一種基于碳面SiC襯底的垂直結(jié)構(gòu)氮極性GaN基綠光LED芯片及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】一種基于碳面SiC襯底的垂直結(jié)構(gòu)氮極性GaN基綠光LED及其制備方法，屬于半導(dǎo)體發(fā)光器件領(lǐng)域。其依次由下電極層、n型帶有斜切角的碳面SiC襯底、n?Alx0Ga1?x0N導(dǎo)電緩沖層、n?GaN電子提供層、InGaN基量子阱有源區(qū)、p?Alx1Ga1?x1N電子阻擋層、p?GaN空穴注入層和上電極層構(gòu)成。采用碳面SiC作為襯底，以獲得氮極性的GaN基綠光LED器件，與傳統(tǒng)的鎵極性GaN器件相比，氮極性LED結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更有利于器件效率的提高。氮極性LED結(jié)構(gòu)中電子阻擋層內(nèi)的極化電場(chǎng)和外加正向偏壓方向一致，有助于空穴的注入，降低器件的開(kāi)啟電壓。同時(shí)，垂直結(jié)構(gòu)LED可有效避免電流擁堵效應(yīng)。本發(fā)明方法可以獲得高效的GaN基綠光LED，進(jìn)一步促進(jìn)了GaN基綠光LED發(fā)展及其應(yīng)用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種基于碳面S i C襯底的垂直結(jié)構(gòu)氮極性GaN基綠光LED巧片 及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體發(fā)光器件領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于碳面SiC襯底的垂直結(jié)構(gòu)氮 極性GaN基綠光L邸忍片及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] GaN及其合金化合物AlInGaN是重要的半導(dǎo)體材料，在光電子器件方面有著廣泛的 應(yīng)用，如L邸和LD?；谒{(lán)寶石襯底的GaN基藍(lán)光L抓已經(jīng)商品化，其外量子效率高達(dá)84%。然 而，GaN基綠光L抓的性能卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，外量子效率不足30%，并且隨著電流的增加，效率會(huì) 急劇的下降。因此，GaN基綠光L抓逐漸成為科研人員的研究重點(diǎn)。高效綠光L抓難W獲得的 主要原因是其量子阱有源區(qū)中需要更高的In含量，In含量的提高會(huì)使得量子阱InGaN層和 量子壘GaN層的晶格失配增大，從而使得量子阱所受到的應(yīng)力增大，加劇了量子阱中的量子 限制斯塔克效應(yīng)，使得福射復(fù)合效率降低。此外晶格失配的增加W及高In組份所需的低溫 生長(zhǎng)會(huì)使得量子阱中的缺陷增加，從而進(jìn)一步降低器件的性能。綠光L邸可W和藍(lán)光LED、紅 光Lm)-起制作更高級(jí)的照明用白光LED。與傳統(tǒng)的藍(lán)光加錠侶石惱石(YAG)巧光粉合成的 白光Lm)相比，運(yùn)種方法獲得的白光Lm)其顯色指數(shù)更高，同時(shí)也可W達(dá)到更高的光效和靈 活的色彩控制。然而，用混合顏色的方式產(chǎn)生高效能的白光，必須采用高效光源。藍(lán)光和紅 光L抓的性能已經(jīng)很顯著，峰值功率轉(zhuǎn)化效率超過(guò)81 %和70 %。所W，實(shí)現(xiàn)高效GaN基綠光 L邸是至關(guān)重要的，具有重要的研究意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的就是為了解決上述綠光LED發(fā)光效率低的問(wèn)題，從提高外延層結(jié)晶 質(zhì)量、簡(jiǎn)化器件制作工藝和改善器件性能等方面綜合考慮，在n型的帶有斜切角的碳面SiC 襯底上研制帶有P型AlGaN電子阻擋層的氮極性GaN基綠光LED。六方纖鋒礦結(jié)構(gòu)的GaN晶體 屬于非中屯、對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，存在極軸即C軸。在無(wú)應(yīng)力的條件下，正負(fù)電荷中屯、不重合，形成偶極 矩。其相互累加導(dǎo)致在晶體表面出現(xiàn)極化電荷，沿極軸方向產(chǎn)生自發(fā)極化效應(yīng)（即沿C軸方 向），負(fù)的極化界面電荷在嫁面，正的極化界面電荷在氮面，從而產(chǎn)生極化電場(chǎng)，電場(chǎng)方向也 沿C軸方向。極化電場(chǎng)會(huì)引起能帶的傾斜，導(dǎo)致器件結(jié)構(gòu)中載流子的傳輸特性發(fā)生改變，從 而影響器件的電學(xué)、光學(xué)特性。目前，大多數(shù)的GaN基L抓是沿+C軸[0001]方向進(jìn)行外_延，其 表面為(OOOl)面即嫁面，_運(yùn)種Lm)被稱(chēng)作嫁極性LED。而沿-C軸[0001]方向進(jìn)行外延，其表 面為(OOOl)面即氮面，基于運(yùn)種外延方式可構(gòu)建氮極性LED。氮極性Lm)結(jié)構(gòu)中會(huì)產(chǎn)生與傳 統(tǒng)嫁極性LED相反的極化電場(chǎng)，使得其能帶的傾斜方向與嫁極性LED結(jié)構(gòu)中的能帶的傾斜方 向相反(如圖2所示），從而抬高氮極性L邸結(jié)構(gòu)中最后一個(gè)GaN壘層和P-AlGaN電子阻擋層界 面處的有效勢(shì)壘高度，可W有效地提高P型AlGaN電子阻擋層對(duì)電子的阻擋作用，提高器件 的內(nèi)量子效率和發(fā)光效率。此外，氮極性P-AlGaN電子阻擋層中的極化電場(chǎng)方向與外加正向 偏壓相同，有助于空穴的注入，降低器件的開(kāi)啟電壓。
[0004] 本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種基于碳面SiC襯底的垂直結(jié)構(gòu)氮極性GaN基綠光L抓忍片（見(jiàn) 附圖1和【附圖說(shuō)明】），其特征在于：其從下至上依次由下電極層8、n型的帶有斜切角的碳面 SiC襯底l、n-Alx〇Gai-x〇N導(dǎo)電緩沖層2、n-GaN電子提供層3、多量子阱有源層4、p-AlxiGai-xiN 電子阻擋層5、p-GaN空穴注入層6和上電極層7構(gòu)成，其中0.2《如、別《0.4，電流可在上、下 電極之間垂直于外延層注入器件;本發(fā)明采用與GaN晶格更匹配的n-SiC作為襯底1，遠(yuǎn)小于 它與藍(lán)寶石襯底之間的晶格失配，有利于改善GaN外延層的質(zhì)量，降低位錯(cuò)密度，提高器件 內(nèi)量子效率;利用帶有斜切角的碳面SiC襯底1，W確保獲得表面較為平滑的氮極性外延薄 膜飽括n-GaN層3、多量子阱層4、p-AlxiGai-xiN層5、p-GaN層6)。
[0005] 如上所述的一種基于碳面SiC襯底的垂直結(jié)構(gòu)氮極性GaN基綠光L抓忍片，其特征 在于:所述的碳面SiC襯底1的斜切角為2~4°。
[0006] 如上所述的一種基于碳面SiC襯底的垂直結(jié)構(gòu)氮極性GaN基綠光L抓忍片，其特征 在于：n-GaN電子提供層3采用的是兩步溫度生長(zhǎng)法制備，即先低溫（850~980°C)在11- AlxoGai-xoN導(dǎo)電緩沖層2上外延生長(zhǎng)100~200nm厚的低溫GaN層，再升高溫度（1050~1150 °C)繼續(xù)外延生長(zhǎng)2~3皿厚的高溫n-GaN層。
[0007] 一種如上所述的基于碳面SiC襯底的垂直結(jié)構(gòu)氮極性GaN基綠光L邸忍片的制備方 法，其步驟如下：
[000引（1)在n型帶有斜切角的碳面SiC襯底(斜切角為2~4°)上采用MOCVD方法依次外延 生長(zhǎng)n-AlxoGai-xoN導(dǎo)電緩沖層2(厚度50~IOOnmKn型GaN電子提供層3(先低溫外延生長(zhǎng)100 ~200皿厚的n-GaN，再高溫外延生長(zhǎng)2~3皿厚的H-GaNKInGaN基量子阱有源區(qū)4(量子阱由 阱層Inx2Gai-x2N和壘層GaN交替生長(zhǎng)組成，對(duì)數(shù)在2~5對(duì)之間，每個(gè)阱層的厚度為2~4皿，每 個(gè)壘層的厚度為10~15nm，其中0.2《義2《0.3)、9-41、扣曰1-、誠(chéng)電子阻擋層5(厚度20~ 30nm)、p-GaN空穴注入層6(厚度150~200nm)，從而制備得到氮極性GaN基綠光L抓結(jié)構(gòu)；生 長(zhǎng)源為=甲基侶、=乙基嫁、=甲基嫁和高純氨氣，生長(zhǎng)溫度為710~Iiocrc，生長(zhǎng)壓強(qiáng)為 100~400mbar，并利用硅烷和二茂儀分別進(jìn)行n型和P型滲雜，滲雜濃度為l0n~IO2Vcm3;
[0009] (2)在P-GaN空穴注入層6上制備上電極7(厚度10~30皿），在n型帶有斜切角的碳 面SiC襯底背面制備下電極層8(厚度60~l(K)nm);電極材料可W是Au、Ni等單質(zhì)材料或化- Au、Ti-Au、Zn-Au、Pt-Au等二元合金材料，也可 W 是 Ti-Pt-Au、Ti-化-Au 或Ni-Pt-Au等 S元 合金材料，制備電極的方法可采用熱蒸鍛、電子束蒸鍛或磁控瓣射方法。
[0010] 本發(fā)明的效果和益處:本發(fā)明采用碳面SiC作為襯底，W獲得氮極性的GaN基綠光 L抓器件，與傳統(tǒng)的嫁極性GaN器件相比，氮極性L抓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更有利于器件效率的提高。在 氮極性LED結(jié)構(gòu)中，量子阱中的極化電場(chǎng)方向和外加正向偏壓方向相反，從而削弱量子阱中 的量子限制斯塔克效應(yīng)，提高器件的內(nèi)量子效率；由于氮極性LED中相反的極化電場(chǎng)，量子 阱有源區(qū)4和電子阻擋層5界面處的有效勢(shì)壘被大大的提高，能更好的抑制電子的溢出，進(jìn) 一步提高器件的內(nèi)量子效率;此外，氮極性Lm)結(jié)構(gòu)中電子阻擋層5內(nèi)的極化電場(chǎng)和外加正 向偏壓方向一致，有助于空穴的注入，降低器件的開(kāi)啟電壓。同時(shí)，垂直結(jié)構(gòu)L邸可有效避免 電流擁堵效應(yīng)。本發(fā)明方法可W獲得高效的GaN基綠光LED，進(jìn)一步促進(jìn)了 GaN基綠光L抓發(fā) 展及其應(yīng)用。本發(fā)明所制備器件的開(kāi)啟電壓約為3V。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖I:本發(fā)明所述氮極性GaN基垂直結(jié)構(gòu)綠光LED的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012] 圖2:氮極性LED(圖2a)和嫁極性LED(圖化)結(jié)構(gòu)在正向偏壓下的模擬能帶圖；
[001引圖3:模擬圖帥氮極性LED和嫁極性LED結(jié)構(gòu)得到的內(nèi)量子效率隨外加驅(qū)動(dòng)電流變 化的關(guān)系曲線(xiàn)。
[0014]圖4:實(shí)施例1制備的氮極性LED在不同電流注入下的發(fā)光譜圖；
[001引圖中標(biāo)識(shí)a為4度斜切角的碳面n型SiC襯底，2為n-AlGaN導(dǎo)電緩沖層，3為n-GaN電 子提供層，4為InGaN基量子阱有源區(qū)，5為P-AlGaN電子阻擋層，6為P-GaN空穴注入層，7為上 電極層，8為下電極層。
【具體實(shí)施方式】
[0016] W下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例。
[0017]實(shí)施例1:
[0018] 1.采用MOCVD方法，在購(gòu)買(mǎi)的4°斜切的n型碳面SiC襯底上一次性外延制備氮極性 GaN基藍(lán)綠光L抓結(jié)構(gòu)，如圖1所示。具體結(jié)構(gòu)如下:在4°斜切的n型碳面SiC(滲雜濃度為9 X IQis/cm3)襯底上1依次制備n-Al〇.3Ga〇.7N導(dǎo)電緩沖層2(厚度100nm)、n-GaN電子提供層3(厚 度2皿，滲雜濃度為3X10"/cm3,其中先外延200nm低溫的n-GaN，再升高溫度外延剩余的1.8 皿厚的n-GaN) JnGaN基量子阱有源區(qū)4(量子阱對(duì)數(shù)為2對(duì)，即阱一壘一阱一壘層結(jié)構(gòu)，壘層 為GaN,厚度13皿，阱層為In日.2沁a日.77N，厚度2.5nm;)、p-Al日.3Ga日.7N電子阻擋層5(厚度20nm， 滲雜濃度為3 X IO2Vcm3)、P-GaN空穴注入層6(厚度150nm，滲雜濃度3.8 X IO2Vcm3)。生長(zhǎng)源 為=甲基侶、=乙基嫁、=甲基嫁和高純氨氣，利用硅烷和二茂儀分別進(jìn)行n型和P型滲雜， AlGaN導(dǎo)電緩沖層2生長(zhǎng)溫度為1100°C，反應(yīng)壓強(qiáng)為IOOmbar;n-GaN電子提供層3的初始低溫 和后續(xù)高溫生長(zhǎng)溫度分別為980°C和1080°C，反應(yīng)壓強(qiáng)都為IOOmbar; InGaN基量子阱有源區(qū) 4的反應(yīng)壓強(qiáng)為400mbar，此外壘層GaN和阱層InGaN的生長(zhǎng)溫度分別為830°C和710°C;p- AlGaN電子阻擋層5的和P-GaN空穴注入層6的生長(zhǎng)溫度都為945°C，反應(yīng)壓強(qiáng)分別為IOOmbar 和ISOmbar。器件各層具體生長(zhǎng)參數(shù)見(jiàn)表1。
[0019] 2.上、下表面分別采用熱蒸鍛方法制備N(xiāo)i/Au電極層10(厚度60nm，Ni層厚度為 30nm，Au層厚度為30皿)和Ni電極層11 (厚度80nm)，實(shí)現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)氮極性GaN基藍(lán)綠光LED。 電極的具體制備工藝見(jiàn)表2。
[0020] 3.圖2(b)為實(shí)施例1中氮極性L邸結(jié)構(gòu)在正向偏壓下的模擬能帶圖，圖2(a)為相同 條件下嫁極性L抓結(jié)構(gòu)的模擬能帶圖，圖中的邸L表示P-AlGaN電子阻擋層5。從圖中可W看 到，氮極性Lm)結(jié)構(gòu)中的電子阻擋有效勢(shì)壘高度為1. IleV,明顯高于嫁極性Lm)中所對(duì)應(yīng)的 0.25eV，因此可W很好的抑制電子的溢出，提高器件的內(nèi)量子效率。此外，氮極性P-AlGaN層 5中的極化電場(chǎng)方向與外加正向偏壓相同，有助于空穴的注入，降低器件的開(kāi)啟電壓。
[0021] 4.圖3為模擬實(shí)施例1中氮極性LED結(jié)構(gòu)所得到的內(nèi)量子效率隨驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系曲 線(xiàn)，并且給出相同結(jié)構(gòu)下嫁極性Lm)結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果?？蒞發(fā)現(xiàn)氮極性LED的內(nèi)量子效率遠(yuǎn) 高于嫁極性LED,并且其內(nèi)量子效率隨驅(qū)動(dòng)電流的增加，幾乎不會(huì)產(chǎn)生效率下降的現(xiàn)象。從 模擬結(jié)果可W看出本發(fā)明方案的優(yōu)越性。
[0022] 5.圖4所示為實(shí)施例1中所制備的氮極性GaN基藍(lán)綠光L抓在不同驅(qū)動(dòng)電流下的電 致發(fā)光譜，此時(shí)器件的下電極連接直流電源的負(fù)極，上電極連接正極。發(fā)光波長(zhǎng)在480nm處 均顯示出藍(lán)綠發(fā)光峰。
[0023] 表1:垂直結(jié)構(gòu)氮極性GaN基藍(lán)綠光L邸的各層生長(zhǎng)參數(shù)
[0024]
[0025] 表1附注：TMGa代表S甲基嫁;TEGa代表S乙基嫁;TMAl代表S甲基侶；Cp2Mg代表 二茂儀；SiH4代表硅烷;N出代表高純氨氣。
[00%]表2:器件電極制備工藝參數(shù) 「nrml
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于碳面SiC襯底的垂直結(jié)構(gòu)氮極性GaN基綠光LED芯片，其特征在于:其從下至 上依次由下電極層(8)、n型的帶有斜切角的碳面SiC襯底（lhn-AlxoGa^oN導(dǎo)電緩沖層(2)、 η-GaN電子提供層(3)、多量子阱有源層(4)、p-AlxlGai-xlN電子阻擋層(5)、p-GaN空穴注入層 (6)和上電極層(7)構(gòu)成，其中0·2< Χ0、χ1<0·4; 其中，帶有斜切角的碳面SiC襯底(1)的斜切角為2~4° ; η-GaN電子提供層(3)為兩層結(jié)構(gòu)，即低溫η-GaN層和高溫η-GaN層； InGaN基量子阱有源區(qū)（4)由阱層In^GamN和皇層GaN交替生長(zhǎng)組成，對(duì)數(shù)在2~5對(duì)之 間，0.2 彡 x2 彡 0.3〇2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于碳面SiC襯底的垂直結(jié)構(gòu)氮極性GaN基綠光LED芯片，其 特征在于:n-AlxoGa^oN導(dǎo)電緩沖層（2)的厚度為50~lOOnm，低溫η-GaN層的厚度為100~ 200nm，高溫η-GaN層的厚度為2~3ym，InGaN基量子阱有源區(qū)（4)中每個(gè)阱層In x2Gai-x2N的厚 度為2~4nm、每個(gè)皇層GaN的厚度為10~15nm，p_AlxiGai-xiN電子阻擋層（5)的厚度為20~ 30nm，p-GaN空穴注入層(6)的厚度為150~200nm，上電極層（7)的厚度為30~120nm，下電極 層(8)的厚度為60~100nm 〇3. 權(quán)利要求1所述的基于碳面SiC襯底的垂直結(jié)構(gòu)氮極性GaN基綠光LED芯片的制備方 法，其步驟如下： (1) 在11型的帶有斜切角的碳面51(：襯底（1)上采用1000)方法依次外延生長(zhǎng)11-41』&1一 χ〇Ν導(dǎo)電緩沖層(2)、n型GaN電子提供層(3)、InGaN基量子阱有源區(qū)（4)、p-AlxlGai- xlN電子阻 擋層(5)、p_GaN空穴注入層(6);生長(zhǎng)溫度為710~1100°C，生長(zhǎng)壓強(qiáng)為100~400mbar，并利 用硅烷和二茂鎂分別進(jìn)行η型和p型摻雜，摻雜濃度為10 17~102()/cm3;n-GaN電子提供層(3) 米用的是兩步溫度生長(zhǎng)法制備，即先于850~980°C下在n-AlxoGai-χοΝ導(dǎo)電緩沖層(2)上外延 生長(zhǎng)100~200nm厚的低溫GaN層，再在1050~1150°C下繼續(xù)外延生長(zhǎng)2~3μπι厚的高溫n-GaN 層； (2) 在η-GaN空穴注入層(6)上制備上電極層(7)，在η-SiC襯底背面制備下電極層(8)， 從而制備得到基于碳面SiC襯底的垂直結(jié)構(gòu)氮極性GaN基綠光LED芯片。4. 如權(quán)利要求3所述的基于碳面SiC襯底的垂直結(jié)構(gòu)氮極性GaN基綠光LED芯片的制備 方法，其特征在于:制備上電極層(7)和下電極層(8)的方法為熱蒸鍍、電子束蒸鍍或磁控濺 射方法。
【文檔編號(hào)】H01L33/00GK106098890SQ201610445392
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月21日
【發(fā)明人】張?jiān)礉? 鄧高強(qiáng), 黃振, 董鑫, 馬艷, 張寶林, 杜國(guó)同
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)