專利名稱：調(diào)制摻雜的氮化鎵系發(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)光二極管的摻雜方法，特別是涉及多量子阱壘層調(diào)制摻雜的氮化鎵系發(fā)光二極管的制作方法。
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、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(jī)氣相外延生長”，Appl. Phys. Lett. 48，1986，353)，雖然晶體質(zhì)量在一定程度上得到改善，但由于藍(lán)寶石與氮化物之間的晶格失配，外延層中存在很大的應(yīng)力。同時(shí)，活性發(fā)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(fā)生變化時(shí)，活性層中也會產(chǎn)生一定的應(yīng)變。由于III族氮化物具有壓應(yīng)變特性，這些應(yīng)變會在InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)內(nèi)產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力。從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))0在壓電場的作用下，量子阱能級發(fā)送傾斜，即量子阱由方形阱變?yōu)槿勤?，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)合效率的降低，發(fā)光強(qiáng)度減弱，這又被稱為量子限制斯塔克效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，壘層摻雜后(參見Yong-Hoon Choa, Appl. Phys. Lett.，73，1998， 1128)，由施主電離產(chǎn)生的載流子弛豫到量子阱后，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(fā)光強(qiáng)度增加。而且隨著壘中摻雜濃度的增加，電離載流子數(shù)量也在增加，對壓電場的屏蔽效應(yīng)也將提高。但同時(shí)，隨著壘層中摻雜濃度的提高，由于摻雜引起的能帶的變化對載流子的輸運(yùn)又會產(chǎn)生新的影響(參見Eun-HyunPark，Appl. Phys. Lett.， 90,2006,031102) 0尤其是對量子阱內(nèi)價(jià)帶的影響。主要表現(xiàn)為隨著施主摻雜的增加，量子阱價(jià)帶向下彎曲，對空穴的注入產(chǎn)生新的勢壘，從而引起發(fā)光強(qiáng)度的降低。傳統(tǒng)的壘層摻雜是采用硅烷作η型摻雜劑，且壘層中硅烷為均有摻雜。為了調(diào)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(diào)制摻雜的方法。既可以部分屏蔽壓電場，同時(shí)在價(jià)帶中又不引入新的勢壘。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種調(diào)制摻雜的氮化鎵系發(fā)光二極管的制作方法，通過對有源區(qū)活性層中壘層的調(diào)制摻雜，既可以屏蔽壓電場引入的量子限制斯塔克效應(yīng)，又不會產(chǎn)生更大的勢壘，從而提高空穴的注入效率，以此增加發(fā)光二極管的發(fā)光效率。本發(fā)明提供一種調(diào)制摻雜的氮化鎵系發(fā)光二極管的制作方法，其包括如下步驟步驟1 取一襯底；步驟2 在襯底上依次制作一氮化鎵成核層和一氮化鎵緩沖層；步驟3 在氮化鎵緩沖層上制作一 η型氮化鎵接觸層，以硅烷作為η型摻雜劑；步驟4 在η型接觸層上未刻蝕的上表面依次制作一 η型電流擴(kuò)展層、一活性發(fā)光層、一 P型電子阻擋層和一 P型接觸層；步驟5 采用刻蝕的方法，在該ρ型接觸層上面的一側(cè)向下刻蝕，刻蝕深度到達(dá)η 型氮化鎵接觸層中，使該η型氮化鎵接觸層的一側(cè)形成一臺面；步驟6 在η型接觸層的臺面上制作負(fù)電極；在ρ型接觸層的上面制作正電極，完成氮化鎵系發(fā)光二極管的制作。其中η型電流擴(kuò)展層為多周期結(jié)構(gòu)，每一周期包括一銦鎵氮薄層和在其上制作的一鋁銦鎵氮薄層，該η型電流擴(kuò)展層的最上面再制作一層銦鎵氮薄層。其中活性發(fā)光層為多周期結(jié)構(gòu)，每一周期包括一銦鎵氮薄層和在其上制作的一鋁銦鎵氮薄層，該活性發(fā)光層的最上面再制作一層銦鎵氮薄層。其中活性發(fā)光層的周期數(shù)為3-20。其中η型電流擴(kuò)展層的周期數(shù)為3-20。其中該鋁銦鎵氮薄層為η型調(diào)制摻雜。其中該鋁銦鎵氮薄層摻雜為調(diào)制摻雜，調(diào)制摻雜的方式為梯形、三角形、臺階狀或者非對稱摻雜，摻雜劑為硅烷作為η型摻雜劑，摻雜濃度為5 X IO21-IX 1017。其中η型接觸層是采用等濃度摻雜，或采用調(diào)制摻雜的方法，調(diào)制摻雜的方式為梯形、三角形、臺階狀或者非對稱摻雜。


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
對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說明，其中圖1是本發(fā)明的氮化鎵系發(fā)光二極管。圖2是本發(fā)明壘層或者η型接觸層中的硅烷摻雜拋面圖。
具體實(shí)施例方式請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種調(diào)制摻雜的氮化鎵系發(fā)光二極管的制作方法， 其制作過程如下步驟1 取一襯底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，ρ型摻雜劑為
二茂鎂。步驟2 在襯底11上依次制作一氮化鎵成核層12和一氮化鎵緩沖層13。成核層 12的生長參數(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，生長時(shí)間1_10 分鐘；該緩沖層13的生長參數(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，生長時(shí)間20-60分鐘；步驟3 在氮化鎵緩沖層13上制作一 η型氮化鎵接觸層14，以硅烷作為η型摻雜劑。生長參數(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，生長時(shí)間10-40分鐘；該η型接觸層14可以采用等濃度摻雜，也可以采用調(diào)制摻雜的方法。步驟4 在η型接觸層14上未刻蝕的上表面依次制作一 η型電流擴(kuò)展層15、一活性發(fā)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(kuò)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(diào)制摻雜；所述活性發(fā)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(jié)構(gòu)構(gòu)成。其中鋁銦鎵氮薄層162摻雜為調(diào)制摻雜，調(diào)制摻雜的方式為梯形、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(tǒng)壘層的摻雜方法，即在壘層生長過程中均已摻雜施主雜質(zhì)。我們改進(jìn)后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(zhì)的摻雜量逐漸增加(如圖2(b)所示)；或者在整個(gè)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(shí)，施主摻雜也可以隨著壘層厚度的增加，實(shí)現(xiàn)臺階式摻雜(如圖2 (d)所示)。為了減少施主雜質(zhì)對量子阱中載流子的散射，我們在壘層兩側(cè)靠近量子阱的部分區(qū)域(l-3nm) 區(qū)域是非摻雜的。采用調(diào)制摻雜，一方面可以通過摻雜屏蔽壓電場；另一方面因?yàn)閾诫s的不均勻，對量子阱價(jià)帶的影響較小，價(jià)帶向下彎曲幅度減小，從而利于空穴的輸運(yùn)。所述ρ型電子阻擋層17制作在活性發(fā)光層16上，該ρ型電子阻擋層17由鋁銦鎵氮構(gòu)成。所述P型電子阻擋層17的厚度為10-50nm，并且所述P型電子阻擋層的下表面與所述活性發(fā)光層中的鋁銦鎵氮薄層162接觸。生長參數(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(shí)間1-10分鐘。所述ρ型接觸層18制作在ρ型電子阻擋層17上，該ρ型接觸層18由ρ型氮化鎵構(gòu)成。生長參數(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。步驟5 采用刻蝕的方法，在該ρ型接觸層18上面的一側(cè)向下刻蝕，刻蝕深度到達(dá) η型氮化鎵接觸層14中，使該η型氮化鎵接觸層14的一側(cè)形成一臺面141?？涛g方法采用干法刻蝕，可以用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕，也可以采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)。步驟6 在ρ型接觸層18的上面制作正電極20 ；在η型接觸層14的臺面141上制作負(fù)電極19，由鉻鉬金組成，完成氮化鎵系發(fā)光二極管的制作。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
1.一種調(diào)制摻雜的氮化鎵系發(fā)光二極管的制作方法，其包括如下步驟步驟1 取一襯底；步驟2 在襯底上依次制作一氮化鎵成核層和一氮化鎵緩沖層；步驟3 在氮化鎵緩沖層上制作一 η型氮化鎵接觸層，以硅烷作為η型摻雜劑；步驟4 在η型接觸層上未刻蝕的上表面依次制作一 η型電流擴(kuò)展層、一活性發(fā)光層、 一 ρ型電子阻擋層和一 ρ型接觸層；步驟5 采用刻蝕的方法，在該ρ型接觸層上面的一側(cè)向下刻蝕，刻蝕深度到達(dá)η型氮化鎵接觸層中，使該η型氮化鎵接觸層的一側(cè)形成一臺面；步驟6 在η型接觸層的臺面上制作負(fù)電極；在ρ型接觸層的上面制作正電極，完成氮化鎵系發(fā)光二極管的制作。
2.如權(quán)利要求1所述的調(diào)制摻雜的氮化鎵系發(fā)光二極管的制作方法，其中η型電流擴(kuò)展層為多周期結(jié)構(gòu)，每一周期包括一銦鎵氮薄層和在其上制作的一鋁銦鎵氮薄層，該η型電流擴(kuò)展層的最上面再制作一層銦鎵氮薄層。
3.如權(quán)利要求1所述的調(diào)制摻雜的氮化鎵系發(fā)光二極管的制作方法，其中活性發(fā)光層為多周期結(jié)構(gòu)，每一周期包括一銦鎵氮薄層和在其上制作的一鋁銦鎵氮薄層，該活性發(fā)光層的最上面再制作一層銦鎵氮薄層。
4.如權(quán)利要求3所述的調(diào)制摻雜的氮化鎵系發(fā)光二極管的制作方法，其中活性發(fā)光層的周期數(shù)為3-20。
5.如權(quán)利要求2所述的調(diào)制摻雜的氮化鎵系發(fā)光二極管的制作方法，其中η型電流擴(kuò)展層的周期數(shù)為3-20。
6.如權(quán)利要求3所述的調(diào)制摻雜的氮化鎵系發(fā)光二極管的制作方法，其中該鋁銦鎵氮薄層為η型調(diào)制摻雜。
7.如權(quán)利要求3所述的調(diào)制摻雜的氮化鎵系發(fā)光二極管的制作方法，其中該鋁銦鎵氮薄層摻雜為調(diào)制摻雜，調(diào)制摻雜的方式為梯形、三角形、臺階狀或者非對稱摻雜，摻雜劑為硅烷作為η型摻雜劑，摻雜濃度為5 X IO21-I X IO170
8.如權(quán)利要求1所述的調(diào)制摻雜的氮化鎵系發(fā)光二極管的制作方法，其中η型接觸層是采用等濃度摻雜，或采用調(diào)制摻雜的方法，調(diào)制摻雜的方式為梯形、三角形、臺階狀或者非對稱摻雜。
全文摘要
一種調(diào)制摻雜的氮化鎵系發(fā)光二極管的制作方法，其包括如下步驟步驟1取一襯底；步驟2在襯底上依次制作一氮化鎵成核層和一氮化鎵緩沖層；步驟3在氮化鎵緩沖層上制作一n型氮化鎵接觸層，以硅烷作為n型摻雜劑；步驟4在n型接觸層上未刻蝕的上表面依次制作一n型電流擴(kuò)展層、一活性發(fā)光層、一p型電子阻擋層和一p型接觸層；步驟5采用刻蝕的方法，在該p型接觸層上面的一側(cè)向下刻蝕，刻蝕深度到達(dá)n型氮化鎵接觸層中，使該n型氮化鎵接觸層的一側(cè)形成一臺面；步驟6在n型接觸層的臺面上制作負(fù)電極；在p型接觸層的上面制作正電極，完成氮化鎵系發(fā)光二極管的制作。
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(yōu)先權(quán)日2011年5月5日
發(fā)明者曾一平, 李晉閩, 王軍喜, 王國宏, 馬平 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所