CN101807640A - 利用三维极化感应空穴气提高led发光效率的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用三维极化感应空穴气提高LED发光效率的方法，包括如下步骤：步骤1：选择一衬底；步骤2：在衬底上依次生长低温成核层、低温缓冲层、n型层、有源区、宽禁带势垒层和p型层，形成外延片；步骤3：在外延片上面的一侧进行刻蚀，刻蚀深度到达n型层的表面，形成一台面；步骤4：在该台面上制备一n电极；步骤5：在p型层的上面，制备一p电极。

Description

利用三维极化感应空穴气提高LED发光效率的方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，可适用于蓝光、绿光、紫光和紫外光等所有GaN基LED中，是一种利用三维极化感应空穴气提高LED的发光效率的方法。

背景技术

自从1992年Nakamura等研制出第一支InGaN/GaN DH蓝光LED，在世界范围内掀起了一场研究GaN基LED的热潮。特别是1996年日本Nichia公司报道称研制成功了白光LED后，新一代照明产业革命就此拉开序幕。目前著名的LED照明公司，日本的Nichia，美国的Cree，德国的Osram，飞利浦公司等都投入大量的人力物力进行LED照明产品的研究开发和生产。据有关统计，照明消耗约占整个电力消耗的20％。而目前照明用的光源主要是白炽灯和荧光灯等。而这些光源的效率都很低，且寿命较短。白炽灯的效率只有不到5％，寿命大约是1000小时，荧光灯的效率相对高些，但是也只有25％，寿命也1000小时左右。而且作为照明光源，荧光灯所发出的白光对人的舒适度也不是最佳的。而白光LED因其寿命长，目前可达10万小时，且能源损耗很低，成为了新一代白光照明的最佳光源。据理论统计，若美国55％白炽灯及55％的日光灯被LED取代，每年节省350亿美元电费，每年减少7.55亿吨二氧化碳排放量。日本100％白炽灯换成LED，可减少1-2座核电厂发电量，每年节省10亿公升以上的原油消耗。台湾地区25％白炽灯及100％的日光灯被白光LED取代，每年节省110亿度电。显然，白光LED照明对于节约地球能源有着无法衡量的意义。近些年来氮化镓基LED的迅猛发展，白光LED效率有了很大提高，取代目前照明所用的白炽灯和荧光灯已指日可待。但是其效率相对理论值还有很大提升空间。而长久以来，限制白光LED效率提高的因素也很多。其中深受广大学者关注的一个难题就是，高空穴浓度的P型材料难以实现。主要有两个原因，一是材料本身有很高的本征背底电子浓度，一些非故意掺杂的施主杂质会对受主杂质有补偿作用。另一个原因则是受主杂质的激活能较高，如Mg原子在GaN中的激活能高达200meV，在AlN中的激活能更是高达630meV。因此高空穴浓度的p型掺杂很难实现。而且相对具有较高迁移率的电子，空穴的迁移率非常低。由于这些因素导致有源区空穴浓度较低，而电子则会过冲泄漏到p型区。这在很大程度上限制了LED发光效率的提高。而在大电流下，这种缺陷也被很多研究者认为是导致发光效率的衰减，即efficiency droop效应的原因。

目前，为了解决LED效率较低的现象，被大家普遍接受的一个方法是：在有源区与p型层之间生长一层AlGaN势垒层作为电子阻挡层。这种方法虽然在一定程度上能起到阻挡电子泄漏的作用，但是同时也阻挡了空穴向量子阱有源区的注入。而且，由于量子阱中的极化电场使得n侧能带抬升，因此AlGaN层实际对电子的阻挡作用被减弱。而AlGaN层中的较强的极化电场又会使得其与最后的GaN垒层界面处产生了一个很高的价带带阶尖峰，对空穴的阻挡作用变得更严重。尤其是在大电流下，空穴浓度成为主要的限制因素时，AlGaN电子阻挡层的存在反而会使得LED的发光效率降低。Sang-Heon Han，Dong-Yul Lee等人在Appl.Phys.Lett.94，231123，2009，“Effect of electron blocking layer on efficiency droop inInGaN/GaN multiple quantum well light-emitting diodes”中也用实验结果和模拟计算论证了这个问题。因此，相对电子过冲泄露导致LED效率降低的问题，提高空穴浓度则更为关键。然而由于受主杂质较高的激活能，且杂质掺杂浓度也不能无限提高，因此通过提高掺杂浓度来提高空穴浓度的作用非常有限。而降低受主杂质的激活能的方法则较难实现。总之，提高p型层空穴浓度将是一个非常之难的工作。据最新文献报道，John Simon，Vladimir Protasenko等人在Science.Vol327，2010，“Polarization-Induced Hole Doping in Wide-Band-Gap UniaxialSemiconductor Heterostructures”中提到的在N面的GaN上生长组分渐变增加的AlGaN使其极性反转获得3D感应空穴气。我们通过计算，生长在GaN上的AlGaN层中有浓度可高达1e15/m^2的极化电荷，因此这是一个不错的提高空穴浓度的方法。然而，美中不足的是，获得高质量的N极性面的GaN则有一定的难度。而本发明则是致力于AlGaN层的优化，使其在容易获得的(0001)极性面上即可获得高浓度的极化感应空穴，最终实现提高LED的发光效率的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用三维极化感应空穴气提高LED发光效率的方法，该方法主要在于通过在(0001)极性面上生长宽禁带势垒层6，该层可以是AlGaN或AlIGaN材料，其组分沿(0001)轴线性降低，利用该层内较强的极化效应产生三维感应空穴气，提高空穴浓度，使得LED发光效率提高。

本发明提供一种利用三维极化感应空穴气提高LED发光效率的方法，包括如下步骤：

步骤1：选择一衬底；

步骤2：在衬底上依次生长低温成核层、低温缓冲层、n型层、有源区、宽禁带势垒层和p型层，形成外延片；

步骤3：在外延片上面的一侧进行刻蚀，刻蚀深度到达n型层的表面，形成一台面；

步骤4：在该台面上制备一n电极；

步骤5：在p型层的上面，制备一p电极。

其中衬底为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。

其中高温n型层为Si掺杂，其生长温度为800-1200℃，厚度为0.1-0.3um。

其中有源区是双异质结结构、单量子阱结构或者是多量子阱结构，多量子阱的个数为1-15个，阱的厚度为2-3nm，垒层厚度为5-12nm。

其中宽禁带势垒层为AlGaN材料，该势垒层生长在(0001)极性面上，其生长温度为800-1200℃，总厚度为20-60nm，其中组分沿生长方向(0001)轴线性降低。

其中该宽禁带势垒层为AlInGaN材料，该势垒层生长在(0001)极性面上，其生长温度为800-1200℃，总厚度为20-60nm，其中组分沿生长方向(0001)轴线性降低。

其中生长在宽禁带势垒层上的p型层为Mg掺杂，其生长温度为800-1200℃，厚度为100-200nm。

附图说明

为进一步说明本发明的内容，以下结合具体实施方式对本发明做一详细的描述，其中：

图1是本发明的结构示意图。

图2是传统结构的能带示意图。

图3是本发明结构的能带示意图。

图4是本发明与传统结构的电子浓度对比图。

图5是本发明与传统结构的空穴浓度对比图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种利用三维极化感应空穴气提高LED发光效率的方法，包括如下步骤：

步骤1：选择一衬底1，该衬底1为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底；

步骤2：在衬底1上依次生长低温成核层2、低温缓冲层3、高温n型层4、有源区5、宽禁带势垒层6和p型层7，形成外延片；其中高温n型层4为Si掺杂，其生长温度为800-1200℃，厚度为0.1-0.3um；所述的有源区5是双异质结结构、单量子阱结构或者是多量子阱结构，多量子阱的个数为1-15个，阱的厚度为2-3nm，垒层厚度为5-12nm；其中宽禁带势垒层6为组分渐变的带势垒层，该宽禁带势垒层6为AlGaN材料，该势垒层生长在(0001)极性面上，其生长温度为800-1200℃，总厚度为20-40nm，其中组分沿生长方向(0001)轴线性降低；其中所述的该宽禁带势垒层6为AlInGaN材料，该势垒层生长在(0001)极性面上，其生长温度为800-1200℃，总厚度为20-40nm；其中生长在宽禁带势垒层6上的p型层7为Mg掺杂，其生长温度为800-1200℃，厚度为100-200nm；

步骤3：在外延片上面的一侧进行刻蚀，刻蚀深度到达高温n型层4的表面，形成一台面41；

步骤4：在该台面41上制备一n电极8；

步骤5：在p型层7的上面，制备一p电极9。

本发明关键在于优化LED中在有源区5上生长的宽禁带势垒层6，使其产生三维极化感应空穴气，提高空穴浓度，并减弱对空穴的阻挡。该宽禁带势垒层6可以是AlGaN、AlInGaN或者其他合适的材料。在我们现在的传统结构中，宽禁带势垒层一般采用的是组分均匀的AlGaN或者AlInGaN材料，但是该材料具有较强的自发极化电场，且极化电场方向为(000-1)方向。而极化电场的存在导致在价带上宽禁带势垒层6与有源区5的界面处则形成了一个很高的带阶尖峰，使得对空穴的阻挡作用加剧，如图2所示。因此实际上传统的组分均匀的宽禁带势垒层对电子起阻挡作用的同时严重阻挡了空穴的注入。因此提高空穴浓度是提高LED发光效率的关键。本发明提供了一种利用三维极化感应空穴气提高LED发光效率的方法。该方法是在有源区5上生长宽禁带势垒层6，该层是生长在(0001)极性面上的，其组分沿生长方向(0001)轴线性降低。而随着组分的变化，该层内的自发极化电场强度也是沿(0001)轴线性减弱的。由于该宽禁带势垒层6中的极化电场方向为(000-1)，这样在有源区5与宽禁带势垒层6界面处产生了较高浓度的净极化正电荷。我们把整个宽禁带势垒层6划分为晶格常数厚度的无数层，则沿(0001)方向，每一层的极化电场都比前一层的极化电场弱，因此在每相邻两层的界面处就会产生净极化负电荷。这样就在整个宽禁带势垒层6内部则产生了连续分布的极化负电荷。这些极化负电荷会感应产生连续的三维空穴气，提高了空穴浓度，如图5所示。同时参阅图3所示，由于极化电场的作用该宽禁带势垒层6的导带在有源区一侧被抬高，而价带的弯曲程度很小，带阶势垒很小，最终达到了较强的电子阻挡作用，如图4所示。本发明的新结构对空穴的阻挡也应该会减弱。综合以上几点优势，使得有源区中载流子浓度尤其是空穴浓度大大提高，最终达到了提高LED发光效率的目的。另外，由于极化感应空穴不受温度的影响，因此，在较低温度下，其极化感应空穴浓度不会减弱，因此使得器件在低温下不会出现性能劣化。本发明适用广泛，可适用于所有GaN基LED中，如蓝光、绿光、紫光和紫外光的普通结构LED，以及垂直结构LED和倒装结构LED等。

本发明提供了一种利用三维极化感应空穴气提高LED发光效率的方法。为了更明确的说明本发明的优势以及实现方式，我们给出一个利用组分渐变AlGaN层的三维极化感应空穴气来提高LED发光效率的实例。参阅图1所示，此实例的具体实现方法包括以下步骤：

(1)选取蓝宝石作为衬底1；

(2)在衬底1上低温生长一层20nm厚的GaN成核层2，生长温度500℃；

(3)在成核层上生长一层2.5um厚的低温GaN缓冲层3，生长温度为550℃；

(4)在低温缓冲层上生长一层高温掺Si的n-GaN层4，生长温度1000℃，厚度0.2um；

(5)n-GaN上生长GaN/InGaN多量子阱有源区5，GaN垒层生长温度840℃，阱的数量为8个，厚度为12nm，InGaN阱层生长温度是750℃；

(6)在GaN spacer层上直接生长Mg掺杂的AlGaN势垒层6，采用变换Al源流量的方式使Al组分沿生长方向从0.3线性降低到0，总厚度为40nm，生长温度恒定为1000℃；

(7)在AlGaN电子阻挡层上生长Mg掺杂的p-GaN层7，生长温度为1000℃，厚度为140nm；

(8)在刻蚀出的n-GaN台面上用Ti/Au做欧姆接触的n型电极8；

(9)在p-GaN表面采用Ti/Al作欧姆接触的p型电极9。

本发明通过简单地优化宽禁带势垒层6，用(0001)面上生长的组分渐变的宽禁带势垒层6代替传统的组分均匀的宽禁带势垒层6，获得了三维极化感应空穴气，同时也增强了其对电子的阻挡作用，减弱了对空穴的阻挡作用，使得空穴的浓度大幅度提高，最终达到了提高LED发光效率的目的。我们的生长方法较简单，容易实现。

Claims (7)

1.一种利用三维极化感应空穴气提高LED发光效率的方法，包括如下步骤：

步骤1：选择一衬底；

步骤2：在衬底上依次生长低温成核层、低温缓冲层、n型层、有源区、宽禁带势垒层和p型层，形成外延片；

步骤3：在外延片上面的一侧进行刻蚀，刻蚀深度到达n型层的表面，形成一台面；

步骤4：在该台面上制备-n电极；

步骤5：在p型层的上面，制备-p电极。

2.根据权利要求1所述的利用三维极化感应空穴气提高LED发光效率的方法，其中衬底为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。

3.根据权利要求1所述的利用三维极化感应空穴气提高LED发光效率的方法，其中高温n型层为Si掺杂，其生长温度为800-1200℃，厚度为0.1-0.3um。

4.根据权利要求1所述的利用三维极化感应空穴气提高LED发光效率的方法，其中有源区是双异质结结构、单量子阱结构或者是多量子阱结构，多量子阱的个数为1-15个，阱的厚度为2-3nm，垒层厚度为5-12nm。

5.根据权利要求1所述的利用三维极化感应空穴气提高LED发光效率的方法，其中宽禁带势垒层为AlGaN材料，该势垒层生长在(0001)极性面上，其生长温度为800-1200℃，总厚度为20-60nm，其中组分沿生长方向(0001)轴线性降低。

6.根据权利要求1所述的利用三维极化感应空穴气提高LED发光效率的方法，其中该宽禁带势垒层为AlInGaN材料，该势垒层生长在(0001)极性面上，其生长温度为800-1200℃，总厚度为20-60nm，其中组分沿生长方向(0001)轴线性降低。

7.根据权利要求1所述的利用三维极化感应空穴气提高LED发光效率的方法，其中生长在宽禁带势垒层上的p型层为Mg掺杂，其生长温度为800-1200℃，厚度为100-200nm。

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