氮化物半导体发光二极管外延片、器件及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种氮化物半导体发光二极管外延片、器件及其制备方法。该氮化物发光二极管外延片包括：衬底；以及依次沉积于衬底上的氮化物材料的模板层、n型层、量子阱有源区、载流子阻挡层和p型层；其中，p型层中掺杂元素至少包括Mg；载流子阻挡层为含有Al元素的氮化物材料，且除后期由p型层渗入的Mg元素之外，其前期沉积工艺中未掺入Mg元素。本发明专利技术通过在量子阱有源区和p型层之间插入合适厚度的非有意掺杂载流子阻挡层，可以有效减少p型层中掺杂剂Mg往量子阱有源区中的扩散效应，从而提高量子阱的辐射复合效率，即有效提高氮化物LED的内量子效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体发光二极管(以下简称LED)
，尤其涉及一种氮化物半导体发光二极管外延片、器件及其制备方法。
技术介绍
III-V族氮化物半导体材料主要包括氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(In)等化合物材料以及氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝铟(AlInN)、氮化铝铟镓(AlInGaN)等合金材料。自从二十世纪九十年代日本科学家中村修二专利技术出GaN基蓝光发光二极管以来，氮化物材料和发光器件受到人们越来越多的关注，GaN基蓝光LED的材料生长和器件制备技术迅速发展，氮化物白光LED发光效率不断提升并实现广泛产业化，目前氮化物蓝光LED和白光LED器件的功率效率可以实现超过50％，并在户外显示屏、液晶背光源、道路照明、景观照明乃至室内照明等诸多领域中广泛应用。随着GaN基可见光二极管技术日趋成熟，更短波长的紫外波段氮化物LED受到越来越多的研究机构和产业界的关注。紫外LED在生化探测、杀菌消毒、聚合物固化、非视距通讯及特种照明等领域都有重大应用价值。而与传统紫外光源汞灯相比，紫外LED作为固态光源具有小巧便携、绿色环保、波长易调谐、电压低、功耗小等诸多优点。随着技术的不断进步完善，有望成为未来紫外光源的主流。但是与GaN基蓝光LED相比，目前紫外LED的发光功率和效率还远不能令人们满意。尤其是波长短于300nm的深紫外LED，其发光效率一般在10％以下，甚至只有1％不到。造成这一情况的一个重要原因就在于含Al组分氮化物材料中难以实现高电导率的p型掺杂，Al组分越高，难度越大。一般来说，含Al组分氮化物材料的外延生长比GaN材料更加困难，Al组分越高，难度越大，外延出的材料中缺陷密度更高，这导致材料的p型掺杂中补偿效应严重；而同时，随着Al组分的提高，p型掺杂剂Mg在AlGaN和AlInGaN材料中的激活能不断增大，激活效率显著下降。这些原因导致含Al组分氮化物材料中的空穴浓度不足，电导率下降，在高Al组分的深紫外LED中情况尤为严重。而同时，对于含Al组分氮化物材料的n型掺杂则相对容易，即使对于Al组分达到50％之高的AlGaN材料，仍能够实现电子浓度达到1018/cm2量级的n型掺杂。即，对于同样组分的AlGaN和AlInGaN材料中，n型掺杂总是易于p型掺杂，对应的n型材料中电子的浓度要高于同组分p型材料中的空穴浓度。这就导致了一个明显的问题：对应的LED结构中n型层和p型层中的载流子浓度不平衡。同时，氮化物LED工作电压往往在3V以上，甚至达到更高，具有较高能量的电子很可能会越过LED的有源区量子阱层，而在有源区外发生非辐射复合，即发生电子的溢出(electron overflow)，降低了LED的辐射复合效率。为了解决这一问题，人们往往在量子阱有源区和p型层之间插入一层p型掺杂的载流子阻挡层(Electron Blocking Layer，简称EBL)，载流子阻挡层的禁带宽度大于量子阱区材料的禁带宽度，同时往往也大于n型层和p型层材料的禁带宽度。在氮化物LED中，载流子阻挡层通常是具有较高Al组分的AlGaN或AlInGaN或AlInN材料。这一层能够提供对于电子的有效阻挡，更好地将电子限制在量子阱区辐射复合。同时，如前所述，在含Al组分较高的氮化物材料中p型掺杂剂Mg的激活效率更低，为了获得较高的空穴浓度，往往在p型载流子阻挡层中的掺入较高浓度的Mg，掺杂浓度远超过1019cm-3乃至超过1020cm-3。而另一方面，已有不少研究报导表明，氮化物材料中掺入的较高剂量的Mg会发生扩散，导致这一扩散发生的原因可能是氮化物材料中的位错提供了Mg扩散的通道，也可能是由于较高温度导致的Mg原子的扩散。不管何种原因，p型载流子阻挡层中较高浓度的Mg会有相当剂量扩散到临近的量子阱中，导致这个(些)量子阱中Mg原子的浓度达到1017cm-3以上，乃至更高。这些Mg原子在量子阱中反而导致更多非辐射复合中心出现，降低量子阱中的辐射复合效率，即降低发光效率。在氮化物LED中，由于空穴迁移率低于电子迁移率，导致靠近p型层的一个或者若干个量子阱是最主要的发光层，即靠近p型层的一个或者若干个量子阱对于LED的发光效率是至关重要的，而由于靠近p型载流子阻挡层，阻挡层中的Mg又容易扩散到这些阱中，因此Mg扩散的问题对于LED的量子效率影响相当重要，而且是相当不利的影响。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题鉴于上述技术问题，本专利技术提供了一种氮化物半导体发光二极管外延片、器件及其制备方法，以在有效实现载流子阻挡的同时，减小甚至消除Mg扩散对于LED量子阱发光效率的不利影响。(二)技术方案根据本专利技术的一个方面，提供了一种氮化物半导体发光二极管外延片。该氮化物发光二极管外延片包括：衬底；以及依次沉积于衬底上的氮化物材料的模板层、n型层、量子阱有源区、载流子阻挡层和p型层；其中，p型层中掺杂元素至少包括Mg；载流子阻挡层为含有Al元素的氮化物材料，且除后期由p型层渗入的Mg元素之外，其前期沉积工艺中未掺入Mg元素。根据本专利技术的另一个方面，还提供了一种氮化物半导体发光二极管器件。该氮化物半导体发光二极管器件包括：衬底；依次沉积于衬底上的氮化物材料的模板层、n型层、量子阱有源区、载流子阻挡层、p型层；反射层和p型电极，沉积于p型层的上方；以及n型电极，形成于一台阶上，该台阶由自下而上刻蚀p型层、载流子阻挡层和量子阱有源区，并终止于n型层而形成；其中，p型层中掺杂元素至少包括Mg；载流子阻挡层为含有Al元素的氮化物材料，且除由p型层渗入的Mg元素之外，其前期沉积工艺中未掺入Mg元素。根据本专利技术的再一个方面，还提供了一种上述氮化物半导体发光二极管器件的制备方法。该制备方法包括：步骤S202，在衬底上依次沉积模板层、n型层、量子阱有源区、载流子阻挡层、p型层，得到氮化物发光二极管外延片，对其进行退火处理以激活p型层中的p型掺杂剂；步骤S204，在氮化物发光二极管外延片上的预设位置刻蚀掉p型层、载流子阻挡层和量子阱有源区，暴露出n型层，以形成一台阶；步骤S206，在台阶的n型层上制备n型电极；步骤S208，在未刻蚀的p型层上制备反射层和p型电极，从而形成氮化物半导体发光二极管器件。根据本专利技术的另一个方面，还提供了一种氮化物半导体发光二极管器件。该氮化物半导体发光二极管器件包括：导电支撑基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化物半导体发光二极管外延片，其特征在于，包括：衬底；以及依次沉积于所述衬底上的氮化物材料的模板层、n型层、量子阱有源区、载流子阻挡层和p型层；其中，所述p型层中掺杂元素至少包括Mg；所述载流子阻挡层为含有Al元素的氮化物材料，且除后期由p型层渗入的Mg元素之外，其前期沉积工艺中未掺入Mg元素。

【技术特征摘要】
1.一种氮化物半导体发光二极管外延片，其特征在于，包括：
衬底；以及
依次沉积于所述衬底上的氮化物材料的模板层、n型层、量子阱有源
区、载流子阻挡层和p型层；
其中，所述p型层中掺杂元素至少包括Mg；所述载流子阻挡层为含
有Al元素的氮化物材料，且除后期由p型层渗入的Mg元素之外，其前
期沉积工艺中未掺入Mg元素。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光二极管外延片，其特征
在于，所述载流子阻挡层的禁带宽度大于所述量子阱有源区和所述n型层
的禁带宽度。
3.根据权利要求2所述的氮化物半导体发光二极管外延片，所述载
流子阻挡层的材料为AlxInyGa1-x-yN，其中，0<x<l，0≤y≤0.2。
4.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光二极管外延片，其特征
在于，所述载流子阻挡层的材料中Al元素组分大于n型层和量子阱有源
区的材料中Al元素组分。
5.根据权利要求4所述的氮化物半导体发光二极管外延片，所述载
流子阻挡层厚度介于2nm至30nm之间。
6.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光二极管外延片，所述量
子阱有源区由一组或多组AlaInbGa1-a-bN/AlcIndGa1-c-dN结构组成，其中，量
子阱层AlaInbGa1-a-bN禁带宽度Ega小于量子垒层AlcIndGa1-c-dN禁带宽度
Egc，且0≤a<1，0≤b≤0.2，0≤c<l，0≤d≤0.2。
7.根据权利要求6所述的氮化物半导体发光二极管外延片，所述量
子阱有源区的发光光谱的主发光峰的峰值介于210nm至400nm的范围内。
8.根据权利要求7所述的氮化物半导体发光二极管外延片，所述量
子阱有源区的发光光谱的主发光峰的峰值介于230nm至300nm的范围内。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的氮化物半导体发光二极管外
延片，所述衬底的材料为蓝宝石、单晶硅、碳化硅、氧化锌、氮化镓或氮
化铝。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的氮化物半导体发光二极管外
延片，所述模板层包括一层或多层氮化物材料，并每一层至少含有Al、
Ga、In元素组中的一种。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的氮化物半导体发光二极管外
延片，所述模板层的材料对于所述LED的...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫建昌，王军喜，张韵，丛培沛，孙莉莉，董鹏，田迎冬，李晋闽，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：