一种具有极化隧道结的GaN基LED外延片及其制备方法技术

一种具有极化隧道结的氮化镓GaN基LED外延片及其制备方法。该GaN基LED外延片由衬底、低温缓冲层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、量子阱层、p型铝镓氮层、p型氮化镓层、高掺杂p型氮化镓层和高掺杂n型氮化镓层组成，其特征在于在高掺杂p型氮化镓层和高掺杂n型氮化镓层之间有一非掺杂的铟铝氮层。本发明专利技术是利用MOCVD外延设备依次生长上述各层。高掺杂p型氮化镓层、非掺杂的铟铝氮层和高掺杂n型氮化镓层共同组成一个极化隧道结，取代了外延片p型氮化镓层上面的电流扩展层。该极化隧道结具有比普通隧道结在电流驱动下更高的极化电场，能显著提高载流子的隧穿几率以及横向电导率，从而减少压降和增强发光二极管的横向电流扩展，获取高光效的发光二极管。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种具有极化隧道结的氮化镓GaN基LED外延片及其制备方法。该GaN基LED外延片由衬底、低温缓冲层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、量子阱层、p型铝镓氮层、p型氮化镓层、高掺杂p型氮化镓层和高掺杂n型氮化镓层组成，其特征在于在高掺杂p型氮化镓层和高掺杂n型氮化镓层之间有一非掺杂的铟铝氮层。本专利技术是利用MOCVD外延设备依次生长上述各层。高掺杂p型氮化镓层、非掺杂的铟铝氮层和高掺杂n型氮化镓层共同组成一个极化隧道结，取代了外延片p型氮化镓层上面的电流扩展层。该极化隧道结具有比普通隧道结在电流驱动下更高的极化电场，能显著提高载流子的隧穿几率以及横向电导率，从而减少压降和增强发光二极管的横向电流扩展，获取高光效的发光二极管。【专利说明】
本专利技术属于半导体光电子器件领域，尤其涉及。
技术介绍
高亮度发光二极管(LED)作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，由于其具有体积小、重量轻、寿命长、可靠性高、以及使用电压低且功耗低等优点，正在迅速广泛地得到应用，已成为替代传统照明光源的最佳光源选择。GaN, InN和AlN是直接带隙半导体材料，其室温禁带宽度分别为3.4eV，0.6eV和6.1eVXaN及其固溶体可用于制造从可见光到紫外波段的光电器件，例如蓝光发光二极管、激光器和光电探测器等。GaN基高亮度发光二极管(LED)是目前全球光电子领域研究和产业的前沿和热点。GaN基LED制备要经过LED外延片生长，LED芯片制备和LED封装三个主要环节。其中LED外延片生长是LED的核心技术，它对LED的性能水平起主要作用。GaN基LED外延片的结构通常是由P型氮化镓层和η型氮化镓层以及位于这两层之间的有源区(例如，量子阱)组成，但由于P型GaN的Mg杂质激活困难及功函数较高(大约7.5eV)等原因，导致P型氮化镓层与η型氮化镓层相比具有更强的抵抗电流能力，即，导电性能低，这种缺点会导致电流从电极进入P型氮化镓层时会阻碍整个侧向电流，从而致使非均匀电流注入有源区并降低整个器件的效率。目前，解决电流扩展问题的一种方法是在P型氮化镓层上沉积金属层，例如N1-Au，这样的器件具有较好的电流扩展性能。为了满足正面出光的要求，N1-Au电极必须做得很薄，其可见光透过率大约为65%，但是，为实现电流的均匀扩展，N1-Au极则要求相对较厚，两者相互矛盾。由于此层具有较低的透过率和会吸收从有源区穿过P型氮化镓层过来的光，均会降低器件的发光效率。有些沉积金属层材料不能有效地附着于P型氮化镓层的表面，这样也会使LED的器件光电性能进一步下降。P型氮化镓层相对于η型氮化镓层可靠性也要差很多，经常会因为器件的加工等步骤而损坏暴露在表层的P型氮化镓层，从而影响LED器件的发光效率。解决电流扩展问题的另一种方法是在P型氮化镓层上再制造隧道结，该方法在Seong-Ran Jeon等人在(《应用物理快报》，第78卷，第21期，第3265-3267页)发表的“在利用隧道接触结的GaN衬底发光二极管中扩散的侧向电流” 一文中做了描述。Jeon利用MOCVD外延设备制造GaN基LED外延片时，在ρ型氮化镓层上再依次生长IOnm的高掺杂ρ型氮化镓层和IOnm的高掺杂η型氮化镓层，并以η型氮化镓层作为表层再做电极。尽管这样的结构可以改善LED芯片的电流扩展性能，但是这样的隧道结都是由GaN成分组成，属于同质结，没有极化而产生的极化电场，对于隧道结的隧道几率有一定影响，而且会提高整个LED器件的工作电压。
技术实现思路
本专利技术针对目前制造LED器件中ρ型层很难获得较低的接触电阻及电流扩展性能等缺陷，改善LED器件效率，提供了一种具有极化隧道结的GaN基LED外延片。本专利技术的另一个目的是一种所述具有极化隧道结的GaN基LED外延片的制备方法。这种具有极化隧道结的GaN基LED外延片由衬底1、低温缓冲层2、非掺杂氮化镓层3、η型氮化镓层4、量子阱层5、ρ型铝镓氮层6、ρ型氮化镓层7、高掺杂ρ型氮化镓层8和高掺杂η型氮化镓层10组成，在高掺杂ρ型氮化镓层8和高掺杂η型氮化镓层10之间有一非掺杂的铟铝氮层9，高掺杂ρ型氮化镓层8、非掺杂的铟铝氮层9和高掺杂η型氮化镓层10共同组成一个极化隧道结，极化隧道结的厚度小于20nm。与Jeon所制备具有隧道结的LED结构相比，中间有一层非掺杂的铟铝氮层9，这样能多产生一个极化电场，器件受电流驱动时的电场强度就由外部电场、内建电场、极化电场三部分组成，总电场强度的增加能提高隧道结的隧道几率，从而降低电流注入时的阻碍作用，降低LED器件的工作电压，提高横向电导率，从而改善电流扩展性能，能有更多的载流子在有源区均匀复合，提高LED的发光效率。 采用在高掺杂P型氮化镓层8上生长非掺杂铟铝氮层9，再继续生长高掺杂η型氮化镓层10，能减少缺陷，提高外延片的晶体质量。研究表明，极化隧道结中间的铟铝氮合金层中的In的质量含量在10-40%之间可调。优选的铟铝氮层中In质量含量在14~22%，该含量与GaN的晶格失配 小于0.5%，性质好于InGaN。这种具有极化隧道结的GaN基LED外延片，其衬底I是蓝宝石、硅或SiC。量子阱层5由单量子阱或多量子阱组成，多量子阱内部的周期数目小于60。通过MOCVD外延设备进行外延生长所述具有极化隧道结的GaN基LED外延片的流程如下:首先在衬底上生长低温缓冲层2，可以是GaN、AIN、InN或者及其合金材料，生长温度在50(T600°C，厚度为l(T100nm ;接着生长非掺杂氮化镓层3，目的是改善晶体质量，生长温度在95(Tl250°C，厚度为0.1~1Ο μ m ;然后生长η型氮化镓层4，生长温度在95(Tl250°C，厚度为0.1~ 10μ m ;再生长量子阱层5，量子阱的材料为单个或者多个InGaN/GaN周期，其生长温度在50(T1000°C ;在量子阱层5上再生长ρ型铝镓氮层6，生长温度在90(T1000°C，厚度l(T200nm ;再生长ρ型氮化镓层7，生长温度在900~1000°C，厚度5(T300nm ;最后在ρ型氮化镓层7上依次生长具有高掺杂ρ型氮化镓层8、非掺杂的铟铝氮层9、高掺杂η型氮化镓层10。这三层的厚度均小于20nm，生长温度在900~1000°C。由高掺杂P型氮化镓层8、非掺杂铟铝氮层9和高掺杂η型氮化镓层10组成极化隧道结。根据制造要求，一般就以这个极化隧道结作为覆盖层，但有时也可以根据需要在高掺杂η型氮化镓层可以再生长一层0.1^5 μ m的η型氮化镓层4。上述所有ρ型层的受主为Mg或Zn，η型层的施主为Si。【专利附图】【附图说明】下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细描述。图1为实施例1的具有极化隧道结的GaN基LED外延片结构示意图。图2为实施例1的具有极化隧道结的GaN基LED正装结构示意图。图3为实施例1的具有极化隧道结的GaN基LED倒装结构示意图。图4为实施例1的具有极化隧道结的GaN基LED垂直结构示意图。图5为实施例2的具有极化隧道结的倒置生长结构GaN基LED外延片。图中:1.衬底；2.缓冲层；3.非掺杂氮化镓层；4.η型氮化镓层；5.量子阱层；6.ρ型铝镓氮层；7.ρ型氮化镓层；8.高掺杂ρ型氮化镓层；9.非掺杂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有极化隧道结的GaN基LED外延片，其结构由衬底（1）、低温缓冲层（2）、非掺杂氮化镓层（3）、n型氮化镓层（4）、量子阱层（5）、p型铝镓氮层（6）、p型氮化镓层（7）、高掺杂p型氮化镓层（8）和高掺杂n型氮化镓层（10）组成，其特征在于在高掺杂p型氮化镓层（8）和高掺杂n型氮化镓层（10）之间有一非掺杂的铟铝氮层（9），高掺杂p型氮化镓层（8）、非掺杂的铟铝氮层（9）和高掺杂n型氮化镓层（10）共同组成一个极化隧道结，极化隧道结的厚度小于20nm 。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：贺龙飞，陈志涛，刘宁炀，赵维，张志清，张康，王巧，张娜，范广涵，
申请(专利权)人：广东省工业技术研究院广州有色金属研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44