CN103633215A - 一种新型的GaN基绿光发光二极管器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型的可提高发光效率的GaN基绿光发光二极管器件及其制作方法，该器件结构包括：依次层叠的大倾角衬底、第一种半导体载流子注入层、多量子阱结构、第二种半导体载流子注入层。本发明所述新型GaN基绿光发光二极管器件通过采用沿着与外延材料晶格取向面呈0.25-0.55°倾角的方向上进行外延生长的方法制作而成。本发明制作的GaN基绿光发光二极管具有更高的发光效率和更好的反向电流电压特性，并且制备方法简单，工艺过程易控制，适合量产，对生长设备和工艺条件无特殊要求。
Description
技术领域：
本发明属于发光二极管领域，具体涉及一种新型的GaN基绿光发光二极管器件及其制作方法。
背景技术
当前，在全球气候变暖问题日趋严峻的背景下，节约能源、减少温室气体排放成为全球共同面对的重要问题。以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济，将成为经济发展的重要方向。当前III-V族氮化物LED具有节能、环保，以及光源寿命长、体积小等优点被广泛应用到通用照明和显示领域。大部分的户外商业显示产品是通过红绿蓝三色LED来实现全彩效果。随着技术的进步，红光和蓝光的外量子效率分别达到了50％和60％以上，而绿光只能到30％左右。这一点决定了绿光LED目前成为LED应用尤其是在显示领域的瓶颈。因此，绿光LED外延和芯片的研究获得了人们的广泛关注。虽同为氮化镓类材料，高铟组分的绿光LED比蓝光LED的多量子阱的InGaN/GaN晶格失配造成的形变更严重，制作难度更大。不稳定的多量子阱结构在生长过程中容易造成应力释放形成更多的漏电缺陷导致发光效率下降和反向漏电。绿光多量子阱结构的稳定性与所采用的器件结构和制作方法有很大关系。
目前氮化镓基发光二极管的常规结构如图1所示：包括衬底4、第一种N型半导体层1，控制发光波长的多量子阱层2，第二种P型半导体层3。多量子阱结构为InGaN/GaN的多周期循环结构，其中衬底为小倾角衬底，即外延生长方向与C面的法线方向倾斜0-0.25°。
对于常规结构的绿光LED来说，小倾角的生长方式造成多量子结构具有更强的压应变作用。直接的后果是多量子阱结构不稳定，通过应力弛豫形成更多的漏电或载流子泄露途径，从而影响发光效率和反向电流电压特性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的GaN基绿光发光二极管器件及其制作方法，既能够提高器件的发光效率和反向电流电压性能。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：提供一种新型的GaN基绿光发光二极管器件结构，其中包括依次层叠的大倾角衬底、第一种半导体载流子注入层、多量子阱结构、第二种半导体载流子注入层，所述大倾角衬底为衬底生长窗口表面与外延材料晶格取向面倾斜一定角度，所述倾角为0.25-0.55°。
如上所述的结构，其特征在于：衬底可以是蓝宝石，碳化硅，或硅。
如上所述的结构，其特征在于：所述衬底可以是平面衬底，或图形化衬底。
如上所述的结构，其特征在于：所述图形化衬底的图形的剖面图为半球形、蒙古包形、圆柱形、金字塔形、三角形或梯形。
本发明发光二极管的制作方法的技术方案是，在生长窗口表面与外延材料晶格取向面倾斜0.25-0.55°的衬底上，采用MOCVD方法沿着倾斜面依次生长第一种半导体载流子注入层、多量子阱结构、第二种半导体载流子注入层，包括如下步骤：
一、第一种半导体载流子注入层：在衬底上400-600℃生长15-50nm的GaN缓冲层或者600-1000℃生长10-60nm的AlN缓冲层，接着高温(900-1200℃)生长1.5-4um厚的本征GaN层和(900-1200℃)生长1.5-4um厚的Si掺杂GaN层，以上外延层的生长方向均与外延材料晶格取向面呈0.25-0.55°的角度。
二、多量子结构：
(1)生长GaN层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，生长时间为20-600s；
(2)生长InGaN层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，还通入流量为10-600sccm的TMIn，生长时间为20-600s；
(3)重复以上步骤(1)和(2)形成一个量子阱周期，生长2-15个周期的量子阱；
(4)按照(1)、(2)和(3)的步骤生长2-5个多量子阱结构，通过降低生长温度或改变TMIn的流量实现量子阱结构的铟含量的逐渐增加。
以上外延层的生长方向均与外延材料晶格取向面呈0.25-0.55°的角度。
三、第二种半导体载流子注入层：将生长温度设定在800-1200℃，生长10-200nm厚的镁掺杂AlGaN层或AlInGaN层，接着生长50-500nm厚的镁掺杂GaN层。以上外延层的生长方向均与外延材料晶格取向面呈0.25-0.55°的角度。
本发明提供的一种新型的GaN基绿光发光二极管器件的优益之处在于：具有更稳定的多量子阱结构，提高了器件的发光效率和反向电流电压特性。
附图说明：
图1常规结构的GaN基绿光发光二极管结构的剖面示意图。
图2为具有新型结构的GaN基绿光发光二极管的剖面示意图。
图3为本发明的第一实施例所提供的GaN基发光二极管结构的剖面示意图。
图中：第一种半导体载流子注入层1、为多量子阱结构2、第二种半导体载流子注入层3、常规小倾角衬底4、大倾角衬底5、大倾角衬底6。
具体实施方式
为了更具体地说明本发明，现给出若干实施例。但本发明所涉及的内容并不仅仅局限于这些实施例。
本发明提供一种新型的GaN基绿光发光二极管器件结构，如图2所示，其中包括依次层叠的衬底5、第一种半导体载流子注入层1、多量子阱结构2、第二种半导体载流子注入层3，所述大倾角衬底为衬底生长窗口表面与外延材料晶格取向面倾斜一定角度，所述倾角为0.25-0.55°。
如上所述的结构，其特征在于：衬底可以是蓝宝石，碳化硅，或硅。
如上所述的结构，其特征在于：所述衬底可以是平面衬底，或图形化衬底。
如上所述的结构，其特征在于：所述图形化衬底的图形的剖面图为半球形、蒙古包形、圆柱形、金字塔形、三角形或梯形。
本发明发光二极管的制作方法的技术方案是，在生长窗口表面与外延材料晶格取向面倾斜0.25-0.55°的衬底上，采用MOCVD方法沿着倾斜面依次生长第一种半导体载流子注入层、多量子阱结构、第二种半导体载流子注入层，包括如下步骤：
一、第一种半导体载流子注入层：在衬底上400-600℃生长15-50nm的GaN缓冲层或者600-1000℃生长10-60nm的AlN缓冲层，接着高温(900-1200℃)生长1.5-4um厚的本征GaN层和(900-1200℃)生长1.5-4um厚的Si掺杂GaN层，以上外延层的生长方向均与外延材料晶格取向面呈0.25-0.55°的角度。
二、多量子结构：
(1)生长GaN层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，生长时间为20-600s；
(2)生长InGaN层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，还通入流量为10-600sccm的TMIn，生长时间为20-600s；
(3)重复以上步骤(1)和(2)形成一个量子阱周期，生长2-15个周期的量子阱；
(4)按照(1)、(2)和(3)的步骤生长2-5个多量子阱结构，通过降低生长温度或改变TMIn的流量实现量子阱结构的铟含量的逐渐增加。
以上外延层的生长方向均与外延材料晶格取向面呈0.25-0.55°的角度。
三、第二种半导体载流子注入层：将生长温度设定在800-1200℃，生长10-200nm厚的镁掺杂AlGaN层或AlInGaN层，接着生长50-500nm厚的镁掺杂GaN层。以上外延层的生长方向均与外延材料晶格取向面呈0.25-0.55°的角度。
实施例1，如图3所示，在倾角为0.35°的图形化蓝宝石衬底6上，沿着与C面法线法向呈0.35°的方向依次生长n型半导体层作为第一种半导体载流子注入层1，InGaN/GaN多量子阱2，p型半导体层作为第二种半导体载流子注入层3，包括如下步骤：
一、第一种半导体载流子注入层：在衬底上550℃生长30nm的GaN缓冲层，接着高温1070℃生长2um厚的本征GaN层和1070℃生长3um厚的Si掺杂GaN层。
二、多量子结构：
(1)生长GaN层：将生长温度设定在850℃，反应器的压力为200Tor，通入40L的高纯氨气和70L的高纯氮气，通入流量为400sccm的TEG，生长时间为400s；
(2)生长InGaN层：将生长温度设定在750℃，反应器的压力为200Tor，通入40L的高纯氨气和70L的高纯氮气，通入流量为200sccm的TEG，还通入流量为150sccm的TMIn，生长时间为120-200s；
(3)重复以上步骤(1)和(2)形成一个量子阱周期，生长3-7个周期的量子阱；
(4)生长GaN层：将生长温度设定在820℃，反应器的压力为200Tor，通入40L的高纯氨气和70L的高纯氮气，通入流量为400sccm的TEG，生长时间为400s；
(5)生长InGaN层：将生长温度设定在720℃，反应器的压力为200Tor，通入40L的高纯氨气和70L的高纯氮气，通入流量为200sccm的TEG，还通入流量为250-350sccm的TMIn，生长时间为120-200s；
(6)重复以上步骤(4)和(5)形成一个量子阱周期，生长3-7个周期的量子阱；
三、第二种半导体载流子注入层：将生长温度设定在950℃，生长20-50nm厚的镁掺杂AlGaN层，接着生长100-200nm厚的镁掺杂GaN层。
实施例2，在倾角为0.3°的平面蓝宝石衬底5上，沿着与C面法线法向呈0.3°的方向依次生长n型半导体层作为第一种半导体载流子注入层1，InGaN/GaN多量子阱2，p型半导体层作为第二种半导体载流子注入层3，包括如下步骤：
一、第一种半导体载流子注入层：在衬底上540℃生长30nm的GaN缓冲层，接着高温1060℃生长2um厚的本征GaN层和1070℃生长3um厚的Si掺杂GaN层。
二、多量子结构：
(1)生长GaN层：将生长温度设定在850℃，反应器的压力为200Tor，通入40L的高纯氨气和70L的高纯氮气，通入流量为400sccm的TEG，生长时间为400s；
(2)生长InGaN层：将生长温度设定在750℃，反应器的压力为200Tor，通入40L的高纯氨气和70L的高纯氮气，通入流量为200sccm的TEG，还通入流量为150sccm的TMIn，生长时间为120-200s；
(3)重复以上步骤(1)和(2)形成一个量子阱周期，生长3-7个周期的量子阱；
(4)生长GaN层：将生长温度设定在820℃，反应器的压力为200Tor，通入40L的高纯氨气和70L的高纯氮气，通入流量为400sccm的TEG，生长时间为400s；
(5)生长InGaN层：将生长温度设定在720℃，反应器的压力为200Tor，通入40L的高纯氨气和70L的高纯氮气，通入流量为200sccm的TEG，还通入流量为250-350sccm的TMIn，生长时间为120-200s；
(6)重复以上步骤(4)和(5)形成一个量子阱周期，生长3-7个周期的量子阱；
三、第二种半导体载流子注入层：将生长温度设定在930℃，生长20-50nm厚的镁掺杂AlGaN层，接着生长100-200nm厚的镁掺杂GaN层。
实施例3，在倾角为0.35°的平面碳化硅衬底5上，沿着与(0001)面法线法向呈0.35°的方向依次生长n型半导体层作为第一种半导体载流子注入层1，InGaN/GaN多量子阱2，p型半导体层作为第二种半导体载流子注入层3，包括如下步骤：
一、第一种半导体载流子注入层：在衬底上900℃生长50nm的AlN缓冲层，接着高温1060℃生长2um厚的本征GaN层和1070℃生长3um厚的Si掺杂GaN层。
二、多量子结构：
(1)生长GaN层：将生长温度设定在850℃，反应器的压力为200Tor，通入40L的高纯氨气和70L的高纯氮气，通入流量为400sccm的TEG，生长时间为400s；
(2)生长InGaN层：将生长温度设定在720℃，反应器的压力为200Tor，通入40L的高纯氨气和70L的高纯氮气，通入流量为200sccm的TEG，还通入流量为250-350sccm的TMIn，生长时间为120-200s；
(3)重复以上步骤(1)和(2)形成一个量子阱周期，生长3-7个周期的量子阱；
三、第二种半导体载流子注入层：将生长温度设定在960℃，生长20-50nm厚的镁掺杂AlGaN层，接着生长100-200nm厚的镁掺杂GaN层。
实施例4，在倾角为0.35°的图形化硅衬底6上，沿着与(111)面法线法向呈0.35°的方向依次生长n型半导体层作为第一种半导体载流子注入层1，InGaN/GaN多量子阱2，p型半导体层作为第二种半导体载流子注入层3，包括如下步骤：
一、第一种半导体载流子注入层：在衬底上950℃生长50nm的AlN缓冲层，接着高温1060℃生长2um厚的本征GaN层和1070℃生长3um厚的Si掺杂GaN层。
二、多量子结构：
(1)生长GaN层：将生长温度设定在850℃，反应器的压力为200Tor，通入40L的高纯氨气和70L的高纯氮气，通入流量为400sccm的TEG，生长时间为400s；
(2)生长InGaN层：将生长温度设定在720℃，反应器的压力为200Tor，通入40L的高纯氨气和70L的高纯氮气，通入流量为200sccm的TEG，还通入流量为250-350sccm的TMIn，生长时间为120-200s；
(3)重复以上步骤(1)和(2)形成一个量子阱周期，生长3-7个周期的量子阱；
三、第二种半导体载流子注入层：将生长温度设定在960℃，生长20-50nm厚的镁掺杂AlGaN层，接着生长100-200nm厚的镁掺杂GaN层。
本发明所提供的上述新型绿光发光二极管结构通过选用大倾角衬底而改变晶体的生长方向，该方法有效地增强了多量子结构的稳定性，减少了量子阱里的漏电或载流子泄露途径，提高了绿光发光二极管的发光效率以及改善了器件的反向电流电压特性。
Claims (5)
1.一种新型的GaN基绿光发光二极管结构，其中包括：依次层叠的大倾角衬底、第一种半导体载流子注入层、多量子阱结构、第二种半导体载流子注入层，所述大倾角衬底为衬底生长窗口表面与外延材料晶格取向面倾斜一定角度，所述倾角为0.25-0.55°。
2.如权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于：所述衬底为蓝宝石、碳化硅或硅衬底。
3.如权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于：所述衬底可以是平面衬底，或图形化衬底。
4.如权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于：所述图形化衬底的图形的剖面图为半球形、蒙古包形、圆柱形、金字塔形、三角形或梯形。
5.一种如权利1所述的发光二极管结构的制作方法，其特征在于：在生长窗口表面与外延材料晶格取向面倾斜0.25-0.55°的衬底上，采用MOCVD方法沿着倾斜面依次生长第一种半导体载流子注入层、多量子阱结构、第二种半导体载流子注入层，包括如下步骤：
一、第一种半导体载流子注入层：在衬底上400-600℃生长15-50nm的GaN缓冲层或者600-1000℃生长10-60nm的A1N缓冲层，接着高温(900-1200℃)生长1.5-4um厚的本征GaN层和(900-1200℃)生长1.5-4um厚的Si掺杂GaN层，以上外延层的生长方向均与外延材料晶格取向面呈0.25-0.55°的角度。
二、多量子结构：
(1)生长GaN层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，生长时间为20-600s；
(2)生长InGaN层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Tor，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的TEG，还通入流量为10-600sccm的TMIn，生长时间为20-600s；
(3)重复以上步骤(1)和(2)形成一个量子阱周期，生长2-15个周期的量子阱；
(4)按照(1)、(2)和(3)的步骤生长2-5个多量子阱结构，通过降低生长温度或改变TMIn的流量实现量子阱结构的铟含量的逐渐增加。
以上外延层的生长方向均与外延材料晶格取向面呈0.25-0.55°的角度。三、第二种半导体载流子注入层：将生长温度设定在800-1200℃，生长10-200nm厚的镁掺杂AlGaN层或AlInGaN层，接着生长50-500nm厚的镁掺杂GaN层。以上外延层的生长方向均与外延材料晶格取向面呈0.25-0.55°的角度。
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