CN203536463U

CN203536463U - 一种氮化镓基发光二极管

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Publication number: CN203536463U
Application number: CN201320377482.3U
Authority: CN
Inventors: 张�雄; 杨洪权; 许洁; 崔一平
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2023-06-27

Abstract

本实用新型公开了一种氮化镓基发光二极管，氮化镓基发光二极管的外延层结构由下至上依次为：蓝宝石衬底、氮化镓缓冲层、非故意掺杂氮化镓层、硅掺杂的n型氮化镓层、复合电流扩散层、铟镓氮-氮化镓多量子阱有源发光层、镁掺杂的p型铝镓氮电子阻挡层、镁掺杂的p型氮化镓欧姆接触层和透明导电层；复合电流扩散层由轻度硅掺杂的n型铟镓氮子层和氮化镓子层组成。本实用新型提供的氮化镓基发光二极管及其外延生长方法，采用了复合电流扩散层，能够使得外延片的晶体质量得到显著改善，从而有效地提高氮化镓基发光二极管的抗静电能力；氮化镓基发光二极管的综合性能优异，即不仅拥有高于99%的ESD良率，而且具有极低的正向工作电压。

Description

一种氮化镓基发光二极管

技术领域

本实用新型涉及一种具有复合电流扩散层的氮化镓基发光二极管及其外延生长方法，属于半导体光电子器件及其制造技术。

背景技术

尽管氮化镓基发光二极管的光学和电学性能得到了显著提高，但对于大功率发光二极管的应用，提高发光二极管的可靠性是十分重要的，尤其是高亮度氮化镓基发光二极管的抗静电能力需要得到进一步的提高。研究发现，在n型氮化镓层和铟镓氮-氮化镓多量子阱有源层之间***轻度硅掺杂的n型氮化镓层或n型铟镓氮层，能够显著提高氮化镓基发光二极管的电流扩散和抗静电能力（[1]H.H.Liu,P.Chen,G.Y.Lee,J.I.ChyiL.F.F.Kadlec,P.

Efficiency enhancement of InGaN LEDs with an n-type AlGaN/GaN/InGaN current spreading layer,IEEE Electr.Device L.32(2011)1409-1411；[2]M.Hansen,J.Piprek,P.M.Pattison,J.S.Speck,S.Nakamura,S.P.DenBaars,Higher efficiency InGaN laser diodes with an improved quantum well capping configuration,Appl.Phys.Lett.81(2002)4275–4277；[3]Y.K.Su,S.J.Chang,S.C.Wei,R.W.Chuang,S.M.Chen,W.L.Li,Nitride-based LEDs with n-GaN current spreading layers,IEEE Electr.Device L.26(2005)891-893；[4]C.S.Kim,H.K.Cho,R.J.Choi,Y.B.Hahn,H.J.Leeand,C.H.Hong,Effects of a highly Si-doped GaN current spreading layer at the n+-GaN/multi-quantum-well interface on InGaN/GaN blue-light-emitting diodes,J.Korean Phys.Soc.44(2004)133-136）。另外，轻度硅掺杂的n型氮化镓或n型铟镓氮***层作为电流扩散层，能有效地降低氮化镓基发光二极管的正向工作电压，并且提高其发光效率（[5]J.K.Sheu,G.C.Chi,M.J.Jou,Enhanced output power in an InGaN-GaN multiquantum-well light-emitting diode with an InGaN current-spreading layer,IEEE Photonic.Tech.L.13(2001)1164-1166；[6]C.H.Jang,J.K.Sheu,C.M.Tsai,S.J.Chang,W.C.Lai,M.L.Lee,T.K.Ko,C.F.Shen,S.C.Shei,Improved performance of GaN-based blue LEDs with the InGaN insertion layer between the MQW active layer and the n-GaN cladding layer,IEEE J.Quantum Elect.46(2010)513-517）。

在氮化镓基发光二极管的n型氮化镓层和铟镓氮-氮化镓多量子阱有源区之间***电流扩散层，一方面能提高载流子的注入效率和电流的扩散能力，从而增大发光二极管的电子空穴的复合发光效率。另一方面，由于多量子阱有源区与n型氮化镓层之间较大的晶格失配和热膨胀系数失配所引起的位错和缺陷能够部分被电流扩散层所抑制，从而使晶体的质量得以提升，电子顺着位错和缺陷越过有源发光区形成漏电沟道的可能性也降低，因而发光二极管的抗静电能力得到提升。

但是，过厚的电流扩散层会增大器件的串联电阻，从而导致发光二极管的正向工作电压升高，能量损耗增加，发光效率降低。因此，寻求一种最佳设计的电流扩散层（包括层厚度、掺杂浓度和组分等结构参数）就成为进一步提高发光二极管电学及光学性能的关键因素之一。

实用新型内容

发明目的：针对现有氮化镓基发光二极管在抗静电能力及正向工作电压上所存在的问题和不足，本实用新型提供一种具有复合电流扩散层的氮化镓基发光二极管及其外延生长方法。

技术方案：为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种氮化镓基发光二极管，其外延层结构由下至上依次为：蓝宝石衬底、氮化镓缓冲层、非故意掺杂氮化镓层、硅掺杂的n型氮化镓层、复合电流扩散层、铟镓氮-氮化镓多量子阱有源发光层、镁掺杂的p型铝镓氮电子阻挡层、镁掺杂的p型氮化镓欧姆接触层和透明导电层；所述复合电流扩散层由硅掺杂的n型铟镓氮子层和氮化镓子层组成；所述n型氮化镓层为一阶台阶结构，其高层台阶面与复合电流扩散层接触、低层台阶面上设置有n型电极，所述透明导电层上设置有p型电极。

优选的，所述氮化镓缓冲层的厚度为20～30nm，所述非故意掺杂氮化镓层的厚度为1.0～3.0μm，所述n型氮化镓层的厚度为2.0～3.0μm，所述复合电流扩散层的厚度为100～250nm，所述铟镓氮-氮化镓多量子阱有源发光层的周期数为5～15个周期，所述p型铝镓氮电子阻挡层的厚度为15～30nm，所述p型氮化镓欧姆接触层的厚度为150～300nm。

优选的，所述复合电流扩散层中轻度硅掺杂的n型铟镓氮子层，电子浓度不高于5×10¹⁷cm^-3，铟的摩尔组分为0.01～0.30。

优选的，所述复合电流扩散层中，硅掺杂的n型铟镓氮子层的厚度和氮化镓子层的厚度均为70nm。

一种氮化镓基发光二极管的外延生长方法，该氮化镓基发光二极管采用金属有机化合物化学气相沉积（简称MOCVD）外延生长方法生长，包括顺序执行的如下步骤：

（1）将蓝宝石衬底放入反应室内，然后通入氢气，并维持氢气氛围；

（2）升温至1000～1100℃，对蓝宝石衬底进行高温净化5～10min；

（3）降温至500～600℃，生长氮化镓缓冲层；

（4）升温至1000～1100℃，生长非故意掺杂氮化镓层；

（5）调整温度至1000～1050℃，生长硅掺杂的n型氮化镓层；

（6）降温至800～950℃，生长复合电流扩散层，所述复合电流扩散层由轻度硅掺杂的n型铟镓氮子层和氮化镓子层组成；

（7）调整温度至700～900℃，生长铟镓氮-氮化镓多量子阱有源发光层；

（8）升温至900～1000℃，生长镁掺杂的p型铝镓氮电子阻挡层；

（9）保持温度900～1000℃，生长镁掺杂的p型氮化镓欧姆接触层；

（10）降温至室温，结束生长过程。

本实用新型提供的氮化镓基发光二极管及其外延生长方法，适用于同侧结构氮化镓基发光二极管，也适用于垂直结构、倒装结构等其他结构类型的氮化镓基发光二极管。

本实用新型提供的氮化镓基发光二极管及其外延生长方法能够提高外延片的晶体质量，从而提高氮化镓基发光二极管的抗静电能力（ESD良率），尤其在轻度硅掺杂的n型铟镓氮子层的厚度和氮化镓子层的厚度均为70nm时，改善效果十分显著，能够获得高于99%的ESD良率，并具有极低的正向工作电压。

有益效果：本实用新型提供的氮化镓基发光二极管及其外延生长方法，采用了复合电流扩散层，能够使得外延片的晶体质量得到显著改善，从而有效地提高氮化镓基发光二极管的抗静电能力（ESD良率）；氮化镓基发光二极管的综合性能优异，即不仅拥有高于99%的ESD良率，而且具有极低的正向工作电压。

附图说明

图1为本实用新型的侧视结构示意图；

图2为实施例的四个氮化镓基发光二极管芯片的I-V曲线图；

图3为实施例的四个氮化镓基发光二极管芯片在2000伏反向偏置电压下的ESD良率；

其中，图2和图3中，实施例的四个氮化镓基发光二极管芯片的尺寸均为12×28mil²，且：（a）为无复合电流扩散层的常规氮化镓基发光二极管；（b）为以单层轻度硅掺杂的n型铟镓氮电流扩散层（层厚度为200nm）替换本实用新型的复合电流扩散层的常规氮化镓基发光二极管；（c）为本实用新型的氮化镓基发光二极管，其中轻度硅掺杂的n型铟镓氮子层和氮化镓子层的厚度均为100nm；（d）为本实用新型的氮化镓基发光二极管，其中轻度硅掺杂的n型铟镓氮子层和氮化镓子层的厚度均为70nm。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

如图1所示为一种氮化镓基发光二极管，其外延层结构由下至上依次为：蓝宝石衬底101、氮化镓缓冲层102、非故意掺杂氮化镓层103、硅掺杂的n型氮化镓层104、复合电流扩散层106、铟镓氮-氮化镓多量子阱有源发光层107、镁掺杂的p型铝镓氮电子阻挡层108、镁掺杂的p型氮化镓欧姆接触层109和透明导电层110；所述复合电流扩散层106由轻度硅掺杂的n型铟镓氮子层和氮化镓子层组成；所述n型氮化镓层104为一阶台阶结构，其高层台阶面与复合电流扩散层106接触、低层台阶面上设置有n型电极105，所述透明导电层110上设置有p型电极111。

具体的，所述氮化镓缓冲层102的厚度为20～30nm，所述非故意掺杂氮化镓层103的厚度为1.0～3.0μm，所述n型氮化镓层104的厚度为2.0～3.0μm，所述复合电流扩散层106的厚度为100～250nm，所述铟镓氮-氮化镓多量子阱有源发光层107的周期数为5～15个周期，所述p型铝镓氮电子阻挡层108的厚度为15～30nm，所述p型氮化镓欧姆接触层109的厚度为150～300nm；对于复合电流扩散层106的最优尺寸为：轻度硅掺杂的n型铟镓氮子层的厚度和氮化镓子层的厚度均为70nm。

其中，所述复合电流扩散层106中轻度硅掺杂的n型铟镓氮子层，电子浓度不高于51×10¹⁷cm^-3，铟的摩尔组分为0.01～0.30。

上述氮化镓基发光二极管优选采用金属有机化合物化学气相沉积外延生长方法生长，包括顺序执行的如下步骤：

（1）将蓝宝石衬底101放入反应室内，然后通入氢气，并维持氢气氛围；

（2）升温至1080℃，对蓝宝石衬底进行高温净化8min；

（3）降温至530℃，生长25nm厚度的氮化镓缓冲层102；

（4）升温至1050℃，生长3.0μm厚度的非故意掺杂氮化镓层103；

（5）维持温度1050℃，生长2.0μm厚度的硅掺杂的n型氮化镓层104；

（6）降温至830～950℃，生长100～250nm厚度的复合电流扩散层106，所述复合电流扩散层106由轻度硅掺杂的n型铟镓氮子层（其电子浓度不高于5×10¹⁷cm^-3，铟的摩尔组分为0.06）和氮化镓子层组成；

（7）调整温度至750～900℃，生长6个周期的铟镓氮（其厚度为3nm，铟的摩尔组分为0.15）-氮化镓（其厚度为12nm）多量子阱有源发光层107；

（8）升温至900℃，生长20nm厚度的镁掺杂的p型铝镓氮电子阻挡层108；

（9）保持温度1000℃，生长250nm厚度的镁掺杂的p型氮化镓欧姆接触层109；

（10）降温至室温，结束生长过程。

以MOCVD技术外延生长四个氮化镓基发光二极管结构，包括无电流扩散层的常规氮化镓基二极管，具有轻度硅掺杂的单层n型铟镓氮电流扩散层（层厚度为200nm）的氮化镓基发光二极管，和具有轻度硅掺杂的n型铟镓氮子层和氮化镓子层组成的复合电流扩散层（层厚度组合分别为100nm/100nm，70nm/70nm）的氮化镓基发光二极管。

图2为所述四个氮化镓基发光二极管芯片的I-V曲线图。由图2可知，在注入电流为20mA的条件下，具有轻度硅掺杂的n型铟镓氮子层和氮化镓子层组成的复合电流扩散层（层厚度为70nm/70nm）的氮化镓基发光二极管芯片的正向工作电压低至3.13V。

图3为所述四个氮化镓基发光二极管芯片在2000伏反向偏置电压下的ESD良率测量结果。由图3可知，当复合电流扩散层中的轻度硅掺杂的n型铟镓氮子层和氮化镓子层的层厚度分别为70nm和70nm时，氮化镓基发光二极管的ESD良率高达99.49%。

综合考虑图2和图3所示的实验结果，我们不难得出：当复合电流扩散层中的轻度硅掺杂的n型铟镓氮子层和氮化镓子层的层厚度分别为70nm和70nm时，氮化镓基发光二极管不仅具有99%以上的ESD良率，而且拥有极低的正向工作电压。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种氮化镓基发光二极管，其特征在于：该氮化镓基发光二极管的外延层结构由下至上依次为：蓝宝石衬底（101）、氮化镓缓冲层（102）、非故意掺杂氮化镓层（103）、硅掺杂的n型氮化镓层（104）、复合电流扩散层（106）、铟镓氮-氮化镓多量子阱有源发光层（107）、镁掺杂的p型铝镓氮电子阻挡层（108）、镁掺杂的p型氮化镓欧姆接触层（109）和透明导电层（110）；所述复合电流扩散层（106）由硅掺杂的n型铟镓氮子层和氮化镓子层组成；所述n型氮化镓层（104）为一阶台阶结构，其高层台阶面与复合电流扩散层（106）接触、低层台阶面上设置有n型电极（105），所述透明导电层（110）上设置有p型电极（111）。

2.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述氮化镓缓冲层（102）的厚度为20～30nm，所述非故意掺杂氮化镓层（103）的厚度为1.0～3.0μm，所述n型氮化镓层（104）的厚度为2.0～3.0μm，所述复合电流扩散层（106）的厚度为100～250nm，所述铟镓氮-氮化镓多量子阱有源发光层（107）的周期数为5～15个周期，所述p型铝镓氮电子阻挡层（108）的厚度为15～30nm，所述p型氮化镓欧姆接触层（109）的厚度为150～300nm。

3.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述复合电流扩散层（106）中，硅掺杂的n型铟镓氮子层的厚度和氮化镓子层的厚度均为70nm。