專利名稱：一種具有復(fù)合勢(shì)壘的氮化鎵基發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體照明領(lǐng)域，涉及一種具有復(fù)合勢(shì)壘的氮化鎵基LED。
背景技術(shù)：
GaN基LED已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)并取得很大進(jìn)展，但是芯片出光效率低下問題仍未得到很好解決。原因在于=II1-V族氮化物發(fā)光元件中存在著極化效應(yīng)，包括自發(fā)極化和壓電極化。自發(fā)極化是纖鋅礦結(jié)構(gòu)在[ 0001]方向的不對(duì)稱引起的，而壓電極化產(chǎn)生的原因是在異質(zhì)結(jié)界面處，由于不同材料之間彼此晶格不匹配產(chǎn)生應(yīng)力，使得陰離子和陽離子的排列發(fā)生移動(dòng)，產(chǎn)生出極化電荷的壓電效應(yīng)所致。由于極化效應(yīng)所引起的內(nèi)建極化電場(chǎng)是強(qiáng)電場(chǎng)，在量子阱內(nèi)部引起嚴(yán)重的能帶彎曲變形，使電子和空穴的波函數(shù)在空間上有所分離，從而降低了量子阱內(nèi)的載流子自發(fā)輻射速率，使得器件的內(nèi)量子效率低下，同時(shí)也限制了發(fā)光效率。目前主流的氮化鎵基LED—般均采用InGaN/GaN多量子阱作為發(fā)光有源區(qū)，其中的極化效應(yīng)是必須重視的。采用四元氮化物AlInGaN可根據(jù)需要引入適當(dāng)?shù)膹垜?yīng)變和壓應(yīng)變，以達(dá)到減小極化效應(yīng)的目的。AlN的自發(fā)極化常數(shù)最大，InN次之，GaN最小。按照Fiorentini等人的理論，將某種材料的自發(fā)極化強(qiáng)度與壓電極化強(qiáng)度相加，得到的就是其總極化強(qiáng)度。三元氮化物材料的自發(fā)極化強(qiáng)度Psp與組分的關(guān)系可用下式表示:Psp (AlxGa1^xN) =_0.090χ_0.034 (l_x) +0.019χ (1_χ)(I)Psp (InxGa1^xN) =-0.042χ_0.034 (1_χ) +0.038χ (1-χ)(2)Psp (AlxIrvxN) =_0.090χ_0.042 (1-χ) +0.071χ (1-χ)(3) 四元氮化物AlInGaN的自發(fā)極化強(qiáng)度為:Pps (AlxInyGa1^yN) =Pps (AlN) x+Pps (InN) y+Pps (GaN) (Ι-χ-y),(4)而AlInGaN、AlInN、InGaN和AlGaN的壓電極化強(qiáng)度Ppz可利用下列公式算出:Ppz (AlxInyGa1^yN) =Ppz (AlN) x+Ppz (InN) y+Ppz (GaN) (Ι-χ-y),(5)其中Ppz(AlN) =-1.808 □ +5.624 □ 2 當(dāng)口〈0，(6)Ppz (AlN) =-1.808 □ _7.888 □ 2 當(dāng)□ >0，(7)Ppz (GaN) =-0.918 □ +9.541 □ 2，
(8)Ppz (InN) =-1.373 □ +7.559 □ 2，(9)Ptotal=Pps+Ppz(10)其中□是晶格失配度。當(dāng)?shù)熸墑?shì)阱層的In組分確定時(shí)，我們可以根據(jù)上述公式得到合適的復(fù)合勢(shì)壘層InAlGaN與InGaN界面處的In，Al組分，使得InGaN層和AlInGaN層的極化強(qiáng)度相匹配，由此可減小InGaN量子阱中的極化效應(yīng)。雖然使用AlInGaN可以減少極化效應(yīng)，從而減小極化效應(yīng)導(dǎo)致的內(nèi)建電場(chǎng)，但是使用AlInGaN代替?zhèn)鹘y(tǒng)的GaN勢(shì)壘時(shí)，Al和In的組分是在氮化銦鎵勢(shì)阱層中的In組分已定的情況下計(jì)算所得，所以仍然可能在AlInGaN和InGaN之間保留一定的晶格失配。另一方面，我們同時(shí)需要解決AlInGaN層與GaN層接觸的界面處的晶格失配的問題。當(dāng)在該界面處調(diào)整AlInGaN中的Al組分和In組分的比值為0.83:0.17時(shí)，AlInGaN和GaN晶格匹配，有利于減少晶格失配產(chǎn)生的位錯(cuò)密度
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題:本發(fā)明提供了一種可提高發(fā)光效率的具有復(fù)合勢(shì)壘的發(fā)光二極管。技術(shù)方案:本發(fā)明的具有復(fù)合勢(shì)壘的氮化鎵基發(fā)光二極管，包括從下至上依次設(shè)置的藍(lán)寶石襯底、緩沖層、η型氮化鎵外延層、多量子阱有源區(qū)、P型鋁鎵氮外延層和P型氮化鎵外延層，在P型氮化鎵外延層上表面設(shè)置有P型金屬電極，η型氮化鎵層的上表面刻蝕出階梯狀臺(tái)面，階梯狀臺(tái)面包括一個(gè)上臺(tái)面和位于上臺(tái)面一側(cè)的下臺(tái)面，上臺(tái)面與多量子阱有源區(qū)的底面連接，下臺(tái)面上設(shè)置有一個(gè)η型電極，其特征在于，多量子阱有源區(qū)包括5^20個(gè)從下至上間隔排列的氮化銦鎵勢(shì)阱層，兩相鄰氮化銦鎵勢(shì)阱層之間設(shè)置有由從下至上依次連接的第一氮化鋁鎵銦層、氮化鎵層和第二氮化鋁鎵銦層構(gòu)成的第一類復(fù)合勢(shì)壘層，頂層的氮化銦鎵勢(shì)阱層的上表面設(shè)置有由從下至上連接的第一氮化鋁鎵銦層和氮化鎵層構(gòu)成的第二類復(fù)合勢(shì)壘層。本發(fā)明的第一類復(fù)合勢(shì)壘和第二類復(fù)合勢(shì)壘中，第一氮化鋁鎵銦層的下表面和第二氮化鋁鎵銦層的上表面，鋁和銦的組分均根據(jù)氮化銦鎵勢(shì)阱層中的In組分，按照化合物半導(dǎo)體能帶理論和極化電場(chǎng)理論計(jì)算得到；在第一氮化鋁鎵銦層的上表面和第二氮化鋁鎵銦層的下表面，調(diào)節(jié)鋁組分和銦組分的比值為0.83:0.17，使之與氮化鎵晶格匹配。氮化銦鎵勢(shì)阱層中，In組分的摩爾百分比范圍為(Γ40%。本發(fā)明的第一類復(fù)合勢(shì)壘層和第二類復(fù)合勢(shì)壘中，第一氮化鋁鎵銦層和第二氮化鋁鎵銦層的厚度均為4-8nm，氮化鎵層的厚度為4_8nm。本發(fā)明中，第一氮化鋁鎵銦層和第二氮化鋁鎵銦層的禁帶寬度大于氮化銦鎵勢(shì)阱層的禁帶寬度，即 Eg(AlInGaN) >Eg (InGaN)。本發(fā)明的具有復(fù)合勢(shì)壘的發(fā)光二極管中，多量子阱有源區(qū)中的第一類復(fù)合勢(shì)壘是由AlInGaN-GaN-AlInGaN三層外延層組成，第二類復(fù)合勢(shì)壘是由AlInGaN-GaN兩層外延層組成。復(fù)合勢(shì)壘中，通過調(diào)節(jié)AlInGaN層與氮化銦鎵勢(shì)阱層接觸的界面處的Al和In的組分來減小因極化效應(yīng)產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)，其中Al和In的組分可根據(jù)氮化銦鎵勢(shì)阱層中的In組分，利用公式(I廣(12)計(jì)算得到；而在AlInGaN層與GaN層接觸的界面處，調(diào)節(jié)Al組分與In組分的比值為0.83:0.17，以使AlInGaN層與GaN層的晶格匹配。由此可見，復(fù)合勢(shì)壘中的AlInGaN層里的Al和In組分是變化的。其中，氮化銦鎵勢(shì)阱層中，In組分的摩爾百分比范圍為0 40%。本發(fā)明中具有復(fù)合勢(shì)壘的氮化鎵基LED，其復(fù)合勢(shì)壘中AlInGaN層與勢(shì)阱層InGaN接觸的界面處的Al，In組分參數(shù)，以及AlInGaN層與GaN層接觸的界面處的Al，In組分參數(shù)，在一般情況下是不一致的。在外延生長過程中，In和Al的組分在AlInGaN層中是以遞變的形式從一組界面參數(shù)變化到下一組界面參數(shù)。本發(fā)明中的具有復(fù)合勢(shì)壘的氮化鎵基LED，其多量子阱有源層是由5-20個(gè)周期的氮化銦鎵勢(shì)阱層和第一類復(fù)合勢(shì)壘層AlInGaN-GaN-AlInGaN交替外延生長而成。本發(fā)明中的具有復(fù)合勢(shì)壘的氮化鎵基LED，其最后一個(gè)周期的復(fù)合勢(shì)壘僅由第二類復(fù)合勢(shì)壘.AlInGaN-GaN構(gòu)成。本發(fā)明提供的復(fù)合勢(shì)壘中的AlInGaN的禁帶寬度必須大于InGaN勢(shì)阱的禁帶寬度，即Eg (AlInGaN) >Eg (InGaN)。禁帶寬度可由下式表示:
權(quán)利要求
1.一種具有復(fù)合勢(shì)壘的氮化鎵基發(fā)光二極管，包括從下至上依次設(shè)置的藍(lán)寶石襯底(I)、緩沖層(2)、n型氮化鎵外延層(3)、多量子阱有源區(qū)(5)、p型鋁鎵氮外延層(6)和P型氮化鎵外延層(7 )，在所述P型氮化鎵外延層(7 )上表面設(shè)置有P型金屬電極(8 )，所述η型氮化鎵層(3)的上表面刻蝕出階梯狀臺(tái)面，所述階梯狀臺(tái)面包括一個(gè)上臺(tái)面(31)和位于上臺(tái)面(31)—側(cè)的下臺(tái)面(32)，所述上臺(tái)面(31)與多量子阱有源區(qū)(5)的底面連接，所述下臺(tái)面(32)上設(shè)置有一個(gè)η型電極(4)，其特征在于，所述多量子阱有源區(qū)(5)包括5 20個(gè)從下至上間隔排列的氮化銦鎵勢(shì)阱層(51)，兩相鄰氮化銦鎵勢(shì)阱層(51)之間設(shè)置有由從下至上依次連接的第一氮化鋁鎵銦層(52)、氮化鎵層(53)和第二氮化鋁鎵銦層(54)構(gòu)成的第一類復(fù)合勢(shì)壘層，頂層的氮化銦鎵勢(shì)阱層(51)的上表面設(shè)置有由從下至上連接的第一氮化鋁鎵銦層(52)和氮化鎵層(53)構(gòu)成的第二類復(fù)合勢(shì)壘層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有復(fù)合勢(shì)壘的氮化鎵基發(fā)光二極管，其特征在于，所述第一類復(fù)合勢(shì)壘和第二類復(fù)合勢(shì)壘中，第一氮化鋁鎵銦層(52)的下表面和第二氮化鋁鎵銦層(54)的上表面，鋁和銦的組分均根據(jù)氮化銦鎵勢(shì)阱層(51)中的In組分，按照化合物半導(dǎo)體能帶理論和極化電場(chǎng)理論計(jì)算得到；在第一氮化鋁鎵銦層(52)的上表面和第二氮化鋁鎵銦層(54)的下表面，調(diào)節(jié)鋁組分和銦組分的比值為0.83:0.17，使之與氮化鎵晶格匹配，所述氮化銦鎵勢(shì)阱層(51)中，In組分的摩爾百分比范圍為(Γ40%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有復(fù)合勢(shì)壘的氮化鎵基發(fā)光二極管，其特征在于，所述的第一類復(fù)合勢(shì)壘層和第二類復(fù)合勢(shì)壘中，第一氮化鋁鎵銦層(52)和第二氮化鋁鎵銦層(54)的厚度均為4-8nm，氮化鎵層(53)的厚度為4_8nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有復(fù)合勢(shì)壘的氮化鎵基發(fā)光二極管，其特征在于，所述第一氮化鋁鎵銦層(52)和第二氮化鋁鎵銦層(54)的禁帶寬度大于氮化銦鎵勢(shì)阱層的禁帶寬度，即 Eg(AlInGaN ) >Eg (InGaN)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種具有復(fù)合勢(shì)壘的氮化鎵基發(fā)光二級(jí)管，包括從下至上依次設(shè)置的藍(lán)寶石襯底、緩沖層、n型氮化鎵外延層、多量子阱有源區(qū)、p型鋁鎵氮外延層和p型氮化鎵外延層，p型氮化鎵外延層上表面設(shè)置p型金屬電極，n型氮化鎵層的下臺(tái)面上設(shè)有n型電極，多量子阱有源區(qū)包括5~20個(gè)從下至上間隔排列的氮化銦鎵勢(shì)阱層，兩相鄰氮化銦鎵勢(shì)阱層之間設(shè)置有第一類復(fù)合勢(shì)壘層，頂層的氮化銦鎵勢(shì)阱層的上表面設(shè)置有第二類復(fù)合勢(shì)壘層，復(fù)合勢(shì)壘中，氮化鋁鎵銦層與InGaN勢(shì)阱層接觸處，通過調(diào)節(jié)Al和In的組分減小極化效應(yīng)產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)；AlInGaN層與GaN層接觸界面上，調(diào)節(jié)Al與In的比值為0.83:0.17，使二者晶格匹配。
文檔編號(hào)H01L33/06GK103151435SQ20131003591
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月30日
發(fā)明者張 雄, 許潔, 崔一平 申請(qǐng)人:東南大學(xué)