CN103985798A - 一种具有新型量子阱结构的led及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有新型量子阱结构的LED，包括衬底和在衬底上形成的外延层结构，其特征在于：所述的外延层结构包括有发光层多量子阱，发光层多量子阱的阱层和垒层均由单一组分InGaN、渐变形组分InGaN、台阶形组分InGaN、凹形组分InGaN、凸形组分InGaN、δ型组分InGaN中的一种或多种组合而成，其中混合量子阱中的In含量，Al含量通过改变In源流量、Al源流量、生长温度和生长压力等参数来实现。本发明所提供的LED结构，改善了GaN基LED量子阱中的极化效应，增大了电子与空穴的波函数交叠，从而提升LED的内量子效率，减弱LED在高电流下的efficient droop效应。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型LED的生产技术，具体的说是一种新型LED量子阱结构及其制作方法。
背景技术
Ⅲ族氮化物半导体近年来被大量研究，因其优异的材料特性成为目前主流材料之一，被广泛地应用于发光二极管（LED）、半导体激光器、太阳能电池等方面。Ⅲ族氮化物半导体 LED是21 世纪最具发展前景的高技术照明光源。作为新型高效固体光源，其具有节能、环保等显著优点，将是人类照明史上继白炽灯、荧光灯、高压气体放电灯的又一次飞跃。然而随着正向电流的逐渐增大，LED 的量子效率大幅下降，即通常所指的efficiency droop 现象，量子效率下降严重阻碍了 LED 在大功率器件方面的进一步发展。长期以来，很多学者和研究组对此现象进行了大量研究，提出了一系列的影响机制，包括：电子泄露、空穴注入效率、极化场、俄歇复合、热效应、位错密度、局域态填充效应和量子限制斯塔克效应。
截至目前，仍没有很有效的方法解决此问题，由于 GaN 薄膜通常是沿着其极性轴 c 轴方向生长，GaN 及其合金在〈0001〉方向具有很强的自发极化和压电极化。这种极化效应在氮化物外延层中产生较高强度的内建电场，引起能带弯曲、倾斜，使电子和空穴在空间上分离，减少了电子波函数与空穴波函数的重叠，降低辐射复合效率，使材料的发光效率大大降低，故极化效应是主要的影响机制之一，另一方面由于电子具有较小的有效质量和较高的迁移率，电子可以轻易的越过电子阻挡层所形成的势垒，到达p 区和空穴发生复合，减小了空穴浓度和注入效率。而空穴具有较大的有效质量和很低的迁移率，电子阻挡层和量子阱垒层也对空穴的注入和传输起到的阻碍作用，在 GaN 基材料中，由于 Mg 掺杂剂具有较高的激活能，很难得到较高自由空穴浓度和迁移率的外延片，这样空穴的注入效率就会大大降低。综上所述 电子溢出至 p 区和较低的空穴注入效率也是主要影响机制之一。
在此背景下，只有优化量子阱的结构，匹配阱层与垒层晶格常数，降低极化效应，才能增大阱层电子波函数与空穴波函数的重叠，增强空穴在量子阱的迁移率和减弱电子在量子阱中的迁移率，并使得在不同量子阱中能均匀发光。
发明内容
针对现有技术的困难，本发明提供一种具有新型LED量子阱结构的GaN基发光二极管及其制作方法，该发光二极管不仅能够提高器件的发光效率，而且能够改善器件在大电流下的efficient droop现象。
本发明的技术方案为：一种具有新型量子阱结构的LED，包括衬底和在衬底上形成的外延层结构，其特征在于：所述的外延层结构包括有发光层多量子阱，发光层多量子阱的阱层和垒层均由单一组分InGaN、渐变形组分InGaN、台阶形组分InGaN、凹形组分InGaN、凸形组分InGaN、δ型组分InGaN中的一种或多种组合而成。
所述的外延层结构包括依次生长的第一缓冲层、本征GaN缓冲层、Si掺杂的n型GaN层、发光层多量子阱、第一p型GaN层、p型电子阻挡层和镁掺杂P型GaN层，其中第一缓冲层为GaN或AlN缓冲层，p型电子阻挡层为p型镁掺杂AlGaN层或超晶格层，n型GaN层上设有N型电极，p型GaN层上设有P型电极。
所述的发光层多量子阱中，量子的个数包括2—30个，阱层厚度为1-4nm，垒层厚度为3-30nm。
所述单一组分InGaN为InxGa1-xN，x的值为固定值；所述渐变型组分InGaN为InxGa1-xN，x的值均匀增大或均匀减小；所述台阶形组分InGaN为InxGa1-xN/InyGa1-yN，x的值大于y的值或者x的值小于y的值；所述凹形组分InGaN为InxGa1-xN/InyGa1-yN/InxGa1-xN，x、y的值固定，同时x的值大于y的值；所述凸形组分InGaN为InxGa1-xN/InyGa1-yN/InxGa1-xN，x、y的值固定，同时x的值小于y的值；所述δ形组分InGaN为InxGa1-xN/InyGa1-yN/InxGa1-xN，x、y的值固定，同时x的值小于y的值，且中间的InyGa1-yN层很薄或者两侧的InxGa1-xN层很薄，每层均小于1nm；上述组分中，均有0<x<1及0<y<1。
一种具有新型量子阱结构的LED制作方法，其LED包括衬底和在衬底上采用MOCVD
(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)方法生长的外延层结构，其特征在于：所述的生长步骤包括：
S1首先在400-600℃下在衬底上生长15-50nm的GaN缓冲层或在600-1000℃下在衬底上生长10-60nm的AlN缓冲层，再在900-1200℃下生长1.5-4um的本征GaN层（非掺杂或低掺杂浓度的GaN层），然后在900-1200℃下生长1.5-4um的Si掺杂GaN层；
S2 生长发光层多量子阱结构，包括如下子步骤：
S2.1 生长垒层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Torr，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的三乙基镓、三甲基镓、三甲基铟、三甲基铝，生长时间为20-600s，多量子阱中的In含量和Al含量可依据生长结构改变其In源流量、Al源流量、生长温度和生长压力等工艺参数来实现不同组分配置；
S2.2 生长阱层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Torr，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的三乙基镓，三甲基镓、三甲基铟、三甲基铝，生长时间为20-600s，多量子阱中的In含量和Al含量可依据生长结构改变其In源流量、Al源流量、生长温度和生长压力等工艺参数来实现不同组分配置；
S2.3 交替生长阱层和垒层，以一个阱层和一个垒层为一个周期，生长2-30个周期的多量子阱；
S3 将生长温度设定在800-900℃，低温生长第一p型GaN层，接着在800-1200℃下生长10-200nm的镁掺杂AlGaN层或超晶格层，再生长50-500nm的镁掺杂（重掺杂）P型GaN层。
本发明的有益效果为：优化了量子阱结构，提升了空穴与电子在量子阱中符合的几率，增大发光功率；同时减弱了在大电流下的efficient droop效应。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为实施例1中发光层多量子阱的示意图。
图3为实施例2中发光层多量子阱的示意图。
图4为实施例3中发光层多量子阱的示意图。
图中，1-衬底，2-第一缓冲层，3-本征GaN缓冲层，4-n型GaN层，5-发光层多量子阱， 6-第一p型GaN层，7-p型电子阻挡层，8-镁掺杂P型GaN层，9- N型电极，10-P型电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1所示，本发明提供的具有新型量子阱结构的LED，其实施例的基本结构均包括衬底1和在衬底1上采用MOCVD方法依次生长的第一缓冲层2、本征GaN缓冲层3、Si掺杂的n型GaN层4、发光层多量子阱5、第一p型GaN层6、p型电子阻挡层7和镁掺杂P型GaN层8，其中第一缓冲层2为GaN或AlN缓冲层，n型GaN层4上设有N型电极9，镁掺杂P型GaN层8上设有P型电极10，不同实施例区别仅在于量子阱结构的不同。
实施例1：量子阱结构如图2所示，自左向右的厚度方向上共生长有七个垒和六个阱，第一、第二个量子阱均具有内斜面结构，为渐变型组分量子阱，第三、第四、第五和第六个量子阱均具有内台阶结构，为台阶型组分量子阱。
实施例2：量子阱结构如图3所示，在实施例1的基础上，第一、第二和第三个量子阱的垒均具有向外凸起结构，为凸型组分垒，第四、第五和第六个量子阱均具有向内凹入结构，为凹型组分垒。
实施例3：量子阱结构如图4所示，自左向右的厚度方向上共生长有七个垒和六个阱，第一、第二、第三、第四个量子阱均具有内斜面结构，为渐变型组分量子阱，第五、第六个量子阱均为厚度较薄的内台阶结构，为δ型组分量子阱。
Claims (7)
1.一种具有新型量子阱结构的LED，包括衬底和在衬底上形成的外延层结构，其特征在于：所述的外延层结构包括有发光层多量子阱，发光层多量子阱的阱层和垒层均由单一组分InGaN、渐变形组分InGaN、台阶形组分InGaN、凹形组分InGaN、凸形组分InGaN、δ型组分InGaN中的一种或多种组合而成。
2.根据权利要求1所述的具有新型量子阱结构的LED，其特征在于：所述的外延层结构包括依次生长的第一缓冲层、本征GaN缓冲层、Si掺杂的n型GaN层、发光层多量子阱、第一p型GaN层、p型电子阻挡层和镁掺杂P型GaN层。
3.根据权利要求2所述的具有新型量子阱结构的LED，其特征在于：所述的发光层多量子阱中，阱层厚度为1-4nm，垒层厚度为3-30nm。
4.根据权利要求1-3所述的具有新型量子阱结构的LED，其特征在于：所述单一组分InGaN为InxGa1-xN，x的值为固定值；所述渐变型组分InGaN为InxGa1-xN，x的值均匀增大或均匀减小；所述台阶形组分InGaN为InxGa1-xN/InyGa1-yN，x的值大于y的值或者x的值小于y的值；所述凹形组分InGaN为InxGa1-xN/InyGa1-yN/InxGa1-xN，x、y的值固定，同时x的值大于y的值；所述凸形组分InGaN为InxGa1-xN/InyGa1-yN/InxGa1-xN，x、y的值固定，同时x的值小于y的值；所述δ形组分InGaN为InxGa1-xN/InyGa1-yN/InxGa1-xN，x、y的值固定，同时x的值小于y的值，且中间的InyGa1-yN层很薄或者两侧的InxGa1-xN层很薄，每层均小于1nm；上述组分中，均有0<x<1及0<y<1。
5.一种具有新型量子阱结构的LED制作方法，包括衬底和在衬底上采用MOCVD方法生长的外延层结构，其特征在于：所述的生长步骤包括：
S1首先在400-600℃下在衬底上生长15-50nm的GaN缓冲层或在600-1000℃下在衬底上生长10-60nm的AlN缓冲层，再在900-1200℃下生长1.5-4um的本征GaN层（非掺杂或低掺杂浓度的GaN层），然后在900-1200℃下生长1.5-4um的Si掺杂GaN层；
S2 生长发光层多量子阱结构，包括如下子步骤：
S2.1 生长垒层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Torr，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的三乙基镓、三甲基镓、三甲基铟、三甲基铝，生长时间为20-600s，多量子阱中的In含量和Al含量依据生长结构改变其In源流量、Al源流量、生长温度和生长压力等工艺参数来实现；
S2.2 生长阱层：将生长温度设定在700-900℃，反应器的压力为100-500Torr，通入10-60L的高纯氨气和10-90L的高纯氮气，通入流量为10-600sccm的三乙基镓，三甲基镓、三甲基铟、三甲基铝，生长时间为20-600s，多量子阱中的In含量和Al含量可依据生长结构改变其In源流量、Al源流量、生长温度和生长压力等工艺参数来实现；
S2.3 交替生长阱层和垒层，生长2-30个周期的多量子阱；
S3 将生长温度设定在800-900℃，生长第一p型GaN层，接着在800-1200℃下生长10-200nm的镁掺杂AlGaN层或超晶格层，再生长50-500nm的镁掺杂P型GaN层。
6.根据权利要求5所述的具有新型量子阱结构的LED制作方法，其特征在于：所述的外延层结构包括依次生长的第一缓冲层、本征GaN缓冲层、Si掺杂的n型GaN层、发光层多量子阱、第一p型GaN层、p型电子阻挡层和镁掺杂P型GaN层。
7.根据权利要求5所述的具有新型量子阱结构的LED制作方法，其特征在于：所述的发光层多量子阱的阱层和垒层均由单一组分InGaN、渐变形组分InGaN、台阶形组分InGaN、凹形组分InGaN、凸形组分InGaN、δ型组分InGaN中的一种或多种组合而成。
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