CN103325895B - 氮化镓单晶非极性面衬底生长氮化镓发光二极管的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种氮化镓单晶非极性面衬底生长氮化镓发光二极管的方法，包括以下步骤，S1，将非极性面的氮化镓单晶衬底升温至n型导电层的生长温度范围，生长氮化镓n型导电层；S2，于n型导电层上生长量子阱层；S3，于量子阱层上生长氮化镓p型导电层。本发明通过改变氮化镓衬底生长表面的晶体方向，减少量子阱层内由于压变极化电场和自然极化电场造成的电子和空穴在生长方向上的分离，从而提高载流子在发光层的光辐射复合效率。

Description

氮化镓单晶非极性面衬底生长氮化镓发光二极管的方法

技术领域

本发明涉及照明灯具领域，尤其涉及一种发光二极管的生产方法。

背景技术

现有的氮化镓基外延层主要生长在<0001>c面蓝宝石或者SiC衬底上，蓝宝石和氮化镓同属六方系晶体，如图1a所示，上下两个晶格面为<0001>c面，侧方六个面为<10-10>m面。在c面蓝宝石衬底上生长的氮化镓外延层能够获得足够好的晶体质量，可进一步获得具有较好的发光效率和可靠性的LED，所以目前<0001>c面蓝宝石衬底在LED外延生产中大量运用。但同样属于六方晶格的氮化镓晶体在<0001>c面上存在着自然极化电场，加上铟镓氮和镓氮异质结的应力产生的压变极化电场作用，导致电子和空穴在生长方向上（也即电流传输方向）的空间分离，进一步导致外延层中InGaN/GaN量子阱发光效率降低。如图3所示，1为p型导电层，2为n型导电层，3为量子阱层。

申请人发现，如图1a所示，当改变氮化镓的生长晶面时，量子阱层内的极化电场大小发生变化。例如当采用与<0001>c面垂直的晶面如<10-10>m(图1a所示)或<11-20>a面（图1b所示）时，由于极化电场方向和垒晶方向垂直，电子和空穴在生长方向上的空间分离最小，因而极化电场不会在LED器件通电工作条件下对载流子在电流方向上（电子和空穴）施加电场力，从而不会使载流子在传输方向上错位，如图4所示，1为p型导电层，2为n型导电层，3为量子阱层。上述设置能有效提高量子阱层3的载流子辐射复合效率，大大提高发光效率。

<10-10>m面与<11-20>a面，由于与<0001>c面垂直，生长过程方向与极化电场方向垂直，故称为无极性面。申请人还发现，介于无极性面（a面）和极性面（c面）之间的晶面如<20-21>e2面和<20-2-1>e2'面，也可以得到合格的生长面。本领域以晶体表面以Ga为结束原子的<0001>c面的法线方向为正方向，<20-21>e2面的法线与正方向成75°角，<20-2-1>e2'面法线与正方向成105°角。

<20-21>e2面和<20-2-1>e2'面极化电场强度介于极性面c面和无极性面a面或m面之间，本申请中称为半极性面，半极性面与无极性面统称为非极性面。

图2为生长面极性随着法线相对于正方向的夹角的变化趋势表，表中，x表示In_xGa_1-xN中Indium的x的取值，横轴表示晶面的法线相对于正方向的夹角，纵轴表示压变极化电场的大小，单位为库伦/平方米。

更进一步，在实际应用中，a面非极性和大部分半极性面GaN晶体较难获得合格的晶体质量以适用于氮化镓外延生长。单纯采用原有的c面外延工艺参数容易形成层错等晶体缺陷，因此在半极性或非极性面上的工艺条件有所区别。

发明内容

本发明的目的提供一种氮化镓单晶非极性面衬底生长氮化镓发光二极管的方法，提高发光层的光辐射复合效率。

本发明提供了一种氮化镓单晶非极性面衬底生长氮化镓发光二极管的方法，包括以下步骤，

S1，将非极性面的氮化镓单晶衬底升温至n型导电层的生长温度范围，并在氨气的氛围下生长氮化镓n型导电层；

S2，于n型导电层上生长量子阱层；

S3，于量子阱层上生长氮化镓p型导电层。

本发明通过改变氮化镓衬底生长表面的晶体方向，减少量子阱层内由于压变极化电场和自然极化电场造成的电子和空穴在生长方向上的分离，从而提高载流子在发光层的光辐射复合效率。

在一些实施方式中，S1中非极性面为无极性面<11-20>a面或<10-10>m面。由于a面、m面都与c面垂直，所以极化电场在生长方向上完全消失，目前m面的氮化镓同质衬底较易获得，而且在m面衬底上生长的氮化镓晶体质量较好。

在一些实施方式中，S1中非极性面为半极性面<20-21>e2面。<20-21>e2面法线方向与正方向成75°角，因而极化电场在生长方向上也较小。同时在该面上生长波长较长（例如绿光）外延能够需要更少的铟，从而产生较小的应力，避免由于应力过大产生失配位错。

在一些实施方式中，S1中非极性面为半极性面<20-2-1>e2'面。<20-2-1>e2'面法线方向与正方向成105°角，因而极化电场在生长方向上也较小。在获得同样波长的条件下，使用该半极性面衬底能够在较高的温度下生长，从而或得更好的结晶质量。

在一些实施方式中，S1中生长氮化镓n型导电层之前先生长一无掺杂氮化镓的底层，底层的厚度为0.5～1um。为n型导电层生长的准备层。

在一些实施方式中，S1中n型导电层的生长温度范围为900～1000℃，n型导电层的杂质元素为Si，参杂浓度为1×10¹⁸～2×10¹⁹/cm³，厚度为2～4um以获得较好的n型接触。本发明中所称参杂浓度以单位立方厘米内杂质原子的个数计。

在一些实施方式中，S2还包括在生长量子阱层之前先生长无参杂的氮化镓的隔离层，隔离层的生长温度为750～900℃，厚度为10～40nm。为量子阱生长的准备层。

在一些实施方式中，S2中量子阱层包括铟镓氮的阱层和氮化镓的垒层，阱层厚度为2.0～3.5nm，垒层厚度为6～12nm，对数为6～12对，量子阱层的生长温度为740～860℃，生长气氛为氮气或氮气与氢气的混合气。

在一些实施方式中，S3中还包括生长p型导电层之前先生长电子阻挡层，电子阻挡层厚度为10～30nm，参杂元素为镁，参镁浓度为1×10¹⁹～1×10²⁰/cm³。以减少电子跃迁至p型层进行非辐射复合。

在一些实施方式中，S3中p型导电层，厚度为100～200nm，参镁浓度为1×10¹⁹～1×10²⁰/cm³，以获得较好的p型电流扩散。

在一些实施方式中，本发明还包括S3后的S4，于p型导电层上生长接触层，接触层厚度为10～20nm，参镁浓度为1×10²⁰～1×10²¹/cm³。以获得较好的p型接触。

附图说明

图1a为六方系氮化镓的各面结构示意图；

图1b为六方系氮化镓的a面位置示意图；

图1c为六方系氮化镓的e2面位置示意图，其中A向为正方向，B向为e2面法线方向；

图1d为六方系氮化镓的e2'面位置示意图，其中A向为正方向，B'向为e2'面法线方向；

图2为生长面极性随着法线相对于正方向的夹角的变化趋势表；

图3为c面生长下量子阱层的结构示意图；

图4为m面生长下量子阱层的结构示意图；

图5为本发明提供的一种氮化镓单晶非极性面衬底生长氮化镓发光二极管的方法制得的产品的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

本发明提供一种氮化镓单晶非极性面衬底生长氮化镓发光二极管的方法，包括以下步骤，

S1，将无极性面<11-20>a面的氮化镓单晶衬底升温至950℃，并于氨气氛围下，先生长0.8um厚度的无掺杂氮化镓的底层4，再参杂5×10¹⁸/cm³的Si生长3um厚度的n型导电层2。

S2，于n型导电层2上生长无参杂的氮化镓的隔离层5，隔离层5的生长温度为800℃，厚度为30nm，再于隔离层5上生长量子阱层3；量子阱层3包括铟镓氮的阱层和氮化镓的垒层，阱层厚度为2.5nm，垒层厚度为8nm，对数为9对，量子阱层3的生长温度为800℃，载气为氮气。

S3，于量子阱层3上先生长电子阻挡层6，电子阻挡层6厚度为20nm，参杂元素为镁，参镁浓度为5×10¹⁹/cm³。再于电子阻挡层6上生长p型导电层1，厚度为150nm，参镁浓度为5×10¹⁹/cm³氮化镓p型导电层1。

S4，于p型导电层1上生长接触层7，接触层7厚度为15nm，参镁浓度为5×10²⁰/cm³。

实施例2：

本发明提供一种氮化镓单晶非极性面衬底生长氮化镓发光二极管的方法包括以下步骤，

S1，将半极性面<20-21>e2的氮化镓单晶衬底升温至900℃，并于氨气氛围下，先生长0.5um厚度的无掺杂氮化镓的底层4，再参杂1×10¹⁸/cm³的Si生长2um厚度的n型导电层2。

S2，于n型导电层2上生长无参杂的氮化镓的隔离层5，隔离层5的生长温度为750℃，厚度为10nm，再于隔离层5上生长量子阱层3；量子阱层3包括铟镓氮的阱层和氮化镓的垒层，阱层厚度为2.0nm，垒层厚度为6nm，对数为6对，量子阱层3的生长温度为740℃，载气为氮气或氮气与少量氢气的混合气。

S3，于量子阱层3上先生长电子阻挡层6，电子阻挡层6厚度为10nm，参杂元素为镁，参镁浓度为1×10¹⁹/cm³。再于电子阻挡层6上生长p型导电层1，厚度为100nm，参镁浓度为1×10¹⁹/cm³氮化镓p型导电层1。

S4，于p型导电层1上生长接触层7，接触层7厚度为10nm，参镁浓度为1×10²⁰/cm³。

实施例3：

本发明提供一种氮化镓单晶非极性面衬底生长氮化镓发光二极管的方法，包括以下步骤，

S1，将半极性面<20-2-1>e2'面的氮化镓单晶衬底升温至1000℃，并于氨气氛围下，先生长1um厚度的无掺杂氮化镓的底层4，再参杂2×10¹⁹/cm³的Si生长4um厚度的n型导电层2。

S2，于n型导电层2上生长无参杂的氮化镓的隔离层5，隔离层5的生长温度为900℃，厚度为40nm，再于隔离层5上生长量子阱层3；量子阱层3包括铟镓氮的阱层和氮化镓的垒层，阱层厚度为3.5nm，垒层厚度为12nm，对数为12对，量子阱层3的生长温度为860℃，载气为氮气或氮气与少量氢气的混合气。

S3，于量子阱层3上先生长电子阻挡层6，电子阻挡层6厚度为30nm，参杂元素为镁，参镁浓度为1×10²⁰/cm³。再于电子阻挡层6上生长p型导电层1，厚度为200nm，参镁浓度为1×10²⁰/cm³氮化镓p型导电层1。

S4，于p型导电层1上生长接触层7，接触层7厚度为10～20nm，参镁浓度为1×10²¹/cm³。

实施例4：

本发明提供一种氮化镓单晶非极性面衬底生长氮化镓发光二极管的方法，包括以下步骤，

S1，将无极性面<10-10>m面的氮化镓单晶衬底升温至960℃，并于氨气氛围下，先生长0.9um厚度的无掺杂氮化镓的底层4，再参杂8×10¹⁸/cm³的Si生长3um厚度的n型导电层2。

S2，于n型导电层2上生长无参杂的氮化镓的隔离层5，隔离层5的生长温度为850℃，厚度为30nm，再于隔离层5上生长量子阱层3；量子阱层3包括铟镓氮的阱层和氮化镓的垒层，阱层厚度为2.5nm，垒层厚度为8nm，对数为9对，量子阱层3的生长温度为800℃，载气为氮气。

S3，于量子阱层3上先生长电子阻挡层6，电子阻挡层6厚度为20nm，参杂元素为镁，参镁浓度为5×10¹⁹/cm³。再于电子阻挡层6上生长p型导电层1，厚度为150nm，参镁浓度为5×10¹⁹/cm³氮化镓p型导电层1。

S4，于p型导电层1上生长接触层7，接触层7厚度为15nm，参镁浓度为5×10²⁰/cm³。

以上所述仅是本发明的优选方式，应当指出，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干相似的变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.氮化镓单晶非极性面衬底生长氮化镓发光二极管的方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1，将非极性面的氮化镓单晶衬底升温至n型导电层的生长温度范围，生长氮化镓n型导电层(2)；

S2，于所述n型导电层(2)上生长量子阱层(3)；

S3，于所述量子阱层(3)上生长氮化镓p型导电层(1)；

S1中所述生长氮化镓n型导电层(2)之前先生长一无掺杂的氮化镓的底层(4)，所述底层(4)的厚度为0.5～1um；

S1中所述n型导电层(2)的生长温度范围为900～1000℃，所述n型导电层(2)的杂质元素为Si， 掺杂浓度为1×10¹⁸～2×10¹⁹/cm³，厚度为2～4um；

S2还包括在生长量子阱层(3)之前先生长无 掺杂的氮化镓的隔离层(5)，所述隔离层(5)的生长温度为750～900℃，厚度为10～40nm；

S2中所述量子阱层(3)包括铟镓氮的阱层和氮化镓的垒层，所述阱层厚度为2.0～3.5nm，所述垒层厚度为6～12nm，对数为6～12对，所述量子阱层(3)的生长温度为740～860℃，载气为氮气或氮气与氢气的混合气；

S3中还包括生长p型导电层(1)之前先生长电子阻挡层(6)，所述电子阻挡层(6)厚度为10～30nm， 掺杂元素为镁， 掺镁浓度为1×10¹⁹～1×10²⁰/cm³；

S3中所述p型导电层(2)，厚度为100～200nm，掺镁浓度为1×10¹⁹～1×10²⁰/cm³。

2.根据权利要求1所述氮化镓单晶非极性面衬底生长氮化镓发光二极管的方法，其特征在于，S1中所述非极性面为无极性面<11-20>a面或<10-10>m面。

3.根据权利要求1所述氮化镓单晶非极性面衬底生长氮化镓发光二极管的方法，其特征在于，S1中所述非极性面为半极性面<20-21>e2面。

4.根据权利要求1所述氮化镓单晶非极性面衬底生长氮化镓发光二极管的方法，其特征在于，S1中所述非极性面为半极性面<20-2-1>e2'面。