CN102005513A - 具有低温p型GaN层的氮化镓系发光二极管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有低温p型氮化镓层的氮化镓系发光二极管。其结构与现有的氮化镓系发光二极管的最主要差异是，在InGaN/GaN多量子阱活性发光层与p型AlGaN电子阻挡层之间生长一层低温p型氮化镓层，从而从界面上将InGaN/GaN多量子阱活性发光层与p型AlGaN电子阻挡层以物理方式分隔开。结果表明，通过设置该低温p型氮化镓层，氮化镓系发光二极管的发光强度和反向击穿电压得到较大的提高。

Description

具有低温p型GaN层的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p型GaN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；接着在1000℃以上的高温下，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。其次，p型AlGaN电子阻挡层须在1000℃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的氮化镓系发光二极管。该氮化镓系发光二极管包括：

衬底，其可由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；

缓冲层，其位于该衬底上，可由氮化镓系材质构成；

n型接触层，其位于该缓冲层上，由n型氮化镓构成；

活性发光层，其位于该n型接触层上并覆盖该n型接触层的部分表面，该活性发光层是由氮化铟镓(InGaN)薄层和氮化镓(GaN)薄层交互层叠形成的多量子阱结构所构成；

负电极，其位于该n型接触层未被该活性发光层覆盖的上表面上；

p型电子阻挡层，其位于该活性发光层上，由氮化铝镓(AlGaN)构成；

p型接触层，其位于该p型电子阻挡层上，由p型氮化镓构成；以及

正电极，其位于该p型接触层上并覆盖该p型接触层的部分表面；其特征在于，

所述氮化镓系发光二极管还包括厚度为20nm～100nm的低温p型氮化镓层，该低温p型氮化镓层在所述活性发光层与所述p型电子阻挡层之间，其下表面与所述活性发光层中的氮化镓薄层接触。

本发明中的低温p型氮化镓层是指其生长温度低于活性发光层中的氮化镓薄层的生长温度的p型氮化镓层。

本发明中的低温p型氮化镓层的厚度优选为20-100纳米。当低温p型氮化镓层的厚度小于20纳米时，其阻挡p型电子阻挡层中的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。当低温p型氮化镓层的厚度超过100纳米时，会影响p型电子阻挡层对电子的阻挡作用，从而影响发光二极管的发光效率。

本发明中的低温p型氮化镓层的生长温度优选为600-900℃。当低温p型氮化镓层的生长温度低于600℃时，低温p型氮化镓层的晶体质量较差，从而影响发光二极管的发光效率。当低温p型氮化镓层的生长温度超过900℃时，一方面会破坏活性发光层的结构，另一方面会使低温p型氮化镓层中的p型掺杂剂的扩散系数增大，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与p型电子阻挡层之间生长具有一定厚度的低温p型氮化镓层，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与p型AlGaN电子阻挡层之间生长一层具有一定厚度的低温p型氮化镓层，可从界面上将InGaN/GaN多量子阱活性发光层与p型AlGaN电子阻挡层以物理方式分隔开，从而降低了InGaN/GaN多量子阱活性发光层中的应变电场。此外，压应变的减小也将降低对InGaN/GaN多量子阱活性发光层的损害。

更为关键的是，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)很薄，从而无法避免p型掺杂剂向InGaN/GaN多量子阱层中扩散。然而，本发明通过在InGaN/GaN多量子阱层与p型AlGaN电子阻挡层之间插入具有一定厚度的低温p型GaN层，可抑制p型掺杂剂向InGaN/GaN多量子阱层中的扩散，从而降低p型掺杂剂扩散对InGaN/GaN多量子阱活性发光层的影响。这是因为即使p型掺杂剂(比如Mg)的扩散作用很强，其也将主要进入该低温p型GaN层内。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行更详细的说明。

图1是现有的没有低温p型GaN插入层的GaN系发光二极管。

图2是根据本发明的具有低温p型GaN插入层的GaN系发光二极管。

图3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低温p型GaN插入层的氮化镓系LED；三角线条为现有的没有低温p型GaN插入层的氮化镓系LED。

参考数字的说明

11蓝宝石衬底

12低温GaN成核层

13非故意掺杂GaN缓冲层

14n型GaN接触层

15InGaN/GaN多量子阱活性发光层

151GaN薄层(垒层)

152InGaN薄层(阱层)

16p型AlGaN电子阻挡层

17p型GaN接触层

18负电极

19正电极

21蓝宝石衬底

22低温GaN成核层

23非故意掺杂GaN缓冲层

24n型GaN接触层

25InGaN/GaN多量子阱活性发光层

251GaN薄层(垒层)

252InGaN薄层(阱层)

26低温p型GaN插入层

27p型AlGaN电子阻挡层

28p型GaN接触层

29负电极

30正电极

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的说明，但本发明并不限于此。

对照例1

图1所示为现有的没有低温p型GaN插入层的GaN系发光二极管，其采用美国Veeco公司的MOCVD K300设备制备。如图1所示，该对照例1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。

首先在衬底11上生长由GaN材质构成的衬底成核层12和缓冲层13、以及在该缓冲层13上的n型GaN接触层14。接着在该n型接触层14上形成覆盖其部分表面的活性发光层15，该活性发光层15是由GaN薄层151与InGaN薄层152交互层叠形成的多量子阱结构所构成，并且与n型接触层14的上表面接触的是多量子阱结构中的GaN薄层151或InGaN薄层152。在n型接触层14未被活性发光层15覆盖的部分，另外形成负电极18。

接着在活性发光层15上形成p型AlGaN电子阻挡层16，该p型电子阻挡层16由p型Al_xGa_1-xN构成，其中0.1≤x＜0.2。然后在该p型电子阻挡层16上形成p型GaN接触层17，最后在p型接触层17上形成正电极19。

其中活性发光层15由4～15个周期数的氮化镓与氮化铟镓的薄层组成，其总厚度为30～200nm，其中每一氮化镓薄层151的厚度为4～20nm；每一氮化铟镓薄层152的厚度为1～4nm，并且由In_xGa_1-xN所构成，其中0.1＜x＜0.3。

n型接触层14中的硅烷的掺杂浓度为10¹⁸cm^-3以上，p型电子阻挡层16和p型接触层17中的二茂镁的掺杂浓度均为10¹⁹-10²¹cm^-3。此外，p型电子阻挡层16的厚度为10～50纳米。

该GaN系发光二极管中各个薄层的具体生长条件如下：

(1)衬底成核层12：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；

(2)非故意掺杂GaN缓冲层13：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；

(3)n型GaN接触层14：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；

(4)由氮化铟镓薄层和氮化镓薄层交互层叠所形成的多量子阱活性发光层15:GaN薄层(即垒层)：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)：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；

(5)p型AlGaN电子阻挡层16：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；

(6)p型GaN接触层17：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。

实施例1

图2所示为根据本发明的具有低温p型GaN插入层的GaN系发光二极管。其采用与对照例1相同的工艺条件制造，所不同的只是在InGaN/GaN多量子阱活性发光层25与p型AlGaN电子阻挡层27之间插入厚度为20-100纳米的低温p型氮化镓插入层26，并且该低温p型氮化镓插入层26的下表面与多量子阱活性发光层25中的氮化镓薄层接触。低温p型氮化镓层中的二茂镁的掺杂浓度为10¹⁹～10²¹cm^-3。

低温p型GaN插入层26的具体生长条件如下：反应温度600-900℃，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5-20分钟。

对上述两种方法获得的氮化镓系发光二极管进行测试分析，结果如图3所示。由图3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。

虽然本发明已用具体的实施方式进行了详细的描述，但对本技术领域的熟练人员来说，可在不脱离本发明宗旨及附加权利要求所定义的范围的前提下做各种修改和变动。

Claims (12)

1.一种氮化镓系发光二极管，其包括：

衬底；

缓冲层，其位于所述衬底上；

n型接触层，其位于所述缓冲层上，由n型氮化镓构成；

活性发光层，其位于所述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氮化铟镓薄层和氮化镓薄层交互层叠形成的多量子阱结构所构成；

负电极，其位于所述n型接触层未被所述活性发光层覆盖的上表面上；

p型电子阻挡层，其位于所述活性发光层上，由氮化铝镓构成；

p型接触层，其位于所述p型电子阻挡层上，由p型氮化镓构成；以及

正电极，其位于所述p型接触层上并覆盖所述p型接触层的部分表面；其特征在于，

所述氮化镓系发光二极管还包括厚度为20nm～100nm的低温p型氮化镓层，所述低温p型氮化镓层在所述活性发光层与所述p型电子阻挡层之间，并且所述低温p型氮化镓层的下表面与所述活性发光层中的氮化镓薄层接触。

2.如权利要求1所述的氮化镓系发光二极管，其特征在于，所述低温p型氮化镓层的生长温度为600℃～900℃。

3.如权利要求1或2所述的氮化镓系发光二极管，其特征在于，所述低温p型氮化镓层以二茂镁为p型掺杂剂，并且二茂镁的掺杂浓度为10¹⁹～10²¹cm^-3。

4.如权利要求1或2所述的氮化镓系发光二极管，其特征在于，所述活性发光层由4～15个周期数的氮化镓与氮化铟镓的薄层组成，其总厚度为30～200nm，其中每一氮化镓薄层的厚度为4～20nm；每一氮化铟镓薄层的厚度为1～4nm，并且由In_xGa_1-xN所构成，其中0.1＜x＜0.3。

5.如权利要求1或2所述的氮化镓系发光二极管，其特征在于，所述p型电子阻挡层的生长温度为700℃～1000℃。

6.如权利要求1或2所述的氮化镓系发光二极管，其特征在于，所述p型电子阻挡层的厚度为10～50nm。

7.如权利要求1或2所述的氮化镓系发光二极管，其特征在于，所述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或2所述的氮化镓系发光二极管，其特征在于，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或2所述的氮化镓系发光二极管，其特征在于，所述n型接触层以硅烷为n型掺杂剂，并且硅烷的掺杂浓度为10¹⁸cm^-3以上。

10.如权利要求1或2所述的氮化镓系发光二极管，其特征在于，所述p型接触层以二茂镁为p型掺杂剂，并且二茂镁的掺杂浓度为10¹⁹～10²¹cm^-3。

11.如权利要求1或2所述的氮化镓系发光二极管，其特征在于，所述衬底由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。

12.如权利要求1或2所述的氮化镓系发光二极管，其特征在于，所述缓冲层由氮化镓系材质构成。

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