[發明專利]一種氮化鎵系發光二極管

有效

• 申請號: 201010235850.1
• 申請日: 2010-07-21
• 公開（公告）號: CN101931036A
• 公開（公告）日: 2010-12-29
• 發明（設計）人: 馬平;王軍喜;劉乃鑫;路紅喜;王國宏;曾一平;李晉閩
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L33/02
• 分類號: H01L33/02
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 湯保平

技術領域

本發明涉及一種氮化鎵(GaN)系發光二極管，特別是涉及一種具有低溫低銦組分p型銦鎵氮插入層的氮化鎵系發光二極管。

背景技術

目前III-V族半導體光電材料被譽為第三代半導體材料。而GaN系發光二極管，由于可以通過控制材料的組成來制作出各種色光(尤其是需要高能隙的藍光或紫光)的發光二極管(簡稱為“LED”)，而成為業界研究的重點。

以GaN為基礎的半導體材料或器件的外延生長目前主要采用MOCVD技術。在利用MOCVD技術生長氮化物半導體(GaN、AlN、InN及它們的合金氮化物)的工藝中，由于沒有與GaN晶格匹配的襯底材料，故通常采用藍寶石作為襯底進行異質外延。然而，在藍寶石與氮化物半導體之間存在較大的晶格失配(-13.8％)和熱膨脹系數的差異，于是生長沒有龜裂、表面平整的高質量氮化物半導體非常困難。目前最有效的外延生長方法通常采用兩步外延生長法(參見H.Amano，N.Sawaki和Y.Toyoda等，“使用AlN緩沖層的高質量GaN薄膜的金屬有機氣相外延生長”，Appl.Phys.Lett.48(5)，353(1986)；S.Nakanura等，“具有GaN緩沖層的高質量的p型GaN:Mg薄膜的生長”，Jpn.J.Appl.Phys.30，L1708(1991)；以及中國專利No.CN1508284A)，該方法主要包括如下步驟：先在低溫下(如500℃)生長一層很薄的成核層；然后升溫退火，在該成核層上直接生長未摻雜的GaN緩沖層；接著在該緩沖層上，生長n型GaN歐姆接觸層；然后在700℃至850℃的溫度下生長InGaN/GaN多量子阱(MQWs)有源層；在GaN量子壘生長結束后接著在1000℃左右的高溫下，生長p型AlGaN電子阻擋層；最后生長p型GaN歐姆接觸層，制作p型歐姆接觸透明電極和n型歐姆接觸電極。

然而，上述LED生長技術存在正向工作電壓高以及發光強度沒有顯著增強的缺陷。造成上述問題的主要原因包括如下三個方面。首先，AlGaN的晶格常數與InGaN/GaN多量子阱的晶格常數的差異較大，而它們之間的晶格失配會在InGaN/GaN多量子阱有源區內產生很大的壓應力。晶格失配造成的壓應力一方面會因具有較強壓電特性的III族氮化物而在多量子阱有源區內形成較大的壓應變電場(即壓電場效應(piezo-electrical?field?effect))，而壓電場效應的存在將使得電子與空穴的波函數在空間上分離，從而引起輻射復合強度的減弱。此外，上述壓應變造成的機械應力還會進一步劣化外延層的質量，從而對器件的發光強度產生影響。

更為主要的是，由于p型AlGaN和p型GaN接觸層中Mg的激活能都比較大(一般pAlGaN為215meV，pGaN為175eV)，常溫下只有少量的Mg被激活，空穴濃度很低。這樣造成的直接結果是pn結結區位置大部分落在p型區內，而活性發光層因為壘層摻雜成為n型區，只有少量的量子阱位于pn結區內參與發光，因此發光強度不大。要使LED的發光強度增大，就要增加參與發光的量子阱個數，即調節pn結位置向n區移動，唯一可行的辦法就是增加p區的空穴濃度。

我們在p型鋁鎵氮電子阻擋層之后插入p型銦鎵氮，一方面因為Mg在銦鎵氮中的激活能比較低，常溫下可以產生更多的空穴；另一方面，因為銦鎵氮和鋁鎵氮之間晶格差異更大，由于壓應變會在界面處產生很高的空穴濃度，兩方面的作用使得p區空穴濃度得到增加，從而調節pn結的位置向n區移動，使得參與發光的量子阱數量增加。值得注意的是該p型銦鎵氮插入層的銦組分不能過高，否則有源區發出的光將被該層強烈吸收，使得發光效率降低。

發明內容

本發明的目的在于提供一種氮化鎵系發光二極管，其可以調節pn結結區位置、增加參與發光的量子阱周期數，使得發光二極管的發光強度增加。

本發明提供一種氮化鎵系發光二極管，其包括：

一襯底；

一氮化鎵成核層，該氮化鎵成核層制作在襯底上；

一緩沖層，該緩沖層制作在氮化鎵成核層上；

一n型接觸層，該n型接觸層制作在緩沖層上，該n型接觸層由n型氮化鎵構成；

一活性發光層，該活性發光層制作在n型接觸層上并覆蓋所述n型接觸層一側的部分表面，使該n型接觸層的另一側形成一臺面，所述活性發光層是由銦鎵氮薄層和氮化鎵薄層交互層疊形成的多周期的量子阱結構構成；

一p型電子阻擋層，該p型電子阻擋層制作在活性發光層的氮化鎵薄層上，該p型電子阻擋層由鋁鎵氮構成；

一p型銦鎵氮插入層，該p型銦鎵氮插入層制作在p型電子阻擋層上；