CN102064254A - 高质量氮化镓系发光二极管 - Google Patents

Abstract

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型接触层上面的一侧刻蚀有一台面；一n型插入层，该n型插入层制作在n型接触层远离台面一侧的内部，其上还是n型接触层；一活性发光层，该活性发光层制作在远离台面的n型接触层的上面，并覆盖所述n型接触层的部分表面；一p型电子阻挡层，该p型电子阻挡层制作在活性发光层上；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；一负电极，该负电极制作在n型接触层上的台面上；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。

Description

高质量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n型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。造成上述问题的根本原因在于GaN外延层以及InGaN/GaN多量子阱有源区内存在具有很高的应力，这些应力的存在一方面降低了载流子的辐射复合几率；另一方面，由于应力的存在，造成n区载流子大量溢出直接进入p区，从而引起大电流注入时辐射复合效率显著降低(参见Appl.Phys.Lett，94，231123(2009))。因此，有效地降低外延层中的应力对大功率发光器件尤为重要。

本发明针对现有技术中存在的以上技术问题，提出了在n型GaN接触层中插入一层或多层低温插入层来降低外延层中的应力。虽然有不少专利都提及采用插入层的方法来改善应力分布，但都是高温插入层。本专利所涉及的插入层为低温插入层，其物理机制与其他人所提及的插入层有根本的区别。

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，其可以调节外延层中的应力分布，同时又可以降低外延层中的位错密度，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型接触层上面的一侧刻蚀有一台面；

一n型插入层，该n型插入层制作在n型接触层远离台面一侧的内部，其上还是n型接触层；

一活性发光层，该活性发光层制作在远离台面的n型接触层的上面，并覆盖所述n型接触层的部分表面；

一p型电子阻挡层，该p型电子阻挡层制作在活性发光层上；

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；

一负电极，该负电极制作在n型接触层上的台面上；

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。

其中该n型接触层为n型氮化镓材料。

其中该n型插入层为In_xGa_1-xN，其中0≤x≤1或Al_yGa_1-yN，其中0≤y≤1或In_zAl_1-zN，其中0≤z≤1或Al_aIn_bGa_1-a-bN，其中0≤a＜1，0≤b＜1。

其中该n型插入层的生长温度为500℃-1000℃。

其中该n型插入层的厚度为50-100nm。

其中该n型插入层为一层或多层结构。

其中该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，周期数为1至20。

其中该活性发光层的下表面为氮化镓薄层。

其中该p型电子阻挡层的材料为铝镓氮。

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n型低温插入层的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n型低温插入层的氮化镓系LED；三角线条为现有的没有n型低温插入层的氮化镓系LED。

图3是具有不同结构的LED芯片在大电流注入下的发光效率比较。其中红色圆点代表的是根据本发明的具有n型低温插入层的GaN系发光二极管；蓝色方块是根据他人的发明专利采用InGaN/GaN超晶格作为插入层的发光二极管；黑色三角代表的是没有任何插入层的GaN系发光二极管。

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。所述衬底11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。该氮化镓成核层12的生长参数包括：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。该缓冲层13的生长参数包括：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，该n型接触层14上面的一侧刻蚀有一台面141。该n型接触层14的生长参数包括：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n插入层15，该n型插入层15制作在n型接触层14内部，其上仍为n型接触层14；该n型插入层15可以是以下材料：In_xGa_1-xN，其中0≤x≤1或是Al_yGa_1-yN，其中0≤y≤1或者In_zAl_1-zN，其中0≤z≤1或者Al_aIn_bGa_1-a-bN，其中0≤a＜1，0≤b＜1。该n型插入层15的生长参数包括：反应温度500-1000℃，反应腔压力76-600Torr，载气流量5-20升/分钟，三甲基镓流量80-400微摩尔/分钟，三甲基铟流量10-50微摩尔/分钟，三甲基铝流量20-100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；

其中n型低温插入层15可以是一层也可以是多层同时插入n型接触层14当中；

其中位于n型低温插入层15上部的n型接触层14生长条件与位于n型低温插入层15下部的n型接触层14的生长条件一致，且位于n型低温插入层15上部的n型接触层14的厚度为10-1000nm，优选为50-100nm；

本发明通过在n型接触层14内部插入一层或多层n型低温插入层15，获得了发光强度和出光效率得到较大提高的GaN系发光二极管。主要原因在于如下两个方面：

首先，在n型接触层14内部插入一层或多层低温插入层15，由于该层的生长温度比较低，原子的表面迁移非常弱，因此该层倾向于三维岛状生长。由于岛状生长颗粒较大，结构疏松，而且靠近InGaN/GaN多量子阱有源区，因此外延层中特别是量子阱有源区中的应力在该层得以释放。

其次，在n型低温插入层15之后继续高温生长n型接触层14，由于该层的生长温度较高，表面原子迁移距离较大，倾向于二维层状生长。即出现由n型低温插入层15的三维岛状生长向n型接触层14的二维层状生长的转变过程。在这一转变过程中，那些原本平行于外延层生长方向的穿透位错，由于随着生长方式的转变发生弯曲，并且相互作用导致最终湮灭，从而使得外延层中的位错密度大为降低。这也是造成本发明的发光二极管发光强度得以增加的另一根本原因。

一活性发光层16，该活性发光层16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16是由铟镓氮薄层161和氮化镓薄层162交互层叠形成的多周期的量子阱结构构成。该活性发光层16生长参数包括：GaN薄层(即垒层162)：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161)：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1至20；

一p型电子阻挡层17，该p型电子阻挡层17制作在活性发光层16上，该p型电子阻挡层17由铝镓氮构成。所述p型电子阻挡层17的厚度为10-50nm，并且所述p型电子阻挡层17的下表面与所述活性发光层16中的镓氮薄层162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。

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。

一负电极19，该负电极19制作在n型接触层14上的台面141上，且位于n型低温插入层15的下方，由铬铂金或钛铝钛金组成。

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n型低温插入层15的氮化镓系发光二极管与传统工艺没有n型低温插入层15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n型低温插入层15的氮化镓系LED；三角线条为现有的没有n型低温插入层15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。

图3所示为具有不同结构的LED芯片在大电流注入下的发光效率比较。其中横坐标为注入的载流子密度，纵坐标为归一化的外量子效率。红色圆点代表的是根据本发明的具有n型低温插入层的GaN系发光二极管；蓝色方块是根据他人的发明专利采用InGaN/GaN超晶格作为插入层的发光二极管；黑色三角代表的是没有任何插入层的GaN系发光二极管。与传统的InGaN/GaN超晶格作为插入层以及没有n型低温插入层15的发光二极管相对比，结果表明具有低温插入层15的发光二极管在大电流注入下的发光效率要远高于另外两种结构的LED。这一方面得益于低温插入层15有效地降低了外延层中的应力分布，另一方面又与该插入层15可以降低外延层中的穿透位错密度有关。

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 (10)

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型接触层上面的一侧刻蚀有一台面；

一n型插入层，该n型插入层制作在n型接触层远离台面一侧的内部，其上还是n型接触层；

一活性发光层，该活性发光层制作在远离台面的n型接触层的上面，并覆盖所述n型接触层的部分表面；

一p型电子阻挡层，该p型电子阻挡层制作在活性发光层上；

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；

一负电极，该负电极制作在n型接触层上的台面上；

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，其中该n型接触层为n型氮化镓材料。

3.如权利要求1所述的氮化镓系发光二极管，其中该n型插入层为In_xGa_1-xN，其中0≤x≤1或Al_yGa_1-yN，其中0≤y≤1或In_zAl_1-zN，其中0≤z≤1或Al_aIn_bGa_1-a-bN，其中0≤a＜1，0≤b＜1。

4.如权利要求1或3所述的氮化镓系发光二极管，其中该n型插入层的生长温度为500℃-1000℃。

5.如权利要求1或3所述的氮化镓系发光二极管，其中该n型插入层的厚度为50-100nm。

6.如权利要求1或3所述的氮化镓系发光二极管，其中该n型插入层为一层或多层结构。

7.如权利要求1所述的氮化镓系发光二极管，其中该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，周期数为1至20。

8.如权利要求1所述的氮化镓系发光二极管，其中该活性发光层的下表面为氮化镓薄层。

9.如权利要求1所述的氮化镓系发光二极管，其中该p型电子阻挡层的材料为铝镓氮。

10.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。

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