CN103022292A - 一种InGaN基蓝光LED器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电子技术领域,特别是涉及一种InGaN基蓝光LED器件,其结构自衬底向上依次为:半球状表面的图形化蓝宝石衬底、本征GaN层、n型GaN层、数个周期的InGaN/InGaN多量子阱层、p型AlGaN电子阻挡层、p型GaN层,其中,在n型GaN层上设有负电极,p型GaN层上覆盖有ITO薄膜并设有正电极。本发明通过采用将空洞间隙结构和InGaN/InGaN多量子阱层结合,大大提高了LED的外量子效率。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域,涉及半导体器件,特别是一种高出光效率InGaN基多量子阱蓝光LED器件的实现方法,可用于白光照明,显示背光源等领域。
背景技术
20世纪90年代,InGaN基LED开始走向市场,由于其具有巨大的发展潜力,获得社会各界的广泛关注。当今世界面临全球变暖碳排放过高的巨大压力,节能环保低碳的生活方式是人类的唯一出路。InGaN基LED作为照明光源,有着其独特的优势:(1)寿命长,目前有报道已经达到10万小时,(2)节能环保,其功耗仅为传统白炽灯的1/8到1/10之间,InGaN基材料对环境无污染,并可回收利用。也正是由于这一系列的优点,在未来InGaN基LED必将完全取代白炽灯。目前InGaN基LED主要采用InGaN/GaN多量子阱作为有源层,这种LED普遍存在“效率陡降”效应,即在低的电流密度时达到最大效率,随后增加驱动电流,效率单调下降。对此,存在多种解释,如俄歇复合,电子泄漏,局域态填充等。然而,其产生物理机制仍然不是很明确。但是,可以确定的是,有源区内部的载流子注入和分布对此有重要影响。有人报道过InGaN/GaN多量子阱中只有最后一个靠近p型材料的阱对于辐射复合有贡献。近年来,还出现了许多其他方法来提高LED的发光强度,如表面粗糙化、图形化衬底、光子晶体等。采用图形化蓝宝石衬底不仅可以通过引入呈一定角度的端面提高出光效率,还可以通过减少位错密度以提高内量子效率。如何解决上述的问题,进一步提高LED的出光效率是当今面临额一大挑战。
发明内容
本发明目的就是在于解决上述的已有技术的关键问题,提出采用基于半球状表面的图形化蓝宝石衬底的空洞间隙结构和InGaN/InGaN多量子阱有源区来提高出光效率,提供一种InGaN基蓝光LED器件及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案得以实施的:
一种InGaN基蓝光LED器件,其结构自衬底向上依次为:半球状表面的图形化蓝宝石衬底、本征GaN层、n型GaN层、数个周期的InGaN/InGaN多量子阱层、p型AlGaN电子阻挡层、p型GaN层,其中,在n型GaN层上设有负电极,p型GaN层上覆盖有ITO薄膜并设有正电极。
作为优选,根据本发明所述的一种InGaN基蓝光LED器件,其中,半球状表面的图形化蓝宝石衬底和本征GaN层的界面处形成有空洞间隙结构。
本发明提供的是一种基于InGaN/InGaN多量子阱和空洞间隙结构的高出光效率的蓝光LED器件。本发明公开的InGaN基蓝光LED器件,该器件采用InGaN/InGaN多量子阱作为有源区,相比传统的InGaN/GaN多量子阱可以有效的提高空穴的注入效率,同时减少电子通过电子阻挡层的泄漏,提高载流子辐射复合效率;同时该器件还采用了基于半球状表面的图形化衬底的空洞间隙结构,该结构与仅采用图形化衬底的LED相比可以进一步提高光线在端面的出射率,以上两种结构的结合可以大大提高LED的外量子效率。
本发明还提供了上述的一种InGaN基蓝光LED器件的制备方法,包括下述几个步骤:
(1)对蓝宝石衬底进行图形化处理,获得所需的半球状表面的图形化蓝宝石衬底;
(2)在半球状表面的图形化蓝宝石衬底上生长本征GaN层,腐蚀制作空洞间隙结构;
(3)在空洞间隙结构上生长本征GaN层,形成光滑表面;
(4)继续外延生长n型GaN层;
(5)在n型GaN层上交替生长数个周期不同In组分的InGaN垒层和阱层,形成多量子阱;
(6)在多量子阱上生长p型AlGaN电子阻挡层;
(7)在p型AlGaN电子阻挡层上生长p型GaN层,完成外延生长,
(8)将步骤(7)得到的外延片在N2气氛中进行退火,最后在p型GaN层上镀ITO薄膜并制作正电极,在n型GaN层上制作负电极,所有工艺完成,得到所述的InGaN基蓝光LED器件。
作为优选,根据本发明所述的一种InGaN基蓝光LED器件的制备方法,其中在步骤(1)中,选取蓝宝石衬底,通过感应耦合等离子体刻蚀工艺(ICP)获得半球形的图形化表面。可采取的具体做法是:在蓝宝石衬底的表面涂敷一层有机材料并用光罩定义所需的半球状图形,将半球图形转移至有机材料涂层上,最后通过感应耦合等离子体刻蚀(ICP),在蓝宝石衬底上刻出半球状图形。有机材料选择本领域常规通用材料即可。
作为优选,根据本发明所述的一种InGaN基蓝光LED器件的制备方法,其中在步骤(2)中,生长1-3μm厚的本征GaN层后,采用湿法腐蚀获得空洞间隙结构。在所得的图形化衬底上通过金属有机化学气相沉积外延生长一层没有掺杂的GaN层,之后再将其浸入磷酸和硫酸混合液体中腐蚀,由于所生长GaN层底部的晶体质量比顶部质量明显差,因此腐蚀速度较快,最后GaN层的侧面是{1 0 -1 1}晶面,与衬底平面夹角为60°。该步骤完成时,在图形化衬底和GaN层的界面处已经形成明显的空洞间隙结构。
作为优选,根据本发明所述的一种InGaN基蓝光LED器件的制备方法,其中在步骤(3)中,在空洞间隙结构上生长2-5μm厚的本征GaN层,获得光滑的表面,为后续的LED结构外延提供模板层。对腐蚀后的材料进行清洗,再在上面生长一层没有掺杂的GaN层以获得完全光滑的表面,为后续的LED结构生长做准备。
作为优选,根据本发明所述的一种InGaN基蓝光LED器件的制备方法,其中在步骤(4)中,生长n型GaN层的施主杂质为Si,杂质源为硅烷,n型GaN层的厚度为1μm到10μm,以有利于刻蚀制作负电极。在光滑的GaN层表面上生长n型GaN层,施主杂质为Si,杂质源为硅烷,所述n型GaN层的厚度最好为1000nm到10000nm。
作为优选,根据本发明所述的一种InGaN基蓝光LED器件的制备方法,其中在步骤(5)中,交替生长多个周期的不同组分的InGaN阱层和垒层,形成多重InGaN/InGaN多量子阱。所述在n型GaN层上交替生长多个周期的InGaN/InGaN多量子阱,InGaN阱层的厚度为2-5nm,InGaN垒层的厚度为5-20nm,其中垒层和阱层的In组分可以根据设定的目标波长进行调节。
作为优选,根据本发明所述的一种InGaN基蓝光LED器件的制备方法,其中在步骤(6)中,p型AlGaN电子阻挡层的厚度为5-50nm。生长的p型AlGaN层的厚度为5-50nm,受主杂质为Mg,杂质源为Cp2Mg。Al组分可以根据有源区的情况调节得到合适的能带结构,在对电子产生良好阻挡作用的同时,不会阻碍空穴的注入。
作为优选,根据本发明所述的一种InGaN基蓝光LED器件的制备方法,其中在步骤(7)中,p型GaN层的厚度为100-500nm。生长的p型GaN层的厚度为100-500nm,受主杂质为Mg,杂质源为Cp2Mg。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
采用空洞间隙结构可以明显改善LED的出光效率,与单纯的图形化衬底和平面衬底相比,相同情况下光功率将增加12%和210%。这主要是由于,空洞间隙结构的形成,大大增加了界面处的反射效率,使得正面的光输出功率明显增加。同时,本发明还采用InGaN/InGaN多量子阱取代常用的InGaN/GaN多量子阱作为有源层,由于InGaN阱层与垒层极化匹配较好,极化场较小,极化效应导致的能带倾斜情况得到缓解,减少了电子的泄漏,同时空穴注入的潜在势垒降低,使得电子与空穴的注入效率提高,大大提高电子空穴的辐射复合效率。同时还使得各个阱层中的电子空穴分布较均匀,有效的减弱了“效率陡降”效应。
附图说明
图1为本发明中空洞间隙结构的制作流程示意图。依次表示刻蚀半球形表面的图形化蓝宝石衬底,在衬底上生长本征GaN层,用腐蚀液腐蚀,再生长本征GaN四个步骤。图1中,1为带有图形的有机材料光阻层,2为蓝宝石衬底,3为本征GaN层,4为GaN晶体的{1 0 -1 1}面,5为空洞间隙结构。
图2中(a)为采用InGaN/GaN多量子阱的LED能带结构图,(b)为采用InGaN/InGaN多量子阱的LED能带结构图,(1)和(3)为能量轴,单位为eV,(2)和(4)为距离轴,单位为nm。通过对比可以发现通过采用InGaN/InGaN极化匹配的量子阱可以降低能带倾斜程度,有利于电子在量子阱中的均匀分布,同时在电子阻挡层处,更有利于对电子产生阻挡作用,同时也可以保持较高的空穴注入效率。
图3是本发明InGaN基蓝光LED器件的结构示意图,其中:2为蓝宝石衬底,3为本征GaN层,6是n型GaN层,7是InGaN/InGaN多量子阱有源区,8是AlGaN电子阻挡层,9是p型GaN层,10是ITO薄膜,11是正电极,12是负电极。
具体实施方式
下面结合实施例和附图说明,更具体地说明本发明的内容。应当理解,本发明的实施并不局限于下面的实施例,对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。
在本发明中,若非特指,所有的份、百分比均为重量单位,所有的设备和原料等均可从市场购得或是本行业常用的。下述实施例中的方法,如无特别说明,均为本领域的常规方法。
实施例1:
如图3所示,一种InGaN基蓝光LED器件,其结构自衬底向上依次为:半球状表面的图形化蓝宝石衬底2、本征GaN层3、n型GaN层6、五个周期的InGaN/InGaN多量子阱层7、p型AlGaN电子阻挡层8、p型GaN层9,其中,在n型GaN层上设有负电极12,p型GaN层上覆盖有ITO薄膜10并设有正电极11。
参考图1和图3,通过金属有机化学气相外延法生长材料。InGaN基蓝光LED器件的制备方法如下:
对蓝宝石衬底进行图形化处理,通过感应耦合等离子体刻蚀工艺(ICP),获得所需的半球状表面的图形化蓝宝石衬底,半球状表面的图形化蓝宝石衬底的参数为:球半径为1.5μm,高度为1.5μm。
首先在半球状表面的图形化蓝宝石衬底上,通过金属有机化学气相沉积外延生长一层没有掺杂的1.5μm厚的本征GaN层;接着采用280℃的磷酸和硫酸混合液体腐蚀15秒,混合液体积比为磷酸:硫酸=3:1,腐蚀制作空洞间隙结构;对腐蚀后的材料进行清洗后在上面再生长一层1.5μm的未掺杂GaN形成光滑表面作为模板层;接着在模板层表面生长n型GaN层,施主杂质为Si,杂质源为硅烷,厚度为2μm;在n型GaN层上交替生长五个周期的InGaN垒层和InGaN阱层,阱层厚度为2nm,垒层厚度为10nm;在最后一层阱层上生长20nm的p型AlGaN电子阻挡层,受主杂质为Mg,杂质源为Cp2Mg;最后在p型AlGaN电子阻挡层上再生长500nm的p型GaN层,受主杂质为Mg,杂质源为Cp2Mg,外延生长完成。在生长工艺中,采用三甲基镓和三甲基铝作为镓源和铝源,高纯氨作为氮源,高纯氢气作为载气,Cp2Mg和硅烷作为杂质源。
生长结束后,将外延片在N2气氛中进行40分钟退火,温度为750℃,以激活材料中的Mg受主,提高空穴浓度。最后在p型GaN层上镀ITO薄膜并制作正电极,在n型GaN层上制作负电极,所有工艺完成,得到所需的InGaN基蓝光LED器件。
实验显示,采用空洞间隙结构可以明显改善LED的出光效率,与单纯的图形化衬底和平面衬底相比,相同情况下光功率将增加12%和210%。这主要是由于,空洞间隙结构的形成,大大增加了界面处的反射效率,使得正面的光输出功率明显增加。同时,如图2所示,本发明还采用InGaN/InGaN多量子阱取代常用的InGaN/GaN多量子阱作为有源层,由于InGaN阱层与垒层极化匹配较好,极化场较小,极化效应导致的能带倾斜情况得到缓解,减少了电子的泄漏,同时空穴注入的潜在势垒降低,使得电子与空穴的注入效率提高,大大提高电子空穴的辐射复合效率;同时还使得各个阱层中的电子空穴分布较均匀,有效的减弱了“效率陡降”效应。
上述优选实施例只是用于说明和解释本发明的内容,并不构成对本发明内容的限制。尽管发明人已经对本发明做了较为详细地列举,但是,本领域的技术人员根据发明内容部分和实施例所揭示的内容,能对所描述的具体实施例做各种各样的修改或/和补充或采用类似的方式来替代是显然的,并能实现本发明的技术效果,因此,此处不再一一赘述。本发明中出现的术语用于对本发明技术方案的阐述和理解,并不构成对本发明的限制。
Claims (10)
1. 一种InGaN基蓝光LED器件,其特征在于其结构自衬底向上依次为:半球状表面的图形化蓝宝石衬底、本征GaN层、n型GaN层、数个周期的InGaN/InGaN多量子阱层、p型AlGaN电子阻挡层、p型GaN层,其中,在n型GaN层上设有负电极,p型GaN层上覆盖有ITO薄膜并设有正电极。
2.根据如权利要求1所述的一种InGaN基蓝光LED器件,其特征在于半球状表面的图形化蓝宝石衬底和本征GaN层的界面处形成有空洞间隙结构。
3.一种如权利要求1或2所述的InGaN基蓝光LED器件的制备方法,其特征在于包括下述几个步骤:
(1)对蓝宝石衬底进行图形化处理,获得所需的半球状表面的图形化蓝宝石衬底;
(2)在半球状表面的图形化蓝宝石衬底上生长本征GaN层,腐蚀制作空洞间隙结构;
(3)在空洞间隙结构上生长本征GaN层,形成光滑表面;
(4)继续外延生长n型GaN层;
(5)在n型GaN层上交替生长数个周期不同In组分的InGaN垒层和阱层,形成多量子阱;
(6)在多量子阱上生长p型AlGaN电子阻挡层;
(7)在p型AlGaN电子阻挡层上生长p型GaN层,完成外延生长,
(8)将步骤(7)得到的外延片在N2气氛中进行退火,最后在p型GaN层上镀ITO薄膜并制作正电极,在n型GaN层上制作负电极,所有工艺完成,得到所述的InGaN基蓝光LED器件。
4.根据权利要求3所述的一种InGaN基蓝光LED器件的制备方法,其特征在于在步骤(1)中,选取蓝宝石衬底,通过感应耦合等离子体刻蚀工艺获得半球形的图形化表面。
5.根据权利要求3所述的一种InGaN基蓝光LED器件的制备方法,其特征在于在步骤(2)中,生长1-3μm厚的本征GaN层后,采用湿法腐蚀获得空洞间隙结构。
6.根据权利要求3所述的一种InGaN基蓝光LED器件的制备方法,其特征在于在步骤(3)中,在空洞间隙结构上生长2-5μm厚的本征GaN层。
7.根据权利要求3所述的一种InGaN基蓝光LED器件的制备方法,其特征在于在步骤(4)中,生长n型GaN层的施主杂质为Si,杂质源为硅烷,n型GaN层的厚度为1μm到10μm。
8.根据权利要求3所述的一种InGaN基蓝光LED器件的制备方法,其特征在于在步骤(5)中,交替生长多个周期的不同组分的InGaN阱层和垒层,形成多重InGaN/InGaN多量子阱。
9.根据权利要求3所述的一种InGaN基蓝光LED器件的制备方法,其特征在于在步骤(6)中,p型AlGaN电子阻挡层的厚度为5-50nm。
10.根据权利要求3所述的一种InGaN基蓝光LED器件的制备方法,其特征在于在步骤(7)中,p型GaN层的厚度为100-500nm。
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
AD01 | Patent right deemed abandoned |
Effective date of abandoning: 20170315 |
|
C20 | Patent right or utility model deemed to be abandoned or is abandoned |