CN105449051B - 一种采用MOCVD技术在GaN衬底或GaN/Al2O3复合衬底上制备高亮度同质LED的方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种采用MOCVD技术在GaN衬底或GaN/Al₂O₃复合衬底上制备具有新型空穴扩展层结构的同质LED的方法。具体方案:在InGaN/GaN多量子阱有源层和p‑GaN层之间，优化设计其中Al组分、In组分以及p型掺杂浓度随生长厚度或周期增加而梯度变化的空穴扩展层：如组分及掺杂渐变的单层p‑AlInGaN空穴扩展层；或多周期组分及掺杂渐变p‑AlInGaN/AlGaN超晶格结构空穴扩展层；或多周期组分及掺杂渐变p‑InGaN/GaN/AlGaN超晶格结构空穴扩展层；或多周期组分及掺杂渐变p‑AlInGaN/InGaN/AlGaN超晶格结构空穴扩展层；通过优化生长所述空穴扩展层的方法，改善LED电流扩展效果，有效提高同质LED发光效率。本发明看好其应用前景。

Description

一种采用MOCVD技术在GaN衬底或GaN/Al2O3复合衬底上制备高 亮度同质LED的方法

技术领域

本发明涉及半导体光电子技术领域，一种同质衬底发光二极管的制作方法，尤其涉及一种采用MOCVD(金属有机化合物气相外延)技术制备具有新型结构的 p型扩展层(空穴扩展层)的高亮度同质LED的方法。

背景技术

近年来，具有优异物理化学性质的III族氮化物材料的研究与开发已成为当前发展最迅猛的产业之一，并在蓝光和白光发光二极管(LEDs)、激光二极管(LDs)、高密度信息存储、高电子迁移率晶体管以及高性能探测器件等方面已取得重大进展。然而，沿用至今的以二步生长法为核心的异质外延方法，异质衬底和外延层之间的晶格失配和热失配导致材料中存在很高的缺陷密度，严重制约了氮化物半导体材料质量和器件性能的进一步提高和新型器件的研发。若采用GaN 衬底或GaN/Al₂O₃复合衬底等同质衬底实现同质外延，不仅可以解决氮化物外延材料缺陷密度高、难以解理、器件可靠性差等问题，而且可以发展垂直结构的新型同质LED大幅度提高器件性能，并避开现有二步生长法相关的国际专利壁垒。因此，国际上一般认为：谁先解决GaN同质衬底外延中关键的科学和技术问题，并实现产业化生产，将会占据未来III族氮化物半导体研究和产业化的战略制高点。对于GaN基LED的器件而言，其量子阱、异质结构载流子限制效应以及量子限制斯塔克效应(QCSE)将对内量子效率起着重要的影响。LED的注入效率定义为在一定注入条件下，单位时间内注入到发光区中产生复合的载流子数与注入载流子总数之比。提高载流子注入效率的方法主要是提高空穴的注入和降低电子的泄漏。为此，需主要优化空穴扩展层，同时，优化量子阱的结构及界面，减少溢流和表面复合，降低漏电通道。

发明内容

本发明提供一种采用MOCVD技术在GaN衬底或GaN/Al₂O₃复合衬底上制备高亮度同质LED的方法。通过设计新型的LED结构，在InGaN/GaN多量子阱有源区和p-GaN之间，优化生长Al组分、In组分以及p掺杂梯度变化的空穴扩展层(p 型扩展层)，以改善水平方向空穴扩展，使空穴均匀注入有源区。进而实现提高同质LED发光效率的目的。

本发明的技术解决方案：在同质LED有源层和p-GaN之间引入优化的空穴扩展层(p型扩展层)。通过优化设计p型扩展层结构参数(如各层的生长厚度、 Al组分、In组分、Mg的掺杂浓度等参数)，优化生长空穴扩展层：如采用Al组分和In组分以及p掺杂渐变的单层p-AlInGaN空穴扩展层；或Al组分和In 组分以及p掺杂渐变的多周期p-AlInGaN/AlGaN超晶格结构或量子阱结构空穴扩展层；或非对称Al组分和In组分以及p掺杂渐变的多周期p-InGaN/GaN/AlGaN 超晶格结构或量子阱结构空穴扩展层；或非对称Al组分和In组分以及p掺杂渐变的多周期p-AlInGaN/GaN/AlGaN超晶格结构空穴扩展层。通过优化生长所述空穴扩展层(p型扩展层)的方法，改善LED电流扩展效果，从而有效提高同质LED发光效率。该方法包括以下步骤：

步骤一，将GaN衬底或GaN/Al₂O₃复合衬底放入金属有机化合物气相外延反应室中，在氢气(H₂)气氛下，升温至700℃，向反应室中通入NH3，保护GaN衬底或GaN/Al₂O₃复合衬底，升温至1050℃，在反应室压力100torr-300torr，在 H₂气氛下，生长2-4微米厚n-GaN层；

步骤二，在氮气(N₂)气氛下，在820℃，生长5-10个周期的 n-In_x1Ga_1-x1N/GaN(0<x₁≤x，0<x≤0.15)超晶格电流扩展层,其中电流扩展层中In 组分小于有源区中In组分，；在N₂气氛下，在750℃至850℃，生长5-10周期 In_xGa_1-xN/GaN(0<x≤0.15)多量子阱有源层；在有源层之上，在H₂、N₂混合气氛下，在780℃-850℃，生长Al组分、In组分以及p掺杂梯度变化的超晶格空穴扩展层,优化的空穴扩展层结构如下：

(1)空穴扩展层为p-Al_y1In_x1Ga_1-y1-x1N(0<y₁≤0.15，0<x₁≤x)单层结构，单层厚度15nm-30nm，其中Al组分、In组分以及p型掺杂浓度随空穴扩展层生长厚度的增加而梯度变化。

(2)空穴扩展层为多周期(周期数为1至10)p-Al_y2In_x2Ga_1-x2-y2N/Al_y2Ga_1-y2N(0<y₂≤0.15，0<x₂≤x)超晶格结构，其中Al组分、In组分以及p型掺杂浓度随空穴扩展层生长周期的增加而梯度变化。

(3)空穴扩展层为多周期(周期数为1至10)p-In_x3Ga_1-x3N/GaN/Al_y3Ga_1-y3N(0<x₃≤x，0<y₃≤0.15)超晶格结构，其中Al组分、In组分以及p型掺杂浓度随空穴扩展层生长周期的增加而梯度变化。

(4)空穴扩展层为多周期(周期数为1至10) p-Al_y4In_x4Ga_1-x4-y4N/Ga₁N/Al_y4Ga_1-y4N(0<y₄≤0.15，0<x₄≤x)超晶格结构，其中Al组分、In组分以及p型掺杂浓度随空穴扩展层生长周期的增加而梯度变化。接着在H₂气氛下，在950℃，生长p-AlGaN电子阻挡层；

步骤三，在H₂气氛下，在950℃-1040℃，生长p-GaN层。

附图说明

图1是本发明实施例1中一种高亮度同质发光二极管的竖直剖面视图；

图2是本发明实施例2中一种高亮度同质发光二极管的竖直剖面视图；

图3是采用本发明实施例1中新型空穴扩展层的高亮度同质发光二极管LED1、采用本发明实施例2中新型空穴扩展层的高亮度同质发光二极管LED2，与无空穴扩展层的同质衬底发光二极管LED3的PL(photoluminescence，光致发光) 谱对比图。

具体实施方式

本发明提供一种采用MOCVD技术制备高亮度同质LED的方法。通过设计新型的LED结构，在InGaN/AlGaN多量子阱有源层和p-GaN之间，生长Al组分、In 组分以及p掺杂渐变的空穴扩展层(p型扩展层)，从而改善水平方向空穴扩展，有效缓解有源区应力。进而实现提高同质LED发光效率的目的。

图1是本发明实施例1一种采用MOCVD技术制备具有新型空穴扩展层结构的高亮度同质LED的竖直剖面视图。图1中包括GaN衬底(或GaN/Al₂O₃复合衬底) 101；n-GaN层102；多周期的n-In_x1Ga_1-x1N/GaN(0<x₁≤x，0<x≤0.15)超晶格电流扩展层103；多周期的In_xGa_1-xN/GaN(0<x≤0.15)多量子阱有源层104；多周期p-In_x3Ga_1-x3N/GaN/Al_y3Ga_1-y3N(0<x₃≤x，0<y₃≤0.15)超晶格空穴扩展层105，其中Al组分、In组分以及p型掺杂浓度随空穴扩展层生长周期的增加而梯度变化；p-AlGaN电子阻挡层106；p-GaN层107。图2是本发明实施例2一种采用MOCVD 技术制备具有新型空穴扩展层结构的高亮度同质LED的竖直剖面视图。图2中包括GaN衬底(或GaN/Al₂O₃复合衬底)201；n-GaN层202；多周期的 n-In_x1Ga_1-x1N/GaN(0<x₁≤x，0<x≤0.15)超晶格电流扩展层203；多周期的 In_xGa_1-xN/GaN(0<x≤0.15)多量子阱有源层204；多周期 p-Al_y3In_x3Ga_1-x3-y3N/GaN/Al_y3Ga_1-y3N(0<y₃≤0.15，0<x₃≤x)超晶格空穴扩展层205，其中Al组分、In组分以及p型掺杂浓度随空穴扩展层生长周期的增加而梯度变化；p-AlGaN电子阻挡层206；p-GaN层207。在图1、图2中，n型电流扩展层 (电子电流扩展层)(103,203)和空穴扩展层(p型扩展层)(105,205)的In组分小于InGaN/GaN多量子阱有源层(104,204)的In组分。所述空穴扩展层 (105,205)，也可采用单层p-Al_y1In_x1Ga_1-y1-x1N(0<y₁≤0.15，0<x₁≤x)结构，其厚度15nm-30nm；或多周期p-Al_y2In_x2Ga_1-x2-y2N/Al_y2Ga_1-y2N(其中0<y₂≤0.15，0<x₂≤x)超晶格(或量子阱)结构；或其它结构；只要满足其中Al组分、In组分以及p掺杂浓度随空穴扩展层生长厚度或周期的增加而梯度变化的原则，则都在本专利保护的范围之内。

实施例1

使用Aixtron公司,紧耦合垂直反应室MOCVD生长系统。生长过程中使用三甲基镓(TMGa)，三甲基铟(TMIn)，三甲基铝(TMAl)作为III族源，氨气(NH₃) 作为V族源，硅烷(SiH₄)作为n型掺杂源，二茂镁(Cp₂Mg)作为p型掺杂源，首先将GaN衬底(或GaN/Al₂O₃复合衬底)101放入金属有机化合物气相外延反应室中，在氢气(H₂)气氛下，升温至700℃，向反应室中通入NH₃，保护GaN 衬底(或GaN/Al₂O₃复合衬底)，升温至1050℃，在反应室压力100torr-300torr，在H₂气氛下，生长2-4微米厚n-GaN层102；在氮气(N₂)气氛下，在820摄氏度下生长5个周期的n-(3nm)In_0.05Ga_0.95N/(3nm)GaN电流扩展层103，电子浓度为10¹⁸cm^-3；接着生长10周期(3nm)In_0.15Ga_0.85N/(12nm)GaN多量子阱有源层104，在该有源层上，在820℃下生长10个周期的 p-(3nm)In_x3Ga_1-x3N/(3nm)GaN/(3nm)Al_y3Ga_1-y3N超晶格空穴扩展层105，其中In组分x₃随空穴扩展层周期数增加从0.1梯度减少至0.01(通过控制TMIn的流量，In组分x₃随周期数增加分别为：0.1、0.09、0.08、0.07、0.06、0.05、0.04、 0.03、0.02、0.01)；其中Al组分y₃随空穴扩展层周期数增加从0.05梯度增加至0.14(通过控制TMAl的流量，Al组分y₃随周期数增加分别为：0.05、0.06、 0.07、0.08、0.09、0.1、0.11、0.12、0.13、0.14)；空穴浓度随空穴扩展层周期数增加从10¹⁷cm^-3梯度增加到10¹⁸cm^-3；接着在N₂气氛下，在950摄氏度下生长20纳米厚，空穴浓度为10¹⁸cm^-3的p-Al_0.15Ga_0.85N电子阻挡层106，最后在H₂气氛下，在950-1040℃下生长厚度为200纳米的p-GaN层107。

实施例2

使用Aixtron公司,紧耦合垂直反应室MOCVD生长系统。生长过程中使用三甲基镓(TMGa)，三甲基铟(TMIn)，三甲基铝(TMAl)作为III族源，氨气(NH₃) 作为V族源，硅烷(SiH₄)作为n型掺杂源，二茂镁(Cp₂Mg)作为p型掺杂源，首先将GaN衬底(或GaN/Al₂O₃复合衬底)201放入金属有机化合物气相外延反应室中，在氢气(H₂)气氛下，升温至700℃，向反应室中通入NH₃，保护GaN 衬底(或GaN/Al₂O₃复合衬底)，升温至1050℃，在反应室压力100torr-300torr，在H₂气氛下，生长2-4微米厚n-GaN层202；在氮气(N₂)气氛下，在820摄氏度下生长5个周期的n-(3nm)In_0.05Ga_0.95N/(3nm)GaN电流扩展层203，电子浓度为10¹⁸cm^-3；接着在氮气(N₂)气氛下，在750摄氏度下生长10周期(3nm) In_0.15Ga_0.85N/(12nm)GaN多量子阱有源层204，在该有源层上，在820℃下生长10 个周期的p-(3nm)Al_y3In_x3Ga_1-x3-y3N/(3nm)GaN/(3nm)Al_y3Ga_1-y3N超晶格空穴扩展层 205，其中In组分x₃随空穴扩展层周期数增加从0.1梯度减少至0.01(通过控制TMIn的流量，In组分x₃随周期数增加分别为：0.1、0.09、0.08、0.07、0.06、0.05、0.04、0.03、0.02、0.01)；其中Al组分y₃随空穴扩展层周期数增加从 0.05梯度增加至0.14(通过控制TMAl的流量，Al组分y₃随周期数增加分别为： 0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.11、0.12、0.13、0.14)；空穴浓度随空穴扩展层周期数增加从10¹⁷cm^-3梯度增加到10¹⁸cm^-3；接着在N₂气氛下，在950 摄氏度下生长20纳米厚，空穴浓度为10¹⁸cm^-3的p-Al_0.15Ga_0.85N电子阻挡层206，最后在H₂气氛下，在950-1040℃下生长厚度为200纳米的p-GaN层207。

实施例2中超晶格结构空穴扩展层除了采用p-Al_y3In_x3Ga_1-x3-y3N/GaN/Al_y3Ga_1-y3N超晶格结构以外，可采用专利说明书中其他结构如：p-Al_y2In_x2Ga_1-x2-y2N/Al_y2Ga_1-y2N(0<y₂≤0.15，0<x₂≤x)超晶格结构； p-In_x3Ga_1-x3N/GaN/Al_y3Ga_1-y3N(0<x₃≤x，0<y₃≤0.15)超晶格结构；采用这些结构的空穴扩展层可以有效提高发光效率，达到与实施例2中LED芯片相近的效果。如图3所示，采用本发明实施例1和实施例2技术方案制作的高亮度同质LED芯片(LED1和LED2)，与没有空穴扩展层的同质衬底LED芯片(LED3)相比，显示优异的光电性质，其发光效率明显提高。

以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其描述较为具体和详细，其目的仅在于使本领域的普通技术人员能够了解本发明的内容并据此实施，而不是以此限定本发明的专利范围。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，但凡依据本发明思路所作的改进和变种，均涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (5)

1.一种采用MOCVD技术在GaN衬底或GaN/Al₂O₃复合衬底上制备高亮度同质LED的方法，其特征在于，在InGaN/GaN多量子阱有源层和p-GaN之间，优化生长新型的Al组分、In组分以及p掺杂梯度变化的空穴扩展层，该方法包括以下步骤：

步骤一，将GaN衬底或GaN/Al₂O₃复合衬底放入金属有机化合物气相外延反应室中，在氢气（H₂）气氛下，升温至700℃，向反应室中通入NH3，保护GaN衬底或GaN/Al₂O₃复合衬底，升温至1050℃，在反应室压力100torr-300torr，在H₂气氛下，生长2-4微米厚n-GaN层；

步骤二，在氮气（N₂）气氛下，在820℃，生长5-10个周期的n-In_x1Ga_1-x1N/GaN超晶格电流扩展层,其中电流扩展层中In组分小于有源区中In组分；在N₂气氛下，在750℃至850℃，生长5-10周期In_xGa_1-xN/GaN多量子阱有源层；在有源层之上，在H₂ 、N₂混合气氛下，在780℃-850℃，生长Al组分、In组分以及p掺杂梯度变化的超晶格空穴扩展层；接着在H₂气氛下，在950℃，生长p-AlGaN电子阻挡层；

步骤三，在H₂气氛下，在950℃-1040℃，生长p-GaN层。

2.根据权利要求1所述的一种采用MOCVD技术在GaN衬底或GaN/Al₂O₃复合衬底上制备高亮度同质LED的方法，其特征在于：所述空穴扩展层为p-Al_y1In_x1Ga_1-y1-x1N单层结构，单层厚度15nm-30nm，其中Al组分、In组分以及p型掺杂浓度随空穴扩展层生长厚度的增加而梯度变化。

3.根据权利要求1所述的一种采用MOCVD技术在GaN衬底或GaN/Al₂O₃复合衬底上制备高亮度同质LED的方法，其特征在于：所述空穴扩展层为多周期p-Al_y2In_x2Ga_1-x2-y2N/Al_y2Ga_1-y2N超晶格结构，其中Al组分、In组分以及p型掺杂浓度随空穴扩展层生长周期的增加而梯度变化。

4.根据权利要求1所述的一种采用MOCVD技术在GaN衬底或GaN/Al₂O₃复合衬底上制备高亮度同质LED的方法，其特征在于：所述空穴扩展层为多周期p-In_x3Ga_1-x3N/GaN/Al_y3Ga_1-y3N超晶格结构，其中Al组分、In组分以及p型掺杂浓度随空穴扩展层生长周期的增加而梯度变化。

5.根据权利要求1所述的一种采用MOCVD技术在GaN衬底或GaN/Al₂O₃复合衬底上制备高亮度同质LED的方法，其特征在于：所述空穴扩展层为多周期p-Al_y4In_x4Ga_1-x4-y4N/Ga₁N/Al_y4Ga_1-y4N超晶格结构，其中Al组分、In组分以及p型掺杂浓度随空穴扩展层生长周期的增加而梯度变化。