CN101931036A - 一种氮化镓系发光二极管 - Google Patents

Abstract

一种氮化镓系发光二极管，包括：一衬底；一氮化镓成核层，该氮化镓成核层制作在衬底上；一缓冲层制作在成核层上；一n型接触层制作在缓冲层上，该n型接触层由n型氮化镓构成；一活性发光层制作在n型接触层上并覆盖所述n型接触层的部分表面，所述活性发光层是由铟镓氮薄层和氮化镓薄层交互层叠形成的多周期的量子阱结构构成；一p型电子阻挡层制作在活性发光层上，其下为氮化镓薄层，该p型电子阻挡层由铝镓氮构成；一p型铟镓氮插入层制作在p型电子阻挡层上；一p型接触层制作在p型铟镓氮插入层上，该p型接触层由p型氮化镓构成；一负电极制作在制作在n型接触层的台面上；一正电极制作在p型接触层上，完成氮化镓系发光二极管的制作。

Description

一种氮化镓系发光二极管

技术领域

本发明涉及一种氮化镓(GaN)系发光二极管，特别是涉及一种具有低温低铟组分p型铟镓氮插入层的氮化镓系发光二极管。

背景技术

目前III-V族半导体光电材料被誉为第三代半导体材料。而GaN系发光二极管，由于可以通过控制材料的组成来制作出各种色光(尤其是需要高能隙的蓝光或紫光)的发光二极管(简称为“LED”)，而成为业界研究的重点。

以GaN为基础的半导体材料或器件的外延生长目前主要采用MOCVD技术。在利用MOCVD技术生长氮化物半导体(GaN、AlN、InN及它们的合金氮化物)的工艺中，由于没有与GaN晶格匹配的衬底材料，故通常采用蓝宝石作为衬底进行异质外延。然而，在蓝宝石与氮化物半导体之间存在较大的晶格失配(-13.8％)和热膨胀系数的差异，于是生长没有龟裂、表面平整的高质量氮化物半导体非常困难。目前最有效的外延生长方法通常采用两步外延生长法(参见H.Amano，N.Sawaki和Y.Toyoda等，“使用AlN缓冲层的高质量GaN薄膜的金属有机气相外延生长”，Appl.Phys.Lett.48(5)，353(1986)；S.Nakanura等，“具有GaN缓冲层的高质量的p型GaN:Mg薄膜的生长”，Jpn.J.Appl.Phys.30，L1708(1991)；以及中国专利No.CN1508284A)，该方法主要包括如下步骤：先在低温下(如500℃)生长一层很薄的成核层；然后升温退火，在该成核层上直接生长未掺杂的GaN缓冲层；接着在该缓冲层上，生长n型GaN欧姆接触层；然后在700℃至850℃的温度下生长InGaN/GaN多量子阱(MQWs)有源层；在GaN量子垒生长结束后接着在1000℃左右的高温下，生长p型AlGaN电子阻挡层；最后生长p型GaN欧姆接触层，制作p型欧姆接触透明电极和n型欧姆接触电极。

然而，上述LED生长技术存在正向工作电压高以及发光强度没有显著增强的缺陷。造成上述问题的主要原因包括如下三个方面。首先，AlGaN的晶格常数与InGaN/GaN多量子阱的晶格常数的差异较大，而它们之间的晶格失配会在InGaN/GaN多量子阱有源区内产生很大的压应力。晶格失配造成的压应力一方面会因具有较强压电特性的III族氮化物而在多量子阱有源区内形成较大的压应变电场(即压电场效应(piezo-electrical field effect))，而压电场效应的存在将使得电子与空穴的波函数在空间上分离，从而引起辐射复合强度的减弱。此外，上述压应变造成的机械应力还会进一步劣化外延层的质量，从而对器件的发光强度产生影响。

更为主要的是，由于p型AlGaN和p型GaN接触层中Mg的激活能都比较大(一般pAlGaN为215meV，pGaN为175eV)，常温下只有少量的Mg被激活，空穴浓度很低。这样造成的直接结果是pn结结区位置大部分落在p型区内，而活性发光层因为垒层掺杂成为n型区，只有少量的量子阱位于pn结区内参与发光，因此发光强度不大。要使LED的发光强度增大，就要增加参与发光的量子阱个数，即调节pn结位置向n区移动，唯一可行的办法就是增加p区的空穴浓度。

我们在p型铝镓氮电子阻挡层之后插入p型铟镓氮，一方面因为Mg在铟镓氮中的激活能比较低，常温下可以产生更多的空穴；另一方面，因为铟镓氮和铝镓氮之间晶格差异更大，由于压应变会在界面处产生很高的空穴浓度，两方面的作用使得p区空穴浓度得到增加，从而调节pn结的位置向n区移动，使得参与发光的量子阱数量增加。值得注意的是该p型铟镓氮插入层的铟组分不能过高，否则有源区发出的光将被该层强烈吸收，使得发光效率降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮化镓系发光二极管，其可以调节pn结结区位置、增加参与发光的量子阱周期数，使得发光二极管的发光强度增加。

本发明提供一种氮化镓系发光二极管，其包括：

一衬底；

一氮化镓成核层，该氮化镓成核层制作在衬底上；

一缓冲层，该缓冲层制作在氮化镓成核层上；

一n型接触层，该n型接触层制作在缓冲层上，该n型接触层由n型氮化镓构成；

一活性发光层，该活性发光层制作在n型接触层上并覆盖所述n型接触层一侧的部分表面，使该n型接触层的另一侧形成一台面，所述活性发光层是由铟镓氮薄层和氮化镓薄层交互层叠形成的多周期的量子阱结构构成；

一p型电子阻挡层，该p型电子阻挡层制作在活性发光层的氮化镓薄层上，该p型电子阻挡层由铝镓氮构成；

一p型铟镓氮插入层，该p型铟镓氮插入层制作在p型电子阻挡层上；

一p型接触层，该p型接触层制作在p型铟镓氮插入层上，该p型接触层由p型氮化镓构成；

一负电极，该负电极制作在n型接触层的台面上；

一正电极，该正电极制作在p型接触层上，完成氮化镓系发光二极管的制作。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图和具体实施方式对本发明进行更详细的说明，其中：

图1是根据本发明的具有p型铟镓氮插入层的GaN系发光二极管。

图2是现有的以及根据本发明的氮化镓系发光二极管的正向注入电流与发光强度I-L曲线，其中方块线条为本发明的具有p型铟镓氮插入层的氮化镓系LED；三角线条为现有的没有p型铟镓氮插入层的氮化镓系LED。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种氮化镓系发光二极管，其包括：

一衬底11，以(0001)向蓝宝石(Al₂O₃)为衬底11，其他可用于衬底11的材质还包括R-面或A-面的氧化铝单晶、6H-SiC、4H-SiC、或晶格常数接近于氮化物半导体的单晶氧化物。制备中采用高纯NH₃作N源，高纯H₂和N₂的混合气体作载气；三甲基镓或三乙基镓作Ga源，三甲基铟作In源，三甲基铝作Al源；n型掺杂剂为硅烷，p型掺杂剂为二茂镁。

一氮化镓成核层12，该氮化镓成核层12制作在衬底11上。生长参数包括：反应温度500℃至800℃，反应腔压力200至500Torr，载气流量10-30升/分钟，三甲基镓流量20-250微摩尔/分钟，氨气流量20-80摩尔/分钟，生长时间1-10分钟；

一缓冲层13，该缓冲层13制作在氮化镓成核层12上。生长参数包括：反应温度950-1180℃，反应腔压力76-250Torr，载气流量5-20升/分钟，三甲基镓流量为80-400微摩尔/分钟，氨气流量为200-800摩尔/分钟，生长时间20-60分钟；

一n型接触层14，该n型接触层14制作在缓冲层13上，该n型接触层14由n型氮化镓构成。生长参数包括：反应温度950-1150℃，反应腔压力76-250Torr，载气流量5-20升/分钟，三甲基镓流量80-400微摩尔/分钟，氨气流量200-800摩尔/分钟，硅烷流量0.2-2.0纳摩尔/分钟，生长时间10-40分钟；

一活性发光层15，该活性发光层15制作在n型接触层14上并覆盖所述n型接触层14一侧的部分表面，使该n型接触层14的另一侧形成一台面141，所述活性发光层15是由铟镓氮薄层151和氮化镓薄层152交互层叠形成的多周期的量子阱结构构成。生长参数包括：GaN薄层(即垒层152)：反应温度700-900℃，反应腔压力100-500Torr，载气流量5-20升/分钟，氨气流量200-800摩尔/分钟，三甲基镓流量0.1-1.0微摩尔/分钟，硅烷流量0-2.0纳摩尔/分钟，时间0.1-5分钟；InGaN薄层(即阱层151)：反应温度700-850℃，反应腔压力100-500Torr，载气流量5-20升/分钟，氨气流量200-800摩尔/分钟，三甲基镓流量0.1-1.0微摩尔/分钟，三甲基铟流量10-50微摩尔/分钟，时间0.1-5分钟；多量子阱周期数为4至15；

一p型电子阻挡层16，该p型电子阻挡层16制作在活性发光层15上，该p型电子阻挡层16由铝镓氮构成。所述p型电子阻挡层16的厚度为10-50nm，并且所述p型电子阻挡层16的下表面与所述活性发光层15中的镓氮薄层152接触。生长参数包括：反应温度700-1000℃，反应腔压力50-200Torr，载气流量5-20升/分钟，氨气流量100-400摩尔/分钟，三甲基铝流量20-100微摩尔/分钟，三甲基镓流量80-200微摩尔/分钟，二茂镁流量为150-400纳摩尔/分钟，时间1-10分钟。

其中所述p型电子阻挡层16以二茂镁为p型掺杂剂，并且二茂镁的掺杂浓度为10¹⁹-10²¹cm^-3。

一p型铟镓氮插入层17，该p型铟镓氮插入层17制作在p型电子阻挡层16上；所述p型铟镓氮插入层17为低温低铟组分的p型In_xGa_1-xN，其中铟组分0＜x＜0.1，其生长温度为600℃-900℃。所述p型铟镓氮插入层17的具体生长条件如下：反应温度600-900℃，反应腔压力100-500Torr，载气流量5-20升/分钟，氨气流量200-800摩尔/分钟，三甲基铟流量10-50微摩尔/分钟，三甲基镓流量0.1-1.0微摩尔/分钟，二茂镁流量为150-400纳摩尔/分钟，时间5-20分钟。

其中p型铟镓氮插入层17以二茂镁为p型掺杂剂，并且二茂镁的掺杂浓度为10¹⁹-10²¹cm^-3。

本发明中的p型铟镓氮插入层17的生长温度优选为600-900℃，低于p型铝镓氮电子阻挡层16的生长温度。本发明中的p型铟镓氮插入层(PIn_xGa_1-xN)17其铟组分应当在0＜x＜0.1。若铟组分过高，一方面由于生长温度低，铟镓氮外延层质量劣化，影响其后的外延层生长；另一方面，更多的铟组分使得该层的带隙变窄，对有源区发出的光产生强烈吸收，使得发光强度降低。

本发明中的p型铟镓氮插入层17的厚度优选为10-100纳米。当p型铟镓氮插入层17的厚度小于10纳米时，其中产生的空穴数量有限，不足以起到调整pn结结区的作用；当p型铟镓氮插入层17的厚度超过100纳米时，因低温生长质量差，意向其后的外延层质量，从而影响发光二极管的发光效率。

本发明通过在p型电子阻挡层16与p型氮化镓接触层18之间生长具有一定厚度的低温低铟组分p型铟镓氮插入层17，获得了发光强度和反向击穿电压得到较大提高的GaN系发光二极管。主要原因在于如下两个方面：

首先，在p型电子阻挡层16与p型氮化镓接触层18之间生长具有一定厚度的低温低铟组分p型铟镓氮插入层17，由于p型电子阻挡层16与p型铟镓氮插入层17之间晶格差异比较大，压应变产生的应力场导致界面处能带发生很大的弯曲，从而在界面处形成二维空穴气，以弥补p型电子阻挡层16中Mg激活能高的不足。

其次，由于p型氮化镓接触层18中Mg的激活能依然很高，常温下只有约1％的Mg被激活，因此空穴浓度不高。插入p型铟镓氮层17后，由于铟镓氮层17中Mg的激活能相对较低，常温下可以产生更高的空穴浓度，因此可以起到调节pn结结区的作用。但是不可能完全用p型铟镓氮插入层17来替代p型氮化镓接触层18，这是因为p型铟镓氮插入层17的生长温度较低，晶体质量不够好，外延层中仍有很高密度的穿透位错，使得器件的发光特性和漏电特性大打折扣。

一p型接触层18，该p型接触层18制作在p型铟镓氮插入层17上，该p型接触层18由p型氮化镓构成。生长参数包括：反应温度950-1100℃，反应腔压力200-500Torr，载气流量5-20升/分钟，氨气流量200-800摩尔/分钟，三甲基镓流量80-400微摩尔/分钟，二茂镁流量为0.5-5微摩尔/分钟，时间10-50分钟。

一负电极19，该负电极19制作在n型接触层14的台面141上。

一正电极20，该正电极20制作在p型接触层18上，由铬铂金组成。完成氮化镓系发光二极管的制作。

图2所示为根据本发明的具有p型铟镓氮插入层17的氮化镓系发光二极管与传统工艺没有p型铟镓氮插入层17的氮化镓系发光二极管的发光特性对比。其中方块线条为本发明的具有p型铟镓氮插入层17的氮化镓系LED；三角线条为现有的没有p型铟镓氮插入层17的氮化镓系LED。由图2中可以看出，与传统结构的LED相比，在同样的注入电流条件下，本发明的LED结构具有发光强度大，饱和电流高等特点。在保证器件工艺相同的情况下，发光强度的增强，说明发光二极管的内量子效率得到了有效的提高。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种氮化镓系发光二极管，其包括：

一衬底；

一氮化镓成核层，该氮化镓成核层制作在衬底上；

一缓冲层，该缓冲层制作在氮化镓成核层上；

一n型接触层，该n型接触层制作在缓冲层上，该n型接触层由n型氮化镓构成；

一活性发光层，该活性发光层制作在n型接触层上并覆盖所述n型接触层一侧的部分表面，使该n型接触层的另一侧形成一台面，所述活性发光层是由铟镓氮薄层和氮化镓薄层交互层叠形成的多周期的量子阱结构构成；

一p型电子阻挡层，该p型电子阻挡层制作在活性发光层的氮化镓薄层上，该p型电子阻挡层由铝镓氮构成；

一p型铟镓氮插入层，该p型铟镓氮插入层制作在p型电子阻挡层上；

一p型接触层，该p型接触层制作在p型铟镓氮插入层上，该p型接触层由p型氮化镓构成；

一负电极，该负电极制作在n型接触层的台面上；

一正电极，该正电极制作在p型接触层上，完成氮化镓系发光二极管的制作。

2.如权利要求1所述的氮化镓系发光二极管，其中p型铟镓氮插入层为低温低铟组分的p型In_xGa_1-xN，其中In组分0＜x＜0.1，其生长温度为600℃-900℃。

3.如权利要求1或2所述的氮化镓系发光二极管，其中p型铟镓氮插入层的厚度为10nm-100nm。

4.如权利要求1或2所述的氮化镓系发光二极管，其中p型铟镓氮插入层以二茂镁为p型掺杂剂，并且二茂镁的掺杂浓度为10¹⁹-10²¹cm^-3。

5.如权利要求1所述的氮化镓系发光二极管，其中活性发光层的周期数为4-15，该活性发光层的总厚度为30-200nm，其中每一氮化镓薄层的厚度为4-20nm；每一铟镓氮薄层的厚度为1-4nm，铟镓氮薄层由In_xGa_1-xN所构成，其中0.1＜x＜0.3。

6.如权利要求1所述的氮化镓系发光二极管，其中p型电子阻挡层的生长温度为700℃-1000℃，厚度为10-50nm。

7.如权利要求1或6所述的氮化镓系发光二极管，其中p型电子阻挡层由p型Al_xGa_1-xN构成，其中0.1≤x＜0.2。

8.如权利要求1所述的氮化镓系发光二极管，其中所述p型电子阻挡层以二茂镁为p型掺杂剂，并且二茂镁的掺杂浓度为10¹⁹-10²¹cm^-3。

9.如权利要求1所述的氮化镓系发光二极管，其中衬底由C-面、R-面或A-面的氧化铝单晶、6H-SiC、4H-SiC或晶格常数接近于氮化物半导体的单晶氧化物所制成。

Images