本发明专利技术涉及一种具有低温ｐ型氮化镓层的氮化镓系发光二极管。其结构与现有的氮化镓系发光二极管的最主要差异是，在ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多量子阱活性发光层与ｐ型ＡｌＧａＮ电子阻挡层之间生长一层低温ｐ型氮化镓层，从而从界面上将ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多量子阱活性发光层与ｐ型ＡｌＧａＮ电子阻挡层以物理方式分隔开。结果表明，通过设置该低温ｐ型氮化镓层，氮化镓系发光二极管的发光强度和反向击穿电压得到较大的提高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种氮化镓(GaN)系发光二极管，特别是涉及一种具有低温ρ型GaN 层的氮化镓系发光二极管。
技术介绍
目前III-V族半导体光电材料被誉为第三代半导体材料。而GaN系发光二极管， 由于可以通过控制材料的组成来制作出各种色光(尤其是需要高能隙的蓝光或紫光)的发 光二极管(简称为“LED” )，而成为业界研究的重点。以GaN为基础的半导体材料或器件的外延生长目前主要采用MOCVD技术。在利用 MOCVD技术生长氮化物半导体(GaN、AlN、InN及它们的合金氮化物)的工艺中，由于没有与 GaN晶格匹配的衬底材料，故通常采用蓝宝石作为衬底进行异质外延。然而，在蓝宝石与氮 化物半导体之间存在较大的晶格失配( 13. 8% )和热膨胀系数的差异，于是生长没有龟 裂、表面平整的高质量氮化物半导体非常困难。目前最有效的外延生长方法通常采用两步 外延生长法(参见H. Amano, N. Sawaki和Y. Toyoda等，“使用AlN缓冲层的高质量GaN薄膜 的金属有机气相外延生长”，Appl. Phys. Lett. 48 (5)，353 (1986) ；S. Nakanura 等，“具有 GaN 缓冲层的高质量的P型GaNiMg薄膜的生长”，Jpn. J. Appl. Phys. 30，L1708 (1991)；以及中国 专利No. CN1508284A)，该方法主要包括如下步骤先在低温下(如500°C )生长一层很薄的 成核层；然后升温退火，在该成核层上直接生长未掺杂的GaN缓冲层；接着在该缓冲层上， 生长η型GaN欧姆接触层；然后在700°C至850°C的温度下生长InGaN/GaN多量子阱(MQWs) 有源层；接着在1000°C以上的高温下，生长ρ型AlGaN电子阻挡层；最后生长ρ型GaN欧姆 接触层，制作P型欧姆接触透明电极和η型欧姆接触电极。然而，上述LED生长技术(即在InGaN/GaN多量子阱有源层和ρ型GaN接触层之 间直接生长P型AlGaN电子阻挡层)存在正向工作电压高以及发光强度没有显著增强的缺 陷。造成上述问题的主要原因包括如下三个方面。首先，AlGaN的晶格常数与InGaN/GaN多 量子阱的晶格常数的差异较大，而它们之间的晶格失配会在InGaN/GaN多量子阱有源区内 产生很大的压应力。晶格失配造成的压应力一方面会因具有较强压电特性的III族氮化物 而在多量子阱有源区内形成较大的压应变电场(即压电场效应(piezo-electrical field effect))，而压电场效应的存在将使得电子与空穴的波函数在空间上分离，从而引起辐射 复合强度的减弱。此外，上述压应变造成的机械应力还会进一步劣化外延层的质量，从而对 器件的发光强度产生影响。其次，P型AlGaN电子阻挡层须在1000°C以上生长才能得到较 好的晶体质量，而InGaN/GaN多量子阱有源层的生长温度为700°C至850°C，因此当InGaN/ GaN多量子阱有源层生长结束后温度升高到1000°C以上时，低温生长的InGaN/GaN多量子 阱有源层的结构会受到破坏，从而影响发光二极管的发光效率。再次，由于P型AlGaN电子 阻挡层的生长温度较高，而P型掺杂剂(比如Mg)在高温下的扩散系数增加很快，因此在ρ 型AlGaN电子阻挡层高温生长的过程中，ρ型掺杂剂将不可避免地向位于其下的InGaN/GaN 多量子阱有源区中扩散，这将对发光二极管产生严重的影响。因此，仍存在改进的空间，以3获得具有高发光强度的氮化镓系发光二极管。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可抑制ρ型掺杂剂(比如Mg)向InGaN/GaN多量子阱 层中扩散、并减小多量子阱发光区中的压电效应的高亮度的氮化镓系发光二极管。该氮化 镓系发光二极管包括衬底，其可由C-面、R-面或A-面的氧化铝单晶、6H-SiC、4H_SiC、或晶格常数接近 于氮化物半导体的单晶氧化物所制成；缓冲层，其位于该衬底上，可由氮化镓系材质构成；η型接触层，其位于该缓冲层上，由η型氮化镓构成；活性发光层，其位于该η型接触层上并覆盖该η型接触层的部分表面，该活性发光 层是由氮化铟镓(InGaN)薄层和氮化镓(GaN)薄层交互层叠形成的多量子阱结构所构成；负电极，其位于该η型接触层未被该活性发光层覆盖的上表面上；ρ型电子阻挡层，其位于该活性发光层上，由氮化铝镓(AlGaN)构成；ρ型接触层，其位于该ρ型电子阻挡层上，由ρ型氮化镓构成；以及正电极，其位于该ρ型接触层上并覆盖该ρ型接触层的部分表面；其特征在于，所述氮化镓系发光二极管还包括厚度为20nm IOOnm的低温ρ型氮化镓层，该低 温P型氮化镓层在所述活性发光层与所述P型电子阻挡层之间，其下表面与所述活性发光 层中的氮化镓薄层接触。本专利技术中的低温ρ型氮化镓层是指其生长温度低于活性发光层中的氮化镓薄层 的生长温度的P型氮化镓层。本专利技术中的低温ρ型氮化镓层的厚度优选为20-100纳米。当低温ρ型氮化镓层 的厚度小于20纳米时，其阻挡ρ型电子阻挡层中的ρ型掺杂剂扩散的效果不明显，从而影 响发光二极管的发光效率。当低温P型氮化镓层的厚度超过100纳米时，会影响ρ型电子 阻挡层对电子的阻挡作用，从而影响发光二极管的发光效率。本专利技术中的低温ρ型氮化镓层的生长温度优选为600-900°C。当低温ρ型氮化镓 层的生长温度低于600°C时，低温ρ型氮化镓层的晶体质量较差，从而影响发光二极管的发 光效率。当低温P型氮化镓层的生长温度超过900°C时，一方面会破坏活性发光层的结构， 另一方面会使低温ρ型氮化镓层中的ρ型掺杂剂的扩散系数增大，从而影响发光二极管的 发光效率。本专利技术通过在InGaN/GaN多量子阱活性发光层与ρ型电子阻挡层之间生长具有一 定厚度的低温P型氮化镓层，获得了发光强度和反向击穿电压得到较大提高的GaN系发光 二极管。主要原因在于如下两个方面。首先，在InGaN/GaN多量子阱活性发光层与ρ型AlGaN电子阻挡层之间生长一层 具有一定厚度的低温P型氮化镓层，可从界面上将InGaN/GaN多量子阱活性发光层与ρ型 AlGaN电子阻挡层以物理方式分隔开，从而降低了 InGaN/GaN多量子阱活性发光层中的应 变电场。此外，压应变的减小也将降低对InGaN/GaN多量子阱活性发光层的损害。更为关键的是，由于ρ型AlGaN电子阻挡层的生长温度较高，而ρ型掺杂剂(比如 Mg)在高温下的扩散效应将大大增强。传统的LED结构由于垒层(即InGaN/GaN多量子阱结构中的GaN垒层)很薄，从而无法避免ρ型掺杂剂向InGaN/GaN多量子阱层中扩散。然 而，本专利技术通过在InGaN/GaN多量子阱层与ρ型AlGaN电子阻挡层之间插入具有一定厚度 的低温P型GaN层，可抑制ρ型掺杂剂向InGaN/GaN多量子阱层中的扩散，从而降低ρ型掺 杂剂扩散对InGaN/GaN多量子阱活性发光层的影响。这是因为即使ρ型掺杂剂(比如Mg) 的扩散作用很强，其也将主要进入该低温P型GaN层内。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行更详细的说明。图1是现有的没有低温ρ型GaN插入层的GaN系发光二极管。图2是根据本专利技术的具有低温ρ型GaN插入层的GaN本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种氮化镓系发光二极管，其包括：衬底；缓冲层，其位于所述衬底上；ｎ型接触层，其位于所述缓冲层上，由ｎ型氮化镓构成；活性发光层，其位于所述ｎ型接触层上并覆盖所述ｎ型接触层的部分表面，所述活性发光层是由氮化铟镓薄层和氮化镓薄层交互层叠形成的多量子阱结构所构成；负电极，其位于所述ｎ型接触层未被所述活性发光层覆盖的上表面上；ｐ型电子阻挡层，其位于所述活性发光层上，由氮化铝镓构成；ｐ型接触层，其位于所述ｐ型电子阻挡层上，由ｐ型氮化镓构成；以及正电极，其位于所述ｐ型接触层上并覆盖所述ｐ型接触层的部分表面；其特征在于，所述氮化镓系发光二极管还包括厚度为２０ｎｍ～１００ｎｍ的低温ｐ型氮化镓层，所述低温ｐ型氮化镓层在所述活性发光层与所述ｐ型电子阻挡层之间，并且所述低温ｐ型氮化镓层的下表面与所述活性发光层中的氮化镓薄层接触。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：马平，丁成，刘慰华，李刚，
申请(专利权)人：上海蓝宝光电材料有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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