CN111987198A - 基于Fe掺杂的GaN基横向结构发光二极管及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Fe掺杂的GaN基横向结构发光二极管及其制备方法，主要解决现有GaN基横向结构发光二极管工作时电流集边的问题。其自下而上包括：衬底(1)，低温GaN成核层(2)，n型GaN层(3)，InxGa1‑xN/AlyGa1‑yN多量子阱层(4)，p型GaN层(5)和电极(6)，其中n型GaN层(3)设为三层结构，第一层是n型GaN层，第二层是Fe掺杂的n型GaN层，第三层是n型GaN层，以降低第二层的载流子浓度。本发明通过Fe掺杂减小了n型GaN层的浓度，避免了电流集边效应，实现了电流拓展，提高了器件的发光效率及可靠性，可用于高亮度照明设备及LED显示设备中。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种GaN基横向结构发光二极管，可用于高亮度照明设备及各种LED显示设备中。
技术背景
基于GaN体系的发光二极管在可见光及紫外光源上具有得天独厚的优势。在GaN体系的发光二极管中，横向结构是目前的主流结构，但由于横向结构的发光二极管在工作时电流需经过一个“横向流动”的过程，在拐角处往往会产生电流的聚集效应，限制器件的性能，造成器件可靠性差的问题。因此如何对电流进行拓展，降低电流集边效应的影响是设计和制作发光二极管的重要目标。
近年来，对于如何进行电流拓展，科研人员尝试了许多结构，常见的电流拓展结构有两种：一是在n型GaN层中插入AlGaN层，如图1所示；二是在生长量子阱前生长周期性的超晶格结构，如图2所示。这些结构通过建立电流的势垒，使得电流进行再分布，实现电流的拓展，从而有效的减少了电子的泄漏电流，提高了器件的发光效率。但上述两种结构均需额外生长相应的层结构，实现较为繁琐。且在具体生长过程中，由于层结构的复杂性不仅会导致制作成本的增加，而且额外的层堆叠也会对其他层结构的缺陷及应力造成影响。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有横向发光二极管的不足，提出一种基于Fe掺杂GaN基横向结构发光二极管及制作方法，以通过Fe掺杂层建立起n型层中电流的势垒，实现电流的拓展，提高发光二极管的性能。
本发明的技术方案是这样实现的：
1.一种基于Fe掺杂的GaN基横向结构发光二极管，其自下而上包括：衬底，低温GaN成核层，n型GaN层，InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层，p型GaN层和电极，其特征在于：n型GaN层设为三层结构，第一层是n型GaN层，第二层是Fe掺杂的n型GaN层，第三层是n型GaN层，以降低第二层的载流子浓度，实现电流拓展。
进一步，所述n型GaN层的三层结构参数如下：
第一层n型GaN层，厚度为2000-2500nm，掺杂浓度为1018-1019cm-3；
第二层Fe掺杂的n型GaN层，厚度为500-1000nm，Fe掺杂浓度为1018-1019cm-3；
第三层n型GaN层，厚度为1000-1500nm，掺杂浓度为1018-1019cm-3。
进一步，所述低温GaN成核层的厚度为30-50nm；所述p型GaN层的厚度为100-400nm。
进一步，所述InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层，其周期数为8，每个周期的单层InxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层的厚度分别为1-5nm和9-15nm，In含量x的调整范围为0-0.5，Al含量y的调整范围为0-0.3。
进一步，所述衬底(1)的材料为蓝宝石或碳化硅或硅；
所述电极(6)的材料为Ti/Al/Ti/Au合金或Ni/Au合金。
2.一种基于Fe掺杂的GaN基横向结构发光二极管的制备方法，其特征在于，包括如下：
1)对衬底进行加热和高温氮化的预处理；
2)在衬底上采用MOCVD工艺生长厚度为30-50nm的低温GaN成核层；
3)在GaN成核层上生长三层结构的n型GaN层：
3a)在GaN成核层上采用MOCVD工艺生长厚度为2000-2500nm、掺杂浓度为1018-1019cm-3的第一层n型GaN层；
3b)在第一层n型GaN层上采用MOCVD工艺，通入25-50sccm的Fe源流量，生长Fe掺杂浓度为1018-1019cm-3，厚度为500-1000nm的第二层Fe掺杂n型GaN层；
3c)在第二层Fe掺杂n型GaN层上采用MOCVD工艺，生长厚度为1000-1500nm、掺杂浓度为1018-1019cm-3的第三层n型GaN层；
4)在第三层n型GaN层上采用MOCVD工艺生长八个周期的InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层，每个周期的单层InxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层的厚度分别为1-5nm和9-15nm，In含量x的调整范围为0-0.5，Al含量y的调整范围为0-0.3；
5)在InxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱上生长厚度为100-400nm的p型GaN层，并将反应室温度维持在800-1000℃，在H2气氛下，退火5-10min；
6)采用溅射金属的方法分别在n型GaN层上沉积n型电极，在p型GaN层沉积p型电极，完成对发光二极管的制作。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明的发光二极管，由于n型层中插入了一层Fe掺杂层，提高了该层的电阻率，有助于缓解器件的电流聚集效应，使得电流能够均匀的注入到量子阱中，提高了器件的发光效率。
2.本发明由于采用了掺杂受主杂质的方式实现电流拓展，即通过在MOCVD生长过程中通入Fe源流量实现掺杂，操作方便，可利用性强。
附图说明
图1是现有基于AlGaN插入层实现电流拓展的发光二极管结构示意图；
图2是现有基于阱前超晶格实现电流拓展的发光二极管结构示意图；
图3是本发明基于Fe掺杂的GaN基发光二极管结构图；
图4是本发明制作Fe掺杂GaN基发光二极管的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例做进一步说明。
参照图3，本实例的发光二极管包括：衬底层1、低温GaN成核层2、n型GaN层3、InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层4、p型GaN层5和电极6。其中，衬底1采用蓝宝石或碳化硅或硅，低温GaN成核层2位于蓝宝石衬底层1之上，其厚度为30-50nm；n型GaN层3位于低温GaN成核层2之上，它包含三层结构，第一层厚度为2000-2500nm，掺杂浓度为1018-1019cm-3的n型GaN层，第二层厚度为500-1000nm，Fe掺杂浓度为1018-1019cm-3的Fe掺杂n型GaN层，第三层厚度为1000-1500nm，掺杂浓度为1018-1019cm-3的n型GaN层；InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层4位于n型GaN层3之上，即InxGa1-xN层和AlyGa1-yN层交替生长，每个InxGa1-xN层和它上面的AlyGa1-yN层组合起来为一个周期，共八个周期，每个的InxGa1-xN层和AlyGa1-yN层的厚度分别为1-5nm和9-15nm；p型GaN层5位于InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱4之上的部分，其厚度为100-400nm；电极6包括n型电极和p型电极，分别位于n型GaN层3和p型GaN层5之上，其材料均为Ti/Al/Ti/Au合金或Ni/Au合金。
InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱结构4中的In含量参数x和y的调整范围分别为0-0.5和0-0.3，不同In含量的量子阱可制备出发光波长不同的发光二极管。
参照图4，本发明给出制备Fe掺杂GaN基发光二极管的三种实施例。
实施例1，制备衬底为蓝宝石，多量子阱为In0.01Ga0.99N/Al0.1Ga0.9N，发光波长为365nm的发光二极管。
步骤一，对衬底进行预处理。
1a)对所选衬底进行清洗：将衬底先放入HF酸或HCl酸中超声波清洗5-10min，然后放入丙酮溶液中超声波清洗5-10min，再使用无水乙醇溶液超声清洗5-10min，再用去离子水超声清洗5-10min，最后用氮气吹干；
1b)将经过清洗之后的蓝宝石衬底，置于金属有机化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低至2×10-2Torr；向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到为50Torr条件下，将衬底加热到温度为900℃，并保持5min，完成对衬底基片的热处理；
1c)将热处理后的衬底置于温度为1050℃的反应室，通入流量为3000sccm的氨气，持续5min进行氮化，完成氮化。
步骤二，生长低温GaN成核层,如图4(a)。
在氮化后的衬底上采用MOCVD工艺在反应室温度为540℃的条件下，同时通入流量为3000sccm的氨气和流量为100sccm的镓源，生长厚度为30nm的低温GaN成核层。
步骤三，生长三层结构的n型GaN层，如图4(b)。
3a)在GaN成核层上采用MOCVD工艺在反应室温度为1060℃的条件下，同时通入流量为2500sccm的氨气、流量为150sccm的镓源和流量为40sccm硅源，在保持压力为20Torr的条件下生长厚度为2000nm、掺杂浓度为1×1019cm-3的第一层n型GaN；
3b)在第一层GaN上，保持氨气、镓源和硅源流量不变，通入25sccm的Fe源，生长厚度为500nm的、Fe掺杂浓度为1×1018cm-3的第二层n型GaN；
3c)在第二层GaN上，保持氨气、镓源和硅源流量不变，停止通入Fe源，生长厚度为1500nm、掺杂浓度为1×1019cm-3的第三层n型GaN。
步骤四，生长发光波长为365nm的In0.01Ga0.99N/Al0.1Ga0.9N多量子阱结构。
在第三层的n型GaN层上采用MOCVD工艺生长In0.01Ga0.99N/Al0.1Ga0.9N多量子阱，即在反应室温度为1180℃、压力为60Torr的条件下，生长八个周期的In0.01Ga0.99N/Al0.1Ga0.9N量子阱，如图4(c)，其中：
每个周期的单层In0.01Ga0.99N阱层厚度为2nm，生长过程中保持氮源的流量为1100sccm，镓源流量为50sccm，铟源流量为150sccm；
每个周期的单层Al0.1Ga0.9N垒层的厚度为9nm，生长过程中保持氮源的流量为1100sccm，镓源流量为50sccm，铝源流量为200sccm。
步骤五，生长p型GaN层。
5a)在量子阱表面采用MOCVD工艺在反应室温度为1060℃的条件下，同时通入流量为2500sccm的氨气、流量为150sccm的镓源和流量为100sccm的镁源，在保持压力为20Torr的条件下生长厚度为200nm的p型GaN层，如图4(d)；
5b)将反应室温度维持在860℃，在H2气氛下，退火10min。
步骤六，淀积电极，如图4(e)。
采用溅射金属的方法淀积电极，完成对Fe掺杂发光二极管的制作，其中：
在n型GaN层上沉积Ti/Al/Ti/Au电极，厚度为30/50/30/80nm；
在p型GaN层沉积Ni/Au电极，厚度为50/300nm。
实施例2，制备衬底为碳化硅，多量子阱为In0.15Ga0.85N/Al0.08Ga0.92N，发光波长为420nm的发光二极管。
步骤1，对衬底进行预处理。
1.1)对所选衬底进行清洗：本步骤的具体实现与实施例1的步骤1a)相同；
1.2)将清洗之后的碳化硅衬底，置于金属有机化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低至2×10-2Torr；向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到为750Torr条件下，将衬底加热到温度为1200℃，并保持5min，完成对衬底基片的热处理。
1.3)将热处理后的衬底置于温度为1100℃的反应室，通入流量为3500sccm的氨气，持续8min进行氮化，完成氮化。
步骤2，生长低温GaN成核层,如图4(a)。
在氮化后的衬底上采用MOCVD工艺在反应室温度为540℃的条件下，同时通入流量为3500sccm的氨气和流量为70sccm的镓源，生长厚度为40nm的低温GaN成核层。
步骤3，生长三层结构的n型GaN层，如图4(b)。
3.1)在GaN成核层上采用MOCVD工艺在反应室温度为1120℃的条件下，同时通入流量为3000sccm的氨气、流量为180sccm的镓源和流量为20sccm硅源，在保持压力为60Torr的条件下生长厚度为2250nm、掺杂浓度为1×1018cm-3的第一层n型GaN；
3.2)在第一层GaN上，保持氨气、镓源和硅源流量不变，通入40sccm的Fe源，生长厚度为1000nm、Fe掺杂浓度为5×1018cm-3的第二层n型GaN；
3.3)在第二层GaN上，保持氨气、镓源和硅源流量不变，停止通入Fe源，生长厚度为1000nm、掺杂浓度为1×1018cm-3的第三层n型GaN；
步骤4，生长发光波长为420nm的In0.15Ga0.85N/Al0.08Ga0.92N多量子阱结构。
在第三层的n型GaN层上采用MOCVD工艺生长In0.15Ga0.85N/Al0.08Ga0.92N多量子阱，即在反应室温度为1120℃、压力为20Torr的条件下，生长八个周期的In0.15Ga0.85N/Al0.08Ga0.92N量子阱，如图4(c)，其中：
每个周期的单层In0.15Ga0.85N阱层厚度为4nm，生长过程中保持氮源的流量为1000sccm，镓源流量为58sccm，铟源流量为180sccm；
每个周期的单层Al0.08Ga0.92N垒层的厚度为11nm，生长过程中保持氮源的流量为1000sccm，镓源流量为53sccm，铝源流量为150sccm。
步骤5，生长p型GaN层。
5.1)在量子阱表面采用MOCVD工艺在反应室温度为1120℃的条件下，同时通入流量为3000sccm的氨气，流量为180sccm的镓源和镁源，在保持压力为60Torr的条件下生长厚度为100nm的GaN层，如图4(d)；
5.2)将反应室温度维持在950℃，在H2气氛下，退火5min。
步骤6，淀积电极。
采用溅射金属的方法淀积电极，完成对Fe掺杂发光二极管的制作，如图4(e)，
其中：
在n型GaN层上沉积Ti/Al/Ti/Au电极，厚度为40/60/40/90nm；
在p型GaN层沉积Ti/Al/Ti/Au电极，厚度为40/50/40/80nm；
实施例3，制备衬底为硅，多量子阱为In0.4Ga0.85N/GaN，发光波长为540nm的
发光二极管。
步骤A，衬底的预处理。
A1)对所选衬底进行清洗：本步骤的具体实现与实施例1的步骤1a)相同；
A2)将硅衬底经过清洗之后，置于金属有机化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低至2×10-2Torr；向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到为400Torr条件下，将衬底加热到温度为1000℃，并保持9min，完成对衬底基片的热处理；再将热处理后的衬底置于温度为1150℃的反应室，通入流量为5000sccm的氨气，持续10min进行氮化，完成氮化。
步骤B，生长低温GaN成核层,如图4(a)。
在氮化后的衬底上采用MOCVD工艺在反应室温度为540℃的条件下，同时通入流量为4000sccm的氨气和流量为50sccm的镓源，生长厚度为50nm的低温GaN成核层。
步骤C，生长三层结构的n型GaN层，如图4(b)。
C1)在GaN成核层上采用MOCVD工艺在反应室温度为1180℃的条件下，同时通入流量为2800sccm的氨气、流量为160sccm的镓源和流量为30sccm硅源，在保持压力为40Torr的条件下生长厚度为2500nm、掺杂浓度为5×1018cm-3的第一层n型GaN；
C2)在第一层GaN上，保持氨气、镓源和硅源流量不变，通入50sccm的Fe源，生长厚度为750nm、Fe掺杂浓度为1×1019cm-3的第二层n型GaN；
C3)在第二层GaN上，保持氨气、镓源和硅源流量不变，停止通入Fe源，生长厚度为1250nm、掺杂浓度为5×1018cm-3的第三层n型GaN；
步骤D，生长发光波长为540nm的In0.4Ga0.85N/GaN多量子阱结构。
在第三层的n型GaN层上采用MOCVD工艺生长In0.4Ga0.85N/GaN多量子阱，即在反应室温度为1060℃、压力为40Torr的条件下，生长八个周期的In0.4Ga0.85N/GaN量子阱，如图4(c)，其中：
每个周期的单层In0.4Ga0.85N阱层厚度为5nm，生长过程中保持氮源的流量为1200sccm，镓源流量为72sccm，铟源流量为200sccm；
每个周期的单层GaN垒层的厚度为15nm，生长过程中保持氮源的流量为1200sccm，镓源流量为68sccm。
步骤E，生长p型GaN层。
先在量子阱表面采用MOCVD工艺在反应室温度为1180℃的条件下，同时通入流量为2800sccm的氨气，流量为160sccm的镓源和流量为110sccm的镁源这三种气体，在保持压力为40Torr的条件下生长厚度为400nm的p型GaN层，如图4(d)；再将反应室温度维持在900℃，在H2气氛下，退火8min。
步骤F，淀积电极，如图4(e)。
采用溅射金属的方法，先在n型GaN层上沉积厚度为60/350nm的Ni/Au，制备n型电极，再在淀p型GaN层上沉积厚度为35/55/35/85nm的Ti/Al/Ti/Au，制备p型电极，完成对Fe掺杂发光二极管的制作。
以上描述仅是本发明的三个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明的原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于Fe掺杂的GaN基横向结构发光二极管，其自下而上包括：衬底(1)，低温GaN成核层(2)，n型GaN层(3)，InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层(4)，p型GaN层(5)和电极(6)，其特征在于：n型GaN层(3)设为三层结构，第一层是n型GaN层，第二层是Fe掺杂的n型GaN层，第三层是n型GaN层，以降低第二层的载流子浓度，实现电流拓展。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述n型GaN层(3)的三层结构参数如下：
第一层n型GaN层，厚度为2000-2500nm，掺杂浓度为1018-1019cm-3；
第二层Fe掺杂的n型GaN层，厚度为500-1000nm，Fe掺杂浓度为1018-1019cm-3；
第三层n型GaN层，厚度为1000-1500nm，掺杂浓度为1018-1019cm-3。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：
所述低温GaN成核层(2)的厚度为30-50nm；
所述p型GaN层(5)的厚度为100-400nm。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层(4)，其周期数为8，每个周期的单层InxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层的厚度分别为2-5nm和9-15nm，In含量x的调整范围为0-0.5，Al含量y的调整范围为0-0.3。
5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：
所述衬底(1)的材料为蓝宝石或碳化硅或硅；
所述电极(6)的材料为Ti/Al/Ti/Au合金或Ni/Au合金。
6.一种基于Fe掺杂的GaN基横向结构发光二极管的制备方法，其特征在于，包括如下：
1)对衬底进行加热和高温氮化的预处理；
2)在衬底上采用MOCVD工艺生长厚度为30-50nm的低温GaN成核层；
3)在GaN成核层上生长三层结构的n型GaN层：
3a)在GaN成核层上采用MOCVD工艺生长厚度为2000-2500nm、掺杂浓度为1018-1019cm-3的第一层n型GaN层；
3b)在第一层n型GaN层上采用MOCVD工艺，通入25-50sccm的Fe源流量，生长Fe掺杂浓度为1018-1019cm-3，厚度为500-1000nm的第二层Fe掺杂n型GaN层；
3c)在第二层Fe掺杂n型GaN层上采用MOCVD工艺，生长厚度为1000-1500nm、掺杂浓度为1018-1019cm-3的第三层n型GaN层；
4)在第三层n型GaN层上采用MOCVD工艺生长八个周期的InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱层，每个周期的单层InxGa1-xN阱层和AlyGa1-yN垒层的厚度分别为1-5nm和9-15nm，In含量x的调整范围为0-0.5，Al含量y的调整范围为0-0.3；
5)在InxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱上生长厚度为100-400nm的p型GaN层，并将反应室温度维持在800-1000℃，在H2气氛下，退火5-10min；
6)采用溅射金属的方法分别在n型GaN层上沉积n型电极，在p型GaN层沉积p型电极，完成对发光二极管的制作。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，2)中采用的MOCVD工艺条件如下：
反应室温度为540℃，
保持反应室压力为20-60Torr，
向反应室中同时通入流量为3000-4000sccm的氨气和流量为50-100sccm的镓源。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，3)中采用的MOCVD工艺条件如下：
第一层和第三层采用的MOCVD工艺：
反应室温度为1060-1180℃，
保持反应室压力为20-60Torr，
向反应室同时通入流量为2500-3000sccm的氨气、流量为150-180sccm的镓源和流量为20-40sccm的硅源这三种气体。
第二层采用的MOCVD工艺条件：
反应室温度为1060-1180℃，
保持反应室压力为20-60Torr，
向反应室同时通入流量为2500-3000sccm的氨气、流量为150-180sccm的镓源、流量为20-40sccm的硅源和流量为25-50sccm的Fe源这四种气体。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，4)中采用的MOCVD工艺条件如下：
反应室温度为1000-1200℃，
保持反应室压力为20-60Torr，
向反应室中同时通入流量为1000-1200sccm的氮源、流量为40-72sccm的镓源、流量为150-200sccm的铝源和流量为150-200sccm的铟源这四种气体。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，5)采用的MOCVD工艺条件如下：
反应室温度为1060-1180℃，
保持反应室压力为20-60Torr，
向反应室同时通入流量为2500-3000sccm的氨气、流量为150-180sccm的镓源和流量为100-180sccm的镁源这三种气体。
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