CN103985798B - 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 (2)
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；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；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；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型组分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；
所述发光层多量子阱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；或者第一、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。
2.一种用于制备权利要求1所述的具有新型量子阱结构的LED的制作方法，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，所述本征GaN层为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；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；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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