[发明专利]一种新型GaN基LED结构及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型GaN基LED结构及制备方法，属于半导体光电子器件的制备领域。

背景技术

氮化镓(GaN)基发光二极管（LED）在全色显示和固态照明等诸多领域得到了广泛的应用，这都取决于掺杂Mg的p型GaN的生长得以了实现，高亮度蓝光和绿光LED的生产已经成为现实，并在商业应用上的地位显得越来越重要。LED的最初的基本结构就是一个同质的PN结，为了提高发光的效率，后来在PN结的中间加上了多层的量子阱结构，即multiple quantum well（MQW）。目前的LED结构生长都是先生长n型的GaN，接着生长中间的量子阱（MQW）结构，再生长p型的GaN层，即n型-GaN/MQW/p型-GaN结构LED，这就是商业上应用的蓝、绿光LED的基本结构。

如中国专利201080019516就是采用这种n型-GaN/MQW/p型-GaN。主要原因在于：1.n型GaN外延层的晶体质量通常要好于p型GaN外延层,所以在n型GaN层上能获得高质量的MQW有源区；2.n型-GaN中掺杂的Si施主(表示贡献电子的原子)很容易被激活，n型-GaN的电导率远高于p型-GaN的电导率，因此在n型-GaN/MQW/p型-GaN结构的LED中可以实现高电流扩展和低工作电压。在高掺杂Si的n⁺型GaN上生长粗糙的掺杂Mg的p型隧穿层，然后再依次生长p型GaN,Mg和Si共掺杂中间层，MQW有源区和n型GaN可以制作出工作电压在3.5伏的p型-GaN/MQW/n型-GaN结构LED，其中引入Mg和Si共掺杂中间层可以显著地提高MQW有源区的晶体质量和发光效率，引入高掺杂n型GaN和掺杂Mg的p型隧穿层是为了有效地降低工作电压。由于Mg在p型GaN外延层中的活化能很高，低温生长的掺杂Mg的p型GaN的晶体质量不够高，载流子浓度低，电阻率很高，所以需要新的器件结构和生长方法来提高LED的性能。

如中国专利201080019516所述，目前商业上应用的LED的基本的结构就是先n型GaN，中间生长多层量子阱结构（MQW），再生长p型GaN层。虽然GaN基LED已经得到了广泛的应用，但其性能仍有待进一步提高，比如说降低工作电压、提高发光效率和亮度以及产品可靠性等关键问题。在GaN外延层中掺杂Mg作为受主，即生长高质量的p型GaN层一直是整个LED结构中需要攻克的难题，主要体现在如何得到高的空穴浓度和迁移率。一方面，GaN外延层中Mg的活化需要较高的生长温度，然而高温生长p型GaN会严重影响中间多层量子阱（MQW）的质量，尤其是InGaN量子阱中In(铟)原子向GaN势垒层扩散会破坏多层量子阱的晶体质量和量子效应，从而影响了整个LED的发光效率；另一方面，如果p型GaN层中Mg的活化效率不高，会影响到整个LED的工作电压。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中GaN基LED发光效率不高、工作电压高的问题，从而提出一种新型的GaN基LED结构及制备方法。

为解决上述技术问题，本发明首先提出一种GaN基LED结构的制备方法，先高温生长p型GaN，接着生长中间多层量子阱结构（MQW），再生长n型GaN层，所述高温在1000摄氏度以上。

在高温生长p型GaN之前，先生长高掺杂Si的n⁺型GaN层和高掺杂Mg的p⁺-GaN。其中n⁺-GaN层中的Si原子可以有效地抑制GaN外延层的点缺陷的形成和发光淬灭现象，p⁺-GaN层有助于提高空穴电流的注入效率并降低LED的工作电压。

所述制备方法具体包括以下步骤：

S1:首先将图形化蓝宝石衬底在温度为1000℃至1200℃的氢气气氛下处理，去除表面的杂质微粒；

S2:在前面高温处理后将温度降低到500℃至600℃，低温生长厚度为20nm至30nm的GaN缓冲层；

S3:将温度升高到1010℃到1030℃，高温生长2000nm至2500nm不掺杂的GaN，即u型GaN；

S4:将温度升高到1020℃到1030℃，高温生长掺杂Si的GaN，即n型GaN，厚度为3000nm；

S5:温度继续保持在1020℃到1030℃，生长高掺杂Si的GaN，即n⁺型GaN层，厚度为20nm至40nm；

S6:温度继续保持在1020℃到1030℃，生长高掺杂Mg的GaN，即p⁺型GaN层，厚度为20至40nm；