复合衬底上制备高亮度同质led的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体光电子技术领域，一种同质衬底发光二极管的制作方法，尤其涉及一种采用MOCVD (金属有机化合物气相外延)技术制备具有新型结构的P型扩展层(空穴扩展层)的高亮度同质LED的方法。
【背景技术】
[0002]近年来，具有优异物理化学性质的III族氮化物材料的研究与开发已成为当前发展最迅猛的产业之一，并在蓝光和白光发光二极管(LEDs)、激光二极管(LDs)、高密度信息存储、高电子迁移率晶体管以及高性能探测器件等方面已取得重大进展。然而，沿用至今的以二步生长法为核心的异质外延方法，异质衬底和外延层之间的晶格失配和热失配导致材料中存在很高的缺陷密度，严重制约了氮化物半导体材料质量和器件性能的进一步提高和新型器件的研发。若采用GaN衬底或GaN/Al203复合衬底等同质衬底实现同质外延，不仅可以解决氮化物外延材料缺陷密度高、难以解理、器件可靠性差等问题，而且可以发展垂直结构的新型同质LED大幅度提高器件性能，并避开现有二步生长法相关的国际专利壁垒。因此，国际上一般认为:谁先解决GaN同质衬底外延中关键的科学和技术问题，并实现产业化生产，将会占据未来III族氮化物半导体研究和产业化的战略制高点。对于GaN基LED的器件而言，其量子阱、异质结构载流子限制效应以及量子限制斯塔克效应(QCSE)将对内量子效率起着重要的影响。LED的注入效率定义为在一定注入条件下，单位时间内注入到发光区中产生复合的载流子数与注入载流子总数之比。提高载流子注入效率的方法主要是提高空穴的注入和降低电子的泄漏。为此，需主要优化空穴扩展层，同时，优化量子阱的结构及界面，减少溢流和表面复合，降低漏电通道。
【发明内容】
[0003]本发明提供一种采用MOCVD技术在GaN衬底或GaN/Al203复合衬底上制备高亮度同质LED的方法。通过设计新型的LED结构，在InGaN/GaN多量子阱有源区和p_GaN之间，优化生长Al组分、In组分以及P掺杂梯度变化的空穴扩展层(P型扩展层)，以改善水平方向空穴扩展，使空穴均匀注入有源区。进而实现提高同质LED发光效率的目的。
[0004]本发明的技术解决方案:在同质LED有源层和p-GaN之间引入优化的空穴扩展层(P型扩展层)。通过优化设计P型扩展层结构参数(如各层的生长厚度、Al组分、In组分、Mg的掺杂浓度等参数)，优化生长空穴扩展层:如采用Al组分和In组分以及P掺杂渐变的单层P-AlInGaN空穴扩展层；或Al组分和In组分以及p掺杂渐变的多周期p-AlInGaN/AlGaN超晶格结构或量子阱结构空穴扩展层；或非对称Al组分和In组分以及p掺杂渐变的多周期p-1nGaN/GaN/AlGaN超晶格结构或量子阱结构空穴扩展层；或非对称Al组分和In组分以及P掺杂渐变的多周期p-AlInGaN/GaN/AlGaN超晶格结构空穴扩展层。通过优化生长所述空穴扩展层(P型扩展层)的方法，改善LED电流扩展效果，从而有效提高同质LED发光效率。该方法包括以下步骤:
[0005]步骤一，将GaN衬底或GaN/Al203复合衬底放入金属有机化合物气相外延反应室中，在氢气(H2)气氛下，升温至700°C，向反应室中通入NH3，保护GaN衬底或GaN/Al203复合衬底，升温至1050°C，在反应室压力100torr-300torr，在H2气氛下，生长2_4微米厚n_GaN层；
[0006]步骤二，在氮气(N2)气氛下，在820°C，生长5-10个周期的I1-1nxlGa1 xlN/GaNOKx1 ( x，0〈x ( 0.15)超晶格电流扩展层，其中电流扩展层中In组分小于有源区中In组分，；在队气氛下，在750°C至850°C，生长5-10周期InxGa1 xN/GaN(0〈x彡0.15)多量子阱有源层；在有源层之上，在H2、N2混合气氛下，在780 V -850 V，生长Al组分、In组分以及P掺杂梯度变化的超晶格空穴扩展层，优化的空穴扩展层结构如下:
[0007](I)空穴扩展层为 P-AlylInxlGa1 yl xlN(0<Yl ( 0.15，(Kx1 ( x)单层结构，单层厚度15nm-30nm，其中Al组分、In组分以及p型掺杂浓度随空穴扩展层生长厚度的增加而梯度变化。
[0008](2)空穴扩展层为多周期(周期数为I至10)p_Aly2Inx2Galx2y2N/Aly2Ga1 y2N(0<y2 ( 0.15，0〈x2 ( x)超晶格结构，其中Al组分、In组分以及p型掺杂浓度随空穴扩展层生长周期的增加而梯度变化。
[0009](3)空穴扩展层为多周期(周期数为I至10) P-1nx3Ga1 x3N/GaN/Aly3Ga1 y3N(0<x3 ( x，0〈y3 ( 0.15)超晶格结构，其中Al组分、In组分以及p型掺杂浓度随空穴扩展层生长周期的增加而梯度变化。
[0010](4)空穴扩展层为多周期(周期数为I至10) P-Aly4Inx4Ga1 χ4 γ4Ν/6&1Ν/Aly4Ga1 y4N(0<y4 ( 0.15，0〈x4 ( x)超晶格结构，其中Al组分、In组分以及p型掺杂浓度随空穴扩展层生长周期的增加而梯度变化。接着在H2气氛下，在950°C，生长P-AlGaN电子阻挡层；
[0011]步骤三，在H2气氛下，在950°C -1040°c，生长P-GaN层。
【附图说明】
[0012]图1是本发明实施例1中一种高亮度同质发光二极管的竖直剖面视图；
[0013]图2是本发明实施例2中一种高亮度同质发光二极管的竖直剖面视图；
[0014]图3是采用本发明实施例1中新型空穴扩展层的高亮度同质发光二极管LED1、采用本发明实施例2中新型空穴扩展层的高亮度同质发光二极管LED2，与无空穴扩展层的同质衬底发光二极管LED3的PL(photoluminescence,光致发光)谱对比图。
【具体实施方式】
[0015]本发明提供一种采用MOCVD技术制备高亮度同质LED的方法。通过设计新型的LED结构，在InGaN/AlGaN多量子阱有源层和p_GaN之间，生长Al组分、In组分以及p掺杂渐变的空穴扩展层(P型扩展层)，从而改善水平方向空穴扩展，有效缓解有源区应力。进而实现提高同质LED发光效率的目的。
[0016]图1是本发明实施例1 一种采用MOCVD技术制备具有新型空穴扩展层结构的高亮度同质LED的竖直剖面视图。图1中包括GaN衬底(或GaN/Al203复合衬底)101 ;n-GaN 层 102 ;多周期的 I1-1nxlGa1 xlN/GaN(0〈Xl ( x,0<x ( 0.15)超晶格电流扩展层 103 ；多周期的InxGa1 xN/GaN (0<x彡0.15)多量子阱有源层104 ;多周期P-1nx3Ga1 x3N/GaN/Aly3Ga1 y3N(0<x3 ( x，0〈y3 ( 0.15)超晶格空穴扩展层105，其中Al组分、In组分以及p型掺杂浓度随空穴扩展层生长周期的增加而梯度变化；p_AlGaN电子阻挡层106 ;p_GaN层107。图2是本发明实施例2 —种采用MOCVD技术制备具有新型空穴扩展层结构的高亮度同质LED的竖直剖面视图。图2中包括GaN衬底(或GaN/Al203复合衬底)201 ;n_GaN层202 ;多周期的I1-1nxlGa1 xlN/GaN(0〈Xl ( x，0〈x ( 0.15)超晶格电流扩展层203 ;多周期的 InxGa1 xN/GaN(0<x ^ 0.15)多量子阱有源层 204 ;多周期 P-Aly3Inx3Ga1 x3 y3N/GaN/Aly3Ga1 y3N(0<y3 ( 0.15，0〈x3 ( x)超晶格空穴扩展层205，其中Al组分、In组分以及p型掺杂浓度随空穴扩展层生长周期的增加而梯度变化；p_AlGaN电子阻挡层206 ;p_GaN层207。在图1、图2中，η型电流扩展层(电子电流扩展层)(103,203)和空穴扩展层(ρ型扩展层)(105，205)的In组分小于InGaN/GaN多量子阱有源层(104，204)的In组分。所述空穴扩展层(105，205)，也可采用单层 P-AlylInxlGa1 yl χ1Ν(0<Υι ( 0.15，(Kx1 ( x)结构，其厚度 15nm-30nm ;或多周期 P-Aly2Inx2Ga1 x2 y2N/Aly2Gai y2N(其中 0<y2 ( 0.15，0〈x2 彡 x)超晶格(或量子阱)结构；或其它结构；只要满足其中Al组分、In组分以及ρ掺杂浓度随空穴扩展层生长厚度或周期的增加而梯度变化的原则，则都在本专利保护的范围之内。
[0017]实施例1
[0018]使用Aixtron公司，紧耦合垂直反应室MOCVD生长系统。生长过程中使用三甲基镓(TMGa)，三甲基铟(TMIn)，三甲基铝(TMAl)作为III族源，氨气(NH3)作为V族源，硅烷(SiH4)作为η型掺杂源，二茂镁(Cp2Mg)作为ρ型掺杂源，首先将GaN衬底(或GaN/Al2O3复合衬底)101放入金属有机化合物气相外延反应室中，在氢气(H2)气氛下，升温至700 V，向反应室中通入NH3,保护Ga