CN104022203A - 一种GaN基发光二极管结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种GaN基发光二极管结构，包括衬底、n型GaN导电层、n型AlGaN限制层、有源区发光层、p型AlGaN限制层、p电极和n电极，其中：在所述p型AlGaN限制层的上表面或下表面沉积有一层p型金刚石薄膜导电层，所述p型金刚石薄膜导电层的横截面积大小与p型AlGaN限制层的大小相同，厚度为50500nm。本发明的金刚石薄膜对全波段光的吸收作用很弱，减小了吸光问题，可以有效提高LED的出光效率；金刚石的禁带宽度较大，对电子的反射作用强，能够减小电子泄露，提高亮度；p型金刚石薄膜掺杂容易，空穴浓度较高，易于制备欧姆接触。
Description
技术领域
本发明涉及一种GaN基发光二极管结构及其制备方法，属于半导体技术领域。
背景技术
发光二极管(简称“LED”)是一种半导体固体发光器件，它利用半导体材料内部的导带电子和价带空穴发生辐射复合，是以光子形式释放能量而直接发光的。通过设计不同的半导体材料禁带宽度，发光二极管可以发射从红外到紫外不同波段的光。
氮化物发光二极管以其具有高效、节能、长寿命以及体积小等优点在世界范围内得到广泛发展。发光波长在210-365nm的紫外发光二极管，因其调制频率高、体积小、无汞环保以及高杀菌潜力等优点，在杀菌消毒、生物医药、照明、存储和通信等领域有广泛的应用前景；发光波长在440-470nm的蓝光发光二极管因其能耗低、寿命长以及环保等优点，在照明、亮化以及显示领域有巨大的应用前景；发光波长在500-550nm的绿光发光二极管，在亮化和显示以及三基色照明领域也有非常好的应用前景。
目前世界范围内氮化物发光二极管普遍结构自下而上都是衬底、GaN缓冲层、n型GaN导电层、n型AlGaN限制层、有源区发光层、p型AlGaN限制层、p型GaN导电层。p型掺杂GaN较难得到，曾经是制约GaN发光二极管发光效率的关键因素。在热退火技术提出之后，GaN较容易的实现了Mg杂质的掺杂，但是由于Mg的活化效率很低，为了获得较高的载流子浓度，需要很高的Mg掺杂浓度。但是高掺杂的p型GaN材料吸光现象较为严重，当发光二极管的发射波长较短时，吸光问题更为严重，对发光二极管的发光效率有明显的影响。
日本专利文件JP2003347592A提出了一种GaN基化合物半导体LED的制备过程，其主要技术方案是通过金属有机气相外延生长p型掺杂的GaN基化合物半导体，然后将反应室保持特定的温度，在无氢气的气氛下进行退火，将p型掺杂GaN基化合物半导体转换成p型导电化合物半导体。但本方法的缺点是p型掺杂化合物受主活化效率很低，得到的p型导电化合物空穴浓度较低，另外p型掺杂材料对LED发出的光有吸收作用，当发光波长＜400nm时，光吸收作用更为显著。
中国专利文件CN102227008A(201110129769.X)提出了一种LED芯片P型GaN层的制备方法，该方法的主要技术方案是首先生长掺铟和镁的P型GaN层，然后将铟析出，形成掺镁的P型GaN层。但本方法的缺点是掺镁的P型GaN层对LED发出的光有吸收作用，当发光波长变短时，光吸收作用明显增强，导致LED的亮度下降。
中国专利文件CN102769078A(201210241934.5)提出了一种高生长速率的P型GaN结构LED制造方法，该方法的主要技术方案是P型GaN层采用较高生长速率进行，减小生长时间，从而减少In的挥发，减少对邻近InGaN层的破坏，提高阱的质量，进而提高亮度。但是本发明的缺点是P型GaN层对GaN基LED发出的蓝紫光有吸收作用，特别是波长降低到紫外波段时，光吸收作用更为明显，导致LED亮度下降。
中国专利文件CN101956178A(201010295654.3)，提供了一种在Si衬底上制备纳米金刚石薄膜的制备方法，其技术方案是在Si衬底上通过化学气相沉积方法，制备出硼掺杂纳米金刚石薄膜，然后通过真空退火技术得到硼掺杂的纳米金刚石薄膜，此专利金刚石薄膜生长在Si衬底上，不能应用于发光二极管领域。而所撰写专利的金刚石薄膜是在GaN基发光二极管的量子阱上方p型限制层上生长的，用金刚石薄膜替代常规的p型氮化镓层，能够提高更高浓度的空穴载流子，同时减少p型氮化镓的吸光问题，提高LED的出光效率。
发明内容
本发明针对现有GaN基发光二极管的Mg掺杂空穴载流子浓度低、p型掺杂困难以及p型氮化镓层吸光严重的问题，提出一种GaN基发光二极管结构。
本发明所述GaN基发光二极管优选是同面电极结构的GaN基发光二极管或垂直电极结构的GaN基发光二极管。
本发明还提供一种上述GaN基发光二极管结构的制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种GaN基发光二极管结构，包括衬底、n型GaN导电层、n型AlGaN限制层、有源区发光层、p型AlGaN限制层、p电极和n电极，其中：在所述p型AlGaN限制层的上表面或下表面沉积有一层p型金刚石薄膜导电层，厚度为50-500nm。
根据本发明，优选方案之一：
所述的GaN基发光二极管结构是同面电极结构GaN基发光二极管，包括由下而上设置的衬底、缓冲层、n型GaN导电层、n型AlGaN限制层、有源区发光层、p型AlGaN限制层、p型金刚石薄膜导电层，LTO透明导电层和p电极，在n型GaN导电层上制备有n电极；所述p型金刚石薄膜导电层是生长在p型AlGaN限制层的上表面，厚度为50-500nm。
根据本发明，优选方案之一：
所述的GaN基发光二极管结构是垂直电极结构GaN基发光二极管，包括从下而上设置的p电极、衬底、p型欧姆接触层，p型金刚石薄膜导电层、p型AlGaN限制层、有源区发光层、n型AlGaN限制层、n型GaN导电层和n电极；所述p型金刚石薄膜导电层是生长在p型AlGaN限制层的下表而，厚度为50500nm。
所述p型金刚石薄膜导电层的生长是利用化学气相沉积法在化学气相沉积设备反应室中通入甲烷作为原材料、氢气作为载气，再通入含有掺杂元素的气体来实现。
所述掺杂元素的气体是硼烷；所述掺杂元素是硼元素。
所述甲烷、氢气和硼烷的体积比为(0.81)∶(80100)∶(0.0008-0.08)。
所述硼元素的掺杂浓度范围为5×1018cm-3-5×1020cm-3。
所述p型金刚石薄膜导电层的横截面大小与p型AlGaN限制层的大小相同。
所述化学气相沉积法是热丝化学气相沉积法、等离子化学气相沉积法或燃烧火焰化学气相沉积法中的一种。
所述衬底是蓝宝石、碳化硅或硅中的一种。
根据本发明，一种GaN基发光二极管结构的制备方法，包括步骤如下：
(1)按照现有技术制备外延片至p型AlGaN限制层，然后在p型AlGaN限制层表面上利用化学气相沉积法在化学气相沉积设备反应室中通入甲烷作为原材料、氢气作为载气，再通入含有掺杂元素的气体进行生长一层厚为50-500nm的p型金刚石薄膜导电层，完成GaN基发光二极管外延层的生长，然后降温至40摄氏度取出样品；
(2)将步骤(1)的样品放入煮沸的丙酮中清洗5分钟，再放入煮沸的乙醇中清洗5分钟，后用去离子水冲洗5分钟，然后用氮气吹干；
(3)在经步骤(2)清洗后的外延片上按现有技术制成发光二极管管芯；
优选的，步骤(3)为在外延片上继续制备ITO透明导电层，按照发光二极管芯片同面电极工艺制成GaN基同面电极结构的发光二极管；或
在外延片上继续制备P型欧姆接触层，利用发光二极管芯片换衬底垂直电极工艺制成GaN基垂直电极结构的发光二极管。
步骤(1)中所述p型金刚石薄膜导电层的横截面大小与p型AlGaN限制层的大小相同。
步骤(1)中所述p型金刚石薄膜导电层的生长温度为600-900摄氏度，生长时间为10-40分钟。
步骤(1)中所述掺杂元素的气体是硼烷；所述掺杂元素是硼元素。
步骤(1)中所述甲烷、氢气和硼烷的体积比为(0.81)∶(80-100)∶(0.0008-0.08)。
步骤(1)中所述硼元素的掺杂浓度范围为5×1018cm-3-5×1020cm-3。
上述方法用于制备GaN基同面电极结构的发光二极管或GaN基垂直电极结构的发光二极管。
本发明的有益效果：
本发明是针对现有GaN基发光二极管的p型GaN层对蓝紫光特别是紫外光有较强的吸收作用这一问题，提出在生长完p型AlGaN限制层后制备一层p型金刚石薄膜导电层作为GaN基发光二极管的p型导电层。首先，金刚石薄膜对全波段光的吸收作用很弱，减小了吸光问题，可以有效提高LED的出光效率；其次，金刚石的禁带宽度较大，对电子的反射作用强，能够减小电子泄露，提高亮度；第三，p型金刚石薄膜掺杂容易，空穴浓度较高，易于制备欧姆接触。
附图说明
图1为本发明的同面电极结构GaN基发光二极管的示意图。
图2为本发明的垂直电极结构GaN基发光二极管的示意图。
图中：1、p电极；2、p型金刚石薄膜导电层；3、p型AlGaN限制层；4、有源区发光层；5、n型AlGaN限制层；6、n型GaN导电层；7、GaN缓冲层；8、衬底；9、n电极；10、ITO透明导电层；11、P型欧姆接触层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。实施例中使用的化学气相沉积设备，型号为牛津plasmalab800。
实施例1、制备蓝宝石衬底的同面电极结构GaN基发光二极管。
如图1所示，所述同面电极结构GaN基发光二极管结构从下而上依次为蓝宝石衬底8、缓冲层7、n型GaN导电层6、n型AlGaN限制层5、有源区发光层4、p型AlGaN限制层3、p型金刚石薄膜导电层2、ITO透明导电层10和p电极1；在n型GaN导电层6上制备有n电极9；所述p型金刚石薄膜导电层2是生长在p型AlGaN限制层3的上表面，厚度为50nm；所述p型金刚石薄膜导电层2的横截面大小与p型AlGaN限制层3的大小相同。
制备方法步骤如下：
(1)按照现有技术制备外延片至p型AlGaN限制层3，然后在p型AlGaN限制层3的上表面利用等离子化学气相沉积法在化学气相沉积设备反应室中通入甲烷作为原材料、氢气作为载气，再通入含有含有硼元素的硼烷进行生长一层厚为50nm的p型金刚石薄膜导电层2，完成GaN基发光二极管外延层的生长，然后降温至40摄氏度取出样品；所述温度条件是600摄氏度，生长时间为10分钟；所述甲烷、氢气和硼烷的体积比为0.8∶80∶0.0008；所述硼元素的掺杂浓度为5×1018cm-3；
(2)将步骤(1)的样品放入煮沸的丙酮清洗5分钟，再放入煮沸的乙醇中清洗5分钟，后用去离子水冲洗5分钟，然后用氮气吹干；
(3)在经步骤(2)清洗后的外延片上继续制备ITO透明导电层10，按照发光二极管芯片同面电极工艺制成GaN基同面电极结构的发光二极管。
实施例2、制备碳化硅衬底的垂直电极结构GaN基发光二极管。
如图2所示，所述垂直电极结构GaN基发光二极管结构从下而上依次包括p电极1、碳化硅衬底8、p型欧姆接触层11、p型金刚石薄膜导电层2、p型AlGaN限制层3、有源区发光层4、n型AlGaN限制层5、n型GaN导电层6和n电极9；所述p型金刚石薄膜导电层2是生长在p型AlGaN限制层3的下表面，厚度为500nm；所述p型金刚石薄膜导电层2的横截面大小与p型AlGaN限制层3的大小相同。
制备方法步骤如下：
(1)按照现有技术制备外延片至p型AlGaN限制层3，然后在p型AlGaN限制层3的下表面利用热丝化学气相沉积法在化学气相沉积设备反应室中通入甲烷作为原材料、氢气作为载气，再通入含有含有硼元素的硼烷进行生长一层厚为500nm的p型金刚石薄膜导电层2，完成GaN基发光二极管外延层的生长，然后降温至40摄氏度取出样品；所述温度条件是900摄氏度，生长时间为40分钟；所述甲烷、氢气和硼烷的体积比为0.8∶100∶0.08；所述硼元素的掺杂浓度为5×1020cm-3；
(2)同实施例1；
(3)在经步骤(2)清洗后的外延片上继续制备p型欧姆接触层11，利用发光二极管芯片换衬底垂直电极工艺制成GaN基垂直电极结构的发光二极管。
实施例3、制备硅衬底的同面电极结构GaN基发光二极管。
如图1所示，如实施例1所示，该GaN基发光二极管结构从下而上依次包括硅衬底8、缓冲层7、n型GaN导电层6、n型AlGaN限制层5、有源区发光层4、p型AlGaN限制层3、p型金刚石薄膜导电层2、ITO透明导电层10和p电极1；制备方法如实施例1所述，不同之处在于：
步骤(1)所述化学气相沉积法为燃烧火焰化学气相沉积法；所述p型金刚石薄膜导电层2的厚度为200nm；所述温度条件是700摄氏度，生长时间是30分钟；所述甲烷、氢气和硼烷的体积比为1∶85∶0.002；所述硼元素的掺杂浓度为1×1019cm-3。
实施例4、制备蓝宝石衬底的垂直电极结构GaN基发光二极管。
如图2所示，如实施例2，该GaN基发光二极管结构从下而上依次包括p电极1、蓝宝石衬底8、p型欧姆接触层11、p型金刚石薄膜导电层2、p型AlGaN限制层3、有源区发光层4、n型AlGaN限制层5、n型GaN导电层6和n电极9；制备方法如实施例2所述，不同之处在于：
步骤(1)所述p型金刚石薄膜导电层2的厚度为400nm；所述温度条件是800摄氏度，生长时间是25分钟；所述甲烷、氢气和硼烷的体积比为0.85∶90∶0.0085；所述硼元素的掺杂浓度为5×1019cm-3。
Claims (13)
1.一种GaN基发光二极管结构，包括衬底、n型GaN导电层、n型AlGaN限制层、有源区发光层、p型AlGaN限制层、p电极和n电极，其特征在于，在所述p型AlGaN限制层的上表面或下表面沉积有一层p型金刚石薄膜导电层，厚度为50-500nm。
2.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管结构，其特征在于，所述的GaN基发光二极管结构是同面电极结构GaN基发光二极管，包括由下而上设置的衬底、缓冲层、n型GaN导电层、n型AlGaN限制层、有源区发光层、p型AlGaN限制层、p型金刚石薄膜导电层、ITO透明导电层和p电极，在n型GaN导电层上制备有n电极；所述p型金刚石薄膜导电层是生长在p型AlGaN限制层的上表面，厚度为50-500nm。
3.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管结构，其特征在于，所述的GaN基发光二极管结构是垂直电极结构GaN基发光二极管，包括从下而上设置的p电极、衬底、p型欧姆接触层，p型金刚石薄膜导电层、p型AlGaN限制层、有源区发光层、n型AlGaN限制层、n型GaN导电层和n电极；所述p型金刚石薄膜导电层是生长在p型AlGaN限制层的下表面，厚度为50-500nm。
4.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管结构，其特征在于，所述p型金刚石薄膜导电层的生长是利用化学气相沉积法在化学气相沉积设备反应室中通入甲烷作为原材料、氢气作为载气，再通入含有掺杂元素的气体来实现；所述掺杂元素的气体是硼烷；所述掺杂元素是硼元素。
5.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管结构，其特征在于，所述p型金刚石薄膜导电层的横截面大小与p型AlGaN限制层的大小相同。
6.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管结构，其特征在于，所述化学气相沉积法是热丝化学气相沉积法、等离子化学气相沉积法或燃烧火焰化学气相沉积法中的一种。
7.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管结构，其特征在于，所述衬底是蓝宝石、碳化硅或硅中的一种。
8.如权利要求1-7任一项所述GaN基发光二极管结构的制备方法，包括步骤如下：
(1)按照现有技术制备外延片至p型AlGaN限制层，然后在p型AlGaN限制层表面上利用化学气相沉积法在化学气相沉积设备反应室中通入甲烷作为原材料、氢气作为载气，再通入含有掺杂元素的气体进行生长一层厚为50-500nm的p型金刚石薄膜导电层，完成GaN基发光二极管外延层的生长，然后降温至40摄氏度取出样品；
(2)将步骤(1)的样品放入煮沸的丙酮中清洗5分钟，再放入煮沸的乙醇中清洗5分钟，后用去离子水冲洗5分钟，然后用氮气吹干；
(3)在经步骤(2)清洗后的外延片上按现有技术制成发光二极管管芯；
优选的，步骤(3)为在外延片上继续制备ITO透明导电层，按照发光二极管芯片同面电极工艺制成GaN基同面电极结构的发光二极管；或
在外延片上继续制备P型欧姆接触层，利用发光二极管芯片换衬底垂直电极工艺制成GaN基垂直电极结构的发光二极管。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述p型金刚石薄膜导电层的横截面大小与p型AlGaN限制层的大小相同。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述p型金刚石薄膜导电层的生长温度为600-900摄氏度，生长时间为10-40分钟。
11.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述掺杂元素的气体是硼烷，所述掺杂元素是硼元素。
12.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述甲烷、氢气和硼烷的体积比为(0.8-1)∶(80-100)∶(0.00080.08)。
13.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述硼元素的掺杂浓度范围为5×1018cm-35×1020cm3。
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