CN102832306B - 一种高亮度发光二极管的外延结构及其实现方法 - Google Patents

Abstract

一种高亮度发光二极管的外延结构及其实现方法，属于半导体生产技术领域，生长至少3对耦合的量子阱，在每对耦合的量子阱生长时，先生长低In含量的量子阱层，再生长发光量子阱层，各层低In含量的量子阱层的In含量沿生长方向逐渐增加，并在各相邻的低In含量的量子阱层和发光量子阱层之间生长薄GaN势垒层。本发明用变温及变化前驱物流量的方法在发光量子阱之前生长一低In含量且组分渐增的耦合量子阱结构，使得低In含量的量子阱不会再次吸收量子阱所发射的光子，可以减低内建电场，增强载流子的局域化使辐射复合几率增加，使发光二极管的内量子效率大大提高。

Description

一种高亮度发光二极管的外延结构及其实现方法

技术领域

本发明属于半导体生产技术领域，特别是发光二极管的外延结构及其生长方法。

背景技术

氮化镓(GaN)是第三代直接能隙宽禁带半导体，其禁带宽度为3.39eV。GaN基绿、蓝发光二极管(LEDs)器件具有高亮度、低能耗、长寿命、响应速度快等优点，在全色显示、信号指示、景观照明等领域都有广泛的应用。特别是以GaN基蓝光LED混合荧光粉后制作的白光LEDs研发进展迅速，白光LEDs的发光波长只在可见光区，避免了白炽灯强烈的红外辐射，可以大量节约能源。同时白光LEDs体积小、寿命长、安全、高效、不存在汞等有害物质，被称为新一代绿色环保型照明光源，使其有望取代传统的白炽灯和荧光灯，带来人类照明光源的革命。

目前GaN基绿、蓝发光二极管材料通常异质外延生长在蓝宝石衬底上。因为氮化物和蓝宝石衬底衬底间通常存在很大的晶格常数失配和热膨胀系数差异，所以利用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)外延技术生长的氮化物外延层中存在很多晶体缺陷如位错等，材料的晶体质量因此受到很大影响。特别的由于量子阱中InGaN与GaN的晶格不匹配导致应力引起的极化效应使得量子阱内存在很大的极化电场，导致电子和空穴波函数空间上的分离，使辐射复合效率下降，导致LEDs的内量子效率低。同时由于InGaN中压应力大，In在InGaN中的固溶度低，In组分高时易发生相分凝导致In析出；且InGaN量子阱一般生长温度较低，材料质量较差，从而会导致InGaN量子阱中存在较多的缺陷会增加量子阱中的非辐射复合，增加量子阱中的光吸收。

为解决以上问题，业界、学术界提出了诸多方法，如采用晶格匹配的AlInGaN合金做量子势垒（QB）、QB重掺杂改善量子限制斯塔克效应、非极性面生长等等，但这些方法都存在理论可行、实际外延生长技术存在较大困难的问题，难以投入实际生产。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种高亮度氮化镓基蓝绿光发光二极管的外延片（外延结构及其实现方法）。

本发明包括衬底，在所述衬底上，从下至上依次生长缓冲层、非故意掺杂GaN层、N型电子注入层及接触层、InGaN/GaN应变量子阱层、InGaN/GaN多量子阱有源区、p型AlGaN电子阻挡层和p型GaN空穴注入层；其特征在于：所述InGaN/GaN多量子阱有源区包括至少3对耦合的量子阱，每对耦合的量子阱由低In含量且In含量沿生长方向逐渐增加的In_xGa_1-xN量子阱层、GaN薄势垒层和In_yGa_1-yN发光量子阱层组成，所述GaN薄势垒层设置在每对耦合的量子阱的低In含量的In_xGa_1-xN量子阱层和In_yGa_1-yN发光量子阱层之间 ，以上x和y分别满足以下条件：0<x<y<0.4，且x<0.25×y。

本发明能改善InGaN材料的质量，降低由缺陷引起的非辐射复合，降低光吸收。该耦合QW结构中由于存在一个薄势垒层，可以有效的限制载流子在较深的发光阱中，从而改善辐射复合效率。本发明可以较大地提高GaN基蓝绿光LED的发光效率及综合器件性能。

本发明所述各In_yGa_1-yN发光量子阱层的厚度为2～4nm，低In含量的In_xGa_1-xN量子阱层的厚度为2～4nm，GaN薄势垒层的厚度为0.5～5nm。

本发明的另一目的提出以上高亮度氮化镓基发光二极管的外延结构的实现方法。

本发明包括在衬底上依次生长低温缓冲层、非故意掺杂GaN层、N型电子注入层及接触层、InGaN/GaN应变量子阱层、InGaN/GaN多量子阱有源区、p型AlGaN电子阻挡层和p型GaN空穴注入层；其特点是：生长至少3对耦合的量子阱，在每对耦合的量子阱生长时，先生长一层低In含量的In_xGa_1-xN量子阱层，再生长一层In_yGa_1-yN发光量子阱层，所述各层低In含量的In_xGa_1-xN量子阱层的In含量沿生长方向逐渐增加，并在各相邻的低In含量的In_xGa_1-xN量子阱层和In_yGa_1-yN发光量子阱层之间生长一薄层GaN势垒层；以上x和y分别满足以下条件：0<x<y<0.4，且x<0.25×y。

本发明针对现有技术问题提出了一种简便易行的方法，即用变温及变化前驱物流量的方法在发光量子阱之前生长一低In含量且组分渐增的耦合量子阱结构，使得低In含量的In_xGa_1-xN量子阱不会再次吸收In_yGa_1-yN量子阱所发射的光子，既可以减低内建电场，增强载流子的局域化使辐射复合几率增加，使发光二极管的内量子效率大大提高。

本发明可以改善InGaN量子阱的材料质量，降低光吸收，减弱铟镓氮/氮化镓量子阱的内建电场，提高量子局域化效应，增强辐射复合几率，增加发光的内量子效率，从而提高二极管的发光效率和亮度。该耦合量子阱层结构及其实现方法适用于高亮度、高发光效率的氮化基蓝光/绿光发光二极管外延材料的金属有机化学气相沉积（MOCVD）外延生长。

本发明还可以通过逐渐降低生长温度及增加反应前驱物中的In/Ga的比例，使各层低In含量的In_xGa_1-xN量子阱层的In含量沿生长方向逐渐增加。

本发明所述In_xGa_1-xN量子阱层的生长温度为780～910℃，生长压力为20000～50000Pa。所述In_yGa_1-yN发光量子阱层的生长温度为780～910℃，生长压力为20000～50000Pa。

所述低In组分的In_xGa_1-xN量子阱层的生长温度T₁沿生长方向逐渐降低，生长温度T₁的渐变值为5～50℃，生长温度最小值T_1min与In_yGa_1-yN发光量子阱层的生长温度T₂之间满足T_1min≥T₂。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图：

图中，100：蓝宝石衬底；

101：低温缓冲层；

102：非掺杂GaN层；

103：N型电子注入层及接触层；

104： InGaN/GaN应变量子阱层；

105：InGaN/GaN多量子阱有源区；

106：电子阻挡层；

107：pGaN空穴注入层。

图2是耦合量子阱结构示意图：

图中，200：GaN量子势垒层（QB）；

201：In组分渐变的低In组分InGaN量子阱；

202：GaN薄势垒层；

203：InGaN量子阱发光层。

图3本发明产品制成的LED芯片和采用常规方法制成的LED芯片的亮度随电流的变化对比曲线图。

具体实施方式

利用MOCVD设备（Aixtron公司的CCS型号Crius I 31片商用机），所用V族源为氨气(NH3)，生长除量子阱发光区之外的GaN及其合金所采用的III族有机源材料为三甲基镓(TMGa)、三甲基铝（TMAl），生长量子阱有源区所用的有机原材料为三乙基镓（TEGa）、三甲基铟(TMIn)， P型掺杂采用金属有机物源二茂镁（Cp2Mg）提供Mg杂质原子，N型掺杂采用H2稀释的气态硅烷（SiH4）提供Si杂质原子。

下面结合图1、2进一步说明本发明：

1、在蓝宝石衬底100上生长一层GaN低温缓冲层101：生长温度为580℃，压力为65000Pa，厚度为30nm，生长气氛为H₂ 。

2、在GaN低温缓冲层101上生长一层非故意掺杂的GaN层102：生长温度为1230℃，压力为40000Pa，生长气氛为H₂ ，厚度约为2.5μm。

3、在非故意掺杂的GaN层102上生长一层N型电子注入层及接触层103：生长温度为1200℃，压力为15000Pa，厚度约为2μm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，生长气氛为H₂ 。

4、降低温度并切换到N₂ 气氛条件，在N型电子注入层及接触层103上生长3对InGaN/GaN应变量子阱层104：生长温度为940℃，压力为30000Pa，InGaN/GaN厚度分别为2nm/38nm，GaN掺杂浓度为4×10¹⁸cm^-3，InGaN掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3 。

5、在InGaN/GaN应变多量子阱层104上生长15对InGaN/GaN多量子阱有源区105，如图2所示：

InGaN/GaN多量子阱有源区105由15对耦合的量子阱组成，在每对在耦合的量子阱生长时，先生长一层低In含量的In_xGa_1-xN量子阱层，再生长一层In_yGa_1-yN发光量子阱层，所述各层低In含量的In_xGa_1-xN量子阱层的In含量沿生长方向逐渐增加，并在各相邻的低In含量的In_xGa_1-xN量子阱层和In_yGa_1-yN发光量子阱层之间生长一薄层GaN势垒层；本例中，x=0.03，y=0.2。

其中前3对耦合的量子阱的GaN量子势垒层（QB）进行n型Si掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，前3对耦合的量子阱中In_yGa_1-yN量子阱发光层（QW）不掺杂；后面12对耦合的量子阱的GaN量子势垒层（QB）和In_yGa_1-yN量子阱发光层（QW）均不掺杂。

In_yGa_1-yN量子阱发光层（QW）的生长温度T₂为870℃。GaN量子势垒层（QB）生长温度为950℃。

各对耦合的量子阱中低In组分的In_xGa_1-xN量子阱层的生长温度T₁沿生长方向逐渐降低，生长温度T₁的渐变值为5～50℃，T₁和T_1min分别为885℃、875℃，压力为30000Pa。

在GaN量子势垒层（QB）200生长结束后降温到T₁，随后调整前驱物的Ga流量/In流量，并逐渐降低温度到T_1min，生长In组分渐变的低In组分In_xGa_1-xN量子阱层201，随后关闭In源，生长一层GaN的薄势垒层202，之后调整降温到In_yGa_1-yN量子阱发光层（QW）203生长温度T₂，并调整In和Ga流量，生长In_yGa_1-yN量子阱发光层（QW）203。

各对耦合的量子阱中，GaN薄势垒层202厚度一般为0.5～5nm，本例为1.5nm。

在每对耦合的量子阱（MQW）中，典型的低In组分的In_xGa_1-xN量子阱层和In_yGa_1-yN量子阱发光层的厚度分别为2～4nm，GaN厚度为2～20nm。本例中，每对耦合的量子阱（MQW）中，低In组分的In_xGa_1-xN量子阱层和In_yGa_1-yN量子阱发光层的厚度都为3nm，GaN的厚度为12nm。

6、在InGaN/GaN多量子阱有源区105上生长p型AlGaN电子阻挡层106：温度为980℃，压力为15000Pa，Al组分为20%，厚度为20nm，Mg原子浓度为1×10²⁰cm^-3；

7、在p型AlGaN电子阻挡层106上生长p型GaN空穴注入层107：温度为1100℃，压力为30000Pa，Mg掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3，厚度为250nm。

用本发明生长的氮化物外延片用标准芯片工艺制成LED芯片，由于该耦合量子阱结构的引入，发光亮度得到了大幅度提高，利用该结构生长的外延片制成液晶电视背光源用的0.2mm×0.5mm芯片，在20mA工作电流下芯片的光功率达到35mW，比常规LED芯片亮度提高6%以上。

对比结果见图3，其中，曲线LED-A为本发明产品制成的LED芯片，曲线LED-B为常规方法制成的LED芯片。

Claims (5)

1.一种氮化镓基发光二极管的外延结构，包括衬底，在所述衬底上，从下至上依次生长缓冲层、非故意掺杂GaN层、N型电子注入层及接触层、InGaN/GaN应变量子阱层、InGaN/GaN多量子阱有源区、p型AlGaN电子阻挡层和p型GaN空穴注入层；其特征在于：所述InGaN/GaN多量子阱有源区包括至少3对耦合的量子阱，每对耦合的量子阱由低In含量且In含量沿生长方向逐渐增加的In_xGa_1-xN量子阱层、GaN薄势垒层和In_yGa_1-yN发光量子阱层组成，所述GaN薄势垒层设置在每对耦合的量子阱的低In含量的In_xGa_1-xN量子阱层和In_yGa_1-yN发光量子阱层之间 ，以上x和y分别满足以下条件：0<x<y<0.4，且x<0.25×y；所述各In_yGa_1-yN发光量子阱层的厚度为2～4nm，低In含量的In_xGa_1-xN量子阱层的厚度为2～4nm，GaN薄势垒层的厚度为0.5～5nm。

2.如权利要求1所述一种氮化镓基发光二极管的外延结构的实现方法，包括在衬底上依次生长缓冲层、非故意掺杂GaN层、N型电子注入层及接触层、InGaN/GaN应变量子阱层、InGaN/GaN多量子阱有源区、p型AlGaN电子阻挡层和p型GaN空穴注入层；其特征在于：生长至少3对耦合的量子阱，在每对耦合的量子阱生长时，先生长一层低In含量的In_xGa_1-xN量子阱层，再生长一层In_yGa_1-yN发光量子阱层，所述各层低In含量的In_xGa_1-xN量子阱层的In含量沿生长方向逐渐增加，并在各相邻的低In含量的In_xGa_1-xN量子阱层和In_yGa_1-yN发光量子阱层之间生长一GaN薄势垒层；以上x和y分别满足以下条件：0<x<y<0.4，且x<0.25×y；所述各In_yGa_1-yN发光量子阱层的厚度为2～4nm，低In含量的In_xGa_1-xN量子阱层的厚度为2～4nm，GaN薄势垒层的厚度为0.5～5nm。

3.根据权利要求2所述氮化镓基发光二极管的外延结构的实现方法，其特征在于：通过逐渐降低生长温度及增加反应前驱物中的In/Ga的比例，使各层低In含量的In_xGa_1-xN量子阱层的In含量沿生长方向逐渐增加。

4.根据权利要求2所述氮化镓基发光二极管的外延结构的实现方法，其特征在于：所述In_xGa_1-xN量子阱层及In_yGa_1-yN发光量子阱层的生长温度分别为780～910℃，生长压力分别为20000～50000Pa。

5.根据权利要求4所述氮化镓基发光二极管的外延结构的实现方法，其特征在于：所述低In组分的In_xGa_1-xN量子阱层的生长温度T₁沿生长方向逐渐降低，生长温度T₁的渐变范围为5～50℃，生长温度最小值T_1min与In_yGa_1-yN发光量子阱层的生长温度T₂之间满足T_1min≥T₂。