一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片及制备方法技术

一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片及制备方法，属于半导体发光器件技术领域。由(0001)面蓝宝石衬底、低温GaN缓冲层、氮极性GaN模板层、n‑GaN电子注入层、多量子阱有源层、极化诱导p型掺杂空穴注入层组成，其中氮极性GaN模板层中有SiNx掩膜层，极化诱导p型掺杂空穴注入层上设置有p电极，n‑GaN电子注入层有一裸露台面，在其上设置有n电极；本发明专利技术采用斜切的蓝宝石衬底，提高外延片的晶体质量及表面平整度；氮极性GaN模板层中原位插入SiNx掩膜，有效阻挡位错同时降低非故意掺杂的浓度，提高内量子效率；采用Al组分线性增加的掺Mg的AlGaN制作形成为极化诱导p型掺杂空穴注入层，提高空穴的浓度，提高电注入效率。

【技术实现步骤摘要】
一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片及制备方法
本专利技术属于半导体发光器件
，具体涉及一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片及制备方法。
技术介绍
GaN，AlN，InN及其合金化合物都是直接带隙半导体，其禁带宽度可以在0.7eV到6.2eV之内连续调节，对应的发光波长从红外一直延伸到紫外波段，是制备LED的理想材料。但是目前为止，唯一适合作为p型掺杂剂的Mg其室温下在GaN中的激活能高达200meV。这就导致室温下Mg的激活效率不会超过1％，而过高的掺杂浓度又会引入其他问题，如表面退化，极性反转等。因此p型GaN中的空穴浓度很难超过1018cm-3。低的空穴浓度会引入高的串联电阻，在大电流下工作还会导致Droop效应的产生。因此氮化物材料的p型掺杂成为了阻碍大功率高效率LED发展的瓶颈之一。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为解决上述p型材料中Mg激活效率低问题，用氮极性(外延方向为轴方向)Al组分线性增加的掺Mg的AlGaN代替传统掺Mg的GaN作为空穴注入层制备蓝紫光LED。该器件结构利用了AlGaN薄膜中自发极化强度随Al组分增加而增加的特性，在Al组分线性增加的AlGaN薄膜中形成负的空间极化电荷，利用极化电荷对空穴的吸引能力诱导Mg受主中的空穴发生电离。由此产生的空穴的浓度仅和薄膜内空间电荷的密度有关，不受热激活能量的限制，从而实现提高Mg受主激活率，提升LED性能的目的。本专利技术的技术方案是：本专利技术所设计的一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片(见附图1和附图说明)，其特征在于：其从下至上依次由高温氮化处理、带有斜切角的(0001)面蓝宝石衬底1、低温GaN缓冲层2、氮极性GaN模板层3、n-GaN电子注入层5、多量子阱有源层6、极化诱导p型掺杂空穴注入层7组成，其中氮极性GaN模板层3中有SiNx掩膜层4，极化诱导p型掺杂空穴注入层7上有p电极8，将部分表面蚀刻至裸露出n-GaN电子注入层5，其上面有n电极9.如上所述的一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片，其特征在于：所述的(0001)面蓝宝石衬底1具有一定的斜切角(即蓝宝石衬底1的生长面与蓝宝石(0001)晶面具有一定的夹角)，斜切方向为偏[1010]轴方向，斜切角为0.2～4°。如上所述的一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片，其特征在于：芯片中除(0001)面蓝宝石衬底1，p电极8，n电极9外，均采用MOCVD外延完成，外延过程中，外延生长方向为氮化物的方向，所述外延生长方向对应的晶面为面。如上所述的一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片，其特征在于：所述的SiNx掩膜层4位于氮极性GaN模板层3当中，由氨气和硅烷原位生成。如上所述的一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片，其特征在于：多量子阱有源层6由阱层Inx3Ga1-x3N和垒层GaN交替生长组成，对数在2～5对之间，每个阱层的厚度为2～4nm，每个垒层的厚度为10～15nm，其中0.1≤x3≤0.2。如上所述的一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片，其特征在于：所述的极化诱导p型掺杂空穴注入层7由掺Mg的AlGaN材料构成，其中Al的组分沿外延生长方向逐渐升高，即从Alx1Ga1－x1N到Alx2Ga1－x2N逐渐过渡，其中0≤x1<x2≤1，厚度为50～100nm。如上所述的一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片，其特征在于：低温GaN缓冲层2的厚度为10～30nm，氮极性GaN模板层3的厚度为2～3μm，SiNx掩膜层4位于氮极性GaN模板3当中，其距离蓝宝石衬底1为100～500nm，n-GaN电子注入层5的厚度为0.5～1μm，InGaN基多量子阱有源区6中每个阱层Inx3Ga1-x3N的厚度为2～4nm、每个垒层GaN的厚度为10～15nm，极化诱导p型掺杂空穴注入层7的厚度为50～100nm，p电极层8的厚度为10～30nm，n电极层9的厚度为60～100nm。一种如上所述的带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片的制备方法，其步骤如下：(1)为了使外延生长方向沿氮化物的方向进行，首先将带有斜切角的(0001)面蓝宝石衬底在氨气和氮气的混合气氛下进行原位的高温氮化处理(氨气和氮气的体积比为1:2～1:3，氮化温度为1020～1080℃，氮化处理的时间120～240s)，之后采用MOCVD方法的蓝宝石衬底上依次外延生长低温GaN缓冲层2(生长温度520～560℃，厚度10～30nm，生长源为氨气和三乙基镓)、氮极性GaN模板层3(生长温度1050～1100℃，厚度100～500nm，生长源为氨气和三甲基镓)、SiNx掩膜层4(生长温度1020～1080℃，生长时间30～120s，生长源为氨气和硅烷，为多孔结构)、氮极性GaN模板层3(与前面生长氮极性GaN模板层的工艺条件相同，厚度1.5～2.5μm)、n-GaN电子注入层5(生长温度1020～1050℃，厚度0.5～1μm，生长源为氨气和三甲基镓，掺杂源为硅烷，掺杂浓度为1018～1019/cm3)、多量子阱有源层6(量子阱由阱层Inx3Ga1-x3N和垒层GaN交替生长组成，对数在2～5对之间，每个阱层的厚度为2～4nm，每个垒层的厚度为10～15nm，其中0.1≤x3≤0.2，阱层Inx3Ga1-x3N生长源为氨气、三甲基铟和三乙基镓，垒层GaN的生长源为氨气和三甲基镓)、极化诱导p型掺杂空穴注入层7(由掺Mg的、Al组分沿外延方向线性增加的AlGaN制成，生长过程中通过线性的减少Ga源的流量同时线性增加Al源的流量实现Al组分的线性变化，生长温度980～1020℃，厚度50～100nm，生长源为氨气、三甲基镓和三甲基铝，掺杂源为二茂镁，掺杂浓度为1019～1020/cm3)，从而制备得到氮极性蓝紫光LED结构；(2)在极化诱导p型掺杂空穴注入层7上表面一侧的区域用ICP方法刻蚀至裸露出n-GaN电子注入层5，得到n-GaN台面；在未刻蚀的极化诱导p型掺杂空穴注入层7上制备p电极8(厚度10～30nm)，在露出的n-GaN台面上制备n电极9(厚度60～100nm)；p电极的材料可以是Au、Pt等单层材料，Ni-Au、Ni-Pt等二元合金复合材料或Ti-Pt-Au、Ni-Pt-Au等三元复合材料，n电极的材料可以是Ti-Al二元合金复合材料、Ti-Al-Au三元合金复合材料或者Ti-Al-Ni-Au四元合金复合材料，制备电极的方法可采用热蒸镀、电子束蒸镀或磁控溅射方法(n电极指n-GaN台面上生长的电极，没有掺杂；p电极指极化诱导p型掺杂空穴注入层7上生长的电极，没有掺杂)。本专利技术的效果和益处：本专利技术采用带有一定斜切角度的(0001)面蓝宝石作为衬底，通过斜切可以在衬底表面形成原子级的台阶，促进LED芯片在整个外延过程中生长模式向台阶流模式发展，从而提高外延的晶体质量及表面平整度；本专利技术在氮极性GaN模板层中原位插入具有多孔结构的SiNx掩膜层，从而大幅降低外延层中的位错密度及非故意掺杂的浓度，提高LED的内量子效率；本专利技术采用氮极性Al组分线性增加的掺Mg的AlGaN本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片，其特征在于：其从下至上依次由高温氮化处理的(0001)面蓝宝石衬底(1)、低温GaN缓冲层(2)、氮极性GaN模板层(3)、n‑GaN电子注入层(5)、多量子阱有源层(6)、极化诱导p型掺杂空穴注入层(7)组成，其中氮极性GaN模板层(3)中有SiNx掩膜层(4)，极化诱导p型掺杂空穴注入层(7)上设置有p电极(8)，n‑GaN电子注入层(5)有一裸露台面，在其上设置有n电极(9)；(0001)面蓝宝石衬底(1)具有一定的斜切角，斜切方向为偏

【技术特征摘要】
1.一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片，其特征在于：其从下至上依次由高温氮化处理的(0001)面蓝宝石衬底(1)、低温GaN缓冲层(2)、氮极性GaN模板层(3)、n-GaN电子注入层(5)、多量子阱有源层(6)、极化诱导p型掺杂空穴注入层(7)组成，其中氮极性GaN模板层(3)中有SiNx掩膜层(4)，极化诱导p型掺杂空穴注入层(7)上设置有p电极(8)，n-GaN电子注入层(5)有一裸露台面，在其上设置有n电极(9)；(0001)面蓝宝石衬底(1)具有一定的斜切角，斜切方向为偏轴方向，斜切角为0.2～4°；极化诱导p型掺杂空穴注入层(7)由掺Mg的AlGaN材料构成，其中Al的组分沿外延生长方向逐渐升高，即从Alx1Ga1－x1N到Alx2Ga1－x2N逐渐过渡，其中0≤x1<x2≤1；多量子阱有源层(6)由阱层Inx3Ga1-x3N和垒层GaN交替生长组成，对数在2～5对之间，其中0.1≤x3≤0.2。2.如权利要求1所述的一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片，其特征在于：低温GaN缓冲层(2)的厚度为10～30nm，氮极性GaN模板层(3)的厚度为2～3μm，SiNx掩膜层(4)位于氮极性GaN模板(3)当中，其距离蓝宝石衬底(1)为100～500nm，n-GaN电子注入层(5)的厚度为0.5～1μm，InGaN基多量子阱有源区(6)中每个阱层Inx3Ga1-x3N的厚度为2～4nm、每个垒层GaN的厚度为10～15nm，极化诱导p型掺杂空穴注入层(7)的厚度为50～100nm，p电极层(8)的厚度为10～30nm，n电极层(9)的厚度为60～100nm。3.权利要求1所述的一种带有极化诱导p型掺杂层的氮极性蓝紫光LED芯片的制备方法，其步骤如下：(1)将带有斜切角的(0001)面蓝宝石衬底(1)在氨气和氮气的混合气氛下进行原位的高温氮化处理，之后采用MOCVD方法的蓝宝石衬底上依次外延生长低温GaN缓冲层(2)、氮极性GaN模板层(3)、SiNx掩膜层(4)、氮极性GaN模板层(3)、n-GaN电子注入层(5)、多量子阱有源层(6)、极化诱导p...

【专利技术属性】
技术研发人员：张源涛，闫龙，邓高强，韩煦，李鹏翀，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22