3的p++重掺杂半导体层；

所述第二n型半导体层包括有两种以上不同的n型掺杂浓度层，其中第二n型半导体的最底层为厚度为5~50nm，Si的掺杂浓度为5E19~1E21cm^-3的n++重掺杂半导体层，在所述n++重掺杂半导体层上有厚度为100~1000nm，Si的掺杂浓度为1E18~5E19cm^-3的n掺杂半导体层；

所述p++重掺杂半导体层和所述n++重掺杂半导体层的界面上形成有氮化镓基发光二极管外延结构的隧道结。

其中：所述衬底可以为蓝宝石（Al₂O₃）衬底、硅（Si）衬底、碳化硅（SiC）衬底、氮化铝(AlN)衬底、氮化镓(GaN)衬底、氧化镓(Ga₂O₃)衬底或氧化锌（ZnO）衬底中一种。

其中：所述缓冲层厚度为5nm～500nm,组份为In_xAl_yGa_1-x-yN，其中0≦x≦0.2, 0≦y≦1。

其中：所述第一n型半导体层厚度为1um～10um,组份为In_zAl_wGa_1-z-wN，其中0≦z≦0.2, 0≦w≦1。

其中：所述有源层厚度为20nm～1um,组份为In_aAl_bGa_1-a-bN，其中0≦a≦0.5, 0≦b≦1。

其中：所述p型半导体层厚度为20nm～1um,组份为In_cAl_dGa_1-c-dN，其中0≦c≦0.2,0≦d≦1。

其中：所述第二n型半导体层厚度为105nm～1um,组份为In_eAl_fGa_1-e-fN，其中0≦e≦0.2, 0≦f≦1。

其中：所述第二n型半导体层依序包括有 n++重掺杂半导体层、n掺杂半导体层和n+掺杂半导体层，所述n+掺杂半导体层的厚度为5~50nm，Si的掺杂浓度为5E18~1E20cm^-3。

（三）有益效果

与现有技术相比，本实用新型提供了一种具有隧道结的氮化镓基发光二极管外延结构，具备以下有益效果：通过在所述n++重掺杂半导体层上设有用于电流扩散的n掺杂半导体层, 所述n掺杂半导体层可以帮助电流在有源层的p型半导体层一侧进行均匀扩散 ,解决了已知p型氮化镓本身因电阻率较高造成电流不易在p型氮化镓中均匀扩散的问题。

附图说明

图1 为本实用新型的结构示意图。

附图标记：

衬底101、缓冲层102、第一n型半导体层103、有源层104、p型半导体层105、电子阻挡层1051、p掺杂半导体层1052、p++重掺杂半导体层1053、第二n型半导体层106、n++重掺杂半导体层1061、n掺杂半导体层1062、n+掺杂半导体层1063。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1，如图1所示，一种具有隧道结的氮化镓基发光二极管外延结构，从衬底101往上依序包括缓冲层102、第一n型半导体层103、有源层104、p型半导体层105和第二n型半导体层106；其中：

所述p型半导体层105包括有两种以上不同的p型掺杂浓度层，其中p型半导体层105的最表层为厚度为5~50nm，Mg的掺杂浓度为5E19~1E21cm^-3的p++重掺杂半导体层1053；

所述第二n型半导体层106包括有两种以上不同的n型掺杂浓度层，其中第二n型半导体层106的最底层为厚度为5~50nm，Si的掺杂浓度为5E19~1E21cm^-3的n++重掺杂半导体层1061，在所述n++重掺杂半导体层1061上有厚度为100~1000nm，Si的掺杂浓度为1E18~5E19cm^-3的n掺杂半导体层1062；

所述p++重掺杂半导体层1053和所述n++重掺杂半导体层n掺杂半导体层1062的界面上形成有氮化镓基发光二极管外延结构的隧道结。

具体地，所述衬底101可以为蓝宝石（Al₂O₃）衬底、硅（Si）衬底、碳化硅（SiC）衬底、氮化铝(AlN)衬底、氮化镓(GaN)衬底、氧化镓(Ga₂O₃)衬底或氧化锌（ZnO）衬底中一种；所述缓冲层102厚度为5nm～500nm,组份为In_xAl_yGa_1-x-yN，其中0≦x≦0.2, 0≦y≦1；所述第一n型半导体层103厚度为1um～10um,组份为In_zAl_wGa_1-z-wN，其中0≦z≦0.2, 0≦w≦1；所述有源层104厚度为20nm～1um,组份为In_aAl_bGa_1-a-bN，其中0≦a≦0.5, 0≦b≦1；所述p型半导体层105厚度为20nm～1um,组份为In_cAl_dGa_1-c-dN，其中0≦c≦0.2, 0≦d≦1；所述第二n型半导体层106厚度为105nm～1um,组份为In_eAl_fGa_1-e-fN，其中0≦e≦0.2, 0≦f≦1；所述第二n型半导体层106依序包括有 n++重掺杂半导体层1061、n掺杂半导体层1062和n+掺杂半导体层1063，所述n+掺杂半导体层1063的厚度为5~50nm，Si的掺杂浓度为5E18~1E20cm^-3。

本实施例中，优选地提供了一种具有隧道结的氮化镓基发光二极管外延结构的生长方法，对本实用新型进行说明，具体生长流程包括如下步骤：

步骤S101：缓冲层102的生长：将蓝宝石衬底101传入MOCVD腔,在500～600℃下,通入TMGa、NH3、N2和H2，生长厚度为30nm,组份为GaN的缓冲层102；

步骤S102：第一n型半导体层103的生长：在1000～1200℃下, 通入TMGa、

NH3、SiH4、N2和H2，生长厚度为5um,组份为GaN的第一n型半导体层103，Si作为n型杂质源掺入，掺杂浓度为1.5E10¹⁹cm^-3；

步骤S103：有源层104的生长：在800～900℃下, 通入TEGa、TMIn、NH3、

N2和H2，生长由阱层和垒层交叠组成的有源层104，所述阱层组分为In_0.15Ga_0.85N，厚度为3-4nm，所述垒层组分为GaN，厚度为8-12nm,而有源层104的总厚度为200nm；

步骤S104：电子阻挡层1051的生长：在900～1100℃下, 通入TMGa、TMAl、

NH3、Cp2Mg、N2和H2，生长厚度为30nm,组份为Al_0.4Ga_0.6N的电子阻挡层1051，Mg作为p型杂质源掺入，掺杂浓度为1.5E10²⁰cm^-3；

步骤S105：p掺杂半导体层1052的生长：在900～1100℃下, 通入TMGa、NH3、Cp2Mg、N2和H2，生长厚度为30nm,组份为GaN的p掺杂半导体层1052，Mg作为p型杂质源掺入，掺杂浓度为1.5E10¹⁹cm^-3；

步骤S106：p++重掺杂半导体层1053的生长：在900～1100℃下, 通入

TMGa、NH3、Cp2Mg、N2和H2，生长厚度为10nm,组份为GaN的p++重掺杂半导体层1053，Mg作为p型杂质源掺入，掺杂浓度为1.5E10²⁰cm^-3；

步骤S107：n++重掺杂半导体层1061的生长：在900～1100℃下, 通入

TMGa、NH3、SiH4、N2和H2，生长厚度为10nm,组份为GaN的n++重掺杂半导体层1061，Si作为n型杂质源掺入，掺杂浓度为1.5E10²⁰cm^-3；

步骤S108：n掺杂半导体层1062的生长：在900～1100℃下, 通入TMGa、

NH3、SiH4、N2和H2，生长厚度为500nm,组份为GaN的n掺杂半导体层1062，Si作为n型杂质源掺入，掺杂浓度为1.5E10¹⁸cm^-3；

步骤S109：n+掺杂半导体层1063：在900～1100℃下, 通入TMGa、NH3、SiH4、N2和H2，生长厚度为10nm,组份为GaN的n+掺杂半导体层1063，Si作为n型杂质源掺入，掺杂浓度为1.5E10¹⁹cm^-3 。

本实用新型，通过在所述n++重掺杂半导体层上设有用于电流扩散的n掺杂半导体层, 所述n掺杂半导体层可以帮助电流在有源层的p型半导体层一侧进行均匀扩散，解决了已知p型氮化镓本身因电阻率较高造成电流不易在p型氮化镓中均匀扩散的问题。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种具有隧道结的氮化镓基发光二极管外延结构，从衬底往上依序包括缓冲层、第一n型半导体层、有源层、p型半导体层和第二n型半导体层；其特征在于：

所述p型半导体层包括有两种以上不同的p型掺杂浓度层，其中p型半导体层的最表层为厚度为5~50nm，Mg的掺杂浓度为5E19~1E21cm^-3的p++重掺杂半导体层；

所述第二n型半导体层包括有两种以上不同的n型掺杂浓度层，其中第二n型半导体的最底层为厚度为5~50nm，Si的掺杂浓度为5E19~1E21cm^-3的n++重掺杂半导体层，在所述n++重掺杂半导体层上有厚度为100~1000nm，Si的掺杂浓度为1E18~5E19cm^-3的n掺杂半导体层；

所述p++重掺杂半导体层和所述n++重掺杂半导体层的界面上形成有氮化镓基发光二极管外延结构的隧道结。

2.根据权利要求1所述的一种具有隧道结的氮化镓基发光二极管外延结构，其特征在于：所述衬底可以为蓝宝石（Al₂O₃）衬底、硅（Si）衬底、碳化硅（SiC）衬底、氮化铝(AlN)衬底、氮化镓(GaN)衬底、氧化镓(Ga₂O₃)衬底或氧化锌（ZnO）衬底中一种。

3.根据权利要求1所述的一种具有隧道结的氮化镓基发光二极管外延结构，其特征在于：所述缓冲层厚度为5nm～500nm,组份为In_xAl_yGa_1-x-yN，其中0≦x≦0.2, 0≦y≦1。

4.根据权利要求1所述的一种具有隧道结的氮化镓基发光二极管外延结构，其特征在于：所述第一n型半导体层厚度为1um～10um,组份为In_zAl_wGa_1-z-wN，其中0≦z≦0.2, 0≦w≦1。

5.根据权利要求1所述的一种具有隧道结的氮化镓基发光二极管外延结构，其特征在于：所述有源层厚度为20nm～1um,组份为In_aAl_bGa_1-a-bN，其中0≦a≦0.5, 0≦b≦1。

6.根据权利要求1所述的一种具有隧道结的氮化镓基发光二极管外延结构，其特征在于：所述p型半导体层厚度为20nm～1um,组份为In_cAl_dGa_1-c-dN，其中0≦c≦0.2, 0≦d≦1。

7.根据权利要求1所述的一种具有隧道结的氮化镓基发光二极管外延结构，其特征在于：所述第二n型半导体层厚度为105nm～1um,组份为In_eAl_fGa_1-e-fN，其中0≦e≦0.2, 0≦f≦1。

8.根据权利要求1所述的一种具有隧道结的氮化镓基发光二极管外延结构，其特征在于：所述第二n型半导体层依序包括有 n++重掺杂半导体层、n掺杂半导体层和n+掺杂半导体层，所述n+掺杂半导体层的厚度为5~50nm，Si的掺杂浓度为5E18~1E20cm^-3。