CN104157761A - 一种提高光取出率的氮化镓基发光二极管结构及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光电器件领域，具体涉及一种提高光取出率的氮化镓基发光二极管结构及其制备方法。解决了目前LED结构P型区载流子浓度不高、电流分布不均匀性以及出光效率低技术问题。一种提高光取出率的氮化镓基发光二极管结构，该发光二极管结构包括：衬底；生长在该衬底上的GaN缓冲层；生长在该GaN缓冲层上的非掺杂GaN层；生长在该非掺杂GaN层上的Si掺杂GaN层；生长在该Si掺杂GaN层上的6个周期的多量子阱结构；生长在多量子阱结构上的p-AlGaN电子阻挡层；生长在p-AlGaN电子阻挡层上的Mg掺杂p型GaN层；生长在Mg掺杂p型GaN层上的重掺杂p型GaN层；生长在重掺杂p型GaN层上的n型InGaN层。本发明电流分布均匀，出光效率高，且制备工艺简单。

Description

一种提高光取出率的氮化镓基发光二极管结构及制备方法
技术领域
本发明属于光电器件领域，具体涉及一种提高光取出率的氮化镓基发光二极管结构及制备方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种将电能转化为光能的电子元件。它具有高亮度、低能耗、长寿命和响应速度快能特点，是一种绿色环保型的固体光源，在照明、显示等领域有着广泛的应用前景，尤其是现在，随着LED的成本的降低和效率的提高，LED相对于其它传统光源的优势逐渐显现出来，尤其在照明领域所占的比重越来越大，市场前景也越来越好。虽然LED的发展和应用充分的得到了业界的认可，但同样也面临着很多问题。例如，由于P型GaN中低的载流子浓度和低的空穴迁移率，造成电流在P型GaN中分布不均匀，引起在电极附近处电流密度较高，而远离电极处电流密度较低。在大电流密度下，LED的内量子效率会出现明显的下降(即效率骤降现象)，造成辐射复合效率的降低。如现有技术中Mg的激活能较高(150meV-250meV)，激活效率低，一般激活效率只有1％左右，P型掺杂浓度只有1017cm-3的数量级。P型区低的载流子浓度会造成电流的分布不均匀，导致靠近电极处电流密度较高，远离电极处电流密度逐渐降低。高的电流密度下会出现明显的效率骤降现象，大电流处结温升高，导致内量子效率的降低。另外，由于GaN和空气折射率的不同，GaN的折射系数η＝2.5，与空气折射系数η＝1相差较大，造成出光角度只有23°，使大部分光不能逃逸到空气中去，出光效率比较低，造成外量子效率的低下。
综上所述，目前需要一种能够有效提高P型区载流子浓度、提高电流分布均匀性的LED结构且出光效率高的LED结构以及制备方法。
发明内容
本发明为解决目前LED结构P型区载流子浓度不高、电流分布不均匀以及出光效率低技术问题，提供一种提高光取出率的氮化镓基发光二极管结构及制备方法。
本发明所述的一种提高光取出率的氮化镓基发光二极管结构是采用以下技术方案实现的：一种提高光取出率的氮化镓基发光二极管结构，该发光二极管结构包括：衬底；生长在该衬底上的GaN缓冲层；生长在该GaN缓冲层上的非掺杂GaN层；生长在该非掺杂GaN层上的Si掺杂GaN层；生长在该Si掺杂GaN层上的6个周期的多量子阱结构，其中阱层厚2.7nm，前五个垒层厚13nm，最后一个垒层厚17nm；生长在多量子阱结构上的p-AlGaN电子阻挡层；生长在p-AlGaN电子阻挡层上的Mg掺杂p型GaN层；生长在Mg掺杂p型GaN层上的重掺杂p型GaN层；生长在重掺杂p型GaN层上的n型InGaN层。
本发明所述的氮化镓基发光二极管结构在传统的外延结构表面多生长一层Si掺杂的InGaN层，因为Si的活化能较低，一般掺杂的Si都能够激活，因此N型掺杂中载流子浓度较高，能达到1018cm-3-1019cm-3的数量级，明显高于现有技术。通过提高电极接触表面的载流子浓度，来改善电流扩展性，使电流在P型区得到更均匀的分布，从而提高整体的内量子效率。另外通过在InGaN表面自组装形成的V型坑，可以粗化表面，使出光角度增大，提高外量子效率。由于同时采用N型InGaN层来做欧姆接触层，因为其能显著提高半导体内的载流子浓度，因此还可以实现低接触电阻的欧姆接。
表1为P-GaN和N-InGaN中的载流子浓度和迁移率的对比结果。如表1所示，上栏为P型GaN层，下栏为N型InGaN层的室温霍尔测量结果，P型GaN层的载流子浓度为1.99×1017/cm-3，迁移率为10.15cm2/Vs；N型InGaN层的载流子浓度为2.28×1019/cm-3，迁移率为245.5cm2/Vs。可见插入N型InGaN层能有效提高载流子浓度和迁移率，有利于电流在P型区的横向传输，改善电流分布的均匀性。
表1
结构 载流子浓度 迁移率
P-DaN 1.99×1017/cm-3 10.15cm2/Vs
N-InGaN 2.28×1019/cm-3 245.5cm2/Vs
本发明所述的一种提高光取出率的氮化镓基发光二极管结构的制备方法是采用如下技术方案实现的：一种提高光取出率的氮化镓基发光二极管结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)将蓝宝石衬底在氢气气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度为1060℃，然后降温到570℃对衬底进行氮化处理；
(2)衬底上方生长25nm厚的低温GaN缓冲层，生长压力为600mbar；
(3)低温GaN缓冲层生长结束后关闭TMGa，对GaN缓冲层进行退火处理，将温度升至1070℃，保温2min，退火后通入TMGa，将压强降至150mbar，生长1.6μm厚的非掺杂GaN层；
(4)生长完非掺杂GaN层后生长一层掺杂浓度稳定的Si掺杂GaN层，该层载流子浓度为7×1018cm-3，厚度为2.6um，生长温度为1080℃，生长压力为150mbar；
(5)Si掺杂GaN层生长结束后生长6个周期的多量子阱结构(MQW)，其中垒层为GaN，阱层为InGaN，In组分以质量分数计为14.2％，其中前四个周期垒层为Si掺杂，后两个周期垒层为非掺杂，生长温度为840℃，阱层厚度为2.7nm，温度为740nm；前五个垒层厚度均为13nm，最后一个垒层厚度为17nm，整个生长过程中压强为400mbar；
(6)多量子阱结构生长结束后生长25nm厚的p-AlGaN电子阻挡层，该层中Al组分以质量分数计为17％，空穴浓度为1×1017cm-3，生长温度为960℃，压强为150mbar；
(7)生长完p-AlGaN电子阻挡层后生长200nm厚的Mg掺杂p型GaN层，该层空穴浓度为2×1017cm-3，生长温度为960℃，压强为150mbar；
(8)生长完Mg掺杂p型GaN层后生长20nm厚的重掺杂p型GaN层，生长温度为960℃，压强为150mbar；
(9)生长完重掺杂p型GaN层后生长10nm厚的n型InGaN层，In组分以质量分数计为14.2％，该层电子浓度为4×1018cm-3，生长温度为740℃，压强为400mbar；
(10)反应结束后将温度降至750℃，在纯氮气气氛下进行退火，退火时间为15min，然后降至室温，结束生长；
所述氮化镓基发光二极管结构生长过程中以三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMGAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别为Ga、Al、In和N源；
所述LED外延片生长过程中以硅烷(SiH4)和二茂镁(CP2Mg)为N、P型掺杂剂。
上述方法各步骤中所采用的工艺参数保证了最终产物的形成，同时具有前述的性能。由于在外延生长过程中InGaN表面会自组装形成V型坑，避免了复杂的表面粗化工艺；同时V型坑是在位错处由于应力的集中而引起生长方向的改变而引起的，V型坑的大小和分布比较均匀，使得出光也十分均匀。
本发明通过在外延工艺中生长N型InGaN层，有效克服了现有技术中对于LED结构表面的进行粗化过程时工艺复杂、表面粗化形貌不易控制的技术问题，所得产品出光效率得到明显提高。另外由于n型InGaN高的载流子浓度和迁移率，可以促进电流在电极接触层更好的横向传输，改善电流扩展性，提高电流分布均匀性，从而改善内量子效率。同时采用N型InGaN层来做欧姆接触层，因为其能显著提高半导体内的载流子浓度，因此还可以实现低接触电阻的欧姆接。
附图说明
图1为外延结构示意图，其为在蓝宝石衬底1上生长的外延结构依次为GaN缓冲层2、非掺杂GaN层(U-GaN)3、非掺杂GaN层(N-GaN)4、6个周期的多量子阱(MQW)5、p-AlGaN电子阻挡层6、低掺杂量的P型GaN7(P-GaN)、重掺杂p型GaN层(P+GaN)8、n型InGaN层(N-InGaN)9。
图2为电极处电流分布示意图。由于P型GaN层载流子浓度过低，迁移率过高而导致的电流在P型区分布不均。由图中可以看出在靠近电极10处电流密度较高，在远离电极处电流密度过低。
图3为由于折射率不同造成光子在表面发生全反射而不能入射到外界的示意图。
图4为N型InGaN层的AFM扫描表面形貌图，图中黑圈所示为V型坑。
图5为图4中V型坑的大小和深度结构示意图。
图6 V型坑增加表面出光角的示意图。
图7为有无N型InGaN插入层样品在20mA注入电流下的光致发光谱对比图。
1-衬底，2-GaN缓冲层，3-非掺杂GaN层，4-Si掺杂GaN层，5-多量子阱结构，6-p-AlGaN电子阻挡层，7-Mg掺杂p型GaN层，8-重掺杂p型GaN层，9-n型InGaN层，10-电极。
具体实施方式
一种提高光取出率的氮化镓基发光二极管结构，该发光二极管结构包括：衬底1；生长在该衬底1上的GaN缓冲层2；生长在该GaN缓冲层2上的非掺杂GaN层3；生长在该非掺杂GaN层3上的Si掺杂GaN层4；生长在该Si掺杂GaN层4上的6个周期的多量子阱结构5，其中阱层厚2.7nm，前五个垒层厚13nm，最后一个垒层厚17nm；生长在多量子阱结构5上的p-AlGaN电子阻挡层6；生长在p-AlGaN电子阻挡层6上的Mg掺杂p型GaN层7；生长在Mg掺杂p型GaN层7上的重掺杂p型GaN层8；生长在重掺杂p型GaN层8上的n型InGaN层9。
所述衬底1为蓝宝石衬底。
一种提高光取出率的氮化镓基发光二极管结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)将蓝宝石衬底在氢气气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度为1060℃，然后降温到570℃对衬底进行氮化处理；
(2)衬底上方生长25nm厚的低温GaN缓冲层，生长压力为600mbar；
(3)低温GaN缓冲层生长结束后关闭TMGa，对GaN缓冲层进行退火处理，将温度升至1070℃，保温2min，退火后通入TMGa，将压强降至150mbar，生长1.6μm厚的非掺杂GaN层；
(4)生长完非掺杂GaN层后生长一层掺杂浓度稳定的Si掺杂GaN层，该层载流子浓度为7×1018cm-3，厚度为2.6um，生长温度为1080℃，生长压力为150mbar；
(5)Si掺杂GaN层生长结束后生长6个周期的多量子阱结构，其中垒层为GaN，阱层为InGaN，In组分以质量分数计为14.2％，其中前四个周期垒层为Si掺杂，后两个周期垒层为非掺杂，生长温度为840℃，阱层厚度为2.7nm，温度为740nm；前五个垒层厚度均为13nm，最后一个垒层厚度为17nm，整个生长过程中压强为400mbar；
(6)多量子阱结构生长结束后生长25nm厚的p-AlGaN电子阻挡层，该层中Al组分以质量分数计为17％，空穴浓度为1×1017cm-3，生长温度为960℃，压强为150mbar；
(7)生长完p-AlGaN电子阻挡层后生长200nm厚的Mg掺杂p型GaN层，该层空穴浓度为2×1017cm-3，生长温度为960℃，压强为150mbar；
(8)生长完Mg掺杂p型GaN层后生长20nm厚的重掺杂p型GaN层，生长温度为960℃，压强为150mbar；
(9)生长完重掺杂p型GaN层后生长10nm厚的n型InGaN，In组分以质量分数计为14.2％，该层电子浓度为4×1018cm-3，生长温度为740℃，压强为400mbar；
(10)反应结束后将温度降至750℃，在纯氮气气氛下进行退火，退火时间为15min，然后降至室温，结束生长；
所述氮化镓基发光二极管结构生长过程中以三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMGAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别为Ga、Al、In和N源；
所述LED外延片生长(即衬底以上的结构)过程中以硅烷(SiH4)和二茂镁(CP2Mg)为N、P型掺杂剂。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步说明。
图1为外延结构示意图，其为在蓝宝石衬底1上生长的外延结构依次为GaN缓冲层2、非掺杂GaN层3、Si掺杂GaN层4、6个周期的多量子阱5、p-AlGaN电子阻挡层6、(低掺杂量的)Mg掺杂P型GaN7(P-GaN)、重掺杂p型GaN层(P++GaN)8、n型InGaN层9。
图2所示，因为P型区载流子浓度偏低，一般为1017cm-3的数量级，较N型区的1019cm-3的数量级低两个数量级，因此P型区处于一个高阻区，电流很难在P型区进行横向传输。因此就造成了如图2所示的在电极附近处电流密度较高，远离电极处电流密度偏低的现象。
图3所示，因为GaN和空气的折射率不同，造成出光角度只有23°，造成大部分光子在P型层和空气界面处会发生全反射而不能入射到外界，随即会被外延层所吸收转化为热量，降低外量子效率。
图4所示，为增加的N型InGaN层的原子力扫描图，其表面会出现许多V型坑(如上图中的黑色圆圈所示)。
图5为V型坑的大小和深度，这些V型坑会增加出光角度，提高外量子效率。
图6所示，为表面有V型坑的结构示意图，在V型坑处，在大的出光角度下光子仍能够入射到外界，增加了出光角度，提高外量子效率。
图7所示，为有无N型InGaN插入层样品在20mA注入电流下的光致发光谱。从图中可以看到，有N型InGaN的样品能够明显增加出光强度。

Claims (3)

1.一种提高光取出率的氮化镓基发光二极管结构，其特征在于，该发光二极管结构包括：衬底(1)；生长在该衬底(1)上的GaN缓冲层(2)；生长在该GaN缓冲层(2)上的非掺杂GaN层(3)；生长在该非掺杂GaN层(3)上的Si掺杂GaN层(4)；生长在该Si掺杂GaN层(4)上的6个周期的多量子阱结构(5)，其中阱层厚2.7nm，前五个垒层厚13nm，最后一个垒层厚17nm；生长在多量子阱结构(5)上的p-AlGaN电子阻挡层(6)；生长在p-AlGaN电子阻挡层(6)上的Mg掺杂p型GaN层(7)；生长在Mg掺杂p型GaN层(7)上的重掺杂p型GaN层(8)；生长在重掺杂p型GaN层(8)上的n型InGaN层(9)。
2.如权利要求1所述的一种提高光取出率的氮化镓基发光二极管结构，其特征在于，所述衬底(1)为蓝宝石衬底。
3.一种制备如权利要求2所述提高光取出率的氮化镓基发光二极管结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将蓝宝石衬底在氢气气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度为1060℃，然后降温到570℃通入氨气对衬底进行氮化处理，氨化时间为6分钟；
(2)氨化结束后，通入TMGa，在衬底上方生长25nm厚的低温GaN缓冲层，生长压力为600mbar；
(3)低温GaN缓冲层生长结束后关闭TMGa，对GaN缓冲层进行退火处理，将温度升至1070℃，保温2min，退火后通入TMGa，将压强降至150mbar，生长1.6μm厚的非掺杂GaN层；
(4)生长完非掺杂GaN层后生长一层掺杂浓度稳定的Si掺杂GaN层，该层载流子浓度为7×1018cm-3，厚度为2.6um，生长温度为1080℃，生长压力为150mbar；
(5)Si掺杂GaN层生长结束后生长6个周期的多量子阱结构，其中垒层为GaN，阱层为InGaN，In组分以质量分数计为14.2％，其中前四个周期垒层为Si掺杂，后两个周期垒层为非掺杂，生长温度为840℃，阱层厚度为2.7nm，温度为740nm；前五个垒层厚度均为13nm，最后一个垒层厚度为17nm，整个生长过程中压强为400mbar；
(6)多量子阱结构生长结束后生长25nm厚的p-AlGaN电子阻挡层，该层中Al组分以质量分数计为17％，空穴浓度为1×1017cm-3，生长温度为960℃，压强为150mbar；
(7)生长完p-AlGaN电子阻挡层后生长200nm厚的Mg掺杂p型GaN层，该层空穴浓度为2×1017cm-3，生长温度为960℃，压强为150mbar；
(8)生长完Mg掺杂p型GaN层后生长20nm厚的重掺杂p型GaN层，生长温度为960℃，压强为150mbar；
(9)生长完重掺杂p型GaN层后生长10nm厚的n型InGaN层，In组分以质量分数计为14.2％，该层电子浓度为4×1018cm-3，生长温度为740℃，压强为400mbar；
(10)反应结束后将温度降至750℃，在纯氮气气氛下进行退火，退火时间为15min，然后降至室温，结束生长；
所述氮化镓基发光二极管结构生长过程中以三甲基镓-TMGa、三乙基镓-TEGa、三甲基铝-TMGAl、三甲基铟-TMIn和氨气-NH3分别为Ga、Al、In和N源；
所述LED外延片生长过程中以硅烷-SiH4和二茂镁-CP2Mg为N、P型掺杂剂。
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