[发明专利]一种提高氮化镓基发光二极管电子迁移率的结构及其生产方法

说明书

 

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体地，涉及一种提高氮化镓基发光二极管电子迁移率的结构及其生产方法。

背景技术

发光二极管（LED，Light Emitting Diode）是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。当半导体PN结的两端加上正向电压后，注入PN结中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出各种颜色的光。

以氮化镓为代表的Ⅲ族氮化物是直接带隙的宽禁带半导体材料，具有电子飘移饱和速度高，热导率好、强化学键、耐高温以及抗腐蚀等优良性能。其三元合金铟镓氮（InGaN）带隙从0.7eV氮化铟（InN）到3.4eV氮化镓（GaN）连续可调，发光波长覆盖了可见光和近紫外光的整个区域。以InGaN/GaN多量子阱为有源层的发光二极管具有高效、环保、节能、寿命长等显著特点，被认为是最有潜力进入普通照明领域的一种新型固态冷光源。

蓝宝石衬底因为成本相对较低而成为目前GaN异质外延用的主流衬底。但是由于蓝宝石和GaN材料之间存在很大的晶格失配和热失配，给GaN外延层引入大量位错和缺陷，缺陷密度高达120-1020cm-2，造成载流子泄漏和非辐射复合中心的增多，从而降低器件的内量子效率。

针对蓝宝石图形衬底的GaN外延，目前通常采用的方法是：低温生长氮化物成核层后，升温退火再结晶，然后横向生长速率较大的GaN，直到GaN覆盖图形衬底并长平，其后生长LED完整结构。这种生长方式在GaN缓冲层存在很强的漏电流, 虽然这种GaN缓冲层可以降低蓝宝石衬底和GaN之间的晶格失配。但因为GaN低的夹断特性，低面电阻使得氮化镓基LED材料漏电流增加，电子迁移率不高,从而降低氮化镓基LED的发光效率并引起器件的寿命降低。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种提高氮化镓基发光二极管电子迁移率的结构及其生产方法。

第一方面，本发明提供一种提高氮化镓基发光二极管电子迁移率的结构，所述结构自下而上依次为衬底、低温氮化镓缓冲层、高阻隔离层、第一非掺杂氮化镓层、第二非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、低温p 型氮化镓层、p 型铝镓氮层层、高温p 型氮化镓层。

优选地，所述衬底为底部为0.5～5um的半球形。

优选地，所述低温氮化镓缓冲层的厚度为20～40nm、第一非掺杂氮化镓层的厚度为0.5～2μm、N型氮化镓层的厚度为1.2～4.2μm、低温p 型氮化镓层的厚度为10～100nm、p 型铝镓氮层层的厚度为10～50nm、高温p 型氮化镓层的厚度为100～800nm。

第二方面，本发明还涉及前述的提高氮化镓基发光二极管电子迁移率的结构的生产方法，所述生产方法包括如下步骤：

步骤1，在氢气或氮气的条件下，净化处理衬底；

步骤2，在净化后的衬底上生长低温氮化镓缓冲层；

步骤3，生长高阻隔离层；

步骤4，生长第一非掺杂氮化镓层；

步骤5，生长第二非掺杂氮化镓层；

步骤6，生长N型氮化镓层；

步骤7，生长多量子阱层；

步骤8，生长低温p 型氮化镓层；

步骤9，生长p 型铝镓氮层层；

步骤10，生长高温p 型氮化镓层。

优选地，步骤1中，所述净化处理具体为：在1000～1200℃清洁处理，时间为5～20min。

优选地，步骤2中，所述生长的温度为500～600℃，生长压力为400～760Torr，其中生产过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为500：3200。

优选地，步骤3中，所述低温GaN缓冲层生长结束后，停止通入三甲基镓（TMGa），衬底温度升高至1000～1200℃之间，对所述低温GaN缓冲层进行原位热退火处理，退火时间为5～20min，退火之后，通入三甲基镓（TMGa）并同时通入三甲基铝（TMAl）生长高阻隔离层3。将温度调节至900～1100℃之间，Al_xGa_1-xN (0<x<1)高阻隔离层3中Al的摩尔组分含量控制在5%～30%之间。