專利名稱：一種氮化鎵系發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氮化鎵(GaN)系發(fā)光二極管，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(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
目前III-V族半導(dǎo)體光電材料被譽(yù)為第三代半導(dǎo)體材料。而GaN系發(fā)光二極管， 由于可以通過控制材料的組成來制作出各種色光(尤其是需要高能隙的藍(lán)光或紫光)的發(fā) 光二極管(簡(jiǎn)稱為“LED” )，而成為業(yè)界研究的重點(diǎn)。以GaN為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料或器件的外延生長(zhǎng)目前主要采用MOCVD技術(shù)。在利用 MOCVD技術(shù)生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體(GaN、A1N、InN及它們的合金氮化物)的工藝中，由于沒有 與GaN晶格匹配的襯底材料，故通常采用藍(lán)寶石作為襯底進(jìn)行異質(zhì)外延。然而，在藍(lán)寶石與 氮化物半導(dǎo)體之間存在較大的晶格失配(-13.8% )和熱膨脹系數(shù)的差異，于是生長(zhǎng)沒有龜 裂、表面平整的高質(zhì)量氮化物半導(dǎo)體非常困難。目前最有效的外延生長(zhǎng)方法通常采用兩步 外延生長(zhǎng)法(參見H. Amano, N. Sawaki和Y. Toyoda等，“使用AlN緩沖層的高質(zhì)量GaN薄膜 的金屬有機(jī)氣相外延生長(zhǎng)”，Appl. Phys. Lett. 48 (5)，353 (1986) ；S. Nakanura 等，“具有 GaN 緩沖層的高質(zhì)量的P型GaNiMg薄膜的生長(zhǎng)”，Jpn. J. Appl. Phys. 30，L1708 (1991)；以及中國(guó) 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(zhǎng)一層很薄的 成核層；然后升溫退火，在該成核層上直接生長(zhǎng)未摻雜的GaN緩沖層；接著在該緩沖層上， 生長(zhǎng)η型GaN歐姆接觸層；然后在700°C至850°C的溫度下生長(zhǎng)InGaN/GaN多量子阱(MQWs) 有源層；在GaN量子壘生長(zhǎng)結(jié)束后接著在1000°C左右的高溫下，生長(zhǎng)ρ型AlGaN電子阻擋 層；最后生長(zhǎng)P型GaN歐姆接觸層，制作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(zhǎng)技術(shù)存在正向工作電壓高以及發(fā)光強(qiáng)度沒有顯著增強(qiáng)的缺 陷。造成上述問題的主要原因包括如下三個(gè)方面。首先，AlGaN的晶格常數(shù)與InGaN/GaN多 量子阱的晶格常數(shù)的差異較大，而它們之間的晶格失配會(huì)在InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)內(nèi) 產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力。晶格失配造成的壓應(yīng)力一方面會(huì)因具有較強(qiáng)壓電特性的III族氮化物 而在多量子阱有源區(qū)內(nèi)形成較大的壓應(yīng)變電場(chǎng)(即壓電場(chǎng)效應(yīng)(piezo-electrical field effect))，而壓電場(chǎng)效應(yīng)的存在將使得電子與空穴的波函數(shù)在空間上分離，從而引起輻射 復(fù)合強(qiáng)度的減弱。此外，上述壓應(yīng)變?cè)斐傻臋C(jī)械應(yīng)力還會(huì)進(jìn)一步劣化外延層的質(zhì)量，從而對(duì) 器件的發(fā)光強(qiáng)度產(chǎn)生影響。更為主要的是，由于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(jié)果是pn結(jié)結(jié)區(qū)位置大部分落在ρ型區(qū)內(nèi)，而活性發(fā)光層因?yàn)閴緦訐诫s成為η型 區(qū)，只有少量的量子阱位于Pn結(jié)區(qū)內(nèi)參與發(fā)光，因此發(fā)光強(qiáng)度不大。要使LED的發(fā)光強(qiáng)度 增大，就要增加參與發(fā)光的量子阱個(gè)數(shù)，即調(diào)節(jié)Pn結(jié)位置向η區(qū)移動(dòng)，唯一可行的辦法就是 增加P區(qū)的空穴濃度。我們?cè)讦研弯X鎵氮電子阻擋層之后插入ρ型銦鎵氮，一方面因?yàn)镸g在銦鎵氮中的
3激活能比較低，常溫下可以產(chǎn)生更多的空穴；另一方面，因?yàn)殂熸壍弯X鎵氮之間晶格差異 更大，由于壓應(yīng)變會(huì)在界面處產(chǎn)生很高的空穴濃度，兩方面的作用使得P區(qū)空穴濃度得到 增加，從而調(diào)節(jié)pn結(jié)的位置向η區(qū)移動(dòng)，使得參與發(fā)光的量子阱數(shù)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(qū)發(fā)出的光將被該層強(qiáng)烈吸收，使得發(fā)光效 率降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種氮化鎵系發(fā)光二極管，其可以調(diào)節(jié)pn結(jié)結(jié)區(qū)位置、增 加參與發(fā)光的量子阱周期數(shù)，使得發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度增加。本發(fā)明提供一種氮化鎵系發(fā)光二極管，其包括一襯底；一氮化鎵成核層，該氮化鎵成核層制作在襯底上；一緩沖層，該緩沖層制作在氮化鎵成核層上；一 η型接觸層，該η型接觸層制作在緩沖層上，該η型接觸層由η型氮化鎵構(gòu)成；一活性發(fā)光層，該活性發(fā)光層制作在η型接觸層上并覆蓋所述η型接觸層一側(cè)的 部分表面，使該η型接觸層的另一側(cè)形成一臺(tái)面，所述活性發(fā)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(jié)構(gòu)構(gòu)成；一 ρ型電子阻擋層，該P(yáng)型電子阻擋層制作在活性發(fā)光層的氮化鎵薄層上，該P(yáng)型 電子阻擋層由鋁鎵氮構(gòu)成；一 P型銦鎵氮插入層，該P(yáng)型銦鎵氮插入層制作在P型電子阻擋層上；一 P型接觸層，該P(yáng)型接觸層制作在ρ型銦鎵氮插入層上，該P(yáng)型接觸層由P型氮 化鎵構(gòu)成；一負(fù)電極，該負(fù)電極制作在η型接觸層的臺(tái)面上；一正電極，該正電極制作在ρ型接觸層上，完成氮化鎵系發(fā)光二極管的制作。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更 詳細(xì)的說明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的具有ρ型銦鎵氮插入層的GaN系發(fā)光二極管。圖2是現(xiàn)有的以及根據(jù)本發(fā)明的氮化鎵系發(fā)光二極管的正向注入電流與發(fā)光強(qiáng) 度I-L曲線，其中方塊線條為本發(fā)明的具有ρ型銦鎵氮插入層的氮化鎵系LED ；三角線條為 現(xiàn)有的沒有P型銦鎵氮插入層的氮化鎵系LED。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種氮化鎵系發(fā)光二極管，其包括一襯底11，以(0001)向藍(lán)寶石(Al2O3)為襯底11，其他可用于襯底11的材質(zhì)還包 括R-面或A-面的氧化鋁單晶、6H-SiC、4H-SiC、或晶格常數(shù)接近于氮化物半導(dǎo)體的單晶氧 化物。制備中采用高純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型摻雜劑為硅烷，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制作在襯底11上。生長(zhǎng)參數(shù)包括反應(yīng) 溫度500°C至800°C，反應(yīng)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(zhǎng)時(shí)間1_10分鐘；一緩沖層13，該緩沖層13制作在氮化鎵成核層12上。生長(zhǎng)參數(shù)包括反應(yīng)溫度 950-1180°C，反應(yīng)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(zhǎng)時(shí)間20-60分鐘；一 η型接觸層14，該η型接觸層14制作在緩沖層13上，該η型接觸層14由η型 氮化鎵構(gòu)成。生長(zhǎng)參數(shù)包括反應(yīng)溫度950-1150°C，反應(yīng)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，硅烷流量 0. 2-2. 0納摩爾/分鐘，生長(zhǎng)時(shí)間10-40分鐘；—活性發(fā)光層15，該活性發(fā)光層15制作在η型接觸層14上并覆蓋所述η型接觸層 14 一側(cè)的部分表面，使該η型接觸層14的另一側(cè)形成一臺(tái)面141，所述活性發(fā)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(jié)構(gòu)構(gòu)成。生長(zhǎng)參數(shù)包 括GaN薄層(即壘層152)反應(yīng)溫度700-900°C，反應(yīng)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，硅烷流量 0-2. 0納摩爾/分鐘，時(shí)間0. 1-5分鐘；InGaN薄層(即阱層151)反應(yīng)溫度700-850°C, β 應(yīng)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(shí)間0. 1-5分鐘；多量子 阱周期數(shù)為4至15 ；一 ρ型電子阻擋層16，該ρ型電子阻擋層16制作在活性發(fā)光層15上，該ρ型電 子阻擋層16由鋁鎵氮構(gòu)成。所述ρ型電子阻擋層16的厚度為10-50nm，并且所述ρ型電 子阻擋層16的下表面與所述活性發(fā)光層15中的鎵氮薄層152接觸。生長(zhǎng)參數(shù)包括反應(yīng) 溫度700-1000°C，反應(yīng)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(shí)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，并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制作在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(zhǎng)溫 度為600°C -900°C。所述ρ型銦鎵氮插入層17的具體生長(zhǎng)條件如下反應(yīng)溫度600-900°C， 反應(yīng)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(shí)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，并且二茂鎂的摻雜濃度為 1019-1021cm_3。本發(fā)明中的ρ型銦鎵氮插入層17的生長(zhǎng)溫度優(yōu)選為600-900°C，低于ρ型鋁鎵氮 電子阻擋層16的生長(zhǎng)溫度。本發(fā)明中的ρ型銦鎵氮插入層(PInxGai_xN) 17其銦組分應(yīng)當(dāng)在 0 < χ < 0. 1。若銦組分過高，一方面由于生長(zhǎng)溫度低，銦鎵氮外延層質(zhì)量劣化，影響其后的 外延層生長(zhǎng)；另一方面，更多的銦組分使得該層的帶隙變窄，對(duì)有源區(qū)發(fā)出的光產(chǎn)生強(qiáng)烈吸
5收，使得發(fā)光強(qiáng)度降低。本發(fā)明中的ρ型銦鎵氮插入層17的厚度優(yōu)選為10-100納米。當(dāng)ρ型銦鎵氮插入 層17的厚度小于10納米時(shí)，其中產(chǎn)生的空穴數(shù)量有限，不足以起到調(diào)整ρη結(jié)結(jié)區(qū)的作用； 當(dāng)P型銦鎵氮插入層17的厚度超過100納米時(shí)，因低溫生長(zhǎng)質(zhì)量差，意向其后的外延層質(zhì) 量，從而影響發(fā)光二極管的發(fā)光效率。本發(fā)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(zhǎng)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(fā)光強(qiáng)度和反向擊穿電壓得到較大提高的 GaN系發(fā)光二極管。主要原因在于如下兩個(gè)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(zhǎng)具有一定厚度的低 溫低銦組分P型銦鎵氮插入層17，由于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(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)致界面處能帶發(fā)生很大的彎曲，從而在界面處形成 二維空穴氣，以彌補(bǔ)P型電子阻擋層16中Mg激活能高的不足。其次，由于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后，由于銦鎵氮層17中Mg的激活能相 對(duì)較低，常溫下可以產(chǎn)生更高的空穴濃度，因此可以起到調(diào)節(jié)ρη結(jié)結(jié)區(qū)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?yàn)棣研豌熸壍迦雽?17的生長(zhǎng)溫度較低，晶體質(zhì)量不夠好，外延層中仍有很高密度的穿透位錯(cuò)，使得器件的發(fā)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制作在ρ型銦鎵氮插入層17上，該ρ型接觸 層18由ρ型氮化鎵構(gòu)成。生長(zhǎng)參數(shù)包括反應(yīng)溫度950-1100°C，反應(yīng)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(shí)間10-50分鐘。一負(fù)電極19，該負(fù)電極19制作在η型接觸層14的臺(tái)面141上。一正電極20，該正電極20制作在ρ型接觸層18上，由鉻鉬金組成。完成氮化鎵系 發(fā)光二極管的制作。圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的具有ρ型銦鎵氮插入層17的氮化鎵系發(fā)光二極管與傳 統(tǒng)工藝沒有P型銦鎵氮插入層17的氮化鎵系發(fā)光二極管的發(fā)光特性對(duì)比。其中方塊線條 為本發(fā)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(xiàn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)的LED相比，在同樣的注入電流 條件下，本發(fā)明的LED結(jié)構(gòu)具有發(fā)光強(qiáng)度大，飽和電流高等特點(diǎn)。在保證器件工藝相同的情 況下，發(fā)光強(qiáng)度的增強(qiáng)，說明發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率得到了有效的提高。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任 何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在 本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種氮化鎵系發(fā)光二極管，其包括一襯底；一氮化鎵成核層，該氮化鎵成核層制作在襯底上；一緩沖層，該緩沖層制作在氮化鎵成核層上；一n型接觸層，該n型接觸層制作在緩沖層上，該n型接觸層由n型氮化鎵構(gòu)成；一活性發(fā)光層，該活性發(fā)光層制作在n型接觸層上并覆蓋所述n型接觸層一側(cè)的部分表面，使該n型接觸層的另一側(cè)形成一臺(tái)面，所述活性發(fā)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(jié)構(gòu)構(gòu)成；一p型電子阻擋層，該p型電子阻擋層制作在活性發(fā)光層的氮化鎵薄層上，該p型電子阻擋層由鋁鎵氮構(gòu)成；一p型銦鎵氮插入層，該p型銦鎵氮插入層制作在p型電子阻擋層上；一p型接觸層，該p型接觸層制作在p型銦鎵氮插入層上，該p型接觸層由p型氮化鎵構(gòu)成；一負(fù)電極，該負(fù)電極制作在n型接觸層的臺(tái)面上；一正電極，該正電極制作在p型接觸層上，完成氮化鎵系發(fā)光二極管的制作。
2.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵系發(fā)光二極管，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(zhǎng)溫度為600°C -9000C0
3.如權(quán)利要求1或2所述的氮化鎵系發(fā)光二極管，其中ρ型銦鎵氮插入層的厚度為 IOnm-IOOnm0
4.如權(quán)利要求1或2所述的氮化鎵系發(fā)光二極管，其中ρ型銦鎵氮插入層以二茂鎂為 P型摻雜劑，并且二茂鎂的摻雜濃度為1019-1021cm_3。
5.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵系發(fā)光二極管，其中活性發(fā)光層的周期數(shù)為4-15，該活 性發(fā)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(gòu)成，其中0. 1 < χ < 0. 3。
6.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵系發(fā)光二極管，其中P型電子阻擋層的生長(zhǎng)溫度為 7000C -1000°C，厚度為 10-50nm。
7.如權(quán)利要求1或6所述的氮化鎵系發(fā)光二極管，其中ρ型電子阻擋層由ρ型AlxGai_xN 構(gòu)成，其中0. 1彡χ < 0. 2。
8.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵系發(fā)光二極管，其中所述P型電子阻擋層以二茂鎂為P 型摻雜劑，并且二茂鎂的摻雜濃度為1019-1021cm_3。
9.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵系發(fā)光二極管，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(shù)接近于氮化物半導(dǎo)體的單晶氧化物所制成。
全文摘要
一種氮化鎵系發(fā)光二極管，包括一襯底；一氮化鎵成核層，該氮化鎵成核層制作在襯底上；一緩沖層制作在成核層上；一n型接觸層制作在緩沖層上，該n型接觸層由n型氮化鎵構(gòu)成；一活性發(fā)光層制作在n型接觸層上并覆蓋所述n型接觸層的部分表面，所述活性發(fā)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(jié)構(gòu)構(gòu)成；一p型電子阻擋層制作在活性發(fā)光層上，其下為氮化鎵薄層，該p型電子阻擋層由鋁鎵氮構(gòu)成；一p型銦鎵氮插入層制作在p型電子阻擋層上；一p型接觸層制作在p型銦鎵氮插入層上，該p型接觸層由p型氮化鎵構(gòu)成；一負(fù)電極制作在制作在n型接觸層的臺(tái)面上；一正電極制作在p型接觸層上，完成氮化鎵系發(fā)光二極管的制作。
文檔編號(hào)H01L33/02GK101931036SQ201010235850
公開日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月21日
發(fā)明者劉乃鑫, 曾一平, 李晉閩, 王軍喜, 王國(guó)宏, 路紅喜, 馬平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所