氮化鎵基發(fā)光二極管及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高光效氮化鎵基發(fā)光二極管及其制備方法，屬于光電器件制備領(lǐng)域，該LED在大電流注入下能維持較高的光電轉(zhuǎn)換效率，降低Droop效應。其具體結(jié)構(gòu)包含MOCVD技術(shù)生長的底層、發(fā)光層及分子束外延技術(shù)生長的p型層兩部分，即：MOCVD技術(shù)生長鎵極性緩沖層、非摻氮化物層、N型氮化物層、多量子阱發(fā)光層；然后將樣品轉(zhuǎn)移至分子束外延設(shè)備反應室，生長氮極性電子阻擋層、P型氮化物層及P型氮化物接觸層。該方法能夠降低電子阻擋層與多量子阱發(fā)光層之間由于極化造成的能帶彎曲，不僅能增加電子過沖到P型層的勢壘高度，而且能降低空穴注入到多量子阱區(qū)的勢壘。
【專利說明】
氮化鎵基發(fā)光二極管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及半導體光電器件制備領(lǐng)域，尤其涉及一種高光效氮化鎵基LED的制備技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]寬禁帶II1-V族半導體材料的迅猛發(fā)展使得高亮度發(fā)光二極管實現(xiàn)了綠光到近紫外產(chǎn)品的商業(yè)化。但目前商業(yè)化的LED大部分采用MOCVD技術(shù)在藍寶石、碳化硅或者硅襯底上生長001面的氮化物制備而成，并且表面都是鎵極性面。
[0003]圖1顯示了常規(guī)商業(yè)化鎵極性氮化鎵基LED結(jié)構(gòu)圖，其中多量子阱發(fā)光層104與電子阻擋層105之間由于晶格常數(shù)的差異，存在較強的極化場。圖2顯示了常規(guī)商業(yè)化鎵極性氮化鎵基LED能帶結(jié)構(gòu)圖，電子阻擋層104由于受到張應變在界面處產(chǎn)生正電荷，導致能帶向下彎曲，使電子阻擋層在導帶的有效勢皇高度降低，在價帶的有效勢皇升高，不僅降低了電子阻擋層對電子的阻擋能力，而且使P型一側(cè)空穴注入到多量子阱發(fā)光層的勢皇升高。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是:提供一種高光效氮化鎵基LED及其制備方法，其能夠減弱能帶彎曲效應，在提升電子阻擋能力的同時，減弱對空穴的阻擋，提升器件光電轉(zhuǎn)換效率。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:氮化鎵基發(fā)光二極管，包括:一N型氮化物層、一鎵極性發(fā)光層、一氮極性電子阻擋層、一 P型氮化物層、一 P型氮化物接觸層，所述氮極性電子阻擋層與鎵極性發(fā)光層之間的極化反轉(zhuǎn)設(shè)計能夠降低極化造成的能帶彎曲，不僅能增加電子過沖到P型氮化物層的勢皇高度，而且能降低空穴注入到多量子阱區(qū)的勢皇。
[0006]優(yōu)選的，所述低溫緩沖層至多量子阱發(fā)光層部分均采用MOCVD技術(shù)生長，然后將襯底轉(zhuǎn)移至分子束外延反應室生長氮極性電子阻擋層、P型氮化物層及P型氮化物接觸層。
[0007]在上述方法中，分子束外延技術(shù)生長氮極性電子阻擋層時為富氮的條件，即到達襯底表面的III族源摩爾量小于V族源的摩爾量。
[0008]進一步地，分子束外延技術(shù)生長氮極性電子阻擋層的溫度為700?100tC，優(yōu)選地，為?850°C。
[0009]進一步地，氮極性電子阻擋層可以是體材料，也可以是超晶格結(jié)構(gòu)，組分或者摻雜可以是恒定不變，也可以是漸變的。
[0010]進一步地，P型氮化物層及P型氮化物接觸層可以是氮極性，也可以是鎵極性，也可以是兩者的組合。
[0011]進一步地，采用分子束外延技術(shù)生長氮極性電子阻擋層，實現(xiàn)較為容易，不需要進行MOCVD技術(shù)中的Mg調(diào)制技術(shù)，與多量子阱發(fā)光層的界面更陡峭，并具有較寬的生長窗口。
[0012]進一步地，采用分子束外延技術(shù)生長氮極性電子阻擋層、P型氮化物層及P型氮化物接觸層時為高真空條件，反應室潔凈度較高，并且為單質(zhì)源，沒有H等元素的引入，Mg元素的活化效率更高。
[0013]進一步地，p型氮化物層及p型氮化物接觸層也可以采用富鎵的生長條件，即到達襯底表面的III族源摩爾量大于V族源的摩爾量。
[0014]進一步地，氮極性電子阻擋層由于極性發(fā)生變化，導致與多量子阱發(fā)光層界面處極化電荷由正極化電荷變?yōu)樨摌O化電荷，能帶向下彎曲減弱，使電子阻擋層對電子阻擋能力增強，但對空穴阻擋能力減弱。
[0015]進一步地，上述方法能從阻擋電子和提升空穴注入兩方面提升器件的光效，改善droop效應。
[0016]本發(fā)明采用氮極性面的電子阻擋層，使與多量子阱發(fā)光層界面處的極化電荷由正電荷變?yōu)樨撾姾桑瑴p弱了能帶彎曲效應，在提升電子阻擋能力的同時，減弱對空穴的阻擋，提升器件光電轉(zhuǎn)換效率。另外，分子束外延技術(shù)反應室的潔凈度較高，使各層界面比較陡峭，有利于器件性能提升。
【附圖說明】
[0017]圖1為常規(guī)商業(yè)化鎵極性氮化鎵基LED結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖2為常規(guī)商業(yè)化鎵極性氮化鎵基LED能帶結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖3為采用本發(fā)明制備的一種高光效氮化鎵基LED側(cè)視圖。
[0020]圖4為本發(fā)明制備的一種高光效氮化鎵基LED能帶結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖5為本發(fā)明公開的另一LED結(jié)構(gòu)圖。
[0022]圖中各標號表示如下:
100襯底;
101鎵極性低溫緩沖層；
102鎵極性非摻氮化物層；
103鎵極性N型氮化物層；
104鎵極性多量子講發(fā)光層；
105鎵極性電子阻擋層；
106鎵極性P型氮化物層；
107鎵極性P型氮化物接觸層 205氮極性電子阻擋層；
206氮極性P型氮化物層；
207氮極性P型氮化物接觸層。
【具體實施方式】
[0023]為使本發(fā)明一種高光效氮化鎵基LED及其制備方法更易于理解其實質(zhì)性特點及其所具的實用性，下面便結(jié)合附圖對本發(fā)明若干具體實施例作進一步的詳細說明。但以下關(guān)于實施例的描述及說明對本發(fā)明保護范圍不構(gòu)成任何限制。
[0024]實施例1.本發(fā)明提供一種高光效氮化鎵基LED及其制備方法，制備工藝主要包含以下步驟:
附圖3示意了采用本發(fā)明制備的一種高光效氮化鎵基LED，從下至上依次為:襯底100、鎵極性低溫緩沖層101、鎵極性非摻氮化物層102、鎵極性N型氮化物層103、鎵極性多量子阱發(fā)光層104、氮極性電子阻擋層205、氮極性P型氮化物層206、氮極性P型氮化物接觸層207。
[0025]圖4顯示了上述高光效氮化鎵基LED能帶結(jié)構(gòu)圖。與圖2所示的常規(guī)商業(yè)化鎵極性氮化鎵基LED能帶結(jié)構(gòu)圖對比，上述結(jié)構(gòu)中氮極性電子阻擋層205由于極性發(fā)生變化，導致與多量子阱發(fā)光層104界面處極化電荷由正極化電荷變?yōu)樨摌O化電荷，能帶向下彎曲減弱，使電子阻擋層對電子阻擋能力增強，但對空穴阻擋能力減弱。上述LED結(jié)構(gòu)能從阻擋電子和提升空穴注入兩方面提升器件的光效，改善droop效應。
[0026]下面結(jié)合制備方法對上述氮化鎵基LED進行詳細說明。
[0027]采用常規(guī)MOCVD技術(shù)于襯底100上生長鎵極性低溫緩沖層101、鎵極性非摻氮化物層102、鎵極性N型氮化物層103、鎵極性多量子阱發(fā)光層104后，將襯底轉(zhuǎn)移至分子束外延反應室中生長氮極性電子阻擋層205、氮極性P型氮化物層206和氮極性P型氮化物接觸層207。其中襯底100可選用藍寶石、碳化硅或者硅襯底;鎵極性低溫緩沖層101可以為氮化鎵、氮化鋁、或鋁鎵氮結(jié)合，膜厚在5?10nm之間；鎵極性非摻氮化物層102的膜厚在300?7000nm之間，優(yōu)選3500nm;(鎵極性N型氮化物層103的厚度大于Ιμπι;鎵極性多量子阱發(fā)光層104以InGaN作為阱層、以GaN或AlGaN或二者組合作為皇層構(gòu)成，其中皇層厚度在3~150nm之間、阱層厚度在I?20nm之間。
[0028](I)生長氮極性電子阻擋層205
在本實施例中，在富氮的條件采用分子束外延技術(shù)生長氮極性電子阻擋層205，即到達襯底表面的III族源摩爾量小于V族源的摩爾量。具體為:在N源打開條件下升溫至?850°C，具體生長條件為:采用N源激發(fā)功率為500胃，％流量為1.5 sccm，等效束流為?1.0E-7Torr，對應反應室壓力為I?2E-5 Torr;采用Ga源的等效束流為5?7E-8 Torr，優(yōu)選地為?7E-
8Torr,Al的等效束流為3?5E_8 Torr，V/III比為?0.7，為富氮條件，確保到達襯底表面的III族源摩爾量小于V族源的摩爾量。生長得到的電子阻擋層205A1組分為10~30%，優(yōu)選地為?20%，厚度為500?1500A。
[0029]上述氮極性電子阻擋層205可以是AlGaN層的體材料，也可以是AlGaN/GaN的超晶格結(jié)構(gòu)，Al組分可以恒定的，也可以漸變的，也可以進行Mg源的摻雜。
[0030](2)生長氮極性P型氮化物層206
氮極性P型氮化物層的生長條件為:生長溫度為750?1050°C，優(yōu)選地為?870°C，采用對原激發(fā)功率為500W，N2流量為1.5 sccm，等效束流為?1.0E-7 Torr，對應反應室壓力為I?2E-5Torr。采用的Ga源的等效束流為6?9E-8 Torr，優(yōu)選地為?8.5E-8 Torr，Mg的等效束流為0.5?IE-9 Torr，V/III比為?0.85，厚度為400?1500A，摻雜濃度為0.7?1E19 /cm3。
[0031 ] (3)生長氮極性P型氮化物接觸層207
氮極性P型氮化物接觸層的生長條件為:生長溫度為700?950°C，優(yōu)選地為?700°C，采用N源激發(fā)功率為500胃，他流量為1.5 sccm，等效束流為?1.0E-7 Torr，對應反應室壓力為I?2E-5 Torr。采用的Ga源的等效束流為6?9E-8 Torr，優(yōu)選地為?8.5E-8 Torr，Mg的等效束流為3~8E-9 Torr，V/III比為?0.85，厚度為10?100A，摻雜濃度為0.7?1E20 /cm3。
[0032]采用上述方法制備的氮極性電子阻擋層由于極性發(fā)生變化，導致與多量子阱發(fā)光層界面處極化電荷由正極化電荷變?yōu)樨摌O化電荷，能帶向下彎曲減弱，使電子阻擋層對電子阻擋能力增強，但對空穴阻擋能力減弱，改善器件的Droop效應。同時，采用分子束外延技術(shù)生長P型層使多量子阱區(qū)與P型層之間的界面更陡峭，而且生長溫度較MOCVD技術(shù)低?100°c左右，對于多量子阱區(qū)的溫度破壞較輕，能夠防止多量子阱區(qū)的銦揮發(fā)，提升多量子阱區(qū)的內(nèi)量子效率。
[0033]實施例2
本實施例區(qū)別于實施例1在于:P型氮化物層及P型氮化物接觸層是鎵極性的。在氮極性電子阻擋層后采用鎵極性的P型氮化物層、P型氮化物接觸層能夠使器件表面更為平整，有利于后續(xù)芯片工藝電極制備，如圖5。
[0034]在本實施例中，同樣先采用常規(guī)MOCVD技術(shù)于襯底100上生長鎵極性低溫緩沖層101、鎵極性非摻氮化物層102、鎵極性N型氮化物層103、鎵極性多量子阱發(fā)光層104后，將襯底轉(zhuǎn)移至分子束外延反應室中生長氮極性電子阻擋層205、鎵極性P型氮化物層306和鎵極性P型氮化物接觸層307。其中氮極性電子阻擋層205在富氮條件下生長，其具體條件可參照實施例1，鎵極性P型氮化物層306和鎵極性P型氮化物接觸層307在富鎵條件下生長，具體如下。
[0035](I)生長鎵極性P型氮化物層306
鎵極性P型氮化物層的生長條件為:生長溫度為750?1050°C，優(yōu)選地為?870°C，采用對原激發(fā)功率為500胃，吧流量為1.5 sccm，等效束流為?1.0E-7 Torr，對應反應室壓力為I?2E-5 Torr。采用的Ga源的等效束流為9?15E-8 Torr，優(yōu)選地為?1.3E_7 Torr，Mg的等效束流為
0.5?1.2E-9 Torr，V/III比為?1.3，厚度為400~150(^，摻雜濃度為0.7~比19 /cm30
[0036](2)生長鎵極性p型氮化物接觸層307
鎵極性P型氮化物接觸層的生長條件為:生長溫度為700?950°C，優(yōu)選地為?700°C，采用咐原激發(fā)功率為500胃，吧流量為1.5 sccm，等效束流為?1.0E-7 Torr，對應反應室壓力為I?2E-5 Torr。采用的Ga源的等效束流為9?15E-8 Torr，優(yōu)選地為?1.3E_7 Torr，Mg的等效束流為5?9E-9 Torr，V/III比為?1.3，厚度為10~10(^，摻雜濃度為0.7~比20 /cm3。
[0037]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。
【主權(quán)項】
1.氮化鎵基發(fā)光二極管，依次包括:N型氮化物層、發(fā)光層、電子阻擋層、P型氮化物層和P型氮化物接觸層，其特征在于:發(fā)光層為鎵極性氮化物層，電子阻擋層為氮極性氮化物層，所述氮極性電子阻擋層與鎵極性發(fā)光層之間的極化反轉(zhuǎn)降低極化造成的能帶彎曲。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基發(fā)光二極管，其特征在于:所述P型電子阻擋層由于極性發(fā)生變化，導致與發(fā)光層界面處極化電荷由正極化電荷變?yōu)樨摌O化電荷，使能帶向下彎曲減弱，使電子阻擋層對電子阻擋能力增強，但對空穴阻擋能力減弱。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基發(fā)光二極管，其特征在于:所述N型氮化物層為鎵極性氮化物層。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基發(fā)光二極管，其特征在于:p型氮化物層與P型氮化物接觸層是氮極性、鎵極性或者氮極性與鎵極性的組合。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基發(fā)光二極管，其特征在于:所述N型氮化物層、發(fā)光層采用MOCVD外延技術(shù)形成，所述電子阻擋層、P型氮化物層和P型氮化物接觸層采用分子束外延技術(shù)形成。6.氮化鎵基發(fā)光二極管的制備方法，依次形成N型氮化物層、發(fā)光層、電子阻擋層、P型氮化物層和P型氮化物接觸層，其特征在于:所述形成的發(fā)光層為鎵極性，所述形成的電子阻擋層為氮極性，所述氮極性電子阻擋層與鎵極性發(fā)光層之間的極化反轉(zhuǎn)降低極化造成的能帶彎曲。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氮化鎵基發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于:采用MOCVD技術(shù)生長N型氮化物層和發(fā)光層，采用分子束外延技術(shù)生長氮極性電子阻擋層。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氮化鎵基發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于:在富氮的條件下，采用分子束外延技術(shù)生長氮極性電子阻擋層，即到達襯底表面的V族源摩爾量大于III族源的摩爾量。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氮化鎵基發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于:采用分子束外延技術(shù)生長氮極性電子阻擋層、P型氮化物層及P型氮化物接觸層。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的氮化鎵基發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于:在富氮的生長條件，采用分子束外延技術(shù)生長氮極性電子阻擋層、P型氮化物層及P型氮化物接觸層，即到達襯底表面的V族源摩爾量大于III族源的摩爾量。11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氮化鎵基發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于:在富鎵的生長條件，生長P型氮化物層及P型氮化物接觸層，即到達襯底表面的III族源摩爾量大于V族源的摩爾量。12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氮化鎵基氮的制備方法，其特征在于:采用分子束外延技術(shù)生長氮極性電子阻擋層的溫度為700?100tC。
【文檔編號】H01L33/06GK105826440SQ201610350604
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】張東炎, 劉 文, 葉大千, 劉曉峰, 高文浩, 王篤祥
【申請人】天津三安光電有限公司