CN105206726A - 一种led结构及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种LED结构，包括衬底层、GaN缓冲层、非掺杂GaN层和掺杂Si的GaN层、P型AlGaN层和P型GaN层；其特征在于，在所述掺杂Si的GaN层和P型AlGaN层之间包括InGaN/GaN超晶格垒层的多量子阱有源区。本发明采用InGaN/GaN超晶格层代替传统的GaN势垒层，能够减小势垒层与势阱层的晶格失配度，能够有效的改变MQW的晶体质量，提高电子-空穴波函数的重叠几率，增加多量子阱的自发辐射速率和内量子效率，最终提高GaN基LED器件的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED结构及其生长方法，属于光电子的技术领域。
背景技术
GaN基III-V族氮化物是重要的直接带隙的宽禁带半导体材料。以GaN、InN、AlN为代表的三族氮化物属于直接带隙半导体材料，具有优良的光电特性，是制造短波长发光二极管(LED)、光电探测器中不可缺少的材料。GaN的带隙是3.4电子伏(eV)，InN的带隙是0.7eV，这两种材料对应的发光波长分别位于紫外和红外区域。
GaN基材料具有优异的机械和化学性能，优异的光电性质，室温下其带隙范围从0.7eV(IN)到6.2(AlN)，发光波长涵盖了远红外，红外，可见光，紫外光，深紫外，GaN基材料在蓝光，绿光，紫光及白光二极管等光电子器件领域有广泛的应用背景IIIV族宽禁带直接带隙半导体具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高硬度、稳定的化学性质、较小介电常数和耐高温等一系列优点，因此其在高亮度蓝色发光二极管、蓝色半导体激光器以及抗辐射、高频、高温、高压等电子电力器件中有着广泛的实际应用和巨大的市场前景。GaN是半导体III族氮化物的基本材料，质地坚硬，且化学性质异常稳定，室温下不与酸、碱反应，不溶于水，具有较高的熔点1700℃。GaN具有优秀的电学性质，电子迁移率最高可达900cm2/(V·s)。n型掺杂的GaN材料很容易得到，但是p型掺杂GaN却不易得到，p型GaN曾经是GaN器件的制约瓶颈。在热退火技术提出之后，GaN较容易地实现了Mg杂质的掺杂，目前p型载流子浓度可以达到1017～1020/cm3。近十几年来，采用缓冲层的外延技术和p型掺杂的提高，使得GaN基器件研究重新振兴，变为热点。
三族氮化物都是异质外延在其他材料上，常用的衬底有蓝宝石、碳化硅等，常用的外延方法有金属有机物化学气相沉积(MOCVD)。由于和衬底的晶格失配及热失配很大，在蓝宝石衬底上生长GaN时都是采用两步生长法，即先在低温下生长一层低温GaN作为缓冲层，然后升高到1000℃以上的高温生长GaN。因此现有的GaN基LED芯片的结构由下至上依次为衬底、低温GaN缓冲层、高温非掺杂GaN层、N型GaN层、MQW层(多量子阱层)、P型AlGaN层和P型GaN层，衬底可以采用目前常用的蓝宝石衬底，外延生长方法最常用的还是MOCVD。
《物理学报》2010年7月，第7期，第59卷中公开一篇《In组分渐变提高InGaN/GaN多量子阱发光二极管发光性能》，文中披露：利用金属有机物化学气相沉积系统在蓝宝石衬底上通过有源层的变温生长，得到In组分渐变的量子阱结构，从而获得具有三角形能带结构的InGaN/GaN多量子阱发光二极管，该结构有效提高了量子阱中电子和空穴波函数的空间交叠，从而增加了LED的内量子效率，进而提高了LED的发光效率。本文献是针对发光二极管中每个量子阱的组分渐变；文献中所记载的In组分渐变三角形量子阱，虽然在每个阱的低In组分一侧与GaN量子垒的极化效应很弱，但是在阱高In一侧依然与GaN量子垒存在较高的极化效应，因此该结构只能部分提高载流子的空间重合率，但是对空穴的输运没有提高作用，因此对整个器件的效率提高非常有限。
传统的LED结构中，通常采用InGaN/GaN(量子阱/量子垒)结构，而在蓝宝石(α-Al2O3)或者碳化硅(SiC)衬底上沿着[0001]方向外延得到的GaN基材料却存在自发极化和压电极化，致使量子阱和量子垒能带产生严重弯曲，弯曲的势垒对载流子尤其是电子的束缚能力大大降低，当注入电流密度很小时器件内量子效率便达到饱和，注入电流密度进一步增加，会使得电子漏电流变得严重，注入效率变低，从而使得内量子效率变低、衰减。
在中国专利CN101355127B中，也采用了InGaN/AlGaInN量子阱/量子垒结构，其中InxGa1-xN组分x为0.1-0.4，AlxGayIn1-x-yN组分为0.1＜x＜0.4，0.1＜y＜0.4，采用以上的结构得到无极化效应的量子阱活性层。但是该专利采用四元合金AlInGaN单层作为势垒层，存在生长困难，晶体质量较低等问题，而本发明则是采用GaN/InGaN超晶格作为势垒层，能够减小阱层应力，同时保证较高的晶体质量。
中国专利CN103594570含有超晶格势垒层的LED结构外延生长方法及其结构,生长发光层MQW层中生长GaN：Si/GaN超晶格势垒层的步骤为：停止通入In离子，升高温度至800-850℃，反应室内InxGa(1-x)N层上生长GaN层，通入SiH4，反应室内GaN层上生长GaN：Si层，反复通入和停止通入SiH4，GaN层和GaN：Si层相互交错形成GaN：Si/GaN超晶格势垒层；GaN：SiH4通入和停止通入的时间比例为6:1-1:6。本发明将原本不掺杂Si的发光层GaN势垒层用GaN/GaN：Si的超晶格层取代，不影响器件的漏电和发光强度的前提下，将发光层的阻值降低，使得器件的驱动电压下降。但是该专利的势垒层材料仍然是GaN,仅是将掺杂改为超晶格结构，不能减小阱层的应力。
发明内容
发明概述：
针对现有技术的不足，本发明提供一种LED结构。
本发明还提供上述LED结构的生长方法。
本发明采用InGaN/GaN超晶格层代替传统的GaN势垒层，是在传统的蓝绿光外延的生长方法的基础上在垒层用三元InGaN/GaN交替生长，能够有效的改变MQW的晶体质量，释放应力，能够减小势垒层与势阱层的晶格失配度，改善LED的电学性质，提高电子-空穴波函数的重叠几率，增加多量子阱的自发辐射速率和内量子效率，最终提高GaN基LED器件的发光效率。
发明详述：
本发明的技术方案如下：
一种LED结构，包括衬底层、GaN缓冲层、非掺杂GaN层和掺杂Si的GaN层、P型AlGaN层和P型GaN层；其特征在于，在所述掺杂Si的GaN层和P型AlGaN层之间包括InGaN/GaN超晶格垒层的多量子阱有源区。
根据本发明优选的，所述InGaN/GaN超晶格垒层包括交替周期生长的InGaN垒层和GaN垒层。
根据本发明优选的，所述多量子阱有源区包括交替周期生长的InGaN阱层和InGaN/GaN超晶格垒层。
根据本发明优选的，所述InGaN/GaN超晶格垒层中所述InGaN垒层和GaN垒层的交替周期为5-20次。
根据本发明优选的，所述多量子阱有源区中，所述InGaN阱层和InGaN/GaN超晶格垒层的交替周期为10-15次。
上述LED结构的生长方法，包括步骤如下：
(1)在衬底层上生长GaN缓冲层，升高生长温度，在所述GaN缓冲层上依次生长非掺杂GaN层和掺杂Si的GaN层；
(2)降低生长温度，生长InGaN阱层；
(3)升高生长温度，在所述步骤(3)的InGaN阱层上交替周期生长GaN垒层和InGaN垒层，得InGaN/GaN超晶格垒层；
(4)重复步骤(2)-(3)，即，交替周期生长的InGaN阱层和InGaN/GaN超晶格垒层，得多量子阱有源区；
(5)升高生长温度，生长P型AlGaN层；
(6)生长P型GaN层。
根据本发明优选的，在步骤(1)中，在衬底层上生长GaN缓冲层的生长条件为：在MOCVD生长炉的反应室内500℃--600℃下生长20nm-60nm的GaN缓冲层。
根据本发明优选的，在步骤(1)中，所述升高生长温度为：将MOCVD生长炉的反应室内温度升高到1000℃-1200℃；在所述GaN缓冲层上依次生长100nm-200nm的非掺杂GaN层和2μm-3μm的掺杂Si的GaN层。
根据本发明优选的，在步骤(2)中，降低生长温度为：将MOCVD生长炉的反应室内温度降低到700-750℃，通入三甲基镓、三甲基铟和氨气，生长3-5nm的InGaN阱层。
根据本发明优选的，在步骤(3)中，交替周期生长GaN垒层和InGaN垒层，其中，生长GaN垒层的条件为：将MOCVD生长炉的反应室内温度升高到800-850℃，通入三甲基镓、氨气，生长1-2nm的GaN垒层；
生长InGaN垒层的条件为：将MOCVD生长炉的反应室内温度升高到800-850℃，通入三甲基镓、三甲基铟和氨气，生长1-2nm的InGaN垒层。
根据本发明优选的，在步骤(3)中，在所述InGaN/GaN超晶格垒层中，InGaN垒层和GaN垒层的生长周期为5-20次。
根据本发明优选的，在步骤(4)中，在多量子阱有源区中，InGaN阱层和InGaN/GaN超晶格垒层的生长周期为10-15次。
根据本发明优选的，所述步骤(5)中升高生长温度为：将MOCVD生长炉的反应室内温度升到900℃-1000℃，所述P型AlGaN层的厚度为30-50nm；所述步骤(6)中P型GaN层厚度为80-120nm。
本发明的有益效果：
本发明采用InGaN/GaN超晶格层代替传统的GaN势垒层，能够减小势垒层与势阱层的晶格失配度，能够有效的改变MQW的晶体质量，提高电子-空穴波函数的重叠几率，增加多量子阱的自发辐射速率和内量子效率，最终提高GaN基LED器件的发光效率。
附图说明
图1是本发明所述LED结构的示意图，其中所述多量子阱有源区仅示意了单周期生长的的InGaN阱层和InGaN/GaN超晶格垒层；
图2是本发明中包括InGaN/GaN超晶格垒层的多量子阱有源区的结构示意图；
在图1和图2中，1、衬底层；2、GaN缓冲层；3、非掺杂GaN层；4、掺杂Si的GaN层；5、InGaN阱层；6、InGaN/GaN超晶格垒层；6-a、InGaN垒层；6-b、GaN垒层；7、P型AlGaN层；8、P型GaN层。
图3为本发明中对比例的实验图，其中，纵坐标为LED结构的发光强度值，横坐标中0表示为传统的GaN垒层，4、8、16、20、25分别代表InGaN/GaN超晶格垒层的交替周期数。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步说明，但不限于此。
如图1-2所示。
实施例1、
一种LED结构，包括衬底层1、GaN缓冲层2、非掺杂GaN层3和掺杂Si的GaN层4、P型AlGaN层7和P型GaN层8；在所述掺杂Si的GaN层4和P型AlGaN层7之间包括InGaN/GaN超晶格垒层6的多量子阱有源区。本实施例的衬底层为蓝宝石衬底层。
所述InGaN/GaN超晶格垒6层包括交替周期生长的InGaN垒层6-a和GaN垒层6-b。所述InGaN/GaN超晶格垒层6中所述InGaN垒层6-a和GaN垒层6-b的交替周期为5次。
所述多量子阱有源区包括交替周期生长的InGaN阱层5和InGaN/GaN超晶格垒层6。所述多量子阱有源区中，所述InGaN阱层5和InGaN/GaN超晶格垒层6的交替周期为10次。
实施例2、
如实施例1所述的一种LED结构，其区别在于，所述InGaN/GaN超晶格垒层6中所述InGaN垒层6-a和GaN垒层6-b的交替周期为10次。
所述多量子阱有源区中，所述InGaN阱层5和InGaN/GaN超晶格垒层6的交替周期为12次。
实施例3、
如实施例1所述的一种LED结构，其区别在于，所述InGaN/GaN超晶格垒层6中所述InGaN垒层6-a和GaN垒层6-b的交替周期为20次。
所述多量子阱有源区中，所述InGaN阱层5和InGaN/GaN超晶格垒层6的交替周期为15次。
实施例4、
如实施例1-3所述LED结构的生长方法，包括步骤如下：
(1)在衬底层1上生长GaN缓冲层2，升高生长温度，在所述GaN缓冲层2上依次生长非掺杂GaN层3和掺杂Si的GaN层4；
在衬底层1上生长GaN缓冲层2的生长条件为：在MOCVD生长炉的反应室内500℃--600℃下生长20nm的GaN缓冲层2；
所述升高生长温度为：将MOCVD生长炉的反应室内温度升高到1000℃-1200℃；在所述GaN缓冲层上依次生长100nm的非掺杂GaN层和2μm的掺杂Si的GaN层；所述Si的掺杂深度范围是：1E18到5E19；
(2)降低生长温度，生长InGaN阱层；降低生长温度为：将MOCVD生长炉的反应室内温度降低到700℃，通入三甲基镓、三甲基铟和氨气，生长3nm的InGaN阱层；
(3)升高生长温度，在所述步骤(3)的InGaN阱层上交替周期生长GaN垒层和InGaN垒层，得InGaN/GaN超晶格垒层；
交替周期生长GaN垒层和InGaN垒层，其中，生长GaN垒层的条件为：将MOCVD生长炉的反应室内温度升高到800℃，通入三甲基镓、氨气，生长1-2nm的GaN垒层；
生长InGaN垒层的条件为：将MOCVD生长炉的反应室内温度升高到800℃，通入三甲基镓、三甲基铟和氨气，生长1-2nm的InGaN垒层；
在所述InGaN/GaN超晶格垒层中，InGaN垒层和GaN垒层的生长周期为5-20次；
(4)重复步骤(2)-(3)，即，交替周期生长的InGaN阱层和InGaN/GaN超晶格垒层，得多量子阱有源区；在多量子阱有源区中，InGaN阱层和InGaN/GaN超晶格垒层的生长周期为10-15次；
(5)升高生长温度，生长P型AlGaN层；步骤(5)中升高生长温度为：将MOCVD生长炉的反应室内温度升到900℃℃，所述P型AlGaN层的厚度为30-50nm；
(6)生长P型GaN层；所述步骤(6)中P型GaN层厚度为100nm。
对比例：
将传统的GaN垒层与本发明InGaN/GaN超晶格垒层进行光强实验，如图3所示：0表示为传统的GaN垒层发光强度，4、8、16、20、25代表采用InGaN/GaN垒层循环个数，我们可以看出，循环数从第4个循环左右开始，强度开始明显加强，到20个循环左右后强度开始下降。
Claims (10)
1.一种LED结构，包括衬底层、GaN缓冲层、非掺杂GaN层和掺杂Si的GaN层、P型AlGaN层和P型GaN层；其特征在于，在所述掺杂Si的GaN层和P型AlGaN层之间包括InGaN/GaN超晶格垒层的多量子阱有源区。
2.根据权利要求1所述的一种LED结构，其特征在于，所述InGaN/GaN超晶格垒层包括交替周期生长的InGaN垒层和GaN垒层。
3.根据权利要求1所述的一种LED结构，其特征在于，所述多量子阱有源区包括交替周期生长的InGaN阱层和InGaN/GaN超晶格垒层。
4.根据权利要求2所述的一种LED结构，其特征在于，所述InGaN/GaN超晶格垒层中所述InGaN垒层和GaN垒层的交替周期为5-20次；优选的，所述InGaN阱层和InGaN/GaN超晶格垒层的交替周期为10-15次。
5.如权利要求1-4任意一项所述LED结构的生长方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：
(1)在衬底层上生长GaN缓冲层，升高生长温度，在所述GaN缓冲层上依次生长非掺杂GaN层和掺杂Si的GaN层；
(2)降低生长温度，生长InGaN阱层；
(3)升高生长温度，在所述步骤(3)的InGaN阱层上交替周期生长GaN垒层和InGaN垒层，得InGaN/GaN超晶格垒层；
(4)重复步骤(2)-(3)，即，交替周期生长的InGaN阱层和InGaN/GaN超晶格垒层，得多量子阱有源区；
(5)升高生长温度，生长P型AlGaN层；
(6)生长P型GaN层。
6.根据权利要求5所述的LED结构的生长方法，其特征在于，在步骤(1)中，在衬底层上生长GaN缓冲层的生长条件为：在MOCVD生长炉的反应室内500℃--600℃下生长20nm-60nm的GaN缓冲层；所述升高生长温度为：将MOCVD生长炉的反应室内温度升高到1000℃-1200℃；在所述GaN缓冲层上依次生长100nm-200nm的非掺杂GaN层和2μm-3μm的掺杂Si的GaN层。
7.根据权利要求5所述的LED结构的生长方法，其特征在于，在步骤(2)中，降低生长温度为：将MOCVD生长炉的反应室内温度降低到700-750℃，通入三甲基镓、三甲基铟和氨气，生长3-5nm的InGaN阱层。
8.根据权利要求5所述的LED结构的生长方法，其特征在于，在步骤(3)中，交替周期生长GaN垒层和InGaN垒层，其中，生长GaN垒层的条件为：将MOCVD生长炉的反应室内温度升高到800-850℃，通入三甲基镓、氨气，生长1-2nm的GaN垒层；
生长InGaN垒层的条件为：将MOCVD生长炉的反应室内温度升高到800-850℃，通入三甲基镓、三甲基铟和氨气，生长1-2nm的InGaN垒层；优选的，在步骤(3)中，在所述InGaN/GaN超晶格垒层中，InGaN垒层和GaN垒层的生长周期为5-20次。
9.根据权利要求5所述的LED结构的生长方法，其特征在于，在步骤(4)中，在多量子阱有源区中，InGaN阱层和InGaN/GaN超晶格垒层的生长周期为10-15次。
10.根据权利要求5所述的LED结构的生长方法，其特征在于，所述步骤(5)中升高生长温度为：将MOCVD生长炉的反应室内温度升到900℃-1000℃，所述P型AlGaN层的厚度为30-50nm；所述步骤(6)中P型GaN层厚度为80-120nm。
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