氮化鎵發(fā)光二極管外延片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種氮化鎵發(fā)光二極管外延片，包括：在襯底上自下而上依次生長的：低溫氮化鎵緩沖層、非摻雜氮化鎵層、n型氮化鎵層、多量子阱結(jié)構(gòu)、p型鋁鎵氮層、p型氮化鎵層和高摻雜p型氮化鎵電極接觸層，其中，所述多量子阱結(jié)構(gòu)包括：N個多量子阱，所述N個多量子阱中的每兩個多量子阱之間設置有一個隧道結(jié)，所述隧道結(jié)由以石墨烯為基底的氮化鎵基組成。由于多量子阱結(jié)構(gòu)由多層多量子阱組成，在多量子阱結(jié)構(gòu)中每一對電子—空穴，會發(fā)生多次復合，產(chǎn)生多個光子，從而提高了氮化鎵發(fā)光二極管的發(fā)光效率。
【專利說明】氮化鎵發(fā)光二極管外延片

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體光電子器件技術(shù)，尤其涉及一種氮化鎵(GaN)發(fā)光二極管(Light Emitting D1de，簡稱 LED)外延片。

【背景技術(shù)】
[0002]II1-V族化合物半導體材料由于其較寬的直接帶隙、良好的熱學和化學穩(wěn)定性，因而被廣泛的應用于微電子和光電子器件領(lǐng)域。II1-V族化合物中GaN、氮化鋁(AlN)和氮化銦(InN)是直接帶隙半導體材料，其室溫禁帶寬度依次為3.39eV、6.28eV和1.95eV，GaN及其固溶體可用于制造從可見光到紫外波段的光電子器件，例如藍光發(fā)光二極管、激光器和光電探測器，GaN材料可用于制作耐高溫、大功率的電子器件，因而近來II1-V族化合物受到廣泛重視，然而，由于氮化物熔點高、離解壓大，在制備單晶方面卻進展緩慢，不利于GaN材料在器件方面的應用。
[0003]近年來通過利用金屬有機化合物化學氣相沉淀(Metal-organic Chemical VaporDeposit1n,簡稱MOCVD)技術(shù)在襯底上先低溫生長AlN或GaN的緩沖層，改善了 GaN、鋁鎵氮(AlGaN)和銦氮化稼(InGaN)外延層的表面形貌、晶體完整性并降低了本底電子濃度。通過利用摻鎂(Mg)加低能電子輻照技術(shù)已獲得了 P型GaN外延層，于是P-N結(jié)GaN發(fā)光二極管、AIGaN/GaN和InGaN/GaN異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管相繼問世，最近用MOCVD技術(shù)生長的InGaN/GaN高效藍光發(fā)光二極管已成為商品出售?，F(xiàn)有技術(shù)的GaN LED外延片，從襯底上依次生長低溫氮化鎵緩沖層、非摻雜氮化鎵層、η型氮化鎵層、多量子阱層、P型鋁鎵氮層、P型氮化鎵層和高摻雜P型氮化鎵電極接觸層。
[0004]但是，現(xiàn)有技術(shù)的GaN LED外延片，發(fā)光效率低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明實施例提供一種氮化鎵LED外延片，能夠提高氮化鎵LED的發(fā)光效率。
[0006]本發(fā)明第一方面提供一種氮化鎵發(fā)光二極管外延片，包括:
[0007]在襯底上自下而上依次生長的:低溫氮化鎵緩沖層、非摻雜氮化鎵層、η型氮化鎵層、多量子阱結(jié)構(gòu)、P型鋁鎵氮層、P型氮化鎵層和高摻雜P型氮化鎵電極接觸層，其中，所述多量子阱結(jié)構(gòu)包括:N個多量子阱，所述N個多量子阱中的每兩個多量子阱之間設置有一個隧道結(jié)，所述隧道結(jié)由以石墨烯為基底的氮化鎵基組成。
[0008]可選的，所述多量子阱為銦氮化稼或鋁鎵氮，所述多量子阱組分為InxGahN或AlyGai_yN，其中，(0< (1-x)〈1，0〈(1-y)〈1，所述多量子阱的周期為 0〈n〈50。
[0009]可選的，所述氮化鎵基的η型氮化鎵用硅做摻雜劑，所述氮化鎵基的P型氮化鎵用鎂做摻雜劑，所述氮化鎵基的η型氮化鎵的摻雜濃度為α X 118CnT3，所述氮化鎵基的P型氮化鎵的摻雜濃度為β X1019cnT3，所述氮化鎵基的η型氮化鎵的厚度為A nm，所述氮化鎵基的P型氮化鎵的厚度為B nm，其中，I彡α彡5，1彡β彡5，A+B彡100nm。
[0010]可選的，所述石墨烯的厚度為0.5um，所述氮化鎵基的η型氮化鎵的摻雜濃度為2.5X 1018cm_3，所述氮化鎵基的p型氮化鎵的摻雜濃度為1.0 X 1019cm_3，所述氮化鎵基的η型氮化鎵的厚度為70nm，所述氮化鎵基的P型氮化鎵的厚度為30nm。
[0011]可選的，所述石墨稀的厚度為0.1um至0.3um，所述氮化鎵基的η型氮化鎵的摻雜濃度為2.5Χ 1018cm_3，所述氮化鎵基的P型氮化鎵的摻雜濃度為1.0 X 1019cm_3，所述氮化鎵基的η型氮化鎵的厚度為70nm，所述氮化鎵基的p型氮化鎵的厚度為30nm。
[0012]可選的，所述石墨稀的厚度為0.1um至0.3um，所述氮化鎵基的η型氮化鎵的摻雜濃度為2.5Χ 1018cm_3，所述氮化鎵基的P型氮化鎵的摻雜濃度為1.0 X 1019cm_3，所述氮化鎵基的η型氮化鎵的厚度為60nm，所述氮化鎵基的p型氮化鎵的厚度為40nm。
[0013]可選的，所述低溫氮化鎵緩沖層的厚度為1nm至50nm。
[0014]可選的，所述η型氮化鎵層的厚度為1nm至200nm。
[0015]可選的，所述高摻雜P型氮化鎵電極接觸層的厚度為5nm至50nm。
[0016]可選的，所述襯底的材料為硅、藍寶石或氮化硅。
[0017]本發(fā)明提供的氮化鎵發(fā)光二極管外延片，包括:在襯底上自下而上依次生長的:低溫氮化鎵緩沖層、非摻雜氮化鎵層、η型氮化鎵層、多量子阱結(jié)構(gòu)、P型鋁鎵氮層、P型氮化鎵層和高摻雜P型氮化鎵電極接觸層，其中，所述多量子阱結(jié)構(gòu)包括:Ν個多量子阱，所述N個多量子阱中的每兩個多量子阱之間設置有一個隧道結(jié)，所述隧道結(jié)由以石墨烯為基底的氮化鎵基組成。由于多量子阱結(jié)構(gòu)由多層多量子阱組成，在多量子阱結(jié)構(gòu)中每一對電子一空穴，會發(fā)生多次復合，產(chǎn)生多個光子，從而提高了氮化鎵發(fā)光二極管的發(fā)光效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0019]圖1為本發(fā)明實施例一提供的氮化鎵發(fā)光二極管外延片的結(jié)構(gòu)示意圖
[0020]圖2為本發(fā)明實施例二提供的氮化鎵發(fā)光二極管外延片的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0021]為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0022]圖1為本發(fā)明實施例一提供的氮化鎵發(fā)光二極管外延片的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，本實施例的氮化鎵發(fā)光二極管外延片包括:在襯底100上自下而上依次生長的:低溫GaN緩沖層11、非摻雜GaN層12、η型GaN層13、多量子阱結(jié)構(gòu)14、ρ型鋁鎵氮(AlNGa)層15、ρ型GaN層16和高摻雜ρ型GaN電極接觸層17，其中，該多量子阱結(jié)構(gòu)包括:Ν個多量子阱，該N個多量子阱中的每兩個多量子阱之間設置有一個隧道結(jié)，該隧道結(jié)由以石墨烯為基底的GaN基組成。
[0023]可選的，該多量子講為銦氮化稼(InGaN)或銷鎵氮(AlGaN)，該多量子講組分為InxGahN 或 AlyGa1J,其中，0〈 (l-χ)〈1，0〈 (Ι-y)〈1，該多量子阱的周期為 0〈n〈50。
[0024]本實施例中，隧道結(jié)材料的選擇要求為:選擇禁帶寬度較小，較小的電離，低的擴散系數(shù)的特性的雜質(zhì)，這樣才能獲得高遂穿幾率的材料，使電子迀移率提高。
[0025]可選的，GaN基的η型GaN用硅(Si)做摻雜劑，GaN基的ρ型GaN用鎂(Mg)做摻雜劑，GaN基的η型GaN的摻雜濃度為α X 11W3, GaN基的ρ型GaN的摻雜濃度為β X1019cnT3，GaN基的η型GaN的厚度為A nm，GaN基的ρ型GaN的厚度為B nm，其中，I 彡 α 彡 5，I 彡 β 彡 5，A+B 彡 10nm0
[0026]可選的，石墨稀的厚度為0.5um，GaN基的η型GaN的摻雜濃度為2.5X 1018cnT3，GaN基的ρ型GaN的摻雜濃度為1.0 X 1019cnT3，GaN基的η型GaN的厚度為70nm，GaN基的P型GaN的厚度為30nm。
[0027]可選的，石墨稀的厚度為0.1um至0.3um，GaN基的η型GaN的摻雜濃度為2.5 X 11W3, GaN基的ρ型GaN的摻雜濃度為1.0XlO1W, GaN基的η型GaN的厚度為70nm，GaN基的ρ型GaN的厚度為30nm。
[0028]可選的，石墨稀的厚度為0.1um至0.3um，GaN基的η型GaN的摻雜濃度為2.5 X 11W3, GaN基的ρ型GaN的摻雜濃度為1.0XlO1W, GaN基的η型GaN的厚度為60nm，GaN基的ρ型GaN的厚度為40nm。
[0029]可選地，也可以用II族金屬元素做GaN基的η型GaN的摻雜劑，用VI族金屬元素做GaN基的ρ型GaN的摻雜劑，GaN基的η型GaN的摻雜濃度為α X 1018cnT3，GaN基的ρ型GaN的摻雜濃度為β X 1019cnT3，GaN基的η型GaN的厚度為A nm, GaN基的ρ型GaN的厚度為B nm，其中，A+B = lOOnm，且 Α>Β。
[0030]可選的，低溫GaN緩沖層11的厚度為1nm至50nm。
[0031]可選的，η型GaN層13的厚度為1nm至200nm。
[0032]可選的，高摻雜P型GaN電極接觸層17的厚度為5nm至50nm。
[0033]可選的，襯底10的材料為硅、藍寶石或氮化硅。
[0034]圖2為本發(fā)明實施例二提供的氮化鎵發(fā)光二極管外延片的結(jié)構(gòu)示意圖，本實施例中，多量子阱結(jié)構(gòu)14包括:多量子阱140、隧道結(jié)141和多量子阱142。
[0035]本發(fā)明提供的氮化鎵發(fā)光二極管外延片可以采用MOCVD法生長，以下將列舉幾種具體的MOCVD生長方法:
[0036]第一種生長方方法:
[0037]步驟101、將襯底10放入反應室中，然后在H2環(huán)境中升溫至1100°C，穩(wěn)定10分鐘，對襯底10進行高溫凈化。
[0038]步驟102、降溫至530 °C，在襯底10上生長20nm厚度的低溫GaN緩沖層11。
[0039]步驟103、升溫至110 °C，在低溫GaN緩沖層11生長I μ m厚度的非摻雜GaN層12。
[0040]步驟104、在1100°C下，在非摻雜GaN層12上生長1.5 μ m厚度的η型GaN層13。
[0041]步驟105、在Ν2環(huán)境中，在GaN層13上生長5個周期多量子阱141，多量子阱141的厚度為20nmo
[0042]多量子阱層141由AlGaN皇層和InGaN阱層構(gòu)成，具體地，首先在850°C下生長AlGaN皇層，AlGaN皇層的厚度為20nm，然后，在810°C下生長InGaN講層，InGaN講層的厚度為1.6nm。
[0043]步驟106、在1100°C下，在多量子阱141上生長隧道結(jié)142。
[0044]具體地，首先在多量子阱141上生長一層厚度為0.3um石墨烯層作為隧道結(jié)142基底，再生長GaN，用C作為η型GaN摻雜劑，用Be作為ρ型GaN的摻雜劑，η型GaN的摻雜劑的摻雜濃度為2.8Χ 1018cm-3，ρ型的GaN摻雜劑的1.5Χ 1019cm_3，厚度分別為70nm、30nmo
[0045]步驟107、在N2環(huán)境中，在隧道結(jié)142上生長5個周期多量子阱143，多量子阱143的厚度為20nmo
[0046]多量子阱層143由AlGaN皇層和InGaN阱層構(gòu)成，首先在850°C下生長AlGaN皇層，AlGaN皇層的厚度為20nm，然后，在810°C下生長InGaN講層，InGaN講層的厚度為1.6nm。
[0047]步驟108、升溫960°C，在多量子阱143上生長30nm厚度的ρ型Al。.15GaQ.85N層15。
[0048]步驟109、降至940°C，在ρ型Al0.15Ga0.85N層15上生長150nm厚度的ρ型GaN層16。
[0049]110、在940 °C下，在ρ型GaN層16上生長25nm厚度的高摻雜ρ型GaN電極接觸層17。
[0050]111、降溫至室溫，生長結(jié)束。
[0051]第二種生成方法:
[0052]步驟201、將襯底10放入反應室中，然后在Η2環(huán)境中升溫至1200°C，穩(wěn)定6分鐘，對襯底10進行高溫凈化。
[0053]步驟202、降溫至540 °C，在襯底10上生長30nm厚度的低溫GaN緩沖層11。
[0054]步驟203、升溫至1200°C，在低溫GaN緩沖層11上生長2 μ m厚度的非摻雜GaN層
12ο
[0055]步驟204、在1200°C下，在非摻雜GaN層12上生長2.5 μ m厚度的η型GaN層13。
[0056]步驟205、在Ν2環(huán)境中，在η型GaN層13上生長10個周期多量子阱141，多量子阱141的厚度為25nm?
[0057]多量子阱層141由AlGaN皇層和InGaN阱層構(gòu)成，首先在850°C下生長AlGaN皇層，AlGaN皇層的厚度為25nm，然后，在820°C下生長InGaN講層，InGaN講層的厚度為2nm。
[0058]步驟206、在1200°C下，在多量子阱141上生長隧道結(jié)142。
[0059]首先在多量子阱141生長一層厚度為0.3um石墨烯層作為隧道結(jié)142基底，再生長GaN，用Si和Mg分別作為η型GaN、p型GaN的摻雜劑，其摻雜濃度分別為2.5 X 1018cm-3、1.0X1019cm-3，厚度分別為 60nm、40nm。
[0060]步驟207、在N2環(huán)境中，在隧道結(jié)142上生長10個周期多量子阱143。
[0061]多量子阱層141由AlGaN皇層和InGaN阱層構(gòu)成，首先在850°C下生長AlGaN皇層，AlGaN皇層的厚度為25nm，然后，在820°C下生長InGaN講層，InGaN講層的厚度為2nm。
[0062]步驟208、升溫980°C在多量子阱143上生長60nm厚度的ρ型Al。.3GaQ.7Ν層15。
[0063]步驟209、降至960°C，在ρ型Altl 3Gaa小層15上生長200nm厚度的ρ型GaN層16。
[0064]步驟210、在960°C下，在ρ型GaN層16上生長30nm厚度的高摻雜ρ型GaN電極接觸層17。
[0065]步驟211、降溫至室溫，生長結(jié)束。
[0066]第三種生長方法:
[0067]步驟301、將襯底10放入反應室中，然后在H2環(huán)境中升溫至1300°C，穩(wěn)定3分鐘，對襯底10進行高溫凈化。
[0068]步驟302、降溫至550 °C，在襯底10上生長40nm厚度的低溫GaN緩沖層11。
[0069]步驟303、升溫至1300°C，在低溫GaN緩沖層11上生長3 μ m厚度的非摻雜GaN層
12ο
[0070]步驟304、在1300°C下，在非摻雜GaN層12上生長2.5 μ m厚度的η型GaN層13。
[0071]步驟305、在Ν2環(huán)境中，在η型GaN層13上生長15個周期多量子阱層141。
[0072]多量子阱層141由AlGaN皇層和InGaN阱層構(gòu)成，首先，在550°C下生長AlGaN皇層，AlGaN皇層的厚度為20nm，然后，在830°C下生長InGaN講層，InGaN講層的厚度為2.5nm0
[0073]步驟306、在1300°C下，在多量子阱141上生長隧道結(jié)142。
[0074]具體地，首先在多量子阱141生長一層厚度為0.1um石墨烯層作為隧道結(jié)142基底，再生長GaN，用Si和Mg作為η型GaN、ρ型GaN的摻雜劑，其摻雜濃度分別為2.5X1018cm-3、l.0X1019cm-3，厚度分別為 50nm、40nm。
[0075]步驟307、在N2環(huán)境中，在隧道結(jié)142上生長15個周期多量子阱143。
[0076]具體的，首先在950°C下生長AlGaN皇層，AlGaN皇層的厚度為20nm，然后，在830°C下生長InGaN阱層，InGaN阱層的厚度為2.5nm。
[0077]步驟308、升溫1000°C，在多量子阱143上生長10nm厚度的ρ型Ala2Gaa#層15。
[0078]步驟309、降至980°C，在ρ型Altl 2Gaa#層15上生長250nm厚度的ρ型GaN層16。
[0079]步驟310、在980°C下，在ρ型GaN層16上生長20nm厚度的高摻雜ρ型GaN電極接觸層170。
[0080]步驟310、降溫至室溫，生長結(jié)束。
[0081 ] 本發(fā)明的氮化鎵發(fā)光二極管外延片，在襯底上自下而上依次生長的:低溫氮化鎵緩沖層、非摻雜氮化鎵層、η型氮化鎵層、多量子阱結(jié)構(gòu)、ρ型鋁鎵氮層、ρ型氮化鎵層和高摻雜P型氮化鎵電極接觸層，其中，所述多量子阱結(jié)構(gòu)包括:Ν個多量子阱，所述N個多量子阱中的每兩個多量子阱之間設置有一個隧道結(jié)，所述隧道結(jié)由以石墨烯為基底的氮化鎵基組成。由于多量子阱結(jié)構(gòu)由多層多量子阱組成，在多量子阱結(jié)構(gòu)中每一對電子一空穴，會發(fā)生多次復合，產(chǎn)生多個光子，從而提高了氮化鎵發(fā)光二極管的發(fā)光效率。
[0082] 最后應說明的是:以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種氮化鎵發(fā)光二極管外延片，其特征在于，包括: 在襯底上自下而上依次生長的:低溫氮化鎵緩沖層、非摻雜氮化鎵層、η型氮化鎵層、多量子阱結(jié)構(gòu)、P型鋁鎵氮層、P型氮化鎵層和高摻雜P型氮化鎵電極接觸層，其中，所述多量子阱結(jié)構(gòu)包括:N個多量子阱，所述N個多量子阱中的每兩個多量子阱之間設置有一個隧道結(jié)，所述隧道結(jié)由以石墨烯為基底的氮化鎵基組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述多量子阱為銦氮化稼或鋁鎵氮，所述多量子阱組分為InxGahN或AlyGa1J,其中，0< (l-χ)〈1，0〈 (Ι-y)〈1，所述多量子阱的周期為0〈n〈50。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮化鎵發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述氮化鎵基的η型氮化鎵用硅做摻雜劑，所述氮化鎵基的P型氮化鎵用鎂做摻雜劑，所述氮化鎵基的η型氮化鎵的摻雜濃度為a X1018cm_3，所述氮化鎵基的P型氮化鎵的摻雜濃度為β X1019cm_3，所述氮化鎵基的η型氮化鎵的厚度為A nm，所述氮化鎵基的P型氮化鎵的厚度為B nm，其中，I彡 α 彡 5，I 彡 β 彡 5，A+B 彡 10nm0
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮化鎵發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述石墨烯的厚度為0.5um，所述氮化鎵基的η型氮化鎵的摻雜濃度為2.5 X 118CnT3，所述氮化鎵基的ρ型氮化鎵的摻雜濃度為1.0 X 11W3,所述氮化鎵基的η型氮化鎵的厚度為70nm，所述氮化鎵基的P型氮化鎵的厚度為30nmo
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮化鎵發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述石墨烯的厚度為0.1um至0.3um，所述氮化鎵基的η型氮化鎵的摻雜濃度為2.5 X 1018cnT3，所述氮化鎵基的P型氮化鎵的摻雜濃度為1.0X 1019cnT3，所述氮化鎵基的η型氮化鎵的厚度為70nm，所述氮化鎵基的P型氮化鎵的厚度為30nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮化鎵發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述石墨烯的厚度為0.1um至0.3um，所述氮化鎵基的η型氮化鎵的摻雜濃度為2.5 X 1018cnT3，所述氮化鎵基的P型氮化鎵的摻雜濃度為1.0 X 119Cm-3,所述氮化鎵基的η型氮化鎵的厚度為60nm，所述氮化鎵基的P型氮化鎵的厚度為40nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的氮化鎵發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述低溫氮化鎵緩沖層的厚度為1nm至50nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的氮化鎵發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述η型氮化鎵層的厚度為1nm至200nmo
9.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的氮化鎵發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述高摻雜P型氮化鎵電極接觸層的厚度為5nm至50nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的氮化鎵發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述襯底的材料為硅、藍寶石或氮化硅。
【文檔編號】H01L33/32GK104465916SQ201510003033
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2015年1月5日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月5日
【發(fā)明者】劉偉, 鄭遠志, 陳向東, 康建, 梁旭東 申請人:圓融光電科技有限公司