CN102185052A - 调制掺杂的氮化镓系发光二极管的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种调制掺杂的氮化镓系发光二极管的制作方法，其包括如下步骤：步骤1：取一衬底；步骤2：在衬底上依次制作一氮化镓成核层和一氮化镓缓冲层；步骤3：在氮化镓缓冲层上制作一n型氮化镓接触层，以硅烷作为n型掺杂剂；步骤4：在n型接触层上未刻蚀的上表面依次制作一n型电流扩展层、一活性发光层、一p型电子阻挡层和一p型接触层；步骤5：采用刻蚀的方法，在该p型接触层上面的一侧向下刻蚀，刻蚀深度到达n型氮化镓接触层中，使该n型氮化镓接触层的一侧形成一台面；步骤6：在n型接触层的台面上制作负电极；在p型接触层的上面制作正电极，完成氮化镓系发光二极管的制作。

Description

调制掺杂的氮化镓系发光二极管的制作方法

技术领域

本发明涉及一种氮化镓(GaN)系发光二极管的掺杂方法，特别是涉及多量子阱垒层调制掺杂的氮化镓系发光二极管的制作方法。

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.48，1986，353)，虽然晶体质量在一定程度上得到改善，但由于蓝宝石与氮化物之间的晶格失配，外延层中存在很大的应力。同时，活性发光层中铟镓氮和氮化镓之间也同样存在着较大的热失配，即在温度发生变化时，活性层中也会产生一定的应变。由于III族氮化物具有压应变特性，这些应变会在InGaN/GaN多量子阱有源区内产生很大的压应力。从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))。在压电场的作用下，量子阱能级发送倾斜，即量子阱由方形阱变为三角阱，使得电子与空穴的波函数在空间上分离，从而引起辐射复合效率的降低，发光强度减弱，这又被称为量子限制斯塔克效应。

研究发现，垒层掺杂后(参见Yong-Hoon Choa，Appl.Phys.Lett.，73，1998，1128)，由施主电离产生的载流子弛豫到量子阱后，可以部分屏蔽由压电场造成的量子限制斯塔克效益，从而使得发光强度增加。而且随着垒中掺杂浓度的增加，电离载流子数量也在增加，对压电场的屏蔽效应也将提高。但同时，随着垒层中掺杂浓度的提高，由于掺杂引起的能带的变化对载流子的输运又会产生新的影响(参见Eun-HyunPark，Appl.Phys.Lett.，90，2006，031102)。尤其是对量子阱内价带的影响。主要表现为随着施主掺杂的增加，量子阱价带向下弯曲，对空穴的注入产生新的势垒，从而引起发光强度的降低。

传统的垒层掺杂是采用硅烷作n型掺杂剂，且垒层中硅烷为均有掺杂。为了调和垒层掺杂对压电场以及空穴注入这两者之间的矛盾，我们引入垒层调制掺杂的方法。既可以部分屏蔽压电场，同时在价带中又不引入新的势垒。

发明内容

本发明的目的在于提供一种调制掺杂的氮化镓系发光二极管的制作方法，通过对有源区活性层中垒层的调制掺杂，既可以屏蔽压电场引入的量子限制斯塔克效应，又不会产生更大的势垒，从而提高空穴的注入效率，以此增加发光二极管的发光效率。

本发明提供一种调制掺杂的氮化镓系发光二极管的制作方法，其包括如下步骤：

步骤1：取一衬底；

步骤2：在衬底上依次制作一氮化镓成核层和一氮化镓缓冲层；

步骤3：在氮化镓缓冲层上制作一n型氮化镓接触层，以硅烷作为n型掺杂剂；

步骤4：在n型接触层上未刻蚀的上表面依次制作一n型电流扩展层、一活性发光层、一p型电子阻挡层和一p型接触层；

步骤5：采用刻蚀的方法，在该p型接触层上面的一侧向下刻蚀，刻蚀深度到达n型氮化镓接触层中，使该n型氮化镓接触层的一侧形成一台面；

步骤6：在n型接触层的台面上制作负电极；在p型接触层的上面制作正电极，完成氮化镓系发光二极管的制作。

其中n型电流扩展层为多周期结构，每一周期包括：一铟镓氮薄层和在其上制作的一铝铟镓氮薄层，该n型电流扩展层的最上面再制作一层铟镓氮薄层。

其中活性发光层为多周期结构，每一周期包括：一铟镓氮薄层和在其上制作的一铝铟镓氮薄层，该活性发光层的最上面再制作一层铟镓氮薄层。

其中活性发光层的周期数为3-20。

其中n型电流扩展层的周期数为3-20。

其中该铝铟镓氮薄层为n型调制掺杂。

其中该铝铟镓氮薄层掺杂为调制掺杂，调制掺杂的方式为梯形、三角形、台阶状或者非对称掺杂，掺杂剂为硅烷作为n型掺杂剂，掺杂浓度为5×10²¹-1×10¹⁷。

其中n型接触层是采用等浓度掺杂，或采用调制掺杂的方法，调制掺杂的方式为梯形、三角形、台阶状或者非对称掺杂。

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是本发明的氮化镓系发光二极管。

图2是本发明垒层或者n型接触层中的硅烷掺杂抛面图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种调制掺杂的氮化镓系发光二极管的制作方法，其制作过程如下：

步骤1：取一衬底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。

步骤2：在衬底11上依次制作一氮化镓成核层12和一氮化镓缓冲层13。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；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；

步骤3：在氮化镓缓冲层13上制作一n型氮化镓接触层14，以硅烷作为n型掺杂剂。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；该n型接触层14可以采用等浓度掺杂，也可以采用调制掺杂的方法。

步骤4：在n型接触层14上未刻蚀的上表面依次制作一n型电流扩展层15、一活性发光层16、一p型电子阻挡层17和一p型接触层18。所述n型电流扩展层15是由铟镓氮(InGaN)薄层151和铝铟镓氮(AlInGaN)薄层152交互层叠形成的多周期的量子阱结构构成。其中铝铟镓氮薄层152为n型掺杂，且掺杂方式可以为等浓度掺杂也可以是调制掺杂；所述活性发光层16是由铟镓氮(InGaN)薄层161和铝铟镓氮(AlInGaN)薄层162交互层叠形成的多周期的量子阱结构构成。其中铝铟镓氮薄层162掺杂为调制掺杂，调制掺杂的方式为梯形、三角形、台阶状或者非对称掺杂等，掺杂抛面如图2所示。具体方法如下：

图2(a)所示为传统垒层的掺杂方法，即在垒层生长过程中均已掺杂施主杂质。我们改进后的方法是在在垒层生长的过程中，随着垒层厚度的增加，施主杂质的掺杂量逐渐增加(如图2(b)所示)；或者在整个垒层生长过程中施主掺杂以不对称方式(如图2(c)所示)；同时，施主掺杂也可以随着垒层厚度的增加，实现台阶式掺杂(如图2(d)所示)。为了减少施主杂质对量子阱中载流子的散射，我们在垒层两侧靠近量子阱的部分区域(1-3nm)区域是非掺杂的。采用调制掺杂，一方面可以通过掺杂屏蔽压电场；另一方面因为掺杂的不均匀，对量子阱价带的影响较小，价带向下弯曲幅度减小，从而利于空穴的输运。

所述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由铝铟镓氮构成。所述p型电子阻挡层17的厚度为10-50nm，并且所述p型电子阻挡层的下表面与所述活性发光层中的铝铟镓氮薄层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，三甲基铟流量10-50微摩尔/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。

所述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。

步骤5：采用刻蚀的方法，在该p型接触层18上面的一侧向下刻蚀，刻蚀深度到达n型氮化镓接触层14中，使该n型氮化镓接触层14的一侧形成一台面141。刻蚀方法采用干法刻蚀，可以用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀，也可以采用反应离子刻蚀(RIE)。

步骤6：在p型接触层18的上面制作正电极20；在n型接触层14的台面141上制作负电极19，由铬铂金组成，完成氮化镓系发光二极管的制作。

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 (8)

1.一种调制掺杂的氮化镓系发光二极管的制作方法，其包括如下步骤：

步骤1：取一衬底；

步骤2：在衬底上依次制作一氮化镓成核层和一氮化镓缓冲层；

步骤3：在氮化镓缓冲层上制作一n型氮化镓接触层，以硅烷作为n型掺杂剂；

步骤4：在n型接触层上未刻蚀的上表面依次制作一n型电流扩展层、一活性发光层、一p型电子阻挡层和一p型接触层；

步骤5：采用刻蚀的方法，在该p型接触层上面的一侧向下刻蚀，刻蚀深度到达n型氮化镓接触层中，使该n型氮化镓接触层的一侧形成一台面；

步骤6：在n型接触层的台面上制作负电极；在p型接触层的上面制作正电极，完成氮化镓系发光二极管的制作。

2.如权利要求1所述的调制掺杂的氮化镓系发光二极管的制作方法，其中n型电流扩展层为多周期结构，每一周期包括：一铟镓氮薄层和在其上制作的一铝铟镓氮薄层，该n型电流扩展层的最上面再制作一层铟镓氮薄层。

3.如权利要求1所述的调制掺杂的氮化镓系发光二极管的制作方法，其中活性发光层为多周期结构，每一周期包括：一铟镓氮薄层和在其上制作的一铝铟镓氮薄层，该活性发光层的最上面再制作一层铟镓氮薄层。

4.如权利要求3所述的调制掺杂的氮化镓系发光二极管的制作方法，其中活性发光层的周期数为3-20。

5.如权利要求2所述的调制掺杂的氮化镓系发光二极管的制作方法，其中n型电流扩展层的周期数为3-20。

6.如权利要求3所述的调制掺杂的氮化镓系发光二极管的制作方法，其中该铝铟镓氮薄层为n型调制掺杂。

7.如权利要求3所述的调制掺杂的氮化镓系发光二极管的制作方法，其中该铝铟镓氮薄层掺杂为调制掺杂，调制掺杂的方式为梯形、三角形、台阶状或者非对称掺杂，掺杂剂为硅烷作为n型掺杂剂，掺杂浓度为5×10²¹-1×10¹⁷。

8.如权利要求1所述的调制掺杂的氮化镓系发光二极管的制作方法，其中n型接触层是采用等浓度掺杂，或采用调制掺杂的方法，调制掺杂的方式为梯形、三角形、台阶状或者非对称掺杂。

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