CN102487113A - 提高发光效率的GaN基LED外延片及其制备与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高发光效率的GaN基LED外延片及其制备与应用。使用掺镁的铟镓氮和掺镁的氮化镓的多周期重复结构来代替传统的P型掺镁氮化镓层，一方面利用铟镓氮和氮化镓的极化效应产生较高的载流子浓度，不需要再次进行氮气退火。另一方面利用铟镓氮和氮化镓的多周期重复结构产生的表面空洞实现表面粗化，提高了氮化镓发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高氮化镓基蓝绿发光二极管发光效率的方法，属于光电子技术领域。
背景技术
近年来，半导体发光二极管受到人们的广泛关注，它具有体积小、效率高、寿命长等优点。宽禁带III-V半导体材料的迅猛发展使得高亮度发光二极管实现了从绿光到近紫外产品的商品化。目前，普通绿色至紫外范围的发光二极管广泛应用于交通信号灯、全色显示、液晶屏幕背光板、汽车仪表及内装灯等。近些年来，紫外发光二极管进入市场，主要用于生物粒子的探测(如吸收范围在260-340nm的细菌芽孢的探测)、空气和水的纯化、医疗和诊断等。与一般的发光二极管相比，紫外发光二极管对材料的质量要求更高。
目前，氮化镓基发光二极管的发光效率受到内量子效率和提取效率两方面的限制。内量子效率相对较低的其中一个原因是载流子浓度不够，尤其是P型区很难获得较高的空穴浓度。提取效率低的主要原因是衬底、外延层和空气之间的折射率差值较大。氮化镓的的折射率约为2.4，而蓝宝石和空气分别为1.7和1，有源区发出的光在氮化镓与蓝宝石衬底界面，氮化镓与空气界面会发生全反射，导致光不能有效的导出芯片。提高载流子浓度的方法一般是通过高温生长P型氮化镓，然后氮气退火来实现，提高镁在氮化镓中的激活效率。提高提取效率的方法一般是采用PSS衬底技术，表面粗化技术和侧壁腐蚀技术，原理是改变GaN与衬底或者GaN与空气或者衬底与空气之间接触面的几何图形，从而改变光的反射方向，使光偏离全反射角，从而提高光的提取效率。
中国专利文献CN03118955.5公开的采用多量子阱制备绿光氮化镓基LED外延片，该方法提供了一种P型氮化镓的生长方法，先用950-1100度的温度生长0.1-0.5微米的掺镁的P型氮化镓层，然后在氮气条件下于600-850度温度下退火10-60分钟。该方法使用的P型氮化镓生长温度比多量子阱的生长温度高约200度，对多量子阱层容易产生破坏，而且在生长完LED后需要较长时间的退火，增加了时间成本。
中国专利文献CN101714594A公开了一种氮化镓基发光二极管外延层表面粗化的方法，该方法通过在外延层表面生长SiOx或SiNx薄膜，在薄膜上涂覆光刻胶并制备掩膜图案，对SiOx或SiNx进行刻蚀，得到图形化的SiOx或SiNx薄膜，并以此为掩膜外延生长P型GaN，从而得到粗化的LED表面。该方法的工艺比较复杂，很容易降低产品的良率；而干法刻蚀或高温腐蚀又会对量子阱造成损伤。
发明内容
本发明针对现有氮化镓发光二极管提高载流子浓度和表面粗化方法存在的一些不足，提出一种能显著提高发光效率的GaN基LED外延片及其制备方法。
本发明还提供所述GaN基LED外延片的应用，即一种提高氮化镓发光二极管发光效率的方法。
术语说明：
1、LED：发光二极管的常规简称，目前本行业普遍采用该简称LED。
2、氮化镓(GaN)基LED外延片：采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法在衬底上依次生长多层结构的外延层，其中氮化镓为基层。
本发明采用铟镓氮和氮化镓的多周期重复结构来代替已有技术中传统的P型掺镁氮化镓层，一方面起到了表面粗化的作用，另一方面提高了P型区的载流子浓度。
本发明的技术方案如下：
一种提高发光效率的氮化镓基LED外延片，所述的氮化镓基LED外延片的结构包括在蓝宝石或碳化硅衬底上生长有氮化镓、氮化铝或铝镓氮缓冲层，所述缓冲层上面生长有非掺杂氮化镓层，非掺杂氮化镓层上面生长有N型氮化镓层，在N型氮化镓上生长有多量子阱结构或铟镓氮层，在该层上面生长有掺镁的铝镓氮层，其特征在于，在掺镁的铝镓氮层表面生长有掺镁的铟镓氮和氮化镓的多周期重复结构，所述的掺镁的铟镓氮和掺镁的氮化镓的多周期重复结构中，镁掺杂浓度均为1×1019-5×1020/cm-3，铟镓氮层的厚度为1nm-8nm，氮化镓层的厚度为5nm-20nm，重复周期为10-70。
优选的，所述的氮化镓基LED外延片的结构中：
所述的非掺杂氮化镓层厚度为2μm，N型氮化镓层厚度为3μm，N型氮化镓层的硅掺杂浓度为1×1018-1×1019/cm-3；
所述的多量子阱结构的阱层为铟镓氮材料，垒层为氮化镓材料，多量子阱周期为5-20；
所述的掺镁的铝镓氮层，厚度为10-100nm，镁掺杂浓度为1×1019-1×1020/cm-3。
本发明氮化镓基LED外延片的制备方法，采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法，在蓝宝石或碳化硅衬底上按现有技术依次生长氮化镓、氮化铝或铝镓氮缓冲层，非掺杂氮化镓层，N型氮化镓层，多量子阱结构，掺镁的铝镓氮层，其特征在于，在掺镁的铝镓氮层表面生长掺镁的铟镓氮和掺镁的氮化镓的多周期重复结构，所述的掺镁的铟镓氮和掺镁的氮化镓的多周期重复结构生长温度600-900℃，生长速率为0.5nm/min-50nm/min；镁掺杂浓度均为1×1019-5×1020/cm-3，掺镁的铟镓氮层的厚度为1nm-8nm，掺镁的氮化镓层的厚度为5nm-20nm，重复周期为10-70。
优选的，一种氮化镓基LED外延片的制备方法，步骤如下：
(1)将蓝宝石或碳化硅衬底放入MOCVD设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1000-1150℃，处理5-15分钟。
(2)在步骤(1)处理好的衬底上按现有技术生长氮化镓、氮化铝或铝镓氮缓冲层。
(3)在上述的缓冲层上按现有技术依次生长非掺杂氮化镓和N型氮化镓，生长温度为1000-1100℃，生长层厚度为：非掺杂氮化镓层2μm，N型氮化镓层3μm；其中N型氮化镓的硅掺杂浓度为1×1018-1×1019/cm-3。
(4)在上述的N型氮化镓层上生长多量子阱结构，阱层为铟镓氮材料，垒层为氮化镓材料，生长温度为650-900℃，多量子阱生长重复周期为5-20。或者，
在上述的N型氮化镓层上生长铟镓氮层(双异质结结构LED)，铟镓氮层厚度为12～13nm，生长温度750-800℃。
(5)在上述的多量子阱结构上或铟镓氮层上生长掺镁的铝镓氮层，掺镁的铝镓氮层厚度为10-100nm，镁掺杂浓度为1×1019-1×1020/cm-3。
(6)在上述的掺镁的铝镓氮层表面生长掺镁的铟镓氮和掺镁的氮化镓的多周期重复结构。优选的，生长温度600-900℃，镁掺杂浓度为1×1019-5×1020/cm-3，掺镁的铟镓氮层的厚度为1nm-8nm，掺镁的氮化镓层的厚度为5nm-20nm，生长重复周期为10-70，掺镁的铟镓氮和掺镁的氮化镓的多周期重复结构的生长速率为0.5nm/min-50nm/min。
根据本发明的方法，优选的，上述步骤(2)中，氮化镓缓冲层的生长温度400-600℃，厚度10-50nm；氮化铝或铝镓氮缓冲层的生长温度850-1150℃，厚度50-200nm。
本发明的方法中未加以限定的部分均按现有技术。
本发明还提供所述GaN基LED外延片的应用，用于制作发光二极管，提高氮化镓发光二极管发光效率。
一种提高氮化镓发光二极管发光效率的方法，其特征在于，采用本发明所述的具有掺镁的铟镓氮和掺镁的氮化镓的多周期重复结构的氮化镓发光二极管外延片制作发光二极管。
本发明的技术特点及优良效果如下：
(1)本发明的氮化镓基LED外延片利用掺镁的铟镓氮和氮化镓的多周期重复结构来代替传统的P型掺镁的氮化镓材料，由于极化效应的存在，该层不需要经过外延片生长后的退火处理就可以达到较高的空穴浓度，减少了一道工序。工艺简单、成本降低。
(2)采用本发明方法生长的掺镁的铟镓氮和氮化镓的多周期重复结构表面存在密度很高的空洞，起到了表面粗化的作用，也减少了外延片表面再做表面粗化处理的过程。
(3)本发明的外延片表面的掺镁的铟镓氮和氮化镓的多周期重复结构是含铟的结构，与氮化镓发光二极管使用的透明电极的氧化铟锡材料易于形成欧姆接触。
本发明的氮化镓基LED外延片利用掺镁的铟镓氮和氮化镓的多周期重复结构来代替传统的P型掺镁的氮化镓材料，一方面起到了表面粗化的作用，另一方面提高了P型区的载流子浓度，使氮化镓发光二极管的发光效率提高约50％。
附图说明
图1是传统的氮化镓发光二极管外延片的LED结构示意图。
图2是本发明方法的氮化镓发光二极管外延片LED结构示意图。
图3是本发明的双异质结LED结构示意图。
图1-3中，1、衬底，2、缓冲层，3、非掺杂氮化镓，4、N型氮化镓层，5、多量子阱结构，6、掺镁的铝镓氮层，7、P型掺Mg氮化镓层，8、P电极，9、N电极，10、掺镁的铟镓氮和掺镁的氮化镓的多周期重复结构，11、铟镓氮单层。
图4是本发明实施例1的氮化镓发光二极管外延片粗化的表面形貌扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
实施例1-3是在蓝宝石或SiC衬底上生长如图2所示的LED结构。
实施例1：蓝宝石衬底GaN基LED外延片，按照以下步骤生长：
(1)将蓝宝石衬底1放入MOCVD设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1150℃，处理15分钟。
(2)在衬底上生长氮化镓缓冲层2，生长温度550℃，厚度30nm；
(3)在上述缓冲层2上生长非掺杂氮化镓3和N型氮化镓4，生长温度为1100℃，生长厚度分别为非掺杂氮化镓2μm和N型氮化镓3μm。N型氮化镓4的硅掺杂浓度为1×1019/cm-3。
(4)在N型氮化镓4上生长多量子阱结构5，其中，阱层为铟镓氮材料，垒层为氮化镓材料，生长温度为750℃，多量子阱生长周期为20。
(5)在多量子阱结构5上生长掺镁的铝镓氮层6，厚度为100nm，镁掺杂浓度为1×1020/cm-3。
(6)在掺Mg的铝镓氮层6表面生长掺镁的铟镓氮和掺镁的氮化镓的多周期重复结构10。生长温度900℃，镁掺杂浓度为5×1020/cm-3。掺镁的铟镓氮层的厚度为5nm，氮化镓层的厚度为10nm。重复生长周期为50。铟镓氮和氮化镓的多周期重复结构的生长速率为50nm/min。
所制备的外延片表面粗化的形貌如图4所示。
与图1所示的传统结构相比(蓝宝石衬底)，使用本实施例1的GaN基LED外延片制作的LED，发光效率提高约50％。
实施例2：
按照以下步骤生长LED外延片：
(1)将碳化硅衬底1放入MOCVD设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1120℃，处理8分钟。
(2)在上述碳化硅衬底1上生长氮化铝缓冲层2，生长温度1000℃，厚度200nm。
(3)在缓冲层2上生长非掺杂氮化镓3和N型氮化镓4，生长温度为1050℃，生长厚度分别为非掺杂氮化镓2μm和N型氮化镓3μm；N型氮化镓的硅掺杂浓度为2×1018/cm-3。
(4)在N型氮化镓4上生长多量子阱结构5，阱层为铟镓氮材料，垒层为氮化镓材料，生长温度为750℃，多量子阱重复生长周期为10。
(5)在多量子阱结构5上生长掺镁的铝镓氮层6，厚度为80nm，镁掺杂浓度为5×1019/cm-3。
(6)在掺Mg的铝镓氮层6表面生长掺镁的铟镓氮和掺镁的氮化镓的多周期重复结构10。生长温度800℃。镁掺杂浓度为5×1020/cm-3。掺镁的铟镓氮层的厚度为5nm，掺镁的氮化镓层的厚度为10nm。重复生长周期为40。铟镓氮和氮化镓的多周期重复结构的生长速率为15nm/min。
使用该结构的外延片制作的LED，发光效率相比传统碳化硅衬底上的LED提高约49％。
实施例3：按照以下步骤生长LED外延片：
(1)将蓝宝石衬底1放入MOCVD设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1140℃，处理11分钟。
(2)在上述蓝宝石衬底1上生长铝镓氮缓冲层2，生长温度1000℃，厚度200nm。
(3)在缓冲层2上生长非掺杂氮化镓3和N型氮化镓4，生长温度为1100℃，生长厚度分别为2μm和3μm。N型氮化镓的硅掺杂浓度为1×1019/cm-3。
(4)在N型氮化镓4上生长多量子阱结构5，阱层为铟镓氮材料，垒层为氮化镓材料，生长温度为750℃，多量子阱重复生长周期为20。
(5)在多量子阱结构5上生长掺镁的铝镓氮层6，厚度为100nm，镁掺杂浓度为1×1020/cm-3。
(6)在掺Mg的铝镓氮层6表面生长掺镁的铟镓氮和掺镁的氮化镓的多周期重复结构10。生长温度600℃。镁掺杂浓度为1×1020/cm-3，掺镁的铟镓氮层的厚度为8nm，掺镁的氮化镓层的厚度为20nm，重复生长周期为70，铟镓氮和氮化镓的多周期重复结构的生长速率为0.5nm/min。
使用该结构生长的LED，发光效率相比传统蓝宝石衬底上的LED提高约51％。
实施例4：双异质结结构LED，如图3所示，按照以下步骤生长：
(1)将蓝宝石衬底1放入MOCVD设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1150℃，处理13分钟。
(2)在上述蓝宝石衬底1上生长氮化镓缓冲层2，生长温度1000℃，厚度20nm。
(3)在上述缓冲层2上生长非掺杂氮化镓3和N型氮化镓4，生长温度为1100℃，生长厚度分别为2μm和3μm。N型氮化镓的硅掺杂浓度为1×1019/cm-3。
(4)在N型氮化镓4上生长铟镓氮层11，铟镓氮层11厚度为13nm，生长温度800℃。
(5)在铟镓氮层11上生长掺镁的铝镓氮层6，厚度为100nm，镁掺杂浓度为1×1020/cm-3。
(6)在掺Mg的铝镓氮层6表面生长掺镁的铟镓氮和掺镁的氮化镓的多周期重复结构10。生长温度600℃，镁掺杂浓度均为1×1020/cm-3。掺镁的铟镓氮层的厚度为6nm，掺镁的氮化镓层的厚度为20nm。重复生长周期为70。掺镁的铟镓氮和掺镁的氮化镓的多周期重复结构的生长速率为0.5nm/min。
使用该结构生长的LED，发光效率相比传统双异质结LED提高约50％。
Claims (9)
1.一种提高发光效率的氮化镓基LED外延片，所述的氮化镓基LED外延片的结构包括在蓝宝石或碳化硅衬底上生长有氮化镓、氮化铝或铝镓氮缓冲层，所述缓冲层上面生长有非掺杂氮化镓层，非掺杂氮化镓层上面生长有N型氮化镓层，在N型氮化镓上生长有多量子阱结构或铟镓氮层，在该层上面生长有掺镁的铝镓氮层，其特征是：
在掺镁的铝镓氮层表面生长有掺镁的铟镓氮和氮化镓的多周期重复结构，所述的掺镁的铟镓氮和掺镁的氮化镓的多周期重复结构中，镁掺杂浓度均为1×1019-5×1020/cm-3，铟镓氮层的厚度为1nm-8nm，氮化镓层的厚度为5nm-20nm，重复周期为10-70。
2.如权利要求1所述的氮化镓基LED外延片，其特征在于，所述的非掺杂氮化镓层厚度为2μm，N型氮化镓层厚度为3μm，N型氮化镓层的硅掺杂浓度为1×1018-1×1019/cm-3。
3.如权利要求1所述的氮化镓基LED外延片，其特征在于，所述的多量子阱结构的阱层为铟镓氮材料，垒层为氮化镓材料，多量子阱周期为5-20。
4.如权利要求1所述的氮化镓基LED外延片，其特征在于，所述的掺镁的铝镓氮层，厚度为10-100nm，镁掺杂浓度为1×1019-1×1020/cm-3。
5.一种氮化镓基LED外延片的制备方法，采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法，在蓝宝石或碳化硅衬底上按现有技术依次生长氮化镓、氮化铝或铝镓氮缓冲层，非掺杂氮化镓层，N型氮化镓层，多量子阱结构或铟镓氮层，掺镁的铝镓氮层，其特征在于，在掺镁的铝镓氮层表面生长掺镁的铟镓氮和掺镁的氮化镓的多周期重复结构，所述的掺镁的铟镓氮和掺镁的氮化镓的多周期重复结构生长温度600-900℃，生长速率为0.5nm/min-50nm/min；镁掺杂浓度均为1×1019-5×1020/cm-3，掺镁的铟镓氮层的厚度为1nm-8nm，掺镁的氮化镓层的厚度为5nm-20nm，重复周期为10-70。
6.一种氮化镓基LED外延片的制备方法，步骤如下：
(1)将蓝宝石或碳化硅衬底放入MOCVD设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1000-1150℃，处理5-15分钟；
(2)在步骤(1)处理好的衬底上按现有技术生长氮化镓、氮化铝或铝镓氮缓冲层；
(3)在上述的缓冲层上按现有技术依次生长非掺杂氮化镓和N型氮化镓，生长温度为1000-1100℃，生长层厚度为：非掺杂氮化镓层2μm，N型氮化镓层3μm；其中N型氮化镓的硅掺杂浓度为1×1018-1×1019％cm-3；
(4)在上述的N型氮化镓层上生长多量子阱结构，阱层为铟镓氮材料，垒层为氮化镓材料，生长温度为650-900℃，多量子阱生长重复周期为5-20；或者，
在上述的N型氮化镓层上生长铟镓氮层，铟镓氮层厚度为12～13nm，生长温度750-800℃；
(5)在上述的多量子阱结构上或铟镓氮层上生长掺镁的铝镓氮层，掺镁的铝镓氮层厚度为10-100nm，镁掺杂浓度为1×1019-1×1020/cm-3；
(6)在上述的掺镁的铝镓氮层表面生长掺镁的铟镓氮和掺镁的氮化镓的多周期重复结构，生长温度600-900℃，镁掺杂浓度为1×1019-5×1020/cm-3，掺镁的铟镓氮层的厚度为1nm-8nm，掺镁的氮化镓层的厚度为5nm-20nm，生长重复周期为10-70，掺镁的铟镓氮和掺镁的氮化镓的多周期重复结构的生长速率为0.5nm/min-50nm/min。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于步骤(2)中，氮化镓缓冲层的生长温度400-600℃，厚度10-50nm；氮化铝或铝镓氮缓冲层的生长温度850-1150℃，厚度50-200nm。
8.如权利要求1-4任一项所述的GaN基LED外延片的应用，用于制作发光二极管，提高氮化镓发光二极管发光效率。
9.一种提高氮化镓发光二极管发光效率的方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的具有掺镁的铟镓氮和掺镁的氮化镓的多周期重复结构的氮化镓发光二极管外延片制作发光二极管。
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