物基发光二极管100具有多层结构，由生长在m面GaN衬底110上的 多个氮化物半导体层构成。所述多层结构包括n型GaN接触层120、有源层130、AlGaN电 子阻挡层140、p型AlGaN层150、和InGaN接触层160,它们从m面GaN衬底110侧开始以 该顺序排列。
[0055] 所述m面GaN衬底既可以仅为衬底也可以为斜角衬底。斜角通常为10度或更小， 优选为6度或更小。每个氮化物半导体层120到160的厚度方向和GaN基半导体晶体构成 的层的m轴之间的角等于m面GaN衬底110的斜角。
[0056] 所述n型GaN接触层120已经掺杂了n型杂质，如Si或Ge。其厚度为例如1到 6ym，优选为2到4ym。n型杂质的浓度为，例如2X1018到2X10 19cnT3,优选为5X1018到 lX1019cm3。n电极E110形成在n型GaN接触层120的表面上，其为部分暴露的。
[0057] 所述有源层130可以为InGaN或InAlGaN构成的单独的层。优选地，然而有源层 130为多量子阱（MQW)有源层，在其结构中阻挡层和阱层交替叠置。阱层优选地由包含In的 氮化物半导体构成，例如InGaN或InAlGaN。阱层厚度为例如，2到15nm，优选为6到12nm， 更优选为8到10nm。阻挡层由氮化物半导体构成，其禁带宽度高于阱层，并且其厚度为例 如，2到30nm，优选为10到20nm。
[0058] 所述AlGaN电子阻挡层140由AlyGai_yN(优选地0. 08彡y彡0. 2)构成，其禁带宽 度高于有源层130和p型AlGaN层150。其厚度为例如，10到200腦，优选为20nm或更多和 50nm或更少。所述AlGaN电子阻挡层140可以掺杂p型杂质，如Mg或Zn，且杂质浓度为例 如，在1X1019到5X102°cnT3。所述AlGaN电子阻挡层140可以被省去，且p型AlGaN层150 可以直接设置在所述有源层130上。
[0059] 所述p型AlGaN层150由AlxGai_xN(0.01彡x彡0. 05)构成，且掺杂了p型杂质，如 Mg或Zn。p型杂质的浓度为例如，IX1019到5X102°cm3。其厚度控制到例如40到200nm。
[0060] 所述InGaN接触层160的厚度为例如1到20nm，优选为10nm或更少，特别为5nm 或更少。构成该层的InGaN的组成优选地设置为使得该层的禁带宽度高于有源层130的禁 带宽度（或高于阱层的禁带宽度，这种情况下有源层为MQW)。
[0061] 当在相同的MOCVD炉内InGaN接触层160随后生长到p型AlGaN层150,存在这样 的可能性，甚至从外界没有向炉内提供P型杂质源时，所述InGaN接触层160可能掺杂p型 杂质。这是因为P型杂质源如双环戊二烯合镁易于残留在炉内。
[0062] 光发射电极E120由导电氧化物构成，如ITO,已经在所述InGaN接触层160的表面 上形成为欧姆电极。金属P电极E130已经形成在光发射电极E120的一部分上。
[0063] 在所述氮化物基发光二极管100中，m面GaN衬底110和n型GaN接触层120彼此 之间邻接不是必要的。具有任何成分、厚度和层结构的氮化物半导体层均可以插入两者之 间。同样适用于n型GaN接触层120和有源层130之间，以及有源层130和p型AlGaN层 150之间。
[0064]由本发明的发明人进行实验得到的结果将在下面描述。然而，本发明不应该被解 释为以任何形式受这些实验中用到的方法和样品结构的限制。
[0065]〈实验1-1>
[0066] 图1显示了以实验1-1制备的m面氮化物基LED，并且从上表面侧观察。图1 (a) 为其示意图，图1(b)为其显微照片。
[0067] 图2示意性的显示了该m面氮化物基LED的外延层结构。
[0068] 如图2所示，该m面氮化物基LED具有形成于m面GaN衬底1上的外延层结构，所 述外延层结构包括，从衬底1侧以如下顺序排列的，无掺杂GaN层2、GaN:Si接触层3、无掺 杂GaN中间层4、GaN:Si中间层5、多量子阱有源层6、第一AlGaN:Mg层7、和第二AlGaN:Mg 层8 (p型接触层）。
[0069] 以这样的外延层结构形成的m面氮化物基LED以如下方式制备：
[0070] (外延生长）
[0071] 首先，准备具有宽度、长度、和厚度尺寸为8mm、20mm、和330ym的m面GaN衬底。 该衬底具有6. 8X1017cm3的载流子浓度和-0. 21°的+c-方向斜角。
[0072] 无掺杂GaN层2、GaN:Si接触层3、无掺杂GaN中间层4、GaN:Si中间层5、多量子 阱有源层6、第一AlGaN:Mg层7、和第二AlGaN:Mg层8依次通过常压MOVPE方法，在已经完 成打磨的准备好的m面GaN衬底的表面上外延生长。
[0073] 使用TMG(三甲基镓）和氨作为原料，无掺杂GaN层2生长成厚度为0. 01ym。
[0074] 使用TMG、氨和硅烷作为原料，GaN:Si接触层3生长成具有大约7X1018cm3浓度 的Si和2.0ym的厚度。
[0075] 使用TMG和氨作为原料，无掺杂GaN中间层4生长成厚度为180nm。
[0076] 使用TMG、氨和硅烷作为原料，GaN:Si中间层5生长成具有大约5X1018cm3浓度 的Si和20nm的厚度。
[0077] 多量子阱有源层6使用TMG、TMI(三甲基铟）、和氨作为原料形成，通过交替生长4 个InGaN阻挡层和3个InGaN阱层得到，这样最低的层和最高的层均为阻挡层。
[0078] 阱层厚度为3. 6nm，且阻挡层厚度为18nm。没有杂质被添加到多量子阱有源层6 中。
[0079] 使用TMG、TMA(三甲基铝）、氨和双环戊二烯合镁作为原料，第一AlGaN:Mg层7生 长成厚度为160nm。TMG和TMA的流速被控制，使得形成晶体组成为Ala9N。
[0080] 使用TMG、TMA、氨和双环戊二烯合镁作为原料，第二AlGaN:Mg层8生长成厚度为 40nm。TMG和TMA的流速被控制，使得形成晶体组成为AUac^N。
[0081] 在第二AlGaN:Mg层8的生长中，氨送入生长炉内的速度调整到10SLM，且衬底温度 调整到1，070°C。在该第二AlGaN:Mg层8的生长结束后立刻停止加热衬底，且氨送入生长 炉内的速度减少到0.05SLM。当衬底温度下降到970°C时停止氨的送入。在那之后，向生长 炉内仅通入氮气，直到衬底温度减低到500°C。
[0082] 在每一层生长时使用的载气、衬底温度、NH3/TMG比、III族元素源送入速度、和生 长时间总结显示在以下的表1中。术语"NH/TMG比"表示送入生长炉的NH3(氨）和TMG(三 甲基镓）的摩尔比。
[0083][表1]
[0084]表1
[0085]
【主权项】
1. 一种制备m面氮化物基发光二极管的方法，所述方法包括： (i) 形成有源层的步骤，所述有源层包括覆盖n型氮化物半导体层的氮化物半导体，其 中在厚度方向和六方晶系的m轴方向之间的角为10度以下， (ii) 形成覆盖有源层的掺杂了 P型杂质的AlGaN层的步骤， (iii) 形成包括InGaN的接触层的步骤，其形成于AlGaN层的表面上，和 (iv) 在接触层的表面上形成电极的步骤。
2. 根据权利要求1的制备方法，其中所述接触层的厚度为20nm或更少。
3. 根据权利要求1或2的制备方法，其包括，在形成所述AlGaN层之前，在所述有源 层上形成电子阻挡层的步骤，所述电子阻挡层具有50nm或更小的厚度，且包括氮化物半导 体，其具有比所述AlGaN层更高的禁带宽度。
4. 根据权利要求1至3中任一项的制备方法，其中所述AlGaN层包括 AlxGai_ xN(0. 01 ^ x ^ 0. 05) 〇
5. 根据权利要求1至4中任一项的制备方法，其中所述有源层包括阱层和阻挡层，且所 述接触层的禁带宽度大于阱层的禁带宽度。
6. 根据权利要求1至5中任一项的制备方法，其中所述电极包括导电氧化物。
7. 根据权利要求6的制备方法，其中所述导电氧化物包括ITO (氧化铟锡）。
8. 根据权利要求1至7中任一项的制备方法，其中所述有源层包括InGaN阱层和阻挡 层，且所述InGaN讲层的厚度为6到12nm〇
9. 根据权利要求1至8中任一项的制备方法，其中所述接触层以2到3nm/min的生长 速度形成。
10. 根据权利要求1至9中任一项的制备方法，其中所述接触层以40, 000到50, 000的 NH3/TMG比生长。
11. 根据权利要求1至10中任一项的制备方法，其中步骤（ii)和（iii)在相同的 MOVPE生长炉中进行，且所述AlGaN层在从步骤（11)的结尾到步骤（iii)的开始的期间内 不从MOVPE生长炉中取出。
12. 根据权利要求11的制备方法，其中所述AlGaN层和所述接触层在从步骤（iii)的 结尾到步骤（iv)的开始的期间内不进行退火。
【专利摘要】提供了一种理想的制备m面氮化物基LED的方法，所述方法能够得到正向电压降低的m面氮化物基发光二极管。所述方法包括(i)形成有源层的步骤，所述有源层包括覆盖n型氮化物半导体层的氮化物半导体，其中在厚度方向和六方晶系的m轴方向之间的角为10度以下，(ii)形成覆盖有源层的掺杂了p型杂质的AlGaN层的步骤，(iii)形成包括InGaN的接触层的步骤，其形成于AlGaN层的表面上，和(iv)在接触层的表面上形成电极的步骤。
【IPC分类】H01L33-42, H01L33-32, H01L21-205
【公开号】CN104641476
【申请号】CN201380033962
【发明人】栗原香, 竹下祐太郎, 下山谦司, 鹰居真二
【申请人】首尔伟傲世有限公司
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2013年6月24日
【公告号】US20150125980, WO2014002959A1