一種具有N型AlInGaN接觸層的LED及其制備方法【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本發(fā)明涉及一種具有N型AlInGaN接觸層的LED(發(fā)光二極管）及其制備方法，屬于光電子
技術(shù)領(lǐng)域：
?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]二十世紀(jì)九十年代初，以氮化物為代表的第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料獲得了歷史性突破，科研人員在氮化鎵材料上成功地制備出藍(lán)綠光和紫外光LED，使得LED照明成為可能。1971年，第一只氮化鎵LED管芯面世，1994年，氮化鎵HEMT出現(xiàn)了高電子迀移率的藍(lán)光GaN基二極管，氮化鎵半導(dǎo)體材料發(fā)展十分迅速。[0003]半導(dǎo)體發(fā)光二極管具有體積小、堅(jiān)固耐用、發(fā)光波段可控性強(qiáng)、光效高、低熱損耗、光衰小、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在全色顯示、背光源、信號(hào)燈、光電計(jì)算機(jī)互聯(lián)、短距離通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，逐漸成為目前電子電力學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。氮化鎵材料具有寬帶隙、高電子迀移率、高熱導(dǎo)率、高穩(wěn)定性等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在短波長(zhǎng)發(fā)光器件、光探測(cè)器件以及大功率器件方面有著廣泛的應(yīng)用和巨大的市場(chǎng)前景。[0004]通常，LED包含n型襯底、形成于該襯底上的n型外延區(qū)以及形成于n型外延區(qū)上的P型外延區(qū)。為了便于對(duì)裝置施加電壓，陽(yáng)極歐姆接觸形成于該裝置的P型區(qū)（通常為暴露的P型外延層）上，陰極歐姆接觸形成于該裝置的n型區(qū)（例如襯底或者暴露的n型外延層）上。由于GaN在高溫生長(zhǎng)時(shí)氮的離解壓很高，很難得到大尺寸的GaN體單晶材料，目前大部分GaN外延器件還只能在其他襯底上（如藍(lán)寶石襯底）進(jìn)行異質(zhì)外延生長(zhǎng)。[0005]P型區(qū)是制造GaN基LED器件必不可少的重要環(huán)節(jié)，P-GaN結(jié)構(gòu)及其外延生長(zhǎng)方法是提高GaN基LED光取出效率的關(guān)鍵。由于難以形成導(dǎo)電良好的P型III族氮化物材料(例如GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN和AlInN)，P型層內(nèi)電流分布的缺乏可能成為這些材料所形成LED性能的限制因素。因此，我們期望在暴露的P型層盡可能多的表面區(qū)域上形成歐姆接觸，從而引導(dǎo)電流穿過(guò)該裝置有源區(qū)盡可能大的區(qū)域。然而，提供大的陽(yáng)極接觸從某些方面而言對(duì)裝置性能是有害的。通常期望從發(fā)光二極管提取盡可能多的光。由于陽(yáng)極歐姆接觸通常包括金屬層，LED有源區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光會(huì)在歐姆接觸中部分地吸收，降低了該裝置的總發(fā)光效率。在一些裝置中，我們期望在暴露的P型層上形成反射金屬層，使得通常會(huì)穿過(guò)P型層從裝置逃逸的光被反射回到裝置內(nèi)，穿過(guò)襯底被提取。然而，例如鋁和銀的高反射金屬并不形成與P型氮化物材料的良好歐姆接觸。因此，通常在P型氮化物層和反射體之間提供歐姆接觸，降低歐姆接觸中的吸收成為這些裝置中關(guān)心的問(wèn)題。因此，需要改善現(xiàn)有的歐姆接觸結(jié)構(gòu)以及在P型氮化物材料上形成歐姆接觸結(jié)構(gòu)的方法。[0006]目前，國(guó)內(nèi)主要LED廠家的P-GaN的比接觸電阻都僅在102Ohm?cm2數(shù)量級(jí)，這是因?yàn)镻-GaN空穴濃度太低以及缺乏功函數(shù)足夠高的金屬所致，只有P型GaN重?fù)綍r(shí)才可形成良好的歐姆接觸。2000年，文獻(xiàn)"JangJS,ParkSJ,SeongTYetal.LowresistanceandthermallystablePt/RuOhmiccontactstop-typeGaN[J].PhysicaStatusSolidi(A)AppliedResearch,2000,180(1):103-107"涉及了采用Pt/Ru與P-GaN接觸，經(jīng)熱退火得到低阻2.2X106〇hm?cm2。Jin-KuoHo等人用Ni/Au作接觸金屬，在氧氣氣氛下退火500°C，得到4X106〇hm.cm2的接觸比電阻（見(jiàn)文獻(xiàn)HoJK,JongCS,HuangCNetal.Low-resistanceohmiccontactstop-typeGaNachievedbytheoxidationofNi/Aufilms[J].Appl.Phys.Lett.，1999,86(8):4491-4497)。Kumakura等人在Pd/Au和P-GaN之間插入一層2mn的應(yīng)變InGaN接觸層，未經(jīng)任何處理就得到了相當(dāng)?shù)偷慕佑|電阻率(見(jiàn)文獻(xiàn)KumakuraK，MakimotoT,KobayashiN.Kobayashi.Low-resistancenonalloyedohmiccontacttoP-typeGaNusingstrainedInGaNcontactlayer[J].Appl.Phys.Lett.2001，79(16):2588-2590)。[0007]對(duì)于如何改善歐姆接觸，國(guó)內(nèi)外有一些專(zhuān)利文獻(xiàn)。中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)CN102324455A公開(kāi)的《用于P型氮化物發(fā)光裝置的超薄歐姆接觸及其形成方法》，提供了一種半導(dǎo)體基發(fā)光裝置（LED)，可包含P型氮化物層和該p型氮化物層上的金屬歐姆接觸。該金屬歐姆接觸平均厚度約小于比接觸電阻率（103〇hm?cm2)。沉積速率約為每秒0.1A到0.5A，在約350nm的測(cè)量波長(zhǎng)下足以提供約大于98%的標(biāo)準(zhǔn)化透射率，以提供用于金屬歐姆接觸的具有第一平均厚度的金屬層，且陪片上該金屬層的厚度指示被監(jiān)控。如果該指示高于預(yù)定指示閾值，則進(jìn)一步以后續(xù)時(shí)間間隔或后續(xù)速率沉積金屬以增加平均厚度。但是該方法在沉積過(guò)程中不易控制其厚度。[0008]中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)CN101183642A公開(kāi)的《一種P-GaN低阻歐姆接觸的制備方法》，在P-GaN結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)5個(gè)周期的P-InGaN/P-AlGaN超晶格層，之上生長(zhǎng)P-InGaN蓋層，結(jié)果表明采用p-InGaN/p-AlGaN超晶格作頂層可以獲得更低的比接觸電阻。該超晶格中P-InGaN和P-AlGaN存在應(yīng)變補(bǔ)償效應(yīng)，可以提高材料表面質(zhì)量、改善P-GaN薄膜的質(zhì)量，但是空穴濃度較難保證。[0009]表面粗化技術(shù)是改變GaN與空氣接觸面的幾何圖形，從另一方面提升了電子器件發(fā)光效率。如中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)CN101521258A公開(kāi)的《一種提高發(fā)光二極管外量子效率的方法》，該方法提供了一種粗化方法，是通過(guò)提高表面P型GaN的Mg摻雜濃度，從而達(dá)到表面粗化的目的。但是該方法使用重?fù)組g的方法進(jìn)行粗化會(huì)使反應(yīng)室存在Mg原子的記憶效應(yīng)，減短MOCVD設(shè)備的維護(hù)周期，不利于生產(chǎn)的穩(wěn)定性。[0010]中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)CN102789976A公開(kāi)的《一種GaN基LED芯片的制作方法》，包括步驟：提供一GaN基LED外延片；清潔所述GaN基LED外延片，并將其干燥；在所述外延片P-GaN表面上沉積一鎵空位誘導(dǎo)層；將前述GaN基LED外延片進(jìn)行退火；去除所述GaN基LED外延片表面的鎵空位誘導(dǎo)層；在經(jīng)過(guò)以上處理的GaN基LED外延片上制作P型歐姆接觸層以及P、N電極。與常規(guī)LED芯片制作方法相比，該方法處理得到的芯片電壓低0.2V，亮度并沒(méi)有差異?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0011]根據(jù)現(xiàn)有LED技術(shù)存在的P型GaN歐姆接觸電阻大、出光效率低等不足，本發(fā)明提供一種能夠降低接觸電阻，改善P型GaN薄膜質(zhì)量，提高出光效率的具有N型AlInGaN接觸層的LED，同時(shí)提供一種該LED的制備方法。[0012]本發(fā)明的具有N型AlInGaN接觸層的LED，采用如下技術(shù)方案：[0013]該LED，由下至上依次包括襯底、成核層、緩沖層、N型GaN層、多量子阱發(fā)光層和P型結(jié)構(gòu)；P型結(jié)構(gòu)為P型AlGaN層、P型GaN層和N型AlInGaN接觸層。[0014]所述成核層是氮化鎵層、氮化鋁層或鋁鎵氮層之一，氮化鎵層的厚度為15-600nm;氮化鋁或鋁鎵氮的厚度為30-200nm。[0015]所述緩沖層為非摻雜GaN層，厚度為0?1-3Iim。[0016]所述N型GaN層厚度為0?3-2.5ym。[0017]所述多量子阱發(fā)光層是由12-43個(gè)周期的InGaN勢(shì)阱層和GaN勢(shì)皇層交互疊加構(gòu)成，總厚度為210-301nm，單個(gè)周期中InGaN勢(shì)阱層的厚度為2-3.5nm，GaN勢(shì)皇層的厚度為5-14nm〇[0018]所述P型AlGaN層中Mg摻雜濃度為3XIOlfVcm3-8XIO1Vcm3。[0019]所述P型GaN層中Mg摻雜濃度為4.5XIO1Vcm3-8XIO1Vcm3。[0020]所述N型AlInGaN接觸層的厚度為2-800nm。[0021]上述具有N型AlInGaN接觸層的LED的制備方法，包括以下步驟：[0022](1)金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD)設(shè)備的反應(yīng)室中，放入藍(lán)寶石或碳化硅襯底，在氫氣氣氛下加熱到1000-1500°C，處理5-30分鐘；[0023](2)在處理過(guò)的藍(lán)寶石或碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵、氮化鋁或者鋁鎵氮成核層；[0024](3)在成核層上生長(zhǎng)非摻雜GaN層（緩沖層），在非摻雜GaN層上生長(zhǎng)N型GaN層，在N型GaN層上生長(zhǎng)多量子阱發(fā)光層；[0025](4)在多量子阱發(fā)光層上生長(zhǎng)P型結(jié)構(gòu)，具體是在多量子阱發(fā)光層上生長(zhǎng)P型AlGaN層，在P型AlGaN層上生長(zhǎng)P型GaN層，在P型GaN層上生長(zhǎng)N型AlInGaN接觸層；其中N型AlInGaN接觸層的生長(zhǎng)過(guò)程是：[0026]在生長(zhǎng)溫度為200-1200°C、壓力為120-800mbar的環(huán)境下，開(kāi)啟Al源，Al源流量為16-104sccm;在Al源通入之前、同時(shí)或之后，開(kāi)啟In源，In源初始流量為50-800cc，該層生長(zhǎng)時(shí)間為20秒-600秒，硅摻雜濃度為0.1X1019/cm3-3.5XKfVcm3;In源流量每秒變化量為0.3-100sCCm(變化量指該數(shù)值變化的步長(zhǎng)，可以以每秒0.3-lOOsccm的速率增加，也可以以每秒〇.3-100sccm的速率減少），In源通入時(shí)間為20秒-600秒；這樣隨著In源流量的速率不斷的變化得到In組分漸變的N型AlInGaN接觸層。[0027]所述步驟（2)中，氮化鎵成核層生長(zhǎng)溫度440-800°C;氮化鋁和鋁鎵氮成核層的生長(zhǎng)溫度為600-1250°C。[0028]所述步驟⑶中，非摻雜GaN層的生長(zhǎng)溫度為1000-1200°C;N型GaN層生長(zhǎng)溫度為1000-1405°C。[0029]所述步驟（4)中，P型AlGaN層的生長(zhǎng)溫度為500-900°C;P型GaN層的生長(zhǎng)溫度為800-120(TC。[0030]當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3