CN103996765A - 一种提高内量子效率的led外延结构及生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种提高内量子效率的LED外延结构及生长方法，在下P型GaN层和P型AlGaN层之间引入P-InxGa1-xN/P-AlyInzGa1-y-zN空穴注入层，引入P-InGaN层有利于空穴的积累，从而增加P-InGaN处空穴浓度，增强空穴的注入。同时P-AlInGaN的引入提高了有效势垒高度减少了电子的泄漏，使电子和空穴在发光量子阱区域的复合效率得到提高，进而提高器件内量子效率。本发明的外延片按常规芯片工艺，制成单颗尺寸为10×23mil 、以ITO为透明电极的LED芯片，经过芯片测试，测试电流20mA，单颗芯片光输出功率可得到10%-25%的提升。
Description
技术领域
本发明涉及半导体照明技术领域，尤其涉及一种LED外延结构及生长方法。
背景技术
作为第四代固体照明光源的发光二极管(LED)，具有节能、环保、长寿命、多色彩和小体积等诸多优点。目前，已经商业化生产，但是对材料的研究仍在一直进行，研究重点是提高材料质量和LED的量子效率以改进器件性能。LED的亮度取决于有源区的内量子效率和光提取效率，GaN基LED内量子效率和光的提取效率较低，一定程度上限制了其应用。
随着LED的应用越来越广泛，如何提高GaN基LED的内量子效率越来越成为关注的焦点，对于GaN基多量子阱结构的LED，内量子效率的提高决定于阱内载流子辐射复合效率的提高。其中P型GaN的高晶体质量生长受到人们的长期关注，但目前制备具有高的空穴浓度、低电阻率及高晶体质量的Mg掺杂P型GaN材料仍然困难重重，远没有达到人们的预期目标。空穴浓度低、迁移率低，不利于空穴从P型层注入到多量子阱区域。
加上传统的GaN基LED外延结构存在自发极化和压电极化，使量子阱能带产生弯曲，弯曲的势垒使有效势垒高度降低电子容易泄漏到P型层。随着注入电流的增加，会使电子泄漏变得更严重，注入效率变低，从而使得内量子效率变低。
在中国申请CN102623597A中提出的靠近P区的最后一个量子阱垒的结构，包含U-InGaN和U-AlInGaN双层结构，此结构虽然减小了量子阱区由于晶格质量造成的应力，减少了电子溢流，但并没有改善空穴的迁移能力和提高空穴向量子阱区域的注入效率，因此不能有效的提高器件的内量子效率。
发明内容
针对上述问题，本发明采用P-InGaN/P-AlInGaN作为空穴注入层，提高LED外延结构的内量子效率，进而提高LED器件亮度的。
本发明是通过下述方案实现的：
一种提高内量子效率的LED外延结构，其包括衬底、低温GaN缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层、下p型GaN层、p型AlGaN层、上p型GaN层、高掺杂p型电极接触层，在所述下p型GaN层和p型AlGaN层之间引入空穴注入层，所述空穴注入层为至少一个周期的P-InxGa1-xN/ P-AlyInzGa1-y-zN结构，其中0<x<1，0<y<1、0≤z<1、0<y+z<1。
优选方案为所述空穴注入层为1-10个周期的P-InxGa1-xN/ P-AlyInzGa1-y-zN结构，其中，0.02≤x≤0.2，0<y≤0.1，0.01≤z≤0.1。
优选方案为所述P-InxGa1-xN层厚度为2-20nm；所述P-AlyInzGa1-y-zN层厚度为5-30nm；所述空穴注入层的总厚度小于等于300nm。
优选方案为所述下p型GaN层厚度为10-100nm。
优选方案为所述p型AlGaN层厚度为10-200nm。
一种上述提高内量子效率的LED外延结构的生长方法，包括如下步骤：
(1) 对衬底进行高温净化；
(2) 采用金属有机物化学气相沉积法，在500~600℃的温度下，在衬底上生长低温GaN缓冲层；
(3) 在1000~1200℃的温度下，生长0.2-5μm非掺杂GaN层；
(4) 在1000~1200℃的温度下，生长0.2-5μm厚的n型GaN层；
(5) 在N2环境中，700~900℃的温度下，生长多量子阱层；
(6) 在800~1050℃的温度下，生长下p型GaN层，厚度为10-100nm；
(7) 生长P-InxGa1-xN层：在N2环境中，将反应室温度调节到650-800℃，通入金属有机源TEGa、TMIn和Cp2Mg，生长厚度为2-20nm；
生长P-AlyInzGa1-y-zN层：在N2环境中，将反应室温度调节到750-900℃，通入金属有机源TEGa、TMIn 、TMAl 和Cp2Mg，生长厚度为5-30nm；
重复生长P-InxGa1-xN/ P-AlyInzGa1-y-zN结构，达到所需周期，总厚度不超过300nm；
(8) 在900~1150℃的温度下，生长p型AlGaN层；厚度为10-200nm；
(9) 在850~1150℃的温度下，生长上p型GaN层；
(10) 在850~1150℃的温度下，生长高掺杂p型电极接触层。
本发明外延生长采用金属有机物化学气相沉积法（MOCVD，Metalorganic Chemical Vapor Deposition）；衬底选用（0001）晶向的蓝宝石；金属有机源采用三甲基镓（TMGa）或三乙基镓（TEGa）、三甲基铟（TMIn）、三甲基铝（TMAl）；氮源为氨气（NH3）；n型掺杂剂为200ppm的H2携载的硅烷（SiH4）；p型掺杂剂为二茂镁（Cp2Mg）。
本发明中的空穴注入层相当于一个空穴传输过程中的“蓄水池”，可将P型层提供的空穴有效限制在在空穴注入层中，也可以降低从P型层向量子阱区域的注入势垒，引入该层可以提高空穴的有效注入。其中P-InGaN层相当于在能带中引入浅势阱，有利于空穴的积累，从而增加P-InGaN层处空穴浓度，增强空穴向量子阱发光区的注入；同时P-AlInGaN层的引入提高了有效势垒高度，减少了电子的泄漏，使电子和空穴在发光量子阱区域的复合效率得到提高，进而提高器件内量子效率。
本发明的外延片按常规芯片工艺，制成单颗尺寸为10×23 mil、以ITO为透明电极的LED芯片，经过芯片测试，测试电流20mA，单颗芯片光输出功率比较传统工艺可得到10%-25%的提升。
附图说明
图1 本发明的一种LED外延结构示意图；
其中： 101—衬底；102—低温GaN缓冲层；103—非掺杂GaN层；104—n型GaN层；105—多量子阱层；106—下p型GaN层；107—P-InxGa1-xN层；108—P-AlyInzGa1-y-zN层；109—p型AlGaN层；110—上p型GaN层；111—高掺杂p型电极接触层。
具体实施方式
实施例1
参照附图1，本实施例中外延结构包括：衬底、低温GaN缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层、100nm的下p型GaN层、空穴注入层、200nm的p型AlGaN层、上p型GaN层、高掺杂p型电极接触层。其中空穴注入层由1个周期的P-In0.02Ga0.98N/ P-Al0.01In0.01Ga0.98N构成，P-In0.02Ga0.98N层为2nm厚，P-Al0.01In0.01Ga0.98N层为5nm厚。
该氮化镓基外延片采用MOCVD法外延生长：
1. 将（0001）晶向的蓝宝石衬底放入反应室中，然后在H2环境中升温至1100℃，稳定10分钟，对衬底进行高温净化。
2. 降温至550℃生长28nm厚的低温GaN缓冲层。
3. 升温至1050℃生长1μm厚的非掺杂GaN层。
4. 在1100℃生长2.5μm厚的n型GaN层。
5. 在N2环境中生长5个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为15nm，生长温度为850℃；InGaN阱层：厚度为2nm，生长温度为750℃。
6. 升温至900℃生长100nm厚度的下p型GaN层。
7. 在N2环境下降温至700℃，通入金属有机源TEGa和TMIn、Cp2Mg，生长P-In0.02Ga0.98N层 2nm，然后升温至800℃，保持N2环境不变，同时通入TMAl源生长P-Al0.01In0.01Ga0.98N层 5nm。
8. 升温至1050℃生长200nm厚度的p型AlGaN层。
9. 在950℃生长150nm厚度的上p型GaN层。
10. 在950℃生长20nm厚度的高掺杂p型电极接触层。
11. 降温至750℃，退火10min。
12.降温至室温，生长结束。
本实施例得到的外延片按常规芯片工艺，制成单颗尺寸为10×23 mil、以ITO为透明电极的LED芯片，经过芯片测试，测试电流20mA，单颗芯片光输出功率比较传统工艺可得到12%的提升。
实施例2
本实施例中外延结构包括：衬底、低温GaN缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层、10nm的下p型GaN层、空穴注入层、10nm的p型AlGaN层、上p型GaN层、高掺杂p型电极接触层。其中空穴注入层由6个周期的P-In0.1Ga0.9N/ P-Al0.05In0.05Ga0.9N构成，P-In0.1Ga0.9N层为20nm厚，P-Al0.05In0.05Ga0.9N层为30nm厚。
该氮化镓基外延片采用MOCVD法外延生长：
1. 将（0001）晶向的蓝宝石衬底放入反应室中，然后在H2环境中升温至1100℃，稳定10分钟，对衬底进行高温净化。
2. 降温至530℃生长28nm厚的低温GaN缓冲层。
3. 升温至1150℃生长1μm厚的非掺杂GaN层。
4. 在1200℃生长2.5μm厚的n型GaN层。
5. 在N2环境中生长5个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为15nm，生长温度为860℃；InGaN阱层：厚度为2nm，生长温度为760℃。
6. 升温至1050℃生长10nm厚度的下p型GaN层。
7. 在N2环境下降温至750℃，通入金属有机源TEGa和TMIn、Cp2Mg，生长P-In0.1Ga0.9N层 20nm，然后升温至850℃，保持N2环境不变，同时通入TMAl源生长P-Al0.05In0.05Ga0.9N层30nm。重复生长6个周期。
8. 升温至1150℃生长10nm厚度的p型AlGaN层。
9. 在960℃生长150nm厚度的上p型GaN层。
10. 在960℃生长20nm厚度的高掺杂p型电极接触层。
11. 降温至750℃，退火10min。
12. 降温至室温，生长结束。
本实施例得到的外延片按常规芯片工艺，制成单颗尺寸为10×23 mil、以ITO为透明电极的LED芯片，经过芯片测试，测试电流20mA，单颗芯片光输出功率比较传统工艺可得到15%的提升。
实施例3
本实施例中外延结构包括：衬底、低温GaN缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层、70nm的下p型GaN层、空穴注入层、100nm的p型AlGaN层、上p型GaN层、高掺杂p型电极接触层。其中空穴注入层由4个周期的P-In0.2Ga0.8N/ P-Al0.1In0.1Ga0.8N构成，P-In0.2Ga0.8N层为10nm厚，P-Al0.1In0.1Ga0.8N层为15nm厚。
该氮化镓基外延片采用MOCVD法外延生长：
1. 将（0001）晶向的蓝宝石衬底放入反应室中，然后在H2环境中升温至1100℃，稳定10分钟，对衬底进行高温净化。
2. 降温至540℃生长28nm厚的低温GaN缓冲层。
3. 升温至1200℃生长1μm厚的非掺杂GaN层。
4. 在1000℃生长2.5μm厚的n型GaN层。
5. 在N2环境中生长5个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为15nm，生长温度为855℃；InGaN阱层：厚度为2nm，生长温度为755℃。
6. 升温至950℃生长70nm厚度的下p型GaN层。
7. 在N2环境下降温至650℃，通入金属有机源TEGa和TMIn、Cp2Mg，生长P-In0.2Ga0.8N层 10nm，然后升温至850℃，保持N2环境不变，同时通入TMAl源生长P-Al0.1In0.1Ga0.8N层15nm。重复生长4个周期。
8. 升温至950℃生长100nm厚度的p型AlGaN层。
9. 在1150℃生长150nm厚度的上p型GaN层。
10. 在1150℃生长20nm厚度的高掺杂p型电极接触层。
11. 降温至750℃，退火10min。
12. 降温至室温，生长结束。
本实施例得到的外延片按常规芯片工艺，制成单颗尺寸为10×23 mil、以ITO为透明电极的LED芯片，经过芯片测试，测试电流20mA，单颗芯片光输出功率比较传统工艺可得到18%的提升。
实施例4
本实施例中外延结构包括：衬底、低温GaN缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层、30nm的下p型GaN层、空穴注入层、60nm的p型AlGaN层、上p型GaN层、高掺杂p型电极接触层。其中空穴注入层由10个周期的P-In0.05Ga0.95N/ P-Al0.05In0.05Ga0.9N构成，P-In0.05Ga0.95N层为5nm厚，P-Al0.05In0.05Ga0.9N层为15nm厚。
该氮化镓基外延片采用MOCVD法外延生长：
1. 将（0001）晶向的蓝宝石衬底放入反应室中，然后在H2环境中升温至1100℃，稳定10分钟，对衬底进行高温净化。
2. 降温至550℃生长28nm厚的低温GaN缓冲层。
3. 升温至1050℃生长1μm厚的非掺杂GaN层。
4. 在1100℃生长2.5μm厚的n型GaN层。
5. 在N2环境中生长5个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为15nm，生长温度为850℃；InGaN阱层：厚度为2nm，生长温度为750℃。
6. 升温至800℃生长30nm厚度的下p型GaN层。
7. 在N2环境下降温至650℃，通入金属有机源TEGa和TMIn、Cp2Mg，生长P-In0.05Ga0.95N层 5nm，然后升温至750℃，保持N2环境不变，同时通入TMAl源生长P-Al0.05In0.05Ga0.9N层15nm。按此条件重复生长10个周期。
8. 升温至1000℃生长60nm厚度的p型AlGaN层。
9. 在850℃生长150nm厚度的上p型GaN层。
10. 在850℃生长20nm厚度的高掺杂p型电极接触层。
11. 降温至750℃，退火10min。
12. 降温至室温，生长结束。
本实施例得到的外延片按常规芯片工艺，制成单颗尺寸为10×23 mil、以ITO为透明电极的LED芯片，经过芯片测试，测试电流20mA，单颗芯片光输出功率比较传统工艺可得到20%的提升。
实施例5
本实施例中外延结构包括：衬底、低温GaN缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层、50nm的下p型GaN层、空穴注入层、150nm的p型AlGaN层、上p型GaN层、高掺杂p型电极接触层。其中空穴注入层由10个周期的P-In0.05Ga0.95N/ P-Al0.05In0.05Ga0.9N构成，P-In0.05Ga0.95N层为2nm厚，P-Al0.05In0.05Ga0.9N层为10nm厚。
该氮化镓基外延片采用MOCVD法外延生长：
1. 将（0001）晶向的蓝宝石衬底放入反应室中，然后在H2环境中升温至1100℃，稳定10分钟，对衬底进行高温净化。
2. 降温至550℃生长28nm厚的低温GaN缓冲层。
3. 升温至1050℃生长1μm厚的非掺杂GaN层。
4. 在1100℃生长2.5μm厚的n型GaN层。
5. 在N2环境中生长5个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为15nm，生长温度为850℃；InGaN阱层：厚度为2nm，生长温度为750℃。
6. 升温至900℃生长50nm厚度的下p型GaN层。
7. 在N2环境下降温至800℃，通入金属有机源TEGa和TMIn、Cp2Mg，生长P-In0.05Ga0.95N层 2nm，然后升温至900℃，保持N2环境不变，同时通入TMAl源生长P-Al0.05In0.05Ga0.9N层10nm。按此条件重复生长10个周期。
8. 升温至1050℃生长150nm厚度的p型AlGaN层。
9. 在950℃生长150nm厚度的上p型GaN层。
10. 在950℃生长20nm厚度的高掺杂p型电极接触层。
11. 降温至750℃，退火10min。
12. 降温至室温，生长结束。
本实施例得到的外延片按常规芯片工艺，制成单颗尺寸为10×23 mil、以ITO为透明电极的LED芯片，经过芯片测试，测试电流20mA，单颗芯片光输出功率比较传统工艺可得到25%的提升。
Claims (6)
1.一种提高内量子效率的LED外延结构，其包括衬底、低温GaN缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层、下p型GaN层、p型AlGaN层、上p型GaN层、高掺杂p型电极接触层，其特征在于：在所述下p型GaN层和p型AlGaN层之间引入空穴注入层，所述空穴注入层为至少一个周期的P-InxGa1-xN/ P-AlyInzGa1-y-zN结构，其中0<x<1，0<y<1、0≤z<1、0<y+z<1。
2.如权利要求1所述的提高内量子效率的LED外延结构，其特征在于：所述空穴注入层为1-10个周期的P-InxGa1-xN/ P-AlyInzGa1-y-zN结构，其中，0.02≤x≤0.2，0<y≤0.1，0.01≤z≤0.1。
3. 如权利要求1或2所述的提高内量子效率的LED外延结构，其特征在于：所述P-InxGa1-xN层厚度为2-20nm；所述P-AlyInzGa1-y-zN层厚度为5-30nm；所述空穴注入层的总厚度小于等于300nm。
4. 如权利要求1或2所述的提高内量子效率的LED外延结构，其特征在于：所述下p型GaN层厚度为10-100nm。
5. 如权利要求1或2所述的提高内量子效率的LED外延结构，其特征在于：所述p型AlGaN层厚度为10-200nm。
6. 一种提高内量子效率的LED外延结构的生长方法，其特征在于包括如下步骤：
(1) 对衬底进行高温净化；
(2) 采用金属有机物化学气相沉积法，在衬底上生长低温GaN缓冲层；
(3) 生长非掺杂GaN层；
(4) 生长n型GaN层；
(5) 在N2环境中，生长多量子阱层；
(6) 生长下p型GaN层，厚度为10-100nm；
(7) 生长P-InxGa1-xN层：在N2环境中，将反应室温度调节到650-800℃，通入金属有机源TEGa、TMIn和Cp2Mg，生长厚度为2-20nm；
生长P-AlyInzGa1-y-zN层：在N2环境中，将反应室温度调节到750-900℃，通入金属有机源TEGa、TMIn 、TMAl 和Cp2Mg，生长厚度为5-30nm；
重复生长P-InxGa1-xN/ P-AlyInzGa1-y-zN结构，达到所需周期，总厚度不超过300nm；
(8) 生长p型AlGaN层；厚度为10-200nm；
(9) 生长上p型GaN层；
(10) 生长高掺杂p型电极接触层。
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