专利名称：高质量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，特别是涉及一种具有低温η型插入 层的氮化镓系发光二极管。
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、A1N、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 (5)，353 (1986) ；S. Nakanura 等，“具有 GaN 缓冲层的高质量的P型GaNiMg薄膜的生长”，Jpn. J. Appl. Phys. 30，L1708 (1991)；以及中国 专利No. CN1508284A)，该方法主要包括如下步骤先在低温下(如500°C )生长一层很薄的 成核层；然后升温退火，在该成核层上直接生长未掺杂的GaN缓冲层；接着在该缓冲层上， 生长η型GaN欧姆接触层；然后在700°C至850°C的温度下生长hGaN/GaN多量子阱(MQWs) 有源层；在GaN量子垒生长结束后接着在1000°C左右的高温下，生长ρ型AWaN电子阻挡 层；最后生长P型GaN欧姆接触层，制作ρ型欧姆接触透明电极和η型欧姆接触电极。然而，上述LED生长技术存在正向工作电压高以及发光强度没有显著增强的缺 陷。造成上述问题的根本原因在于GaN外延层以及hGaN/GaN多量子阱有源区内存在具有 很高的应力，这些应力的存在一方面降低了载流子的辐射复合几率；另一方面，由于应力的 存在，造成η区载流子大量溢出直接进入P区，从而引起大电流注入时辐射复合效率显著降 低(参见Appl. Phys. Lett, 94, 231123 (2009))。因此，有效地降低外延层中的应力对大功率 发光器件尤为重要。本发明针对现有技术中存在的以上技术问题，提出了在η型GaN接触层中插入一 层或多层低温插入层来降低外延层中的应力。虽然有不少专利都提及采用插入层的方法来 改善应力分布，但都是高温插入层。本专利所涉及的插入层为低温插入层，其物理机制与其 他人所提及的插入层有根本的区别。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮化镓系发光二极管，其可以调节外延层中的应力分 布，同时又可以降低外延层中的位错密度，使得发光二极管的发光强度增加。本发明提供一种氮化镓系发光二极管，其包括
一衬底；一氮化镓成核层，该氮化镓成核层制作在衬底上；一缓冲层，该缓冲层制作在氮化镓成核层上；一 η型接触层，该η型接触层制作在缓冲层上，该η型接触层上面的一侧刻蚀有一 台面；一 η型插入层，该η型插入层制作在η型接触层远离台面一侧的内部，其上还是η 型接触层；一活性发光层，该活性发光层制作在远离台面的η型接触层的上面，并覆盖所述η 型接触层的部分表面；一 ρ型电子阻挡层，该ρ型电子阻挡层制作在活性发光层上；一 ρ型接触层，该ρ型接触层制作在ρ型电子阻挡层上，该P型接触层由P型氮化 镓构成；一负电极，该负电极制作在η型接触层上的台面上；一正电极，该正电极制作在ρ型接触层上，完成氮化镓系发光二极管的制作。其中该η型接触层为η型氮化镓材料。其中该η型插入层为hxGai_xN，其中0彡χ彡1或Aly^vyN,其中0彡y彡1或 InzAlhN,其中 0 彡 ζ 彡 1 或 AlJribfeih-bN，其中 0 ^ a < 1,0 ^ b < I0其中该η型插入层的生长温度为500°C -1000°C。其中该η型插入层的厚度为50-100nm。其中该η型插入层为一层或多层结构。其中该活性发光层是由铟镓氮薄层和氮化镓薄层交互层叠形成的多周期的量子 阱结构，周期数为1至20。其中该活性发光层的下表面为氮化镓薄层。其中该ρ型电子阻挡层的材料为铝镓氮。其中衬底由C-面、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所制成。
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是根据本发明的具有η型低温插入层的GaN系发光二极管。图2是现有的以及根据本发明的氮化镓系发光二极管的正向注入电流与发光强 度I-L曲线，其中方块线条为本发明的具有η型低温插入层的氮化镓系LED;三角线条为现 有的没有η型低温插入层的氮化镓系LED。图3是具有不同结构的LED芯片在大电流注入下的发光效率比较。其中红色圆点 代表的是根据本发明的具有η型低温插入层的GaN系发光二极管；蓝色方块是根据他人的 发明专利采用InGaN/GaN超晶格作为插入层的发光二极管；黑色三角代表的是没有任何插 入层的GaN系发光二极管。
具体实施例方式请参阅图1所示，本发明提供一种氮化镓系发光二极管，其包括一衬底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。所述衬底11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( 源，三甲基铟作h源，三甲基铝作Al源；η型掺杂剂为硅烷，ρ型掺杂剂为 二茂镁。一氮化镓成核层12，该氮化镓成核层12制作在衬底11上。该氮化镓成核层12的 生长参数包括反应温度500°C至800°C，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；一缓冲层13，该缓冲层13制作在成核层12上。该缓冲层13的生长参数包括 反应温度950-1180°C，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；一 η型接触层14，该η型接触层14制作在缓冲层13上，该η型接触层14由η型 氮化镓构成，该η型接触层14上面的一侧刻蚀有一台面141。该η型接触层14的生长参数 包括反应温度950-1150°C，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；一 η插入层15，该η型插入层15制作在η型接触层14内部，其上仍为η型接触 层14;该η型插入层15可以是以下材料InxGai_xN，其中0彡χ彡1或是Aly^vyN,其中 0 ^ y ^ 1 或者 InzAlhN,其中 0 彡 ζ 彡 1 或者 AlJnbGa1IbN,其中 0 ^ a < 1,0 ^ b < I0 该η型插入层15的生长参数包括反应温度500-1000°C，反应腔压力76_600Torr，载气流 量5-20升/分钟，三甲基镓流量80-400微摩尔/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，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；其中η型低温插入层15可以是一层也可以是多层同时插入η型接触层14当中；其中位于η型低温插入层15上部的η型接触层14生长条件与位于η型低温插入 层15下部的η型接触层14的生长条件一致，且位于η型低温插入层15上部的η型接触层 14的厚度为lO-lOOOnm，优选为50_100nm ；本发明通过在η型接触层14内部插入一层或多层η型低温插入层15，获得了发光 强度和出光效率得到较大提高的GaN系发光二极管。主要原因在于如下两个方面首先，在η型接触层14内部插入一层或多层低温插入层15，由于该层的生长温度 比较低，原子的表面迁移非常弱，因此该层倾向于三维岛状生长。由于岛状生长颗粒较大， 结构疏松，而且靠近hGaN/GaN多量子阱有源区，因此外延层中特别是量子阱有源区中的 应力在该层得以释放。其次，在η型低温插入层15之后继续高温生长η型接触层14，由于该层的生长温 度较高，表面原子迁移距离较大，倾向于二维层状生长。即出现由η型低温插入层15的三 维岛状生长向η型接触层14的二维层状生长的转变过程。在这一转变过程中，那些原本平行于外延层生长方向的穿透位错，由于随着生长方式的转变发生弯曲，并且相互作用导致 最终湮灭，从而使得外延层中的位错密度大为降低。这也是造成本发明的发光二极管发光 强度得以增加的另一根本原因。一活性发光层16，该活性发光层16制作在η型接触层14上并覆盖所述η型接触 层14的部分表面，所述活性发光层16是由铟镓氮薄层161和氮化镓薄层162交互层叠形成 的多周期的量子阱结构构成。该活性发光层16生长参数包括GaN薄层(即垒层162)反 应温度700-900 V，反应腔压力100-500 !^，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0. 1-1. 0微摩尔/分钟，硅烷流量0-2. 0纳摩尔/分钟，时间0. 1-5 分钟；InGaN薄层(即阱层161)反应温度700-850°C，反应腔压力100-500Torr，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0. 1-1. 0微摩尔/分钟，三甲 基铟流量10-50微摩尔/分钟，时间0. 1-5分钟；多量子阱周期数为1至20 ；一 ρ型电子阻挡层17，该ρ型电子阻挡层17制作在活性发光层16上，该ρ型电 子阻挡层17由铝镓氮构成。所述ρ型电子阻挡层17的厚度为10-50nm，并且所述ρ型电 子阻挡层17的下表面与所述活性发光层16中的镓氮薄层162接触。生长参数包括反应 温度700-1000°C，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。— ρ型接触层18，该ρ型接触层18制作在ρ型电子阻挡层17上，该ρ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°C，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。一负电极19，该负电极19制作在η型接触层14上的台面141上，且位于η型低温 插入层15的下方，由铬钼金或钛铝钛金组成。一正电极20，该正电极20制作在ρ型接触层18上，由铬钼金组成。完成氮化镓系 发光二极管的制作。图2所示为根据本发明的具有η型低温插入层15的氮化镓系发光二极管与传统 工艺没有η型低温插入层15的氮化镓系发光二极管的发光特性对比。其中方块线条为本 发明的具有η型低温插入层15的氮化镓系LED ；三角线条为现有的没有η型低温插入层15 的氮化镓系LED。由图2中可以看出，与传统结构的LED相比，在同样的注入电流条件下，本 发明的LED结构具有发光强度大，饱和电流高等特点。在保证器件工艺相同的情况下，发光 强度的增强，说明发光二极管的内量子效率得到了有效的提高。图3所示为具有不同结构的LED芯片在大电流注入下的发光效率比较。其中横 坐标为注入的载流子密度，纵坐标为归一化的外量子效率。红色圆点代表的是根据本发明 的具有η型低温插入层的GaN系发光二极管；蓝色方块是根据他人的发明专利采用^GaN/ GaN超晶格作为插入层的发光二极管；黑色三角代表的是没有任何插入层的GaN系发光二 极管。与传统的hGaN/GaN超晶格作为插入层以及没有η型低温插入层15的发光二极管 相对比，结果表明具有低温插入层15的发光二极管在大电流注入下的发光效率要远高于 另外两种结构的LED。这一方面得益于低温插入层15有效地降低了外延层中的应力分布， 另一方面又与该插入层15可以降低外延层中的穿透位错密度有关。
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。
权利要求
1. 一种氮化镓系发光二极管，其包括 一衬底；一氮化镓成核层，该氮化镓成核层制作在衬底上； 一缓冲层，该缓冲层制作在氮化镓成核层上；一 η型接触层，该η型接触层制作在缓冲层上，该η型接触层上面的一侧刻蚀有一台一 η型插入层，该η型插入层制作在η型接触层远离台面一侧的内部，其上还是η型接 触层；一活性发光层，该活性发光层制作在远离台面的η型接触层的上面，并覆盖所述η型接 触层的部分表面；一 P型电子阻挡层，该P型电子阻挡层制作在活性发光层上； 一 P型接触层，该P型接触层制作在P型电子阻挡层上，该P型接触层由P型氮化镓构成；一负电极，该负电极制作在η型接触层上的台面上；一正电极，该正电极制作在P型接触层上，完成氮化镓系发光二极管的制作。
2.如权利要求1所述的氮化镓系发光二极管，其中该η型接触层为η型氮化镓材料。
3.如权利要求1所述的氮化镓系发光二极管，其中该η型插入层为hxGai_xN，其中 0彡χ彡1或Aly^vyN,其中0彡y彡1或InzAl1^N,其中0彡ζ彡1或Al JnbGa1IbN,其中 0 彡 a < 1，0 彡 b < 1。
4.如权利要求1或3所述的氮化镓系发光二极管，其中该η型插入层的生长温度为 500 0C -1000°C。
5.如权利要求1或3所述的氮化镓系发光二极管，其中该η型插入层的厚度为 50-100nm。
6.如权利要求1或3所述的氮化镓系发光二极管，其中该η型插入层为一层或多层结构。
7.如权利要求1所述的氮化镓系发光二极管，其中该活性发光层是由铟镓氮薄层和氮 化镓薄层交互层叠形成的多周期的量子阱结构，周期数为1至20。
8.如权利要求1所述的氮化镓系发光二极管，其中该活性发光层的下表面为氮化镓薄层。
9.如权利要求1所述的氮化镓系发光二极管，其中该ρ型电子阻挡层的材料为铝镓氮。
10.如权利要求1所述的氮化镓系发光二极管，其中衬底由C-面、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所制成。
全文摘要
一种氮化镓系发光二极管，其包括一衬底；一氮化镓成核层，该氮化镓成核层制作在衬底上；一缓冲层，该缓冲层制作在氮化镓成核层上；一n型接触层，该n型接触层制作在缓冲层上，该n型接触层上面的一侧刻蚀有一台面；一n型插入层，该n型插入层制作在n型接触层远离台面一侧的内部，其上还是n型接触层；一活性发光层，该活性发光层制作在远离台面的n型接触层的上面，并覆盖所述n型接触层的部分表面；一p型电子阻挡层，该p型电子阻挡层制作在活性发光层上；一p型接触层，该p型接触层制作在p型电子阻挡层上，该p型接触层由p型氮化镓构成；一负电极，该负电极制作在n型接触层上的台面上；一正电极，该正电极制作在p型接触层上，完成氮化镓系发光二极管的制作。
文档编号H01L33/00GK102064254SQ201010541038
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月10日 优先权日2010年11月10日
发明者曾一平, 李晋闽, 王军喜, 王国宏, 马平 申请人:中国科学院半导体研究所