專利名稱：Iii族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化合物半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，是關(guān)于以III族氮化物半導(dǎo)體為材料發(fā)光二極管。
技術(shù)背景以III族氮化物半導(dǎo)體為材料的藍(lán)色和綠色發(fā)光二極管，由于有望取代現(xiàn)行的白熾燈或 者日光燈成為一種效率高、壽命長(zhǎng)的普通照明光源，而受到世界各國(guó)研究開(kāi)發(fā)人員的高度重 視。半導(dǎo)體發(fā)光二極管是利用從n-型摻雜區(qū)注入的電子和從p-型摻雜區(qū)注入的空穴在夾于 n-型慘雜區(qū)和p-型慘雜區(qū)的活性層內(nèi)進(jìn)行發(fā)光復(fù)合而發(fā)光的。因此電子和空穴的發(fā)光復(fù)合幾 率越大，半導(dǎo)體發(fā)光二極管的發(fā)光效率即內(nèi)部量子效率就越高。發(fā)光二極管的能量轉(zhuǎn)換效率 等于內(nèi)部量子效率與光的外部取出效率的乘積。內(nèi)部量子效率一般由晶體的品質(zhì)決定，最近 隨著晶體生長(zhǎng)技術(shù)的進(jìn)步內(nèi)部量子效率有了飛躍的提高。例如，對(duì)于尺寸為300pm x 300 的藍(lán)色發(fā)光二極管來(lái)說(shuō)，在20mA的低電流工作條件下，其內(nèi)部量子效率可以很容易地達(dá)到 50%以上。但是，要實(shí)現(xiàn)一般照明器件的普及化，還存在一些與內(nèi)部量子效率提高有關(guān)的必須 解決的問(wèn)題。具體地講，在超過(guò)20mA的大電流工作條件下以及綠色波長(zhǎng)段，內(nèi)部量子效率急 劇降低。導(dǎo)致內(nèi)部量子效率在這些領(lǐng)域下降的最主要原因之一是活性層內(nèi)存在內(nèi)部電場(chǎng)。藍(lán)色和綠色發(fā)光二極管一般是在(0001)面(或c面)的藍(lán)寶石襯底上利用有機(jī)金屬氣 相外延法依次生長(zhǎng)n型層、量子阱活性層以及p型層而成。在這種情況下，在生長(zhǎng)方向上存 在由壓電效應(yīng)和自極化效應(yīng)引起的強(qiáng)大的內(nèi)部電場(chǎng)。例如，在以GaN/In。.15Ga。.85N量子阱為活 性層的藍(lán)色發(fā)光二極管中，其內(nèi)部電場(chǎng)的強(qiáng)度可以達(dá)到1 MV/cm。如圖1 (GaN/In。.15Ga。.85N(3 nm)/GaN量子阱的能帶結(jié)構(gòu)示意圖以及理論計(jì)算的波動(dòng)函數(shù))所示，其中1為電子的能帶結(jié) 構(gòu)，2為空穴的能帶結(jié)構(gòu)，3為電子的波動(dòng)函數(shù)，4-為空穴的波動(dòng)函數(shù)，5為GaN勢(shì)壘層，6這 3nm厚的Inu5Gaa85N量子阱層，7為GaN勢(shì)壘層，由于存在這么強(qiáng)的內(nèi)部電場(chǎng)，量子阱的電 子和空穴的波動(dòng)函數(shù)3、 4在空間上發(fā)生分離，從而導(dǎo)致發(fā)光復(fù)合的效率顯著降低。另外，內(nèi) 部電場(chǎng)的強(qiáng)度隨著In組分的增加而增強(qiáng)，在In的組分必須達(dá)到0. 25以上的綠色發(fā)光二極管 中，內(nèi)部電場(chǎng)的影響則更加顯著。目前基本上有兩種方法可以利用，以抑制由于內(nèi)部電場(chǎng)而引起的內(nèi)部量子效率的降低。 第一種方法是，減小量子阱層的厚度，強(qiáng)制增大電子和空穴的波動(dòng)函數(shù)的空間重疊部分。但 是，量子阱層的厚度太薄的話，波動(dòng)函數(shù)會(huì)滲入勢(shì)壘層，反而使發(fā)光復(fù)合效率下降。通過(guò)考慮波動(dòng)函數(shù)向勢(shì)壘層的滲透以及波動(dòng)函數(shù)的空間分離的抑制效果之間的平衡，對(duì)于實(shí)用化的器件而言量子阱層的厚度一般為3 nm。但是，如圖1所示，即使是對(duì)于只有3 nm厚度的量 子阱層而言，電子和空穴的波動(dòng)函數(shù)的空間分離仍然很強(qiáng)。第二種方法是，使用c-面藍(lán)寶石 以外的襯底，從而在生長(zhǎng)方向生長(zhǎng)沒(méi)有極性的晶體。到目前為止，嘗試了 (11-02)面(或r-面) 藍(lán)寶石、(101-0)面(或m-面)藍(lán)寶石、Y-LiA102以及GaN等襯底。相比較在c-面藍(lán)寶石上生 長(zhǎng)的晶體，在r-面藍(lán)寶石、m-面藍(lán)寶石以及廣LiA102等異種襯底上生長(zhǎng)的結(jié)晶的品質(zhì)要遜色 的多，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)用化的水平。另外，GaN襯底非常昂貴，是藍(lán)寶石襯底價(jià)格的10倍以 上，現(xiàn)在還不可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。 發(fā)明內(nèi)容針對(duì)上述領(lǐng)域中的缺陷，本發(fā)明提供一種采用量子阱結(jié)構(gòu)為活性層的III族氮化物半導(dǎo) 體發(fā)光二極管，該量子阱活性層能極大地抑制因內(nèi)部電場(chǎng)的存在而導(dǎo)致的電子和空穴的波動(dòng) 函數(shù)的空間分離，從而有效的改善活性層的發(fā)光復(fù)合效率。III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其活性層為存在內(nèi)部電場(chǎng)的量子阱結(jié)構(gòu)，所述量子阱 結(jié)構(gòu)活性層由位于p型區(qū)域一側(cè)的第一勢(shì)壘層、量子阱層、和位于n型區(qū)域一側(cè)的第二勢(shì)壘層所構(gòu)成的，其特征在于所述量子阱層中插入第三勢(shì)壘層，所述第三個(gè)勢(shì)壘層的厚度滿足 以下條件(1)由P型區(qū)域注入的空穴能被屏蔽在第三勢(shì)壘層與位于P型區(qū)域一側(cè)的第一勢(shì) 壘層之間；(2)由n型區(qū)域注入的電子能自由通過(guò)第三勢(shì)壘層，向能量最低的區(qū)域移動(dòng)。所述第三勢(shì)壘層為AlxGa卜xN ((Kx幼.2)或InxGai-xN (x〈0. 1)，厚度為0. 5 nm - 2 nm。所述第一勢(shì)壘層為ALGa卜xN ((fe^0. 2)。所述第二勢(shì)壘層為Al工a卜XN (0"^).2)。所述量子阱層為InxGai—xN (0. 1《x^). 5)。所述第一勢(shì)壘層、量子阱層、第二勢(shì)壘層分別是Al,GanN ((Kx幼.2)、 InxGai-xN (0. 1"幼.5)、 AlxGa卜xN (OSx幼.2);前述插入的第三勢(shì)壘層為GaN,該層的厚度為1 nra。 所述第三勢(shì)壘層插入位置為距離第一勢(shì)壘層0. 5nnT2. 5nm之間的地方。 根據(jù)本發(fā)明的in族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，在存在強(qiáng)內(nèi)部電場(chǎng)的量子阱結(jié)構(gòu)活性層 的阱層內(nèi)插入一層勢(shì)壘層即第三勢(shì)壘層，通過(guò)調(diào)整該勢(shì)壘層的厚度，使該勢(shì)壘層對(duì)空穴而言 能發(fā)揮勢(shì)壘層的作用而對(duì)電子而言基本不發(fā)揮勢(shì)壘層的作用。對(duì)于該結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，由n型區(qū)域 注入的電子基本上全部通過(guò)上述插入的第三勢(shì)壘層，而聚集在量子阱層的位于p型區(qū)域一側(cè) 的界面附近(此處電子能量最低)；而由p型區(qū)域注入的空穴由于上述第三勢(shì)壘層的插入，被 屏蔽在插入的第三勢(shì)壘層和位于p型區(qū)域一側(cè)的勢(shì)壘層之間的量子阱層內(nèi)。因此，電子和空 穴的波動(dòng)函數(shù)的空間重疊部分增大，使抑制由于內(nèi)部電場(chǎng)而引起電子和空穴波動(dòng)函數(shù)的空間分離而造成發(fā)光復(fù)合效率下降成為可能。如果插入的第三勢(shì)壘層太薄(空穴不能被屏蔽)或者太厚(電子不能向低能量區(qū)域移動(dòng)) 的話，第三勢(shì)壘層的插入不能發(fā)揮抑制波函數(shù)空間分離的效果。使用GaN作為第三勢(shì)壘層的 情況下，GaN的厚度最好控制在0. 5 nm - 2.0nm范圍內(nèi)。再者，如果在距離位于p型區(qū)域 一側(cè)的第一層勢(shì)壘層2. 5nm以內(nèi)的地方插入第三勢(shì)壘層，優(yōu)選距離為0. 5nm~2. 5nm的地方， 與通常市售器件中一般所采用的3nm量子阱相比，可以期待顯著的抑制波動(dòng)函數(shù)空間分離的 效果。作為藍(lán)色發(fā)光二極管，其第一勢(shì)壘層為GaN，第二勢(shì)壘層為GaN，量子阱層為In。.15Ga。.85N， 第三勢(shì)壘層為GaN，厚度為lnm，襯底為(0001)面(C面)藍(lán)寶石。作為綠色發(fā)光二極管，其第一勢(shì)壘層為GaN，第二勢(shì)壘層為GaN，量子阱層為In。.3Ga。.7N， 第三勢(shì)壘層為GaN，厚度為lnm，襯底為(0001)面(C面)藍(lán)寶石。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明在量子阱層中插入第三勢(shì)壘層，使電子和空穴函數(shù)的重疊增大， 發(fā)光復(fù)合效率增大，從本發(fā)明的實(shí)施例看，其發(fā)光復(fù)合效率是插入第三勢(shì)壘層之前的2-3倍， 大大提高了 III族氮化物發(fā)光二極管的發(fā)光效率。


圖l GaN/In。.l5Ga。.85N(3 nm)/GaN量子阱的能帶結(jié)構(gòu)示意圖以及理論計(jì)算的波動(dòng)函數(shù)圖2本發(fā)明實(shí)施例l III族氮化物發(fā)光二極管的晶體結(jié)構(gòu)的斷面示意圖。圖3本發(fā)明實(shí)施例1 III族氮化物發(fā)光二極管的活性層的能帶結(jié)構(gòu)示意圖以及理論計(jì)算的波動(dòng)函數(shù)。圖4本發(fā)明實(shí)施例2 III族氮化物發(fā)光二極管的晶體結(jié)構(gòu)的斷面示意圖。其中1-一電子的能帶結(jié)構(gòu)，2—-空穴的能帶結(jié)構(gòu)，3-—電子的波動(dòng)函數(shù)，4一-空穴的波動(dòng) 函數(shù)，5—-GaN勢(shì)壘層,6—-3nm厚的Inu5Ga。,85N量子阱層，7 ---GaN勢(shì)壘層，8-— (0001) 面藍(lán)寶石襯底，9-一低溫GaN緩沖層，10— Si摻雜的n型GaN高溫緩沖層及第二勢(shì)壘層， 11 ---3nm厚的In。.15Ga。.85N量子阱層，12--- lnm厚的GaN第三勢(shì)壘層，13 —-2nm厚的 In。.^a。.85N量子阱層，14-— GaN第一勢(shì)壘層，15 ---Mg摻雜的p型Al。.2Ga。.8N電子阻擋層， 16--- Mg摻雜的p型GaN歐姆接觸層，17-—電子的能帶結(jié)構(gòu)，18—-空穴的能帶結(jié)構(gòu)，19一-電子的波動(dòng)函數(shù)，20---空穴的波動(dòng)函數(shù)，21 —-3nm厚的In。.3Ga。.7N量子阱層，22--- Iran 厚的GaN第三勢(shì)壘層，23 ---2nm厚的In。.3Ga。.7N量子阱層。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1 藍(lán)光半導(dǎo)體發(fā)光二極管首先，在(0001)面藍(lán)寶石襯底8上，利用有機(jī)金屬氣相外延法，在550'C生長(zhǎng)一層40nm 厚的低溫GaN緩沖層9。接著，將溫度升至104(TC，生長(zhǎng)厚度為4nm的Si摻雜的n型 GaN(n=2x1018Cm—3)作為高溫緩沖層和第二勢(shì)壘層10。然后，降低生長(zhǎng)溫度至大約76CTC，依次 生長(zhǎng)厚度為3nm的無(wú)摻雜的In。.15Ga。.85N量子阱層11、厚度為lnm的無(wú)摻雜的GaN第三勢(shì)壘層 12、厚度為2nm的無(wú)摻雜的In。.15Ga。.85N量子阱層13，以及厚度為20 的無(wú)摻雜的GaN第一 勢(shì)壘層14。最后，將生長(zhǎng)溫度升至1040°C，生長(zhǎng)一層厚度為lOnm的Mg摻雜的p型Al。.2Ga。.8N 電子阻擋層15和一層厚度為150mn的Mg摻雜的p型GaN歐姆接觸層16。結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2.圖3給出了圖2所示發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)中的量子阱活性層的能帶結(jié)構(gòu)以及理論計(jì)算的波動(dòng) 函數(shù)。其中17為電子的能帶結(jié)構(gòu)，18為空穴的能帶結(jié)構(gòu)，19為電子的波動(dòng)函數(shù)，20為空穴 的波動(dòng)函數(shù)，21為3nm厚的In。3Ga。,7N量子阱層，22為lnm厚的GaN第三勢(shì)壘層，23為2nm 厚的InuGauN量子阱層。與圖1的3nm量子阱結(jié)構(gòu)相比，可以很清楚地看到電子和空穴的波 動(dòng)函數(shù)19、 20的峰位置變得靠近，波動(dòng)函數(shù)的空間重疊增大了。利用圖3的波動(dòng)函數(shù)可以計(jì) 算出電子和空穴的空間重疊積分，艮P: M一z，在此A和A分別為電子和空穴的波動(dòng)函數(shù)，z 為晶體生長(zhǎng)方向的坐標(biāo)。而電子和空穴的發(fā)光復(fù)合效率與上述波動(dòng)函數(shù)的空間重疊積分的平 方成正比。由此可以算出圖3的量子阱結(jié)構(gòu)活性層的發(fā)光復(fù)合效率約為圖1的沒(méi)有第三勢(shì)壘 層的3nm量子阱結(jié)構(gòu)即GaN/In。.15Ga。.85N(3nm) /GaN量子阱結(jié)構(gòu)的2. 2倍。 實(shí)施例2 綠光半導(dǎo)體發(fā)光二極管首先，在(0001)面藍(lán)寶石襯底8上，利用有機(jī)金屬氣相外延法，在55(TC生長(zhǎng)一層40 厚的低溫GaN緩沖層9。接著，將溫度升至1040°C，生長(zhǎng)厚度為4pm的Si摻雜的n型 GaN(n=2X1018Cm—3)作為高溫緩沖層和第二勢(shì)壘層10。然后，降低生長(zhǎng)溫度至大約760°C，依次 生長(zhǎng)厚度為3nm的無(wú)摻雜的In。.3Ga。.7N量子阱層11、厚度為lnm的無(wú)摻雜的GaN第三勢(shì)壘層 12、厚度為2nm的無(wú)摻雜的In。.3Ga。.7N量子阱層13，以及厚度為20nm的無(wú)摻雜的GaN第一勢(shì) 壘層14。最后，將生長(zhǎng)溫度升至1040°C，生長(zhǎng)一層厚度為lOnm的Mg摻雜的p型Al。.2Ga。.8N 電子阻擋層15和一層厚度為150nm的Mg摻雜的p型GaN歐姆接觸層16。結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖4.用于實(shí)施例1相同的方法可以算出圖4所示發(fā)光二極管的量子阱結(jié)構(gòu)活性層的發(fā)光復(fù)合 效率約為沒(méi)有第三勢(shì)壘層的3nm量子阱結(jié)構(gòu)即GaN/In。.3Ga。.7N(3nm)/GaN量子阱結(jié)構(gòu)的3. 1倍。 由此可見(jiàn)，本發(fā)明的方法對(duì)于內(nèi)部電場(chǎng)更強(qiáng)的綠光發(fā)光二極管其效果更為明顯。
權(quán)利要求
1、III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其活性層為存在內(nèi)部電場(chǎng)的量子阱結(jié)構(gòu)，所述量子阱結(jié)構(gòu)活性層由位于p型區(qū)域一側(cè)的第一勢(shì)壘層、量子阱層、和位于n型區(qū)域一側(cè)的第二勢(shì)壘層所構(gòu)成的，其特征在于所述量子阱層中插入第三勢(shì)壘層，所述第三個(gè)勢(shì)壘層的厚度滿足以下條件(1)由p型區(qū)域注入的空穴能被屏蔽在第三勢(shì)壘層與位于p型區(qū)域一側(cè)的第一勢(shì)壘層之間；(2)由n型區(qū)域注入的電子能自由通過(guò)第三勢(shì)壘層，向能量最低的區(qū)域移動(dòng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，所述第三勢(shì)壘層為AlxGai.xN ((Kx幼.2)或InxGa!.xN (xO.l)，厚度為0.5 nm — 2 nm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，所述第一勢(shì)壘層為AlxGai.xN ((Kx幼.2)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，所述第二勢(shì)壘層為AlxGai.xN (0Sx幼.2)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，所述量子阱層為InxGai.xN (0.1^0.5)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，所述第一勢(shì)壘層、量子阱 層、第二勢(shì)壘層分別是AlxGai.xN ((Kx幼.2)、 InxGai-xN (0.1"幼.5)、 AlxGai-xN ((Kx幼.2); 前述插入的第三勢(shì)壘層為GaN,該層的厚度為1 mn。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，所述第三勢(shì)壘層插入位置 為距離第一勢(shì)壘層0.5nm 2.5nm之間的地方。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的m族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，所述第一勢(shì)壘層為GaN， 第二勢(shì)壘層為GaN，量子阱層為Inal5Gao.85N，第三勢(shì)壘層為GaN，厚度為lnm，襯底為C 面藍(lán)寶石。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，所述第一勢(shì)壘層為GaN， 第二勢(shì)壘層為GaN，量子阱層為Ina3Gao.7N，第三勢(shì)壘層為GaN，厚度為lnm，襯底為C面藍(lán)寶石。
全文摘要
本發(fā)明涉及“III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管”，屬于化合物半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其活性層為存在內(nèi)部電場(chǎng)的量子阱結(jié)構(gòu)，所述量子阱結(jié)構(gòu)活性層由位于p型區(qū)域一側(cè)的第一勢(shì)壘層、量子阱層、和位于n型區(qū)域一側(cè)的第二勢(shì)壘層所構(gòu)成的，其特征在于所述量子阱層中插入第三勢(shì)壘層，所述第三個(gè)勢(shì)壘層的厚度滿足以下條件(1)由p型區(qū)域注入的空穴能被屏蔽在第三勢(shì)壘層與位于p型區(qū)域一側(cè)的第一勢(shì)壘層之間；(2)由n型區(qū)域注入的電子能自由通過(guò)第三勢(shì)壘層，向能量最低的區(qū)域移動(dòng)。本發(fā)明通過(guò)插入第三勢(shì)壘層，使電子和空穴的波動(dòng)函數(shù)的空間重疊部分增大，發(fā)光復(fù)合效率增大，是插入第三勢(shì)壘層之前的2-3倍。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101290965SQ20081011471
公開(kāi)日2008年10月22日 申請(qǐng)日期2008年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月11日
發(fā)明者磊 張, 熊志軍, 王海嵩, 鵬 鮑 申請(qǐng)人:北京宇極科技發(fā)展有限公司