氮化物半導體發(fā)光二極管外延片、器件及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種氮化物半導體發(fā)光二極管外延片、器件及其制備方法。該氮化物發(fā)光二極管外延片包括：襯底；以及依次沉積于襯底上的氮化物材料的模板層、n型層、量子阱有源區(qū)、載流子阻擋層和p型層；其中，p型層中摻雜元素至少包括Mg；載流子阻擋層為含有Al元素的氮化物材料，且除后期由p型層滲入的Mg元素之外，其前期沉積工藝中未摻入Mg元素。本發(fā)明通過在量子阱有源區(qū)和p型層之間插入合適厚度的非有意摻雜載流子阻擋層，可以有效減少p型層中摻雜劑Mg往量子阱有源區(qū)中的擴散效應，從而提高量子阱的輻射復合效率，即有效提高氮化物LED的內(nèi)量子效率。
【專利說明】氮化物半導體發(fā)光二極管外延片、器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體發(fā)光二極管(以下簡稱LED)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種氮化物半導體發(fā)光二極管外延片、器件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]II1-V族氮化物半導體材料主要包括氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦(In)等化合物材料以及氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁銦(AlInN)、氮化鋁銦鎵(AlInGaN)等合金材料。自從二十世紀九十年代日本科學家中村修二發(fā)明出GaN基藍光發(fā)光二極管以來，氮化物材料和發(fā)光器件受到人們越來越多的關(guān)注，GaN基藍光LED的材料生長和器件制備技術(shù)迅速發(fā)展，氮化物白光LED發(fā)光效率不斷提升并實現(xiàn)廣泛產(chǎn)業(yè)化，目前氮化物藍光LED和白光LED器件的功率效率可以實現(xiàn)超過50%，并在戶外顯示屏、液晶背光源、道路照明、景觀照明乃至室內(nèi)照明等諸多領(lǐng)域中廣泛應用。
[0003]隨著GaN基可見光二極管技術(shù)日趨成熟，更短波長的紫外波段氮化物LED受到越來越多的研究機構(gòu)和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。紫外LED在生化探測、殺菌消毒、聚合物固化、非視距通訊及特種照明等領(lǐng)域都有重大應用價值。而與傳統(tǒng)紫外光源汞燈相比，紫外LED作為固態(tài)光源具有小巧便攜、綠色環(huán)保、波長易調(diào)諧、電壓低、功耗小等諸多優(yōu)點。隨著技術(shù)的不斷進步完善，有望成為未來紫外光源的主流。
[0004]但是與GaN基藍光LED相比，目前紫外LED的發(fā)光功率和效率還遠不能令人們滿意。尤其是波長短于300nm的深紫外LED，其發(fā)光效率一般在10 %以下，甚至只有I %不到。造成這一情況的一個重要原因就在于含Al組分氮化物材料中難以實現(xiàn)高電導率的P型摻雜，Al組分越高，難度越大。一般來說，含Al組分氮化物材料的外延生長比GaN材料更加困難，Al組分越高，難度越大，外延出的材料中缺陷密度更高，這導致材料的P型摻雜中補償效應嚴重；而同時，隨著Al組分的提高，P型摻雜劑Mg在AlGaN和AlInGaN材料中的激活能不斷增大，激活效率顯著下降。這些原因?qū)е潞珹l組分氮化物材料中的空穴濃度不足，電導率下降，在高Al組分的深紫外LED中情況尤為嚴重。
[0005]而同時，對于含Al組分氮化物材料的η型摻雜則相對容易，即使對于Al組分達到50%之高的AlGaN材料，仍能夠?qū)崿F(xiàn)電子濃度達到1018/cm2量級的η型摻雜。S卩，對于同樣組分的AlGaN和AlInGaN材料中，η型摻雜總是易于P型摻雜，對應的η型材料中電子的濃度要高于同組分P型材料中的空穴濃度。這就導致了 一個明顯的問題:對應的LED結(jié)構(gòu)中η型層和P型層中的載流子濃度不平衡。同時，氮化物LED工作電壓往往在3V以上，甚至達到更高，具有較高能量的電子很可能會越過LED的有源區(qū)量子阱層，而在有源區(qū)外發(fā)生非福射復合，即發(fā)生電子的溢出(electron overflow),降低了 LED的福射復合效率。
[0006]為了解決這一問題，人們往往在量子阱有源區(qū)和P型層之間插入一層P型摻雜的載流子阻擋層(Electron Blocking Layer,簡稱EBL),載流子阻擋層的禁帶寬度大于量子阱區(qū)材料的禁帶寬度，同時往往也大于η型層和P型層材料的禁帶寬度。在氮化物LED中，載流子阻擋層通常是具有較高Al組分的AlGaN或AlInGaN或AlInN材料。這一層能夠提供對于電子的有效阻擋，更好地將電子限制在量子阱區(qū)輻射復合。同時，如前所述，在含Al組分較高的氮化物材料中P型摻雜劑Mg的激活效率更低，為了獲得較高的空穴濃度，往往在P型載流子阻擋層中的摻入較高濃度的Mg,摻雜濃度遠超過IO19CnT3乃至超過102°cm_3。
[0007]而另一方面，已有不少研究報導表明，氮化物材料中摻入的較高劑量的Mg會發(fā)生擴散，導致這一擴散發(fā)生的原因可能是氮化物材料中的位錯提供了 Mg擴散的通道，也可能是由于較高溫度導致的Mg原子的擴散。不管何種原因，P型載流子阻擋層中較高濃度的Mg會有相當劑量擴散到臨近的量子阱中，導致這個(些)量子阱中Mg原子的濃度達到IO17CnT3以上，乃至更高。這些Mg原子在量子阱中反而導致更多非輻射復合中心出現(xiàn)，降低量子阱中的輻射復合效率，即降低發(fā)光效率。在氮化物LED中，由于空穴遷移率低于電子遷移率，導致靠近P型層的一個或者若干個量子阱是最主要的發(fā)光層，即靠近P型層的一個或者若干個量子阱對于LED的發(fā)光效率是至關(guān)重要的，而由于靠近P型載流子阻擋層，阻擋層中的Mg又容易擴散到這些阱中，因此Mg擴散的問題對于LED的量子效率影響相當重要，而且是相當不利的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008](一 )要解決的技術(shù)問題
[0009]鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種氮化物半導體發(fā)光二極管外延片、器件及其制備方法，以在有效實現(xiàn)載流子阻擋的同時，減小甚至消除Mg擴散對于LED量子阱發(fā)光效率的不利影響。
[0010](二)技術(shù)方案
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種氮化物半導體發(fā)光二極管外延片。該氮化物發(fā)光二極管外延片包括:襯底；以及依次沉積于襯底上的氮化物材料的模板層、η型層、量子阱有源區(qū)、載流子阻擋層和P型層；其中，P型層中摻雜元素至少包括Mg;載流子阻擋層為含有Al元素的氮化物材料，且除后期由P型層滲入的Mg元素之外，其前期沉積工藝中未摻入Mg元素。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種氮化物半導體發(fā)光二極管器件。該氮化物半導體發(fā)光二極管器件包括:襯底；依次沉積于襯底上的氮化物材料的模板層、η型層、量子阱有源區(qū)、載流子阻擋層、P型層；反射層和P型電極，沉積于P型層的上方；以及η型電極，形成于一臺階上，該臺階由自下而上刻蝕P型層、載流子阻擋層和量子阱有源區(qū)，并終止于η型層而形成；其中，P型層中摻雜元素至少包括Mg ;載流子阻擋層為含有Al元素的氮化物材料，且除由P型層滲入的Mg元素之外，其前期沉積工藝中未摻入Mg元素。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的再一個方面，還提供了一種上述氮化物半導體發(fā)光二極管器件的制備方法。該制備方法包括:步驟S202，在襯底上依次沉積模板層、η型層、量子阱有源區(qū)、載流子阻擋層、P型層，得到氮化物發(fā)光二極管外延片，對其進行退火處理以激活P型層中的P型摻雜劑；步驟S204，在氮化物發(fā)光二極管外延片上的預設位置刻蝕掉P型層、載流子阻擋層和量子阱有源區(qū)，暴露出η型層，以形成一臺階；步驟S206，在臺階的η型層上制備η型電極；步驟S208，在未刻蝕的P型層上制備反射層和P型電極，從而形成氮化物半導體發(fā)光二極管器件。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種氮化物半導體發(fā)光二極管器件。該氮化物半導體發(fā)光二極管器件包括:導電支撐基板，其兼做P型電極；依次位于導電支撐基板上的導電反射層，以及氮化物材料的P型層、載流子阻擋層、量子阱有源區(qū)、η型層；以及形成于η型層上的η型電極；其中，P型層中摻雜元素至少包括Mg ;載流子阻擋層為含有Al元素的氮化物材料，且除由P型層滲入的Mg元素之外，未有Mg元素的其沉積工藝中摻入。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的再一個方面，還提供了一種上述氮化物半導體發(fā)光二極管器件的制備方法。該制備方法包括:步驟S302，在襯底上依次形成模板層、η型層、量子阱有源區(qū)、載流子阻擋層、P型層，得到氮化物半導體發(fā)光二極管外延片，對其進行退火處理以激活P型層中的P型摻雜劑；步驟S304，在P型層表面制備反射層，在反射層上電鍍或粘合導電支撐基板；步驟306，將襯底和模板層用激光或化學溶液腐蝕剝離或用研磨方法去除，露出η型層，制作η型電極，形成氮化物半導體發(fā)光二極管器件。
[0016](三)有益效果
[0017]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明氮化物半導體發(fā)光二極管外延片、器件及其制備方法具有以下有益效果:
[0018](I)通過在量子阱有源區(qū)和P型層之間插入合適厚度的非有意摻雜載流子阻擋層，可以有效減少P型層中摻雜劑Mg往量子阱有源區(qū)中的擴散效應，從而提高量子阱的輻射復合效率，即有效提高氮化物LED的內(nèi)量子效率；
[0019](2)同時由于所述非有意摻雜的載流子阻擋層厚度較薄，并不會顯著影響氮化物LED的工作電壓，綜合而言 可以有效提高氮化物LED的電光轉(zhuǎn)換效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實施例氮化物半導體發(fā)光二極管外延片的剖面示意圖；
[0021]圖2為根據(jù)本發(fā)明第二實施例氮化物半導體發(fā)光二極管器件的剖面示意圖:
[0022]圖3為根據(jù)本發(fā)明第三實施例氮化物半導體發(fā)光二極管器件的剖面示意圖。
[0023]【本發(fā)明主要元件符號說明】
[0024]101-襯底；102-模板層；
[0025]103-η型層；104-量子阱有源區(qū)；
[0026]105-載流子阻擋層(EBL) ;106_ρ型層；
[0027]201-η型電極；202_ρ型電極；
[0028]301-導電反射層；302-導電支撐基板；
[0029]303-η 型電極。
【具體實施方式】
[0030]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應了解，參數(shù)無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內(nèi)近似于相應的值。實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明的保護范圍。[0031]本發(fā)明通過引入一種非有意摻雜的載流子阻擋層(uEBL)，在有效實現(xiàn)載流子阻擋的同時，減小甚至消除Mg擴散對于LED量子阱發(fā)光效率的不利影響，從而有效提高LED的量子效率。這一發(fā)明的優(yōu)勢在氮化物紫外LED中效果較為顯著，在氮化物深紫外LED中效果尤為明顯。
[0032]在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了一種氮化物半導體發(fā)光二極管外延片。圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實施例氮化物半導體發(fā)光二極管外延片的剖面示意圖。請參照圖1，本實施例氮化物半導體發(fā)光二極管包括:1、一種氮化物半導體發(fā)光二極管外延片，其特征在于，包括:襯底101 ;以及依次沉積于襯底上的氮化物材料的模板層102、n型層103、量子阱有源區(qū)104、載流子阻擋層105和P型層106。其中，P型層中摻雜元素至少包括Mg ;載流子阻擋層為含有Al元素的氮化物材料，且除后期由P型層滲入的Mg元素之外，其前期沉積工藝中未摻入Mg元素(以下簡稱非有意摻雜的載流子阻擋層)。
[0033]以下分別對本實施例氮化物半導體發(fā)光二極管外延片的各個組成部分進行詳細說明。
[0034]本實施例中，襯底101可以是藍寶石、單晶硅、碳化硅、氧化鋅、氮化鎵或氮化鋁，但最好使用藍寶石或氮化鋁襯底材料。
[0035]除襯底101之外的其它各層材料可以通過金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)、氫化物氣相外延(HVPE)、分子束外延(MBE)等技術(shù)及其衍生技術(shù)方式中的一種或幾種的組合來制備，優(yōu)選的技術(shù)為M0CVD。
[0036]模板層102生長在襯底101上，可以是GaN、AlN、AlGaN、AlInN、AlInGaN等單晶材料中的一種或幾種的組合。該模板層可以由一層單一材料組成，也可以包括多層不同材料；厚度介于30nm-20 μ m。當襯 底為藍寶石或氮化鋁時，優(yōu)選的模板材料為AlN和AlGaN單晶材料的組合，優(yōu)選厚度為500nm_5 μ m。[0037]η型層103為AleInfGa1IfNMW,生長在模板層102上，其中，0〈e≤1，O≤f≤0.2，其中f值的優(yōu)選結(jié)果為0，即該η型層材料為AleGanN材料，e值的優(yōu)選結(jié)果為10%Se <90%。該η型層厚度為500nm-8 μ m。該η型層優(yōu)選的摻雜劑為Si。
[0038]量子阱有源區(qū)104生長在η型層103上，是紫外LED的發(fā)光層，由一組或多組AlaInbGa1^bNAlcIndGa1J結(jié)構(gòu)組成，其中量子阱層AlaInbGa1IbN禁帶寬度Ega小于量子壘層AlcIndGa1TdN禁帶寬度Egc，且0≤8〈1，0≤13≤0.2，0≤?！?，0≤(1≤0.2。當b取值為O時，AlaInbGa1IbN量子阱即為AlaGa1J材料；當c取值為O時，AlcJndGa1IdN量子壘即為AlcGa1J 材料。優(yōu)選的值為，O ^d^b^0.03，0〈a〈c ≤ e，其中 e 為 η 型層 103Ale InfGa^fN材料中的Al組分值。量子阱層AlaInbGa1IbN的厚度為lnm_5nm之間，量子壘層AlcJndGa1IdN厚度為5nm-20nm之間。量子阱層可選擇為η型摻雜或非摻雜，量子壘層也可選擇為η型摻雜或非摻雜。
[0039]本實施例中，所述量子阱有源區(qū)的發(fā)光光譜的主發(fā)光峰的峰值介于210nm至400nm的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，所述量子阱有源區(qū)的發(fā)光光譜的主發(fā)光峰的峰值介于230nm至300nm的范圍內(nèi)。
[0040]非有意摻雜的載流子阻擋層(EBL) 105生長在量子阱有源區(qū)104之上，材料為AlxInyGa1TyN,其中，0〈x ^ I, O ^ y ^ 0.2,厚度介于2nm至30nm之間。在該層生長時,并不有意摻入任何η型或者P型摻雜劑。當AlxInyGai_x_yN材料中y取值為O時，即為AlxGapxN ；當AlxInyGanyN材料中x+y = I時，即為AlxIrvxN材料。優(yōu)選的值為，c〈x≤1，其中c為量子阱有源區(qū)104的量子壘層AlcJndGa1IdN的Al組分值。
[0041]P型層106生長在非有意摻雜的載流子阻擋層(EBL) 105之上，可以是p-GaN、p-AlGaN、ρ-Α1ΙηΝ、p-A I InGaN等材料中的一種或幾種的組合；該p型層可以由一層單一材料組成，也可以包括多層不同材料；厚度介于30nm-l μ m。p型層106優(yōu)選的材料為ρ-AlInGaN或p-AlGaN與p-GaN的組合,其中ρ-AlInGaN或p-AlGaN層長在非有意摻雜的載流子阻擋層(EBL) 105之上，p-GaN材料長在p-AlInGaN或p-AlGaN層之上。p型層106的摻雜劑可以是Mg、C或其組合，優(yōu)選為Mg。
[0042]在氮化物材料的外延，通常外延溫度在500°C以上乃至1000°C以上，高溫下p型層106中的摻雜劑具有較高的活性，容易擴散進入核心發(fā)光區(qū)量子阱有源區(qū)104，這些摻雜劑一旦進入量子阱有源區(qū)104中后易于成為非輻射輻射中心，降低LED發(fā)光效率。而非有意摻雜的載流子阻擋層(EBL) 105則有效地起到了阻擋減少Mg從P型層106中往量子阱有源區(qū)104中的擴散，從而降低載流子發(fā)生非輻射復合的幾率，提高LED發(fā)光效率。
[0043]基于上述的氮化物半導體發(fā)光二極管外延片，在本發(fā)明的另一個示例性實施例中，還提供了一種氮化物半導體發(fā)光二極管器件。圖2為根據(jù)本發(fā)明第二實施例氮化物半導體發(fā)光二極管器件的剖面示意圖。請參照圖2，該氮化物半導體發(fā)光二極管器件包括:
[0044]襯底101 ;
[0045]依次沉積于所述襯底上的模板層102、η型層103、量子阱有源區(qū)104、非有意摻雜的載流子阻擋層(EBL) 105、P型層106 ；
[0046]P型電極，沉積于所述P型層106的上方；以及
[0047]η型電極，形成于一臺階上，該臺階由自下而上刻蝕所述P型層106、非有意摻雜的載流子阻擋層105和量子阱有源區(qū)104，并終止于η型層103而形成。
[0048]以下介紹該氮化物半導體發(fā)光二極管器件的制備方法。該制備方法包括:
[0049]步驟S202，利用半導體材料外延技術(shù)在襯底材料101上依次形成模板層102、η型層103、量子阱有源區(qū)104、非有意摻雜的載流子阻擋層(EBL) 105、ρ型層106，得到氮化物半導體發(fā)光二極管外延片，并對氮化物半導體發(fā)光二極管外延片進行退火處理以激活P型層106中的ρ型摻雜劑；
[0050]步驟S204，對氮化物半導體發(fā)光二極管外延片采用光刻膠進行圖形化，然后通過干法或濕法方法部分地刻蝕掉預設位置的P型層106、非有意摻雜的載流子阻擋層105和量子阱有源區(qū)104，直至暴露出η型層103，形成臺階結(jié)構(gòu)；
[0051]步驟S206，在臺階結(jié)構(gòu)的η型層103上制備η型電極201，該電極層可以是Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Pt/Au、V/Au/V/Au 或 V/Au/Ni/Au 等多層金屬合金，厚度為200-900nm,電極可以通過濺射或者電子束蒸發(fā)的方式形成；
[0052]步驟S208，在未刻蝕的ρ型層106上制備反射層和ρ型電極202，該電極層可以是Ni/Au, Ni/Ag, Ni/Ag/Au, Ni/Ag/Pt, Al/Ti/Au 等金屬合金，厚度為 20_500nm，電極可以通過濺射或者電子束蒸發(fā)的方式形成，從而形成氮化物半導體發(fā)光二極管器件。
[0053]基于上述的氮化物半導體發(fā)光二極管外延片，在本發(fā)明的另一個示例性實施例中，還提供了一種氮化物半導體二極管器件。圖3為根據(jù)本發(fā)明第三實施例氮化物半導體發(fā)光二極管器件的剖面示意圖。請參照圖3，該氮化物半導體發(fā)光二極管器件包括:[0054]導電支撐基板302，其兼做ρ型電極；
[0055]依次位于導電支撐基板302上的導電反射層301、ρ型層106、非有意摻雜的載流子阻擋層(EBL) 105、量子阱有源區(qū)104、η型層103 ;以及
[0056]形成于η型層103上的η型電極303。
[0057]以下介紹該氮化物半導體發(fā)光二極管器件的制備方法。該制備方法包括:
[0058]步驟S302，利用半導體材料外延技術(shù)在襯底材料101上依次形成模板層102、η型層103、量子阱有源區(qū)104、非有意摻雜的載流子阻擋層(EBL) 105、ρ型層106，得到氮化物半導體發(fā)光二極管外延片，并對氮化物半導體發(fā)光二極管外延片進行退火處理以激活P型摻雜劑。
[0059]步驟S304，在ρ型層106表面制備反射層301，該反射層可以是Ag、Al或兩者的合金，可以通過濺射或者電子束蒸發(fā)的方式形成。
[0060]步驟S306，在反射層301上制備導電支撐基板302，導電支撐基板可以通過電鍍金屬制備，優(yōu)選的金屬為Cu ;也可以通過粘合S1、GaAs、ZnO等其它現(xiàn)有導電基板。
[0061]步驟S308，將襯底材料101和模板層102去除掉，可以采用高功率密度激光剝離、干法刻蝕、化學溶液腐蝕或化學機械研磨等任一方法或組合的方法去除，露出η型層103。
[0062]步驟S310制作η型電極303，該電極可以是Al或者Al/Ti/Au等金屬，電極可以通過濺射或者電子束蒸發(fā)的方式形成，從而形成氮化物半導體發(fā)光二極管器件。
[0063]基于上述三個實施例，以下介紹三利具體氮化物半導體發(fā)光二極管外延片來詳細說明本發(fā)明。
[0064]1、第一種氮化物半導體發(fā)光二極管外延片
[0065]利用MOCVD設備在藍寶石襯底上順序形成由多層材料構(gòu)成的模板層，所述模板層包括:低溫AlN緩沖層、高溫AlN層、AlN/AlGaN超晶格結(jié)構(gòu)；其中
[0066]所述低溫AlN緩沖層生長于藍寶石襯底上，生長溫度介于600-70(TC，厚度20_80nm ；
[0067]所述高溫AlN層生長于低溫AlN緩沖層上，生長溫度介于1200-1400 °C，厚度500nm_L 5 μ m ；
[0068]所述AlN/AlGaN超晶格結(jié)構(gòu)生長于高溫AlN層上，生長溫度為1050-1150°C，超晶格中AlN和AlGaN單層厚度為10_20nm，其中AlGaN層中的Al組分介于40% -70%之間，超晶格周期為20個周期。
[0069]η型AlGaN材料生長于所述AlN/AlGaN超晶格上，生長溫度1000-1100°C ,Al組分介于45% -55%之間，厚度3-4 μ m，摻雜劑為Si，摻雜濃度1018-1019/cm3。
[0070]量子阱有源區(qū)生長在所述η型AlGaN材料上，由5組Α1#&1ιΝ/Α1#&1_εΝ多量子阱構(gòu)成，其中量子壘AleGa^N的Al組分c介于40% -50%之間，厚度8_12nm，量子阱AlaGa1^的Al組分a介于35% -40%之間，厚度l_3nm，量子阱有源區(qū)生長溫度與所述η型AlGaN材料生長溫度保持一致，前4組量子壘和量子阱均摻雜Si，摻雜濃度IO17-1O1Vcm3，最后一組量子壘和量子阱不摻雜，在最后一個量子阱層后面生長一個不摻雜的量子壘結(jié)束量子阱有源區(qū)的生長；量子阱有源區(qū)的主發(fā)光峰波長介于280-300nm之間。
[0071]非有意摻雜的載流子阻擋層生長在所述量子阱有源區(qū)之上，材料為AlGaN，其中Al組分為60-70%，厚度為10-20nm，生 長溫度與所述量子阱有源區(qū)生長溫度相同，生長過程中MOCVD反應室中只有意通入Al、Ga和N源，其它源及摻雜劑均保持關(guān)閉，生長過程中保持通入源的流量不變。
[0072]ρ型AlGaN層生長在所述非有意摻雜的載流子阻擋層上，Al組分介于40% -55%之間，厚度為30-70nm，生長溫度與所述量子阱有源區(qū)生長溫度相同，ρ型摻雜劑為Mg，ρ型摻雜劑摻雜濃度介于4Χ 1019-3X 102°/cm3。
[0073]ρ型GaN歐姆接觸層生長在所述P型AlGaN層上，厚度為50_80nm，生長溫度為950-1050°C，且不超過所述量子阱的生長溫度，ρ型摻雜劑為Mg，ρ型摻雜劑摻雜濃度介于4X1019-3X IO2Vcm30完成深紫外LED外延片的生長后，進行高溫退火，以激活ρ型摻雜劑。
[0074]在常規(guī)的深紫外LED的外延中，通常采用P型摻雜的載流子阻擋層，采用摻雜濃度超過IO1Vcm3的ρ型摻雜劑Mg，載流子阻擋層生長溫度達到1000°C或更高，由于Mg原子較為活潑，在這么高的溫度下非常易于發(fā)生擴散，進入到臨近的量子阱，成為非輻射復合中心，降低量子阱發(fā)光效率。所述非有意摻雜的載流子阻擋層則可以有效阻擋/減緩P型AlGaN層中的Mg往量子阱中的擴散；同時由于深紫外LED的工作電壓一般超過5V，采用合適厚度的非有意摻雜阻擋層并不會顯著影響器件的工作電壓，綜合起來，非有意摻雜的載流子阻擋層可以有效提升深紫外LED的電光轉(zhuǎn)換效率。
[0075]2、第二種氮化物半導體發(fā)光二極管外延片
[0076]利用MOCVD設備在在AlN襯底上外延AlN模板層，生長溫度介于1200-1400°C，厚度 100-200nm ；
[0077]在所述AlN模板層上外延非摻雜AlGaN漸變層，生長溫度1050-1150°C,Al組分沿生長方向逐漸從95%降低到65%，生長厚度200-300nm ；
[0078]在所述非摻雜AlGaN漸`變層上外延η型AlGaN材料，生長溫度1000-1100°C ,Al組分介于60% -65%之間，厚度2-3 μ m，摻雜劑為Si，摻雜濃度1018-1019/cm3。
[0079]量子阱有源區(qū)生長在所述η型AlGaN材料上，由4組AlaInbGawNAleGa^dN多量子阱構(gòu)成，其中量子壘AleGapeN的Al組分c介于50% -60%之間，厚度8_12nm，量子阱AlaInbGapaN的Al組分a介于45% -50%之間，In組分0.5-3%之間，厚度l_3nm，量子阱有源區(qū)生長溫度900-950°C，前4組量子壘均摻雜Si，摻雜濃度IO17-1O1Vcm3,所有量子阱均不摻雜，在最后一個量子阱層后面生長一個不摻雜的量子壘結(jié)束量子阱有源區(qū)的生長；量子阱有源區(qū)的主發(fā)光峰波長介于260-290nm之間。
[0080]非有意摻雜的載流子阻擋層生長在所述量子阱有源區(qū)之上，由3組AlaInbGahN/AleGa1IdN超晶格層構(gòu)成。其中每組超晶格中AlaInbGanN層厚度為3_5nm，Al組分為65-80%, In組分0.5_2%之間，且保持AlaInbGai_aN層禁帶寬度大于量子壘層的禁帶寬度；AleGa^dN層Al組分為70-85 %，且保持AleGa^dN層禁帶寬度大于η型層的禁帶寬度，厚度為5-8nm。AlaInbGahNAleGa1TdN超晶格層生長溫度與所述量子阱有源區(qū)生長溫度相同，生長過程中MOCVD反應室中只有意通入Al、Ga、In和N源，其它源及摻雜劑均保持關(guān)閉。
[0081]ρ型AlGaN層生長在所述非有意摻雜的載流子阻擋層上，Al組分介于60% -65%之間，厚度為30-70nm，生長溫度與所述量子阱有源區(qū)生長溫度相同，ρ型摻雜劑為Mg，ρ型摻雜劑摻雜濃度介于4Χ 1019-3X 102°/cm3。
[0082]ρ型GaN歐姆接觸層生長在所述P型AlGaN層上，厚度為100_150nm，生長溫度為900-950°C，且不超過所述量子阱的生長溫度，ρ型摻雜劑為Mg，ρ型摻雜劑摻雜濃度介于4X1019-3X IO2Vcm30完成深紫外LED外延片的生長后，進行高溫退火，以激活ρ型摻雜劑。
[0083]在常規(guī)的深紫外LED的外延中，通常采用P型摻雜的載流子阻擋層，采用摻雜濃度超過IO1Vcm3的ρ型摻雜劑Mg，由于Mg原子較為活潑，在高溫下非常易于發(fā)生擴散，進入到臨近的量子阱，成為非輻射復合中心，降低量子阱發(fā)光效率。所述由3組AlaInbGahN/AlcGa1J超晶格層形成的非有意摻雜的載流子阻擋層，則可以有效阻擋/減緩P型AlGaN層中的Mg往量子阱中的擴散；同時通過AlaInbGanN和AlciGa1IdN兩種不同材料形成的界面有助于進一步阻擋Mg原子的擴散。由于深紫外LED的工作電壓一般超過5V，采用合適組數(shù)和厚度的AlaInbGahNAleGa1IdN超晶格非有意摻雜阻擋層并不會顯著影響器件的工作電壓，綜合起來，所述非有意摻雜的載流子阻擋層可以有效提升深紫外LED的電光轉(zhuǎn)換效率。
[0084]3、第三種氮化物半導體發(fā)光二極管外延片
[0085]利用MOCVD設備在模板層上形成η型AlGaN材料，生長溫度1000-1100°C ,Al組分介于25% -35%之間，厚度3-4 μ m，摻雜劑為Si，摻雜濃度1018-1019/cm3。
[0086]量子阱有源區(qū)生長在所述η型AlGaN材料上，由3組AlaGaLaNAleIndGa1IdN多量子阱構(gòu)成。其中量子壘AleIndGa1IdN的Al組分c介于20% -30%之間，In組分0.5-2%之間，厚度6-10nm，且保持量子壘Al JndGandN的禁帶寬度不超過η型層的禁帶寬度；量子阱AlaGai_aN的Al組分a介于15% -20%之間，且保持量子阱AlaG&1_aN的禁帶寬度小于AlcJndGa1IdN量子壘的禁帶寬度，量子阱厚度l_3nm。量子阱有源區(qū)生長溫度900-950°C，前2組量子壘和阱均摻雜Si，摻雜濃度IO17-1O1Vcm3，第3組量子壘和阱均不摻雜，在最后一個量子阱層后面生長一個不摻雜的量子壘結(jié)束量子阱有源區(qū)的生長；量子阱有源區(qū)的主發(fā)光峰波長介于320-340nm之間。
[0087]非有意摻雜的載流子阻擋層生長在所述量子阱有源區(qū)之上，材料為AlInN，其中Al組分為75-85%，且保持所述AlInN層的禁帶寬度大于η型層的禁帶寬度，厚度為10-20nm，生長溫度與所述量子阱有源區(qū)生長溫度相同，生長過程中MOCVD反應室中只有意通入Al、In和N源，其它源及摻雜劑均保持關(guān)閉，生長過程中保持通入源的流量不變。
[0088]ρ型AlGaN層生長在所述非有意摻雜的載流子阻擋層上，Al組分介于40% -55%之間，厚度為30-70nm，生長溫度與所述量子阱有源區(qū)生長溫度相同，ρ型摻雜劑為Mg，ρ型摻雜劑摻雜濃度介于4Χ 1019-3X 102°/cm3。
[0089]ρ型GaN歐姆接觸層生長在所述P型AlGaN層上，厚度為50_80nm，生長溫度為900-950°C，且不超過所述量子阱的生長溫度，ρ型摻雜劑為Mg，ρ型摻雜劑摻雜濃度介于4X1019-3X IO2Vcm30完成深紫外LED外延片的生長后，進行高溫退火，以激活ρ型摻雜劑。
[0090]至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對本發(fā)明多個實施例進行了詳細描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應當對本發(fā)明有了清楚的認識。
[0091]綜上所述，本發(fā)明提供一種氮化物半導體發(fā)光二極管外延片、器件及其制備方法。該氮化物半導體發(fā)光二極管外延片通過引入一種非有意摻雜的載流子阻擋層(uEBL)，在有效實現(xiàn)載流子阻擋的同時，減小甚至消除Mg擴散對于LED量子阱發(fā)光效率的不利影響，從而有效提高LED的量子效率。這一發(fā)明的優(yōu)勢在氮化物紫外LED中效果較為顯著，在氮化物深紫外LED中效果尤為明顯。
[0092]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種氮化物半導體發(fā)光二極管外延片，其特征在于，包括: 襯底；以及 依次沉積于所述襯底上的氮化物材料的模板層、n型層、量子阱有源區(qū)、載流子阻擋層和P型層； 其中，所述P型層中摻雜元素至少包括Mg ;所述載流子阻擋層為含有Al元素的氮化物材料，且除后期由P型層滲入的Mg元素之外，其前期沉積工藝中未摻入Mg元素。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導體發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述載流子阻擋層的禁帶寬度大于所述量子阱有源區(qū)和所述n型層的禁帶寬度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮化物半導體發(fā)光二極管外延片，所述載流子阻擋層的材料為 AlxInyGa1IyN,其中，0〈χ〈1，O ≤ y ≤ 0.2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導體發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述載流子阻擋層的材料中Al元素組分大于n型層和量子阱有源區(qū)的材料中Al元素組分。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氮化物半導體發(fā)光二極管外延片，所述載流子阻擋層厚度介于2nm至30nm之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導體發(fā)光二極管外延片，所述量子阱有源區(qū)由一組或多組AlaInbGa1IbNAlcJndGa1IdN結(jié)構(gòu)組成，其中，量子阱層AlaInbGa1IbN禁帶寬度Ega小于量子壘層AlcIndGa1^dN禁帶寬度Egc，且O≤a〈l，0≤b≤0.2，O≤c〈l，0≤d≤0.2。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氮化物半導體發(fā)光二極管外延片，所述量子阱有源區(qū)的發(fā)光光譜的主發(fā)光峰的峰值介于210nm至400nm的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的氮化物半導體發(fā)光二極管外延片，所述量子阱有源區(qū)的發(fā)光光譜的主發(fā)光峰的峰值介于230nm至300nm的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的氮化物半導體發(fā)光二極管外延片，所述襯底的材料為藍寶石、單晶硅、碳化硅、氧化鋅、氮化鎵或氮化鋁。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的氮化物半導體發(fā)光二極管外延片，所述模板層包括一層或多層氮化物材料，并每一層至少含有Al、Ga、In元素組中的一種。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的氮化物半導體發(fā)光二極管外延片，所述模板層的材料對于所述LED的量子阱有源區(qū)發(fā)出的光是透明的。
12.—種氮化物半導體發(fā)光二極管器件，其特征在于，包括: 襯底； 依次沉積于所述襯底上的氮化物材料的模板層、n型層、量子阱有源區(qū)、載流子阻擋層、P型層； 反射層和P型電極，沉積于所述P型層的上方；以及 n型電極，形成于一臺階上，該臺階由自下而上刻蝕所述P型層、載流子阻擋層和量子阱有源區(qū)，并終止于n型層而形成； 其中，所述P型層中摻雜元素至少包括Mg ;所述載流子阻擋層為含有Al元素的氮化物材料，且除由P型層滲入的Mg元素之外，其前期沉積工藝中未摻入Mg元素。
13.—種權(quán)利要求12所述氮化物半導體發(fā)光二極管器件的制備方法，其特征在于，包括: 步驟S202，在襯底上依次沉積模板層、n型層、量子阱有源區(qū)、載流子阻擋層、P型層，得到氮化物發(fā)光二極管外延片，對其進行退火處理以激活P型層中的P型摻雜劑； 步驟S204，在所述氮化物發(fā)光二極管外延片上的預設位置刻蝕掉P型層、載流子阻擋層和量子阱有源區(qū)，暴露出η型層，以形成一臺階； 步驟S206，在所述臺階的η型層上制備η型電極；以及 步驟S208，在未刻蝕的P型層上制備反射層和P型電極，從而形成所述氮化物半導體發(fā)光二極管器件。
14.一種氮化物半導體發(fā)光二極管器件，其特征在于，包括: 導電支撐基板，其兼做P型電極； 依次位于導電支撐基板上的導電反射層，以及氮化物材料的P型層、載流子阻擋層、量子阱有源區(qū)、η型層；以及 形成于所述η型層上的η型電極； 其中，所述P型層中摻雜元素至少包括Mg ;所述載流子阻擋層為含有Al元素的氮化物材料，且除由P型層滲入的Mg元素之外，其前期沉積工藝中未摻入Mg元素。
15.—種權(quán)利要求14 所述氮化物半導體發(fā)光二極管器件的制備方法,其特征在于,包括: 步驟S302，在襯底上依次形成模板層、η型層、量子阱有源區(qū)、載流子阻擋層、P型層，得到氮化物半導體發(fā)光二極管外延片，對其進行退火處理以激活P型層中的P型摻雜劑；步驟S304，在所述P型層表面制備反射層，在反射層上電鍍或粘合導電支撐基板；以及步驟306，將襯底和模板層去除，露出η型層，制作η型電極，形成所述氮化物半導體發(fā)光二極管器件。
【文檔編號】H01L33/14GK103811609SQ201410056782
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月19日
【發(fā)明者】閆建昌, 王軍喜, 張韻, 叢培沛, 孫莉莉, 董鵬, 田迎冬, 李晉閩 申請人:中國科學院半導體研究所