專利名稱：一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延片結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體光電子器件領(lǐng)域，尤其是涉及一種應用化合物半導體薄膜的外延生長技術(shù)在弱極性面上獲得非平面和弱極性面的有源層的氮化鎵基發(fā)光二極管外延片的方法。
背景技術(shù)：
半導體LED將成為下一代日常照明光源已成為世界各國政府、科技界及產(chǎn)業(yè)界的共識，是繼白熾燈，熒光燈之后的21世紀新一代“綠色照明”光源。它具有節(jié)能環(huán)保、壽命長、體積小和色彩豐富等許多優(yōu)點，其作為日常照明光源的實現(xiàn)將產(chǎn)生極大的社會和經(jīng)濟效益。
目前國際上已經(jīng)商品化的白光LED的發(fā)光效率約為110 lm/w，但是要實現(xiàn)大規(guī)模的固體照明，還需解決價格太高和光電轉(zhuǎn)換效率太低以及提高器件壽命和性能等問題，并朝效率高和功率大的方向發(fā)展。GaN基LED的發(fā)光效率是由內(nèi)量子效率和出光效率所決定的，為提高出光效率，近年來很多研究都致力于外量子效率的研究，主要技術(shù)有圖形藍寶石襯底生長方法，改變芯片截面技術(shù)，激光剝離技術(shù)、在ITO透明電極上制作光子晶體等等，都取得了很好的效果。而針對LED內(nèi)量子效率的各種問題，國際上的研究相對較少。目前GaN基LED的內(nèi)量子效率相對低下，其中最關(guān)鍵的原因是GaN基材料生長在藍寶石襯底(0001)面上，在生長過程中由于晶格失配而存在極強的極化電場，極化場的存在使得有源層中能帶發(fā)生傾斜，電子空穴波函數(shù)在空間上發(fā)生分離，降低其輻射復合效率，從而降低LED的內(nèi)量子效率，且發(fā)光波長不穩(wěn)定，即所謂的量子限制斯塔克效應(QCSE)。另夕卜，極化場也被認為是LED光效Droop效應的主要原因，是制約實現(xiàn)大功率和高效LED的障礙(參見 S. P. Chang, T. C. Lu, L. F. Zhuo, C. Y. Jang, D. ff. Lin, H. C. Yang,H. C. Kuo, S. C. Wang. Low Droop Nonpolar GaN/InGaN Light Emitting Diode Grownon m-Plane GaN Substrate. [J] Electrochem. Soc. , 2010, 157: H501.)。為了降低極化電場，美國J. Xu和M. F. Schubert等人報道利用調(diào)節(jié)晶格匹配的A11 nGaN四元合金和I nGaN作為壘層實現(xiàn)LED發(fā)光效率的提高和大注入條件下減弱 Droop 效應(參見 J. Xu, M. F. Schubert, A. N. Noemaun, D. Zhu, J. K. Kim, E.F. Schubert, Μ. H. Kim, H. J. Chung, S. Yoon, C. Sone, Y. Park. Reduction inefficiency droop in polarization matched GalnN/GalnN LEDs. [J]. Appl. Phys.Lett. , 2009, 94，011113.)。國內(nèi) C. H. Wang 等人采用逐漸增加 InGaN/GaN MQW 中阱層厚度，即GQWs (Graded-thickness quantum wells)結(jié)構(gòu)來降低有源層中的極化場而提高 LED 的效率(參見 C. H. Wang, S. P. Chang, ff. T. Chang, J. C. Li, Y. S. Lu,Z. Y. Li, H. C. Yang, H. C. Kuo, T. C. Lu, and S. C. Wang. Efficiency droopalleviation in InGaNGaN light-emitting diodes by graded-thickness multiplequantum wells. [J]· Appl. Phys. Lett. , 2010, 97，181101.)。這些工作都是通過調(diào)制量子阱的能帶結(jié)構(gòu)來降低極化場，提高量子阱LED的發(fā)光效率，其可調(diào)程度都較小。
1998年，作為GaN基LED藍光之父的S. Nakamura研究小組報道了采用側(cè)向外延生長技術(shù)(Lateral Epitaxial overgrowth,LEO)獲得了低位錯密度的高晶體質(zhì)量的GaN基材料并成功實現(xiàn)了 GaN基藍光激光器最小閾值電流達I. 2kAcm-2,并實現(xiàn)商品化(參見S.Nakamura, M. Senoh, S. Nagahama, N. Iwasa, T. Yamada, T. Matsushita, H. Kiyoku,Y. Sugimoto, Τ.Kozaki, H. Umemoto, Μ. Sano, K. Chocho. InGaN/GaN/AlGaN-basedlaser diodes with modulation-doped strained-layer superlattices grown on anepitaxially laterally overgrown GaN substrate. [J]. AppI. Phys. Lett. , 1998,72: 211-214.)。由于側(cè)向外延技術(shù)不僅能降低材料位錯密度，同時非極性面上生長發(fā)光器件的有源層可以顯著降低極化電場，2009年其研究小組還報道了采用在GaN的非極性面(m-plane)，或者在非極性面(a-plane)生長非極性面的GaN和制作LED/LD器件(參見Y.D. Lin, A. Chakraborty, S. Brinkley, H. C. Kuo, T. Melo, K. Fujito, J. S. Speck,
S.P. DenBaars, and S. Nakamura. Characterization of blue-green m-plane InGaNlight emitting diodes. [J]· AppI. Phys. Lett. , 2009, 94: 261108·)。盡管如此，二次外延的GaN材料，其制備條件要求較高，工藝有待優(yōu)化。例如，二次·外延時外延層會產(chǎn)生傾斜，多次外延會出現(xiàn)表面沾污等問題。另外，對于提高出光效率，在側(cè)向外延的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了圖形化襯底技術(shù)，這種技術(shù)改善了二次外延出現(xiàn)的一些問題，并提高了器件的光提取效率。在傳統(tǒng)工藝中，在圖形化襯底表面進行外延時，都是采用加快側(cè)向外延速率，使得外延層表面盡量平整，并進行其他器件結(jié)構(gòu)的生長。附圖I所示即為現(xiàn)有技術(shù)中一種圖形化外延片的結(jié)構(gòu)示意圖，包括襯底I、圖形層2、覆蓋層3、N型GaN層4、有源層5、P型GaN層6以及結(jié)構(gòu)層7。綜上所述，結(jié)合GaN基材料的生長特點和LED的廣大的應用市場前景，我們需要降低LED有源層中的極化場而提高內(nèi)量子效率。本發(fā)明提出利用GaN材料外延生長橫向和側(cè)向的生長速率可調(diào)的特點先在圖形襯底上控制生長條件獲得具有弱極性面的GaN外延層，然后在弱極性面上生長LED器件結(jié)構(gòu)，得到具有非平面結(jié)構(gòu)的有源層，從而降低有源層極化場，提高LED的發(fā)光效率。最后提高側(cè)向生長速率，得到表面平整的外延片結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)LED器件結(jié)構(gòu)中由于有源層存在極強的極化場，使得量子阱的能帶發(fā)生傾斜，電子空穴波函數(shù)在空間上發(fā)生分離，使其輻射復合效率下降，從而降低LED內(nèi)量子效率的問題，提供一種晶體質(zhì)量較好，在弱極性面上實現(xiàn)非平面的有源層結(jié)構(gòu)的氮化鎵基發(fā)光二極管外延片結(jié)構(gòu)及其制備方法。從而提高LED的內(nèi)量子效率。為了解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下步驟在圖形化襯底表面低溫生長成核層；對成核層實施高溫退火，使其轉(zhuǎn)變成顆粒狀晶核，從而形成凹凸不平的表面；在帶有顆粒狀晶核的生長襯底表面采用縱向生長速率大于橫向生長速率的外延工藝生長本征GaN層；在本征GaN層表面依次生長N型GaN層、InGaN/GaN多量子阱有源層以及P型AlGaN層和摻鎂P型GaN層，從而形成具有非平面和弱極性面的LED有源層結(jié)構(gòu)繼續(xù)采用縱向生長速率小于橫向生長速率的工藝生長表面結(jié)構(gòu)層，從而獲得平整的表面。本發(fā)明利用圖形襯底上GaN基材料生長技術(shù)中側(cè)向和縱向生長速率可控的特點，在生長初期，外延材料首先在圖形襯底的勢能最低點處，即圖形襯底的突出形狀的周圍或凹陷處成核生長，其成核層在完成500°C飛50°C低溫生長以后，進行900°C 1100°C高溫退火處理，經(jīng)退火后在襯底表面形成大量的顆粒狀晶核，這些晶核是具有弱極性面的GaN外延層。由于側(cè)向和縱向的生長速率比可以通過反應室的生長條件來控制，通過控制生長條件生長溫度，生長壓力，和V/III比等參數(shù)來控制晶核的縱向生長速率(垂直于外延襯底平面)高于橫向生長速率(平行于外延襯底平面)，當相鄰顆粒狀晶核側(cè)向外延部分兩兩相結(jié)合時，使得外延生長面上形成有顯示出氮化鎵系半導體晶體不同晶面的凹凸不平的島狀結(jié)構(gòu)，即形成非平面的，具有弱極性面的GaN外延層，然后在此凹凸不平的結(jié)構(gòu)且具有弱極性面的GaN上生長未摻雜的GaN層，N型GaN層、有源層。有源層生長完成后，改變生長條件，提高側(cè)向生長速率，使側(cè)向生長速率大于縱向生長速率，生長P型GaN層以及表面結(jié)構(gòu)層，最終得到表面平整的外延片。本發(fā)明所述的氮化鎵基發(fā)光二極管外延片結(jié)構(gòu)在圖形化襯底表面從下至上依次包括成核層、未摻雜的GaN層、N型GaN層、InGaN/GaN多量子阱有源層、P型AlGaN層、P型GaN層以及表面結(jié)構(gòu)層。
可選的，所述的圖形化襯底，可以由A1203、SiC、Si、GaAs, LiAlO2, MgAl2O4,ScMgAlO4^ZnO以及適合于氮化鎵系半導體材料外延生長的襯底加工制作而成。圖形化襯底其圖形結(jié)構(gòu)可以是規(guī)則排列的周期條形突出形狀，周期條形凹陷形狀，周期的球形凹陷結(jié)構(gòu)，周期的球形突出結(jié)構(gòu)，或是金字塔形結(jié)構(gòu)，襯底表面可以是晶體的極性面也可以是晶體的非極性面或半極性面?？蛇x的，所述的成核層材料為AlxInyGai_x_yN，其中O彡X彡1，0彡Y彡I。成核層低溫生長厚度為15nnTl00nm之間，且表面平整，高溫處理后，表面連續(xù)的成核層變?yōu)榇罅康膷u狀顆粒晶核，島直徑約為150nnT500nm之間，高度約為60nnT500nm之間,排列于圖形襯底突出形狀的周邊或圖形襯底凹陷形狀的凹陷處?？蛇x的，所述的有源層采用3 10個周期的InGaN/GaN多量子阱，制作在由襯底表面島狀顆粒結(jié)構(gòu)“復制”上來的具有凹凸不平表面的N型GaN層上面。可選的，所述的P型摻雜劑選自Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra中的至少一種,所述N型摻雜劑選自C、Si、Ge、Sn、Pb、O、S、Se、Te、Po和Be中的至少一種。本發(fā)明采用低壓金屬有機化學氣相沉積系統(tǒng)(LP-MOCVD)設(shè)備，利用高純H2和N2作為載氣，進行LED外延片的制備。傳統(tǒng)氮化鎵系發(fā)光器件在完成成核層結(jié)構(gòu)后，都會加快橫向外延速率，使晶核顆粒盡快橫向生長并融合在一起，獲得平整的氮化鎵表面，并在此表面上繼續(xù)生長其他結(jié)構(gòu)(如現(xiàn)有技術(shù)中的附圖I所示)。與傳統(tǒng)外延工藝以及傳統(tǒng)圖形化襯底外延工藝不同，本發(fā)明首先在圖形化襯底表面制作島狀成核層，然后通過控制外延生長條件，使成核層內(nèi)島狀晶核不同裸露面的生長速率不同，經(jīng)高溫退火后形成大小不一的顆粒狀晶核，接著，控制生長條件，使縱向生長速率(垂直于外延襯底平面的方向)高于橫向生長速率，從而在生長平面上形成凹凸不平的外延表面，并在此界面上完成后續(xù)外延結(jié)構(gòu)。通過這種方法，能夠使得襯底上這些凹凸不平的結(jié)構(gòu)逐層傳遞到LED器件的有源層上，使得LED器件的有源層表面依然有襯底表面上的這種凹凸不平的結(jié)構(gòu)，增加了有源層的有效發(fā)光面積。同時，與側(cè)向外延技術(shù)或圖形化襯底外延技術(shù)類似，這種結(jié)構(gòu)可以降低位錯密度。而且由于是控制晶體不同表面的生長速率，因而得到的凹凸不平的生長表面實際上是晶體不同晶面的體現(xiàn)，這些晶面一般是具有非極性或半極性的弱極性面，在這些弱極性的氮化鎵系材料表面生長的有源層多層材料的極性也會減弱，從而降低有源層的內(nèi)建電場。與傳統(tǒng)平整的有源層結(jié)構(gòu)相t匕。另外襯底表面上的這些凹凸不平島狀顆粒從尺寸、外觀和分布位置等方面都具有隨機性，這使得這一界面的光提取效率大大增加。與傳統(tǒng)的LED器件結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是
I、利用可控非平面型LED器件結(jié)構(gòu)，增大有源層的發(fā)光面積，在相同的注入電流條件下，其發(fā)光效率更高。2,LED器件有源層生長在弱極性面GaN上，能夠有效降低量子阱中的極化電場，從而提聞電子空穴波函數(shù)復合幾率，提聞內(nèi)量子效率。3,LED器件結(jié)構(gòu)的多層材料的生長機制與側(cè)向外延技術(shù)或圖形化襯底外延技術(shù)類似，這種結(jié)構(gòu)可以降低位錯密度，從而可提高晶體質(zhì)量。 4、襯底表面上的凹凸不平島狀顆粒從尺寸、外觀和分布位置等方面都具有隨機性，這使得這一界面的光提取效率大大增加。


附圖I為現(xiàn)有技術(shù)中一種圖形化外延片的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2和附圖3為本發(fā)明所述方法的工藝示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的一種弱極性面上氮化鎵基發(fā)光二極管外延片結(jié)構(gòu)及其制備方法的具體實施方式
做詳細說明。附圖2和附圖3所示為本發(fā)明所述方法的工藝示意圖，本發(fā)明所述的弱極性面上氮化鎵基發(fā)光二極管外延片結(jié)構(gòu)制備方法具體步驟如下
I)將圖形襯底11裝入反應室，在H2氣氛下加熱至1050°C以上對襯底進行熱處理10 20min ;接著降溫在500 650°C生長厚度15 IOOnm的成核層，材料為AlxInyGai_x_yN，其中O ^ X ^ 1,0 ^ Y ^ I02)在900 1100°C下，高溫退火處理，得到大量顆粒狀晶核12。3)控制生長條件，可通過適當降低生長溫度在800 1000°C之間，或增大壓強在300 500Torr之間，或減小V族源與III族源流量的比例在500 1500之間，來控制晶核的縱向生長速率(垂直于外延襯底平面)高于橫向生長速率(平行于外延襯底平面)，繼續(xù)未摻雜GaN層13的生長，使得相鄰顆粒狀晶核側(cè)向外延部分兩兩相結(jié)合。在外延生長面上形成有顯示出氮化鎵系半導體晶體不同晶面的凹凸不平的島狀結(jié)構(gòu)。4)接著在這些凹凸不平的島狀結(jié)構(gòu)上，在950 1050°C的H2下生長一層O. 5 3Mm的N型GaN層14，生長速率為I 3Mm/小時，所得到的N型GaN層具有與成核層一樣的表面結(jié)構(gòu)。5)接著降溫在700 900°C的N2氣氛下生長3 10個周期的InGaN/GaN多量子阱有源層15。使有源層也具有與N型GaN層一樣的表面結(jié)構(gòu)。6)在900 1100°〇的H2下生長一薄層10 50nm厚的摻鎂P型AlGaN層和一層較厚的摻鎂P型GaN層16，以及表面結(jié)構(gòu)層17，其中在生長P型GaN層時要通過控制生長溫度在1000 1100°C之間，壓強在50 200torr之間，V族源與III族源流量的比例在3000 5000之間來提高橫向生長速率，最終得到表面平整的外延片。7)完成后，將外延片在700 850°C的N2氣下退火10 20min，得氮化鎵基發(fā)光二極管外延片。以上外延片制備過程中所用的Ga、In、Mg、N、Si等源分別為高純的三甲基鎵(TMGa)，三甲基銦(TMIn )，三甲基鋁(TMAl)，二茂鎂(Cp2Mg)、NH3和硅烷(SiH4)等。 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種弱極性面上氮化鎵基發(fā)光二極管外延片結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，包括如下步驟 在圖形化襯底表面低溫生長成核層； 對成核層實施高溫退火，使其轉(zhuǎn)變成顆粒狀晶核，從而形成凹凸不平的表面； 在帶有顆粒狀晶核的生長襯底表面采用縱向生長速率大于橫向生長速率的外延工藝生長本征GaN層； 在本征GaN層表面依次生長N型GaN層、InGaN/GaN多量子阱有源層以及P型AlGaN層和摻鎂P型GaN層，從而形成具有非平面和弱極性面的LED有源層結(jié)構(gòu) 繼續(xù)采用縱向生長速率小于橫向生長速率的工藝生長表面結(jié)構(gòu)層，從而獲得平整的表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述成核層的厚度范圍是15 lOOnm，且表面連續(xù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述的成核層材料為AlxInyGai_x_yN，其中O ^ X ^ 1,0 ^ Y ^ I0
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，顆粒狀晶核的島直徑約為150nnT500nm之間，高度約為60nnT500nm之間，排列于圖形襯底突出形狀的周邊或圖形襯底凹陷形狀的凹陷處。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，本征GaN層的生長步驟中，是通過控制反應室溫度、壓強、反應源氣體組份的比例、以及載氣組份控制晶核的縱向生長速率高于橫向生長速率。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述圖形化襯底可以由A1203、GaN,SiC、Si、GaAs, LiAlO2, MgAl2O4, ScMgAlO4、或ZnO加工制作而成；圖形化襯底的圖形結(jié)構(gòu)可以是周期條形突出形狀，周期條形凹陷形狀，周期的球形凹陷結(jié)構(gòu)，周期的球形突出結(jié)構(gòu)，或是金字塔形結(jié)構(gòu)，襯底表面可以是晶體的極性面也可以是晶體的非極性面或半極性面。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述的P型摻雜劑選自Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra中的至少一種，所述N型摻雜劑選自C、Si、Ge、Sn、Pb、O、S、Se、Te、Po和Be中的至少一種。
8.一種采用權(quán)利要求I所述方法制備的半導體襯底，其特征在于，在圖形化襯底表面依次包括成核層、未摻雜的GaN層、N型GaN層、InGaN/GaN多量子阱有源層、P型AlGaN層、P型GaN層以及表面結(jié)構(gòu)層。
全文摘要
本發(fā)明在圖形化襯底表面低溫生長成核層，形成凹凸不平的表面，克服傳統(tǒng)LED器件結(jié)構(gòu)中由于有源層存在極強的極化場，使得量子阱的能帶發(fā)生傾斜，電子空穴波函數(shù)在空間上發(fā)生分離，使其輻射復合效率下降，從而降低LED內(nèi)量子效率的問題，提供一種晶體質(zhì)量較好，在弱極性面上實現(xiàn)非平面的有源層結(jié)構(gòu)的氮化鎵基發(fā)光二極管外延片結(jié)構(gòu)及其制備方法。從而提高LED的內(nèi)量子效率。
文檔編號H01L33/04GK102842660SQ201210293740
公開日2012年12月26日 申請日期2012年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月17日
發(fā)明者陳靜 申請人:馬鞍山圓融光電科技有限公司