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ρ型GaN 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光或紫光)的發(fā) 光二極管(簡稱為“LED” )，而成為業(yè)界研究的重點。以GaN為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料或器件的外延生長目前主要采用MOCVD技術(shù)。在利用 MOCVD技術(shù)生長氮化物半導(dǎo)體(GaN、AlN、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，故通常采用藍寶石作為襯底進行異質(zhì)外延。然而，在藍寶石與氮 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方法通常采用兩步 外延生長法(參見H. Amano, N. Sawaki和Y. Toyoda等，“使用AlN緩沖層的高質(zhì)量GaN薄膜 的金屬有機氣相外延生長”，Appl. Phys. Lett. 48 (5)，353 (1986) ；S. Nakanura 等，“具有 GaN 緩沖層的高質(zhì)量的P型GaN:Mg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；然后升溫退火，在該成核層上直接生長未摻雜的GaN緩沖層；接著在該緩沖層上， 生長η型GaN歐姆接觸層；然后在700°C至850°C的溫度下生長InGaN/GaN多量子阱(MQWs) 有源層；接著在1000°C以上的高溫下，生長ρ型AlGaN電子阻擋層；最后生長ρ型GaN歐姆 接觸層，制作P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(shù)(即在InGaN/GaN多量子阱有源層和ρ型GaN接觸層之 間直接生長P型AlGaN電子阻擋層)存在正向工作電壓高以及發(fā)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(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)力一方面會因具有較強壓電特性的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(即壓電場效應(yīng)(piezo-electrical field effect))，而壓電場效應(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)合強度的減弱。此外，上述壓應(yīng)變造成的機械應(yīng)力還會進一步劣化外延層的質(zhì)量，從而對 器件的發(fā)光強度產(chǎn)生影響。其次，P型AlGaN電子阻擋層須在1000°C以上生長才能得到較 好的晶體質(zhì)量，而InGaN/GaN多量子阱有源層的生長溫度為700°C至850°C，因此當InGaN/ GaN多量子阱有源層生長結(jié)束后溫度升高到1000°C以上時，低溫生長的InGaN/GaN多量子 阱有源層的結(jié)構(gòu)會受到破壞，從而影響發(fā)光二極管的發(fā)光效率。再次，由于P型AlGaN電子 阻擋層的生長溫度較高，而P型摻雜劑(比如Mg)在高溫下的擴散系數(shù)增加很快，因此在ρ 型AlGaN電子阻擋層高溫生長的過程中，ρ型摻雜劑將不可避免地向位于其下的InGaN/GaN 多量子阱有源區(qū)中擴散，這將對發(fā)光二極管產(chǎn)生嚴重的影響。因此，仍存在改進的空間，以獲得具有高發(fā)光強度的氮化鎵系發(fā)光二極管。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種可抑制ρ型摻雜劑(比如Mg)向InGaN/GaN多量子阱 層中擴散、并減小多量子阱發(fā)光區(qū)中的壓電效應(yīng)的高亮度的氮化鎵系發(fā)光二極管。該氮化 鎵系發(fā)光二極管包括襯底，其可由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；緩沖層，其位于該襯底上，可由氮化鎵系材質(zhì)構(gòu)成；η型接觸層，其位于該緩沖層上，由η型氮化鎵構(gòu)成；活性發(fā)光層，其位于該η型接觸層上并覆蓋該η型接觸層的部分表面，該活性發(fā)光 層是由氮化銦鎵(InGaN)薄層和氮化鎵(GaN)薄層交互層疊形成的多量子阱結(jié)構(gòu)所構(gòu)成；負電極，其位于該η型接觸層未被該活性發(fā)光層覆蓋的上表面上；ρ型電子阻擋層，其位于該活性發(fā)光層上，由氮化鋁鎵(AlGaN)構(gòu)成；ρ型接觸層，其位于該ρ型電子阻擋層上，由ρ型氮化鎵構(gòu)成；以及正電極，其位于該ρ型接觸層上并覆蓋該ρ型接觸層的部分表面；其特征在于，所述氮化鎵系發(fā)光二極管還包括厚度為20nm IOOnm的低溫ρ型氮化鎵層，該低 溫P型氮化鎵層在所述活性發(fā)光層與所述P型電子阻擋層之間，其下表面與所述活性發(fā)光 層中的氮化鎵薄層接觸。本發(fā)明中的低溫ρ型氮化鎵層是指其生長溫度低于活性發(fā)光層中的氮化鎵薄層 的生長溫度的P型氮化鎵層。本發(fā)明中的低溫ρ型氮化鎵層的厚度優(yōu)選為20-100納米。當?shù)蜏卅研偷墝?的厚度小于20納米時，其阻擋ρ型電子阻擋層中的ρ型摻雜劑擴散的效果不明顯，從而影 響發(fā)光二極管的發(fā)光效率。當?shù)蜏豍型氮化鎵層的厚度超過100納米時，會影響ρ型電子 阻擋層對電子的阻擋作用，從而影響發(fā)光二極管的發(fā)光效率。本發(fā)明中的低溫ρ型氮化鎵層的生長溫度優(yōu)選為600-900°C。當?shù)蜏卅研偷?層的生長溫度低于600°C時，低溫ρ型氮化鎵層的晶體質(zhì)量較差，從而影響發(fā)光二極管的發(fā) 光效率。當?shù)蜏豍型氮化鎵層的生長溫度超過900°C時，一方面會破壞活性發(fā)光層的結(jié)構(gòu)， 另一方面會使低溫ρ型氮化鎵層中的ρ型摻雜劑的擴散系數(shù)增大，從而影響發(fā)光二極管的 發(fā)光效率。本發(fā)明通過在InGaN/GaN多量子阱活性發(fā)光層與ρ型電子阻擋層之間生長具有一 定厚度的低溫P型氮化鎵層，獲得了發(fā)光強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方面。首先，在InGaN/GaN多量子阱活性發(fā)光層與ρ型AlGaN電子阻擋層之間生長一層 具有一定厚度的低溫P型氮化鎵層，可從界面上將InGaN/GaN多量子阱活性發(fā)光層與ρ型 AlGaN電子阻擋層以物理方式分隔開，從而降低了 InGaN/GaN多量子阱活性發(fā)光層中的應(yīng) 變電場。此外，壓應(yīng)變的減小也將降低對InGaN/GaN多量子阱活性發(fā)光層的損害。更為關(guān)鍵的是，由于ρ型AlGaN電子阻擋層的生長溫度較高，而ρ型摻雜劑(比如 Mg)在高溫下的擴散效應(yīng)將大大增強。傳統(tǒng)的LED結(jié)構(gòu)由于壘層(即InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)中的GaN壘層)很薄，從而無法避免ρ型摻雜劑向InGaN/GaN多量子阱層中擴散。然 而，本發(fā)明通過在InGaN/GaN多量子阱層與ρ型AlGaN電子阻擋層之間插入具有一定厚度 的低溫P型GaN層，可抑制ρ型摻雜劑向InGaN/GaN多量子阱層中的擴散，從而降低ρ型摻 雜劑擴散對InGaN/GaN多量子阱活性發(fā)光層的影響。這是因為即使ρ型摻雜劑(比如Mg) 的擴散作用很強，其也將主要進入該低溫P型GaN層內(nèi)。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行更詳細的說明。

圖1是現(xiàn)有的沒有低溫ρ型GaN插入層的GaN系發(fā)光二極管。圖2是根據(jù)本發(fā)明的具有低溫ρ型GaN插入層的GaN系發(fā)光二極管。圖3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 度I-L曲線，其中方塊線條為本發(fā)明的具有低溫ρ型GaN插入層的氮化鎵系LED ；三角線條 為現(xiàn)有的沒有低溫P型GaN插入層的氮化鎵系LED。參考數(shù)字的說明11 藍寶石襯底12低溫GaN成核層13非故意摻雜GaN緩沖層14 η型GaN接觸層15 InGaN/GaN多量子阱活性發(fā)光層151 GaN 薄層(壘層)1δ2 InGaN 薄層(阱層)16 ρ型AlGaN電子阻擋層17 ρ型GaN接觸層18 負電極19 正電極21 藍寶石襯底22 低溫GaN成核層23非故意摻雜GaN緩沖層24 η型GaN接觸層25 InGaN/GaN多量子阱活性發(fā)光層251 GaN 薄層(壘層)252 InGaN 薄層(阱層)26 低溫ρ型GaN插入層27 ρ型AlGaN電子阻擋層28 ρ型GaN接觸層29 負電極30 正電極具體實施方式
下面通過實施例對本發(fā)明進行具體的說明，但本發(fā)明并不限于此。對照例1圖1所示為現(xiàn)有的沒有低溫ρ型GaN插入層的GaN系發(fā)光二極管，其采用美國 Veeco公司的MOCVD K300設(shè)備制備。如圖1所示，該對照例1以(0001)向藍寶石(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 型摻雜劑為硅烷，P型摻雜劑為二茂鎂。首先在襯底11上生長由GaN材質(zhì)構(gòu)成的襯底成核層12和緩沖層13、以及在該緩 沖層13上的η型GaN接觸層14。接著在該η型接觸層14上形成覆蓋其部分表面的活性 發(fā)光層15，該活性發(fā)光層15是由GaN薄層151與InGaN薄層152交互層疊形成的多量子 阱結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，并且與η型接觸層14的上表面接觸的是多量子阱結(jié)構(gòu)中的GaN薄層151或 InGaN薄層152。在η型接觸層14未被活性發(fā)光層15覆蓋的部分，另外形成負電極18。接著在活性發(fā)光層15上形成ρ型AlGaN電子阻擋層16，該ρ型電子阻擋層16由 P型AlxGahN構(gòu)成，其中0. 1彡X < 0. 2。然后在該ρ型電子阻擋層16上形成ρ型GaN接 觸層17，最后在ρ型接觸層17上形成正電極19。其中活性發(fā)光層15由4 15個周期數(shù)的氮化鎵與氮化銦鎵的薄層組成，其總厚 度為30 200nm，其中每一氮化鎵薄層151的厚度為4 20nm ；每一氮化銦鎵薄層152的 厚度為1 4nm，并且由InxGahN所構(gòu)成，其中0. 1 < χ < 0. 3。η型接觸層14中的硅烷的摻雜濃度為1018cm_3以上，ρ型電子阻擋層16和ρ型接 觸層17中的二茂鎂的摻雜濃度均為1019-1021cm_3。此外，ρ型電子阻擋層16的厚度為10 50納米。該GaN系發(fā)光二極管中各個薄層的具體生長條件如下(1)襯底成核層12 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 時間1-10分鐘；(2)非故意摻雜GaN緩沖層13 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，生長時間20-60分鐘；(3)η型GaN接觸層14 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，生長時間10-40分鐘；(4)由氮化銦鎵薄層和氮化鎵薄層交互層疊所形成的多量子阱活性發(fā)光層15 GaN薄層(即壘層)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，時間0. 1-5分鐘；InGaN薄層(即阱層)反應(yīng)溫度700-850°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，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(shù)為4至15 ；(5) ρ型AlGaN電子阻擋層16 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，時間1_10 分鐘；(6) ρ型GaN接觸層17 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，時間10-50分鐘。實施例1圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的具有低溫ρ型GaN插入層的GaN系發(fā)光二極管。其采用 與對照例1相同的工藝條件制造，所不同的只是在InGaN/GaN多量子阱活性發(fā)光層25與ρ 型AlGaN電子阻擋層27之間插入厚度為20-100納米的低溫ρ型氮化鎵插入層26，并且該 低溫P型氮化鎵插入層26的下表面與多量子阱活性發(fā)光層25中的氮化鎵薄層接觸。低溫 P型氮化鎵層中的二茂鎂的摻雜濃度為IO19 1021cm_3。低溫ρ型GaN插入層26的具體生長條件如下反應(yīng)溫度600-900°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，時間5-20分鐘。對上述兩種方法獲得的氮化鎵系發(fā)光二極管進行測試分析，結(jié)果如圖3所示。由 圖3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)光強度大，飽和電流高等特點。在保證器件工藝相同的情況下，發(fā)光強度的增強，說明 發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率得到了有效的提高。雖然本發(fā)明已用具體的實施方式進行了詳細的描述，但對本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員 來說，可在不脫離本發(fā)明宗旨及附加權(quán)利要求所定義的范圍的前提下做各種修改和變動。
權(quán)利要求一種氮化鎵系發(fā)光二極管，其包括襯底；緩沖層，其位于所述襯底上；n型接觸層，其位于所述緩沖層上，由n型氮化鎵構(gòu)成；活性發(fā)光層，其位于所述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)光層是由氮化銦鎵薄層和氮化鎵薄層交互層疊形成的多量子阱結(jié)構(gòu)所構(gòu)成；負電極，其位于所述n型接觸層未被所述活性發(fā)光層覆蓋的上表面上；p型電子阻擋層，其位于所述活性發(fā)光層上，由氮化鋁鎵構(gòu)成；p型接觸層，其位于所述p型電子阻擋層上，由p型氮化鎵構(gòu)成；以及正電極，其位于所述p型接觸層上并覆蓋所述p型接觸層的部分表面；其特征在于，所述氮化鎵系發(fā)光二極管還包括厚度為20nm～100nm的低溫p型氮化鎵層，所述低溫p型氮化鎵層在所述活性發(fā)光層與所述p型電子阻擋層之間，并且所述低溫p型氮化鎵層的下表面與所述活性發(fā)光層中的氮化鎵薄層接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵系發(fā)光二極管，其特征在于，所述低溫ρ型氮化鎵層的生 長溫度為600°C 900°C。
3.如權(quán)利要求1或2所述的氮化鎵系發(fā)光二極管，其特征在于，所述低溫ρ型氮化鎵層 以二茂鎂為P型摻雜劑，并且二茂鎂的摻雜濃度為IO19 1021cm_3。
4.如權(quán)利要求1或2所述的氮化鎵系發(fā)光二極管，其特征在于，所述活性發(fā)光層由4 15個周期數(shù)的氮化鎵與氮化銦鎵的薄層組成，其總厚度為30 200nm，其中每一氮化鎵薄 層的厚度為4 20nm ；每一氮化銦鎵薄層的厚度為1 4nm，并且由InxGai_xN所構(gòu)成，其中 0. 1 < χ < 0. 3。
5.如權(quán)利要求1或2所述的氮化鎵系發(fā)光二極管，其特征在于，所述ρ型電子阻擋層的 生長溫度為700°C 1000°C。
6.如權(quán)利要求1或2所述的氮化鎵系發(fā)光二極管，其特征在于，所述ρ型電子阻擋層的 厚度為10 50nm。
7.如權(quán)利要求1或2所述的氮化鎵系發(fā)光二極管，其特征在于，所述ρ型電子阻擋層由 ρ型AlxGahN構(gòu)成，其中0. 1彡χ < 0. 2。
8.如權(quán)利要求1或2所述的氮化鎵系發(fā)光二極管，其特征在于，所述ρ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IO19 1021cm_3。
9.如權(quán)利要求1或2所述的氮化鎵系發(fā)光二極管，其特征在于，所述η型接觸層以硅烷 為η型摻雜劑，并且硅烷的摻雜濃度為IO18CnT3以上。
10.如權(quán)利要求1或2所述的氮化鎵系發(fā)光二極管，其特征在于，所述ρ型接觸層以二 茂鎂為P型摻雜劑，并且二茂鎂的摻雜濃度為IO19 1021cm_3。
11.如權(quán)利要求1或2所述的氮化鎵系發(fā)光二極管，其特征在于，所述襯底由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。
12.如權(quán)利要求1或2所述的氮化鎵系發(fā)光二極管，其特征在于，所述緩沖層由氮化鎵 系材質(zhì)構(gòu)成。
專利摘要本實用新型涉及一種氮化鎵系發(fā)光二極管。其結(jié)構(gòu)主要包括襯底材料、緩沖層、n型接觸層、活性發(fā)光層、p型插入層、p型電子阻擋層、p型接觸層和正電極與負電極層。本實用新型與現(xiàn)有的氮化鎵系發(fā)光二極管的最主要差異是，在InGaN/GaN多量子阱活性發(fā)光層與p型AlGaN電子阻擋層之間生長一層低溫p型氮化鎵層，從而從界面上將InGaN/GaN多量子阱活性發(fā)光層與p型AlGaN電子阻擋層以物理方式分隔開。結(jié)果表明，通過設(shè)置該低溫p型氮化鎵層，氮化鎵系發(fā)光二極管的發(fā)光強度和反向擊穿電壓得到較大的提高。
文檔編號H01L33/12GK201766093SQ20102019823
公開日2011年3月16日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者丁成, 劉慰華, 李剛, 馬平 申請人:上海藍寶光電材料有限公司