CN102201516A - InGaN纳米柱阵列有源区LED及其制备方法 - Google Patents

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本发明涉及一种InGaN纳米柱阵列有源区LED及其制备方法。该LED包括依次生长在衬底上的低温GaN缓冲层、n型GaN层、有源区、p型AlGaN层和p型GaN层，所述有源区是由垂直于衬底的InGaN纳米柱阵列组成的。其制备方法包含如下步骤：将衬底放入材料生长设备中，通入Ga源和N源生长GaN低温缓冲层；升高温度，通入n型掺杂源在GaN低温缓冲层上生长n型GaN薄膜；降低温度，在n型GaN薄膜上生长垂直InGaN纳米柱阵列；升高温度，通入p型掺杂源在InGaN纳米柱阵列上生长p型掺杂AlGaN层；在p型掺杂AlGaN层上生长p型GaN层。本发明可以减弱极化场对LED发光效率的不良影响，提高出光效率，并增大有源区的体积。

Description

InGaN纳米柱阵列有源区LED及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种LED及其制备方法，尤其涉及一种以InGaN纳米柱阵列结构作为有源区的LED及其制备方法。
背景技术
自1994年Nakamura发表采用Zn掺杂InGaN层为有源区成功制备蓝光LED的论文以来，基于InGaN有源区的LED研究引起了人们的广泛关注。如今人们多采用InGaN/GaN多量子阱为LED有源区，制备的LED效率逐渐提高。InGaN/GaN多量子阱有源区LED已在LCD背光、景观照明、投影仪等领域有了许多应用。
虽然InGaN/GaN多量子阱有源区LED的效率获得了很大提升，但仍有两个主要问题仍未解决：一是在大电流密度驱动下LED发光效率下降问题(efficiency droop)；二是绿光LED效率仍然很低(green gap)。
人们已对InGaN/GaN多量子阱有源区LED存在的两个主要问题已经开展了研究，目前对于大电流密度驱动下LED发光效率下降的主要原因归结为InGaN/GaN量子阱有源区电子的泄漏，泄漏主要是由多量子阱有源区(MQW)和电子阻挡层(EBL)内的极化场导致。
InGaN/GaN多量子阱有源区绿光LED效率低的主要原因也是极化场。相对于蓝光LED，极化场对绿光LED的影响更为显著，因为InGaN中In组分的提高增加了InGaN和GaN层的晶格失配，从而增加了应力，使得极化场更强，这样绿光LED在很小的驱动电流下就会产生发光效率急剧下降的现象，同时极化场还导致量子受限斯塔克效应(Quantum-confined Stark Effect)的出现，降低了电子空穴的复合几率，从而降低了发光效率。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的目的之一在于提出一种InGaN纳米柱阵列有源区LED，其可大大减弱极化场对LED发光效率的不良影响，从而有效提高LED的发光效率。
本发明的另一目的在于提出一种制备前述InGaN纳米柱阵列有源区LED的方法。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种InGaN纳米柱阵列有源区LED，其特征在于，它包括依次生长在衬底上的低温GaN缓冲层、n型GaN层、有源区、p型AlGaN层和p型GaN层，所述有源区是由垂直于衬底的InGaN纳米柱阵列组成的。
具体而言，所述衬底可选自但不限于蓝宝石、碳化硅、硅、石英玻璃和铁中的任意一种材料或二种以上材料的组合形成。
优选的，所述InGaN纳米柱阵列的平均长度在10nm～3000nm之间，平均直径在2nm～2000nm之间。
作为一种优选实施方式，所述GaN低温缓冲层厚度在1nm～1000nm之间，所述n型GaN层厚度在500nm～3000nm之间，所述p型AlGaN层厚度在10nm～100nm之间，所述p型GaN层厚度在10nm～500nm之间。
作为另一种优选实施方式，所述n型GaN层电子浓度在1×1017～1×1019cm-3之间，所述p型AlGaN层和p型GaN层的空穴浓度在1×1016～1×1019cm-3之间。
所述n型GaN层中掺杂浓度为5×1017～5×1020cm-3的Si，所述p型AlGaN层和P型GaN层中掺杂浓度为5×1017～5×1020cm-3的Mg。
如上所述InGaN纳米柱阵列有源区LED的制备方法，其特征在于，该方法为：在衬底上依次生长形成低温GaN缓冲层、n型GaN薄膜、垂直InGaN纳米柱阵列、p型AlGaN层和p型GaN层；其中，所述InGaN纳米柱阵列的生长温度条件为500℃～800℃，且InGaN纳米柱阵列的平均长度在10nm～3000nm之间，平均直径在2nm～2000nm之间。
进一步的讲，该方法包括如下步骤：
(1)在温度为500℃～700℃的条件下，向材料生长设备中通入Ga源和N源在衬底上生长形成厚度1nm～1000nm的GaN低温缓冲层；
(2)提高温度至700℃～1200℃，并通入n型掺杂源在GaN低温缓冲层上生长形成厚度500nm～3000nm的n型GaN薄膜；
(3)降低温度至500℃～800℃，并通入In源在n型GaN薄膜上生长形成InGaN纳米柱阵列；
(4)提高温度至700℃～1200℃，并通入p型掺杂源在InGaN纳米柱阵列上生长厚度10nm～100nm的p型掺杂AlGaN层；
(5)在温度为700℃～1200℃的条件下，在p型掺杂AlGaN层上生长厚度10nm～500nm的p型GaN层。
所述Ga源可选自但不限于三甲基镓、三乙基镓、GaCl和GaCl3中的任意一种或两种以上的组合；
所述In源可选自但不限于三甲基铟、InCl和InCl3中的任意一种或两种以上的组合；
所述N源可选自但不限于NH3和/或N2；
所述n型掺杂源可选自但不限于硅烷、四氯化硅和乙硅烷中的任意一种或两种以上的组合；
所述p型掺杂源可选自但不限于二茂镁、Mg和Mg3N2中的任意一种或两种以上的组合。
所述n型GaN层中掺杂浓度为5×1017～5×1020cm-3的Si，所述p型AlGaN层和P型GaN层中掺杂浓度为5×1017～5×1020cm-3的Mg。
所述材料生长设备选自金属有机化学气相沉积设备、分子束外延设备、氢化物气相外延设备中的任意一种。
本发明相对于传统的以InGaN/GaN多量子阱为有源区的LED具有如下优势：
1)与InGaN/GaN多量子阱相比，InGaN纳米柱阵列可以在很大程度上释放失配应力，大大减弱极化场对LED发光效率的不良影响，且纳米柱晶体质量较高因此也可提高LED的发光效率；
2)InGaN纳米柱阵列结构相对于传统薄膜结构可以增大LED的出光效率，InGaN纳米柱可以较长而无位错，相对于传统的薄量子阱结构增加了发光区的体积。
附图说明
图1是本发明一优选实施方式中InGaN垂直纳米柱阵列有源区LED的结构示意图：
其中各附图标记及其指示的组件分别为：1、衬底；2、GaN低温缓冲层；3、n型GaN层；4、InGaN纳米柱有源区；5、p型AlGaN电子阻挡层；6、p型GaN层。
具体实施方式
参阅图1，作为一种优选的实施方式，本发明的InGaN纳米柱阵列有源区结构的LED包括依次排列的衬底1、低温GaN缓冲层2、n型GaN层3、InGaN纳米柱阵列有源区4、p型AlGaN层5和p型GaN层6。
该InGaN纳米柱阵列有源区LED的制备方法包括如下步骤：
1、将衬底放入材料生长设备中，通入Ga源和N源生长GaN低温缓冲层2，生长温度为500℃～700℃，厚度为10nm～1000nm。
2、升高温度至700℃～1200℃，通入n型掺杂源在GaN低温缓冲层2上生长n型GaN薄膜3，厚度为50nm～3000nm。
3、降低温度至500℃～800℃，在n型GaN薄膜3上生长垂直InGaN纳米柱阵列4，长度在10nm～3000nm之间，直径在2nm～2000nm之间。
在上述步骤中通过控制Ga源、In源和N源的流量比例、生长温度和时间来控制InGaN纳米柱的组分、直径、长度、成核密度和形貌。
4、升高温度至700℃～1200℃，通入p型掺杂源在InGaN纳米柱阵列4上生长p型掺杂AlGaN层，厚度为10nm～100nm。
5、在p型掺杂AlGaN层上生长p型GaN层，生长温度为700℃～1200℃，厚度为10nm～500nm。
前述衬底可选自：蓝宝石、碳化硅、硅、石英玻璃、铁；前述材料生长设备可选自：MOCVD、MBE、HVPE；前述Ga源可选自：GaCl3、GaCl、三甲基镓、三乙基镓；前述In源可选自：InCl3、InCl、三甲基铟；前述n型掺杂源可选自：硅烷、乙硅烷或四氯化硅；前述p型掺杂源可选自：Mg、Mg3N2、Cp2Mg。
以下结合若干较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1该InGaN纳米柱阵列有源区LED的制备方法为：
1、在蓝宝石衬底上生长低温GaN缓冲层，生长温度为550℃～700℃之间，采用GaCl3为Ga源，温度控制在20℃～200℃之间，Ar为载气，流量控制在10sccm～500sccm之间，NH3流量在10sccm～1000sccm之间，厚度在1nm～1000nm之间。
2、在GaN缓冲层上生长n型GaN层，生长温度在700℃～1200℃之间，GaCl3源温度控制在20℃～200℃之间，Ar为载气，流量控制在10sccm～1000sccm之间，NH3流量在100sccm～10slm之间，厚度在500nm～3000nm之间。
3、在n型GaN层生长InGaN纳米柱，生长温度在500℃～800℃之间，GaCl3源温度控制在20℃～200℃之间，InCl3为In源，温度控制在200℃～500℃之间，Ar为载气，流量控制在10sccm～1000sccm之间，NH3流量在100sccm～10slm之间，长度在10nm～3000nm之间，直径为2nm～2000nm。
4、在InGaN纳米柱上生长p型AlGaN层，生长温度在800℃～1200℃之间，GaCl3源温度控制在20℃～200℃之间，AlCl3控制在0℃～200℃之间，Ar为载气，流量控制在10sccm～500sccm之间，NH3流量在100sccm～10slm之间，二茂镁或镁为p型掺杂剂，镁掺杂浓度在5×1017～5×1020cm-3之间，厚度为10nm～100nm。
5、在p型AlGaN层上生长p型GaN层，生长温度在700℃～1200℃之间，GaCl3源温度控制在20℃～200℃之间，Ar为载气，流量控制在10sccm～1000sccm之间，NH3流量在100sccm～10slm之间，二茂镁或镁为p型掺杂剂，镁掺杂浓度在5×1017～5×1020cm-3之间，厚度为10nm～500nm。
采用该方法制作的LED工作电流密度可达50A/cm2以上而无明显的效率下降，工作波长为530nm的绿光LED绿光LED内量子效率可达30％以上。
实施例2该InGaN纳米柱阵列有源区LED的制备方法为：
1、采用MOCVD在蓝宝石衬底上生长低温GaN缓冲层，生长温度在500℃～700℃之间，NH3流量在10sccm～10slm之间，厚度在1nm～1000nm之间。
2、采用MOCVD在GaN缓冲层上生长n型GaN层，生长温度在700℃～1200℃之间，NH3流量在100sccm～20slm之间，厚度在500nm～3000nm之间。
3、在n型GaN层生长InGaN纳米柱，生长温度在500℃～800℃之间，GaCl3源温度控制在20℃～200℃之间，InCl3为In源，温度控制在200℃～500℃之间，Ar为载气，流量控制在10sccm～1000sccm之间，NH3流量在100sccm～10slm之间，长度在10nm～3000nm之间。
4、采用MOCVD在InGaN纳米柱上生长p型AlGaN层，生长温度在800℃～1200℃之间，NH3流量在100sccm～10slm之间，二茂镁或镁为p型掺杂剂，镁掺杂浓度在5×1017～5×1020cm-3之间，厚度为10nm～100nm。
5、采用MOCVD在AlGaN层上生长p型GaN层，生长温度在700℃～1200℃之间NH3流量在100sccm～20slm之间，镁掺杂浓度在5×1019～5×1020cm-3之间，厚度在10nm～500nm之间。
采用该方法制作的LED工作电流密度可达50A/cm2以上而无明显的效率下降，工作波长为530nm的绿光LED内量子效率可达30％以上。
以上对本发明较佳实施方式的详细描述，对本案保护范围不应构成任何限制，凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方法，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (11)

1.一种InGaN纳米柱阵列有源区LED，其特征在于：它包括依次生长在衬底上的低温GaN缓冲层、n型GaN层、有源区、p型AlGaN层和p型GaN层，所述有源区是由垂直于衬底的InGaN纳米柱阵列组成的。
2.根据权利要求1所述的InGaN纳米柱阵列有源区LED，其特征在于：所述衬底是由蓝宝石、碳化硅、硅、石英玻璃和铁中的任意一种材料或二种以上材料的组合形成。
3.根据权利要求1所述的InGaN纳米柱阵列有源区LED，其特征在于：所述InGaN纳米柱阵列的平均长度在10nm～3000nm之间，平均直径在2nm～2000nm之间。
4.根据权利要求1所述的InGaN纳米柱阵列有源区LED，其特征在于：所述GaN低温缓冲层厚度在1nm～1000nm之间，所述n型GaN层厚度在500nm～3000nm之间，所述p型AlGaN层厚度在10nm～100nm之间，所述p型GaN层厚度在10nm～500nm之间。
5.根据权利要求1或4所述的InGaN纳米柱阵列有源区LED，其特征在于：所述n型GaN层电子浓度在1×1017～1×1019cm-3之间，所述p型AlGaN层和p型GaN层的空穴浓度在1×1016～1×1019cm-3之间。
6.根据权利要求5所述的InGaN纳米柱阵列有源区LED，其特征在于：所述n型GaN层中掺杂浓度为5×1017～5×1020cm-3的Si，所述p型AlGaN层和P型GaN层中掺杂浓度为5×1017～5×1020cm-3的Mg。
7.如权利要求1所述InGaN纳米柱阵列有源区LED的制备方法，其特征在于，该方法为：在衬底上依次生长形成低温GaN缓冲层、n型GaN薄膜、垂直InGaN纳米柱阵列、p型AlGaN层和p型GaN层；其中，所述InGaN纳米柱阵列的生长温度条件为500℃～800℃，且InGaN纳米柱阵列的平均长度在10nm～3000nm之间，平均直径在2nm～2000nm之间。
8.根据权利要求7所述的InGaN纳米柱阵列有源区LED的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)在温度为500℃～700℃的条件下，向材料生长设备中通入Ga源和N源在衬底上生长形成厚度1nm～1000nm的GaN低温缓冲层；
(2)提高温度至700℃～1200℃，并通入n型掺杂源在GaN低温缓冲层上生长形成厚度500nm～3000nm的n型GaN薄膜；
(3)降低温度至500℃～800℃，并通入In源在n型GaN薄膜上生长形成InGaN纳米柱阵列；
(4)提高温度至700℃～1200℃，并通入p型掺杂源在InGaN纳米柱阵列上生长厚度10nm～100nm的p型掺杂AlGaN层；
(5)在温度为700℃～1200℃的条件下，在p型掺杂AlGaN层上生长厚度10nm～500nm的p型GaN层。
9.根据权利要求8所述的InGaN纳米柱阵列有源区LED的制备方法，其特征在于：
所述Ga源为三甲基镓、三乙基镓、GaCl和GaCl3中的任意一种或两种以上的组合；
所述In源为三甲基铟、InCl和InCl3中的任意一种或两种以上的组合；
所述N源为NH3和/或N2；
所述n型掺杂源为硅烷、四氯化硅和乙硅烷中的任意一种或两种以上的组合；
所述p型掺杂源为二茂镁、Mg和Mg3N2中的任意一种或两种以上的组合。
10.根据权利要求7或8所述的InGaN纳米柱阵列有源区LED的制备方法，其特征在于：所述n型GaN层中掺杂浓度为5×1017～5×1020cm-3的Si，所述p型AlGaN层和p型GaN层中掺杂浓度为5×1017～5×1020cm-3的Mg。
11.根据权利要求8所述的InGaN纳米柱阵列有源区LED的制备方法，其特征在于：所述材料生长设备选自金属有机化学气相沉积设备、分子束外延设备、氢化物气相外延设备中的任意一种。
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