CN101488548B - 一种高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED，在蓝宝石衬底上依次向上生长有GaN成核层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱有源层、p型AlGaN载流子阻挡层及p型GaN层，所述多量子阱有源层包括：用于释放应力的多量子阱InxGa1-xN/GaN层、在所述多量子阱InxGa1-xN/GaN层上生长的且用于提高晶体质量改善电学性质的多量子阱InyGa1-yN/GaN层、及在所述多量子阱InyGa1-yN/GaN层上生长的多量子阱InzGa1-zN/GaN发光层。本发明提供的高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED能够改善结晶质量，较好地减少InGaN和GaN间的V型缺陷，提高LED的开启电压。
Description
技术领域
本发明涉及一种高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED，特别涉及一种高In组分多种成分的InGaN/GaN量子阱结构的LED。
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。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(InN)到6.2eV(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。
近几年GaN基蓝光LED的量子效率获得重大提高，但是GaN基绿光LED的量子效率相对于GaN基蓝光LED低得多(见参考文献Y.D.Qi、H.Liang，D.Wang、Z.D.Lu、W.Tang，K.M.Lau，Comparison of blue and green InGaN/GaN multiple-quantum-welllight-emitting diodes grown by metalorganic vapor phase epitaxy，Appl.Phys.Lett.2005，86，101903)，制作上比蓝光LED困难的多。GaN基绿光LED需要高质量高In组分的InxGa1-xN/GaN量子阱(x≥15％)，但高In组分的InGaN材料及InGaN/GaN量子阱的质量通常较差.InN的晶格常数a为0.3545nm和六方相GaN间的晶格常数a为0.3189nm，可见随着In组分的增加InGaN/GaN间的晶格失配增大，应力增大，容易在InxGa1-xN/GaN多量子阱的界面容易产生大量的V型缺陷；并且高In组分的InGaN材料容易发生In的相分离，这些是GaN基绿光、黄光及红光等LED外量子效率低，电性差抗静电能力差的主要原因。此外InN的带隙为0.7eV，GaN的带隙为3.39eV，随着In组分的增加，InGaN的带隙变小，导致LED的开启电压降低等。
为了改进上述问题，在中国专利申请号为200580025327.3，公开号为CN101006590，申请人为克里公司，发明人为M·J·伯格曼及D·T·埃默森的发明名称为“具有含铟结构的III族氮化物基量子阱发光器件结构”的发明中，提出了一种在有源区上具有包含铟的III族氮化物层及在包含铟的III族氮化物层上具有包含铝的p型III族氮化物层的结构，来改善结晶质量，然而，其改善仍然有限。为了克服现有技术中的上述问题，本发明的发明人在LED领域进行了广泛深入的研究，终有本发明的产生。
发明内容
本发明的所要解决的技术方案是提供一种高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED。
为解决上述技术方案，本发明提供一种高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED，在蓝宝石衬底上依次向上生长有GaN成核层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱有源层、p型ALGaN载流子阻挡层及p型GaN层，所述多量子阱有源层包括：用于释放应力的多量子阱InxGa1-xN/GaN层、在所述多量子阱InxGa1-xN/GaN层上生长的且用于提高晶体质量改善电学性质的多量子阱InyGa1-yN/GaN层、及在所述多量子阱InyGa1-yN/GaN层上生长的多量子阱InzGa1-zN/GaN发光层，其中0＜x≤0.1，0.1＜y≤0.2，0.2＜z＜1。
较佳地，所述多量子阱InyGa1-yN/GaN层由1至6个量子阱阱层厚度为1.5-5nm的量子阱组成。
较佳地，所述多量子阱InyGa1-yN/GaN层由4个量子阱阱层厚度为3nm的量子阱组成，其中y＝0.15。
较佳地，所述多量子阱InxGa1-xN/GaN层由1至6个量子阱阱层厚度为2-5nm的量子阱组成。
较佳地，所述多量子阱InxGa1-xN/GaN层由5个量子阱阱层厚度为3nm的量子阱组成，其中，x＝0.08。
较佳地，所述多量子阱InzGa1-zN/GaN发光层由4至15个量子阱阱层厚度为1-5nm的量子阱组成。
较佳地，所述多量子阱InzGa1-zN/GaN发光层由5个量子阱阱层厚度为2.3nm的量子阱组成，其中z＝0.25。
本发明的有益效果在于：能够改善结晶质量，较好地减少InGaN和GaN间的V型缺陷，改善LED的电学性质，提高发光效率，本方法特别适用于高In组分的InGaN基LED。
附图说明
图1为本发明提供的高In组分多InGaN/GaN量子阱结构LED的结构示意图。
图2为InGaN/GaN量子阱有源层的导带示意图。
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，本发明提供的高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED，包括在蓝宝石衬底1上依次向上生长的GaN成核层2、非掺杂GaN层3、n型GaN层4、InGaN/GaN量子阱有源层5、p型ALGaN载流子阻挡层6及p型GaN层7。
InGaN/GaN量子阱有源层5包括多量子阱InxGa1-xN/GaN层5a、多量子阱InyGa1-yN/GaN层5b及多量子阱InzGa1-zN/GaN层5c。多量子阱InxGa1-xN/GaN层5a由1至6个InxGa1-xN/GaN量子阱组成，其中，0＜x≤0.1，InxGa1-xN为阱层，厚度为2-5nm，GaN为垒层；多量子阱InyGa1-yN/GaN层5b由1至6个InyGa1-yN/GaN量子阱组成，其中0.1＜y≤0.2，InyGa1-yN为阱层，厚度为1.5-5nm，GaN为垒层；多量子阱InzGa1-zN/GaN层5c由4至15个InzGa1-zN/GaN量子阱组成，其中0.2＜z＜1，InzGa1-zN为阱层，厚度为1-5nm，GaN为垒层。
上述多量子阱InxGa1-xN/GaN层5a的阱层厚度优选为3nm，多量子阱InyGa1-yN/GaN层5b的阱层厚度优选为3nm，多量子阱InzGa1-zN/GaN层5c的阱层厚度优选为2.3nm。
为了制造上述高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED，本发明采用MOCVD方法，利用高纯NH3做N源，三甲基镓或三乙基镓做镓源，三甲基铟做铟源，三甲基铝做铝源，硅烷用作n型掺杂剂，二茂镁用作p型掺杂剂。
实施例一
利用MOCVD设备外延生长高亮度的高In组分多量子阱的LED，所用的衬底为(001)面的蓝宝石。首先在MOCVD反应室中将蓝宝石衬底1加热到1200℃，在H2下处理5min，然后温度降低到500~600℃生长GaN成核层2，厚度约30nm；然后温度升至1160℃，H2作载气，以3.0微米/小时的生长速率外延生长4微米厚的GaN缓冲层，其中包括0.5微米厚的非掺杂GaN层3和3.5微米厚的掺Si的n型GaN层4，Si的掺杂浓度在5×1017cm-3至5×1019cm-3之间。
然后将温度降低到650~750℃间，载气切换为N2，在该缓冲层上生长1至6个InxGa1-xN/GaN量子阱，其中，0＜x≤0.1，每层InxGa1-xN阱层厚度为3nm，每层GaN垒层厚度为10nm；接着生长1至6个InyGa1-yN/GaN量子阱，其中0.1＜y≤0.2，每层InyGa1-yN阱层厚度为3nm，每层GaN垒层厚度为10nm；再生长4至15个InzGa1-zN/GaN量子阱，其中0.2＜z＜1，每层InzGa1-zN阱层厚度为2.3nm，每层GaN垒层厚度为10nm；在上述制造过程中，TEGa的摩尔流量为0.1×10-5摩尔/分钟至1.5×10-5摩尔/分钟，TMIn的摩尔流量为1×10-5摩尔/分钟至10×10-5摩尔/分钟之间，NH3的流量为12升/分钟。
最后，把温度升高至1000~1100℃，H2做载气，生长25nm厚的p型Al0.15Ga0.85N和200nm厚的p型GaN层，Mg掺杂浓度在5×1019cm-3至5×1020cm-3之间。
实施例二
利用MOCVD设备外延生长高亮度的高In组分多量子阱的LED，所用的衬底为(001)面的蓝宝石。首先在MOCVD反应室中将蓝宝石衬底1加热到1200℃，在H2下处理5min，然后温度降低到500~600℃生长GaN成核层2，厚度约30nm；然后温度升至1160℃，H2作载气，以3.0微米/小时的生长速率外延生长4微米厚的GaN缓冲层，其中包括0.5微米厚的非故意掺杂GaN层3和3.5微米厚的掺Si的n型GaN缓冲层4，Si的掺杂浓度在5×1017cm-3至5×1019cm-3之间。
然后将温度降低到650~850℃间，载气切换为N2，在该缓冲层上以800℃生长5个InxGa1-xN/GaN量子阱，其中x＝0.08，每层InxGa1-xN阱层厚度为3nm，每层GaN垒层厚度为10nm；接着以750℃生长4个InyGa1-yN/GaN量子阱，其中y＝0.15，每层InyGa1-yNN阱层厚度为3nm，每层GaN垒层厚度为10nm；再以720℃生长5个InzGa1-zN/GaN量子阱，其中z＝0.25，此时形成的LED为绿光LED，每层InzGa1-zN阱层厚度为2.3nm，每层GaN垒层厚度为10nm；在上述生长过程中，TEGa的摩尔流量为0.1×10-5摩尔/分钟至1.5×10-5摩尔/分钟，TMIn的摩尔流量为5×10-5摩尔/分钟，NH3的流量为12升/分钟。
最后，把温度升高至1000~1100℃，H2做载气，生长25nm厚的p型Al0.15Ga0.85N和200nm厚的p型GaN层，Mg掺杂浓度在5×1019cm-3至5×1020cm-3之间。
请参阅图2，在本实施例中的InGaN/GaN多量子阱有源层5的生长过程中，组成多量子阱InxGa1-xN/GaN层5a的InxGa1-xN/GaN量子阱，组成多量子阱InyGa1-yN/GaN层5b的InyGa1-yN/GaN量子阱，组成多量子阱InzGa1-zN/GaN层5c的InzGa1-zN/GaN量子阱，具有生长温度阶梯。InxGa1-xN/GaN量子阱、InyGa1-yN/GaN量子阱及InzGa1-zN/GaN量子阱的生长温度分别约为800℃、750℃及720℃。
本发明通过在外延生长发光层多量子阱InzGa1-zN/GaN层5c前引入一组In组分在0~0.1之间的多量子阱InxGa1-xN/GaN层5a，及In组分在0.1~0.2之间的多量子阱InyGa1-yN/GaN层5b，在此基础上外延出出高质量的高In组分(In组分大于0.2)的多量子阱InzGa1-zN/GaN发光层5c，其中多量子阱InxGa1-xN/GaN层5a可以释放n型GaN层4和有源区5之间的应力，多量子阱InyGa1-yN/GaN层5b的In组分比多量子阱InzGa1-zN/GaN层5c中的要少很多，晶体质量比多量子阱InzGa1-zN/GaN层5c好很多，能够较好地改善电学性质，多量子阱InzGa1-zN/GaN层5c为发光层。此发明的多量子阱结构特别适应于高In组分的多InGaN/GaN量子阱结构的LED，可减少InGaN和GaN间的V型缺陷，提高发光效率。
经测试，采用此发明的多量子阱结构的LED，300微米×300微米的520nm的LED芯片的电致发光谱中是单峰，20mA下的亮度由200mcd升高至350mcd，芯片的正向工作电压不变，芯片的开启电压由2.0V提高至2.4V，芯片的抗静电能力由人体模式1000V提高至人体模式4000V。
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 (7)
1.一种高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED，在蓝宝石衬底上依次向上生长有GaN成核层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱有源层、p型ALGaN载流子阻挡层及p型GaN层，其特征在于，所述多量子阱有源层包括：用于释放应力的多量子阱InxGa1-xN/GaN层、在所述多量子阱InxGa1-xN/GaN层上生长的且用于提高晶体质量改善电学性质的多量子阱InyGa1-yN/GaN层、及在所述多量子阱InyGa1-yN/GaN层上生长的多量子阱InzGa1-zN/GaN发光层，其中0＜x≤0.1，0.1＜y≤0.2，0.2＜z＜1。
2.如权利要求1所述的高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED，其特征在于：所述多量子阱InyGa1-yN/GaN层由1至6个量子阱阱层厚度为1.5-5nm的量子阱组成。
3.如权利要求2所述的高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED，其特征在于：所述多量子阱InyGa1-yN/GaN层由4个量子阱阱层厚度为3nm的量子阱组成，其中y＝0.15。
4.如权利要求1所述的高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED，其特征在于：所述多量子阱InxGa1-xN/GaN层由1至6个量子阱阱层厚度为2-5nm的量子阱组成。
5.如权利要求4所述的高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED，其特征在于：所述多量子阱InxGa1-xN/GaN层由5个量子阱阱层厚度为3nm的量子阱组成，其中，x＝0.08。
6.如权利要求1所述的高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED，其特征在于：所述多量子阱InzGa1-zN/GaN发光层由4至15个量子阱阱层厚度为1-5nm的量子阱组成。
7.如权利要求6所述的高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED，其特征在于：所述多量子阱InzGa1-zN/GaN发光层由5个量子阱阱层厚度为2.3nm的量子阱组成，其中z＝0.25。
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