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CN104253181A - 一种具有多重垒层led外延结构 - Google Patents

一种具有多重垒层led外延结构 Download PDF

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CN104253181A
CN104253181A CN201310257840.1A CN201310257840A CN104253181A CN 104253181 A CN104253181 A CN 104253181A CN 201310257840 A CN201310257840 A CN 201310257840A CN 104253181 A CN104253181 A CN 104253181A
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barrier layers
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CN201310257840.1A
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田宇
郑建钦
曾颀尧
赖志豪
郭廷瑞
黄绣云
黄信智
张志刚
吴东海
童敬文
林政志
李鹏飞
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NANTONG TONGFANG SEMICONDUCTOR CO Ltd
Tsinghua Tongfang Co Ltd
Tongfang Co Ltd
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NANTONG TONGFANG SEMICONDUCTOR CO Ltd
Tongfang Co Ltd
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Abstract

一种具有多重垒层LED外延结构，涉及发光二极管技术领域。本发明从下至上依次包括图形化衬底、AlN缓冲层、U型GaN层、N型GaN层、有源区、电子阻挡层和P型GaN层。其结构特点是，所述有源区包括阱层和多重垒层。多重垒层包括InXGa1-XN层、GaN层和AlyGa1-yN层三层。在生长蓝光LED过程中，生长有源区时，多重垒层和阱层交替生长。同现有技术相比，本发明采用多重垒层结构，通过改变垒层高度、提高晶体质量、释放应力，从而提高辐射复合几率达到增强LED出光效率的目的。

Description

一种具有多重垒层LED外延结构
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，特别是具有多重垒层LED外延结构。
背景技术
近几年LED行业发展迅速，对大功率LED需求量越来越多。因此，提高蓝光LED的亮度势在必行。影响蓝光亮度的原因主要有以下几个方面：1、很难获得高浓度空穴；2、极化电场比较强，使能带发生弯曲，降低辐射复合几率；3、衬底与外延层之间有较大的晶格失配，晶体质量比较差。
   传统的LED外延结构参看图1，从下到上依次为：图形化衬底1、氮化铝缓冲层2、U型氮化镓3、N型氮化镓4、InGaN阱层5、GaN垒层6、P型氮化铝镓电子阻挡层7、P型氮化镓8。由于GaN 基材料存在自发极化和压电极化，致使InGaN阱层5和GaN垒层6能带产生严重弯曲，极化电荷产生的极化场使电子和空穴的波函数在空间上不完全重合，从而降低了载流子辐射复合速率，使得器件的内量子效率低下，同时也限制了发光效率。
   现有技术中，为了克服上述不足，很多厂家提出改变量子垒的结构的方法，如提出单独生长InGaN、AlInN、AlGaN或者AlGaInN作为量子垒，但其对LED外延片的出光效率、辐射复合几率，溢流现象等的改善效果并不显著。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种具有多重垒层LED外延结构。它采用多重垒层结构，通过改变垒层高度、提高晶体质量、释放应力，从而提高辐射复合几率达到增强LED出光效率的目的。
为了达到上述发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现： 
一种具有多重垒层LED外延结构，它从下至上依次包括图形化衬底、AlN缓冲层、U型GaN层、N型GaN层、有源区、电子阻挡层和P型GaN层。其结构特点是，所述有源区包括阱层和多重垒层。多重垒层包括InXGa1-XN层、GaN层和AlyGa1-yN层三层。在生长蓝光LED过程中，生长有源区时，多重垒层和阱层交替生长。
在上述LED外延结构中，所述有源区生长周期为3-100个周期。
在上述LED外延结构中，所述多重垒层中的三层按能带逐渐升高的顺序生长或者按能带逐渐降低的顺序生长，多重垒层在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长。
在上述LED外延结构中，所述InXGa1-XN层的生长温度为650-900℃，In组分为0<x<1，厚度为1-500nm，生长压力50-800mbar。GaN层的生长温度为650-1000℃，生长厚度为1-100nm，生长压力为50-800mbar。AlyGa1-yN层的生长温度为650-1000℃,Al组分为0<y<1,生长厚度为1-500nm,生长压力50-800mbar。
在上述LED外延结构中，生长InXGa1-XN层时，所述InXGa1-XN的厚度随着周期数量的增加逐渐增加或者逐渐减薄，InXGa1-XN的In组分随着周期数量的增加逐渐增加或逐渐减小。生长AlyGa1-yN层时，所述AlyGa1-yN的厚度随着周期数量的增加逐渐增加或者逐渐减薄，AlyGa1-yN的Al组分随着周期数量的增加逐渐增加或逐渐减小。
在上述LED外延结构中，所述阱层的能带小于多重垒层的能带，生长InXGa1-XN层的能带小于GaN层的能带，GaN层的能带小于AlyGa1-yN层的能带。
在上述LED外延结构中，所述InXGa1-XN层生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1x1017cm3 ~5x1020cm3。所述GaN层生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1x1017cm3 ~5x1020cm3。所述AlyGa1-yN层生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1x1017cm3 ~5x1020cm3。
在上述LED外延结构中，所述InXGa1-XN层生长P型，掺杂元素为Mg或者Zn，掺杂浓度为5x1017 ~1x1023cm3 。所述GaN层生长P型，掺杂元素为Mg或者Zn，掺杂浓度为5x1017 ~1x1023cm3。所述AlyGa1-yN层生长P型，掺杂元素为Mg或者Zn，掺杂浓度为5x1017 ~1x1023cm3。
本发明由于采用了上述结构，多重垒层通过能级的逐渐提高，释放一定的应力，减少极化现象，同时也提高垒层的势垒高度，抑制溢流现象。本发明在一定程度上增加辐射复合的几率，降低阱层与多重垒层之间的应力，降低位错密度，提高晶体质量，从而有效提高内量子效率并降低效率衰减。
   下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
附图说明
图1为现有技术中LED外延结构示意图；
图2为本发明中LED外延结构示意图；
图3为本发明中有源区外延层的结构示意图；
图4是本发明实施例中多重垒层的能带示意图。
具体实施方式
参看图2和图3，本发明从下至上依次包括图形化衬底1、AlN缓冲层2、U型GaN层3、N型GaN层4、有源区、电子阻挡层7和P型GaN层8。有源区包括阱层5和多重垒层60，多重垒层60由下至上依次包括InXGa1-XN层601、GaN层602和AlyGa1-yN层603的三层。在生长蓝光LED过程中，生长有源区时，多重垒层60和阱层5交替生长，生长周期为3-100个周期。多重垒层60中的三层按能带逐渐升高的顺序生长或者按能带逐渐降低的顺序生长，多重垒层60在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长。
其中，InXGa1-XN层601的生长温度为650-900℃，In组分为0<x<1，厚度为1-500nm，生长压力50-800mbar。GaN层602的生长温度为650-1000℃，生长厚度为1-100nm，生长压力为50-800mbar。AlyGa1-yN层603的生长温度为650-1000℃,Al组分为0<y<1,生长厚度为1-500nm,生长压力50-800mbar。生长InXGa1-XN层601时，InXGa1-XN的厚度随着周期数量的增加逐渐增加或者逐渐减薄，InXGa1-XN的In组分随着周期数量的增加逐渐增加或逐渐减小。生长AlyGa1-yN层603时，所述AlyGa1-yN的厚度随着周期数量的增加逐渐增加或者逐渐减薄，AlyGa1-yN的Al组分随着周期数量的增加逐渐增加或逐渐减小。
上述的InXGa1-XN层601生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1x1017cm3 ~5x1020cm3。GaN层602生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1x1017cm3 ~5x1020cm3。AlyGa1-yN层603生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1x1017cm3 ~5x1020cm3。InXGa1-XN层601生长P型，掺杂元素为Mg或者Zn，掺杂浓度为5x1017 ~1x1023cm3  。
或者GaN层602生长P型，掺杂元素为Mg或者Zn，掺杂浓度为5x1017 ~1x1023cm3。AlyGa1-yN层603生长P型，掺杂元素为Mg或者Zn，掺杂浓度为5x1017 ~1x1023cm3。并且，阱层5的能带小于多重垒层60的能带，生长InXGa1-XN层601的能带小于GaN层602的能带，GaN层602 的能带小于AlyGa1-yN层603的能带。
实施例一   
本发明的生长方法为：
1）在MOCVD反应炉里进行高温烘烤，去除蓝宝石图形化衬底1表面的残余杂质。
 2）缓慢降温在500-900℃之间，生长一层AlN缓冲层2。
 3）迅速升温，在1000-1200℃生长U型GaN层3，生长
10-80min，厚度为0.5-10um。
 4）生长N型GaN层4，生长温度在1000-1200℃，生长厚度在0.5-10um。
 5）生长有源区：
   a) 首先生长阱层5，温度为500-900℃。
   b) 然后快速升温700℃生长InXGa1-XN层601，生长厚度为1nm，生长压力为50mbar，In组分为0<x<1，所述InXGa1-XN生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1x1017cm3。
 c)再快速升温750℃生长N-GaN层602,生长厚度为1nm，N-GaN生长压力为50mbar，所述GaN生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1x1017cm3。
d) 最后生长AlyGa1-yN层603，生长温度为800℃,Al组分为0<y<1,生长厚度为1nm,生长压力50mbar。 AlyGa1-yN层603生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1x1017cm3。有源区交替生长3周期。
e） 在800-1000℃下生长P型AlGaN电子阻挡层7,厚度为50-1000埃。再生长P型GaN层8，生长温度在800-1000℃下生长，厚度为1000-5000埃，Mg的浓度为5x1017 ~1x1023cm3。
实施例二
本发明的生长方法为：
1）在MOCVD反应炉里进行高温烘烤，去除蓝宝石图形化衬底1表面的残余杂质。
2）缓慢降温在500-900℃之间，生长一层AlN缓冲层2。
3）迅速升温，在1000-1200℃生长U型GaN层3，生长
10-80min，厚度为0.5-10um。
4）生长N型GaN层4，生长温度在1000-1200℃，生长厚度在0.5-10um。
   5）生长有源区：
   a）首先生长阱层5，温度为500-900℃。
   b）然后快速升温750℃生长InXGa1-XN层601，生长厚度为5nm，生长压力为400mbar，In组分为0<x<1，所述InXGa1-XN层601生长P型，掺杂元素为Mg，掺杂浓度为1x1018 cm3 。
  c）再快速升温820℃生长N-GaN层602,生长厚度为5nm，N-GaN生长压力为400mbar，GaN层602生长P型，掺杂元素为Zn，掺杂浓度为1x1018 cm3 。
 d）最后生长AlyGa1-yN层603，生长温度为850℃,Al组分为0<y<1,生长厚度为5nm,生长压力400 mbar，AlyGa1-yN层603生长P型，掺杂元素为Mg，掺杂浓度为1x1018 cm3 。有源区交替生长10周期。   6） 在800-1000℃下生长P型AlGaN电子阻挡层7,厚度为50-1000埃。再生长P型GaN层8，生长温度在800-1000℃下生长，厚度为1000-5000埃，Mg的浓度为5x1017 ~1x1023cm3。
实施例三
本发明具有多重垒层LED外延结构的生长方法为：
1）在MOCVD反应炉里进行高温烘烤，去除蓝宝石图形化衬底1表面的残余杂质。
  2）缓慢降温在500-900℃之间，生长一层AlN缓冲层2。
3）迅速升温，在1000-1200℃生长U型GaN层3，生长
10-80min，厚度为0.5-10um。
4）生长N型GaN层4，生长温度在1000-1200℃，生长厚度在0.5-10um。
5）生长有源区：
 a）首先生长阱层5，温度为500-900℃。
 b）然后快速升温900℃生长InXGa1-XN层601，生长厚度为500nm，
生长压力为800mbar，In组分为0<x<1，InXGa1-XN层601生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为5x1020cm3。
 c）再快速升温1000℃生长N-GaN层602,生长厚度为100nm，N-GaN,生长压力为800mbar，GaN层602生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为5x1020cm3。
d）最后生长AlyGa1-yN层603，生长温度为1000℃,Al组分为0<y<1,生长厚度为500nm,生长压力800 mbar，AlyGa1-yN层603生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为5x1020cm3。有源区交替生长100周期。
6)在800-1000℃下生长P型AlGaN电子阻挡层7,厚度为50-1000埃。再生长P型GaN层8，生长温度在800-1000℃下生长，厚度为1000-5000埃，Mg的浓度为5x1017 ~1x1023cm3 cm3。
实施例四
本发明的生长方法为：
1）在MOCVD反应炉里进行高温烘烤，去除蓝宝石图形化衬底1表面的残余杂质。
2）缓慢降温在500-900℃之间，生长一层AlN缓冲层2。
3）迅速升温，在1000-1200℃生长U型GaN层3，生长
10-80min，厚度为0.5-10um。
4）生长N型GaN层4，生长温度在1000-1200℃，生长厚度在0.5-10um。
5）生长有源区：
 a）首先生长阱层5，温度为500-900℃。
 b）然后快速升温780℃生长InXGa1-XN层601，生长厚度为5nm，生长压力为400mbar，In组分为0<x<1，InXGa1-XN层601生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为5x1018 cm3 。
c）再快速升温820℃生长N-GaN层602,生长厚度为5nm，N-GaN,生长压力为400mbar，GaN层602生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为5x1018 cm3。
d）最后生长AlyGa1-yN层603，生长温度为820℃,Al组分为0<y<1,生长厚度为5nm,生长压力400 mbar，AlyGa1-yN层603生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为5x1018 cm3 。有源区交替生长10周期。
6)在800-1000℃下生长P型AlGaN电子阻挡层7,厚度为50-1000埃。再生长P型GaN层8，生长温度在800-1000℃下生长，厚度为1000-5000埃，Mg的浓度为5x1017 ~1x1023cm3。
实施例五
本发明的生长方法为：
1）在MOCVD反应炉里进行高温烘烤，去除蓝宝石图形化衬底1表面的残余杂质。
2）缓慢降温在500-900℃之间，生长一层AlN缓冲层2。
3）迅速升温，在1000-1200℃生长U型GaN层3，生长
10-80min，厚度为0.5-10um。
4）生长N型GaN层4，生长温度在1000-1200℃，生长厚度在0.5-10um。
 5）生长有源区：
 a）首先生长阱层5，温度为500-900℃。
 b）然后快速升温650℃生长InXGa1-XN层601，生长厚度为1nm，生长压力为50mbar，In组分为0<x<1，InXGa1-XN层601生长P型，掺杂元素为Zn，掺杂浓度为5x1017 cm3。
 c）再快速升温650℃生长N-GaN层602,生长厚度为1nm，N-GaN层602生长压力为50mbar，GaN层602生长P型，掺杂元素为Mg，掺杂浓度为5x1017 cm3。
 d）最后生长AlyGa1-yN层603，生长温度为650℃,Al组分为0<y<1,生长厚度为1nm,生长压力50mbar，AlyGa1-yN层603生长P型，掺杂元素为Zn，掺杂浓度为5x1017cm3。所述有源区交替生长3周期。
6)在800-1000℃下生长P型AlGaN电子阻挡层7,厚度为50-1000埃。再生长P型GaN层8，生长温度在800-1000℃下生长，厚度为1000-5000埃，Mg的浓度为5x1017 ~1x1023cm3。
实施例六
  本发明的生长方法为：
1）在MOCVD反应炉里进行高温烘烤，去除蓝宝石图形化衬底1表面的残余杂质。
2）缓慢降温在500-900℃之间，生长一层AlN缓冲层2。
 3）迅速升温，在1000-1200℃生长U型GaN层3，生长
10-80min，厚度为0.5-10um。
4）生长N型GaN层4，生长温度在1000-1200℃，生长厚度在0.5-10um。
 5）生长有源区：
 a）首先生长阱层5，温度为500-900℃。
 b）然后快速升温900℃生长InXGa1-XN层601，生长厚度为500nm，
生长压力为800mbar，In组分为0<x<1，InXGa1-XN层601生长P型，掺杂元素为Mg，掺杂浓度为1x1023cm3。
c）再快速升温1000℃生长N-GaN层602,生长厚度为100nm，N-GaN层602生长压力为800mbar，GaN层602生长P型，掺杂元素为Zn，掺杂浓度为1x1023cm3。
d）最后生长AlyGa1-yN层603，生长温度为1000℃,Al组分为0<y<1,生长厚度为500nm,生长压力800 mbar，AlyGa1-yN层603生长P型，掺杂元素为Mg，掺杂浓度为1x1023cm3。有源区交替生长100周期。
6)在800-1000℃下生长P型AlGaN电子阻挡层7,厚度为50-1000埃。再生长P型GaN层8，生长温度在800-1000℃下生长，厚度为1000-5000埃，Mg的浓度为5x1017 ~1x1023cm3。
    参看图4，本发明的实际能带通过不同能级改变阱层5与多重垒层60的应力，同时，限制电子的溢流，提高辐射复合几率，提高LED的发光效率。
   以上所述，仅为本发明的具体实施例，并不限于本发明的其它实施方式，凡属本发明的技术路线原则之内，所做的任何显而易见的修改、替换或改进，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有多重垒层LED外延结构，它从下至上依次包括图形化衬底（1）、AlN缓冲层（2）、U型GaN层（3）、N型GaN层（4）、有源区、电子阻挡层（7）和P型GaN层（8），其特征在于：所述有源区包括阱层（5）和多重垒层（60），多重垒层（60）包括InXGa1-XN层（601）、GaN层（602）和AlyGa1-yN层（603）三层，在生长蓝光LED过程中，生长有源区时，多重垒层（60）和阱层（5）交替生长。
2.根据权利要求1所述的具有多重垒层LED外延结构，其特征在于：所述有源区生长周期为3-100个周期。
3.根据权利要求1或2所述的具有多重垒层LED外延结构，其特征在于：所述多重垒层（60）中的三层按能带逐渐升高的顺序生长或者按能带逐渐降低的顺序生长，多重垒层（60）在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长。
4.根据权利要求3所述的具有多重垒层LED外延结构，其特征在于：所述InXGa1-XN层（601）的生长温度为650-900℃，In组分为0<x<1，厚度为1-500nm，生长压力50-800mbar；GaN层（602）的生长温度为650-1000℃，生长厚度为1-100nm，生长压力为50-800mbar；AlyGa1-yN层（603）的生长温度为650-1000℃,Al组分为0<y<1,生长厚度为1-500nm,生长压力50-800mbar。
5.根据权利要求4所述的具有多重垒层LED外延结构，其特征在于：生长InXGa1-XN层（601）时，所述InXGa1-XN的厚度随着周期数量的增加逐渐增加或者逐渐减薄，InXGa1-XN的In组分随着周期数量的增加逐渐增加或逐渐减小；生长AlyGa1-yN层（603）时，所述AlyGa1-yN的厚度随着周期数量的增加逐渐增加或者逐渐减薄，AlyGa1-yN的Al组分随着周期数量的增加逐渐增加或逐渐减小。
6.根据权利要求5所述的具有多重垒层LED外延结构，其特征在于：所述阱层(5)的能带小于多重垒层(60)的能带，生长InXGa1-XN层(601)的能带小于GaN层(602)的能带，GaN层(602) 的能带小于AlyGa1-yN层(603) 的能带。
7.根据权利要求6所述的具有多重垒层LED外延结构，其特征在于：所述InXGa1-XN层（601）生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1x1017cm3 ~5x1020cm3；所述GaN层（602）生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1x1017cm3 ~5x1020cm3；所述AlyGa1-yN层（603）生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1x1017cm3 ~5x1020cm3。
8.根据权利要求6所述的具有多重垒层LED外延结构，其特征在于：所述InXGa1-XN层（601）生长P型，掺杂元素为Mg或者Zn，掺杂浓度为5x1017 ~1x1023cm3；所述GaN层（602）生长P型，掺杂元素为Mg或者Zn，掺杂浓度为5x1017 ~1x1023cm3 ；所述AlyGa1-yN层（603）生长P型，掺杂元素为Mg或者Zn，掺杂浓度为5x1017 ~1x1023cm3。
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