本发明属于半导体发光器件，具体涉及一种具有组分渐变垒层的氮极性ingan基红光led及其制备方法。
背景技术：
1、微型发光二极管(micro led)显示技术具有高分辨率、高亮度、低能耗和持久耐用等优势，在增强现实/虚拟现实、可见光通信、可穿戴器件、空间成像等领域具有广阔应用前景。目前，micro led显示技术面临的挑战之一是缺乏高效且可靠的红光微型芯片。ingan是制备micro led显示技术所需红光微型芯片的理想材料，其载流子扩散长度短(～100nm)，器件尺寸对led性能的影响较小。同时，它具有较好的机械稳定性且易于与ingan基蓝光和绿光led实现工艺兼容，可简化micro led显示技术的产业化制作工艺。
2、然而，目前ingan基红光led的发光效率相对较低，功率转换效率大多在5％以下，这主要与其有源区ingan量子阱中高的in组分有关(通常in组分大于40％才能使led达到红光波段)。量子阱中高的in组分是实现红光led的必要条件，为了获得高的in组分，量子阱需要在低温下生长，然而低温条件往往导致量子阱较差的晶体质量。此外，高的in组分导致量子阱所受的压应力较大，会降低阱层中in原子并入并加剧相分离。并且，大的压应力使得阱层中的极化电场增加，导致量子限制斯塔克效应加剧，致使载流子的辐射复合效率降低。
技术实现思路
1、本发明提出了一种具有组分渐变垒层的氮极性ingan基红光led及其制备方法。不同于传统的、被广泛研究的金属极性ingan基led，本发明所述的氮极性ingan基led，其内部极化电场方向与金属极性led相反。相反的极化电场方向使得氮极性ingan基led结构中量子阱有源区具有更强的载流子限制能力。同时，氮极性ingan基led具有更强的空穴注入能力和抑制电子溢出能力。重要的是，本发明所述的氮极性ingan基红光led量子阱中最后一个垒层被设计为组分渐变增加的ingan层，组分渐变ingan垒层和p-gan空穴提供层界面会同时形成电子势阱和空穴势阱，并且这两个势阱中积累的电子和空穴具有很高的空间波函数重叠度，能够产生高效的辐射复合，从而有效提升红光led发光效率。
2、本发明所述的一种具有组分渐变垒层的氮极性ingan基红光led(见附图1和附图说明)，从下至上依次由衬底1、成核层2、n型gan层3、量子阱有源层4和p型gan层5组成，在量子阱有源层4和n型gan层3间形成裸露的n型gan层3台面，在该台面及p型gan层5上分别制备有下电极7和上电极6。
3、进一步的，量子阱有源层4由inxga1-xn垒层和inyga1-yn阱层交替堆叠构成，inxga1-xn垒层和inyga1-yn阱层的交替堆叠周期数为1～5个周期，最后一个垒层为in组分渐变的inzga1-zn层，沿生长方向in的组分z从m渐变增加至n；其中，0≤x＜y＝n＜1，0≤m＜n，即在同一个器件中，x、y是固定数值，而z是变化的；inxga1-xn垒层和组分渐变inzga1-zn垒层的厚度均在8～15nm，inyga1-yn阱层的厚度在1～5nm。
4、进一步的，成核层2、n型gan层3、量子阱有源层4和p型gan层5的晶格极性均为氮极性。氮极性氮化物半导体为六方纤锌矿结构，其沿c轴<0001>方向具有不对称性，即沿c轴方向金属原子的正电荷中心和氮原子的负电荷中心不重合，存在自发极化效应。氮化物材料沿c轴生长时，当沿生长方向平行于c轴的金属原子和氮原子的成键方向为金属原子指向氮原子时，材料的晶格极性为金属极性。反之，若沿生长方向平行于c轴的金属原子和氮原子的成键方向为氮原子指向金属原子时，材料的极性为氮极性。氮极性氮化物材料和金属极性氮化物材料中的极化方向相反，因此这两种极性材料中沿生长方向的极化电场是相反的。获得氮极性氮化物层的方法与衬底和衬底的表面处理工艺有关，如在碳面碳化硅衬底和氮面gan衬底上可直接生长出氮极性氮化物层，而在高温氨化处理的蓝宝石衬底(即在1000～1100℃高温下通入氨气进行5～10分钟处理)上也可以生长出氮极性氮化物层。
5、进一步的，衬底1可以为碳面碳化硅衬底、氮面gan衬底、高温下氨气处理(1000～1100℃处理5～10分钟)的蓝宝石衬底等任意可以生长出氮极性氮化物层的衬底；成核层2为低温gan或aln层，厚度为20～50nm；n型gan层3为si掺杂gan层，掺杂浓度为1018cm-3量级，厚度为1～3μm；p型gan层5为mg掺杂gan层，掺杂浓度为1019cm-3量级，厚度为100～200nm；上电极6可以是au、pt等一元合金单层，ni-au、ni-pt等二元合金复合层或ni-pt-au等三元合金复合层，厚度为30～120nm；下电极7可以是ti-au等二元合金复合层、ti-al-au等三元合金复合层或者ti-al-ni-au、ti-al-ti-au等四元合金复合层，厚度为60～300nm。
6、如上所述的一种具有组分渐变垒层的氮极性ingan基红光led的制备方法，其步骤如下：
7、(1)采用金属有机物化学气相沉积(mocvd)方法在衬底1上依次外延生长成核层2、n型gan层3、量子阱有源层4和p型gan层5；生长量子阱有源层4时采用氮气作为载气，生长其他各层时采用氢气作为载气；分别采用三甲基铝(tmal)、三甲基铟(tmin)和三甲基镓(tmga)作为al源、in源和ga源；采用高纯氨气作为n源；n型掺杂源采用硅烷，p型掺杂源采用二茂镁；成核层2的生长温度为530～550℃，生长压力为100～400mbar，生长厚度为20～50nm；n型gan层3的生长温度为800～1100℃，生长压力为100～400mbar，生长厚度为1～3μm，n型掺杂浓度为1018cm-3量级；量子阱有源层4中，inyga1-yn阱层的生长温度为700～850℃，生长压力为200～800mbar，生长厚度为1～5nm；inxga1-xn垒层的生长温度为700～950℃，生长压力为100～400mbar，生长厚度为8～15nm；inxga1-xn垒层和inyga1-yn阱层的交替堆叠周期数为1～5个周期；最后一个组分渐变inzga1-zn垒层的生长温度为700～900℃，其生长过程中可以通过控制温度在700～900℃范围内逐渐降低，或者控制ga源流量逐渐降低而in源流量逐渐增加的方法实现薄膜中in组分的渐变增加；p型gan层5的生长温度为900～1000℃，生长压力为100～400mbar，生长厚度为100～200nm，mg掺杂浓度为1019cm-3量级。
8、(2)将p型gan层5上表面一侧的区域通过电感耦合等离子体(icp)刻蚀等方法刻蚀至n型gan层3，得到裸露的n型gan层3台面；然后分别在p型gan层5和裸露的n型gan层3台面上通过热蒸镀或电子束蒸发方法制备上电极6和下电极7，从而得到所述的具有组分渐变垒层的氮极性ingan基红光led。
9、本发明的效果和益处：(1)把氮极性ingan基红光led最后一个垒层设计为组分渐变inzga1-zn层，产生的结果是组分渐变inzga1-zn垒层和p型gan层5的界面处会同时形成电子势阱和空穴势阱，并且这两个势阱中积累的电子和空穴具有很高的空间波函数重叠度，能够产生高效的辐射复合，从而有效提升ingan基红光led发光效率。需要注意的是，若把氮极性ingan基红光led的极性变换为传统被广泛研究的金属极性，则该组分渐变inzga1-zn垒层和p型gan层界面处并不会同时形成电子势阱和空穴势阱，因而并不能改善led的发光性能。(2)氮极性ingan基红光led中的极化电场方向与传统的被广泛研究的金属极性ingan基红光led中的极化电场方向相反。相反的极化电场使得氮极ingan基led量子阱有源区对载流子具有更强的限制作用。并且，该极化电场方向与led的外加正向偏压方向相同，从而能够降低led的开启电压，提升led的功率转化效率。
1.一种具有组分渐变垒层的氮极性ingan基红光led，从下至上依次由衬底(1)、成核层(2)、n型gan层(3)、量子阱有源层(4)和p型gan层(5)组成，在量子阱有源层(4)和n型gan层(3)间形成裸露的n型gan层(3)台面，在该台面及p型gan层(5)上分别制备有下电极(7)和上电极(6)；其特征在于：成核层(2)、n型gan层(3)、量子阱有源层(4)和p型gan层(5)的晶格极性均为氮极性，且量子阱有源层(4)由inxga1-xn垒层和inyga1-yn阱层交替堆叠构成，量子阱有源层(4)的最后一个垒层为in组分渐变的inzga1-zn层，沿生长方向in组分z从m渐变增加至n；其中，0≤x＜y＝n＜1，0≤m＜n，inxga1-xn垒层和inyga1-yn阱层的交替堆叠周期数为1～5个周期。
2.如权利要求1所述的一种具有组分渐变垒层的氮极性ingan基红光led，其特征在于：衬底(1)为碳面碳化硅衬底、氮面gan衬底或高温下氨气处理的蓝宝石衬底；成核层(2)为低温gan或aln层，厚度为20～50nm；n型gan层(3)为si掺杂gan层，掺杂浓度为1018cm-3量级，厚度为1～3μm；inxga1-xn垒层和组分渐变inzga1-zn垒层的厚度均在8～15nm，inyga1-yn阱层的厚度在1～5nm；p型gan层(5)为mg掺杂gan层，掺杂浓度为1019cm-3量级，厚度为100～200nm；上电极(6)为au、pt、ni-au、ni-pt、ni-pt-au的一元合金单层、二元合金复合层或三元合金复合层，厚度为30～120nm；下电极(7)为ti-au、ti-al-au、ti-al-ni-au、ti-al-ti-au的二元合金复合层、三元合金复合层或四元合金复合层，厚度为60～300nm。
3.权利要求1或2所述的一种具有组分渐变势垒层的氮极性ingan基红光led的制备方法，其步骤如下：
