一種Al組分漸變式P型LED結構及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種Al組分漸變式P型LED結構及制備方法，屬于光電子技術領域。
【背景技術】
[0002]二十世紀九十年代初，以氮化物為代表的第三代寬帶隙半導體材料獲得了歷史性突破，科研人員在氮化鎵材料上成功地制備出藍綠光和紫外光LED，使得LED照明成為可能。1971年，第一只氮化鎵LED管芯面世，1994年，氮化鎵HEMT出現了高電子遷移率的藍光GaN基二極管,氮化鎵半導體材料發展十分迅速。
[0003]半導體發光二極管具有體積小、堅固耐用、發光波段可控性強、光效高、低熱損耗、光衰小、節能、環保等優點，在全色顯示、背光源、信號燈、光電計算機互聯、短距離通信等領域有著廣泛的應用，逐漸成為目前電子電力學領域研究的熱點。氮化鎵材料具有寬帶隙、高電子遷移率、高熱導率、高穩定性等一系列優點，因此在短波長發光器件、光探測器件以及大功率器件方面有著廣泛的應用和巨大的市場前景。
[0004]外延結構的生長是LED芯片的關鍵技術，而怎樣提高二極管的發光效率，是外延結構生長的一個重要難點。目前市場上大部分GaN基LED都是側向結構，都存在電流密度分布不均的問題，導致LED發光區域沒有得到充分利用。電流密度分布不均，會影響邊角發光區域得不到充分利用，降低發光二極管的發光效率。P型區是制造GaN LED器件必不可少的重要環節，PGaN結構及其外延生長方法是提高GaN基LED光取出效率的關鍵。由于難以形成導電良好的P型III族氮化物材料(例如GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN和AlInN)，P型層內電流分布的缺乏可能成為這些材料所形成LED性能的限制因素。
[0005]中國專利文獻CN103078018A公開的一種LED外延結構，所述的P型氮化鎵層之上包括ITO摻錫氧化銦層、P型電極和形成于N型氮化鎵層上的N型電極以及P型接觸層，其所述P型接觸層介于P型氮化鎵層和ITO摻錫氧化銦層之間，呈鍥型結構，且P型接觸層的空穴濃度漸變，靠近P型氮化鎵層一測空穴濃度高，遠離P型氮化鎵層一側空穴濃度低。該發明所述LED外延結構具有結構簡單、制作方便等優點，相對傳統結構，能較大地提高強LED的發光效率與信賴性。但是，由于遠離PGaN的一側空穴濃度低，使得該方法所制備的LED結構接觸層電阻較大,從而管芯電壓較高，同時發光效率也大大降低。
[0006]中國專利文獻CN102769078A公開的“高生長速率的P型GaN結構LED制造方法”，該發明公開了一種高生長速率的P型GaN結構LED的制造方法，通過借助高生長速率生長P型GaN層，減少生長時間，其LED結構能夠減少In的揮發，并且減少對臨近周期InGaN的破壞，從而有效減少對發光層多量子阱結構的傷害，提高量子阱晶體質量。但是，采用高速率生長P型GaN層，其晶體質量難以保證；同時，容易導致Mg摻雜的不均勻，從而造成空穴分布不均。
[0007]中國專利文獻CN102637796A公開的《具有P型AlGaN層結構的LED芯片及其制備方法》，該發明提供的LED芯片中設置了 P型AlGaN層中Al的摻雜量有規律的改變，改變了P型AlGaN層的能帶分布，減弱了 P型AlGaN層的價帶對空穴注入時的阻擋作用。所形成的能帶具有多個勢阱，這些勢阱能帶有利于空穴的注入。而勢壘則能繼續對電子起阻擋作用。但是，該P型AlGaN結構對電子的阻擋作用較弱，從而導致電子外溢至P型，影響發光效率。
[0008]中國專利文獻CN102157646A公開的《一種氮化物LED結構及其制備方法》，涉及了一種氮化物LED結構，其在N型電子注入層與多量子阱有源層之間插入一 In含量漸變的InGaN層以及制備方法。通過這層In含量漸變的InGaN層，可以釋放多量子阱有源層和N型電子注入層之間的應力，提高器件的內量子效率。但是，此InGaN結構減少了電子濃度，在一定程度上影響了發光效率。
[0009]中國專利文獻CN102820395A公開的《一種采用高勢壘高度漸變量子壘的LED結構及其制備方法》，涉及一種采用勢壘高度漸變的量子壘的LED結構，其量子壘的勢壘高度從N側到P側逐步降低，此種新結構改善了空穴的輸運，使得空穴分布于更多的量子阱內。但是，由于In濃度的漸變型，導致空穴分布不均勻，芯片單位面積的光功率差異較大。
[0010]中國專利文獻CN102487113A公開的《提高發光效率的GaN基LED外延片及其制備與應用》，涉及一種提高發光效率的GaN基LED外延片，使用P型的InGaN和P型GaN，一方面利用InGaN和GaN的極化效應產生較高的載流子濃度，不需要再次進行氮氣退火；另一方面利用InGaN和GaN的多周期重復結構產生的表面空洞實現表面粗化，但是，此方法的晶格失配較大，所制備的外延片質量相對較差。
[0011]中國專利文獻CN101872719B公開的《改善InGaN量子阱的In組分均勻性的外延生長方法》，涉及一種改善InGaN量子阱的In組分均勻性的外延生長方法，是在生長InGaN量子阱的初始階段使TEGa或TMIn的流量高出常規正常流量，然后再跳變陡降或逐漸漸變到常規正常生長流量生長InGaN層；或者是先通入一定的TMIn，然后按常規正常生長流量通入TEGa和TMIn生長InGaN量子阱；在一個InGaN量子阱生長結束后，終端后續生長，使過多的In原子從量子阱表面揮發，以保證量子阱沿生長方向In組分更均勻。本發明通過簡單的改變生長源的流量或者通入的先后順序就能大大改善量子阱內的In組分分布，量子阱的開始階段In組分即達到InGaN量子阱中的平均組分，使量子阱的上下界面更陡峭。但是，該方法使得In源的用量較多，不利于生產成本的控制。
【發明內容】
[0012]針對現有技術不足，本發明提供一種Al組分漸變式P型LED結構及制備方法，該結構能提高P型GaN結構空穴濃度，從而提升外量子效率，所得P型LED結構晶格失配小，從本質上降低接觸電阻并改善P型GaN薄膜質量。
[0013]發明概述:
[0014]本發明是通過對P型LED芯片中所設置的P型AMnxGamN層中Al的摻雜量做規律的變化，來改變P型AlYInxGai_x_YN層的能帶分布，從而減弱P型AlYInxGai_x_YN層的價帶對空穴注入時的阻擋作用，同時不削弱其對電子的阻擋作用。通過采用該結構，LED芯片亮度提升了 20%，電壓降低0.02-0.1V。
[0015]術語說明:
[0016]LED:發光二極管的簡稱。
[0017]發明詳述:
[0018]本發明的技術方案如下:
[0019]一種Al組分漸變式P型LED結構，由下至上依次包括襯底、成核層、緩沖層、N型GaN層、多量子阱發光層、P型AMnxGamN層；其中，
[0020]所述襯底是藍寶石、碳化硅；
[0021]所述成核層是氮化鎵層、氮化鋁層或鋁鎵氮層之一；
[0022]所述緩沖層是非摻雜氮化鎵；
[0023]所述多量子阱發光層是由InGaN勢阱層和GaN勢壘層周期性交替疊加構成；
[0024]所述P 型 AlyInxGa1^yN 結構中，所述 O ^ X ^ 1,0 ^ Y < 10
[0025]根據本發明優選的，所述多量子阱發光層為3-20個周期；
[0026]根據本發明優選的，所述P型AlYInxGai_x_YN的厚度為0.1-5 μ m。
[0027]本發明上述的一種Al組分漸變式P型LED結構的制備方法，包括以下步驟:
[0028](I)將藍寶石或碳化硅襯底放入金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)設備的反應室中，在氫氣氣氛下加熱到1000-1300°C，處理5-15分鐘；
[0029](2)在處理過的藍寶石或碳化硅襯底上生長氮化鎵、氮化鋁或者鋁鎵氮成核層；
[0030](3)在上述成核層上生長非摻雜氮化鎵緩沖層、N型GaN層以及多量子阱發光層；
[0031](4)在上述多量子阱發光層上生長P型結構，即Al組分漸變的P型AlYInxGai_x_YN結構。
[0032]根據本發明優選的，所述步驟(2)中，氮化鎵成核層生長溫度450-650°C，厚度10-50nm ;氮化鋁和鋁鎵氮成核層，生長溫度800-1150°C，厚度50_200nm ；
[0033]根據本發明優選的，所述步驟⑶中，非摻雜氮化鎵層緩沖層生長溫度為1000-1100°C，厚度為1-2 μ m ;N型GaN層生長溫度為1000-1105°C，厚度為2-2.5μπι;多量子阱發光層的厚度為50-360nm，由3_20個周期的InGaN勢阱層和GaN勢壘層交互疊加構成；單個周期的所述InGaN勢阱層的厚度0.2_6nm，單個周期的所述GaN勢壘層的厚度為1-1Onm0
[0034]根據本發明優選的，所述步驟⑷中，具體生長過程中，P型AMnxGamN層生長溫度為750-1600°C，生長壓力為200-800torr，生長時間為200s_3000s ;首先，開啟摻雜Mg元素所用Mg源，開啟時間為80-1500S, Mg摻雜濃度為0.2X 11VcnT3-1 X 1019/αιΓ3 ;之后，開啟摻雜Al元素所用的Al源，Al源流量變化范圍為0-300sccm,增速或降速范圍為0.05-2sccm/s，開啟時間為 50_1000s，Al 組分濃度為 2 X 1017/cnT3-8 X 11VcnT3 ;在開啟 Al源之前、同時或之后，開啟摻雜In元素所用In源，保證In組分滿足O < X < 1，開啟時間為5-1000so
[0035]本發明的優良效果:
[0036]1、本發明Al組分漸變的P型AlYInxGai_x_YN結構，能提高P型GaN結構空穴濃度，從而提升外量子效率，所得P型LED結構晶格失配小，從本質上降低接觸電阻并改善P型GaN
薄膜質量。
[0037]2、本發明P型AlYInxGai_x_YN層中Al的摻雜量有規律的變化后，改變了 P型AlYInxGai_x_YN層的能帶分布，減弱了 P型AlYInxGai_x_YN層的價帶對空穴注入時的阻擋作用，同時不削弱其對電子的阻擋作用。
[0038]3、本發明Al組分漸變的P型AlYInxGai_x_YN結構在一定程度上還可以改善表面粗化，起到提高光提取效率的作用。
【附圖說明】
[0039]圖1是本發明具有Al組分漸變式P型