調製摻雜的氮化鎵系發光二極體的製作方法

2023-06-03 03:52:46 1

專利名稱：調製摻雜的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)系發光二極體的摻雜方法，特別是涉及多量子阱壘層調製摻雜的氮化鎵系發光二極體的製作方法。
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. 48，1986，353)，雖然晶體質量在一定程度上得到改善，但由於藍寶石與氮化物之間的晶格失配，外延層中存在很大的應力。同時，活性發光層中銦鎵氮和氮化鎵之間也同樣存在著較大的熱失配，即在溫度發生變化時，活性層中也會產生一定的應變。由於III族氮化物具有壓應變特性，這些應變會在InGaN/GaN多量子阱有源區內產生很大的壓應力。從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))0在壓電場的作用下，量子阱能級發送傾斜，即量子阱由方形阱變為三角阱，使得電子與空穴的波函數在空間上分離，從而引起輻射複合效率的降低，發光強度減弱，這又被稱為量子限制斯塔克效應。研究發現，壘層摻雜後(參見Yong-Hoon Choa, Appl. Phys. Lett.，73，1998， 1128)，由施主電離產生的載流子弛豫到量子阱後，可以部分屏蔽由壓電場造成的量子限制斯塔克效益，從而使得發光強度增加。而且隨著壘中摻雜濃度的增加，電離載流子數量也在增加，對壓電場的屏蔽效應也將提高。但同時，隨著壘層中摻雜濃度的提高，由於摻雜引起的能帶的變化對載流子的輸運又會產生新的影響(參見Eun-HyunPark，Appl. Phys. Lett.， 90,2006,031102) 0尤其是對量子阱內價帶的影響。主要表現為隨著施主摻雜的增加，量子阱價帶向下彎曲，對空穴的注入產生新的勢壘，從而引起發光強度的降低。傳統的壘層摻雜是採用矽烷作η型摻雜劑，且壘層中矽烷為均有摻雜。為了調和壘層摻雜對壓電場以及空穴注入這兩者之間的矛盾，我們引入壘層調製摻雜的方法。既可以部分屏蔽壓電場，同時在價帶中又不引入新的勢壘。

發明內容
本發明的目的在於提供一種調製摻雜的氮化鎵系發光二極體的製作方法，通過對有源區活性層中壘層的調製摻雜，既可以屏蔽壓電場引入的量子限制斯塔克效應，又不會產生更大的勢壘，從而提高空穴的注入效率，以此增加發光二極體的發光效率。本發明提供一種調製摻雜的氮化鎵系發光二極體的製作方法，其包括如下步驟步驟1 取一襯底；步驟2 在襯底上依次製作一氮化鎵成核層和一氮化鎵緩衝層；步驟3 在氮化鎵緩衝層上製作一 η型氮化鎵接觸層，以矽烷作為η型摻雜劑；步驟4 在η型接觸層上未刻蝕的上表面依次製作一 η型電流擴展層、一活性發光層、一 P型電子阻擋層和一 P型接觸層；步驟5 採用刻蝕的方法，在該ρ型接觸層上面的一側向下刻蝕，刻蝕深度到達η 型氮化鎵接觸層中，使該η型氮化鎵接觸層的一側形成一臺面；步驟6 在η型接觸層的檯面上製作負電極；在ρ型接觸層的上面製作正電極，完成氮化鎵系發光二極體的製作。其中η型電流擴展層為多周期結構，每一周期包括一銦鎵氮薄層和在其上製作的一鋁銦鎵氮薄層，該η型電流擴展層的最上面再製作一層銦鎵氮薄層。其中活性發光層為多周期結構，每一周期包括一銦鎵氮薄層和在其上製作的一鋁銦鎵氮薄層，該活性發光層的最上面再製作一層銦鎵氮薄層。其中活性發光層的周期數為3-20。其中η型電流擴展層的周期數為3-20。其中該鋁銦鎵氮薄層為η型調製摻雜。其中該鋁銦鎵氮薄層摻雜為調製摻雜，調製摻雜的方式為梯形、三角形、臺階狀或者非對稱摻雜，摻雜劑為矽烷作為η型摻雜劑，摻雜濃度為5 X IO21-IX 1017。其中η型接觸層是採用等濃度摻雜，或採用調製摻雜的方法，調製摻雜的方式為梯形、三角形、臺階狀或者非對稱摻雜。


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是本發明的氮化鎵系發光二極體。圖2是本發明壘層或者η型接觸層中的矽烷摻雜拋面圖。
具體實施例方式請參閱圖1所示，本發明提供一種調製摻雜的氮化鎵系發光二極體的製作方法， 其製作過程如下步驟1 取一襯底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NH3作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。步驟2 在襯底11上依次製作一氮化鎵成核層12和一氮化鎵緩衝層13。成核層 12的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；該緩衝層13的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；步驟3 在氮化鎵緩衝層13上製作一 η型氮化鎵接觸層14，以矽烷作為η型摻雜劑。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；該η型接觸層14可以採用等濃度摻雜，也可以採用調製摻雜的方法。步驟4 在η型接觸層14上未刻蝕的上表面依次製作一 η型電流擴展層15、一活性發光層16、一 ρ型電子阻擋層17和一 ρ型接觸層18。所述η型電流擴展層15是由銦鎵氮(InGaN)薄層151和鋁銦鎵氮(AlInGaN)薄層152交互層疊形成的多周期的量子阱結構構成。其中鋁銦鎵氮薄層152為η型摻雜，且摻雜方式可以為等濃度摻雜也可以是調製摻雜；所述活性發光層16是由銦鎵氮(InGaN)薄層161和鋁銦鎵氮(AlInGaN)薄層162交互層疊形成的多周期的量子阱結構構成。其中鋁銦鎵氮薄層162摻雜為調製摻雜，調製摻雜的方式為梯形、三角形、臺階狀或者非對稱摻雜等，摻雜拋面如圖2所示。具體方法如下圖2(a)所示為傳統壘層的摻雜方法，即在壘層生長過程中均已摻雜施主雜質。我們改進後的方法是在在壘層生長的過程中，隨著壘層厚度的增加，施主雜質的摻雜量逐漸增加(如圖2(b)所示)；或者在整個壘層生長過程中施主摻雜以不對稱方式(如圖2(c)所示)；同時，施主摻雜也可以隨著壘層厚度的增加，實現臺階式摻雜(如圖2 (d)所示)。為了減少施主雜質對量子阱中載流子的散射，我們在壘層兩側靠近量子阱的部分區域(l-3nm) 區域是非摻雜的。採用調製摻雜，一方面可以通過摻雜屏蔽壓電場；另一方面因為摻雜的不均勻，對量子阱價帶的影響較小，價帶向下彎曲幅度減小，從而利於空穴的輸運。所述ρ型電子阻擋層17製作在活性發光層16上，該ρ型電子阻擋層17由鋁銦鎵氮構成。所述P型電子阻擋層17的厚度為10-50nm，並且所述P型電子阻擋層的下表面與所述活性發光層中的鋁銦鎵氮薄層162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，三甲基銦流量 10-50微摩爾/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。所述ρ型接觸層18製作在ρ型電子阻擋層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/分鐘，二茂鎂流量為 0. 5-5微摩爾/分鐘，時間10-50分鐘。步驟5 採用刻蝕的方法，在該ρ型接觸層18上面的一側向下刻蝕，刻蝕深度到達 η型氮化鎵接觸層14中，使該η型氮化鎵接觸層14的一側形成一臺面141。刻蝕方法採用幹法刻蝕，可以用感應耦合等離子體(ICP)刻蝕，也可以採用反應離子刻蝕(RIE)。步驟6 在ρ型接觸層18的上面製作正電極20 ；在η型接觸層14的臺面141上製作負電極19，由鉻鉬金組成，完成氮化鎵系發光二極體的製作。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
1.一種調製摻雜的氮化鎵系發光二極體的製作方法，其包括如下步驟步驟1 取一襯底；步驟2 在襯底上依次製作一氮化鎵成核層和一氮化鎵緩衝層；步驟3 在氮化鎵緩衝層上製作一 η型氮化鎵接觸層，以矽烷作為η型摻雜劑；步驟4 在η型接觸層上未刻蝕的上表面依次製作一 η型電流擴展層、一活性發光層、 一 ρ型電子阻擋層和一 ρ型接觸層；步驟5 採用刻蝕的方法，在該ρ型接觸層上面的一側向下刻蝕，刻蝕深度到達η型氮化鎵接觸層中，使該η型氮化鎵接觸層的一側形成一臺面；步驟6 在η型接觸層的檯面上製作負電極；在ρ型接觸層的上面製作正電極，完成氮化鎵系發光二極體的製作。
2.如權利要求1所述的調製摻雜的氮化鎵系發光二極體的製作方法，其中η型電流擴展層為多周期結構，每一周期包括一銦鎵氮薄層和在其上製作的一鋁銦鎵氮薄層，該η型電流擴展層的最上面再製作一層銦鎵氮薄層。
3.如權利要求1所述的調製摻雜的氮化鎵系發光二極體的製作方法，其中活性發光層為多周期結構，每一周期包括一銦鎵氮薄層和在其上製作的一鋁銦鎵氮薄層，該活性發光層的最上面再製作一層銦鎵氮薄層。
4.如權利要求3所述的調製摻雜的氮化鎵系發光二極體的製作方法，其中活性發光層的周期數為3-20。
5.如權利要求2所述的調製摻雜的氮化鎵系發光二極體的製作方法，其中η型電流擴展層的周期數為3-20。
6.如權利要求3所述的調製摻雜的氮化鎵系發光二極體的製作方法，其中該鋁銦鎵氮薄層為η型調製摻雜。
7.如權利要求3所述的調製摻雜的氮化鎵系發光二極體的製作方法，其中該鋁銦鎵氮薄層摻雜為調製摻雜，調製摻雜的方式為梯形、三角形、臺階狀或者非對稱摻雜，摻雜劑為矽烷作為η型摻雜劑，摻雜濃度為5 X IO21-I X IO170
8.如權利要求1所述的調製摻雜的氮化鎵系發光二極體的製作方法，其中η型接觸層是採用等濃度摻雜，或採用調製摻雜的方法，調製摻雜的方式為梯形、三角形、臺階狀或者非對稱摻雜。
全文摘要
一種調製摻雜的氮化鎵系發光二極體的製作方法，其包括如下步驟步驟1取一襯底；步驟2在襯底上依次製作一氮化鎵成核層和一氮化鎵緩衝層；步驟3在氮化鎵緩衝層上製作一n型氮化鎵接觸層，以矽烷作為n型摻雜劑；步驟4在n型接觸層上未刻蝕的上表面依次製作一n型電流擴展層、一活性發光層、一p型電子阻擋層和一p型接觸層；步驟5採用刻蝕的方法，在該p型接觸層上面的一側向下刻蝕，刻蝕深度到達n型氮化鎵接觸層中，使該n型氮化鎵接觸層的一側形成一臺面；步驟6在n型接觸層的檯面上製作負電極；在p型接觸層的上面製作正電極，完成氮化鎵系發光二極體的製作。
文檔編號H01L33/00GK102185052SQ20111011538
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月5日 優先權日2011年5月5日
發明者曾一平, 李晉閩, 王軍喜, 王國宏, 馬平 申請人:中國科學院半導體研究所