專利名稱：采用金屬有機(jī)化合物氣相外延技術(shù)生長(zhǎng)非對(duì)稱電子儲(chǔ)蓄層高亮度發(fā)光二極管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管的制作方法，尤其是涉及一種采用金屬有機(jī)化合物氣相外延(MOCVD)技術(shù)生長(zhǎng)非對(duì)稱能力氮化鎵(GaN)基III-V族氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管的方法，屬于半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氮化鎵(GaN)基半導(dǎo)體材料是繼硅和砷化鎵之后的第三代半導(dǎo)體材料，近年來發(fā)展迅速。III族氮化物包括GaN、InN, AlN以及三元和四元合金都是直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料。III族氮化物材料室溫下禁帶寬度從氮化銦(InN) 0. 75eV到氮化鎵(GaN) 3. 4eV直至氮化鋁(A1N)6. 2eV的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，覆蓋了從紅外到紫外的廣泛的波長(zhǎng)范圍，被認(rèn)為是在技術(shù)領(lǐng)域中具有非常重要地位的材料。半導(dǎo)體照明是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一。20世紀(jì)90年代以來，隨著氮化鎵基藍(lán)光和白光發(fā)光二極管的研制成功，GaN基白光LED是一種高效環(huán)保的固態(tài)照明光源，是繼蠟燭，白熾燈，熒光燈后的第四代照明產(chǎn)品，和傳統(tǒng)照明光源相比，LED照明有節(jié)能，環(huán)保，綠色健康，長(zhǎng)壽命等幾大明顯優(yōu)勢(shì)。半導(dǎo)體照明已經(jīng)成為人類照明史上又一次飛躍?？蓮V泛應(yīng)用于景觀照明，裝飾照明，特種照明，汽車用燈以及普通照明燈領(lǐng)域。其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義巨大。美國(guó)、日本、歐盟、韓國(guó)、臺(tái)灣等國(guó)家和地區(qū)相繼推出半導(dǎo)體照明發(fā)展計(jì)劃。我國(guó)于2003年10月，正式啟動(dòng)了 “國(guó)家半導(dǎo)體照明工程”。隨著最近幾年的快速發(fā)展，白光發(fā)光二極管(LED)的性能指標(biāo)不斷提高，固態(tài)照明的實(shí)用化已經(jīng)露出了曙光。這些發(fā)展包括了材料生長(zhǎng)、芯片制備和封裝的各個(gè)方面的成就。尤其是在材料生長(zhǎng)方面，最近幾年各種新的技術(shù)層出不窮，極大地推進(jìn)了固態(tài)照明事業(yè)的發(fā)展。LED的內(nèi)量子效率是器件性能指標(biāo)的重要參數(shù)。內(nèi)量子效率是一個(gè)和輻射復(fù)合的微觀過程密切相關(guān)的參數(shù)，它被定義為在一定的注入條件下，單位時(shí)間內(nèi)輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子數(shù)與單位時(shí)間內(nèi)注入的載流子對(duì)數(shù)之比。對(duì)于GaN基LED的器件而言，其量子阱、異質(zhì)結(jié)構(gòu)載流子限制效應(yīng)以及量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE)將對(duì)內(nèi)量子效率起著重要的影響。LED的注入效率定義為在一定注入條件下，單位時(shí)間內(nèi)注入到發(fā)光區(qū)中產(chǎn)生復(fù)合的載流子數(shù)與注入載流子總數(shù)之比。提高載流子注入效率的方法主要是提高空穴的注入和降低電子的泄漏。主要是優(yōu)化電流擴(kuò)展層，同時(shí)，優(yōu)化量子阱的結(jié)構(gòu)及界面，減少溢流和表面復(fù)合，降低漏電通道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)上述背景技術(shù)存在的缺陷，提供一種采用金屬有機(jī)化合物氣相外延技術(shù)生長(zhǎng)非對(duì)稱電子儲(chǔ)蓄層高亮度發(fā)光二極管的方法，對(duì)于GaN基LED,由于其電子有效質(zhì)量遠(yuǎn)小于空穴有效質(zhì)量，容易產(chǎn)生電子泄漏，進(jìn)而影響器件最終發(fā)光效率，同時(shí)由于n-GaN和InGaN有源區(qū)存在較大的晶格失配及熱應(yīng)力失配，在有源區(qū)存在較大的壓電極化場(chǎng)，導(dǎo)致電子和空穴波函數(shù)空間分離進(jìn)而影響器件復(fù)合發(fā)光效率。通過在有源區(qū)前生長(zhǎng)漸變In組分的InGaN或InGaN/GaN超晶格電子注入層，可以有效間減少電子泄漏，改善水平方面電流擴(kuò)展，有效緩解n-GaN和有源區(qū)晶格失配及熱應(yīng)力失配，改善有源區(qū)晶體質(zhì)量，提高發(fā)光器件內(nèi)量子效率。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了一種采用金屬有機(jī)化合物氣相外延技術(shù)生長(zhǎng)非對(duì)稱電子儲(chǔ)蓄層高亮度發(fā)光二極管的方法，采用金屬有機(jī)化合物氣相外延方法，通過在n-GaN和InGaN有源層之間引入非對(duì)稱的漸變In組分的電子注入層，改善電流擴(kuò)展，提高LED發(fā)光效率，使用三甲基鎵、三甲基銦、三甲基鋁作為III族源，氨氣作為V族源，硅烷作為n型摻雜源，二茂鎂作為P型摻雜源，其特征在于，該方法包括以下步驟
步驟一、在金屬有機(jī)化合物氣相外延反應(yīng)室中將藍(lán)寶石A1103襯底在氫氣氣氛下，1040 1200°C處理5分鐘，然后降低溫度，在530 550°C，反應(yīng)室壓力500 torr，在氫氣氣氛下，三維生長(zhǎng)20 30納米的GaN緩沖層，再在1000 1500°C下生長(zhǎng)2 4微米厚n-GaN 層；
步驟二、在氮?dú)鈿夥障?，?50 850°C下生長(zhǎng)n型非對(duì)稱In組分漸變的電子注入層，接著生長(zhǎng)5 10周期InxGai_xN/GaN多量子阱有源區(qū)，其中0. 01彡x彡0. 3，電子注入層中最大In組分小于有源區(qū)中In組分；
步驟三、在氫氣氛下，在950 1040°C生長(zhǎng)p型AlGaN電子阻擋層和p_GaN層。進(jìn)一步，所述n型非對(duì)稱In組分漸變的電子注入層是n-InGaN,所述n型n-InGaN電子注入層是在n-GaN和InxGai_xN/GaN有源區(qū)之間，In組分從隨n-InGaN生長(zhǎng)厚度增加線性增加的；
所述n型插入層中最高In組分小于InxGai_xN/GaN多量子阱有源區(qū)的In組分X，所述n型插入層厚度是10 lOOnm。進(jìn)一步,所述n型非對(duì)稱In組分漸變的電子注入層是n-InGaN/GaN超晶格,所述n-InGaN/GaN超晶格插入層是在n_GaN和有源區(qū)之間，其中超晶格阱層In組分隨超晶格周 期的增加是線性增加的；所述n型插入層中最高In組分小于InxGai_xN/GaN多量子阱有源區(qū)的In組分X，所述n型超晶格周期數(shù)I 20。進(jìn)一步,所述n型非對(duì)稱In組分漸變的電子注入層是n_InGaN/InGaN超晶格；所述InGaN/InGaN超晶格插入層是是在n-GaN和有源區(qū)之間，超晶格壘層In組分小于阱層In組分，超晶格阱層In組分隨超晶格周期的增加而線性增加，所述n型插入層中最高In組分小于InxGai_xN/GaN多量子阱有源區(qū)的In組分X，所述n型超晶格周期數(shù)I 20。本發(fā)明所涉及工藝流程均在外延生長(zhǎng)中完成，不需要附加芯片工藝流程，具有工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單，可重復(fù)性好，附加成本低等優(yōu)點(diǎn)，采用本發(fā)明中設(shè)計(jì)的非對(duì)稱淺阱LED結(jié)構(gòu)可改善電子在水平方向的電流擴(kuò)展，緩解n-GaN和有源區(qū)之間的晶格失配和熱應(yīng)力失配，有效減少有源區(qū)受到的電壓極化場(chǎng)，提高有源區(qū)晶體質(zhì)量。采用本發(fā)明中設(shè)計(jì)的非對(duì)稱淺阱LED制作的LED芯片顯示優(yōu)異的光電性質(zhì)，相對(duì)于傳統(tǒng)LED結(jié)構(gòu)亮度提高20%以上。
具體實(shí)施例方式為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的特征、技術(shù)手段以及所達(dá)到的具體目的、功能，下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。本發(fā)明提供一種采用MOCVD技術(shù)生長(zhǎng)高亮度發(fā)光二極管的方法，通過設(shè)計(jì)新型的LED結(jié)構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)p-i-n LED外延結(jié)構(gòu)，在n_GaN和InGaN/GaN有源層之間生長(zhǎng)In組分漸變的電子儲(chǔ)蓄層，改善電子在水平方向的電流擴(kuò)展，緩解n-GaN和有源區(qū)之間的晶格失配和熱應(yīng)力失配。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高LED發(fā)光效率的目的。本發(fā)明所涉及工藝流程均在外延生長(zhǎng)中完成，不需要附加芯片工藝流程，具有工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單，可重復(fù)性好，附加成本低等優(yōu)點(diǎn)。采用本發(fā)明中技術(shù)生長(zhǎng)制作的LED芯片顯示優(yōu)異的光電性質(zhì)，可靠性和穩(wěn)定性大副度提聞，相對(duì)于傳統(tǒng)LED結(jié)構(gòu)大幅度提發(fā)光效率。本發(fā)明的一種采用金屬有機(jī)化合物氣相外延技術(shù)生長(zhǎng)非對(duì)稱淺阱高亮度發(fā)光二極管的方法，采用金屬有機(jī)化合物氣相外延方法，在n-GaN和InGaN/GaN有源層之間生長(zhǎng)In組分漸變的電子儲(chǔ)蓄層，使用三甲基鎵、三甲基銦、三甲基鋁作為III族源，氨氣作為V族源，硅烷作為n型摻雜源，二茂鎂作為p型摻雜源，其特征在于，該方法包括以下步驟 步驟一，在金屬有機(jī)化合物氣相外延反應(yīng)室中將藍(lán)寶石AU0,襯底在氫氣氣氛下，1040 1200°C處理5分鐘，然后降低溫度，在530 550°C，反應(yīng)室壓力500 torr，在氫氣氣氛下，三維生長(zhǎng)20 30納米的GaN緩沖層，再在1000 1500°C下生長(zhǎng)2 4微米厚n-GaN 層；
步驟二，在氮?dú)鈿夥障拢?50 850°C下生長(zhǎng)n型非對(duì)稱In組分漸變的電子注入層，接著生長(zhǎng)多個(gè)周期InxGai_xN/GaN多量子阱有源區(qū)，其中0. I彡x彡0. 35 ;電子注入層中最大In組分小于有源區(qū)中In組分；
步驟三，在氫氣氛下，在950 1040°C生長(zhǎng)P-AlGaN電子阻擋層和p_GaN層。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述n型非對(duì)稱In組分漸變的電子注入層是n-InGaN,所述n型n-InGaN電子注入層是在n_GaN和有源區(qū)之間，In組分從隨n-InGaN生長(zhǎng)厚度增加線性增加的；所述n型插入層中最高In組分小于InxGai_xN/GaN多量子阱有源區(qū)的In組分X ;所述n型插入層厚度是10 IOOnm ；
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述n型非對(duì)稱In組分漸變的電子注入層是n-InGaN/GaN超晶格，所述n型n-1 nGaN/GaN超晶格插入層是在n_GaN和有源區(qū)之間，其中超晶格阱層In組分隨超晶格周期的增加是線性增加的；所述n型插入層中最高In組分小于InxGai_xN/GaN多量子阱有源區(qū)的In組分X，所述n型超晶格周期數(shù)I 20。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述n型非對(duì)稱In組分漸變的電子注入層是n-InGaN/InGaN/超晶格，所述n型InGaN/InGaN超晶格插入層是在n_GaN和有源區(qū)之間，超晶格壘層In組分小于阱層最低In組分，超晶格阱層In組分隨超晶格周期的增加而線性增力口，所述n型插入層中最高In組分小于InxGai_xN/GaN多量子阱有源區(qū)的In組分X，所述n型超晶格周期數(shù)I 20 ;
本發(fā)明通過設(shè)計(jì)新型的LED結(jié)構(gòu)，在n-GaN和有源區(qū)之間生長(zhǎng)In組分漸變的電子注入層，改善電子在水平方向的電流擴(kuò)展，緩解n-GaN和有源區(qū)之間的晶格失配和熱應(yīng)力失配，有效減少有源區(qū)受到的電壓極化場(chǎng)，提高有源區(qū)晶體質(zhì)量。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高LED發(fā)光效率的目的。實(shí)施例
使用Aixtron公司，緊耦合垂直反應(yīng)室MOCVD生長(zhǎng)系統(tǒng)。采用金屬有機(jī)化合物氣相外延技術(shù)生長(zhǎng)發(fā)光二極管，生長(zhǎng)過程中使用三甲基鎵(TMGa)，三甲基銦(TMIn)，三甲基鋁(TMAl)作為III族源，氨氣(NH3)作為V族源，硅烷(SiH4)作為n型摻雜源，二茂鎂(Cp2Mg)作為P型摻雜源，首先在Al2O3襯底上在530 550°C，高反應(yīng)室壓力，氫氣(H2)氣氛下，三維生長(zhǎng)20 30納米后的GaN緩沖層，在1000 1500°C下生長(zhǎng)2 4微米厚n_GaN，在氮?dú)?N2)氣氛下，在 750 850°C 下生長(zhǎng) 10 100 納米 n-InGaN、n_ I nGaN/GaN 或 n_ InGaN/InGaN超晶格n型插入層，在750 850Q下接著生長(zhǎng)5 10周期InxGai_xN/GaN多量子阱有源區(qū)，其中0. X < 0. 35，在有源區(qū)上，在950 1040°C生長(zhǎng)厚度為10 50納米的P-Ala2Gaa8N電子阻擋層，最后在H2氣氛下，在950 1040°C生長(zhǎng)厚度為100 500納米的P-GaN0通過優(yōu)化n型插入層的結(jié)構(gòu)如釆用n-(In)GaN或n-(In)GaN/GaN超晶格、Si的 摻雜濃度、生長(zhǎng)厚度、In的組分等參數(shù)；防止電子泄漏，有效改善電子在水平方向的電流擴(kuò)展，進(jìn)而有效提高LED發(fā)光效率。目前采用的提高LED發(fā)光強(qiáng)度的方法集中在外延生長(zhǎng)和芯片制造及封裝中環(huán)節(jié)，存在工藝流程相對(duì)復(fù)雜，附加成本高，而且效果有限等問題。通過設(shè)計(jì)新型的LED結(jié)構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)LED外延結(jié)構(gòu)，在n-GaN和InGaN/GaN有源層之間生長(zhǎng)非對(duì)稱In組分漸變的電子儲(chǔ)蓄層，改善電子在水平方向的電流擴(kuò)展，緩解n-GaN和有源區(qū)之間的晶格失配和熱應(yīng)力失配。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高LED發(fā)光效率的目的。本發(fā)明所涉及工藝流程均在外延生長(zhǎng)中完成，不需要附加芯片工藝流程，具有工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單，可重復(fù)性好，附加成本低等優(yōu)點(diǎn)。采用本發(fā)明中技術(shù)生長(zhǎng)制作的LED芯片顯示優(yōu)異的光電性質(zhì)，可靠性和穩(wěn)定性大副度提高，相對(duì)于傳統(tǒng)LED結(jié)構(gòu)亮度提高20%以上。采用金屬有機(jī)化合物氣相外延方法，在n-GaN和InGaN/GaN有源層之間生長(zhǎng)In組分漸變的電子儲(chǔ)蓄層，使用三甲基鎵、三甲基銦、三甲基鋁作為III族源，氨氣作為V族源，硅烷作為n型摻雜源，二茂鎂作為p型摻雜源，本發(fā)明具體采用在InxGai_xN/GaN多量子阱有源層(其中0. I彡x彡0. 35)和n-GaN之間生子非對(duì)稱In組分漸變電子儲(chǔ)蓄層，電子儲(chǔ)蓄層結(jié)構(gòu)可采用n-InGaN、n-InGaN/GaN或n-InGaN/InGaN超晶格n型插入層，電子儲(chǔ)蓄層中的In組分從n-GaN至有源區(qū)線性增加、電子儲(chǔ)蓄層中Si的摻雜濃度、生長(zhǎng)厚度等參數(shù)線性調(diào)控；有效改善水平方向電流擴(kuò)展效果，進(jìn)而有效提高LED發(fā)光效率，所涉及工藝流程均在外延生長(zhǎng)中完成，不需要附加芯片工藝流程，具有工藝流程簡(jiǎn)單，可重復(fù)性好，附加成本低等優(yōu)點(diǎn)。n-InGaN插入層應(yīng)力馳豫臨界厚度的控制由于InGaN插入曾合金存在應(yīng)力馳豫臨界厚度，當(dāng)InGaN層厚度超過臨界厚度將會(huì)在界面處產(chǎn)生大量的位錯(cuò)，進(jìn)而影響器件的光電性質(zhì)，InGaN層的臨界厚度隨In組分的增加而減小。對(duì)于特定In組分的InGaN插入層，厚度應(yīng)控制在臨界厚度之內(nèi)。n-InGaN、n-InGaN/GaN或n-InGaN/InGaN超晶格電子儲(chǔ)蓄層中最大In組分小于有源區(qū)中In組分。以上所述的實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想及特點(diǎn)，其描述較為具體和詳細(xì)，其目的在于使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，因此不能僅以此來限定本發(fā)明的專利范圍，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，即凡依據(jù)本發(fā)明所揭示的精神所作的變化，仍應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的專利范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種采用金屬有機(jī)化合物氣相外延技術(shù)生長(zhǎng)非對(duì)稱電子儲(chǔ)蓄層高亮度發(fā)光二極管的方法，采用金屬有機(jī)化合物氣相外延方法，通過在n-GaN和InGaN有源層之間引入非對(duì)稱的漸變In組分的電子注入層，改善電流擴(kuò)展，提高LED發(fā)光效率，使用三甲基鎵、三甲基銦、三甲基鋁作為III族源，氨氣作為V族源，硅烷作為n型摻雜源，二茂鎂作為p型摻雜源，其特征在于，該方法包括以下步驟 步驟一、在金屬有機(jī)化合物氣相外延反應(yīng)室中將藍(lán)寶石A1103襯底在氫氣氣氛下，1040 1200°C處理5分鐘，然后降低溫度，在530 550°C，反應(yīng)室壓力500 torr，在氫氣氣氛下，三維生長(zhǎng)20 30納米的GaN緩沖層，再在1000 1500°C下生長(zhǎng)2 4微米厚n-GaN 層； 步驟二、在氮?dú)鈿夥障?，?50 850°C下生長(zhǎng)n型非對(duì)稱In組分漸變的電子注入層，接著生長(zhǎng)5 10周期InxGai_xN/GaN多量子阱有源區(qū)，其中0. 01彡x彡0. 3，電子注入層中最大In組分小于有源區(qū)中In組分； 步驟三、在氫氣氛下，在950 1040°C生長(zhǎng)p型AlGaN電子阻擋層和p_GaN層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用金屬有機(jī)化合物氣相外延技術(shù)生長(zhǎng)非對(duì)稱電子儲(chǔ)蓄層高亮度發(fā)光二極管的方法，其特征在于所述n型非對(duì)稱In組分漸變的電子注入層是n-InGaN,所述n型n-InGaN電子注入層是在n_GaN和InxGa1J^GaN有源區(qū)之間，In組分從隨n-InGaN生長(zhǎng)厚度增加線性增加的； 所述n型插入層中最高In組分小于InxGai_xN/GaN多量子阱有源區(qū)的In組分X，所述n型插入層厚度是10 lOOnm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用金屬有機(jī)化合物氣相外延技術(shù)生長(zhǎng)非對(duì)稱電子儲(chǔ)蓄層高亮度發(fā)光二極管的方法，其特征在于所述n型非對(duì)稱In組分漸變的電子注入層是n-InGaN/GaN超晶格，所述n_InGaN/GaN超晶格插入層是在n_GaN和有源區(qū)之間，其中超晶格阱層In組分隨超晶格周期的增加是線性增加的；所述n型插入層中最高In組分小于InxGai_xN/GaN多量子阱有源區(qū)的In組分X，所述n型超晶格周期數(shù)I 20。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用金屬有機(jī)化合物氣相外延技術(shù)生長(zhǎng)非對(duì)稱電子儲(chǔ)蓄層高亮度發(fā)光二極管的方法，其特征在于所述n型非對(duì)稱In組分漸變的電子注入層是n-InGaN/InGaN超晶格；所述InGaN/InGaN超晶格插入層是是在n_GaN和有源區(qū)之間，超晶格壘層In組分小于阱層In組分，超晶格阱層In組分隨超晶格周期的增加而線性增加，所述n型插入層中最高In組分小于InxGai_xN/GaN多量子阱有源區(qū)的In組分X，所述n型超晶格周期數(shù)I 20。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管的制作方法，公開了一種采用金屬有機(jī)化合物氣相外延技術(shù)生長(zhǎng)非對(duì)稱電子儲(chǔ)蓄層高亮度發(fā)光二極管的方法，改善有源區(qū)晶體質(zhì)量，提高發(fā)光器件內(nèi)量子效率。本發(fā)明在金屬有機(jī)化合物氣相外延反應(yīng)室中將藍(lán)寶石AllO3襯底在氫氣氣氛下，三維生長(zhǎng)20～30納米的GaN緩沖層，再在1000～1500℃下生長(zhǎng)2～4微米厚n-GaN層；在氮?dú)鈿夥障?，生長(zhǎng)n型非對(duì)稱In組分漸變的電子注入層，在氫氣氛下，在950～1040℃生長(zhǎng)p型AlGaN電子阻擋層和p-GaN層。本發(fā)明所涉及工藝流程均在外延生長(zhǎng)中完成，不需要附加芯片工藝流程，具有工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單，可重復(fù)性好，附加成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102664145SQ20121015121
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月16日
發(fā)明者孫永建, 張國(guó)義, 殷淑儀, 賈傳宇, 高宗偉 申請(qǐng)人:東莞市中鎵半導(dǎo)體科技有限公司