一種氮化鎵基發(fā)光二極管及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種氮化鎵基發(fā)光二極管，其從下到上依次包括以下各層：藍(lán)寶石襯底1；氮化鎵層2，其作為緩沖層；非摻雜氮化鎵層3；n型導(dǎo)電氮化鎵層4；表面粗化不平的氮化鋁硅層5；氮化銦鎵/氮化鎵多量子阱層6；和p型氮化鎵層7。本發(fā)明還提供了上述氮化鎵基發(fā)光二極管的制備方法。
【專利說明】一種氮化鎵基發(fā)光二極管及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化鎵(GaN)是第三代直接能隙寬禁帶半導(dǎo)體，其禁帶寬。C為3.39eV。GaN基紫夕卜、綠光或藍(lán)光發(fā)光二極管(LED)器件具有高亮度、低能耗、長壽命、響應(yīng)速。C快等優(yōu)點(diǎn)，在全色顯示、信號指示、景觀照明等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。特別是以GaN基藍(lán)光LED混合熒光粉后制作的白光LED研發(fā)進(jìn)展迅速，白光LED的發(fā)光波長只在可見光區(qū)，避免了白熾燈強(qiáng)烈的紅外輻射，可以大量節(jié)約能源。同時白光LED體積小、壽命長、安全、高效、不存在汞等有害物質(zhì)，被稱為新一代綠色環(huán)保型照明光源，使其有望取代傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈，帶來人類照明光源的革命。
[0003]目前GaN基紫外、綠光或藍(lán)光發(fā)光二極管材料通常異質(zhì)外延生長在藍(lán)寶石襯底上。因?yàn)榈锖退{(lán)寶石襯底之間通常存在很大的晶格常數(shù)失配和熱膨脹系數(shù)差異，所以利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)外延技術(shù)生長的氮化物外延層中存在很多晶體缺陷如位錯等，材料的晶體質(zhì)量因此受到很大影響。特別的由于晶格不匹配導(dǎo)致應(yīng)力引起的極化效應(yīng)使得量子阱內(nèi)存在很大的電場，導(dǎo)致電子和空穴波函數(shù)空間上的分離，使輻射復(fù)合效率下降，發(fā)光效率和亮度低下。
[0004]為了提高發(fā)光二極管的亮度和發(fā)光效率，高反光層的生長插入層和高量子發(fā)光效率的發(fā)光區(qū)的生長設(shè)計(jì)是很重要的。內(nèi)建電場的減弱，量子限制作用的增強(qiáng)將使輻射復(fù)合幾率增加，發(fā)光效率大大提高。
[0005]因此，為了提高GaN基紫外、藍(lán)光或綠光二極管的亮度，提高發(fā)光效率，發(fā)展新的外延生長技術(shù)是十分必要的。
[0006]發(fā)明概述
[0007]本發(fā)明的目的是在于提供一種提高氮化鎵基發(fā)光二極管發(fā)光效率的外延生長方法。該方法通過在生長氮化銦鎵/氮化鎵多量子阱發(fā)光層前插入生長一層粗化不平的氮化鋁硅層來實(shí)現(xiàn)。該外延生長方法適用于高亮度、高發(fā)光效率的氮化基紫外或藍(lán)光或綠光發(fā)光二極管外延材料的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)外延生長。
[0008]本發(fā)明的第一方面提供了一種氮化鎵基發(fā)光二極管，其從下到上依次包括以下各層:
[0009]藍(lán)寶石襯底I ;
[0010]氮化鎵層2，其作為緩沖層；
[0011]非摻雜氮化鎵層3 ;
[0012]η型導(dǎo)電氮化鎵層4;
[0013]表面粗化不平的氮化鋁硅層5 ；
[0014]氮化銦鎵/氮化鎵多量子阱層6 ;和
[0015]P型氮化鎵層7。[0016]本發(fā)明的第二方面提供了一種氮化鎵基發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于包括如下步驟:
[0017]步驟1:利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積設(shè)備，在藍(lán)寶石襯底I上依次外延生長氮化鎵層2、非摻雜氮化鎵層3和η型導(dǎo)電氮化鎵層4后，調(diào)整所述金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積設(shè)備到作為發(fā)光層的氮化銦鎵/氮化鎵多量子阱層的生長溫度；
[0018]步驟2:在生長氮化銦鎵/氮化鎵多量子阱層之前，將氨氣、三甲基鋁和硅烷持續(xù)通入所述金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積設(shè)備，以在所述η型導(dǎo)電氮化鎵層4上面自然生成表面粗化不平的氮化鋁硅層5 ；
[0019]步驟3:在該表面粗化不平的氮化鋁硅層5上再依次生長所述氮化銦鎵/氮化鎵多量子阱層6和P型氮化鎵層7，即成為所述氮化鎵基發(fā)光二極管。
[0020]附圖簡述
[0021]圖1是本發(fā)明的氮化鎵基發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]發(fā)明詳述
[0023]為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)的描述。
[0024]本發(fā)明的第一方面中的氮化鎵基發(fā)光二極管，其從下到上依次包括以下各層:藍(lán)寶石襯底I ;氮化鎵層，其作為緩沖層2 ;非摻雜氮化鎵層(3) ；η型導(dǎo)電氮化鎵層4 ;表面粗化不平的氮化鋁硅層5 ;氮化銦鎵/氮化鎵多量子阱層6 ;和P型氮化鎵層7。 [0025]其中各層的名字是半導(dǎo)體領(lǐng)域中常用的技術(shù)術(shù)語，為技術(shù)人員所熟知。例如:所述η型導(dǎo)電氮化鎵層是指摻雜硅的氮化鎵層。所述氮化銦鎵/氮化鎵多量子阱層是指多個氮化銦鎵/氮化鎵單量子層的疊置，其中每一個氮化銦鎵/氮化鎵單量子層由兩層氮化鎵層夾著一層氮化銦鎵層組成，類似于三明治結(jié)構(gòu)，其中氮化銦鎵層作為量子阱層，氮化鎵層作為量子壘限制層。換句話說，一個氮化銦鎵/氮化鎵單量子層由氮化鎵層-氮化銦鎵層-氮化鎵層組成，而氮化銦鎵/氮化鎵多量子阱層是指氮化鎵層-氮化銦鎵層-氮化鎵層-氮化銦鎵層-氮化鎵層-……這樣的結(jié)構(gòu)。P型氮化鎵層是指摻雜鎂的氮化鎵層。
[0026]氮化鋁硅是同時將氨氣、三甲基鋁和硅烷同時通入反應(yīng)室得到的一種二元復(fù)合氮化物，是氮化硅和氮化鋁的多晶態(tài)復(fù)合物質(zhì)，在成分上可以看作是摻雜了硅的氮化鋁，或者摻雜了鋁的氮化硅，其具體成分組成可通過X射線光電子能譜分析或X射線能量色散譜分析方法測試得到。
[0027]其中所述表面粗化不平的氮化鋁硅層5的平均厚度為10-300納米，優(yōu)選20-100納米，表面粗糙度為5-100納米，優(yōu)選10-50納米。其中表面粗糙度的含義類似于機(jī)械加工領(lǐng)域中對表面粗糙度的定義，是指表面具有的較小間距和微小峰谷起伏度，其可通過原子力顯微鏡或透射電子顯微鏡等光學(xué)方法來測量。具體測量方法可參見相關(guān)技術(shù)手冊或國家標(biāo)準(zhǔn)，本文不再贅述。
[0028]本發(fā)明與傳統(tǒng)的氮化鎵基發(fā)光二極管相比，改進(jìn)之處在于，在η型導(dǎo)電氮化鎵層4和作為發(fā)光層的氮化銦鎵/氮化鎵多量子阱層6之間多了一層表面粗化不平的氮化鋁硅層5，該粗化不平的氮化鋁硅層可增強(qiáng)氮化銦鎵/氮化鎵多量子阱發(fā)光區(qū)向表面的光反射，同時減弱氮化銦鎵/氮化鎵多量子阱發(fā)光層6的內(nèi)建電場，提高量子局域化效應(yīng)，增強(qiáng)輻射復(fù)合幾率，增加發(fā)光效率，從而提高二極管的亮度。
[0029]以下舉例說明本發(fā)明的氮化鎵基發(fā)光二極管的制備方法。該制備過程采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積法，簡稱為MOCVD法。這是半導(dǎo)體器件加工領(lǐng)域中在襯底上外延生長半導(dǎo)體材料的常用方法。
[0030]本發(fā)明所用的外延設(shè)備為美國VEECO公司生產(chǎn)的商用機(jī)，型號為C454X2’。所用V族源為氨氣(NH3), III族金屬有機(jī)源材料為三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)和三甲基銦(TMIn)，載氣為N2和H2, NH3、TMGa、TMAl和TMIn的流量分別為40標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘(slm)，380微摩爾/分鐘(μ mol/m), 130微摩爾/分鐘(μ mol/m)和400微摩爾/分鐘(μ mol/m)。反應(yīng)室壓強(qiáng)為200Torr。硅烷(SiH4)的流量為60毫升/分鐘(seem)。以上各源材料的具體流量和工藝參數(shù)可根據(jù)具體情況加以設(shè)計(jì)和選擇。
[0031]將2英寸的藍(lán)寶石襯底上裝入MOCVD生長設(shè)備后，依次經(jīng)過1100°C高溫烘烤，540°C低溫生長氮化鎵緩沖層、1050°C高溫生長非摻雜氮化鎵層和η型氮化鎵層。
[0032]在生長氮化銦鎵/氮化鎵多量子阱發(fā)光層前。首先將藍(lán)寶石襯底的溫度降到740V，在流動的N2氣氛下，反應(yīng)室壓強(qiáng)為200Torr。通過MOCVD設(shè)備系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制的操作開關(guān)向反應(yīng)室持續(xù)通入氨氣(NH3)、有機(jī)鋁源TMAl和硅烷(SiH4)等源材料。該過程會自然形成具有一定厚度的粗化不平的氮化鋁硅層。具體厚度通過生長反應(yīng)的時間來控制，一般控制在10-300nm厚，優(yōu)選20_100nm厚。
[0033]接著在相同的溫度和壓力下，在該粗化不平的氮化鋁硅層上生長氮化銦鎵/氮化鎵多量子阱層作為發(fā)光層。粗化不平的氮化鋁硅層與氮化銦鎵/氮化鎵多量子阱層形成高的反光界面，即增加了光線向表面反射的幾率。
[0034]最后生長P型氮化鎵層即可完成本發(fā)明的氮化鎵基發(fā)光二極管的制備。
[0035]該插入的粗化不平氮化鋁硅層能增強(qiáng)LED量子阱發(fā)光區(qū)向表面的反光，減弱氮化銦鎵/氮化鎵多量子阱的內(nèi)建電場，提高量子局域化效應(yīng)，增強(qiáng)輻射復(fù)合幾率，從而提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率和發(fā)光亮度。
【權(quán)利要求】
1.一種氮化鎵基發(fā)光二極管，其從下到上依次包括以下各層: 藍(lán)寶石襯底(I)； 氮化鎵層(2)，該層作為緩沖層； 非摻雜氮化鎵層(3)； η型導(dǎo)電氮化鎵層(4); 表面粗化不平的氮化鋁硅層(5)； 氮化銦鎵/氮化鎵多量子阱層(6);和 P型氮化鎵層(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基發(fā)光二極管，其特征在于所述表面粗化不平的氮化鋁硅層(5)的平均厚度為10-300納米，表面粗糙度為5-100nm。
3.一種氮化鎵基發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟1:利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積設(shè)備，在藍(lán)寶石襯底(I)上依次外延生長氮化鎵層緩沖層(2)、非摻雜氮化鎵層(3)和η型導(dǎo)電氮化鎵層(4)后，調(diào)整所述金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積設(shè)備到作為發(fā)光層的氮化銦鎵/氮化鎵多量子阱層的生長溫度； 步驟2:在生長氮化銦鎵/氮化鎵多量子阱層之前，將氨氣、有機(jī)鋁源和硅烷持續(xù)通入所述金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積設(shè)備，以在所述η型導(dǎo)電氮化鎵層(4)上面自然生成表面粗化不平的氮化鋁硅層(5); 步驟3:在該表面粗化不平的氮化鋁硅層(5)上再依次生長所述氮化銦鎵/氮化鎵多量子阱層(6 )和P型氮化鎵層(7 )，即成為所述氮化鎵基發(fā)光二極管。
【文檔編號】H01L33/24GK103824915SQ201410093932
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月13日
【發(fā)明者】閆發(fā)旺, 白俊春, 汪英杰 申請人:華延芯光（北京）科技有限公司