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CN1881625A - Mocvd生长氮化物发光二极管结构外延片的方法 - Google Patents

Mocvd生长氮化物发光二极管结构外延片的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种MOCVD生长氮化物发光二极管结构外延片的方法，所述的生长p型AlGaN载流子阻挡层采用调制掺杂生长。本发明可以降低外延生长的氮化物发光二极管LED的正向操作电压，提升发光二极管LED的开启电压和增强其反向击穿电压。

Description

MOCVD生长氮化物发光二极管结构外延片的方法
技术领域
本发明涉及一种氮化镓(GaN)为基的III-V族氮化物材料的有机金属气相淀积(MOCVD)外延生长方法，尤其是涉及氮化物多量子发光二极管结构外延片的生长，以及生长p型AlGaN载流子阻挡层生长和掺杂工艺。
背景技术
目前III-V族氮化物半导体光电材料被誉为第三代半导体材料，以GaN为基础的高亮度发光二极管(Light emitting diode，简称“LED”)在生活中无所不在，随处可见。其应用领域有交通信号灯、手机背光源、大型全彩显示屏、数字显示、城市景观亮化等。随着以氮化物为基础的高亮度LED应用的开发，新一代绿色环保型固体照明光源——氮化物大功率白光LED已成为人们关注的焦点。从传统的小型LED，到实现可以照明的LED灯具，功率型LED是核心的发光光源。功率型LED作为一种高效、环保和新颖的绿色固体光源，具有低电压、低功耗、体积小、重量轻、寿命长、高可靠性等优点，正在迅速发展并得到越来越广泛的应用，也必将大大扩展LED在各种信号显示和照明光源领域的应用。如汽车内外灯、各种交通信号灯、阅读灯、便携式照明光源、各种装饰光源及其它固体光源。
目前，以GaN为基的半导体材料和器件的外延生长最主要、最有效和最广泛的是MOCVD技术。在利用MOCVD生长氮化物(GaN、AlN、InN及其它们的合金)技术中，由于没有与GaN晶格匹配的衬底材料，通常采用蓝宝石为衬底的异质外延。由于在蓝宝石和氮化物之间存在大的晶格失配(～13.8％)和热膨胀系数的差异，使得生长没有龟裂、表面平整的高质量氮化物非常困难。现已证实最有效的外延生长通常采用两步外延方法。如文献H.Amano，N.Sawaki and Y.Toyoda，Appl.Phys.Lett.48(5)，353(1986)和S.Nakamura，Jpn.J.Appl.Phys.30，L1708(1991)就介绍了这些方法。另外，中国发明专利公开说明书CN1508284A(公开日2004年6月30日)也公开了这种方法。上述方法大概是，先在低温下，如500℃左右生长一很薄成核层，对GaN成核层其优化厚度为25纳米；然后升温退火，通常到1000℃以上的某一温度再以高生长速率直接生长GaN缓冲层。在该缓冲层的基础上，生长掺杂的n型GaN欧姆接触层，接着生长InGaN/GaN多量子阱(MQWs)有源层，再生长p型AlGaN作为载流子阻挡层，然后生长p型GaN欧姆接触层，制作p型欧姆接触透明电极和n型欧姆接触电极。
但如何实现高质量的p型AlGaN载流子阻挡层的生长，将直接影响外延层的质量和器件的性能，而按照目前的技术产生的LED存在正向操作电压高的缺陷。主要原因在于，AlGaN具有不同于InGaN和GaN的能隙，因为不同能隙的双异质结构，电子的传导要靠热能放射或隧道效应，所以会产生较高的电阻，也就是会提高操作电压。
发明内容
本发明提供了一种MOCVD生长氮化物发光二极管结构外延片的方法，它可以降低外延生长的氮化物发光二极管LED的正向操作电压，提升发光二极管LED的开启电压和增强其反向击穿电压。
为了解决上述问题，本发明提供了一种MOCVD生长氮化物发光二极管结构外延片的方法，它采用MOCVD技术，利用高纯NH3做N源，高纯H2或N2或它们的混合气体做载气，三甲基镓或三乙基镓和三甲基铟分别做Ga源和In源，N型掺杂剂为硅烷，P型掺杂剂为二茂镁，衬底为(0001)蓝宝石，反应室压力为100-500毫巴；首先，在MOCVD反应室中把蓝宝石衬底在氢气下高温处理，接着降温生长成核层；其后，升温对成核层进行退火，退火后，在高温下，外延生长GaN缓冲层，包括非故意掺杂GaN缓冲层和Si掺杂GaN缓冲层，然后在该缓冲层上外延生长器件结构，先后包括生长InGaN/GaN多量子阱有源层、p型AlGaN载流子阻挡层和p型GaN欧姆接触层，所述的生长p型AlGaN载流子阻挡层采用调制掺杂生长。
所述采用调制掺杂生长p型AlGaN载流子阻挡层的工艺为：厚度为10-300纳米，三甲基镓的流量为从0.5*10-4摩尔/分钟到3.0*10-4摩尔/分钟之间，三甲基铝的流量为从0.2*10-4摩尔/分钟到2*10-4摩尔/分钟之间。
本发明通过对p型AlGaN载流子阻挡层采用了调制掺杂生长，并且对AlGaN的垂直生长方向设计了合理的掺杂分布曲线，这样一方面使AlGaN/GaN或AlGaN/InGaN结构具有高的电子迁移率、高的饱和速度和较低的介电常数，另一方面可以减少电流经过时电阻，也就是減少操作时的电压，从而改善外延层和后续器件的电性能，提高外延层的质量和器件性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细阐述。
图1是InGaN/GaN多量子阱有源层LED外延片结构；
其中，1.蓝宝石衬底；2.GaN成核层；3.非故意掺杂GaN缓冲层；4.Si掺杂GaN欧姆接触层；5.InGaN/GaN多量子阱(MQWs)有源层；6.p型AlGaN载流子阻挡层；7.p型GaN欧姆接触层。
图2是InGaN/GaN多量子阱有源层LED外延片生长过程中压强与温度的关系曲线；
图3是InGaN/GaN多量子阱有源层LED器件的正向电压与正向电流关系I-V曲线；
图4是InGaN/GaN多量子阱有源层LED器件的开启电压曲线；
图5是InGaN/GaN多量子阱有源层LED器件的反向电压与反向电流关系I-V曲线。
具体实施方式
实施例一
运用德国AXTRON的MOCVD 2000HT外延生长GaN基超高亮度LED结构外延片。其中衬底为(0001)蓝宝石(Al2O3)。如图1所示，首先，在MOCVD反应室中把蓝宝石衬底1加热到1200℃，氢气下高温处理10分钟；然后温度降低到490-550℃生长GaN成核层2，约30纳米，TMGa流量在1*10-4摩尔/分钟，NH3流量为15升/分钟；其后，将生长温度升高到1160℃对GaN成核层2进行退火，退火时间在4到8分钟之间；退火后，把生长温度升高到1180℃，开始外延生长GaN缓冲层，匀速生长厚度3.5微米的GaN缓冲层，其中1微米为非故意掺杂GaN缓冲层3，后2.5微米为Si掺杂GaN缓冲层4，SiH4掺杂剂量为从0.5×10-7到2×10-7摩尔/分钟之间，TMGa流量为1.8×10-4摩尔/分钟，NH3流量为3.5升/分钟；其后，把生长温度降到780-800℃之间，在该缓冲层上生长5个InGaN(3.5纳米)/GaN(10纳米)量子阱5，TEGa的流量为1.5×10-5摩尔/分钟，TMIn流量为从1.0×10-5摩尔/分钟到2.5×10-5摩尔/分钟之间，NH3流量为从12升/分钟到16升/分钟之间，N2为载气；随后把生长温度升到1010-1070℃之间，生长Mg掺杂p型AlGaN载流子阻挡层6，p型AlGaN载流子阻挡层6的生长和掺杂工艺为：三甲基铝(TMAl)的流量在0.2*10-4摩尔/分钟到0.5*10-4摩尔/分钟之间，TMGa的流量在0.4*10-4摩尔/分钟到1.0*10-4摩尔/分钟之间，高纯H2或N2或它们的混合气体做载气，二茂镁(Cp2Mg)的掺杂流量在1.5×10-7摩尔/分钟到4×10-7摩尔/分钟之间，NH3流量在3-6升/分钟之间，厚度在150-300纳米；接着生长p型GaN欧姆接触层7。
实施例二
运用美国Veeco的MOCVD Gailla外延生长GaN基超高亮度LED结构外延片。其中，衬底为(0001)蓝宝石(Al2O3)。如图1所示，首先，在MOCVD反应室中把蓝宝石衬底1加热到1100℃，氢气下高温处理10分钟；然后温度降低到490-550℃生长GaN成核层2，约20纳米，TMGa流量在2*10-4摩尔/分钟，NH3流量为40升/分钟；其后，将生长温度升高到1060℃对成核层2进行退火，退火时间在8分钟之间；退火后，把生长温度升高到1080℃，开始外延生长GaN缓冲层，匀速生长厚度3.5微米的GaN缓冲层，其中1微米为非故意掺杂GaN缓冲层3，后2.5微米为Si掺杂GaN缓冲层4，SiH4掺杂剂量为从0.5×10-7摩尔/分钟到2×10-7摩尔/分钟之间，TMGa流量为1.8×10-4摩尔/分钟，NH3流量为3.5升/分钟；其后，把生长温度降到780℃，在该缓冲层上生长5个InGaN(3.5纳米)/GaN(10纳米)量子阱5，TEGa的流量为1.5×10-5摩尔/分钟，TMIn流量为从1.0×10-5摩尔/分钟到2.5×10-5摩尔/分钟之间，NH3流量为在12-16升/分钟之间，N2为载气；随后把生长温度升到900℃，生长Mg掺杂p型AlGaN载流子阻挡层6，p型AlGaN载流子阻挡层6的生长和掺杂工艺：TMAl的流量为从0.5*10-4摩尔/分钟到1.0*10-4摩尔/分钟之间，TMGa的流量为1.0*10-4摩尔/分钟到2.0*10-4摩尔/分钟之间，高纯H2或N2或它们的混合气体做载气，Cp2Mg的掺杂流量为从1.5×10-7摩尔/分钟到4×10-7摩尔/分钟之间，NH3流量为在3-6升/分钟之间，厚度为在150-300纳米之间；接着生长p型GaN欧姆接触层7。
以上方法生长的超高亮度LED外延片结构如图1所示。LED外延片生长过程中压强与温度的关系曲线如图2所示。为了更清楚展示本方法的优点和有益效果，在图3给出了InGaN/GaN多量子阱LED器件的正向电压与正向电流关系I-V曲线。其中图中的Vf1点表示此时的正向电压为3.01V、正向电流为20mA；Vf2点表示开启电压，此时它的正向电压为2.56V，正向电流为10μA。本发明中p型AlGaN载流子阻挡层经调制掺杂后，正向电压将被控制3.2V以下，同时开启电压应保持在2.4V以上，主要在于防止漏电。图4揭示了InGaN/GaN多量子阱LED器件的开启电压曲线。其中Vf2表示开启电压，可以从图中看出开启电压在批量生产中是可以重复实现控制的。图5揭示了InGaN/GaN多量子阱LED器件的反向电压与反向电流关系I-V曲线。其中图中A点的反向电流为-5uA，对应的反向电压为-30V。

Claims (3)

1、一种MOCVD生长氮化物发光二极管结构外延片的方法，它采用MOCVD技术，利用高纯NH3做N源，高纯H2或N2或它们的混合气体做载气，三甲基镓或三乙基镓和三甲基铟分别做Ga源和In源，N型掺杂剂为硅烷，P型掺杂剂为二茂镁，衬底为(0001)蓝宝石，反应室压力为100-500毫巴；首先，在MOCVD反应室中把蓝宝石衬底在氢气下高温处理，接着降温生长成核层；其后，升温对成核层进行退火，退火后，在高温下，外延生长GaN缓冲层，包括非故意掺杂GaN缓冲层和Si掺杂GaN缓冲层，然后在该缓冲层上外延生长器件结构，先后包括生长InGaN/GaN多量子阱有源层、p型AlGaN载流子阻挡层和p型GaN欧姆接触层，其特征在于：所述的生长p型AlGaN载流子阻挡层采用调制掺杂生长。
2、如权利要求1所述的利用MOCVD技术生长发光二极管结构外延片的方法，其特征在于，所述采用调制掺杂生长p型AlGaN载流子阻挡层的工艺为：厚度为10-300纳米，三甲基镓的流量为从0.5*10-4摩尔/分钟到3.0*10-4摩尔/分钟之间，三甲基铝的流量为从0.2*10-4摩尔/分钟到2*10-4摩尔/分钟之间。
3、如权利要求1所述的利用MOCVD技术生长发光二极管结构外延片的方法，其特征在于：所述的InGaN/GaN多量子阱有源层由3-13个InGaN/GaN量子阱及所述的p型AlGaN载流子阻挡层组成。
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