专利名称：具有低温中间层的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系发光二极管，特别是一种具有低温中间层的氮化镓系发
光二极管。
背景技术：
发光二极管以其高效环保性而具有取代白炽灯、日光灯成为下一代照明产品的潜 力。宽带隙的GaN系发光二极管(简称为“LED”)是目前业界研究的重点之一。在现有的氮化镓系LED中，通常采用蓝宝石作为衬底。然而，由于蓝宝石与III族 氮化物之间的晶格失配以及III族氮化物的极化特性，使得在活性层及整个LED结构中存 在很强的极化场，从而减弱了对载流子的限制作用，降低了器件的发光效率。虽然目前通常 采用P型铝镓氮电子阻挡层(EBL，Electr0n blockinglayer)来加强对载流子的限制，但效 果并不理想。此外，现有的氮化镓系LED通常采用高温生长的ρ型GaN层作为接触层，而ρ型接 触层通常位于活性层(发光层)上方。人们在实际的制造工艺中发现，当在高温下生长P 型GaN接触层时，活性层中的铟镓氮会发生分解和扩散，并且P型GaN接触层中的ρ型掺杂 剂(比如镁)在高温下向活性层的扩散增加地很快。因此，在P型GaN接触层高温生长的 过程中，活性层的特性不能维持，于是活性层的光电特性变差，从而严重影响发光二极管的 发光特性。类似地，高温生长的P型铝镓氮电子阻挡层也存在上述问题。因此，为了克服上述问题，进行了本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种既可有效地限制载流子、又可减小对活性层的不利影 响的具有低温中间层的氮化镓系发光二极管。本发明的氮化镓系发光二极管包括基板，其可由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；缓冲层，其位于该基板上，可由InxAlmGayN构成，其中0彡χ < 1，0彡y彡1 ；η型接触层，其位于该缓冲层上，由η型GaN构成；活性层，其位于该η型接触层上并覆盖该η型接触层的部分表面，由InxGai_xN阱层 和InyAlzGai_y_zN垒层交互层叠形成的多量子阱所构成，其中0<χ<1，0彡y<l，0彡ζ < 1,0 ^ y+z < 1 ；负电极，其位于该η型接触层未被该活性层覆盖的上表面上；低温中间层，其位于该活性层上，由低温ρ型GaN层和低温ρ型铟镓氮/铟铝镓氮 超晶格组成；ρ型接触层，其位于该低温中间层上，由ρ型III族氮化物半导体构成；正电极，其位于该ρ型接触层上。
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本发明中的低温中间层是指构成其的低温P型GaN层和/或低温ρ型铟镓氮/铟 铝镓氮超晶格的生长温度低于与其直接接触的活性层中的InyAlzGai_y_zN垒层的生长温度 的中间层。在本发明的一个实施方式中，可先在活性层上低温生长P型GaN层，再在低温ρ型 GaN层上低温生长ρ型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格，从而形成低温中间层。在本发明的另一实施方式中，可先在活性层上低温生长ρ型铟镓氮/铟铝镓氮超 晶格，再在低温P型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格上低温生长P型GaN层，从而形成低温中间层。此外，低温中间层中的低温ρ型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格可包括第一超晶格部分 和第二超晶格部分，此时低温P型GaN层在该第一超晶格部分与第二超晶格部分之间。低温中间层中的低温ρ型GaN层可包括第一部分和第二部分，此时低温ρ型铟镓 氮/铟铝镓氮超晶格在该第一部分与第二部分之间。在本发明的实施方式中，优选低温ρ型GaN层的生长温度低于低温ρ型铟镓氮/ 铟铝镓氮超晶格的生长温度。优选低温ρ型GaN层和低温ρ型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格的生长温度均为600 1100°C。当它们的生长温度低于600°C时，晶体质量太差，从而影响发光二极管的发光效率。 当它们的生长温度超过1100°C时，会破坏活性层的结构，从而影响发光二极管的发光效率。优选低温P型GaN层或低温ρ型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格的生长温度比与其直接 接触的活性层中的InyAlzGa1^N垒层的生长温度低30 300°C，此时活性层的晶体质量可 得到较大的改善，并可最大限度地减少P型掺杂剂向活性区的扩散。本发明中的低温ρ型GaN层的厚度优选为5 300纳米，此时低温ρ型GaN层限 制P型掺杂剂的扩散效果较好，并且较小地影响低温P型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格限制载 流子的效果。在本发明中的低温ρ型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格为一整体时，低温P型铟镓氮/ 铟铝镓氮超晶格的总厚度优选为0. 5 50纳米，每一铟镓氮单层的厚度为0. 1 5纳米， 每一铟铝镓氮单层的厚度为0. 1 5纳米，由铟镓氮单层与铟铝镓氮单层构成的单个周期 的厚度为0. 5 5纳米。此时低温ρ型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格限制载流子的效果较好。在本发明中的低温ρ型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格包括第一超晶格部分和第二超晶 格部分的情况中，低温P型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格的总厚度优选为0. 5 100纳米，每一 铟镓氮单层的厚度为0. 1 5纳米，每一铟铝镓氮单层的厚度为0. 1 5纳米，由铟镓氮单 层与铟铝镓氮单层构成的单个周期的厚度为0. 5 5纳米。此时低温ρ型铟镓氮/铟铝镓 氮超晶格限制载流子的效果较好。本发明通过在活性层与高温生长的ρ型接触层之间设置低温中间层，可有效地限 制载流子，并降低对活性层的不利影响，从而获得了高亮度的GaN系发光二极管。在此以低 温P型GaN层的生长温度低于低温ρ型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格的生长温度为例进行说明。在先低温生长ρ型GaN层、再低温生长ρ型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格的情况中，由 于低温P型GaN层生长温度低，故最大限度地减少了 P型掺杂剂(比如Mg)向活性区的扩 散；此外，低温P型GaN层的生长过程对活性层来说是一个退火过程，于是活性层的晶体质 量通过再结晶而被完善。在接下来低温生长P型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格时，虽然温度相 对有所升高，但是由于上一步骤低温生长的GaN层的晶体质量较差，故有效地减少了 ρ型掺
5杂剂(比如Mg)向低温ρ型GaN层中的扩散，从而对活性区起到保护作用。在先低温生长ρ型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格、再低温生长P型GaN层的情况中，由 于P型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格的生长温度低于P型GaN接触层的生长温度，故相对地减 少了对活性区的影响；同时P型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格中掺入的In可有效地抑制P型掺 杂剂(比如Mg)的迁移，从而减少了因ρ型掺杂剂向活性区的扩散而使发光效率降低的影 响。在接下来以更低的温度生长低温P型GaN层时，活性区及低温ρ型铟镓氮/铟铝镓氮 超晶格得以退火而具有提高的晶体质量。此外，低温中间层中的低温ρ型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格可有效地充当电子阻挡 层。在现有技术中通常使用P型铝镓氮作为电子阻挡层，但AlGaN的生长温度较高(通常 高于活性层的生长温度)，对活性区的影响较大；同时，AlGaN与GaN的晶格失配所导致的压 电场效应减弱了其对电子的阻挡。而本发明中采用低温P型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格作为 电子阻挡层具有如下优点。一方面，本发明中的低温P型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格在相对 于ρ型AlGaN较低的温度下生长，从而减少了对活性区的影响。另一方面，由于可以通过调 节P型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格中的各成分的组分比来调节该超晶格的有效晶格常数及带 隙宽度，从而可在降低极化效应与提高电子阻挡方面中获得出色的平衡。
图1是根据本发明的具有低温中间层的氮化镓系发光二极管的实施例1的示意 图。图2是根据本发明的具有低温中间层的氮化镓系发光二极管的实施例2的示意 图。图3是根据本发明的具有低温中间层的氮化镓系发光二极管的实施例3的示意 图。图4是根据本发明的具有低温中间层的氮化镓系发光二极管的实施例4的示意 图。图5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-发光强度 I-L曲线，其中圆形标记的线条为本发明的具有低温中间层的氮化镓系发光二极管 ’方块 标记的线条为现有的没有低温中间层的氮化镓系发光二极管。参考数字的说明10 基板11缓冲层12η型GaN接触层13活性层14低温ρ型GaN层15低温ρ型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格16ρ型GaN接触层17η型电极层18ρ型电极层20 基板
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21缓冲层22η 型 GaN 层23活性层24低温ρ型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格25低温ρ型GaN层26ρ型GaN接触层27η型电极层28ρ型电极层30 基板31缓冲层32η 型 GaN 层33活性层34低温ρ型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格340第一超晶格部分341第二超晶格部分35低温ρ型GaN层36ρ型GaN接触层37η型电极层38ρ型电极层40 基板41缓冲层42η 型 GaN 层43活性层44低温ρ型GaN层440 第一部分441 第二部分45低温ρ型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格46ρ型GaN接触层47η型电极层48ρ型电极层
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明进行详细地说明，但本发明并不限于此。图1为根据本发明的具有低温中间层的氮化镓系发光二极管的实施例1的示意 图。如图1所示，该实施例是以C-面、R-面或A-面的氧化铝单晶或SiC(6H-SiC或4H-SiC) 为基板10，其他可用于基板10的材质还包括Si、ZnO、GaAS、尖晶石(MgAl2O4)或晶格常数接 近于氮化物半导体的单晶氧化物。首先在基板10上形成由InxAl1^GayN(其中0彡x< 1， 0彡y彡1)所构成的缓冲层11、以及在该缓冲层11上的η型GaN接触层12。接着在该η 型GaN接触层12上形成覆盖其部分表面的活性层13，该活性层13由InxGai_xN(其中0 < χ
7< 1)阱层和InyAlzGai_y_zN(0 ^ y < 1,0 ^ ζ < 1,0 ^ y+z < 1)垒层交互层叠形成的多量 子阱所构成。在η型GaN接触层12上未被活性层13覆盖的部分，另外形成η型电极层17。然后在该活性层13上先形成低温ρ型氮化镓层14，再在该低温ρ型氮化镓层14 上形成低温P型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格15，从而形成低温中间层。其中低温P型氮化镓 层14使用掺镁的ρ型GaN，其厚度为5 300纳米，生长温度为600 1100°C，并且其生 长温度比活性层13中的InyAlzGai_y_zN垒层的生长温度低30 300°C。低温ρ型铟镓氮/ 铟铝镓氮超晶格15使用掺镁的ρ型InxGai_xN/InyAlzGai_y_zN (其中0<χ<1，0彡y<l， 0彡ζ < 1，0彡y+z < 1)，该低温ρ型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格由1 100个周期数的铟 镓氮与铟铝镓氮的薄层组成，其总厚度为0. 5 50纳米，每一铟镓氮单层的厚度为0. 1 5纳米，每一铟铝镓氮单层的厚度为0. 1 5纳米，由铟镓氮单层与铟铝镓氮单层构成的单 个周期的厚度为0. 5 5纳米；该低温ρ型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格的生长温度为600 1100°C，并且其生长温度比活性层13中的InyAlzGai_y_zN垒层的生长温度低30 300°C。最后在低温ρ型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格15上形成高温生长的ρ型氮化镓接触 层16、以及在ρ型氮化镓接触层16上的ρ型电极层18。该ρ型电极层18可为金属导电层或透明导电氧化层，其中该金属导电层主要包括 Ni/Au、Ni/Pt、Ni/Pd、Ni/Co、Pd/Au、Pt/Au、Ti/Au、Cr/Au、Sn/Au、Ta/Au、TiN、TiffNx(x 彡 0) 或 WSix(x 彡 0)；该透明导电氧化层主要包括 ΙΤ0,CT0,ZnOAl,ZnGa2O4,SnO2Sb,Ga2O3Sn, AgInO2: Sn、In2O3: Zn、CuAlO2、LaCuOS、NiO、CuGaO2、SrCu2O20图2为根据本发明的具有低温中间层的氮化镓系发光二极管的实施例2的示意 图。该实施例2采用与实施例1相同的方式制造，所不同的只是，先在活性层23上生长低 温P型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格24，再在该超晶格24上生长低温ρ型氮化镓层25。图3为根据本发明的具有低温中间层的氮化镓系发光二极管的实施例3的示意 图。该实施例3采用与实施例1相同的方式制造，所不同的只是低温ρ型铟镓氮/铟铝镓 氮超晶格34包括第一超晶格部分340和第二超晶格部分341，并且低温ρ型氮化镓层35位 于该第一超晶格部分340和第二超晶格部分341之间。第一超晶格部分340和第二超晶格 部分341分别由1 100个周期数的铟镓氮与铟铝镓氮的薄层组成，每一铟镓氮单层的厚 度为0. 1 5纳米，每一铟铝镓氮单层的厚度为0. 1 5纳米，由铟镓氮单层与铟铝镓氮单 层构成的单个周期的厚度为0. 5 5纳米。该低温ρ型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格34 (包含 340与341)的总厚度为0. 5 100纳米。图4为根据本发明的具有低温中间层的氮化镓系发光二极管的实施例4的示意 图。该实施例4采用与实施例1相同的方式制造，所不同的只是，低温ρ型GaN层44包括第 一部分440和第二部分441，并且低温ρ型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格45位于第一部分440 与第二部分441之间。该第一部分440和第二部分441的厚度分别为5 300纳米。图5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-发光强度 I-L曲线，其中圆形标记的线条为本发明的具有低温中间层的氮化镓系发光二极管 ’方块 标记的线条为现有的没有低温中间层的氮化镓系发光二极管。由图5可以看出，与传统的 氮化镓系发光二极管相比，本发明的具有低温中间层的氮化镓系发光二极管在相同的正向 注入电流下具有更高的发光强度，其发光效率得到大幅提高，尤其在正向注入电流较高时， 其发光效率的提高更加明显。
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上述实施例仅用于具体说明本发明，不应看作为对本发明的限制。任何不脱离本 发明宗旨所进行的各种修改和变动，均应在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种氮化镓系发光二极管，其包括基板；缓冲层，其位于所述基板上；η型接触层，其位于所述缓冲层上，由η型GaN构成；活性层，其位于所述η型接触层上并覆盖所述η型接触层的部分表面，由IrixGai_xN阱层 和InyAlzGai_y_zN垒层交互层叠形成的多量子阱所构成，其中0<χ<1，0≤y<l，0≤z< 1,0 ≤ y+z < 1 ；负电极，其位于所述η型接触层未被所述活性层覆盖的上表面上；低温中间层，其位于所述活性层上，由低温P型GaN层和低温ρ型铟镓氮/铟铝镓氮超 晶格组成；P型接触层，其位于所述低温中间层上，由P型III族氮化物半导体构成；正电极，其位于所述P型接触层上。
2.如权利要求1所述的氮化镓系发光二极管，其特征在于，所述低温P型铟镓氮/铟铝 镓氮超晶格包括第一超晶格部分和第二超晶格部分，所述低温P型GaN层位于所述第一超 晶格部分与所述第二超晶格部分之间。
3.如权利要求1所述的氮化镓系发光二极管，其特征在于，所述低温ρ型GaN层包括第 一部分和第二部分，所述低温P型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格位于所述第一部分与所述第二 部分之间。
4.如权利要求1所述的氮化镓系发光二极管，其特征在于，所述低温ρ型GaN层的生长 温度低于所述低温P型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格的生长温度。
5.如权利要求1 4中任一项所述的氮化镓系发光二极管，其特征在于，所述低温 P型GaN层的生长温度为600 1100°C，其生长温度比与其直接接触的所述活性层中的 InyAlzGa1^zN垒层的生长温度低30 300°C。
6.如权利要求1或2所述的氮化镓系发光二极管，其特征在于，所述低温ρ型GaN层的 厚度为5 300纳米。
7.如权利要求3所述的氮化镓系发光二极管，其特征在于，所述低温ρ型GaN层中的第 一部分与第二部分的厚度分别为5 300纳米。
8.如权利要求1 4中任一项所述的氮化镓系发光二极管，其特征在于，所述低温ρ型 铟镓氮/铟铝镓氮超晶格的生长温度为600 1100°C，其生长温度比与其直接接触的所述 活性层中的InyAlzGai_y_zN垒层的生长温度低30 300°C。
9.如权利要求1或3所述的氮化镓系发光二极管，其特征在于，所述低温ρ型铟镓氮/ 铟铝镓氮超晶格由1 100个周期数的铟镓氮与铟铝镓氮的薄层组成，其总厚度为0. 5 50纳米，每一铟镓氮单层的厚度为0. 1 5纳米，每一铟铝镓氮单层的厚度为0. 1 5纳 米，由铟镓氮单层与铟铝镓氮单层构成的单个周期的厚度为0. 5 5纳米。
10.如权利要求2所述的氮化镓系发光二极管，其特征在于，所述第一超晶格部分和所 述第二超晶格部分分别由1 100个周期数的铟镓氮与铟铝镓氮的薄层组成，每一铟镓氮 单层的厚度为0. 1 5纳米，每一铟铝镓氮单层的厚度为0. 1 5纳米，由铟镓氮单层与铟 铝镓氮单层构成的单个周期的厚度为0. 5 5纳米，所述低温ρ型铟镓氮/铟铝镓氮超晶 格的总厚度为0. 5 100纳米。
11.如权利要求1 4中任一项所述的氮化镓系发光二极管，其特征在于，所述低温P 型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格为掺镁的P型InxGai_xN/InyAlzGai_y_zN超晶格，其中0 < χ < 1， 0 ≤ y < 1,0 ≤ζ < 1,0 ≤ y+z < 1。
12.如权利要求1 4中任一项所述的氮化镓系发光二极管，其特征在于，所述基板由 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。
13.如权利要求1 4中任一项所述的氮化镓系发光二极管，其特征在于，所述缓冲层 由InxAl1HGayN构成，其中0≤χ<1，0≤y≤1。
全文摘要
本发明涉及一种具有低温中间层的氮化镓系发光二极管。其结构与现有的氮化镓系发光二极管的最主要差异是，在InGaN/GaN多量子阱活性层与p型GaN接触层之间生长低温中间层，该低温中间层由低温p型氮化镓层和低温p型铟镓氮/铟铝镓氮超晶格组成。结果表明，通过设置该低温中间层，氮化镓系发光二极管的发光强度和发光效率得到较大的提高。
文档编号H01L33/00GK102005515SQ20091019480
公开日2011年4月6日 申请日期2009年8月28日 优先权日2009年8月28日
发明者李刚, 祝光辉, 胡建正 申请人:上海蓝宝光电材料有限公司