[發明專利]一種具有極化隧道結的GaN基LED外延片及其制備方法

在審

• 申請號: 201410063659.1
• 申請日: 2014-02-25
• 公開（公告）號: CN103855263A
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發明（設計）人: 賀龍飛;陳志濤;劉寧煬;趙維;張志清;張康;王巧;張娜;范廣涵
• 申請（專利權）人: 廣東省工業技術研究院(廣州有色金屬研究院)
• 主分類號: H01L33/06
• 分類號: H01L33/06;H01L33/32;H01L33/00;H01S5/343
• 代理公司: 廣東世紀專利事務所 44216
• 代理人: 千知化

技術領域

本發明屬于半導體光電子器件領域，尤其涉及一種具有極化隧道結的GaN基LED外延片及其制備方法。

背景技術

高亮度發光二極管?(LED)?作為一種高效、環保、綠色新型固態照明光源，由于其具有體積小、重量輕、壽命長、可靠性高、以及使用電壓低且功耗低等優點，正在迅速廣泛地得到應用，已成為替代傳統照明光源的最佳光源選擇。

GaN、InN和AlN是直接帶隙半導體材料，其室溫禁帶寬度分別為3.4eV，0.6eV和6.1eV。GaN及其固溶體可用于制造從可見光到紫外波段的光電器件，例如藍光發光二極管、激光器和光電探測器等。GaN基高亮度發光二極管(LED)是目前全球光電子領域研究和產業的前沿和熱點。GaN基LED制備要經過LED外延片生長，LED芯片制備和LED封裝三個主要環節。其中LED外延片生長是LED的核心技術，它對LED的性能水平起主要作用。

GaN基LED外延片的結構通常是由p型氮化鎵層和n型氮化鎵層以及位于這兩層之間的有源區（例如，量子阱）組成，但由于p型GaN的Mg雜質激活困難及功函數較高(大約7.5eV)等原因，導致p型氮化鎵層與n型氮化鎵層相比具有更強的抵抗電流能力，即，導電性能低，這種缺點會導致電流從電極進入p型氮化鎵層時會阻礙整個側向電流，從而致使非均勻電流注入有源區并降低整個器件的效率。

目前，解決電流擴展問題的一種方法是在p型氮化鎵層上沉積金屬層，例如Ni-Au，這樣的器件具有較好的電流擴展性能。為了滿足正面出光的要求,?Ni-Au電極必須做得很薄，其可見光透過率大約為65%，但是，為實現電流的均勻擴展,?Ni-Au極則要求相對較厚，兩者相互矛盾。由于此層具有較低的透過率和會吸收從有源區穿過p型氮化鎵層過來的光，均會降低器件的發光效率。有些沉積金屬層材料不能有效地附著于p型氮化鎵層的表面，這樣也會使LED的器件光電性能進一步下降。

p型氮化鎵層相對于n型氮化鎵層可靠性也要差很多，經常會因為器件的加工等步驟而損壞暴露在表層的p型氮化鎵層，從而影響LED器件的發光效率。

解決電流擴展問題的另一種方法是在p型氮化鎵層上再制造隧道結，該方法在Seong-Ran?Jeon等人在（《應用物理快報》，第78卷，第21期，第3265-3267頁）發表的“在利用隧道接觸結的GaN襯底發光二極管中擴散的側向電流”一文中做了描述。Jeon利用MOCVD外延設備制造GaN基LED外延片時，在p型氮化鎵層上再依次生長10nm的高摻雜p型氮化鎵層和10nm的高摻雜n型氮化鎵層，并以n型氮化鎵層作為表層再做電極。盡管這樣的結構可以改善LED芯片的電流擴展性能，但是這樣的隧道結都是由GaN成分組成，屬于同質結，沒有極化而產生的極化電場，對于隧道結的隧道幾率有一定影響，而且會提高整個LED器件的工作電壓。

發明內容

本發明針對目前制造LED器件中p型層很難獲得較低的接觸電阻及電流擴展性能等缺陷，改善LED器件效率，提供了一種具有極化隧道結的GaN基LED外延片。

本發明的另一個目的是一種所述具有極化隧道結的GaN基LED外延片的制備方法。

這種具有極化隧道結的GaN基LED外延片由襯底1、低溫緩沖層2、非摻雜氮化鎵層3、n型氮化鎵層4、量子阱層5、p型鋁鎵氮層6、p型氮化鎵層7、高摻雜p型氮化鎵層8和高摻雜n型氮化鎵層10組成，在高摻雜p型氮化鎵層8和高摻雜n型氮化鎵層10之間有一非摻雜的銦鋁氮層9，高摻雜p型氮化鎵層8、非摻雜的銦鋁氮層9和高摻雜n型氮化鎵層10共同組成一個極化隧道結，極化隧道結的厚度小于20nm。與Jeon所制備具有隧道結的LED結構相比，中間有一層非摻雜的銦鋁氮層9，這樣能多產生一個極化電場，器件受電流驅動時的電場強度就由外部電場、內建電場、極化電場三部分組成，總電場強度的增加能提高隧道結的隧道幾率，從而降低電流注入時的阻礙作用，降低LED器件的工作電壓，提高橫向電導率，從而改善電流擴展性能，能有更多的載流子在有源區均勻復合，提高LED的發光效率。

采用在高摻雜p型氮化鎵層8上生長非摻雜銦鋁氮層9，再繼續生長高摻雜n型氮化鎵層10，能減少缺陷，提高外延片的晶體質量。研究表明，極化隧道結中間的銦鋁氮合金層中的In的質量含量在10~40%之間可調。優選的銦鋁氮層中In質量含量在14~22%，該含量與GaN的晶格失配小于0.5%，性質好于InGaN。?

這種具有極化隧道結的GaN基LED外延片，其襯底1是藍寶石、硅或SiC。