CN103346220A - GaN基LED及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了GaN基LED及其生产方法。该GaN基LED包括基底，在基底上顺次生长的GaN层、n型GaN层、n型电子阻挡层、n型GaN层、InGaN/GaN量子阱层、InGaN/GaN发光量子阱层、p型GaN层、p型AlGaN层、接触层，其中，在p型AlGaN层和接触层之间还生长有特征p型GaN层。该特征p型GaN层包括间隔分布的高空穴浓度的第一亚层和低空穴浓度的第二亚层。根据本发明的GaN基LED通过调整空穴浓度的分布，降低了自补偿效应，从而提高了LED器件的发光效率。

Description

GaN基LED及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种LED，特别是一种GaN基LED。本发明还涉及生产这种GaN基LED的方法。

背景技术

宽带隙的GaN（氮化镓）半导体材料具有良好的化学稳定性、热稳定性和较高的击穿电压，成为继第一代硅材料和第二代砷化镓材料之后的优秀的第三代半导体材料。通常GaN半导体材料认为是制造高亮度蓝、绿发光二极管和白光发光二极管理想材料，并且现已广泛应用于照明、显示屏、背光源、信号灯等领域。

在现有技术中，通常使用MOCVD（有机金属气相沉积）外延生长的方法来生产GaN基LED（发光二极管）。这种方法中包括：首先在蓝宝石基底上生长低温GaN缓冲层，然后生长高温GaN缓冲层，在高温GaN缓冲层上依次生长低掺n-GaN层、高掺n-GaN层、n型电子阻挡层（即，n型AlGaN层）、低掺n-GaN层、InGaN/GaN浅量子阱层、MQW层、低温p-GaN层、电子阻挡层p-AlGaN层、接触层。其中，MQW层为InGaN/GaN发光层量子阱。

在生长过程中，所使用的二茂镁（Cp₂Mg）会产生Mg-H，这会造成Mg（元素，镁）的活化率低，产生较高的电阻。即使掺入了大量的Mg，达到高空穴浓度，GaN仍然是半绝缘，其电阻率高达1×10⁸Ω·cm，这一现象被称作Mg的钝化。在本领域中，高Mg掺杂浓度规定为浓度在4.8×10¹⁹-1.9×10²⁰个/cm³，低Mg掺杂浓度规定为浓度在1×10¹⁹-4.8×10¹⁹个/cm³。由此，必须在生长结束之后将Mg进行激活，才能得到p型GaN。使用在现有技术得到的Mg的活化率然很低。为了实现高空穴浓度的p型GaN，只有进行高浓度的Mg掺杂，但是Mg在GaN中的溶解量却受溶解度的限制。当掺杂浓度达到一定程度后，再增加Mg掺杂浓度，Mg会形成Mg₃N₂而不会进入GaN晶格。当Mg掺杂浓度很大时，Mg原子会处于晶格的间隙位置（Mgi），而不是替位Ga原子形成受主MgGa。Mgi会和GaN中大量的N空位(V_N)组成络合物（Mgi-V_N），同时Mg_Ga与V_N也会形成络合物（Mg_Ga-V_N），这些络合物均表现出施主的特性，这样在GaN中会产生严重的自补偿效应，影响电子与空穴的辐射复合效率，从而影响LED器件的发光效率。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种GaN基LED。这种GaN基LED通过调整空穴浓度的分布，降低了自补偿效应，从而提高了LED器件的发光效率。本发明还涉及这种GaN基LED的生产方法。

根据本发明的第一方面，提出了一种GaN基LED，包括基底，在基底上顺次生长的GaN层、n型GaN层、n型电子阻挡层、n型GaN层、InGaN/GaN量子阱层、InGaN/GaN发光量子阱层、p型GaN层、p型AlGaN层、接触层，其中，在p型AlGaN层和接触层之间还生长有特征p型GaN层。

通过生长特征p型GaN层，有效降低了GaN内的自补偿效应，从而提高了LED的发光效率。

在一个实施例中，特征p型GaN层包括间隔分布的高掺杂浓度的第一亚层和低掺杂浓度的第二亚层。这样，高掺杂浓度的第一亚层内的空穴浓度较高，低掺杂浓度的第二亚层内的空穴浓度较低。第一亚层内的空穴浓度较高而造成空穴运动阻力很大，因此第一亚层内的空穴的迁移率较低，相反第二亚层内空穴的迁移率较高。在通电之后，第一亚层内的高浓度空穴会为第二亚层提供了能迁移的空穴源，使得大量的空穴进入量子阱，增加空穴在量子阱中的注入效率，从而大幅提高LED的发光效率。在一个优选的实施例中，在特征p型GaN层中，最底层的为高掺杂浓度的第一亚层，最顶层也为高掺杂浓度的第一亚层。这样，低空穴浓度的第二亚层始终处于高空穴浓度的第一亚层之间，以便于为第二亚层提供足够的能迁移的空穴源。在另一个实施例中，当将相邻的第一亚层和第二亚层作为一个整体时，所生长的整体的数量为1到20。通过设置这种数量的第一亚层和多个第二亚层，能够将GaN内的电流扩展调整到最佳水平，并且示空穴的注入效率提高到最高，从而提高LED的发光效率。

在一个实施例中，特征p型GaN层的掺杂元素为B或Mg。优选地，掺杂元素为Mg。在一个具体的实施例中，第一亚层中Mg的掺杂浓度在5×10¹⁹-1.8×10²⁰个/cm³之间，优选为6×10¹⁹-9×10¹⁹个/cm³之间。在另一个实施例中，第二亚层中Mg的掺杂浓度在1.2×10¹⁹-4.8×10¹⁹个/cm³之间，优选为2×10¹⁹-4.5×10¹⁹个/cm³之间。第一亚层的Mg掺杂浓度和第二亚层内的的Mg掺杂浓度均在现有技术中的范围内，这使得生产人员能够方便地制造出这种第一亚层和第二亚层，无需特别的技术或检测、监控设备，降低了生产成本。

根据本发明的第二方面，提出了生产根据上文所述的GaN基LED的方法。根据该方法，在生长特征p型GaN层时，所使用的原料包括三甲基镓、氨、二茂镁。这些原料是生产GaN基LED的常用原料，降低了生产成本。在一个具体的实施例中，在生长特征p型GaN层时，温度在910-950℃之间，压力在150-900mbar之间。

在一个实施例中，在生长特征p型GaN层时，二茂镁的体积流量为周期性变化，一个变化周期的时间为50-900s。通过周期性地升高和降低二茂镁的体积流量，能够提高和降低沉积设备内的Mg原子的浓度，从而直接提高和降低所生长的特征p型GaN层内的Mg的浓度，生长间隔分布的高空穴浓度的第一亚层和低空穴浓度的第二亚层。此外，能够对变化周期的实现自动控制，降低了生产人员的劳动强度。

在一个实施例中，在一个实施例中，三甲基镓的体积流量∶氨的体积流量∶二茂镁的体积流量低值∶二茂镁的体积流量低值在1:2200:10:30到3:6600:75:160之间。在另一个实施例中，在生长特征p型GaN层开始时，二茂镁的体积流量处于高值；在结束生长特征p型GaN层时，二茂镁的体积流量也处于高值。这样，特征p型GaN层的最底层和最顶层才能均为高空穴浓度的第一亚层。

与现有技术相比，本发明的优点在于，通过在p型AlGaN层和接触层之间还生长特征p型GaN层，特征p型GaN层包括间隔分布的高掺杂浓度的第一亚层和低掺杂浓度的第二亚层，第一亚层为第二亚层提供了能迁移的孔穴源使得大量的空穴能进入量子阱，增加空穴在量子阱中的注入效率，从而大幅提高LED的发光效率。另外，第一亚层和第二亚层内的空穴浓度和掺杂元素Mg，均是本领域的技术人员所容易实现的，大幅降低了生产成本。在生长特征p型GaN层时，二茂镁的体积流量为周期性变化，这能够提高和降低沉积设备内的Mg原子的浓度，从而直接提高和降低所生长的特征p型GaN层内的Mg的浓度，生长间隔分布的高空穴浓度的第一亚层和低空穴浓度的第二亚层。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是根据本发明的GaN基LED的层结构示意图；

图2是图1中的22层的放大视图；

图3是根据本发明的一个实施例，在生长特征p型GaN层时，二茂镁的体积流量的变化曲线；

图4显示了根据本发明的GaN基LED的结构亮度与根据现有技术的GaN基LED的结构亮度。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

图1示意性地显示了根据本发明的GaN基LED100的层结构。如图所示，GaN基LED100以蓝宝石为基底10，在基底10上顺次生长了低温GaN缓冲层11、高温GaN缓冲层12、更高温GaN度缓冲层13、Si低掺杂的n型GaN层14、Si高掺杂的n型GaN层15、Al和Si掺杂的n型电流扩展层（即，n型AlGaN层）16、Si低掺杂的n型GaN层17、In掺杂的InGaN/GaN浅量子阱18、In掺杂的发光层量子阱（即，MQW）19、Mg掺杂的低温p型GaN层20、Mg、Al掺杂的电子阻挡层（即，p型AlGaN层）21、特征p型GaN层22以及IN、Mg掺杂的GaN接触层23。在GaN基LED100中，除了特征p型GaN层22之外，其他的层均是本领域的技术人员所熟知的，其生产方法和含义也是本领域的技术人员所熟知的，为了简单起见，这里不再赘述。

如图2所示，特征p型GaN层22的掺杂元素选择为Mg，并且特征p型GaN层22包括交替生长的第一亚层31和第二亚层32。第一亚层31内的Mg掺杂浓度高于第二亚层32内的Mg掺杂浓度，这样第一亚层31内的空穴浓度较高，导致空穴的运动阻力较大而难以迁移，第二亚层32内的空穴浓度较低，空穴的运动阻力较小因而迁移率较高。在LED通电时，第二亚层32内空穴会大量迁移，而第一亚层31内的难以迁移的大量空穴则为第二亚层32提供了能迁移的空穴源，使得大量的空穴进入量子阱，增加空穴在量子阱中的注入效率，从而大幅提高LED的发光效率。

下面根据一个实施例来重点描述特征p型GaN层22的生长方法。

使用Aixtron Crius I﹠II MOCVD设备上进行生长。在生长完Mg、Al掺杂的电子阻挡层（即，p型AlGaN层）21后，将温度调到910-950℃之间、压力调整到150-900mbar之间。通入TMGa（三甲基镓）、NH₃（氨气）和Cp₂Mg（二茂镁）。其中，TMGa的物质的量的流量控制在30-80sccm[毫升/分钟]、NH₃的物质的量的流量控制50000-60000sccm；Cp₂Mg的物质的量的流量控制为周期性变化，流量最低点为600-1500sccm，流量最高点为1800-3200sccm，每个周期的时间是200秒，如图3所示。

生长1300秒之后，对特征p型GaN层进行分析。随生长即时测得特征p型GaN层的总厚度为180nm。使用埃文思材料科技(上海)有限公司的二次粒子质谱仪（SIMS）对特征p型GaN层22的Mg掺杂浓度进行了测量，表1显示了特征p型GaN层的Mg掺杂浓度的变化。

表1

由表1可看出，特征p型GaN层22内的Mg掺杂浓度呈周期性变化，即存在浓度高峰和浓度低谷，这对应了特征p型GaN层22内的多个第一亚层31和多个第二亚层32，并且第一亚层31和第二亚层32为间隔分布。还应注意地是，特征p型GaN层22的最底层和最顶层均为第一亚层（即周期一和周期七），这与Cp₂Mg的物质的量的流量变化相一致。还根据表1，Mg掺杂浓度的最高值为8.06×10¹⁹/cm³，最低值3.58×10¹⁹/cm³，这都在现有技术的范围内，从而生产人员能够方便地制造出这种特征p型GaN层22，无需特别的技术或检测、监控设备，降低了生产成本。

本领域的技术人员可容易地得出：正是由于特征p型GaN层22内Mg原子的浓度变化导致特征p型GaN层22内产生第一亚层和第二亚层。还应注意地是，虽然在表1中的实施例中生长了七层第一亚层31和六层第二亚层32，但是实际上上述层数，而是可以为多层。

在根据本发明的GaN基LED100制造完成之后，对其结构亮度进行检测，同时使用根据现有技术制造的GaN基LED作为对比，如图4所示。从图4中可清楚地看出，根据本发明的LED100的结构亮度（即曲线L1）比根据现有技术制造的GaN基LED的结构亮度（即曲线L2）有了很大的提高，最高提高了5%左右。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的物质。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (13)

1.一种GaN基LED，包括基底，在所述基底上顺次生长的GaN层、n型GaN层、n型电子阻挡层、n型GaN层、InGaN/GaN量子阱层、InGaN/GaN发光量子阱层、p型GaN层、p型AlGaN层、接触层，

其中，在所述p型AlGaN层和所述接触层之间还生长有特征p型GaN层。

2.根据权利要求1所述的GaN基LED，其特征在于，所述特征p型GaN层包括间隔分布的高掺杂浓度的第一亚层和低掺杂浓度的第二亚层。

3.根据权利要求2所述的GaN基LED，其特征在于，所述特征p型GaN层的掺杂元素为Mg。

4.根据权利要求3所述的GaN基LED，其特征在于，所述特征p型GaN层的掺杂元素为Mg。

5.根据权利要求4所述的GaN基LED，其特征在于，所述第一亚层中Mg的掺杂浓度在5×10¹⁹-1.8×10²⁰个/cm³之间，优选为6×10¹⁹-9×10¹⁹个/cm³之间。

6.根据权利要求4或5所述的GaN基LED，其特征在于，所述第二亚层中Mg的掺杂浓度在1.2×10¹⁹-4.8×10¹⁹个/cm³之间，优选为2×10¹⁹-4.5×10¹⁹个/cm³之间。

7.根据权利要求2到6中任一项所述的GaN基LED，其特征在于，当将相邻的第一亚层和第二亚层作为一个整体时，所生长的整体的数量为1到20。

8.根据权利要求7所述的GaN基LED，其特征在于，在所述特征p型GaN层中，最底层的为第一亚层，最顶层也为第一亚层。

9.一种生产根据权利要求1到8中任一项所述的GaN基LED的方法，其特征在于，在生长所述特征p型GaN层时，所使用的原料包括三甲基镓、氨、二茂镁。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在生长所述特征p型GaN层时，所述二茂镁的体积流量为周期性变化，一个变化周期的时间为50-900s。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述三甲基镓的体积流量∶氨的体积流量∶二茂镁的体积流量低值∶二茂镁的体积流量高值在1:2200:10:30到3:6600:75:160之间。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在生长所述特征p型GaN层开始时，二茂镁的体积流量处于高值；在结束生长所述特征p型GaN层时，二茂镁的体积流量也处于高值。

13.根据权利要求9到12中任一项所述的方法，其特征在于，在生长所述特征p型GaN层时，温度在910-950℃之间，压力在150-900mbar之间。

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