專利名稱：提高發(fā)光效率的GaN基LED外延片及其制備與應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種提高氮化鎵基藍綠發(fā)光二極管發(fā)光效率的方法，屬于光電子技術領域。
背景技術：
近年來，半導體發(fā)光二極管受到人們的廣泛關注，它具有體積小、效率高、壽命長等優(yōu)點。寬禁帶III-V半導體材料的迅猛發(fā)展使得高亮度發(fā)光二極管實現(xiàn)了從綠光到近紫外產(chǎn)品的商品化。目前，普通綠色至紫外范圍的發(fā)光二極管廣泛應用于交通信號燈、全色顯示、液晶屏幕背光板、汽車儀表及內裝燈等。近些年來，紫外發(fā)光二極管進入市場，主要用于生物粒子的探測(如吸收范圍在^0-340nm的細菌芽孢的探測)、空氣和水的純化、醫(yī)療和診斷等。與一般的發(fā)光二極管相比，紫外發(fā)光二極管對材料的質量要求更高。目前，氮化鎵基發(fā)光二極管的發(fā)光效率受到內量子效率和提取效率兩方面的限制。內量子效率相對較低的其中一個原因是載流子濃度不夠，尤其是P型區(qū)很難獲得較高的空穴濃度。提取效率低的主要原因是襯底、外延層和空氣之間的折射率差值較大。氮化鎵的的折射率約為2. 4，而藍寶石和空氣分別為1. 7和1，有源區(qū)發(fā)出的光在氮化鎵與藍寶石襯底界面，氮化鎵與空氣界面會發(fā)生全反射，導致光不能有效的導出芯片。提高載流子濃度的方法一般是通過高溫生長P型氮化鎵，然后氮氣退火來實現(xiàn)，提高鎂在氮化鎵中的激活效率。提高提取效率的方法一般是采用PSS襯底技術，表面粗化技術和側壁腐蝕技術，原理是改變GaN與襯底或者GaN與空氣或者襯底與空氣之間接觸面的幾何圖形，從而改變光的反射方向，使光偏離全反射角，從而提高光的提取效率。中國專利文獻CN03118955. 5公開的采用多量子阱制備綠光氮化鎵基LED外延片， 該方法提供了一種P型氮化鎵的生長方法，先用950-1100度的溫度生長0. 1-0. 5微米的摻鎂的P型氮化鎵層，然后在氮氣條件下于600-850度溫度下退火10-60分鐘。該方法使用的P型氮化鎵生長溫度比多量子阱的生長溫度高約200度，對多量子阱層容易產(chǎn)生破壞，而且在生長完LED后需要較長時間的退火，增加了時間成本。中國專利文獻CN101714594A公開了一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延層表面粗化的方法，該方法通過在外延層表面生長SiOx或SiNx薄膜，在薄膜上涂覆光刻膠并制備掩膜圖案，對SiOx或SiNx進行刻蝕，得到圖形化的SiOx或SiNx薄膜，并以此為掩膜外延生長P 型GaN，從而得到粗化的LED表面。該方法的工藝比較復雜，很容易降低產(chǎn)品的良率；而干法刻蝕或高溫腐蝕又會對量子阱造成損傷。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有氮化鎵發(fā)光二極管提高載流子濃度和表面粗化方法存在的一些不足，提出一種能顯著提高發(fā)光效率的GaN基LED外延片及其制備方法。本發(fā)明還提供所述GaN基LED外延片的應用，即一種提高氮化鎵發(fā)光二極管發(fā)光效率的方法。
術語說明1、LED 發(fā)光二極管的常規(guī)簡稱，目前本行業(yè)普遍采用該簡稱LED。2、氮化鎵(GaN)基LED外延片采用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)法在襯底上依次生長多層結構的外延層，其中氮化鎵為基層。本發(fā)明采用銦鎵氮和氮化鎵的多周期重復結構來代替已有技術中傳統(tǒng)的P型摻鎂氮化鎵層，一方面起到了表面粗化的作用，另一方面提高了 P型區(qū)的載流子濃度。本發(fā)明的技術方案如下一種提高發(fā)光效率的氮化鎵基LED外延片，所述的氮化鎵基LED外延片的結構包括在藍寶石或碳化硅襯底上生長有氮化鎵、氮化鋁或鋁鎵氮緩沖層，所述緩沖層上面生長有非摻雜氮化鎵層，非摻雜氮化鎵層上面生長有N型氮化鎵層，在N型氮化鎵上生長有多量子阱結構或銦鎵氮層，在該層上面生長有摻鎂的鋁鎵氮層，其特征在于，在摻鎂的鋁鎵氮層表面生長有摻鎂的銦鎵氮和氮化鎵的多周期重復結構，所述的摻鎂的銦鎵氮和摻鎂的氮化鎵的多周期重復結構中，鎂摻雜濃度均為lX1019-5X102°/cnT3，銦鎵氮層的厚度為 lnm-8nm，氮化鎵層的厚度為5nm_20nm，重復周期為10-70。優(yōu)選的，所述的氮化鎵基LED外延片的結構中所述的非摻雜氮化鎵層厚度為2 μ m，N型氮化鎵層厚度為3 μ m，N型氮化鎵層的硅摻雜濃度為 1 X IO18-I X IO1Vcm-3 ；所述的多量子阱結構的阱層為銦鎵氮材料，壘層為氮化鎵材料，多量子阱周期為 5-20 ；所述的摻鎂的鋁鎵氮層，厚度為lO-lOOnm，鎂摻雜濃度為1 X IO19-I X 102°/CnT3。本發(fā)明氮化鎵基LED外延片的制備方法，采用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD) 法，在藍寶石或碳化硅襯底上按現(xiàn)有技術依次生長氮化鎵、氮化鋁或鋁鎵氮緩沖層，非摻雜氮化鎵層，N型氮化鎵層，多量子阱結構，摻鎂的鋁鎵氮層，其特征在于，在摻鎂的鋁鎵氮層表面生長摻鎂的銦鎵氮和摻鎂的氮化鎵的多周期重復結構，所述的摻鎂的銦鎵氮和摻鎂的氮化鎵的多周期重復結構生長溫度600-90(TC，生長速率為0. 5nm/min-50nm/min ；鎂摻雜濃度均為lX1019-5X102°/cnT3，摻鎂的銦鎵氮層的厚度為lnm-Snm，摻鎂的氮化鎵層的厚度為5nm-20nm，重復周期為10-70。優(yōu)選的，一種氮化鎵基LED外延片的制備方法，步驟如下(1)將藍寶石或碳化硅襯底放入MOCVD設備的反應室中，在氫氣氣氛下加熱到 1000-1150°C，處理 5-15 分鐘。(2)在步驟(1)處理好的襯底上按現(xiàn)有技術生長氮化鎵、氮化鋁或鋁鎵氮緩沖層。(3)在上述的緩沖層上按現(xiàn)有技術依次生長非摻雜氮化鎵和N型氮化鎵，生長溫度為1000-1100°C，生長層厚度為非摻雜氮化鎵層2 μ m，N型氮化鎵層3 μ m ；其中N型氮化鎵的硅摻雜濃度為1 X IO18-I X 1019/Cm-3。(4)在上述的N型氮化鎵層上生長多量子阱結構，阱層為銦鎵氮材料，壘層為氮化鎵材料，生長溫度為650-900°C，多量子阱生長重復周期為5-20?；蛘?，在上述的N型氮化鎵層上生長銦鎵氮層(雙異質結結構LED)，銦鎵氮層厚度為 12 13nm，生長溫度 750-800 °C。(5)在上述的多量子阱結構上或銦鎵氮層上生長摻鎂的鋁鎵氮層，摻鎂的鋁鎵氮
5層厚度為lO-lOOnm，鎂摻雜濃度為1 X IO19-I X 102°/Cm_3。(6)在上述的摻鎂的鋁鎵氮層表面生長摻鎂的銦鎵氮和摻鎂的氮化鎵的多周期重復結構。優(yōu)選的，生長溫度600-900°C，鎂摻雜濃度為1 X 1019-5X 102°/Cm_3，摻鎂的銦鎵氮層的厚度為lnm-Snm，摻鎂的氮化鎵層的厚度為5nm-20nm，生長重復周期為10-70，摻鎂的銦鎵氮和摻鎂的氮化鎵的多周期重復結構的生長速率為0. 5nm/min-50nm/min。根據(jù)本發(fā)明的方法，優(yōu)選的，上述步驟(2)中，氮化鎵緩沖層的生長溫度 400-6000C，厚度10-50nm ；氮化鋁或鋁鎵氮緩沖層的生長溫度850_1150°C，厚度50_200nm。本發(fā)明的方法中未加以限定的部分均按現(xiàn)有技術。本發(fā)明還提供所述GaN基LED外延片的應用，用于制作發(fā)光二極管，提高氮化鎵發(fā)光二極管發(fā)光效率。一種提高氮化鎵發(fā)光二極管發(fā)光效率的方法，其特征在于，采用本發(fā)明所述的具有摻鎂的銦鎵氮和摻鎂的氮化鎵的多周期重復結構的氮化鎵發(fā)光二極管外延片制作發(fā)光
二極管。本發(fā)明的技術特點及優(yōu)良效果如下(1)本發(fā)明的氮化鎵基LED外延片利用摻鎂的銦鎵氮和氮化鎵的多周期重復結構來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的P型摻鎂的氮化鎵材料，由于極化效應的存在，該層不需要經(jīng)過外延片生長后的退火處理就可以達到較高的空穴濃度，減少了一道工序。工藝簡單、成本降低。(2)采用本發(fā)明方法生長的摻鎂的銦鎵氮和氮化鎵的多周期重復結構表面存在密度很高的空洞，起到了表面粗化的作用，也減少了外延片表面再做表面粗化處理的過程。(3)本發(fā)明的外延片表面的摻鎂的銦鎵氮和氮化鎵的多周期重復結構是含銦的結構，與氮化鎵發(fā)光二極管使用的透明電極的氧化銦錫材料易于形成歐姆接觸。本發(fā)明的氮化鎵基LED外延片利用摻鎂的銦鎵氮和氮化鎵的多周期重復結構來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的P型摻鎂的氮化鎵材料，一方面起到了表面粗化的作用，另一方面提高了 P型區(qū)的載流子濃度，使氮化鎵發(fā)光二極管的發(fā)光效率提高約50%。


圖1是傳統(tǒng)的氮化鎵發(fā)光二極管外延片的LED結構示意圖。圖2是本發(fā)明方法的氮化鎵發(fā)光二極管外延片LED結構示意圖。圖3是本發(fā)明的雙異質結LED結構示意圖。圖1-3中，1、襯底，2、緩沖層，3、非摻雜氮化鎵，4、N型氮化鎵層，5、多量子阱結構， 6、摻鎂的鋁鎵氮層，7、P型摻Mg氮化鎵層，8、P電極，9、N電極，10、摻鎂的銦鎵氮和摻鎂的氮化鎵的多周期重復結構，11、銦鎵氮單層。圖4是本發(fā)明實施例1的氮化鎵發(fā)光二極管外延片粗化的表面形貌掃描電子顯微鏡照片。
具體實施例方式實施例1-3是在藍寶石或SiC襯底上生長如圖2所示的LED結構。實施例1 藍寶石襯底GaN基LED外延片，按照以下步驟生長(1)將藍寶石襯底1放入MOCVD設備的反應室中，在氫氣氣氛下加熱到1150°C，處理15分鐘。(2)在襯底上生長氮化鎵緩沖層2，生長溫度550°C，厚度30nm ；(3)在上述緩沖層2上生長非摻雜氮化鎵3和N型氮化鎵4，生長溫度為1100°C， 生長厚度分別為非摻雜氮化鎵2 μ m和N型氮化鎵3 μ m。N型氮化鎵4的硅摻雜濃度為 IXlO1Vcm^0(4)在N型氮化鎵4上生長多量子阱結構5，其中，阱層為銦鎵氮材料，壘層為氮化鎵材料，生長溫度為750°C，多量子阱生長周期為20。(5)在多量子阱結構5上生長摻鎂的鋁鎵氮層6，厚度為lOOnm，鎂摻雜濃度為 IX IO2VcnT3。(6)在摻Mg的鋁鎵氮層6表面生長摻鎂的銦鎵氮和摻鎂的氮化鎵的多周期重復結構10。生長溫度900°C，鎂摻雜濃度為5X102°/cm_3。摻鎂的銦鎵氮層的厚度為5nm，氮化鎵層的厚度為lOnm。重復生長周期為50。銦鎵氮和氮化鎵的多周期重復結構的生長速率為 50nm/mino所制備的外延片表面粗化的形貌如圖4所示。與圖1所示的傳統(tǒng)結構相比(藍寶石襯底)，使用本實施例1的GaN基LED外延片制作的LED，發(fā)光效率提高約50%。實施例2:按照以下步驟生長LED外延片(1)將碳化硅襯底1放入MOCVD設備的反應室中，在氫氣氣氛下加熱到1120°C，處
理8分鐘。(2)在上述碳化硅襯底1上生長氮化鋁緩沖層2，生長溫度1000°C，厚度200nm。(3)在緩沖層2上生長非摻雜氮化鎵3和N型氮化鎵4，生長溫度為1050°C，生長厚度分別為非摻雜氮化鎵2 μ m和N型氮化鎵3 μ m ;N型氮化鎵的硅摻雜濃度為2X IO18/
-3
cm ο(4)在N型氮化鎵4上生長多量子阱結構5，阱層為銦鎵氮材料，壘層為氮化鎵材料，生長溫度為750°C，多量子阱重復生長周期為10。(5)在多量子阱結構5上生長摻鎂的鋁鎵氮層6，厚度為80nm，鎂摻雜濃度為 5 X IO1Vcm-3O(6)在摻Mg的鋁鎵氮層6表面生長摻鎂的銦鎵氮和摻鎂的氮化鎵的多周期重復結構10。生長溫度800°C。鎂摻雜濃度為5X102°/cnT3。摻鎂的銦鎵氮層的厚度為5nm，摻鎂的氮化鎵層的厚度為lOnm。重復生長周期為40。銦鎵氮和氮化鎵的多周期重復結構的生長速率為15nm/min。使用該結構的外延片制作的LED，發(fā)光效率相比傳統(tǒng)碳化硅襯底上的LED提高約 49%。實施例3 按照以下步驟生長LED外延片(1)將藍寶石襯底1放入MOCVD設備的反應室中，在氫氣氣氛下加熱到1140°C，處理11分鐘。(2)在上述藍寶石襯底1上生長鋁鎵氮緩沖層2，生長溫度1000°C，厚度200nm。(3)在緩沖層2上生長非摻雜氮化鎵3和N型氮化鎵4，生長溫度為1100°C，生長厚度分別為2 μ m禾Π 3 μ m。N型氮化鎵的硅摻雜濃度為1 X 1019/Cm_3。(4)在N型氮化鎵4上生長多量子阱結構5，阱層為銦鎵氮材料，壘層為氮化鎵材料，生長溫度為750°C，多量子阱重復生長周期為20。(5)在多量子阱結構5上生長摻鎂的鋁鎵氮層6，厚度為lOOnm，鎂摻雜濃度為 IX IO2VcnT3。(6)在摻Mg的鋁鎵氮層6表面生長摻鎂的銦鎵氮和摻鎂的氮化鎵的多周期重復結構10。生長溫度600°C。鎂摻雜濃度為lX102°/cm_3，摻鎂的銦鎵氮層的厚度為8nm，摻鎂的氮化鎵層的厚度為20nm，重復生長周期為70，銦鎵氮和氮化鎵的多周期重復結構的生長速率為 0. 5nm/min。使用該結構生長的LED，發(fā)光效率相比傳統(tǒng)藍寶石襯底上的LED提高約51%。實施例4 雙異質結結構LED，如圖3所示，按照以下步驟生長(1)將藍寶石襯底1放入MOCVD設備的反應室中，在氫氣氣氛下加熱到1150°C，處理13分鐘。(2)在上述藍寶石襯底1上生長氮化鎵緩沖層2，生長溫度1000°C，厚度20nm。(3)在上述緩沖層2上生長非摻雜氮化鎵3和N型氮化鎵4，生長溫度為1100°C， 生長厚度分別為2 μ m禾Π 3 μ m。N型氮化鎵的硅摻雜濃度為1 X 1019/Cm_3。(4)在N型氮化鎵4上生長銦鎵氮層11，銦鎵氮層11厚度為13nm，生長溫度 800 "C。(5)在銦鎵氮層11上生長摻鎂的鋁鎵氮層6，厚度為lOOnm，鎂摻雜濃度為 IX IO2VcnT3。(6)在摻Mg的鋁鎵氮層6表面生長摻鎂的銦鎵氮和摻鎂的氮化鎵的多周期重復結構10。生長溫度600°C，鎂摻雜濃度均為lX102°/cm_3。摻鎂的銦鎵氮層的厚度為6nm，摻鎂的氮化鎵層的厚度為20nm。重復生長周期為70。摻鎂的銦鎵氮和摻鎂的氮化鎵的多周期重復結構的生長速率為0. 5nm/min。使用該結構生長的LED，發(fā)光效率相比傳統(tǒng)雙異質結LED提高約50%。
權利要求
1.一種提高發(fā)光效率的氮化鎵基LED外延片，所述的氮化鎵基LED外延片的結構包括在藍寶石或碳化硅襯底上生長有氮化鎵、氮化鋁或鋁鎵氮緩沖層，所述緩沖層上面生長有非摻雜氮化鎵層，非摻雜氮化鎵層上面生長有N型氮化鎵層，在N型氮化鎵上生長有多量子阱結構或銦鎵氮層，在該層上面生長有摻鎂的鋁鎵氮層，其特征是在摻鎂的鋁鎵氮層表面生長有摻鎂的銦鎵氮和氮化鎵的多周期重復結構，所述的摻鎂的銦鎵氮和摻鎂的氮化鎵的多周期重復結構中，鎂摻雜濃度均為lX1019-5X102°/cm_3，銦鎵氮層的厚度為lnm-Snm，氮化鎵層的厚度為5nm-20nm，重復周期為10-70。
2.如權利要求1所述的氮化鎵基LED外延片，其特征在于，所述的非摻雜氮化鎵層厚度為2 μ m，N型氮化鎵層厚度為3 μ m，N型氮化鎵層的硅摻雜濃度為1 X IO18-I X 1019/cm_3。
3.如權利要求1所述的氮化鎵基LED外延片，其特征在于，所述的多量子阱結構的阱層為銦鎵氮材料，壘層為氮化鎵材料，多量子阱周期為5-20。
4.如權利要求1所述的氮化鎵基LED外延片，其特征在于，所述的摻鎂的鋁鎵氮層，厚度為 lO-lOOnm，鎂摻雜濃度為 1 X IO19-I X 1027cnT3。
5.一種氮化鎵基LED外延片的制備方法，采用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)法，在藍寶石或碳化硅襯底上按現(xiàn)有技術依次生長氮化鎵、氮化鋁或鋁鎵氮緩沖層，非摻雜氮化鎵層，N型氮化鎵層，多量子阱結構或銦鎵氮層，摻鎂的鋁鎵氮層，其特征在于，在摻鎂的鋁鎵氮層表面生長摻鎂的銦鎵氮和摻鎂的氮化鎵的多周期重復結構，所述的摻鎂的銦鎵氮和摻鎂的氮化鎵的多周期重復結構生長溫度600-900°C，生長速率為0. 5nm/min-50nm/min ； 鎂摻雜濃度均為lX1019-5X1027cnT3，摻鎂的銦鎵氮層的厚度為lnm-Snm，摻鎂的氮化鎵層的厚度為5nm-20nm，重復周期為10-70。
6.一種氮化鎵基LED外延片的制備方法，步驟如下(1)將藍寶石或碳化硅襯底放入MOCVD設備的反應室中，在氫氣氣氛下加熱到 1000-1150°C，處理 5-15 分鐘；(2)在步驟(1)處理好的襯底上按現(xiàn)有技術生長氮化鎵、氮化鋁或鋁鎵氮緩沖層；(3)在上述的緩沖層上按現(xiàn)有技術依次生長非摻雜氮化鎵和N型氮化鎵，生長溫度為 1000-1100oC，生長層厚度為非摻雜氮化鎵層2 μ m，N型氮化鎵層3 μ m ；其中N型氮化鎵的硅摻雜濃度為 ι χ IO18-I X 1019% cm—3 ；(4)在上述的N型氮化鎵層上生長多量子阱結構，阱層為銦鎵氮材料，壘層為氮化鎵材料，生長溫度為650-900°C，多量子阱生長重復周期為5-20 ；或者，在上述的N型氮化鎵層上生長銦鎵氮層，銦鎵氮層厚度為12 13nm，生長溫度 750-800 0C ；(5)在上述的多量子阱結構上或銦鎵氮層上生長摻鎂的鋁鎵氮層，摻鎂的鋁鎵氮層厚度為 IO-IOOnm,鎂摻雜濃度為 1 X IO19-I X 1020/αιΓ3 ；(6)在上述的摻鎂的鋁鎵氮層表面生長摻鎂的銦鎵氮和摻鎂的氮化鎵的多周期重復結構，生長溫度600-900°C，鎂摻雜濃度為1 X 1019-5 X 102°/Cm_3，摻鎂的銦鎵氮層的厚度為 lnm-Snm，摻鎂的氮化鎵層的厚度為5nm-20nm，生長重復周期為10-70，摻鎂的銦鎵氮和摻鎂的氮化鎵的多周期重復結構的生長速率為0. 5nm/min-50nm/min。
7.如權利要求6所述的制備方法，其特征在于步驟O)中，氮化鎵緩沖層的生長溫度 400-600°C，厚度10-50nm ；氮化鋁或鋁鎵氮緩沖層的生長溫度850-1150°C，厚度50_200nm。
8.如權利要求1-4任一項所述的GaN基LED外延片的應用，用于制作發(fā)光二極管，提高氮化鎵發(fā)光二極管發(fā)光效率。
9.一種提高氮化鎵發(fā)光二極管發(fā)光效率的方法，其特征在于，采用權利要求1-4任一項所述的具有摻鎂的銦鎵氮和摻鎂的氮化鎵的多周期重復結構的氮化鎵發(fā)光二極管外延片制作發(fā)光二極管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高發(fā)光效率的GaN基LED外延片及其制備與應用。使用摻鎂的銦鎵氮和摻鎂的氮化鎵的多周期重復結構來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的P型摻鎂氮化鎵層，一方面利用銦鎵氮和氮化鎵的極化效應產(chǎn)生較高的載流子濃度，不需要再次進行氮氣退火。另一方面利用銦鎵氮和氮化鎵的多周期重復結構產(chǎn)生的表面空洞實現(xiàn)表面粗化，提高了氮化鎵發(fā)光二極管的發(fā)光效率。
文檔編號H01L33/12GK102487113SQ201010570769
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月2日 優(yōu)先權日2010年12月2日
發(fā)明者徐現(xiàn)剛, 曲爽, 李樹強, 李毓鋒, 王成新 申請人:山東華光光電子有限公司