CN103824915A - 一种氮化镓基发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氮化镓基发光二极管，其从下到上依次包括以下各层：蓝宝石衬底1；氮化镓层2，其作为缓冲层；非掺杂氮化镓层3；n型导电氮化镓层4；表面粗化不平的氮化铝硅层5；氮化铟镓/氮化镓多量子阱层6；和p型氮化镓层7。本发明还提供了上述氮化镓基发光二极管的制备方法。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域。
背景技术
氮化镓(GaN)是第三代直接能隙宽禁带半导体，其禁带宽℃为3.39eV。GaN基紫外、绿光或蓝光发光二极管(LED)器件具有高亮度、低能耗、长寿命、响应速℃快等优点，在全色显示、信号指示、景观照明等领域都有广泛的应用。特别是以GaN基蓝光LED混合荧光粉后制作的白光LED研发进展迅速，白光LED的发光波长只在可见光区，避免了白炽灯强烈的红外辐射，可以大量节约能源。同时白光LED体积小、寿命长、安全、高效、不存在汞等有害物质，被称为新一代绿色环保型照明光源，使其有望取代传统的白炽灯和荧光灯，带来人类照明光源的革命。
目前GaN基紫外、绿光或蓝光发光二极管材料通常异质外延生长在蓝宝石衬底上。因为氮化物和蓝宝石衬底之间通常存在很大的晶格常数失配和热膨胀系数差异，所以利用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)外延技术生长的氮化物外延层中存在很多晶体缺陷如位错等，材料的晶体质量因此受到很大影响。特别的由于晶格不匹配导致应力引起的极化效应使得量子阱内存在很大的电场，导致电子和空穴波函数空间上的分离，使辐射复合效率下降，发光效率和亮度低下。
为了提高发光二极管的亮度和发光效率，高反光层的生长插入层和高量子发光效率的发光区的生长设计是很重要的。内建电场的减弱，量子限制作用的增强将使辐射复合几率增加，发光效率大大提高。
因此，为了提高GaN基紫外、蓝光或绿光二极管的亮度，提高发光效率，发展新的外延生长技术是十分必要的。
发明概述
本发明的目的是在于提供一种提高氮化镓基发光二极管发光效率的外延生长方法。该方法通过在生长氮化铟镓/氮化镓多量子阱发光层前插入生长一层粗化不平的氮化铝硅层来实现。该外延生长方法适用于高亮度、高发光效率的氮化基紫外或蓝光或绿光发光二极管外延材料的金属有机化学气相沉积（MOCVD）外延生长。
本发明的第一方面提供了一种氮化镓基发光二极管，其从下到上依次包括以下各层：
蓝宝石衬底1；
氮化镓层2，其作为缓冲层；
非掺杂氮化镓层3；
n型导电氮化镓层4；
表面粗化不平的氮化铝硅层5；
氮化铟镓/氮化镓多量子阱层6；和
p型氮化镓层7。
本发明的第二方面提供了一种氮化镓基发光二极管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：利用金属有机物化学气相沉积设备，在蓝宝石衬底1上依次外延生长氮化镓层2、非掺杂氮化镓层3和n型导电氮化镓层4后，调整所述金属有机物化学气相沉积设备到作为发光层的氮化铟镓/氮化镓多量子阱层的生长温度;
步骤2：在生长氮化铟镓/氮化镓多量子阱层之前，将氨气、三甲基铝和硅烷持续通入所述金属有机物化学气相沉积设备，以在所述n型导电氮化镓层4上面自然生成表面粗化不平的氮化铝硅层5；
步骤3：在该表面粗化不平的氮化铝硅层5上再依次生长所述氮化铟镓/氮化镓多量子阱层6和p型氮化镓层7，即成为所述氮化镓基发光二极管。
附图简述
图1是本发明的氮化镓基发光二极管的结构示意图。
发明详述
为了进一步说明本发明的内容，以下结合附图和实施例对本发明作详细的描述。
本发明的第一方面中的氮化镓基发光二极管，其从下到上依次包括以下各层：蓝宝石衬底1；氮化镓层，其作为缓冲层2；非掺杂氮化镓层（3）；n型导电氮化镓层4；表面粗化不平的氮化铝硅层5；氮化铟镓/氮化镓多量子阱层6；和p型氮化镓层7。
其中各层的名字是半导体领域中常用的技术术语，为技术人员所熟知。例如：所述n型导电氮化镓层是指掺杂硅的氮化镓层。所述氮化铟镓/氮化镓多量子阱层是指多个氮化铟镓/氮化镓单量子层的叠置，其中每一个氮化铟镓/氮化镓单量子层由两层氮化镓层夹着一层氮化铟镓层组成，类似于三明治结构，其中氮化铟镓层作为量子阱层，氮化镓层作为量子垒限制层。换句话说，一个氮化铟镓/氮化镓单量子层由氮化镓层-氮化铟镓层-氮化镓层组成，而氮化铟镓/氮化镓多量子阱层是指氮化镓层-氮化铟镓层-氮化镓层-氮化铟镓层-氮化镓层-……这样的结构。p型氮化镓层是指掺杂镁的氮化镓层。
氮化铝硅是同时将氨气、三甲基铝和硅烷同时通入反应室得到的一种二元复合氮化物,是氮化硅和氮化铝的多晶态复合物质,在成分上可以看作是掺杂了硅的氮化铝,或者掺杂了铝的氮化硅,其具体成分组成可通过X射线光电子能谱分析或X射线能量色散谱分析方法测试得到。
其中所述表面粗化不平的氮化铝硅层5的平均厚度为10-300纳米，优选20-100纳米，表面粗糙度为5-100纳米，优选10-50纳米。其中表面粗糙度的含义类似于机械加工领域中对表面粗糙度的定义，是指表面具有的较小间距和微小峰谷起伏度，其可通过原子力显微镜或透射电子显微镜等光学方法来测量。具体测量方法可参见相关技术手册或国家标准，本文不再赘述。
本发明与传统的氮化镓基发光二极管相比，改进之处在于，在n型导电氮化镓层4和作为发光层的氮化铟镓/氮化镓多量子阱层6之间多了一层表面粗化不平的氮化铝硅层5，该粗化不平的氮化铝硅层可增强氮化铟镓/氮化镓多量子阱发光区向表面的光反射，同时减弱氮化铟镓/氮化镓多量子阱发光层6的内建电场，提高量子局域化效应，增强辐射复合几率，增加发光效率，从而提高二极管的亮度。
以下举例说明本发明的氮化镓基发光二极管的制备方法。该制备过程采用金属有机化合物化学气相沉积法，简称为MOCVD法。这是半导体器件加工领域中在衬底上外延生长半导体材料的常用方法。
本发明所用的外延设备为美国VEECO公司生产的商用机，型号为C454×2’。所用Ⅴ族源为氨气(NH3)，Ⅲ族金属有机源材料为三甲基镓(TMGa)、三甲基铝（TMAl）和三甲基铟(TMIn),载气为N2和H2，NH3、TMGa、TMAl和TMIn的流量分别为40标准升/分钟(slm)，380微摩尔/分钟(μmol/m),130微摩尔/分钟(μmol/m)和400微摩尔/分钟(μmol/m)。反应室压强为200Torr。硅烷(SiH4)的流量为60毫升/分钟(sccm)。以上各源材料的具体流量和工艺参数可根据具体情况加以设计和选择。
将2英寸的蓝宝石衬底上装入MOCVD生长设备后，依次经过1100℃高温烘烤，540℃低温生长氮化镓缓冲层、1050℃高温生长非掺杂氮化镓层和n型氮化镓层。
在生长氮化铟镓/氮化镓多量子阱发光层前。首先将蓝宝石衬底的温度降到740℃，在流动的N2气氛下，反应室压强为200Torr。通过MOCVD设备系统计算机控制的操作开关向反应室持续通入氨气(NH3)、有机铝源TMAl和硅烷(SiH4)等源材料。该过程会自然形成具有一定厚度的粗化不平的氮化铝硅层。具体厚度通过生长反应的时间来控制，一般控制在10-300nm厚，优选20-100nm厚。
接着在相同的温度和压力下，在该粗化不平的氮化铝硅层上生长氮化铟镓/氮化镓多量子阱层作为发光层。粗化不平的氮化铝硅层与氮化铟镓/氮化镓多量子阱层形成高的反光界面,即增加了光线向表面反射的几率。
最后生长p型氮化镓层即可完成本发明的氮化镓基发光二极管的制备。
该插入的粗化不平氮化铝硅层能增强LED量子阱发光区向表面的反光，减弱氮化铟镓/氮化镓多量子阱的内建电场，提高量子局域化效应，增强辐射复合几率，从而提高发光二极管的发光效率和发光亮度。
Claims (3)
1.一种氮化镓基发光二极管，其从下到上依次包括以下各层：
蓝宝石衬底（1）；
氮化镓层（2），该层作为缓冲层；
非掺杂氮化镓层（3）；
n型导电氮化镓层（4）；
表面粗化不平的氮化铝硅层（5）；
氮化铟镓/氮化镓多量子阱层（6）；和
p型氮化镓层（7）。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管，其特征在于所述表面粗化不平的氮化铝硅层（5）的平均厚度为10-300纳米，表面粗糙度为5-100nm。
3.一种氮化镓基发光二极管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：利用金属有机物化学气相沉积设备，在蓝宝石衬底（1）上依次外延生长氮化镓层缓冲层（2）、非掺杂氮化镓层（3）和n型导电氮化镓层（4）后，调整所述金属有机物化学气相沉积设备到作为发光层的氮化铟镓/氮化镓多量子阱层的生长温度;
步骤2：在生长氮化铟镓/氮化镓多量子阱层之前，将氨气、有机铝源和硅烷持续通入所述金属有机物化学气相沉积设备，以在所述n型导电氮化镓层（4）上面自然生成表面粗化不平的氮化铝硅层（5）；
步骤3：在该表面粗化不平的氮化铝硅层（5）上再依次生长所述氮化铟镓/氮化镓多量子阱层（6）和p型氮化镓层（7），即成为所述氮化镓基发光二极管。
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