CN101459216B - 一种非对称多量子阱结构的蓝光led及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种非对称多量子阱结构的蓝光LED及其制作方法，所述蓝光LED包括：蓝宝石衬底层、未掺杂的GaN层、n型GaN层、有源区及p型GaN层，所述有源区包括一个或连续两个窄能隙量子阱结构区、及在所述窄能隙量子阱结构区上连续生长的至少五个蓝光量子阱结构区，所述制作方法为在所述蓝宝石衬底层上依次生长所述未掺杂的GaN层、所述n型GaN层、所述有源区及所述p型GaN层。本发明提供的非对称多量子阱结构的蓝光LED及其制作方法，能够在不增加生长工艺的复杂性和MO源种类的情况下有效提高蓝光LED的亮度及寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种非对称多量子阱结构的蓝光LED及其制作方法，特别涉及一种高亮度长寿命GaN基非对称多量子阱结构的蓝光LED及其制作方法。
背景技术
GaN基蓝光发光二极管(Blue LED)是全色显示以及高密度DVD(HD-DVD)激光头的主导力量；同时，高性能的蓝光LED可以通过激发荧光粉获得白光，从而实现人类长久以来的梦想——全固态白光照明光源。随着器件性能的进一步提高，目前半导体发光二极管已经逐渐渗透到液晶电视背光，液晶电脑显示屏背光等高端领域，并且大有取代日光灯而进入千家万户之势。
半导体发光二极管是利用电子和空穴分别从n-型掺杂区和p-型掺杂区到达有源区进行复合产生辐射跃迁而发光的。但是，首先由于n-GaN层的电子浓度一般高于p-GaN层中的空穴浓度几个数量级，这样会导致发光界面靠近p层，当发光界面靠近p层时，只有靠近p层的1-2个量子阱的辐射跃迁对发光有贡献，亮度上很难有较大突破，同时由于发光界面靠近p层，因此离p层较远的量子阱由于淬灭中心的存在，发生非辐射跃迁的几率增加，导致产生的焦耳热增多，进而会使器件的寿命难以有效提高；其次，由于空穴与电子在浓度和迁移率方面存在较大差距，使电子比空穴易于输运到更深层的量子阱有源区，而多余的电子由于无法与空穴复合，最终会形成无效电流，从而降低器件的电流注入效率；最后，由于氮化镓基发光二极管中存在极化效应，使得量子阱中存在很强的极化电场，电子和空穴被空间分离导致辐射复合几率显著降低，因此人们通常采用较窄的量子阱结构来增加电子空穴的辐射复合几率，但是较窄的量子阱结构会导致电子和空穴的俘获几率较低，降低发光二极管电流注入效率。因此，高亮度长寿命电流注入率高的蓝光LED一直是产业界关注的焦点。
为了增加发光二极管的电流注入效率，降低其热阻，延长其寿命，已有各种结构被提出并加以应用，例如氮化镓基蓝光发光二极管中采用AlGaN做电子阻挡层，虽然可以增加电流注入效率，但由于很难获得高质量的AlGaN晶体，产生的缺陷会降低电子空穴辐射复合几率。再比如采用电子俘获发射层技术，虽然可以在一定程度上增加电子的俘获几率，但此技术无一例外的采用低In组份的宽能隙结构层，由于对电子的限制作用有限，因此这种结构只对相邻的量子阱有效，靠后的量子阱不会由于该层的存在而显著的增加电子的俘获几率。又比如在此基础上发明的原位电子俘获发射层，这种结构是在每个量子阱前都生长有电子俘获发射层，但该结构仍然采用宽能隙结构层，而且也增加了工艺的复杂性和不必要的成本。
发明内容
本发明所要解决的技术方案是提供一种非对称多量子阱结构的蓝光LED及其制作方法。
为解决上述技术方案，本发明提供一种非对称多量子阱结构的蓝光LED，包括：蓝宝石衬底层、未掺杂的GaN层、n型GaN层、有源区及p型GaN层，上述五者依次排列，所述有源区包括一个或连续两个窄能隙量子阱结构区、及在所述窄能隙量子阱结构区上连续生长的至少五个蓝光量子阱结构区；所述窄能隙量子阱结构区先生长窄能隙量子阱势垒层，再生长窄能隙量子阱势阱层；所述蓝光量子阱结构区先生长蓝光量子阱势阱层，再生长蓝光量子阱势垒层；有源区的生长以势垒层开始，并以势垒层结束；相邻两个蓝光量子阱结构区共用所述蓝光量子阱势垒层，相邻的窄能隙量子阱结构区及蓝光量子阱结构区共用所述窄能隙量子阱势垒层，且在所述有源区包括连续两个宅能隙量子阱结构区的情况下，相邻两个窄能隙量子阱结构区共用所述窄能隙量子阱势垒层；其中，所述窄能隙量子阱结构区的势垒层厚度薄于8nm，以增加电子的隧穿几率，所述窄能隙量子阱结构区的势阱层厚度厚于3nm，以增加窄能隙量子阱储存电子的能力，所述蓝光量子阱的势阱层薄于2nm，以增加电子空穴辐射复合的几率；所述每一个窄能隙量子阱结构区的势阱层的铟组份介于25％-35％之间，所述每一个蓝光量子阱结构区的势阱层的铟组份介于10％-15％之间。
较佳地，所述每一个窄能隙量子阱结构区的势阱层优选厚度为3nm-4nm，所述每一个窄能隙量子阱结构区的势垒层优选厚度为5-8nm。
较佳地，所述每一个蓝光量子阱结构区的势阱层优选厚度为1-2nm，所述每一个蓝光量子阱结构区的势垒层优选厚度为10-15nm。
本发明还提供一种制作非对称多量子阱结构的蓝光LED的方法，包括以下步骤：步骤1、在蓝宝石衬底上依次生长未掺杂的GaN层及n型GaN层；步骤2、在所述n型GaN层上生成一个或两个高铟组份的窄能隙量子阱结构区，其中，制作所述高铟组份窄能隙量子阱结构区的势垒层的工艺条件为：生长温度范围为750℃-850℃，反应腔压力范围为100-400Torr，NH3流速范围为10-24L/min，TEGa流速范围为200-300sccm，制作所述高铟组份的窄能隙量子阱结构区的势阱层的工艺条件为：铟组份介于25％-35％之间，反应腔压力范围为100-400Torr，生长温度范围为650℃-720℃，NH3流速范围为10-24L/min，TEGa的流速范围为40-180sccm，TMIn流速为600sccm-700sccm；步骤3、在所述高铟组份窄能隙量子阱结构区上生长至少5 个蓝光量子阱结构区，其中，制作所述蓝光量子阱结构中的蓝光量子阱势垒层的工艺条件为：生长温度范围为790-930℃，反应腔压力范围为100-400Torr，NH3流速范围为10-24L/min，TEGa流速范围为200-300sccm，制作所述蓝光量子阱结构中的蓝光量子阱势阱层的工艺条件为：铟组份介于10％-15％之间，反应腔压力范围为100-400Torr，生长温度范围为680-780℃，NH3流速范围为10-24L/min，TEGa流速范围为40-180sccm，TMIn流速范围为450-480sccm；步骤4、在所述蓝光量子阱结构区上生成p型GaN层。
较佳地，所述窄能隙量子阱结构区的势垒层及势阱层的生长温度比所述蓝光量子阱势垒层和势阱层的生长温度低40℃-80℃。
本发明的有益效果在于：不增加生长工艺的复杂性和MO源的种类，有效的提高蓝光LED的亮度及寿命。
附图说明
图1为非对称多量子阱结构的蓝光LED结构示意图。
图2为非对称多量子阱结构的蓝光LED的制作方法流程图。
图3为2个窄能隙量子阱结构区、及5个蓝光量子阱结构区生长温度随时间的变化曲线。
图4为非对称多量子阱结构的蓝光LED能级示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
请参阅图1，蓝光LED的非对称多量子阱结构包括蓝宝石衬底1、未掺杂的GaN层2、n型GaN层3、有源区、p型GaN层8。所述有源区包括2个窄能隙量子阱结构区、及5个蓝光量子阱结构区。所述窄能隙量子阱结构区包括窄能隙量子阱势垒层4及窄能隙量子阱势阱层5，所述蓝光量子阱结构区包括蓝光量子阱势垒层6及蓝光量子阱势阱层7，所述窄能隙量子阱结构区为高铟组份窄能隙量子阱结构区。
蓝宝石衬底1向上依次生长有未掺杂的GaN层2、n型GaN层3、2个窄能隙量子阱结构区、5个蓝光量子阱结构区及p型GaN层8。生长所述窄能隙量子阱结构区时，先生长窄能隙量子阱势垒层4，再生长窄能隙量子阱势阱层5；生长所述蓝光量子阱结构区时，先生长蓝光量子阱势阱层7，再生长蓝光量子阱势垒层6。有源区的生长均以势垒层开始，并以势垒层结束。相邻两个窄能隙量子阱结构区共用窄能隙量子阱势垒层4，相邻两个蓝光量子阱结构区公用蓝光量子阱势垒层6，相邻的窄能隙量子阱结构区及蓝光量子阱结构区共用窄能隙量子阱势垒层4。
本发明提供的非对称多量子阱结构的蓝光LED，其窄能隙量子阱结构区也可以为一个，蓝光量子阱结构区的个数可以为5个以上，但是窄能隙量子阱结构区及蓝光量子阱结构区的总数应在7个或以上，则本发明提供的非对称多量子阱结构的蓝光LED其有源区由1至2个窄能隙量子阱结构区和5个以上的蓝光量子阱结构区组成。先在靠近n型GaN层区域生长1至2个高铟组份窄能隙量子阱结构区，铟组份介于25％-35％之间，然后再顺次生长5个以上的蓝光量子阱结构区，铟组份介于10％-15％之间，窄能隙量子阱势垒层4及蓝光量子阱势垒层6材料均为未掺杂的高温生长的GaN。当总量子阱结构区数大于等于7个时，在不超过100mA的驱动电流下，空穴无法穿过蓝光有源区的势垒层到达窄能隙有源区与电子复合，故采用这种非对称结构生长的LED，不会产生偏离蓝光的EL谱，因此不会影响出射光的色纯度。
请参阅图1及图2，上述非对称多量子阱结构的蓝光LED的制作方法包括以下步骤：
步骤1、在蓝宝石衬底1上依次生长未掺杂的GaN层2及n型GaN层3；
步骤2、在n型GaN层3上生成一个或两个高铟组份窄能隙量子阱结构区，其中，制作窄能隙量子阱势垒层4的工艺条件为：窄能隙量子阱势垒层4的厚度约为5-8nm，生长温度范围为750℃-850℃，反应腔压力100-400Torr，NH3流速为10-24L/min，TEGa流速为200-300sccm，制作窄能隙量子阱势阱层5的工艺条件为：铟组份介于25％-35％之间，窄能隙量子阱5厚度约为3-4nm，反应腔压力100-400Torr，生长温度范围为650℃-720℃，NH3流速为10-24L/min，TEGa的流速为40-180sccm，TMIn流速为600sccm-700sccm；
步骤3、在所述高铟组份窄能隙量子阱结构区上生长至少5个蓝光量子阱结构区，其中，；制作蓝光量子阱势阱层7的工艺条件为：铟组份介于10％-15％之间，每个量子阱的厚度不超过2nm，以1-2nm为宜，反应腔压力100-400Torr，生长温度范围为680-780℃，以比窄能隙量子阱势阱层5相应的生长温度高40-80℃为宜，NH3流速10-24L/min，TEGa流速40-180sccm，TMIn流速450-480sccm，制作蓝光量子阱势垒层6的工艺条件为：蓝光量子阱势垒层6的厚度在10-15nm，生长温度范围为790-930℃，以比窄能隙量子阱势垒层4相应生长温度高40-80℃为宜，反应腔压力100-400Torr，NH3流速为10-24L/min，TEGa流速为200-300sccm；
步骤4、在所述蓝光量子阱结构区上生成p型GaN层8。
请参阅图3，窄能隙量子阱势垒层4的生长时间约为200s，窄能隙量子阱势垒层5的生长时间约为150s，蓝光量子阱势垒层6的生长时间约为350s，蓝光量子阱势阱层7的生长时间约为70s，图3所示为2个窄能隙量子阱结构区、及5个蓝光量子阱结构区生长温度随时间的变化曲线。可以看到，窄能隙量子阱势垒层4及势阱层5的生长温度要比蓝光量子阱势垒层6及势阱层7的生长温度低40℃-80℃，如此，既能与窄能隙量子阱的低温生长相对应，有效的 释放应力，又能防止生长温度过高引起InN分解、以及引起InGaN/GaN界面模糊并在外延片表面产生In滴等问题。
请参阅图4，图4为非对称多量子阱结构的蓝光LED能级示意图，数字代码表示对应的功能层。可以看到，窄能隙量子阱势阱层5的导带底能级(Ec)低于蓝光量子阱势阱层7的导带底能级，窄能隙量子阱势阱层5的价带顶能级(Ev)高于蓝光量子阱势阱层7的价带顶能级。本发明采用的窄能隙量子阱势垒层4厚度仅为5-8nm，这样的厚度是为了使窄能隙量子阱势阱层5中的电子能级与蓝光量子阱势阱层7中的高激发能级共振，进而有效增加窄能隙量子阱势阱层5中电子隧穿至蓝光量子阱势阱层7的几率，由此来增加电子空穴辐射复合的几率。同时，本发明采用的窄能隙量子阱势阱层5厚度约为3-4nm，而蓝光量子阱势阱层7的厚度不超过2nm，这样一方面可以增加窄能隙量子阱势阱层5储存电子的能力，从而增加后续蓝光量子阱势阱层7俘获电子的能力，另一方面较窄的蓝光量子阱势阱层7可以增加电子空穴辐射复合的几率，降低非辐射跃迁。
本发明提供的蓝光LED非对称多量子阱结构，一方面，可以作为电子缓冲层降低电子动能，从而使发光界面向n方向移动，以增加器件的发光亮度；另一方面，这种特殊的窄能隙的量子阱结构区能有效的增强量子阱储存电子的能力，不但可以通过较薄的势垒层增加电子的隧穿几率，以增加后续蓝光量子阱结构区俘获电子的能力，进而增加电流的注入效率，而且可以给蓝光量子阱势阱层7的厚度减薄留出余地，以增强辐射跃迁的几率，降低非辐射跃迁的几率，即减少了热阻，从而有效的提高LED器件的寿命。采用这种独创的非对称多量子阱结构不需要增加MO源的种类，也不会增加量子阱的循环个数，不但经济方便，还可以防止采用Al源后污染管道，影响MOCVD设备生长外延的重复性。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种非对称多量子阱结构的蓝光LED，包括蓝宝石衬底层、未掺杂的GaN层、n型GaN层、有源区及p型GaN层，上述五者依次排列，其特征在于：所述有源区包括一个或连续两个窄能隙量子阱结构区、及在所述窄能隙量子阱结构区上连续生长的至少五个蓝光量子阱结构区；
所述窄能隙量子阱结构区先生长窄能隙量子阱势垒层，再生长窄能隙量子阱势阱层；所述蓝光量子阱结构区先生长蓝光量子阱势阱层，再生长蓝光量子阱势垒层；有源区的生长以势垒层开始，并以势垒层结束；相邻两个蓝光量子阱结构区共用所述蓝光量子阱势垒层，相邻的窄能隙量子阱结构区及蓝光量子阱结构区共用所述窄能隙量子阱势垒层，且在所述有源区包括连续两个宅能隙量子阱结构区的情况下，相邻两个窄能隙量子阱结构区共用所述窄能隙量子阱势垒层；
其中，所述窄能隙量子阱结构区的势垒层厚度薄于8nm，以增加电子的隧穿几率，所述窄能隙量子阱结构区的势阱层厚度厚于3nm，以增加窄能隙量子阱储存电子的能力，所述蓝光量子阱的势阱层薄于2nm，以增加电子空穴辐射复合的几率；
所述每一个窄能隙量子阱结构区的势阱层的铟组份介于25％-35％之间，所述每一个蓝光量子阱结构区的势阱层的铟组份介于10％-15％之间。
2.如权利要求1所述的非对称多量子阱结构的蓝光LED，其特征在于：所述每一个窄能隙量子阱结构区的势阱层优选厚度为3nm-4nm，所述每一个窄能隙量子阱结构区的势垒层优选厚度为5-8nm。
3.如权利要求1所述的非对称多量子阱结构的蓝光LED，其特征在于：所述每一个蓝光量子阱结构区的势阱层优选厚度为1-2nm，所述每一个蓝光量子阱结构区的势垒层优选厚度为10-15nm。
4.一种制作非对称多量子阱结构的蓝光LED的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在蓝宝石衬底上依次生长未掺杂的GaN层及n型GaN层；
步骤2、在所述n型GaN层上生成一个或两个高铟组份的窄能隙量子阱结构区，其中，制作所述高铟组份窄能隙量子阱结构区的势垒层的工艺条件为：生长温度范围为750℃-850℃，反应腔压力范围为100-400Torr，NH3流速范围为10-24L/min，TEGa流速范围为200-300sccm，制作所述高铟组份的窄能隙量子阱结构区的势阱层的工艺条件为：铟组份介于25％-35％之间，反应腔压力范围为100-400Torr，生长温度范围为650℃-720℃，NH3流速范围为10-24L/min，TEGa的流速范围为40-180sccm，TMIn流速为600sccm-700sccm；
步骤3、在所述高铟组份窄能隙量子阱结构区上生长至少5个蓝光量子阱结构区，其中， 制作所述蓝光量子阱结构中的蓝光量子阱势垒层的工艺条件为：生长温度范围为790-930℃，反应腔压力范围为100-400Torr，NH3流速范围为10-24L/min，TEGa流速范围为200-300sccm，制作所述蓝光量子阱结构中的蓝光量子阱势阱层的工艺条件为：反应腔压力范围为100-400Torr，生长温度范围为680-780℃，NH3流速范围为10-24L/min，TEGa流速范围为40-180sccm，TMIn流速范围为450-480sccm；
步骤4、在所述蓝光量子阱结构区上生成p型GaN层。
5.如权利要求4所述制作的非对称多量子阱结构的蓝光LED的方法，其特征在于：所述窄能隙量子阱结构区的势垒层及势阱层的生长温度比所述蓝光量子阱势垒层和势阱层的生长温度低40℃-80℃。
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