[發(fā)明專利]一種新型GaN基LED結構及制備方法

有效

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• 申請日: 2013-12-30
• 公開（公告）號: CN103715322A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發(fā)明（設計）人: 楊曉杰;李曉東
• 申請（專利權）人: 蘇州矩陣光電有限公司
• 主分類號: H01L33/20
• 分類號: H01L33/20;H01L33/22
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產(chǎn)權代理有限公司 11250
• 代理人: 張建綱

技術領域

本發(fā)明涉及一種新型GaN基LED結構及制備方法，屬于半導體光電子器件的制備領域。

背景技術

氮化鎵(GaN)基發(fā)光二極管（LED）在全色顯示和固態(tài)照明等諸多領域得到了廣泛的應用，這都取決于摻雜Mg的p型GaN的生長得以了實現(xiàn)，高亮度藍光和綠光LED的生產(chǎn)已經(jīng)成為現(xiàn)實，并在商業(yè)應用上的地位顯得越來越重要。LED的最初的基本結構就是一個同質(zhì)的PN結，為了提高發(fā)光的效率，后來在PN結的中間加上了多層的量子阱結構，即multiple?quantum?well（MQW）。目前的LED結構生長都是先生長n型的GaN，接著生長中間的量子阱（MQW）結構，再生長p型的GaN層，即n型-GaN/MQW/p型-GaN結構LED，這就是商業(yè)上應用的藍、綠光LED的基本結構。

如中國專利201080019516就是采用這種n型-GaN/MQW/p型-GaN。主要原因在于：1.n型GaN外延層的晶體質(zhì)量通常要好于p型GaN外延層,所以在n型GaN層上能獲得高質(zhì)量的MQW有源區(qū)；2.n型-GaN中摻雜的Si施主(表示貢獻電子的原子)很容易被激活，n型-GaN的電導率遠高于p型-GaN的電導率，因此在n型-GaN/MQW/p型-GaN結構的LED中可以實現(xiàn)高電流擴展和低工作電壓。在高摻雜Si的n⁺型GaN上生長粗糙的摻雜Mg的p型隧穿層，然后再依次生長p型GaN,Mg和Si共摻雜中間層，MQW有源區(qū)和n型GaN可以制作出工作電壓在3.5伏的p型-GaN/MQW/n型-GaN結構LED，其中引入Mg和Si共摻雜中間層可以顯著地提高MQW有源區(qū)的晶體質(zhì)量和發(fā)光效率，引入高摻雜n型GaN和摻雜Mg的p型隧穿層是為了有效地降低工作電壓。由于Mg在p型GaN外延層中的活化能很高，低溫生長的摻雜Mg的p型GaN的晶體質(zhì)量不夠高，載流子濃度低，電阻率很高，所以需要新的器件結構和生長方法來提高LED的性能。

如中國專利201080019516所述，目前商業(yè)上應用的LED的基本的結構就是先n型GaN，中間生長多層量子阱結構（MQW），再生長p型GaN層。雖然GaN基LED已經(jīng)得到了廣泛的應用，但其性能仍有待進一步提高，比如說降低工作電壓、提高發(fā)光效率和亮度以及產(chǎn)品可靠性等關鍵問題。在GaN外延層中摻雜Mg作為受主，即生長高質(zhì)量的p型GaN層一直是整個LED結構中需要攻克的難題，主要體現(xiàn)在如何得到高的空穴濃度和遷移率。一方面，GaN外延層中Mg的活化需要較高的生長溫度，然而高溫生長p型GaN會嚴重影響中間多層量子阱（MQW）的質(zhì)量，尤其是InGaN量子阱中In(銦)原子向GaN勢壘層擴散會破壞多層量子阱的晶體質(zhì)量和量子效應，從而影響了整個LED的發(fā)光效率；另一方面，如果p型GaN層中Mg的活化效率不高，會影響到整個LED的工作電壓。

發(fā)明內(nèi)容

為此，本發(fā)明所要解決的技術問題在于現(xiàn)有技術中GaN基LED發(fā)光效率不高、工作電壓高的問題，從而提出一種新型的GaN基LED結構及制備方法。

為解決上述技術問題，本發(fā)明首先提出一種GaN基LED結構的制備方法，先高溫生長p型GaN，接著生長中間多層量子阱結構（MQW），再生長n型GaN層，所述高溫在1000攝氏度以上。

在高溫生長p型GaN之前，先生長高摻雜Si的n⁺型GaN層和高摻雜Mg的p⁺-GaN。其中n⁺-GaN層中的Si原子可以有效地抑制GaN外延層的點缺陷的形成和發(fā)光淬滅現(xiàn)象，p⁺-GaN層有助于提高空穴電流的注入效率并降低LED的工作電壓。

所述制備方法具體包括以下步驟：

S1:首先將圖形化藍寶石襯底在溫度為1000℃至1200℃的氫氣氣氛下處理，去除表面的雜質(zhì)微粒；

S2:在前面高溫處理后將溫度降低到500℃至600℃，低溫生長厚度為20nm至30nm的GaN緩沖層；

S3:將溫度升高到1010℃到1030℃，高溫生長2000nm至2500nm不摻雜的GaN，即u型GaN；

S4:將溫度升高到1020℃到1030℃，高溫生長摻雜Si的GaN，即n型GaN，厚度為3000nm；

S5:溫度繼續(xù)保持在1020℃到1030℃，生長高摻雜Si的GaN，即n⁺型GaN層，厚度為20nm至40nm；

S6:溫度繼續(xù)保持在1020℃到1030℃，生長高摻雜Mg的GaN，即p⁺型GaN層，厚度為20至40nm；