CN101834248A - 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；一负电极制作在n型接触层未被所述活性发光层覆盖的表面上；一p型铝镓氮插入层制作在活性发光层上；一p型电子阻挡层制作在p型铝镓氮插入层上，该p型电子阻挡层由铝镓氮构成；一p型接触层制作在p型电子阻挡层上，该p型接触层由p型氮化镓构成；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

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铝组分p型铝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(即在InGaN/GaN多量子阱有源层和p型GaN接触层之间直接生长p型AlGaN电子阻挡层)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。

文献Appl.Phys.Lett.81(22)，4275(2002)分析指出将p型AlGaN电子阻挡层直接生长在InGaN/GaN多量子阱有源区之后，由于最后一个GaN量子垒与p型AlGaN电子阻挡层之间极化矢量的不连续，会在界面处产生面密度很高的极化电荷，从而引入极化电场。在该电场的作用下，GaN量子垒的能带将发生弯曲，形成能带凹角。由这些能带凹角引入的局域态都将成为束缚载流子的陷阱，降低辐射复合效率。理想的结构是p型AlGaN电子阻挡层直接位于最后一个InGaN量子阱之后，而不是GaN垒层之上。

然而p型AlGaN电子阻挡层须在1000oC以上生长才能得到较好的晶体质量，而InGaN/GaN多量子阱有源层的生长温度为700℃至850℃，因此当InGaN/GaN多量子阱有源层生长结束后温度升高到1000℃以上时，低温生长的InGaN/GaN多量子阱有源层的结构会受到破坏，从而影响发光二极管的发光效率。再次，由于p型AlGaN电子阻挡层的生长温度较高，而p型掺杂剂(比如Mg)在高温下的扩散系数增加很快，因此在p型AlGaN电子阻挡层高温生长的过程中，p型掺杂剂将不可避免地向位于其下的InGaN/GaN多量子阱有源区中扩散，这将对发光二极管产生严重的影响。因此，仍存在改进的空间，以获得具有高发光强度的氮化镓系发光二极管。

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，其可抑制p型掺杂剂(比如Mg)向InGaN/GaN多量子阱层中扩散、并减小多量子阱发光区中的压电效应的高亮度发光二极管。

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；

一负电极，该负电极制作在n型接触层未被所述活性发光层覆盖的表面上；

一p型铝镓氮插入层，该p型铝镓氮插入层制作在活性发光层上；

一p型电子阻挡层，该p型电子阻挡层制作在p型铝镓氮插入层上，该p型电子阻挡层由铝镓氮构成；

一p型接触层，该p型接触层制作在p型电子阻挡层上，该p型接触层由p型氮化镓构成；

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。

其中p型铝镓氮插入层为低温低铝组分的p型Al_xGa_1-xN，其中铝组分0＜x＜0.1，其生长温度为600℃-900℃。

其中p型铝镓氮插入层的厚度为10nm-100nm。

其中p型铝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。

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。

其中p型电子阻挡层的生长温度为700℃-1000℃，厚度为10-50nm。

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。

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。

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。

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型铝镓氮插入层的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型铝镓氮插入层的氮化镓系LED；三角线条为现有的没有p型铝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制作在成核层12上。生长参数包括：反应温度950-1180oC，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的部分表面，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700-900oC，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700-850oC，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；

一负电极19，该负电极19制作在n型接触层14未被所述活性发光层15覆盖的表面上，由铬铂金或钛铝钛金组成。

一p型铝镓氮插入层16，该p型铝镓氮插入层16制作在活性发光层15上；所述p型铝镓氮插入层16为低温低铝组分的p型Al_xGa_1-xN，其中铝组分0＜x＜0.1，其生长温度为600℃-900℃。所述p型铝镓氮插入层16的厚度为10nm-100nm，并且所述低温低铝组分p型铝镓氮插入层的下表面与所述活性发光层中的铟镓氮薄层接触。所述p型铝镓氮插入层16的具体生长条件如下：反应温度600-900℃，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5-20微摩尔/分钟，三甲基镓流量50-100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型铝镓氮插入层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。

本发明中的p型铝镓氮插入层16的生长温度优选为600-900℃，低于p型铝镓氮电子阻挡层的生长温度。本发明中的p型铝镓氮插入层(PAl_xGa_1-xN)16其铝组分应当在0＜x＜0.1。若铝组分过高，一方面由于生长温度低，铝镓氮外延层质量劣化，影响其后的外延层生长；另一方面，更多的铝组分将在InGaN/GaN多量子阱有源区中产生更大的压应变电场，从而降低载流子的辐射复合效率。

本发明中的p型铝镓氮插入层16的厚度优选为10-100纳米。当p型铝镓氮插入层16的厚度小于10纳米时，其阻挡p型电子阻挡层17中的p型掺杂剂扩散的效果不明显，从而影响发光二极管的发光效率。当p型铝镓氮插入层16的厚度超过100纳米时，会影响p型电子阻挡层17对电子的阻挡作用，从而影响发光二极管的发光效率。

本发明通过在InGaN/GaN多量子阱活性发光层15与p型电子阻挡层17之间生长具有一定厚度的低温低铝组分p型铝镓氮插入层16，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InGaN/GaN多量子阱活性发光层15与p型AlGaN电子阻挡层17之间生长一层具有一定厚度的低温低铝组分p型铝镓氮插入层16，可从界面上将InGaN/GaN多量子阱活性发光层15与高铝组分的p型AlGaN电子阻挡层17以物理方式分隔开，从而降低了InGaN/GaN多量子阱活性发光层15中的应变电场。此外，压应变的减小也将降低对InGaN/GaN多量子阱活性发光层15的损害。

更为关键的是，由于p型AlGaN电子阻挡层17的生长温度较高，而p型掺杂剂(比如Mg)在高温下的扩散效应将大大增强。传统的LED结构由于垒层(即InGaN/GaN多量子阱结构中的GaN垒层152)很薄，无法避免p型掺杂剂向InGaN/GaN多量子阱层15中扩散。本发明通过在InGaN/GaN多量子阱层15与p型AlGaN电子阻挡层17之间插入一层具有一定厚度的低温低铝组分p型铝镓氮插入层16，替代传统的GaN垒层152，一方面可以抑制p型掺杂剂向InGaN/GaN多量子阱层15中的扩散；同时以低铝组分的铝镓氮层16替代氮化镓垒层152，载流子将被更好地限制在InGaN量子阱151中，减少载流子的过冲，也就降低了非辐射复合效率；而且由于p型铝镓氮插入层16的生长温度低，对InGaN/GaN多量子阱活性层15的影响小。较低的铝组分又保证了低温下p型铝镓氮插入层16的外延质量。另外从能带结构考虑，虽然p型铝镓氮插入层16与其后的p型铝镓氮电子阻挡层17之间仍然存在极化矢量的不连续，仍然会引起能带的弯曲，但相对于GaN垒层152来讲，其能带变化将会小的多，载流子的非辐射复合效率也将降低。

一p型电子阻挡层17，该p型电子阻挡层17制作在p型铝镓氮插入层16上，该p型电子阻挡层17由铝镓氮构成。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。

一p型接触层18，该p型接触层18制作在p型电子阻挡层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型铝镓氮插入层16的氮化镓系发光二极管与传统工艺没有p型铝镓氮插入层16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型铝镓氮插入层16的氮化镓系LED；三角线条为现有的没有p型铝镓氮插入层的氮化镓系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；

一负电极，该负电极制作在n型接触层未被所述活性发光层覆盖的表面上；

一p型铝镓氮插入层，该p型铝镓氮插入层制作在活性发光层上；

一p型电子阻挡层，该p型电子阻挡层制作在p型铝镓氮插入层上，该p型电子阻挡层由铝镓氮构成；

一p型接触层，该p型接触层制作在p型电子阻挡层上，该p型接触层由p型氮化镓构成；

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型铝镓氮插入层为低温低铝组分的p型Al_xGa_1-xN，其中铝组分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型铝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型铝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10¹⁹-10²¹cm³。

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