CN101355127B - 提高ⅲ族氮化物发光效率的led量子阱结构及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高III族氮化物LED发光效率的量子阱结构，包括蓝宝石衬底层(6)，缓冲层(5)，过渡层(4)，N型导电层(3)，量子阱结构层(2)，P型导电层(1)以及电极层(7)；衬底层(6)上依次为GaN构成的缓冲层(5)，GaN构成的过渡层(4)，N型GaN构成的N型导电层(3)，InGaN/AlGaInN交替构成的量子阱结构层(2)，P型GaN构成的P型导电层(1)以及电极层(7)。量子阱结构层(2)是5-10个周期且层厚分别为5-20nm/15-40nm的InGaN/AlGaInN量子阱结构层。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用新型量子阱结构提高III族氮化物半导体LED发光效率的技术。该技术利用多元III族氮化物半导体在带隙和晶格常数较大的可调性，采用四元合金AlGaInN材料作为量子阱势垒层，同时调整Al，In的组分来调整压电极化电荷的大小，使应变产生的极化电荷和阱垒中自发极化产生的总电荷抵消从而消除内建的极化电场。这样就得到一无极化效应的量子阱活性层，进而改善LED的发光特性。从而提高器件的发光效率。
背景技术
以G a N为代表的III V族宽直接带隙半导体由于具有带隙宽(E g＝3.39e V)、发光效率高、电子漂移饱和速度高、热导率高、硬度大、介电常数小、化学性质稳定以及抗辐射、耐高温等特点，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器和紫外探测器等光电子器件以及抗辐射、高频、高温、高压等电子器件领域有着巨大的应用潜力和广阔的市场前景，引起人们的极大兴趣和广泛关注。GaN是III族氮化物中的基本材料，也是目前研究最多的III族氮化物材料。GaN材料非常坚硬，其化学性质非常稳定，在室温下不溶于水、酸和碱，其融点较高，约为1700℃。GaN的电学性质是决定器件性能的主要因素，电子室温迁移率目前可以达900cm2/(V·s)。在蓝宝石衬底上生长的非故意掺杂的GaN样品存在较高(＞1018/cm3)的n型本底载流子浓度，现在较好的GaN样品的本底n型载流子浓度可以降到1016/cm3左右。由于n型本底载流子浓度较高，制备p型GaN样品的技术难题曾经一度限制了GaN器件的发展。Nakamura等采用热退火处理技术，更好更方便地实现了掺Mg的GaN样品的p-型化，目前已经可以制备载流子浓度在1011～1020/cm3的p-型GaN材料。进入90年代以来，由于缓冲层技术的采用和p型参杂技术的突破，对GaN的研究热潮在全球范围内发展起来，并且取得了辉煌的成绩。InGaN超高亮度蓝，绿光LED已经实现商品化。
目前，虽然GaN基多量子阱(MQW)发光二极管(LED)已经在市场上取得进展，但芯片出光效率低的问题仍没很好的解决。如何提高LED出光效率是发展大功率GaN基LED的提前。
尽管实验已证明GaN基MQW LED的发光机理是载流子在GaN/InGaN MQW中形成的InGaN量子点中的辐射复合发光[1-3]，量子点是真正的发光中心，直接决定着LED的发光波长和发光效率。但是传统的在α-Al2O3和SiC等衬底上制作的LED器件结构沿生长方向([0001]方向)存在自发和压电极化电场，极化电场使电子和空穴的波函数不再完全重叠，这样导致电子和空穴更长的辐射复合时间，从而降低了量子阱的辐射复合效率[4]。这个内建电场使得LED内的多量子阱(MQW)的量子效率降低，从而使得LED的发光效率的提高受到限制[5.6]。
由氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)及其三元和四元合金化合物所组成的III族氮化物半导体材料通过形成三元(InGaN、AlGaN、AlInN)或四元合金(AlGaInN)和调节III族元素固熔含量，使其带隙宽度可从InN～0.7eV，GaN～3.4eV直至AlN～6.2eV连续可调，相对应的波长覆盖了从近红外到紫外较宽广的光谱范围(图1)。对于AlGaInN四元合金材料调整Al，In的组分适当来调整压电极化电荷的大小，使应变产生的极化电荷和阱垒中自发极化产生的总电荷抵消从而消除内建的极化电场。这样就得到一无极化效应的量子阱活性层，进而提升LED的发光特性。对于极化匹配的InGaN/AlInGaN构型量子阱结构来说，由于少了极化电场的作用，有助于载流子在量子阱内的结合，发光强度也就相应地越大。
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发明内容
本发明目的是：提出一种新型量子阱结构提高III族氮化物半导体LED发光效率。本发明目的还在于利用多元III族氮化物半导体在带隙和晶格常数较大的可调性，采用四元合金AlGaInN材料作为量子阱势垒层，通过调整Al，In的组分来调整压电极化电荷的大小，使应变产生的极化电荷和阱垒中自发极化产生的总电荷抵消从而消除内建的极化电场。得到一无极化效应的量子阱活性层，进而改善LED的发光特性。从而提高器件的发光效率。
本发明的技术解决方案：LED量子阱结构，包括：衬底层6，缓冲层5，过渡层4，N型导电层3，量子阱结构层2，P型导电层1以及电极层7；衬底层6上依次为为GaN构成的缓冲层5，GaN构成的过渡层4，N型GaN构成的N型导电层3，InGaN/AlGaInN交替构成的量子阱结构层2，P型GaN构成的P型导电层1以及电极层7。
缓冲层为510-100μm厚度的低温GaN缓冲层材料；GaN构成的过渡层4是900-1150℃生长0.5-2000μm厚度GaN，N型GaN导电层3是层厚为0.5-2μm的N型GaN层；5-10个周期且层厚分别对应为5-20nm/15-40nm的InGaN/AlGaInN量子阱结构层，其中InxGa1-xN势阱层内材料组分x为0.1-0.4，AlxGayIn1-x+yN势垒层内材料组分为0.1＜x＜0.4，0.1＜y＜0.4；P型导电层是厚度为100-500μm掺杂浓度达1-3×1017cm-1的P型导电GaN层的LED器件结构。
本发明利用多元III族氮化物半导体在带隙和晶格常数较大的可调性，采用四元合金AlGaInN材料作为量子阱势垒层，同时调整Al，In的组分来调整压电极化电荷的大小，使应变产生的极化电荷和阱垒中自发极化产生的总电荷抵消从而消除内建的极化电场。这样就得到一无极化效应的量子阱活性层，进而改善LED的发光特性。从而提高器件的发光效率。
提高III族氮化物LED发光效率的量子阱结构的制备方法：首先，在MOCVD系统中对生长的衬底在900-1150℃温度下，通入N2或H2，进行材料热处理；然后在500-750℃温度范围通入载气N2，氨气以及金属有机源TMGa，通过控制载气，源气体流量以及生长温度等参数，在衬底上形成低温GaN缓冲层；再在该缓冲层上在900-1150℃温度下通入载气N2或H2，氨气以及金属有机源TMGa，通过控制载气，源气体流量以及生长温度等参数生长GaN过渡层，然后，在上述同样条件下生长材料上生长N型GaN导电层，该层掺杂浓度达1-10×1018cm-1以上；接着通入金属有机源TMGa、TMIn和TMAl，分别以600-800℃和700-900℃生长厚分别为5-20nm和15-40nm的5-10个周期的新型InGaN/AlGaInN量子阱结构层，其中InxGa1-xN层内材料组分x为0.1-0.4，AlxGayIn1-x+yN层内材料组分为0.1＜x＜0.4，0.1＜y＜0.4；最后生长一层掺杂浓度达1-3×1017cm-1的P型导电GaN层的LED器件结构。并对该结构在600-800℃温度和0.1-1小时退火时间进行退火激活。取片后通过半导体器件工艺形成TiAl、NiAu或TiAlNiAu合金的电极。组成LED结构。
本发明的机理和技术特点：利用MOCVD生长技术在蓝宝石衬底上利用多元III族氮化物半导体在带隙和晶格常数较大的可调性，采用四元合金AlGaInN材料作为量子阱势垒层，同时调整Al，In的组分来调整压电极化电荷的大小，使应变产生的极化电荷和阱垒中自发极化产生的总电荷抵消从而消除内建的极化电场。这样就得到一无极化效应的量子阱活性层，进而改善LED的发光特性。从而提高器件的发光效率。具体结构包括：衬底层6，缓冲层5，过渡层4，N型导电层3，新型量子阱结构层3，P型导电层1以及电极层7。
在MOCVD系统中对生长的衬底在900-1150℃温度下，通入N2或H2，进行材料热处理；然后在500-1050℃温度范围通入载气N2，氨气以及金属有机源TMGa，通过控制载气，源气体流量以及生长温度等参数，在衬底上形成低温GaN缓冲层；再在该缓冲层上在900-1150℃温度下通入载气N2或H2，氨气以及金属有机源TMGa，通过控制载气，源气体流量以及生长温度等参数生长GaN过渡层，然后，在上述同样条件下生长材料上生长N型GaN导电层，该层掺杂浓度达1×1018cm-1以上；接着通入金属有机源TMGa、TMIn和TMAl，分别以600-800℃和700-900℃生长厚分别为5-20nm和15-40nm的5-10个周期的新型InGaN/AlGaInN量子阱结构层，其中InxGa1-xN层内材料组分x为0-0.4，AlxGayIn1-x+yN层内材料组分为0＜x＜0.4，0＜y＜0.4；最后生长一层掺杂浓度达3×1017cm-1的P型导电GaN层的LED器件结构。并对该结构在600-800℃温度和0.1-1小时退火时间进行退火激活。取片后通过半导体器件工艺形成TiAl、NiAu或TiAlNiAu合金的电极。组成LED结构。
其中，新型InGaN/AlGaInN量子阱结构层的采用，以及衬底生长前的热退火工艺，热退火温度，生长后P型层退火激活温度和时间，生长材料的温度控制以及浓度大于1×1018cm-1N型层GaN，浓度大于1×1017cm-1P型层GaN的采用是本发明的关键。
本实用新型的有益效果是：利用多元III族氮化物半导体在带隙和晶格常数较大的可调性使应变产生的极化电荷和阱垒中自发极化产生的总电荷抵消从而消除内建的极化电场。得到一无极化效应的量子阱活性层，进而改善LED的发光特性。从而提高器件的发光效率。
附图说明
图1为III族氮化物和其它半导体材料带隙宽度、对应光谱波长与晶体常数的关系。从图中可以看出，由III族氮化物半导体材料组成的三元和四元合金化合物通过组分调节III族元素固熔含量，使其带隙宽度可从InN～0.7eV，GaN～3.4eV直至AlN～6.2eV连续可调，相对应的波长覆盖了从近红外到紫外较宽广的光谱范围。
图2为本发明为具有新型量子阱结构LED的具体结构。包括：衬底层6，缓冲层5，过渡层4，N型导电层3，新型量子阱结构层3，P型导电层1以及电极层7。
图3为具有InGaN/AlGaInN量子阱结构LED的具体结构的表面AFM照片。从可以看出，RMS＝0.676nm样品表面均方根粗糙度(RMS)较小，说明它的表面最为平整。所沉积的薄膜为原子级平滑的。
具体实施方式
本发明利用MOCVD生长技术在蓝宝石衬底上合成生长具有新型InGaN/AlGaInN量子阱结构LED的结构。具体包括以下几步：
1、在MOCVD系统中对生长的蓝宝石衬底在900-1150℃温度下进行材料热处理，或然后通入氨气进行表面氮化。
2、再在500-1050℃温度范围通入载气N2，氨气以及金属有机源TMGa，通过控制载气，源气体流量以及生长温度等参数，在衬底上合成生长10-100μm厚度的低温GaN缓冲层材料。
3、再在该GaN材料上以900-1150℃生长0.5-2000μm厚度的过渡层GaN，接着生长层厚为0.5-2μm的N型GaN层。
4、然后，再接着通入金属有机源TMGa、TMIn和TMAl，分别以600-800℃和700-900℃生长厚分别为5-20nm和15-40nm的5-10个周期的新型InGaN/AlGaInN量子阱结构层，其中InxGa1-xN势阱层内材料组分中x为0.1-0.4，AlxGayIn1-x+yN势垒层内材料组分为0.1＜x＜0.4，0.1＜y＜0.4。
5、最后生长一层厚度为100-500μm，掺杂浓度达3×1017cm-1的P型导电GaN层的LED器件结构。并对该结构在600-800℃温度和0.1-1小时退火时间进行退火激活。取片后通过半导体器件工艺形成TiAl、NiAu或TiAlNiAu合金的电极。组成LED结构。
6、其中，新型InGaN/AlGaInN量子阱结构层内采用AlxGayIn1-x+yN材料作为势垒层是本发明的关键。
本发明在蓝宝石衬底上生长新型InGaN/AlGaInN量子阱结构层的LED器件结构的优化生长条件范围见表1所示。其中，V/III比是指通入的V族元素和III族元素的原子摩尔比。
表1.新型InGaN/AlGaInN量子阱结构层的LED器件结构的优化生长条件范围
Claims (2)
1.一种LED量子阱结构，其特征是包括蓝宝石衬底层(6)，缓冲层(5)，过渡层(4)，N型导电层(3)，量子阱结构层(2)，P型导电层(1)以及电极层(7)；衬底层(6)上依次为GaN构成的缓冲层(5)，GaN构成的过渡层(4)，N型GaN构成的N型导电层(3)，InGaN/AlGaInN交替构成的量子阱结构层(2)，P型GaN构成的P型导电层(1)以及电极层(7)；其中所述缓冲层(5)为510-100μm厚度的低温GaN缓冲层材料；GaN构成的过渡层(4)是900-1150℃生长0.5-2000μm厚度GaN，N型GaN导电层(3)是层厚为0.5-2μm的N型GaN层；量子阱结构层(2)是5-10个周期且层厚分别为5-20nm/15-40nm的InGaN/AlGaInN量子阱结构层，其中InxGa1-xN势阱层内材料组分x为0.1-0.4，AlxGayIn1-x+yN势垒层内材料组分为0.1＜x＜0.4，0.1＜y＜0.4；P型导电层是厚度为100-500μm掺杂浓度达1-3×1017cm-1的P型导电GaN层。
2.提高III族氮化物LED发光效率的量子阱结构的制备方法：其特征是先在MOCVD系统中对生长的蓝宝石衬底在900-1150℃温度下，通入N2或H2，进行材料热处理；然后在500-750℃温度范围通入载气N2，氨气以及金属有机源TMGa，通过控制载气，源气体流量以及生长温度参数，在衬底上形成低温GaN缓冲层；再在该缓冲层上在900-1150℃温度下通入载气N2或H2，氨气以及金属有机源TMGa，通过控制载气，源气体流量以及生长温度参数生长GaN过渡层；然后在上述同样条件下生长材料上生长N型GaN导电层，该层掺杂浓度达1-10×1018cm-1以上；接着通入金属有机源TMGa、TMIn和TMAl，分别以600-800℃和700-900℃生长厚分别为5-20nm和15-40nm的5-10个周期的新型InGaN/AlGaInN量子阱结构层，其中InxGa1-xN层内材料组分x为0.1-0.4，AlxGayIn1-x+yN层内材料组分为0.1＜x＜0.4，0.1＜y＜0.4；最后生长一层掺杂浓度达1-3×1017cm-1的P型导电GaN层的LED器件结构；并对该结构在600-800℃温度和0.1-1小时退火时间进行退火激活。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Yangzhou Longyao Photoelectric Technology Development Co., Ltd. Assignor: Nanjing University Contract record no.: 2012320000421 Denomination of invention: LED quantum well structure for improving luminous efficiency of group III nitride and growth method thereof Granted publication date: 20101110 License type: Exclusive License Open date: 20090128 Record date: 20120409 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20101110 Termination date: 20150708 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |