一種氮化鎵系發光二極體的製作方法

2023-06-10 00:56:51

專利名稱：一種氮化鎵系發光二極體的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種氮化鎵(GaN)系發光二極體，特別是涉及一種具有低溫低銦組分 P型銦鎵氮插入層的氮化鎵系發光二極體。
背景技術：
目前III-V族半導體光電材料被譽為第三代半導體材料。而GaN系發光二極體， 由於可以通過控制材料的組成來製作出各種色光(尤其是需要高能隙的藍光或紫光)的發 光二極體(簡稱為「LED」 )，而成為業界研究的重點。以GaN為基礎的半導體材料或器件的外延生長目前主要採用MOCVD技術。在利用 MOCVD技術生長氮化物半導體(GaN、A1N、InN及它們的合金氮化物)的工藝中，由於沒有 與GaN晶格匹配的襯底材料，故通常採用藍寶石作為襯底進行異質外延。然而，在藍寶石與 氮化物半導體之間存在較大的晶格失配(-13.8% )和熱膨脹係數的差異，於是生長沒有龜 裂、表面平整的高質量氮化物半導體非常困難。目前最有效的外延生長方法通常採用兩步 外延生長法(參見H. Amano, N. Sawaki和Y. Toyoda等，「使用AlN緩衝層的高質量GaN薄膜 的金屬有機氣相外延生長」，Appl. Phys. Lett. 48 (5)，353 (1986) ；S. Nakanura 等，「具有 GaN 緩衝層的高質量的P型GaNiMg薄膜的生長」，Jpn. J. Appl. Phys. 30，L1708 (1991)；以及中國 專利No. CN1508284A)，該方法主要包括如下步驟先在低溫下(如500°C )生長一層很薄的 成核層；然後升溫退火，在該成核層上直接生長未摻雜的GaN緩衝層；接著在該緩衝層上， 生長η型GaN歐姆接觸層；然後在700°C至850°C的溫度下生長InGaN/GaN多量子阱(MQWs) 有源層；在GaN量子壘生長結束後接著在1000°C左右的高溫下，生長ρ型AlGaN電子阻擋 層；最後生長P型GaN歐姆接觸層，製作ρ型歐姆接觸透明電極和η型歐姆接觸電極。然而，上述LED生長技術存在正向工作電壓高以及發光強度沒有顯著增強的缺 陷。造成上述問題的主要原因包括如下三個方面。首先，AlGaN的晶格常數與InGaN/GaN多 量子阱的晶格常數的差異較大，而它們之間的晶格失配會在InGaN/GaN多量子阱有源區內 產生很大的壓應力。晶格失配造成的壓應力一方面會因具有較強壓電特性的III族氮化物 而在多量子阱有源區內形成較大的壓應變電場(即壓電場效應(piezo-electrical field effect))，而壓電場效應的存在將使得電子與空穴的波函數在空間上分離，從而引起輻射 複合強度的減弱。此外，上述壓應變造成的機械應力還會進一步劣化外延層的質量，從而對 器件的發光強度產生影響。更為主要的是，由於ρ型AlGaN和ρ型GaN接觸層中Mg的激活能都比較大(一般 PAlGaN為215meV，pGaN為175eV)，常溫下只有少量的Mg被激活，空穴濃度很低。這樣造 成的直接結果是pn結結區位置大部分落在ρ型區內，而活性發光層因為壘層摻雜成為η型 區，只有少量的量子阱位於Pn結區內參與發光，因此發光強度不大。要使LED的發光強度 增大，就要增加參與發光的量子阱個數，即調節Pn結位置向η區移動，唯一可行的辦法就是 增加P區的空穴濃度。我們在ρ型鋁鎵氮電子阻擋層之後插入ρ型銦鎵氮，一方面因為Mg在銦鎵氮中的
3激活能比較低，常溫下可以產生更多的空穴；另一方面，因為銦鎵氮和鋁鎵氮之間晶格差異 更大，由於壓應變會在界面處產生很高的空穴濃度，兩方面的作用使得P區空穴濃度得到 增加，從而調節pn結的位置向η區移動，使得參與發光的量子阱數量增加。值得注意的是該 P型銦鎵氮插入層的銦組分不能過高，否則有源區發出的光將被該層強烈吸收，使得發光效 率降低。

發明內容
本發明的目的在於提供一種氮化鎵系發光二極體，其可以調節pn結結區位置、增 加參與發光的量子阱周期數，使得發光二極體的發光強度增加。本發明提供一種氮化鎵系發光二極體，其包括一襯底；一氮化鎵成核層，該氮化鎵成核層製作在襯底上；一緩衝層，該緩衝層製作在氮化鎵成核層上；一 η型接觸層，該η型接觸層製作在緩衝層上，該η型接觸層由η型氮化鎵構成；一活性發光層，該活性發光層製作在η型接觸層上並覆蓋所述η型接觸層一側的 部分表面，使該η型接觸層的另一側形成一臺面，所述活性發光層是由銦鎵氮薄層和氮化 鎵薄層交互層疊形成的多周期的量子阱結構構成；一 ρ型電子阻擋層，該P型電子阻擋層製作在活性發光層的氮化鎵薄層上，該P型 電子阻擋層由鋁鎵氮構成；一 P型銦鎵氮插入層，該P型銦鎵氮插入層製作在P型電子阻擋層上；一 P型接觸層，該P型接觸層製作在ρ型銦鎵氮插入層上，該P型接觸層由P型氮 化鎵構成；一負電極，該負電極製作在η型接觸層的檯面上；一正電極，該正電極製作在ρ型接觸層上，完成氮化鎵系發光二極體的製作。


為進一步說明本發明的技術內容，以下結合附圖和具體實施方式
對本發明進行更 詳細的說明，其中圖1是根據本發明的具有ρ型銦鎵氮插入層的GaN系發光二極體。圖2是現有的以及根據本發明的氮化鎵系發光二極體的正向注入電流與發光強 度I-L曲線，其中方塊線條為本發明的具有ρ型銦鎵氮插入層的氮化鎵系LED ；三角線條為 現有的沒有P型銦鎵氮插入層的氮化鎵系LED。
具體實施例方式請參閱圖1所示，本發明提供一種氮化鎵系發光二極體，其包括一襯底11，以(0001)向藍寶石(Al2O3)為襯底11，其他可用於襯底11的材質還包 括R-面或A-面的氧化鋁單晶、6H-SiC、4H-SiC、或晶格常數接近於氮化物半導體的單晶氧 化物。製備中採用高純NHJt N源，高純H2和N2的混合氣體作載氣；三甲基鎵或三乙基鎵 作Ga源，三甲基銦作In源，三甲基鋁作Al源；η型摻雜劑為矽烷，ρ型摻雜劑為二茂鎂。
一氮化鎵成核層12，該氮化鎵成核層12製作在襯底11上。生長參數包括反應 溫度500°C至800°C，反應腔壓力200至500Torr，載氣流量10-30升/分鐘，三甲基鎵流量 20-250微摩爾/分鐘，氨氣流量20-80摩爾/分鐘，生長時間1_10分鐘；一緩衝層13，該緩衝層13製作在氮化鎵成核層12上。生長參數包括反應溫度 950-1180°C，反應腔壓力76-250Torr，載氣流量5_20升/分鐘，三甲基鎵流量為80-400微 摩爾/分鐘，氨氣流量為200-800摩爾/分鐘，生長時間20-60分鐘；一 η型接觸層14，該η型接觸層14製作在緩衝層13上，該η型接觸層14由η型 氮化鎵構成。生長參數包括反應溫度950-1150°C，反應腔壓力76-250Torr，載氣流量5-20 升/分鐘，三甲基鎵流量80-400微摩爾/分鐘，氨氣流量200-800摩爾/分鐘，矽烷流量 0. 2-2. 0納摩爾/分鐘，生長時間10-40分鐘；—活性發光層15，該活性發光層15製作在η型接觸層14上並覆蓋所述η型接觸層 14 一側的部分表面，使該η型接觸層14的另一側形成一臺面141，所述活性發光層15是由 銦鎵氮薄層151和氮化鎵薄層152交互層疊形成的多周期的量子阱結構構成。生長參數包 括GaN薄層(即壘層152)反應溫度700-900°C，反應腔壓力100_500Torr，載氣流量5_20 升/分鐘，氨氣流量200-800摩爾/分鐘，三甲基鎵流量0. 1-1. 0微摩爾/分鐘，矽烷流量 0-2. 0納摩爾/分鐘，時間0. 1-5分鐘；InGaN薄層(即阱層151)反應溫度700-850°C, β 應腔壓力100-500Torr，載氣流量5_20升/分鐘，氨氣流量200-800摩爾/分鐘，三甲基鎵 流量0. 1-1. 0微摩爾/分鐘，三甲基銦流量10-50微摩爾/分鐘，時間0. 1-5分鐘；多量子 阱周期數為4至15 ；一 ρ型電子阻擋層16，該ρ型電子阻擋層16製作在活性發光層15上，該ρ型電 子阻擋層16由鋁鎵氮構成。所述ρ型電子阻擋層16的厚度為10-50nm，並且所述ρ型電 子阻擋層16的下表面與所述活性發光層15中的鎵氮薄層152接觸。生長參數包括反應 溫度700-1000°C，反應腔壓力50-200Torr，載氣流量5_20升/分鐘，氨氣流量100-400摩 爾/分鐘，三甲基鋁流量20-100微摩爾/分鐘，三甲基鎵流量80-200微摩爾/分鐘，二茂 鎂流量為150-400納摩爾/分鐘，時間1-10分鐘。其中所述ρ型電子阻擋層16以二茂鎂為ρ型摻雜劑，並且二茂鎂的摻雜濃度為 1019-1021cm_3。一 ρ型銦鎵氮插入層17，該ρ型銦鎵氮插入層17製作在ρ型電子阻擋層16上；所 述P型銦鎵氮插入層17為低溫低銦組分的P型InxGahN,其中銦組分0 < χ < 0. 1，其生長溫 度為600°C -900°C。所述ρ型銦鎵氮插入層17的具體生長條件如下反應溫度600-900°C， 反應腔壓力100-500Torr，載氣流量5_20升/分鐘，氨氣流量200-800摩爾/分鐘，三甲基 銦流量10-50微摩爾/分鐘，三甲基鎵流量0. 1-1. 0微摩爾/分鐘，二茂鎂流量為150-400 納摩爾/分鐘，時間5-20分鐘。其中ρ型銦鎵氮插入層17以二茂鎂為ρ型摻雜劑，並且二茂鎂的摻雜濃度為 1019-1021cm_3。本發明中的ρ型銦鎵氮插入層17的生長溫度優選為600-900°C，低於ρ型鋁鎵氮 電子阻擋層16的生長溫度。本發明中的ρ型銦鎵氮插入層(PInxGai_xN) 17其銦組分應當在 0 < χ < 0. 1。若銦組分過高，一方面由於生長溫度低，銦鎵氮外延層質量劣化，影響其後的 外延層生長；另一方面，更多的銦組分使得該層的帶隙變窄，對有源區發出的光產生強烈吸
5收，使得發光強度降低。本發明中的ρ型銦鎵氮插入層17的厚度優選為10-100納米。當ρ型銦鎵氮插入 層17的厚度小於10納米時，其中產生的空穴數量有限，不足以起到調整ρη結結區的作用； 當P型銦鎵氮插入層17的厚度超過100納米時，因低溫生長質量差，意向其後的外延層質 量，從而影響發光二極體的發光效率。本發明通過在ρ型電子阻擋層16與ρ型氮化鎵接觸層18之間生長具有一定厚 度的低溫低銦組分P型銦鎵氮插入層17，獲得了發光強度和反向擊穿電壓得到較大提高的 GaN系發光二極體。主要原因在於如下兩個方面首先，在ρ型電子阻擋層16與ρ型氮化鎵接觸層18之間生長具有一定厚度的低 溫低銦組分P型銦鎵氮插入層17，由於P型電子阻擋層16與P型銦鎵氮插入層17之間晶 格差異比較大，壓應變產生的應力場導致界面處能帶發生很大的彎曲，從而在界面處形成 二維空穴氣，以彌補P型電子阻擋層16中Mg激活能高的不足。其次，由於ρ型氮化鎵接觸層18中Mg的激活能依然很高，常溫下只有約1 %的Mg 被激活，因此空穴濃度不高。插入P型銦鎵氮層17後，由於銦鎵氮層17中Mg的激活能相 對較低，常溫下可以產生更高的空穴濃度，因此可以起到調節ρη結結區的作用。但是不可 能完全用P型銦鎵氮插入層17來替代ρ型氮化鎵接觸層18，這是因為ρ型銦鎵氮插入層 17的生長溫度較低，晶體質量不夠好，外延層中仍有很高密度的穿透位錯，使得器件的發光 特性和漏電特性大打折扣。— ρ型接觸層18，該ρ型接觸層18製作在ρ型銦鎵氮插入層17上，該ρ型接觸 層18由ρ型氮化鎵構成。生長參數包括反應溫度950-1100°C，反應腔壓力200-500Torr， 載氣流量5-20升/分鐘，氨氣流量200-800摩爾/分鐘，三甲基鎵流量80-400微摩爾/分 鍾，二茂鎂流量為0. 5-5微摩爾/分鐘，時間10-50分鐘。一負電極19，該負電極19製作在η型接觸層14的臺面141上。一正電極20，該正電極20製作在ρ型接觸層18上，由鉻鉬金組成。完成氮化鎵系 發光二極體的製作。圖2所示為根據本發明的具有ρ型銦鎵氮插入層17的氮化鎵系發光二極體與傳 統工藝沒有P型銦鎵氮插入層17的氮化鎵系發光二極體的發光特性對比。其中方塊線條 為本發明的具有P型銦鎵氮插入層17的氮化鎵系LED ；三角線條為現有的沒有P型銦鎵氮 插入層17的氮化鎵系LED。由圖2中可以看出，與傳統結構的LED相比，在同樣的注入電流 條件下，本發明的LED結構具有發光強度大，飽和電流高等特點。在保證器件工藝相同的情 況下，發光強度的增強，說明發光二極體的內量子效率得到了有效的提高。以上所述，僅為本發明中的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任 何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術範圍內，可輕易想到的變換或替換，都應涵蓋在 本發明的包含範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
權利要求
一種氮化鎵系發光二極體，其包括一襯底；一氮化鎵成核層，該氮化鎵成核層製作在襯底上；一緩衝層，該緩衝層製作在氮化鎵成核層上；一n型接觸層，該n型接觸層製作在緩衝層上，該n型接觸層由n型氮化鎵構成；一活性發光層，該活性發光層製作在n型接觸層上並覆蓋所述n型接觸層一側的部分表面，使該n型接觸層的另一側形成一臺面，所述活性發光層是由銦鎵氮薄層和氮化鎵薄層交互層疊形成的多周期的量子阱結構構成；一p型電子阻擋層，該p型電子阻擋層製作在活性發光層的氮化鎵薄層上，該p型電子阻擋層由鋁鎵氮構成；一p型銦鎵氮插入層，該p型銦鎵氮插入層製作在p型電子阻擋層上；一p型接觸層，該p型接觸層製作在p型銦鎵氮插入層上，該p型接觸層由p型氮化鎵構成；一負電極，該負電極製作在n型接觸層的檯面上；一正電極，該正電極製作在p型接觸層上，完成氮化鎵系發光二極體的製作。
2.如權利要求1所述的氮化鎵系發光二極體，其中P型銦鎵氮插入層為低溫低銦組分 的P型InxGai_xN，其中In組分0 < χ < 0. 1，其生長溫度為600°C -9000C0
3.如權利要求1或2所述的氮化鎵系發光二極體，其中ρ型銦鎵氮插入層的厚度為 IOnm-IOOnm0
4.如權利要求1或2所述的氮化鎵系發光二極體，其中ρ型銦鎵氮插入層以二茂鎂為 P型摻雜劑，並且二茂鎂的摻雜濃度為1019-1021cm_3。
5.如權利要求1所述的氮化鎵系發光二極體，其中活性發光層的周期數為4-15，該活 性發光層的總厚度為30-200nm，其中每一氮化鎵薄層的厚度為4-20nm ；每一銦鎵氮薄層的 厚度為l_4nm，銦鎵氮薄層由InxGai_xN所構成，其中0. 1 < χ < 0. 3。
6.如權利要求1所述的氮化鎵系發光二極體，其中P型電子阻擋層的生長溫度為 7000C -1000°C，厚度為 10-50nm。
7.如權利要求1或6所述的氮化鎵系發光二極體，其中ρ型電子阻擋層由ρ型AlxGai_xN 構成，其中0. 1彡χ < 0. 2。
8.如權利要求1所述的氮化鎵系發光二極體，其中所述P型電子阻擋層以二茂鎂為P 型摻雜劑，並且二茂鎂的摻雜濃度為1019-1021cm_3。
9.如權利要求1所述的氮化鎵系發光二極體，其中襯底由C-面、R-面或A-面的氧化 鋁單晶、6H-SiC、4H-SiC或晶格常數接近於氮化物半導體的單晶氧化物所製成。
全文摘要
一種氮化鎵系發光二極體，包括一襯底；一氮化鎵成核層，該氮化鎵成核層製作在襯底上；一緩衝層製作在成核層上；一n型接觸層製作在緩衝層上，該n型接觸層由n型氮化鎵構成；一活性發光層製作在n型接觸層上並覆蓋所述n型接觸層的部分表面，所述活性發光層是由銦鎵氮薄層和氮化鎵薄層交互層疊形成的多周期的量子阱結構構成；一p型電子阻擋層製作在活性發光層上，其下為氮化鎵薄層，該p型電子阻擋層由鋁鎵氮構成；一p型銦鎵氮插入層製作在p型電子阻擋層上；一p型接觸層製作在p型銦鎵氮插入層上，該p型接觸層由p型氮化鎵構成；一負電極製作在製作在n型接觸層的檯面上；一正電極製作在p型接觸層上，完成氮化鎵系發光二極體的製作。
文檔編號H01L33/02GK101931036SQ201010235850
公開日2010年12月29日 申請日期2010年7月21日 優先權日2010年7月21日
發明者劉乃鑫, 曾一平, 李晉閩, 王軍喜, 王國宏, 路紅喜, 馬平 申請人:中國科學院半導體研究所