CN102842660A

CN102842660A - 一种氮化镓基发光二极管外延片结构及其制备方法

Info

Publication number: CN102842660A
Application number: CN201210293740XA
Authority: CN
Inventors: 陈静
Original assignee: EPITOP OPTOELECTRONIC Co Ltd
Current assignee: Epitop Photoelectric Technology Co., Ltd.
Priority date: 2012-08-17
Filing date: 2012-08-17
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2032-08-17
Also published as: CN102842660B

Abstract

本发明在图形化衬底表面低温生长成核层，形成凹凸不平的表面，克服传统LED器件结构中由于有源层存在极强的极化场，使得量子阱的能带发生倾斜，电子空穴波函数在空间上发生分离，使其辐射复合效率下降，从而降低LED内量子效率的问题，提供一种晶体质量较好，在弱极性面上实现非平面的有源层结构的氮化镓基发光二极管外延片结构及其制备方法。从而提高LED的内量子效率。

Description

一种氮化镓基发光二极管外延片结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件领域，尤其是涉及一种应用化合物半导体薄膜的外延生长技术在弱极性面上获得非平面和弱极性面的有源层的氮化镓基发光二极管外延片的方法。

背景技术

半导体LED将成为下一代日常照明光源已成为世界各国政府、科技界及产业界的共识，是继白炽灯，荧光灯之后的21 世纪新一代“绿色照明”光源。它具有节能环保、寿命长、体积小和色彩丰富等许多优点，其作为日常照明光源的实现将产生极大的社会和经济效益。

目前国际上已经商品化的白光LED的发光效率约为110 lm/w，但是要实现大规模的固体照明，还需解决价格太高和光电转换效率太低以及提高器件寿命和性能等问题，并朝效率高和功率大的方向发展。GaN基LED的发光效率是由内量子效率和出光效率所决定的，为提高出光效率，近年来很多研究都致力于外量子效率的研究，主要技术有图形蓝宝石衬底生长方法，改变芯片截面技术，激光剥离技术、在ITO透明电极上制作光子晶体等等，都取得了很好的效果。而针对LED内量子效率的各种问题，国际上的研究相对较少。

目前GaN基LED的内量子效率相对低下，其中最关键的原因是GaN基材料生长在蓝宝石衬底（0001）面上，在生长过程中由于晶格失配而存在极强的极化电场，极化场的存在使得有源层中能带发生倾斜，电子空穴波函数在空间上发生分离，降低其辐射复合效率，从而降低LED的内量子效率，且发光波长不稳定，即所谓的量子限制斯塔克效应（QCSE）。另外，极化场也被认为是LED 光效Droop效应的主要原因，是制约实现大功率和高效LED的障碍（参见S. P. Chang, T. C. Lu, L. F. Zhuo, C. Y. Jang, D. W. Lin, H. C. Yang, H. C. Kuo, S. C. Wang. Low Droop Nonpolar GaN/InGaN Light Emitting Diode Grown on m-Plane GaN Substrate. [J]. J. Electrochem. Soc. , 2010, 157: H501.）。

为了降低极化电场，美国J. Xu和M. F. Schubert等人报道利用调节晶格匹配的AlInGaN四元合金和InGaN作为垒层实现LED发光效率的提高和大注入条件下减弱Droop效应（参见J. Xu, M. F. Schubert, A. N. Noemaun, D. Zhu, J. K. Kim, E. F. Schubert, M. H. Kim, H. J. Chung, S. Yoon, C. Sone, Y. Park. Reduction in efficiency droop in polarization matched GaInN/GaInN LEDs. [J]. Appl. Phys. Lett., 2009, 94, 011113.）。国内C. H. Wang 等人采用逐渐增加InGaN/GaN MQW中阱层厚度，即GQWs (Graded-thickness quantum wells) 结构来降低有源层中的极化场而提高LED的效率（参见C. H. Wang, S. P. Chang, W. T. Chang, J. C. Li, Y. S. Lu, Z. Y. Li, H. C. Yang, H. C. Kuo, T. C. Lu, and S. C. Wang. Efficiency droop alleviation in InGaNGaN light-emitting diodes by graded-thickness multiple quantum wells. [J]. Appl. Phys. Lett., 2010, 97,181101.）。这些工作都是通过调制量子阱的能带结构来降低极化场，提高量子阱LED的发光效率，其可调程度都较小。

1998年，作为GaN基LED蓝光之父的 S. Nakamura研究小组报道了采用侧向外延生长技术( Lateral Epitaxial overgrowth，LEO) 获得了低位错密度的高晶体质量的GaN基材料并成功实现了GaN基蓝光激光器最小阈值电流达1.2kAcm-2，并实现商品化（参见S. Nakamura, M. Senoh, S. Nagahama, N. Iwasa, T.Yamada, T. Matsushita, H. Kiyoku, Y. Sugimoto, T.Kozaki, H.Umemoto, M. Sano, K. Chocho. InGaN/GaN/AlGaN-based laser diodes with modulation-doped strained-layer superlattices grown on an epitaxially laterally overgrown GaN substrate. [J]. Appl. Phys.Lett. , 1998, 72: 211-214.）。由于侧向外延技术不仅能降低材料位错密度，同时非极性面上生长发光器件的有源层可以显著降低极化电场，2009年其研究小组还报道了采用在GaN的非极性面(m-plane)，或者在非极性面 (a-plane)生长非极性面的GaN和制作LED/LD器件（参见Y. D. Lin, A. Chakraborty, S. Brinkley, H. C. Kuo, T. Melo, K. Fujito, J. S. Speck, S. P. DenBaars, and S. Nakamura. Characterization of blue-green m-plane InGaN light emitting diodes. [J]. Appl. Phys. Lett., 2009, 94: 261108.）。

尽管如此，二次外延的GaN材料，其制备条件要求较高，工艺有待优化。例如，二次外延时外延层会产生倾斜，多次外延会出现表面沾污等问题。另外，对于提高出光效率，在侧向外延的基础上，出现了图形化衬底技术，这种技术改善了二次外延出现的一些问题，并提高了器件的光提取效率。在传统工艺中，在图形化衬底表面进行外延时，都是采用加快侧向外延速率，使得外延层表面尽量平整，并进行其他器件结构的生长。附图1所示即为现有技术中一种图形化外延片的结构示意图，包括衬底1、图形层2、覆盖层3、N型GaN层4、有源层5、P型GaN层6以及结构层7。

综上所述，结合GaN基材料的生长特点和LED的广大的应用市场前景，我们需要降低LED有源层中的极化场而提高内量子效率。本发明提出利用GaN材料外延生长横向和侧向的生长速率可调的特点先在图形衬底上控制生长条件获得具有弱极性面的GaN外延层，然后在弱极性面上生长LED器件结构，得到具有非平面结构的有源层，从而降低有源层极化场，提高LED的发光效率。最后提高侧向生长速率，得到表面平整的外延片结构。

发明内容

本发明的目的在于克服传统LED器件结构中由于有源层存在极强的极化场，使得量子阱的能带发生倾斜，电子空穴波函数在空间上发生分离，使其辐射复合效率下降，从而降低LED内量子效率的问题，提供一种晶体质量较好，在弱极性面上实现非平面的有源层结构的氮化镓基发光二极管外延片结构及其制备方法。从而提高LED的内量子效率。

为了解决上述问题，本发明的技术方案包括如下步骤：在图形化衬底表面低温生长成核层；对成核层实施高温退火，使其转变成颗粒状晶核，从而形成凹凸不平的表面；在带有颗粒状晶核的生长衬底表面采用纵向生长速率大于横向生长速率的外延工艺生长本征GaN层；在本征GaN层表面依次生长N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层以及P型AlGaN层和掺镁P型GaN层，从而形成具有非平面和弱极性面的LED有源层结构：继续采用纵向生长速率小于横向生长速率的工艺生长表面结构层，从而获得平整的表面。

本发明利用图形衬底上GaN基材料生长技术中侧向和纵向生长速率可控的特点，在生长初期，外延材料首先在图形衬底的势能最低点处，即图形衬底的突出形状的周围或凹陷处成核生长，其成核层在完成500℃~650℃低温生长以后，进行900℃~1100℃高温退火处理，经退火后在衬底表面形成大量的颗粒状晶核，这些晶核是具有弱极性面的GaN外延层。由于侧向和纵向的生长速率比可以通过反应室的生长条件来控制，通过控制生长条件：生长温度，生长压力，和V/III比等参数来控制晶核的纵向生长速率（垂直于外延衬底平面）高于横向生长速率（平行于外延衬底平面），当相邻颗粒状晶核侧向外延部分两两相结合时，使得外延生长面上形成有显示出氮化镓系半导体晶体不同晶面的凹凸不平的岛状结构，即形成非平面的，具有弱极性面的GaN外延层，然后在此凹凸不平的结构且具有弱极性面的GaN上生长未掺杂的GaN层，N型GaN层、有源层。有源层生长完成后，改变生长条件，提高侧向生长速率，使侧向生长速率大于纵向生长速率，生长P型GaN层以及表面结构层，最终得到表面平整的外延片。

本发明所述的氮化镓基发光二极管外延片结构在图形化衬底表面从下至上依次包括成核层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层、P型AlGaN层、P型GaN层以及表面结构层。

可选的，所述的图形化衬底，可以由Al₂O₃、SiC、Si、GaAs、LiAlO₂、MgAl₂O₄、ScMgAlO₄、ZnO以及适合于氮化镓系半导体材料外延生长的衬底加工制作而成。图形化衬底其图形结构可以是规则排列的周期条形突出形状，周期条形凹陷形状，周期的球形凹陷结构，周期的球形突出结构，或是金字塔形结构，衬底表面可以是晶体的极性面也可以是晶体的非极性面或半极性面。

可选的，所述的成核层材料为Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中0≤X≤1，0≤Y≤1。成核层低温生长厚度为15nm~100nm之间，且表面平整，高温处理后，表面连续的成核层变为大量的岛状颗粒晶核，岛直径约为150nm~500nm之间，高度约为60nm~500nm之间，排列于图形衬底突出形状的周边或图形衬底凹陷形状的凹陷处。

可选的，所述的有源层采用3~10个周期的InGaN/GaN多量子阱，制作在由衬底表面岛状颗粒结构“复制”上来的具有凹凸不平表面的N型GaN层上面。

可选的，所述的P型掺杂剂选自Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra中的至少一种，所述N型掺杂剂选自C、Si、Ge、Sn、Pb、O、S、Se、Te、Po和Be中的至少一种。

本发明采用低压金属有机化学气相沉积系统（LP-MOCVD）设备，利用高纯H₂和N₂作为载气，进行LED外延片的制备。

传统氮化镓系发光器件在完成成核层结构后，都会加快横向外延速率，使晶核颗粒尽快横向生长并融合在一起，获得平整的氮化镓表面，并在此表面上继续生长其他结构（如现有技术中的附图1所示）。与传统外延工艺以及传统图形化衬底外延工艺不同，本发明首先在图形化衬底表面制作岛状成核层，然后通过控制外延生长条件，使成核层内岛状晶核不同裸露面的生长速率不同，经高温退火后形成大小不一的颗粒状晶核，接着，控制生长条件，使纵向生长速率（垂直于外延衬底平面的方向）高于横向生长速率，从而在生长平面上形成凹凸不平的外延表面，并在此界面上完成后续外延结构。通过这种方法，能够使得衬底上这些凹凸不平的结构逐层传递到LED器件的有源层上，使得LED器件的有源层表面依然有衬底表面上的这种凹凸不平的结构，增加了有源层的有效发光面积。同时，与侧向外延技术或图形化衬底外延技术类似，这种结构可以降低位错密度。而且由于是控制晶体不同表面的生长速率，因而得到的凹凸不平的生长表面实际上是晶体不同晶面的体现，这些晶面一般是具有非极性或半极性的弱极性面，在这些弱极性的氮化镓系材料表面生长的有源层多层材料的极性也会减弱，从而降低有源层的内建电场。与传统平整的有源层结构相比。另外衬底表面上的这些凹凸不平岛状颗粒从尺寸、外观和分布位置等方面都具有随机性，这使得这一界面的光提取效率大大增加。

与传统的LED器件结构相比，本发明的优点是：

1、利用可控非平面型LED器件结构，增大有源层的发光面积，在相同的注入电流条件下，其发光效率更高。

2、LED器件有源层生长在弱极性面GaN上，能够有效降低量子阱中的极化电场，从而提高电子空穴波函数复合几率，提高内量子效率。

3、LED器件结构的多层材料的生长机制与侧向外延技术或图形化衬底外延技术类似，这种结构可以降低位错密度，从而可提高晶体质量。

4、衬底表面上的凹凸不平岛状颗粒从尺寸、外观和分布位置等方面都具有随机性，这使得这一界面的光提取效率大大增加。

附图说明

附图1为现有技术中一种图形化外延片的结构示意图。

附图2和附图3为本发明所述方法的工艺示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的一种弱极性面上氮化镓基发光二极管外延片结构及其制备方法的具体实施方式做详细说明。

附图2和附图3所示为本发明所述方法的工艺示意图，本发明所述的弱极性面上氮化镓基发光二极管外延片结构制备方法具体步骤如下：

1）将图形衬底11装入反应室，在H₂气氛下加热至1050℃以上对衬底进行热处理10～20min；接着降温在500～650℃生长厚度15～100nm的成核层，材料为Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中0≤X≤1，0≤Y≤1。

2）在900～1100℃下，高温退火处理，得到大量颗粒状晶核12。

3）控制生长条件，可通过适当降低生长温度在800～1000℃之间，或增大压强在300～500Torr之间，或减小V族源与III族源流量的比例在500～1500之间，来控制晶核的纵向生长速率（垂直于外延衬底平面）高于横向生长速率（平行于外延衬底平面），继续未掺杂GaN层13的生长，使得相邻颗粒状晶核侧向外延部分两两相结合。在外延生长面上形成有显示出氮化镓系半导体晶体不同晶面的凹凸不平的岛状结构。

4）接着在这些凹凸不平的岛状结构上，在950～1050℃的H₂下生长一层0.5～3μm的N型GaN层14，生长速率为1～3μm/小时，所得到的N型GaN层具有与成核层一样的表面结构。

5）接着降温在700～900℃的N₂气氛下生长3～10个周期的InGaN/GaN多量子阱有源层15。使有源层也具有与N型GaN层一样的表面结构。

6）在900～1100℃的H₂下生长一薄层10～50nm厚的掺镁P型AlGaN层和一层较厚的掺镁P型GaN层16，以及表面结构层17，其中在生长P型GaN层时要通过控制生长温度在1000～1100℃之间，压强在50～200torr之间，V族源与III族源流量的比例在3000～5000之间来提高横向生长速率，最终得到表面平整的外延片。

7）完成后，将外延片在700～850℃的N₂气下退火10～20min，得氮化镓基发光二极管外延片。

以上外延片制备过程中所用的Ga、In、Mg、N、Si等源分别为高纯的三甲基镓（TMGa），三甲基铟（TMIn），三甲基铝（TMAl），二茂镁（Cp₂Mg）、NH₃和硅烷（SiH₄）等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种弱极性面上氮化镓基发光二极管外延片结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

在图形化衬底表面低温生长成核层；

对成核层实施高温退火，使其转变成颗粒状晶核，从而形成凹凸不平的表面；

在带有颗粒状晶核的生长衬底表面采用纵向生长速率大于横向生长速率的外延工艺生长本征GaN层；

在本征GaN层表面依次生长N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层以及P型AlGaN层和掺镁P型GaN层，从而形成具有非平面和弱极性面的LED有源层结构：

继续采用纵向生长速率小于横向生长速率的工艺生长表面结构层，从而获得平整的表面。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成核层的厚度范围是15～100nm，且表面连续。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的成核层材料为Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中0≤X≤1，0≤Y≤1。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，颗粒状晶核的岛直径约为150nm~500nm之间，高度约为60nm~500nm之间，排列于图形衬底突出形状的周边或图形衬底凹陷形状的凹陷处。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，本征GaN层的生长步骤中，是通过控制反应室温度、压强、反应源气体组份的比例、以及载气组份控制晶核的纵向生长速率高于横向生长速率。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图形化衬底可以由Al₂O₃、GaN、SiC、Si、GaAs、LiAlO₂、MgAl₂O₄、ScMgAlO₄、或ZnO加工制作而成；图形化衬底的图形结构可以是周期条形突出形状，周期条形凹陷形状，周期的球形凹陷结构，周期的球形突出结构，或是金字塔形结构，衬底表面可以是晶体的极性面也可以是晶体的非极性面或半极性面。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的P型掺杂剂选自Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra中的至少一种，所述N型掺杂剂选自C、Si、Ge、Sn、Pb、O、S、Se、Te、Po和Be中的至少一种。

8.一种采用权利要求1所述方法制备的半导体衬底，其特征在于，在图形化衬底表面依次包括成核层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层、P型AlGaN层、P型GaN层以及表面结构层。