一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片及制备方法

摘要

一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片及制备方法，属于半导体发光器件技术领域。由(0001)面蓝宝石衬底、低温GaN缓冲层、氮极性GaN模板层、n‑GaN电子注入层、多量子阱有源层、极化诱导p型掺杂空穴注入层组成，其中氮极性GaN模板层中有SiNx掩膜层，极化诱导p型掺杂空穴注入层上设置有p电极，n‑GaN电子注入层有一裸露台面，在其上设置有n电极；本发明采用斜切的蓝宝石衬底，提高外延片的晶体质量及表面平整度；氮极性GaN模板层中原位插入SiNx掩膜，有效阻挡位错同时降低非故意掺杂的浓度，提高内量子效率；采用Al组分线性增加的掺Mg的AlGaN制作形成为极化诱导p型掺杂空穴注入层，提高空穴的浓度，提高电注入效率。

说明书

技术领域

本发明属于半导体发光器件技术领域，具体涉及一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片及制备方法。

背景技术

GaN，AlN，InN及其合金化合物都是直接带隙半导体，其禁带宽度可以在0.7eV到6.2eV之内连续调节，对应的发光波长从红外一直延伸到紫外波段，是制备LED的理想材料。但是目前为止，唯一适合作为p型掺杂剂的Mg其室温下在GaN中的激活能高达200meV。这就导致室温下Mg的激活效率不会超过1％，而过高的掺杂浓度又会引入其他问题，如表面退化，极性反转等。因此p型GaN中的空穴浓度很难超过10¹⁸cm^-3。低的空穴浓度会引入高的串联电阻，在大电流下工作还会导致Droop效应的产生。因此氮化物材料的p型掺杂成为了阻碍大功率高效率LED发展的瓶颈之一。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述p型材料中Mg激活效率低问题，用氮极性(外延方向为轴方向)Al组分线性增加的掺Mg的AlGaN代替传统掺Mg的GaN作为空穴注入层制备蓝紫光LED。该器件结构利用了AlGaN薄膜中自发极化强度随Al组分增加而增加的特性，在Al组分线性增加的AlGaN薄膜中形成负的空间极化电荷，利用极化电荷对空穴的吸引能力诱导Mg受主中的空穴发生电离。由此产生的空穴的浓度仅和薄膜内空间电荷的密度有关，不受热激活能量的限制，从而实现提高Mg受主激活率，提升LED性能的目的。

本发明的技术方案是：

本发明所设计的一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片(见附图1和附图说明)，其特征在于：其从下至上依次由高温氮化处理、带有斜切角的(0001)面蓝宝石衬底1、低温GaN缓冲层2、氮极性GaN模板层3、n-GaN电子注入层5、多量子阱有源层6、极化诱导p型掺杂空穴注入层7组成，其中氮极性GaN模板层3中有SiN_x掩膜层4，极化诱导p型掺杂空穴注入层7上有p电极8，将部分表面蚀刻至裸露出n-GaN电子注入层5，其上面有n电极9.

如上所述的一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片，其特征在于：所述的(0001)面蓝宝石衬底1具有一定的斜切角(即蓝宝石衬底1的生长面与蓝宝石(0001)晶面具有一定的夹角)，斜切方向为偏[1010]轴方向，斜切角为0.2～4°。

如上所述的一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片，其特征在于：芯片中除(0001)面蓝宝石衬底1，p电极8，n电极9外，均采用MOCVD外延完成，外延过程中，外延生长方向为氮化物的方向，所述外延生长方向对应的晶面为面。

如上所述的一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片，其特征在于：所述的SiN_x掩膜层4位于氮极性GaN模板层3当中，由氨气和硅烷原位生成。

如上所述的一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片，其特征在于：多量子阱有源层6由阱层In_x3Ga_1-x3N和垒层GaN交替生长组成，对数在2～5对之间，每个阱层的厚度为2～4nm，每个垒层的厚度为10～15nm，其中0.1≤x3≤0.2。

如上所述的一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片，其特征在于：所述的极化诱导p型掺杂空穴注入层7由掺Mg的AlGaN材料构成，其中Al的组分沿外延生长方向逐渐升高，即从Al_x1Ga_1－x1N到Al_x2Ga_1－x2N逐渐过渡，其中0≤x1<x2≤1，厚度为50～100nm。

如上所述的一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片，其特征在于：低温GaN缓冲层2的厚度为10～30nm，氮极性GaN模板层3的厚度为2～3μm，SiN_x掩膜层4位于氮极性GaN模板3当中，其距离蓝宝石衬底1为100～500nm，n-GaN电子注入层5的厚度为0.5～1μm，InGaN基多量子阱有源区6中每个阱层In_x3Ga_1-x3N的厚度为2～4nm、每个垒层GaN的厚度为10～15nm，极化诱导p型掺杂空穴注入层7的厚度为50～100nm，p电极层8的厚度为10～30nm，n电极层9的厚度为60～100nm。

一种如上所述的带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片的制备方法，其步骤如下：

(1)为了使外延生长方向沿氮化物的方向进行，首先将带有斜切角的(0001)面蓝宝石衬底在氨气和氮气的混合气氛下进行原位的高温氮化处理(氨气和氮气的体积比为1:2～1:3，氮化温度为1020～1080℃，氮化处理的时间120～240s)，之后采用MOCVD方法的蓝宝石衬底上依次外延生长低温GaN缓冲层2(生长温度520～560℃，厚度10～30nm，生长源为氨气和三乙基镓)、氮极性GaN模板层3(生长温度1050～1100℃，厚度100～500nm，生长源为氨气和三甲基镓)、SiN_x掩膜层4(生长温度1020～1080℃，生长时间30～120s，生长源为氨气和硅烷，为多孔结构)、氮极性GaN模板层3(与前面生长氮极性GaN模板层的工艺条件相同，厚度1.5～2.5μm)、n-GaN电子注入层5(生长温度1020～1050℃，厚度0.5～1μm，生长源为氨气和三甲基镓，掺杂源为硅烷，掺杂浓度为10¹⁸～10¹⁹/cm³)、多量子阱有源层6(量子阱由阱层In_x3Ga_1-x3N和垒层GaN交替生长组成，对数在2～5对之间，每个阱层的厚度为2～4nm，每个垒层的厚度为10～15nm，其中0.1≤x3≤0.2，阱层In_x3Ga_1-x3N生长源为氨气、三甲基铟和三乙基镓，垒层GaN的生长源为氨气和三甲基镓)、极化诱导p型掺杂空穴注入层7(由掺Mg的、Al组分沿外延方向线性增加的AlGaN制成，生长过程中通过线性的减少Ga源的流量同时线性增加Al源的流量实现Al组分的线性变化，生长温度980～1020℃，厚度50～100nm，生长源为氨气、三甲基镓和三甲基铝，掺杂源为二茂镁，掺杂浓度为10¹⁹～10²⁰/cm³)，从而制备得到氮极性蓝紫光LED结构；

(2)在极化诱导p型掺杂空穴注入层7上表面一侧的区域用ICP方法刻蚀至裸露出n-GaN电子注入层5，得到n-GaN台面；在未刻蚀的极化诱导p型掺杂空穴注入层7上制备p电极8(厚度10～30nm)，在露出的n-GaN台面上制备n电极9(厚度60～100nm)；p电极的材料可以是Au、Pt等单层材料，Ni-Au、Ni-Pt等二元合金复合材料或Ti-Pt-Au、Ni-Pt-Au等三元复合材料，n电极的材料可以是Ti-Al二元合金复合材料、Ti-Al-Au三元合金复合材料或者Ti-Al-Ni-Au四元合金复合材料，制备电极的方法可采用热蒸镀、电子束蒸镀或磁控溅射方法(n电极指n-GaN台面上生长的电极，没有掺杂；p电极指极化诱导p型掺杂空穴注入层7上生长的电极，没有掺杂)。

本发明的效果和益处：本发明采用带有一定斜切角度的(0001)面蓝宝石作为衬底，通过斜切可以在衬底表面形成原子级的台阶，促进LED芯片在整个外延过程中生长模式向台阶流模式发展，从而提高外延的晶体质量及表面平整度；本发明在氮极性GaN模板层中原位插入具有多孔结构的SiN_x掩膜层，从而大幅降低外延层中的位错密度及非故意掺杂的浓度，提高LED的内量子效率；本发明采用氮极性Al组分线性增加的掺Mg的AlGaN代替传统掺Mg的GaN作为蓝紫光LED的空穴注入层，依靠极化电场诱导产生空穴，具有空穴浓度高、温度稳定性好的特点，可以有效提高空穴的浓度及热稳定性，从而提高LED的发光效率；同时Al组分线性增加会导致AlGaN的禁带宽度从下到上逐渐增加，再加上极化电场的作用，使得p型AlGaN在作为空穴注入层的同时起到电子阻挡层的作用，避免了额外制作电子阻挡层，简化了器件结构和工艺。

附图说明

图1：本发明所述带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片的结构示意图；

图2：实施例1制备的氮极性极化诱导p型掺杂的AlGaN及氮极性p型GaN空穴浓度随温度变化对比图；

图3：本发明所述带有极化诱导p型掺杂层的LED能带结构示意图，极化诱导p型掺杂层在作为空穴注入层的同时可以阻挡电子溢出有源区；

图4：实施例1制备的氮极性LED在不同电流注入下的发光谱图。

图中，1为蓝宝石衬底、2为低温GaN缓冲层、3为氮极性GaN模板层、4为SiN_x掩膜层、5为n-GaN电子注入层、6为多量子阱有源层、7极化诱导p型掺杂空穴注入层、8为p电极、9为n电极。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

实施例1：

1.采用MOCVD方法，首先将商用带有斜切角的(0001)面蓝宝石衬底(圆形，直径2英寸，斜切方向为偏轴方向，斜切角为0.8°)进行高温氮化，之后在衬底上一次性外延制备N极性蓝紫光LED结构，如图1所示。具体结构如下：在高温氮化的蓝宝石衬底1上依次制备低温GaN缓冲层2(厚度10nm)、氮极性GaN模板层3(厚度300nm)、原位SiN_x掩膜层4(生长时间为120s)、氮极性GaN模板层3(厚度1.7μm)、n-GaN电子注入层5(Si掺杂浓度2×10¹⁸/cm³，厚度0.5μm)、InGaN多量子阱有源层6(量子阱对数为2对，即阱－垒－阱－垒层结构，垒层为GaN，厚度13nm，阱层为In_0.1Ga_0.9N，厚度2nm)、极化诱导p型掺杂空穴注入层7(Al组分从下到上为从0到0.3线性增加，Mg掺杂浓度2×10¹⁹/cm³，厚度75nm)。

氮化的温度为1050℃，反应压强为600mbar，氮化用的气体为体积比1：3的氨气和氮气混合气；低温GaN缓冲层2生长温度为560℃，反应压强为600mbar，生长源为氨气和三乙基镓；氮极性GaN模板层3生长温度为1080℃，反应压强为300mbar，生长源为氨气和三甲基镓；SiN_x掩膜层4生长温度为1050℃，反应压强为100mbar，生长源为氨气和硅烷；n-GaN电子注入层5生长温度为1050℃，反应压强为300mbar，生长源为氨气和三甲基镓，掺杂源为硅烷；多量子阱有源层6垒层GaN和阱层InGaN的生长温度分别为870℃和775℃，反应压强为400mbar，垒层的生长源为氨气和三甲基镓，阱层生长源为氨气、三甲基铟和三乙基镓；极化诱导p型掺杂空穴注入层7生长温度为1020℃，反应压强为150mbar，生长源为氨气、三甲基镓和三甲基铝，掺杂源为二茂镁；器件各层具体生长参数见表1。

2.用ICP方法(刻蚀气体为流量比为9:1的氯气和氯化硼，极板功率100w)在极化诱导p型掺杂空穴注入层7上表面一侧的区域刻蚀至裸露出n-GaN电子注入层5，得到n-GaN台面；分别采用热蒸镀方法在未刻蚀的极化诱导p型掺杂空穴注入层7上制备Ni-Au二元合金复合材料的p电极层8(厚度30nm，Ni层厚度为10nm，Au层厚度为20nm，蒸发源分别为Ni金属和Au金属)、在露出的n-GaN台面上制备Ti-Al二元合金复合材料的n电极层9(厚度120nm，Ti层厚度为20nm，Al层厚度为100nm，蒸发源分别为Ti金属和Al金属)，从而得到氮极性蓝紫光LED芯片。电极的具体制备工艺见表2。

3.图2所示为本发明器件中所涉及的极化诱导p型掺杂的AlGaN与普通p型GaN空穴浓度随温度变化的对比图。由图中数据可知，在测量的温度范围内(150～450K)极化诱导掺杂得到的样品比普通的p型GaN的空穴浓度更高，而且极化诱导掺杂样品的空穴几乎不随温度的变化而改变。

4.图3所示为器件的能带结构示意图，多量子阱有源区和极化诱导p型掺杂空穴注入层之间存在较大的导带带阶，有源区的电子想要溢出有源区需要克服很高的势垒，因此极化诱导p-Al_x1Ga_1-x1N空穴注入层7可以起到阻挡电子的作用。

5.图4所示为器件在不同驱动电流下的电致发光谱，此时器件的p电极连接直流电源的正极，n电极连接负极。在20mA、25mA、30mA、35mA和40mA的正向电流下，发光谱在430nm处均显示出蓝紫光发射峰。

表1：带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED各层生长参数

表1附注：TMGa代表三甲基镓；TEGa代表三乙基镓；TMIn代表三甲基铟；TMAl代表三甲基铝；Cp₂Mg代表二茂镁；SiH₄代表硅烷；NH₃代表高纯氨气。

表2：器件电极制备工艺参数