高質量氮化鎵系發光二極體的製作方法
2024-04-01 15:17:05
專利名稱：高質量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η型插入 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hGaN/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AWaN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。造成上述問題的根本原因在於GaN外延層以及hGaN/GaN多量子阱有源區內存在具有 很高的應力，這些應力的存在一方面降低了載流子的輻射複合機率；另一方面，由於應力的 存在，造成η區載流子大量溢出直接進入P區，從而引起大電流注入時輻射複合效率顯著降 低(參見Appl. Phys. Lett, 94, 231123 (2009))。因此，有效地降低外延層中的應力對大功率 發光器件尤為重要。本發明針對現有技術中存在的以上技術問題，提出了在η型GaN接觸層中插入一 層或多層低溫插入層來降低外延層中的應力。雖然有不少專利都提及採用插入層的方法來 改善應力分布，但都是高溫插入層。本專利所涉及的插入層為低溫插入層，其物理機制與其 他人所提及的插入層有根本的區別。
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，其可以調節外延層中的應力分 布，同時又可以降低外延層中的位錯密度，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型接觸層上面的一側刻蝕有一 臺面；一 η型插入層，該η型插入層製作在η型接觸層遠離臺面一側的內部，其上還是η 型接觸層；一活性發光層，該活性發光層製作在遠離臺面的η型接觸層的上面，並覆蓋所述η 型接觸層的部分表面；一 ρ型電子阻擋層，該ρ型電子阻擋層製作在活性發光層上；一 ρ型接觸層，該ρ型接觸層製作在ρ型電子阻擋層上，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型接觸層上的檯面上；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。其中該η型接觸層為η型氮化鎵材料。其中該η型插入層為hxGai_xN，其中0彡χ彡1或Aly^vyN,其中0彡y彡1或 InzAlhN,其中 0 彡 ζ 彡 1 或 AlJribfeih-bN，其中 0 ^ a < 1,0 ^ b < I0其中該η型插入層的生長溫度為500°C -1000°C。其中該η型插入層的厚度為50-100nm。其中該η型插入層為一層或多層結構。其中該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，周期數為1至20。其中該活性發光層的下表面為氮化鎵薄層。其中該ρ型電子阻擋層的材料為鋁鎵氮。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。
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η型低溫插入層的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η型低溫插入層的氮化鎵系LED;三角線條為現 有的沒有η型低溫插入層的氮化鎵系LED。圖3是具有不同結構的LED晶片在大電流注入下的發光效率比較。其中紅色圓點 代表的是根據本發明的具有η型低溫插入層的GaN系發光二極體；藍色方塊是根據他人的 發明專利採用InGaN/GaN超晶格作為插入層的發光二極體；黑色三角代表的是沒有任何插 入層的GaN系發光二極體。
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。所述襯底11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( 源，三甲基銦作h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。該氮化鎵成核層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 鍾；一緩衝層13，該緩衝層13製作在成核層12上。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；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，該η型接觸層14上面的一側刻蝕有一臺面141。該η型接觸層14的生長參數 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；一 η插入層15，該η型插入層15製作在η型接觸層14內部，其上仍為η型接觸 層14;該η型插入層15可以是以下材料InxGai_xN，其中0彡χ彡1或是Aly^vyN,其中 0 ^ y ^ 1 或者 InzAlhN,其中 0 彡 ζ 彡 1 或者 AlJnbGa1IbN,其中 0 ^ a < 1,0 ^ b < I0 該η型插入層15的生長參數包括反應溫度500-1000°C，反應腔壓力76_600Torr，載氣流 量5-20升/分鐘，三甲基鎵流量80-400微摩爾/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，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；其中η型低溫插入層15可以是一層也可以是多層同時插入η型接觸層14當中；其中位於η型低溫插入層15上部的η型接觸層14生長條件與位於η型低溫插入 層15下部的η型接觸層14的生長條件一致，且位於η型低溫插入層15上部的η型接觸層 14的厚度為lO-lOOOnm，優選為50_100nm ；本發明通過在η型接觸層14內部插入一層或多層η型低溫插入層15，獲得了發光 強度和出光效率得到較大提高的GaN系發光二極體。主要原因在於如下兩個方面首先，在η型接觸層14內部插入一層或多層低溫插入層15，由於該層的生長溫度 比較低，原子的表面遷移非常弱，因此該層傾向於三維島狀生長。由於島狀生長顆粒較大， 結構疏鬆，而且靠近hGaN/GaN多量子阱有源區，因此外延層中特別是量子阱有源區中的 應力在該層得以釋放。其次，在η型低溫插入層15之後繼續高溫生長η型接觸層14，由於該層的生長溫 度較高，表面原子遷移距離較大，傾向於二維層狀生長。即出現由η型低溫插入層15的三 維島狀生長向η型接觸層14的二維層狀生長的轉變過程。在這一轉變過程中，那些原本平行於外延層生長方向的穿透位錯，由於隨著生長方式的轉變發生彎曲，並且相互作用導致 最終湮滅，從而使得外延層中的位錯密度大為降低。這也是造成本發明的發光二極體發光 強度得以增加的另一根本原因。一活性發光層16，該活性發光層16製作在η型接觸層14上並覆蓋所述η型接觸 層14的部分表面，所述活性發光層16是由銦鎵氮薄層161和氮化鎵薄層162交互層疊形成 的多周期的量子阱結構構成。該活性發光層16生長參數包括GaN薄層(即壘層162)反 應溫度700-900 V，反應腔壓力100-500 !^，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161)反應溫度700-850°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，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1至20 ；一 ρ型電子阻擋層17，該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由鋁鎵氮構成。所述ρ型電子阻擋層17的厚度為10-50nm，並且所述ρ型電 子阻擋層17的下表面與所述活性發光層16中的鎵氮薄層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。— ρ型接觸層18，該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P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。一負電極19，該負電極19製作在η型接觸層14上的臺面141上，且位於η型低溫 插入層15的下方，由鉻鉬金或鈦鋁鈦金組成。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η型低溫插入層15的氮化鎵系發光二極體與傳統 工藝沒有η型低溫插入層15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η型低溫插入層15的氮化鎵系LED ；三角線條為現有的沒有η型低溫插入層15 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。圖3所示為具有不同結構的LED晶片在大電流注入下的發光效率比較。其中橫 坐標為注入的載流子密度，縱坐標為歸一化的外量子效率。紅色圓點代表的是根據本發明 的具有η型低溫插入層的GaN系發光二極體；藍色方塊是根據他人的發明專利採用^GaN/ GaN超晶格作為插入層的發光二極體；黑色三角代表的是沒有任何插入層的GaN系發光二 極管。與傳統的hGaN/GaN超晶格作為插入層以及沒有η型低溫插入層15的發光二極體 相對比，結果表明具有低溫插入層15的發光二極體在大電流注入下的發光效率要遠高於 另外兩種結構的LED。這一方面得益於低溫插入層15有效地降低了外延層中的應力分布， 另一方面又與該插入層15可以降低外延層中的穿透位錯密度有關。
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型接觸層上面的一側刻蝕有一臺一 η型插入層，該η型插入層製作在η型接觸層遠離臺面一側的內部，其上還是η型接 觸層；一活性發光層，該活性發光層製作在遠離臺面的η型接觸層的上面，並覆蓋所述η型接 觸層的部分表面；一 P型電子阻擋層，該P型電子阻擋層製作在活性發光層上； 一 P型接觸層，該P型接觸層製作在P型電子阻擋層上，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型接觸層上的檯面上；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，其中該η型接觸層為η型氮化鎵材料。
3.如權利要求1所述的氮化鎵系發光二極體，其中該η型插入層為hxGai_xN，其中 0彡χ彡1或Aly^vyN,其中0彡y彡1或InzAl1^N,其中0彡ζ彡1或Al JnbGa1IbN,其中 0 彡 a < 1，0 彡 b < 1。
4.如權利要求1或3所述的氮化鎵系發光二極體，其中該η型插入層的生長溫度為 500 0C -1000°C。
5.如權利要求1或3所述的氮化鎵系發光二極體，其中該η型插入層的厚度為 50-100nm。
6.如權利要求1或3所述的氮化鎵系發光二極體，其中該η型插入層為一層或多層結構。
7.如權利要求1所述的氮化鎵系發光二極體，其中該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，周期數為1至20。
8.如權利要求1所述的氮化鎵系發光二極體，其中該活性發光層的下表面為氮化鎵薄層。
9.如權利要求1所述的氮化鎵系發光二極體，其中該ρ型電子阻擋層的材料為鋁鎵氮。
10.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，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型接觸層上面的一側刻蝕有一臺面；一n型插入層，該n型插入層製作在n型接觸層遠離臺面一側的內部，其上還是n型接觸層；一活性發光層，該活性發光層製作在遠離臺面的n型接觸層的上面，並覆蓋所述n型接觸層的部分表面；一p型電子阻擋層，該p型電子阻擋層製作在活性發光層上；一p型接觸層，該p型接觸層製作在p型電子阻擋層上，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型接觸層上的檯面上；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。
文檔編號H01L33/00GK102064254SQ201010541038
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月10日 優先權日2010年11月10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