专利名称：一种采用势垒高度渐变量子垒的led结构及其制备方法
技术领域：
本发明涉及ー种采用势垒高度渐变量子垒的LED结构及其制备方法，属于光电子技术领域。
背景技术：
III V族宽禁带直接带隙半导体具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高硬度、稳定的化学性质、较小介电常数和耐高温的一系列优点，因此其在高亮度蓝色发光二极管、蓝 色半导体激光器以及抗辐射、高频、高温、高压等电子电カ器件中有着广泛的实际应用和巨大的市场前景。GaN是半导体III族氮化物的基本材料，质地坚硬，且化学性质异常稳定，室温下不与酸、碱反应，不溶于水，具有较高的熔点1700°C。GaN具有优秀的电学性质，电子迁移率最高可达900cm2/ (V s)。n型掺杂的GaN材料很容易得到，但是p型掺杂GaN却不易得到，P型GaN曾经是GaN器件的制约瓶颈。在热退火技术提出之后，GaN较容易地实现了Mg杂质的掺杂，目前p型载流子浓度可以达到IO17 102°/cm3。近十几年来，采用缓冲层的外延技术和P型掺杂的提高，使得GaN基器件研究重新振兴，变为热点。GaN基多量子阱发光二极管(LED)已经进入市场并取得很大进展，但是芯片出光效率低下并且衰减的问题仍未得到很好解決。现有的LED结构是在蓝宝石(a -Al2O3)或者碳化硅(SiC)衬底上沿着
方向外延得到的GaN基材料存在自发极化和压电极化，致使能带产生严重弯曲，如图I。传统通用结构中，InGaN量子阱和GaN量子垒之间由于存在极化效应，阱和垒的能带产生形变。形变的量子阱对载流子的束缚能力大幅下降，产生很大的漏电流。而且量子垒的形变对载流子尤其是空穴的输运产生附加势垒，使空穴不能均匀的分布在各个量子阱内，只能集中在靠近P侧的ー两个阱内。因此传统结构LED的内量子效率在较高电流密度注入下出现衰减。《物理学报》2010年7月，第7期，第59卷中公开ー篇《In组分渐变提高InGaN/GaN多量子阱发光二极管发光性能》，文中披露利用金属有机物化学气相趁机系统在蓝宝石衬底上通过有源层的变温生长，得到In组分渐变的量子阱结构，从而获得具有三角形能带结构的InGaN/GaN多量子阱发光二极管，该结构有效提高了量子阱中电子和空穴波函数的空间交叠，从而増加了 LED的内量子效率，进而提高了 LED的发光效率。本文献是针对发光二极管中每个量子阱的组分渐变；文献中所记载的In组分渐变三角形量子阱，虽然在每个阱的低In组分ー侧与GaN量子垒的极化效应很弱，但是在阱高In —侧依然与GaN量子垒存在较高的极化效应，因此该结构只能部分提高载流子的空间重合率，但是对空穴的输运没有提高作用，因此对整个器件的效率提高非常有限。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供ー种采用势垒高度渐变量子垒的LED结构，与传统量子势垒高度恒定的LED结构相比，本发明不但大幅度提高了空穴浓度的分布，而且量子阱垒之间的极化场也得到有效减弱，最终达到了提高器件量子效率的目的。本发明还提供ー种上述LED结构的制备方法。发明概述本发明采用AlGaInN材料作为量子垒材料，通过调节Al和In组分，使量子垒的禁带宽度从n侧到p侧逐渐减小，即形成势垒高度渐变的AluGa1IvInvN量子垒。本发明采用势垒高度渐变的AluGa1IvInvN量子垒结构的优点在于1.使得从p侧注入的空穴能够有效输运至较远的阱内，提高空穴的分布；2.由于势垒高度较小的量子垒与量子阱之间的极化效应相对较弱，因此采用上述结构提高了对载流子的束缚能力，也增强了电子和空穴波函数的空间重合率；3.增强了 LED结构的内量子效率和光输出功率。发明详述ー种采用势垒高度渐变量子垒的LED结构，包括衬底层上依次是成核层、缓冲层、n型导电层、多量子阱层和P型导电层，在n型导电层上和p型导电层上分別是欧姆接触层；其特征在干，所述的多量子阱层是交替生长的厚度为2-20nm的AlxGai_x_yInyN阱和厚度为10-30nm 的 AluGa1IvInvN.，重复周期 2-30 个；其中，0<x<u< l，0<v<y<l;gn侧至P侧X和y的取值恒定不变，u的取值按等差数列逐渐降低，V的取值按等差数列逐渐增加，U的取值大于等于X, V的取值小于等于y。对于不同势鱼高度的AluGaitvInvPiu和v的数值要满足如下条件使得量子垒的势垒高度(也就是禁带宽度)从n侧到p侧逐步降低；而且量子垒的禁带宽度大于量子阱材料的禁带宽度。根据本领域内通用的半导体物理知识，AlGaInN材料中Al组分的増加或In组分的减小都会使得材料的禁带宽度减小。因此对于量子垒材料，u的取值需要大于等于X，V的取值需要小于等于y。并且为了得到从n侧到P侧势垒高度逐步降低的量子垒，需要靠近n侧量子垒中Al组分不低于相邻的靠近p侧的量子垒中Al的组分，或者靠近n侧量子垒中In组分不高于相邻的靠近p侧的量子垒中In的组分。根据本发明，进ー步优选的，根据LED结构所设定出射波长入，所述的AlxGa1^yInyN讲中和所述的AluGa1HlnvN鱼中的x、y、U、v的取值如下表I :表I
权利要求
1.ー种采用势垒高度渐变量子垒的LED结构，包括衬底层上依次是成核层、缓冲层、n型导电层、多量子阱层和P型导电层，在n型导电层上和p型导电层上分別是欧姆接触层；其特征在于，所述的多量子阱层是交替生长的厚度为2-20nm的AlxGai_x_yInyN阱和厚度为10-30nm 的 AluGa1IvInvN.，重复周期 2-30 个；其中，0<x<u< l，0<v<y<l;gn侧至P侧X和y的取值恒定不变，u的取值按等差数列逐渐降低，V的取值按等差数列逐渐增加，U的取值大于等于X, V的取值小于等于Y。
2.如权利要求I所述的LED结构，其特征在于，根据LED结构所出射波长入，所述的AlxGa1^yInyN讲中和所述的AluGa1HlnvN鱼中的x、y、U、v的取值如下表I : 表I
3.如权利要求I所述的LED结构，其特征在于，所述的衬底层为蓝宝石衬底或碳化硅衬底之一。
4.如权利要求I所述的LED结构，其特征在于，所述的缓冲层是厚度为3u m-180 y m的非掺杂GaN，所述的成核层是厚度为lnm-50nm的GaN。
5.如权利要求I所述的LED结构，其特征在于，所述的n型导电层是厚度为0. 6 u m-7 u m 的掺 Si 的 n 型 GaN 层，Si 的掺杂浓度范围是:5 X 1017cm_3_5 X 1019cm_3 ；
6.如权利要求I所述的LED结构，其特征在于，所述的p型导电层是厚度为120nm_400nm 的惨 Mg 的 p 型 GaN 层，Mg 惨杂浓度范围是5 X 1019cm 3-5 X IO20Cm 3。
7.如权利要求I所述的LED结构，其特征在于，所述的欧姆接触层为TiAlNiAu电极。
8.根据权利要求I所述的LED结构的制备方法，采用金属有机物化学气相沉淀方法在衬底上依次生长成核层、缓冲层、n型导电层、多量子阱层和p型导电层，在n型导电层和p型导电层上分別制作欧姆接触层，其特征在于，步骤如下 1)在MOCVD反应腔室中将衬底层加热到500°C-1200°C，在氢气气氛下处理5分钟，然后温度降至500°C _600°C生长GaN成核层，厚度lnm_50nm ;然后温度升到520°C _850°C，氢气作为载气，生长3 u m-180 u m厚的非掺杂GaN缓冲层； 2)MOCVD反应腔室中，将温度调节至960°C-1200°C，氢气作为载气的条件下，生长厚度为 0. 6 ii m-7 ii m 的掺 Si 的 n 型 GaN 层，Si 的掺杂浓度范围:5 X 1017cm_3_5 X 1019cm_3 ； 3)MOCVD反应腔室中，将温度调节至520°C-1100°C，通入金属有机源TMGa、TMIn和TMAl，所述的多量子阱层是交替生长的厚度为2-20nm的AIxGa1^InyN阱和厚度为10_30nm的 AluGaitvInvN 全,重复周期 2-30 个；其中，0<x；^u<l,0<v；^y<l;gn 侧至 p 侧X和y的取值恒定不变，u的取值按等差数列逐渐降低，V的取值按等差数列逐渐增加，u的取值大于等于X，V的取值小于等于y ； 4)MOCVD反应腔室中，将温度调节至680°C-1100°C，生长120nm_400nm厚的掺Mg的p型 GaN 层，Mg 掺杂浓度范围为 5X 1019cnT3-5X IO2ciCnT3 ； 5)最后在n型GaN层和p型GaN层上分別制作TiAlNiAu电极，制作成欧姆接触层。
9.根据权利要求8所述的LED结构的制备方法，其特征在于，所述的步骤3)中AlxGa1^yInyN阱中的x和y根据LED结构的出射波长 ' 确定AlxGa1TyInyN阱中x和y使得禁带宽度等于所需波长能量;AluGaitVInvN垒中的u和V由根据X和y的值来确定u和V的条件需要满足量子垒势垒高度从n侧到p侧逐步降低，而且使得量子垒禁带宽度大于量子阱禁带宽度； 计算方法及公式简要说明如下 根据公式\ = 1.24/Eym，计算出所需出射波长\对应的光子能量E ; 然后通过下列AlGaInN四元系材料能带公式计算出x与y的关系
全文摘要
本发明涉及一种采用势垒高度渐变量子垒的LED结构及其制备方法，属于光电子技术领域。所述的LED结构中具有多量子阱层，其中量子垒的势垒高度从n侧到p侧逐步降低，此种新结构改善了空穴的输运，使得空穴在能分布于更多的量子阱内，同时也在总体上降低了阱垒之间的极化强度。这些因素整体上提高了电子和空穴的浓度分布以及自发辐射速率的强度，从而有效地提高了器件的内量子效率与光功率输出。
文档编号H01L33/06GK102820395SQ201110151410
公开日2012年12月12日 申请日期2011年6月7日 优先权日2011年6月7日
发明者王成新, 王强, 徐现刚, 李树强, 曲爽 申请人:山东华光光电子有限公司