[发明专利]一种采用MOCVD技术在GaN衬底或GaN/Al2O3复合衬底上制备高亮度同质LED的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子技术领域，一种同质衬底发光二极管的制作方法，尤其涉及一种采用MOCVD(金属有机化合物气相外延)技术制备具有新型结构的 p型扩展层(空穴扩展层)的高亮度同质LED的方法。

背景技术

近年来，具有优异物理化学性质的III族氮化物材料的研究与开发已成为当前发展最迅猛的产业之一，并在蓝光和白光发光二极管(LEDs)、激光二极管(LDs)、高密度信息存储、高电子迁移率晶体管以及高性能探测器件等方面已取得重大进展。然而，沿用至今的以二步生长法为核心的异质外延方法，异质衬底和外延层之间的晶格失配和热失配导致材料中存在很高的缺陷密度，严重制约了氮化物半导体材料质量和器件性能的进一步提高和新型器件的研发。若采用GaN 衬底或GaN/Al₂O₃复合衬底等同质衬底实现同质外延，不仅可以解决氮化物外延材料缺陷密度高、难以解理、器件可靠性差等问题，而且可以发展垂直结构的新型同质LED大幅度提高器件性能，并避开现有二步生长法相关的国际专利壁垒。因此，国际上一般认为：谁先解决GaN同质衬底外延中关键的科学和技术问题，并实现产业化生产，将会占据未来III族氮化物半导体研究和产业化的战略制高点。对于GaN基LED的器件而言，其量子阱、异质结构载流子限制效应以及量子限制斯塔克效应(QCSE)将对内量子效率起着重要的影响。LED的注入效率定义为在一定注入条件下，单位时间内注入到发光区中产生复合的载流子数与注入载流子总数之比。提高载流子注入效率的方法主要是提高空穴的注入和降低电子的泄漏。为此，需主要优化空穴扩展层，同时，优化量子阱的结构及界面，减少溢流和表面复合，降低漏电通道。

发明内容

本发明提供一种采用MOCVD技术在GaN衬底或GaN/Al₂O₃复合衬底上制备高亮度同质LED的方法。通过设计新型的LED结构，在InGaN/GaN多量子阱有源区和p-GaN之间，优化生长Al组分、In组分以及p掺杂梯度变化的空穴扩展层(p 型扩展层)，以改善水平方向空穴扩展，使空穴均匀注入有源区。进而实现提高同质LED发光效率的目的。

本发明的技术解决方案：在同质LED有源层和p-GaN之间引入优化的空穴扩展层(p型扩展层)。通过优化设计p型扩展层结构参数(如各层的生长厚度、 Al组分、In组分、Mg的掺杂浓度等参数)，优化生长空穴扩展层：如采用Al组分和In组分以及p掺杂渐变的单层p-AlInGaN空穴扩展层；或Al组分和In 组分以及p掺杂渐变的多周期p-AlInGaN/AlGaN超晶格结构或量子阱结构空穴扩展层；或非对称Al组分和In组分以及p掺杂渐变的多周期p-InGaN/GaN/AlGaN 超晶格结构或量子阱结构空穴扩展层；或非对称Al组分和In组分以及p掺杂渐变的多周期p-AlInGaN/GaN/AlGaN超晶格结构空穴扩展层。通过优化生长所述空穴扩展层(p型扩展层)的方法，改善LED电流扩展效果，从而有效提高同质LED发光效率。该方法包括以下步骤：

步骤一，将GaN衬底或GaN/Al₂O₃复合衬底放入金属有机化合物气相外延反应室中，在氢气(H₂)气氛下，升温至700℃，向反应室中通入NH3，保护GaN衬底或GaN/Al₂O₃复合衬底，升温至1050℃，在反应室压力100torr-300torr，在 H₂气氛下，生长2-4微米厚n-GaN层；

步骤二，在氮气(N₂)气氛下，在820℃，生长5-10个周期的 n-In_x1Ga_1-x1N/GaN(0<x₁≤x，0<x≤0.15)超晶格电流扩展层,其中电流扩展层中In 组分小于有源区中In组分，；在N₂气氛下，在750℃至850℃，生长5-10周期 In_xGa_1-xN/GaN(0<x≤0.15)多量子阱有源层；在有源层之上，在H₂、N₂混合气氛下，在780℃-850℃，生长Al组分、In组分以及p掺杂梯度变化的超晶格空穴扩展层,优化的空穴扩展层结构如下：