[0001] 本发明涉及半导体光电器件制备领域， 尤其涉及一种高光效氮化镓基 LED的制 备技术。

背景技术

[0002] 宽禁带 III-V族半导体材料的迅猛发展使得高亮度发光� ��极管实现了绿光到近紫 外产品的商业化。 但目前商业化的 LED大部分采用 MOCVD技术在蓝宝石、 碳化 硅或者硅衬底上生长 001面的氮化物制备而成， 并且表面都是镓极性面。

技术问题

[0003] 图 1显示了常规商业化镓极性氮化镓基 LED结构图， 其中多量子阱发光层 104与 电子阻挡层 105之间由于晶格常数的差异， 存在较强的极化场。 图 2显示了常规 商业化镓极性氮化镓基 LED能带结构图， 电子阻挡层 104由于受到张应变在界面 处产生正电荷， 导致能带向下弯曲， 使电子阻挡层在导带的有效势垒高度降低 ， 在价带的有效势垒升高， 不仅降低了电子阻挡层对电子的阻挡能力， 而且使 p 型一侧空穴注入到多量子阱发光层的势垒升高 。

问题的解决方案

技术解决方案

[0004] 本发明的目的是： 提供一种高光效氮化镓基 LED及其制备方法， 其能够减弱能 带弯曲效应， 在提升电子阻挡能力的同吋， 减弱对空穴的阻挡， 提升器件光电 转换效率。

[0005] 本发明的技术方案为： 氮化镓基发光二极管， 包括： 一 N型氮化物层、 一镓极 性发光层、 一氮极性电子阻挡层、 一 P型氮化物层、 一 P型氮化物接触层， 所述 氮极性电子阻挡层与镓极性发光层之间的极化 反转设计能够降低极化造成的能 带弯曲， 不仅能增加电子过冲到 P型氮化物层的势垒高度， 而且能降低空穴注入 到多量子阱区的势垒。

[0006] 优选的， 所述低温缓冲层至多量子阱发光层部分均采用 MOCVD技术生长， 然 后将衬底转移至分子束外延反应室生长氮极性 电子阻挡层、 P型氮化物层及 P型 氮化物接触层。

[0007] 在上述方法中， 分子束外延技术生长氮极性电子阻挡层吋为富 氮的条件， 即到 达衬底表面的 III族源摩尔量小于 V族源的摩尔量。

[0008] 进一步地， 分子束外延技术生长氮极性电子阻挡层的温度 为 700~1000°C， 优选 地， 为〜 850°C。

[0009] 进一步地， 氮极性电子阻挡层可以是体材料， 也可以是超晶格结构， 组分或者 惨杂可以是恒定不变， 也可以是渐变的。

[0010] 进一步地， p型氮化物层及 p型氮化物接触层可以是氮极性， 也可以是镓极性， 也可以是两者的组合。

[0011] 进一步地， 采用分子束外延技术生长氮极性电子阻挡层， 实现较为容易， 不需 要进行 MOCVD技术中的 Mg调制技术， 与多量子阱发光层的界面更陡峭， 并具 有较宽的生长窗口。

[0012] 进一步地， 采用分子束外延技术生长氮极性电子阻挡层、 P型氮化物层及 P型氮 化物接触层吋为高真空条件， 反应室洁净度较高， 并且为单质源， 没有 H等元素 的引入， Mg元素的活化效率更高。

[0013] 进一步地， p型氮化物层及 p型氮化物接触层也可以采用富镓的生长条件� � 即到 达衬底表面的 III族源摩尔量大于 V族源的摩尔量。

[0014] 进一步地， 氮极性电子阻挡层由于极性发生变化， 导致与多量子阱发光层界面 处极化电荷由正极化电荷变为负极化电荷， 能带向下弯曲减弱， 使电子阻挡层 对电子阻挡能力增强， 但对空穴阻挡能力减弱。

[0015] 进一步地， 上述方法能从阻挡电子和提升空穴注入两方面 提升器件的光效， 改 善 droop效应。

发明的有益效果

有益效果

[0016] 本发明采用氮极性面的电子阻挡层， 使与多量子阱发光层界面处的极化电荷由 正电荷变为负电荷， 减弱了能带弯曲效应， 在提升电子阻挡能力的同吋， 减弱 对空穴的阻挡， 提升器件光电转换效率。 另外， 分子束外延技术反应室的洁净 度较高， 使各层界面比较陡峭， 有利于器件性能提升。

对附图的简要说明

附图说明

[0017] 图 1为常规商业化镓极性氮化镓基 LED结构图。

[0018] 图 2为常规商业化镓极性氮化镓基 LED能带结构图。

[0019] 图 3为采用本发明制备的一种高光效氮化镓基 LED侧视图。

[0020] 图 4为本发明制备的一种高光效氮化镓基 LED能带结构图。

[0021] 图 5为本发明公幵的另一 LED结构图。

[0022] 图中各标号表示如下：

[0023] 100衬底；

[0024] 101镓极性低温缓冲层；

[0025] 102镓极性非惨氮化物层；

[0026] 103镓极性 N型氮化物层；

[0027] 104镓极性多量子阱发光层；

[0028] 105镓极性电子阻挡层；

[0029] 106镓极性 P型氮化物层；

[0030] 107镓极性 P型氮化物接触层

[0031] 205氮极性电子阻挡层；

[0032] 206氮极性 P型氮化物层；

[0033] 207氮极性 P型氮化物接触层。

发明实施例

本发明的实施方式

[0034] 使本发明一种高光效氮化镓基 LED及其制备方法更易于理解其实质性特点及其 所具的实用性， 下面便结合附图对本发明若干具体实施例作进 一步的详细说明 。 但以下关于实施例的描述及说明对本发明保护 范围不构成任何限制。

[0035] 实施例 1.

[0036] 本发明提供一种高光效氮化镓基 LED及其制备方法， 制备工艺主要包含以下步 骤： [0037] 附图 3示意了采用本发明制备的一种高光效氮化镓� � LED, 从下至上依次为： 衬底 100、 镓极性低温缓冲层 101、 镓极性非惨氮化物层 102、 镓极性 N型氮化物 层 103、 镓极性多量子阱发光层 104、 氮极性电子阻挡层 205、 氮极性 P型氮化物 层 206、 氮极性 P型氮化物接触层 207。

[0038] 图 4显示了上述高光效氮化镓基 LED能带结构图。 与图 2所示的常规商业化镓极 性氮化镓基 LED能带结构图对比， 上述结构中氮极性电子阻挡层 205由于极性发 生变化， 导致与多量子阱发光层 104界面处极化电荷由正极化电荷变为负极化电 荷， 能带向下弯曲减弱， 使电子阻挡层对电子阻挡能力增强， 但对空穴阻挡能 力减弱。 上述 LED结构能从阻挡电子和提升空穴注入两方面提 升器件的光效， 改 善 droop效应。

[0039] 下面结合制备方法对上述氮化镓基 LED进行详细说明。

[0040] 采用常规 MOCVD技术于衬底 100上生长镓极性低温缓冲层 101、 镓极性非惨氮 化物层 102、 镓极性 N型氮化物层 103、 镓极性多量子阱发光层 104后， 将衬底转 移至分子束外延反应室中生长氮极性电子阻挡 层 205、 氮极性 P型氮化物层 206和 氮极性 P型氮化物接触层 207。 其中衬底 100可选用蓝宝石、 碳化硅或者硅衬底； 镓极性低温缓冲层 101可以为氮化镓、 氮化铝、 或铝镓氮结合， 膜厚在 5~100nm 之间； 镓极性非惨氮化物层 102的膜厚在 300~7000nm之间， 优选 3500nm; (镓 极性 N型氮化物层 103的厚度大于 Ιμηι; 镓极性多量子阱发光层 104以 InGaN作为 阱层、 以 GaN或 AlGaN或二者组合作为垒层构成， 其中垒层厚度在 3~150nm之间 、 阱层厚度在 l~20nm之间。

[0041] (1) 生长氮极性电子阻挡层 205

[0042] 在本实施例中， 在富氮的条件采用分子束外延技术生长氮极性 电子阻挡层 205 ， 即到达衬底表面的 III族源摩尔量小于 V族源的摩尔量。 具体为： 在 N源打幵条 件下升温至〜 850°C， 具体生长条件为： 采用 N源激发功率为 500 W， N ₂ 流量为 1.5 sccm, 等效束流为〜 1.0E-7 Torr， 对应反应室压力为 l~2E-5 Torr; 采用 Ga源的等 效束流为 5~7E-8 Torr， 优选地为~7£-8 Torr， A1的等效束流为 3~5E-8 Torr， V/III 比为〜 0.7， 为富氮条件， 确保到达衬底表面的 III族源摩尔量小于 V族源的摩尔量 。 生长得到的电子阻挡层 205A1组分为 10~30%， 优选地为〜 20%， 厚度为 500~150 0A。

[0043] 上述氮极性电子阻挡层 205可以是 AlGaN层的体材料， 也可以是 AlGaN/GaN的 超晶格结构， A1组分可以恒定的， 也可以渐变的， 也可以进行 Mg源的惨杂。

[0044] (2) 生长氮极性 P型氮化物层 206

[0045] 氮极性 P型氮化物层的生长条件为： 生长温度为 750~1050°C， 优选地为〜 870°C ， 采用 N源激发功率为 500W， N ₂ 流量为 1.5 sccm， 等效束流为〜 1.0E-7 Torr， 对 应反应室压力为 l~2E-5 Torr。 采用的 Ga源的等效束流为 6~9E-8

Torr, 优选地为〜 8.5E-8 Torr， Mg的等效束流为 0.5~1Ε-9 Torr， V/III比为〜 0.85， 厚度为 400~1500A， 惨杂浓度为 0.7~1E19 /cm ³ 。

[0046] (3) 生长氮极性 P型氮化物接触层 207

[0047] 氮极性 P型氮化物接触层的生长条件为： 生长温度为 700~950°C， 优选地为〜 700 °C， 采用 N源激发功率为 500 W， N ₂ 流量为 1.5 sccm， 等效束流为〜 1.0E-7 Torr， 对应反应室压力为 l~2E-5 Torr。 采用的 Ga源的等效束流为 6~9E-8 Torr， 优选地 为〜 8.5E-8 Torr， Mg的等效束流为 3~8E-9 Torr， V/III比为〜 0.85， 厚度为 10~100A ， 惨杂浓度为 0.7~lE20 /cm ³ 。

[0048] 采用上述方法制备的氮极性电子阻挡层由于极 性发生变化， 导致与多量子阱发 光层界面处极化电荷由正极化电荷变为负极化 电荷， 能带向下弯曲减弱， 使电 子阻挡层对电子阻挡能力增强， 但对空穴阻挡能力减弱， 改善器件的 Droop效应 。 同吋， 采用分子束外延技术生长 p型层使多量子阱区与 p型层之间的界面更陡 峭， 而且生长温度较 MOCVD技术低〜 100°C左右， 对于多量子阱区的温度破坏较 轻， 能够防止多量子阱区的铟挥发， 提升多量子阱区的内量子效率。

[0049] 实施例 2

[0050] 本实施例区别于实施例 1在于： P型氮化物层及 P型氮化物接触层是镓极性的。

在氮极性电子阻挡层后采用镓极性的 P型氮化物层、 P型氮化物接触层能够使器 件表面更为平整， 有利于后续芯片工艺电极制备， 如图 5。

[0051] 在本实施例中， 同样先采用常规 MOCVD技术于衬底 100上生长镓极性低温缓冲 层 101、 镓极性非惨氮化物层 102、 镓极性 N型氮化物层 103、 镓极性多量子阱发 光层 104后， 将衬底转移至分子束外延反应室中生长氮极性 电子阻挡层 205、 镓 极性 P型氮化物层 306和镓极性 P型氮化物接触层 307。 其中氮极性电子阻挡层 205 在富氮条件下生长， 其具体条件可参照实施例 1， 镓极性 P型氮化物层 306和镓极 性 P型氮化物接触层 307在富镓条件下生长， 具体如下。

[0052] (1) 生长镓极性 P型氮化物层 306

[0053] 镓极性 P型氮化物层的生长条件为： 生长温度为 750~1050°C， 优选地为〜 870°C ， 采用 N源激发功率为 500 W， N2流量为 1.5 sccm， 等效束流为〜 1.0E-7 Torr， 对 应反应室压力为 l~2E-5 Torr。 采用的 Ga源的等效束流为 9~15E-8

Torr, 优选地为〜 1.3E-7 Torr， Mg的等效束流为 0.5~1.2E-9 Torr， V/III比为〜 1.3， 厚度为 400~1500A， 惨杂浓度为 0.7~1E19 /cm ³ 。

[0054] (2) 生长镓极性 p型氮化物接触层 307

[0055] 镓极性 P型氮化物接触层的生长条件为： 生长温度为 700~950°C， 优选地为〜 700 °C， 采用 N源激发功率为 500W， N2流量为 1.5 sccm， 等效束流为〜 1.0E-7 Torr， 对应反应室压力为 l~2E-5 Torr。 采用的 Ga源的等效束流为 9~15E-8 Torr， 优选地 为〜 1.3E-7 Torr， Mg的等效束流为 5~9E-9 Torr， V/III比为〜 1.3， 厚度为 10~100A ， 惨杂浓度为 0.7~lE20 /cm ³ 。

[0056] 以上所述仅是本发明的优选实施方式， 应当指出， 对于本技术领域的普通技术 人员， 在不脱离本发明原理的前提下， 还可以做出若干改进和润饰， 这些改进 和润饰也应视为本发明的保护范围。