CN102738340B - 一种采用AlInN量子垒提高GaN基LED内量子效率的LED结构及制备方法 - Google Patents
一种采用AlInN量子垒提高GaN基LED内量子效率的LED结构及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种采用AlInN量子垒提高GaN基LED内量子效率的LED结构及制备方法，属于光电子技术领域。本发明在通用的InGaN/GaN阱垒基础之上进行改进：在每个量子阱两侧或者一侧分别加入比GaN垒带隙宽度更大的材料，即AlxIn1-xN材料，以提高有效势垒高度，从而有效抑制量子阱内载流子的溢出，从而提高载流子的注入效率，提高器件内量子效率的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用AlInN量子垒提高GaN基LED内量子效率的LED结构及制备方法，属于光电子技术领域。
背景技术
III V族宽禁带直接带隙半导体具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高硬度、稳定的化学性质、较小介电常数和耐高温等一系列优点，因此其在高亮度蓝色发光二极管、蓝色半导体激光器以及抗辐射、高频、高温、高压等电子电力器件中有着广泛的实际应用和巨大的市场前景。GaN是半导体III族氮化物的基本材料，质地坚硬，且化学性质异常稳定，室温下不与酸、碱反应，不溶于水，具有较高的熔点1700℃。GaN具有优秀的电学性质，电子迁移率最高可达900cm2/(V·s)。n型掺杂的GaN材料很容易得到，但是p型掺杂GaN却不易得到，p型GaN曾经是GaN器件的制约瓶颈。在热退火技术提出之后，GaN较容易地实现了Mg杂质的掺杂，目前p型载流子浓度可以达到1017～1020/cm3。近十几年来，采用缓冲层的外延技术和p型掺杂的提高，使得GaN基器件研究重新振兴，变为热点。
传统的LED结构中，通常采用InGaN/GaN(量子阱/量子垒)结构，而在蓝宝石(α-Al2O3)或者碳化硅(SiC)衬底上沿着[0001]方向外延得到的GaN基材料却存在自发极化和压电极化，致使量子阱和量子垒能带产生严重弯曲，弯曲的势垒对载流子尤其是电子的束缚能力大大降低，当注入电流密度很小时器件内量子效率便达到饱和，注入电流密度进一步增加，会使得电子漏电流变得严重，注入效率变低，从而使得内量子效率变低、衰减。
已经有很多解决措施提出，例如使用Si掺杂的InGaN量子阱作为电流扩展层，参阅文献K C Kim，Y C Choi，D H Kim，“Influence of electron tunneling barriers on the performance ofInGaN/GaN ultraviolet light emitting diodes”，Phys.Stat.Sol.A，2004，2663-2667，虽然器件内部电流得到扩展，但是阱垒之间极化效应未得到缓解，量子垒能带仍然产生形变，器件依然存在一定的漏电流。
Hongping Zhao等提出在传统InGaN量子阱两侧加入AlGaN或者AlInN薄层，可以大幅度提高量子效率和光功率，参阅文献Hongping Zhao，Guangyu Liu，Nelson Tansu，“Currentinjection efficiency induced efficiency-droop in InGaN quantum well light-emitting diodes”Solid-State Electronics 54(2010)1119-1124。AlGaN生长温度在1080℃高于InGaN量子阱生长温度范围(650-800℃)，实际中不易操作，而且薄垒层位置是在量子阱两侧，作用都是限制漏电流产生，功能上有所重复，实际中还会增加器件的电压，同时增加生长时间和成本。
在中国专利CN101027792中，提出的LED外延新结构包括缓冲层以及上面的n-AlInN层，有源区，p-InGaN层，最后在p-GaN层上生长p-AlInN覆盖层，此结构虽然使得有源区的晶体质量提高，但是p-AlInN层是在整个有源区的之外，而且主要作用不是阻止电子漏电流，因此不能有效地提高器件在大电流密度下的内量子效率。
本发明在传统InGaN量子阱的一侧或者两侧加入AlInN薄垒层，此薄垒层(生长温度为750-800℃)与InGaN量子阱的生长温度相差不大，容易实现；而且此薄垒层无论是位于在量子阱的两侧还是一侧，都可以有效地提高量子垒势垒高度，抑制漏电流的产生，最终会提高器件的内量子效率和输出光功率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种采用AlInN量子垒提高GaN基LED内量子效率的LED结构及制备方法，通过减小电子漏电流，提高注入效率。
发明概述：
在通用的InGaN/GaN阱垒基础之上进行改进：在每个量子阱两侧或者一侧分别加入比GaN垒带隙宽度更大的材料，以提高有效势垒高度，从而有效抑制量子阱内载流子的溢出，达到提高载流子的注入效率，提高器件内量子效率的目的。
比GaN垒带隙宽度更大的III族氮化物有AlInN和AlGaN等，AlInN和AlGaN相比：AlGaN生长温度高于量子阱生长温度，不容易进行生长控制，因此本发明选择更易生长的AlInN。当AlxIn1-xN中的x的取值范围是0.74≤x≤1时，带隙宽度大于GaN带隙宽度。
发明详述：
本发明采用AlInN量子垒提高GaN基LED内量子效率的LED结构的技术方案如下：
一种采用AlInN量子垒提高GaN基LED内量子效率的LED结构，包括衬底层上依次是成核层、缓冲层、N型导电层、多量子阱层和P型导电层，在N型导电层上和P型导电层上分别是欧姆接触层，其特征在于，所述的多量子阱层是2-25个重复周期且厚度分别为2-25nm厚的InGaN阱和8-40nm厚的GaN垒，至少在InGaN阱的一侧，且在相邻GaN垒和InGaN阱之间生长有厚度为0.5nm-40nm的AlxIn1-xN薄垒层，所述AlxIn1-xN薄垒层中的x取值范围：0.74≤x≤1。
所述成核层为GaN层，厚度为5nm-50nm。
所述的缓冲层为非掺杂GaN层，厚度为1μm-180μm。
所述的N型导电层为N型GaN层，厚度为0.2μm-6μm；所述的P型导电层为P型GaN层，厚度为150nm-400nm。
所述至少在InGaN阱的一侧，且在相邻GaN垒和InGaN阱之间设置有AlxIn1-xN薄垒层，是指在InGaN阱的靠近N型GaN层一侧，且在相邻GaN垒和InGaN阱之间设置有AlxIn1-xN薄垒层。
所述至少在InGaN阱的一侧，且在相邻GaN垒和InGaN阱之间设置有AlxIn1-xN薄垒层，是指在InGaN阱的靠近P型GaN层一侧，且在相邻GaN垒和InGaN阱之间设置有AlxIn1-xN薄垒层。
所述至少在InGaN阱的一侧，且在相邻GaN垒和InGaN阱之间设置有AlxIn1-xN薄垒层，是指在InGaN阱的两侧，且在邻GaN垒和InGaN阱之间设置有AlxIn1-xN薄垒层。
本发明确定上述x取值所根据有关计算方法及公式简要说明如下：
所述的AlxIn1-xN薄垒层，其禁带宽度可以表达为：
Eg(AlxIn1-xN)＝x·6.138+(1-x)·0.711-7x·(1-x)
GaN垒的禁带宽度为Eg(GaN)＝3.435eV，欲使AlxIn1-xN起到提高量子垒有效势垒高度的作用，必须使得AlxIn1-xN禁带宽度大于GaN的禁带宽度：
Eg(AlxIn1-xN)＞Eg(GaN)，即
x·6.138+(1-x)·0.711-7x·(1-x)＞3.435
解上述不等式，得x范围：0.74≤x≤1。
一种本发明所述的LED结构的制备方法，步骤如下：
1)在MOCVD反应腔室中，氢气作为载气，调节温度将衬底层加热到500℃-1200℃，保持5分钟，然后调节MOCVD反应腔室中的温度至500℃-600℃，生长GaN成核层，厚度为5nm-50nm，然后调节MOCVD反应腔室中的温度到600℃-1300℃，在GaN成核层上生长1μm-180μm厚的非掺杂GaN缓冲层；
2)在步骤1)所述的缓冲层上生长掺Si的N型GaN层，厚度为0.2μm-6μm，Si的掺杂浓度范围：5×1017cm-3-5×1019cm-3；
3)在N型GaN层上生长多量子阱层：多量子阱层是2-25个重复周期且厚度分别为2-25nm厚的InGaN阱和8-40nm厚的GaN垒，至少在InGaN阱的一侧，且在相邻GaN垒和InGaN阱之间生长有AlxIn1-xN薄垒层，按照以上所述排列结构分别生长GaN垒、InGaN阱和AlxIn1-xN薄垒层：生长GaN垒的制备条件是将MOCVD反应腔室中的温度调节至750-950℃，通入金属有机源TMGa，生长GaN垒；生长InGaN阱将MOCVD反应腔室中的温度调节至650-800℃，通入金属有机源TMGa和TMIn，生长InGaN阱；生长AlxIn1-xN薄垒层的制备条件是将MOCVD反应腔室中的温度调节至750-800℃，同时关闭TMGa源，通入TMAl源和TMIn源，生长厚度为0.5nm-40nm的AlxIn1-xN薄垒层，其中，x取值范围：0.74≤x≤1；
4)调节MOCVD反应腔室中的温度至800℃-1200℃，在多量子阱层上生长P型GaN层，厚度为150nm-400nm，Mg掺杂浓度为5×1019cm-3-5×1020cm-3；
5)分别在N型GaN层和P型GaN层上分别制作TiAlNiAμ电极，制作成欧姆接触层。
在步骤3)中，所述至少在InGaN阱的一侧，且在相邻GaN垒和InGaN阱之间生长有AlxIn1-xN薄垒层是指，在InGaN阱的靠近N型GaN层一侧，且在相邻GaN垒和InGaN阱之间生长有AlxIn1-xN薄垒层，每个重复周期的生长顺序：生长完GaN垒后生长AlInN薄垒层，然生长InGaN量子阱。
在步骤3)中，所述至少在InGaN阱的一侧，且在相邻GaN垒和InGaN阱之间生长有AlxIn1-xN薄垒层是指，在InGaN阱的靠近P型GaN层一侧，且在相邻GaN垒和InGaN阱之间设置有AlxIn1-xN薄垒层，每个重复周期的生长顺序：生长完GaN垒后生长InGaN量子阱，然后生长AlInN薄垒层。
在步骤3)中，所述至少在InGaN阱的一侧，且在相邻GaN垒和InGaN阱之间生长有AlxIn1-xN薄垒层是指，在InGaN阱的两侧，且在邻GaN垒和InGaN阱之间设置有AlxIn1-xN薄垒层，每个重复周期的生长顺序：生长完GaN垒后生长AlInN薄垒层，然后生长InGaN量子阱，最后生长AlInN薄垒层。
本发明的优良效果在于：
本发明通过在每个量子阱两侧或者一侧分别加入比GaN垒带隙宽度更大的材料，提高有效势垒高度，抑制量子阱内载流子的溢出，提高载流子的注入效率，提高器件内量子效率的目的。
附图说明
图1是现有的LED结构中，GaN垒和InGaN阱的排列示意图；
图2是实施例5的量子阱和量子垒的排列示意图；
图3是实施例1的量子阱和量子垒的排列示意图；
图4是实施例3的量子阱和量子垒的排列示意图；
图5是本发明的LED结构示意图；
图6是本发明的LED结构与传统LED结构的模拟对比结果，如图所示，在注入电流密度300A/cm^2下，传统LED结构的漏电流为96A/cm^2，电流漏过率为32％；本发明的具有AlInN薄垒层的LED结构的AlInN薄垒层的漏电流为14A/cm^2，电流漏过率为4.7％；在图中的横坐标为漏电流，单位是μm，纵坐标为电流密度，单位是A/cm^2。
图7是本发明的LED结构与传统LED结构的模拟对比结果，如图所示，输出光功率随注入电流密度变化的曲线图，本发明的具有AlInN薄垒层的LED结构的光功率明显高于传统LED结构，在图中的横坐标为电流密度，单位是A/cm^2，纵坐标为输出光功率，单位是mW。
在图1-5中，1、N型GaN层侧；2、P型GaN层侧；3、GaN垒；4、InGaN阱；5、AlxIn1-xN薄垒层；6、衬底层；7、成核层；8、缓冲层；9、N型导电层；10、多量子阱层；11、P型导电层；12、欧姆接触层。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明。
实施例1、
一种采用AlInN量子垒提高GaN基LED内量子效率的LED结构，包括衬底层6上依次是厚度为25nm GaN成核层7、厚度为3μm非掺杂GaN缓冲层8、厚度为4μm的N型GaN导电层9、多量子阱层10和厚度为180nm的P型GaN导电层11，在N型GaN导电层9和P型GaN导电层11上分别是欧姆接触层12；所述的多量子阱层10是4个重复周期且厚度分别为5nm厚的InGaN阱4和15nm厚的GaN垒3；在InGaN阱4的靠近N型GaN层一侧1，且在相邻GaN垒3和InGaN阱4之间设置有AlxIn1-xN薄垒层5，所述AlxIn1-xN薄垒层中的x取值为0.76；厚度为1.5nm。
实施例2、
实施例1所述LED结构的制备方法，具体步骤如下：
1)在MOCVD反应腔室中，氢气作为载气，调节温度将衬底层加热到500℃-1200℃，保持5分钟，然后调节MOCVD反应腔室中的温度至500℃-600℃，生长GaN成核层，厚度为25nm，然后调节MOCVD反应腔室中的温度到600℃-1300℃，在GaN成核层上生长3μm厚的非掺杂GaN缓冲层；
2)在步骤1)所述的缓冲层上生长掺Si的N型GaN层，厚度为4μm，Si的掺杂浓度范围：5×1017cm-3-5×1019cm-3；
3)在N型GaN层上生长多量子阱层：多量子阱层是4个重复周期且厚度分别为5nm厚的InGaN阱和15nm厚的GaN垒，在InGaN阱的靠近N型GaN层一侧，且在相邻GaN垒和InGaN阱之间生长有AlxIn1-xN薄垒层，每个重复周期的生长顺序：首先将温度调节至750-950℃，通入金属有机源TMGa，生长GaN垒；生长完GaN垒后，将温度调节至750-800℃，同时关闭TMGa源，通入TMAl源和TMIn源，生长1.5nm厚度的AlxIn1-xN薄垒层，x取值0.76；将温度调节至650-800℃，通入金属有机源TMGa和TMIn，生长InGaN阱。
4)调节温度至800℃-1200℃，在多量子阱层上生长P型GaN层，厚度为200nm，Mg掺杂浓度为5×1019cm-3-5×1020cm-3；
5)分别在N型GaN层和P型GaN层上制作TiAlNiAμ电极，制作成欧姆接触层。
实施例3、
如实施例1所述的LED结构，所不同的是：在InGaN阱4的靠近P型GaN层一侧2，且在相邻GaN垒3和InGaN阱4之间设置有AlxIn1-xN薄垒层5。
实施例4、
如实施例2所述的LED结构，所不同的是：
步骤3)在N型GaN层上生长多量子阱层：多量子阱层是4个重复周期且厚度分别为5nm厚的InGaN阱和15nm厚的GaN垒，在InGaN阱的靠近P型GaN层一侧，且在相邻GaN垒和InGaN阱之间生长有AlxIn1-xN薄垒层，每个重复周期的生长顺序：首先将温度调节至750-950℃，通入金属有机源TMGa，生长GaN垒；生长完GaN垒后，将温度调节至650-800℃，通入金属有机源TMGa和TMIn，生长InGaN阱；最后调节MOCVD反应腔室中的温度至750-800℃，同时关闭TMGa源，通入TMAl源和TMIn源，生长1.5nm厚度的AlxIn1-xN薄垒层，x取值0.76。
实施例5、
如实施例1所述的LED结构，所不同的是：在InGaN阱4的两侧，且在邻GaN垒3和InGaN阱4之间设置有AlxIn1-xN薄垒层5，厚度为1.5nm，所述AlxIn1-xN薄垒层中的x取值为0.75。
实施例6、
如实施例2所述的LED结构，所不同的是：
步骤3)在N型GaN层上生长多量子阱层：多量子阱层是4个重复周期且厚度分别为5nm厚的InGaN阱和15nm厚的GaN垒，在InGaN阱的两侧，且在相邻GaN垒和InGaN阱之间生长有AlxIn1-xN薄垒层，每个重复周期的生长顺序：首先将温度调节至750-950℃，通入金属有机源TMGa，生长GaN垒；生长完GaN垒后，将反应室温度调节至750-800℃，同时关闭TMGa源，通入TMAl源和TMIn源，生长1.5nm厚度的AlxIn1-xN薄垒层，x取值0.76；然后将温度调节至650-800℃，通入金属有机源TMGa和TMIn，生长InGaN阱；最后将温度调节至750-800℃，同时关闭TMGa源，通入TMAl源和TMIn源，生长1.5nm厚度的AlxIn1-xN薄垒层，x取值0.76。
Claims (4)
1.一种采用AlInN量子垒提高GaN基LED内量子效率的LED结构，包括衬底层(6)上依次是厚度为25nm GaN成核层(7)、厚度为3μm非掺杂GaN缓冲层(8)、厚度为4μm的N型GaN导电层(9)、多量子阱层(10)和厚度为180nm的P型GaN导电层(11)，在N型GaN导电层(9)和P型GaN导电层(11)上分别是欧姆接触层(12)；所述的多量子阱层(10)是4个重复周期且厚度分别为5nm厚的InGaN阱(4)和15nm厚的GaN垒(3)；在InGaN阱(4)的靠近N型GaN层一侧(1)，且在相邻GaN垒(3)和InGaN阱(4)之间设置有AlxIn1-xN薄垒层(5)，所述AlxIn1-xN薄垒层中的x取值为0.76；厚度为1.5nm；或，至少在InGaN阱的一侧，且在相邻GaN垒和InGaN阱之间设置有AlxIn1-xN薄垒层，是指在InGaN阱的靠近P型GaN层一侧，且在相邻GaN垒和InGaN阱之间设置有AlxIn1-xN薄垒层；或，至少在InGaN阱的一侧，且在相邻GaN垒和InGaN阱之间设置有AlxIn1-xN薄垒层，是指在InGaN阱的两侧，且在邻GaN垒和InGaN阱之间设置有AlxIn1-xN薄垒层。
2.根据权利要求1所述的LED结构的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)在MOCVD反应腔室中，氢气作为载气，调节温度将衬底层加热到500℃-1200℃，保持5分钟，然后调节MOCVD反应腔室中的温度至500℃-600℃，生长GaN成核层,厚度为25nm，然后调节MOCVD反应腔室中的温度到600℃-1300℃，在GaN成核层上生长3μm厚的非掺杂GaN缓冲层；
2)在步骤1)所述的缓冲层上生长掺Si的N型GaN层，厚度为4μm，Si的掺杂浓度范围：5×1017cm-3-5×1019cm-3；
3)在N型GaN层上生长多量子阱层：多量子阱层是4个重复周期且厚度分别为5nm厚的InGaN阱和15nm厚的GaN垒，在InGaN阱的靠近N型GaN层一侧，且在相邻GaN垒和InGaN阱之间生长有AlxIn1-xN薄垒层，每个重复周期的生长顺序：首先将温度调节至750-950℃，通入金属有机源TMGa，生长GaN垒；生长完GaN垒后，将温度调节至750-800℃，同时关闭TMGa源,通入TMAl源和TMIn源，生长1.5nm厚度的AlxIn1-xN薄垒层,x取值0.76；将温度调节至650-800℃，通入金属有机源TMGa和TMIn，生长InGaN阱；
4)调节温度至800℃-1200℃，在多量子阱层上生长P型GaN层，厚度为180nm，Mg掺杂浓度为5×1019cm-3—5×1020cm-3；
5)分别在N型GaN层和P型GaN层上制作TiAlNiAμ电极，制作成欧姆接触层。
3.如权利要求2所述的LED结构的制备方法,其特征在于，在步骤3)中，在InGaN阱的靠近N型GaN层一侧，且在相邻GaN垒和InGaN阱之间生长有AlxIn1-xN薄垒层是指，在InGaN阱的靠近P型GaN层一侧，且在相邻GaN垒和InGaN阱之间设置有AlxIn1-xN薄垒层，每个重复周期的生长顺序：生长完GaN垒后生长InGaN量子阱，然后生长AlInN薄垒层。
4.如权利要求2所述的LED结构的制备方法,其特征在于，在步骤3)中，在InGaN阱的靠近N型GaN层一侧，且在相邻GaN垒和InGaN阱之间生长有AlxIn1-xN薄垒层是指，在InGaN阱的两侧，且在邻GaN垒和InGaN阱之间设置有AlxIn1-xN薄垒层，每个重复周期的生长顺序：生长完GaN垒后生长AlInN薄垒层，然后生长InGaN量子阱，最后生长AlInN薄垒层。
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| CN102738340A (zh) | 2012-10-17 |
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