CN104465916B - 氮化镓发光二极管外延片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氮化镓发光二极管外延片，包括：在衬底上自下而上依次生长的：低温氮化镓缓冲层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、多量子阱结构、p型铝镓氮层、p型氮化镓层和高掺杂p型氮化镓电极接触层，其中，所述多量子阱结构包括：N个多量子阱，所述N个多量子阱中的每两个多量子阱之间设置有一个隧道结，所述隧道结由以石墨烯为基底的氮化镓基组成。由于多量子阱结构由多层多量子阱组成，在多量子阱结构中每一对电子—空穴，会发生多次复合，产生多个光子，从而提高了氮化镓发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术，尤其涉及一种氮化镓(GaN)发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)外延片。
背景技术
III-V族化合物半导体材料由于其较宽的直接带隙、良好的热学和化学稳定性，因而被广泛的应用于微电子和光电子器件领域。III-V族化合物中GaN、氮化铝(AlN)和氮化铟(InN)是直接带隙半导体材料，其室温禁带宽度依次为3.39eV、6.28eV和1.95eV，GaN及其固溶体可用于制造从可见光到紫外波段的光电子器件，例如蓝光发光二极管、激光器和光电探测器，GaN材料可用于制作耐高温、大功率的电子器件，因而近来III-V族化合物受到广泛重视，然而，由于氮化物熔点高、离解压大，在制备单晶方面却进展缓慢，不利于GaN材料在器件方面的应用。
近年来通过利用金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical VaporDeposition，简称MOCVD)技术在衬底上先低温生长A1N或GaN的缓冲层，改善了GaN、铝镓氮(A1GaN)和铟氮化稼(InGaN)外延层的表面形貌、晶体完整性并降低了本底电子浓度。通过利用掺镁(Mg)加低能电子辐照技术已获得了P型GaN外延层，于是P-N结GaN发光二极管、AIGaN/GaN和InGaN/GaN异质结发光二极管相继问世，最近用MOCVD技术生长的InGaN/GaN高效蓝光发光二极管已成为商品出售。现有技术的GaN LED外延片，从衬底上依次生长低温氮化镓缓冲层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、多量子阱层、p型铝镓氮层、p型氮化镓层和高掺杂p型氮化镓电极接触层。
但是，现有技术的GaN LED外延片，发光效率低。
发明内容
本发明实施例提供一种氮化镓LED外延片，能够提高氮化镓LED的发光效率。
本发明第一方面提供一种氮化镓发光二极管外延片，包括：
在衬底上自下而上依次生长的：低温氮化镓缓冲层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、多量子阱结构、p型铝镓氮层、p型氮化镓层和高掺杂p型氮化镓电极接触层，其中，所述多量子阱结构包括：N个多量子阱，所述N个多量子阱中的每两个多量子阱之间设置有一个隧道结，所述隧道结由以石墨烯为基底的氮化镓基组成。
可选的，所述多量子阱为铟氮化稼或铝镓氮，所述多量子阱组分为InxGa1-xN或AlyGa1-yN，其中，(0<(1-x)<1，0<(1-y)<1，所述多量子阱的周期为0<n<50。
可选的，所述氮化镓基的n型氮化镓用硅做掺杂剂，所述氮化镓基的p型氮化镓用镁做掺杂剂，所述氮化镓基的n型氮化镓的掺杂浓度为α×1018cm-3，所述氮化镓基的p型氮化镓的掺杂浓度为β×1019cm-3，所述氮化镓基的n型氮化镓的厚度为A nm，所述氮化镓基的p型氮化镓的厚度为B nm，其中，1≤α≤5，1≤β≤5，A+B≤100nm。
可选的，所述石墨烯的厚度为0.5um，所述氮化镓基的n型氮化镓的掺杂浓度为2.5×1018cm-3，所述氮化镓基的p型氮化镓的掺杂浓度为1.0×1019cm-3，所述氮化镓基的n型氮化镓的厚度为70nm，所述氮化镓基的p型氮化镓的厚度为30nm。
可选的，所述石墨烯的厚度为0.1um至0.3um，所述氮化镓基的n型氮化镓的掺杂浓度为2.5×1018cm-3，所述氮化镓基的p型氮化镓的掺杂浓度为1.0×1019cm-3，所述氮化镓基的n型氮化镓的厚度为70nm，所述氮化镓基的p型氮化镓的厚度为30nm。
可选的，所述石墨烯的厚度为0.1um至0.3um，所述氮化镓基的n型氮化镓的掺杂浓度为2.5×1018cm-3，所述氮化镓基的p型氮化镓的掺杂浓度为1.0×1019cm-3，所述氮化镓基的n型氮化镓的厚度为60nm，所述氮化镓基的p型氮化镓的厚度为40nm。
可选的，所述低温氮化镓缓冲层的厚度为10nm至50nm。
可选的，所述n型氮化镓层的厚度为10nm至200nm。
可选的，所述高掺杂p型氮化镓电极接触层的厚度为5nm至50nm。
可选的，所述衬底的材料为硅、蓝宝石或氮化硅。
本发明提供的氮化镓发光二极管外延片，包括：在衬底上自下而上依次生长的：低温氮化镓缓冲层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、多量子阱结构、p型铝镓氮层、p型氮化镓层和高掺杂p型氮化镓电极接触层，其中，所述多量子阱结构包括：N个多量子阱，所述N个多量子阱中的每两个多量子阱之间设置有一个隧道结，所述隧道结由以石墨烯为基底的氮化镓基组成。由于多量子阱结构由多层多量子阱组成，在多量子阱结构中每一对电子—空穴，会发生多次复合，产生多个光子，从而提高了氮化镓发光二极管的发光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的氮化镓发光二极管外延片的结构示意图
图2为本发明实施例二提供的氮化镓发光二极管外延片的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例一提供的氮化镓发光二极管外延片的结构示意图，如图1所示，本实施例的氮化镓发光二极管外延片包括：在衬底100上自下而上依次生长的：低温GaN缓冲层11、非掺杂GaN层12、n型GaN层13、多量子阱结构14、p型铝镓氮(AlNGa)层15、p型GaN层16和高掺杂p型GaN电极接触层17，其中，该多量子阱结构包括：N个多量子阱，该N个多量子阱中的每两个多量子阱之间设置有一个隧道结，该隧道结由以石墨烯为基底的GaN基组成。
可选的，该多量子阱为铟氮化稼(InGaN)或铝镓氮(A1GaN)，该多量子阱组分为InxGa1-xN或AlyGa1-yN，其中，0<(1-x)<1，0<(1-y)<1，该多量子阱的周期为0<n<50。
本实施例中，隧道结材料的选择要求为：选择禁带宽度较小，较小的电离，低的扩散系数的特性的杂质，这样才能获得高遂穿几率的材料，使电子迁移率提高。
可选的，GaN基的n型GaN用硅(Si)做掺杂剂，GaN基的p型GaN用镁(Mg)做掺杂剂，GaN基的n型GaN的掺杂浓度为α×1018cm-3，GaN基的p型GaN的掺杂浓度为β×1019cm-3，GaN基的n型GaN的厚度为A nm，GaN基的p型GaN的厚度为B nm，其中，1≤α≤5，1≤β≤5，A+B≤100nm。
可选的，石墨烯的厚度为0.5um，GaN基的n型GaN的掺杂浓度为2.5×1018cm-3，GaN基的p型GaN的掺杂浓度为1.0×1019cm-3，GaN基的n型GaN的厚度为70nm，GaN基的p型GaN的厚度为30nm。
可选的，石墨烯的厚度为0.1um至0.3um，GaN基的n型GaN的掺杂浓度为2.5×1018cm-3，GaN基的p型GaN的掺杂浓度为1.0×1019cm-3，GaN基的n型GaN的厚度为70nm，GaN基的p型GaN的厚度为30nm。
可选的，石墨烯的厚度为0.1um至0.3um，GaN基的n型GaN的掺杂浓度为2.5×1018cm-3，GaN基的p型GaN的掺杂浓度为1.0×1019cm-3，GaN基的n型GaN的厚度为60nm，GaN基的p型GaN的厚度为40nm。
可选地，也可以用Ⅱ族金属元素做GaN基的n型GaN的掺杂剂，用Ⅵ族金属元素做GaN基的p型GaN的掺杂剂，GaN基的n型GaN的掺杂浓度为α×1018cm-3，GaN基的p型GaN的掺杂浓度为β×1019cm-3，GaN基的n型GaN的厚度为A nm，GaN基的p型GaN的厚度为B nm，其中，A+B＝100nm，且A>B。
可选的，低温GaN缓冲层11的厚度为10nm至50nm。
可选的，n型GaN层13的厚度为10nm至200nm。
可选的，高掺杂p型GaN电极接触层17的厚度为5nm至50nm。
可选的，衬底10的材料为硅、蓝宝石或氮化硅。
图2为本发明实施例二提供的氮化镓发光二极管外延片的结构示意图，本实施例中，多量子阱结构14包括：多量子阱140、隧道结141和多量子阱142。
本发明提供的氮化镓发光二极管外延片可以采用MOCVD法生长，以下将列举几种具体的MOCVD生长方法：
第一种生长方方法：
步骤101、将衬底10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10进行高温净化。
步骤102、降温至530℃，在衬底10上生长20nm厚度的低温GaN缓冲层11。
步骤103、升温至110℃，在低温GaN缓冲层11生长1μm厚度的非掺杂GaN层12。
步骤104、在1100℃下，在非掺杂GaN层12上生长1.5μm厚度的n型GaN层13。
步骤105、在N2环境中，在GaN层13上生长5个周期多量子阱141，多量子阱141的厚度为20nm。
多量子阱层141由A1GaN垒层和InGaN阱层构成，具体地，首先在850℃下生长A1GaN垒层，A1GaN垒层的厚度为20nm，然后，在810℃下生长InGaN阱层，InGaN阱层的厚度为1.6nm。
步骤106、在1100℃下，在多量子阱141上生长隧道结142。
具体地，首先在多量子阱141上生长一层厚度为0.3um石墨烯层作为隧道结142基底，再生长GaN，用C作为n型GaN掺杂剂，用Be作为p型GaN的掺杂剂，n型GaN的掺杂剂的掺杂浓度为2.8×1018cm-3，p型的GaN掺杂剂的1.5×1019cm-3，厚度分别为70nm、30nm。
步骤107、在N2环境中，在隧道结142上生长5个周期多量子阱143，多量子阱143的厚度为20nm。
多量子阱层143由A1GaN垒层和InGaN阱层构成，首先在850℃下生长A1GaN垒层，A1GaN垒层的厚度为20nm，然后，在810℃下生长InGaN阱层，InGaN阱层的厚度为1.6nm。
步骤108、升温960℃，在多量子阱143上生长30nm厚度的p型A10.15Ga0.85N层15。
步骤109、降至940℃，在p型A10.15Ga0.85N层15上生长150nm厚度的p型GaN层16。
110、在940℃下，在p型GaN层16上生长25nm厚度的高掺杂p型GaN电极接触层17。
111、降温至室温，生长结束。
第二种生成方法：
步骤201、将衬底10放入反应室中，然后在H2环境中升温至1200℃，稳定6分钟，对衬底10进行高温净化。
步骤202、降温至540℃，在衬底10上生长30nm厚度的低温GaN缓冲层11。
步骤203、升温至1200℃，在低温GaN缓冲层11上生长2μm厚度的非掺杂GaN层12。
步骤204、在1200℃下，在非掺杂GaN层12上生长2.5μm厚度的n型GaN层13。
步骤205、在N2环境中，在n型GaN层13上生长10个周期多量子阱141，多量子阱141的厚度为25nm。
多量子阱层141由A1GaN垒层和InGaN阱层构成，首先在850℃下生长A1GaN垒层，A1GaN垒层的厚度为25nm，然后，在820℃下生长InGaN阱层，InGaN阱层的厚度为2nm。
步骤206、在1200℃下，在多量子阱141上生长隧道结142。
首先在多量子阱141生长一层厚度为0.3um石墨烯层作为隧道结142基底，再生长GaN，用Si和Mg分别作为n型GaN、p型GaN的掺杂剂，其掺杂浓度分别为2.5×1018cm-3、1.0×1019cm-3，厚度分别为60nm、40nm。
步骤207、在N2环境中，在隧道结142上生长10个周期多量子阱143。
多量子阱层141由A1GaN垒层和InGaN阱层构成，首先在850℃下生长A1GaN垒层，A1GaN垒层的厚度为25nm，然后，在820℃下生长InGaN阱层，InGaN阱层的厚度为2nm。
步骤208、升温980℃在多量子阱143上生长60nm厚度的p型A10.3Ga0.7N层15。
步骤209、降至960℃，在p型A10.3Ga0.7N层15上生长200nm厚度的p型GaN层16。
步骤210、在960℃下，在p型GaN层16上生长30nm厚度的高掺杂p型GaN电极接触层17。
步骤211、降温至室温，生长结束。
第三种生长方法：
步骤301、将衬底10放入反应室中，然后在H2环境中升温至1300℃，稳定3分钟，对衬底10进行高温净化。
步骤302、降温至550℃，在衬底10上生长40nm厚度的低温GaN缓冲层11。
步骤303、升温至1300℃，在低温GaN缓冲层11上生长3μm厚度的非掺杂GaN层12。
步骤304、在1300℃下，在非掺杂GaN层12上生长2.5μm厚度的n型GaN层13。
步骤305、在N2环境中，在n型GaN层13上生长15个周期多量子阱层141。
多量子阱层141由A1GaN垒层和InGaN阱层构成，首先，在550℃下生长A1GaN垒层，A1GaN垒层的厚度为20nm，然后，在830℃下生长InGaN阱层，InGaN阱层的厚度为2.5nm。
步骤306、在1300℃下，在多量子阱141上生长隧道结142。
具体地，首先在多量子阱141生长一层厚度为0.1um石墨烯层作为隧道结142基底，再生长GaN，用Si和Mg作为n型GaN、p型GaN的掺杂剂,其掺杂浓度分别为2.5×1018cm-3、1.0×1019cm-3，厚度分别为50nm、40nm。
步骤307、在N2环境中，在隧道结142上生长15个周期多量子阱143。
具体的，首先在950℃下生长A1GaN垒层，A1GaN垒层的厚度为20nm,然后，在830℃下生长InGaN阱层，InGaN阱层的厚度为2.5nm。
步骤308、升温1000℃，在多量子阱143上生长100nm厚度的p型A10.2Ga0.8N层15。
步骤309、降至980℃，在p型A10.2Ga0.8N层15上生长250nm厚度的p型GaN层16。
步骤310、在980℃下，在p型GaN层16上生长20nm厚度的高掺杂p型GaN电极接触层170。
步骤310、降温至室温，生长结束。
本发明的氮化镓发光二极管外延片，在衬底上自下而上依次生长的：低温氮化镓缓冲层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、多量子阱结构、p型铝镓氮层、p型氮化镓层和高掺杂p型氮化镓电极接触层，其中，所述多量子阱结构包括：N个多量子阱，所述N个多量子阱中的每两个多量子阱之间设置有一个隧道结，所述隧道结由以石墨烯为基底的氮化镓基组成。由于多量子阱结构由多层多量子阱组成，在多量子阱结构中每一对电子—空穴，会发生多次复合，产生多个光子，从而提高了氮化镓发光二极管的发光效率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种氮化镓发光二极管外延片，其特征在于，包括：
在经过高温净化的衬底上自下而上依次生长的：低温氮化镓缓冲层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、多量子阱结构、p型铝镓氮层、p型氮化镓层和高掺杂p型氮化镓电极接触层，其中，所述多量子阱结构包括：N个多量子阱，所述N个多量子阱中的每两个多量子阱之间设置有一个隧道结，所述隧道结由以石墨烯为基底的氮化镓基组成。
2.根据权利要求1所述的氮化镓发光二极管外延片，其特征在于，所述多量子阱为铟氮化稼或铝镓氮，所述多量子阱组分为InxGa1-xN或AlyGa1-yN，其中，0<(1-x)<1，0<(1-y)<1，所述多量子阱的周期为0<n<50。
3.根据权利要求2所述的氮化镓发光二极管外延片，其特征在于，所述氮化镓基的n型氮化镓用硅做掺杂剂，所述氮化镓基的p型氮化镓用镁做掺杂剂，所述氮化镓基的n型氮化镓的掺杂浓度为α×1018cm-3，所述氮化镓基的p型氮化镓的掺杂浓度为β×1019cm-3，所述氮化镓基的n型氮化镓的厚度为A nm，所述氮化镓基的p型氮化镓的厚度为B nm，其中，1≤α≤5，1≤β≤5，A+B≤100nm。
4.根据权利要求3所述的氮化镓发光二极管外延片，其特征在于，所述石墨烯的厚度为0.5um，所述氮化镓基的n型氮化镓的掺杂浓度为2.5×1018cm-3，所述氮化镓基的p型氮化镓的掺杂浓度为1.0×1019cm-3，所述氮化镓基的n型氮化镓的厚度为70nm，所述氮化镓基的p型氮化镓的厚度为30nm。
5.根据权利要求3所述的氮化镓发光二极管外延片，其特征在于，所述石墨烯的厚度为0.1um至0.3um，所述氮化镓基的n型氮化镓的掺杂浓度为2.5×1018cm-3，所述氮化镓基的p型氮化镓的掺杂浓度为1.0×1019cm-3，所述氮化镓基的n型氮化镓的厚度为70nm，所述氮化镓基的p型氮化镓的厚度为30nm。
6.根据权利要求3所述的氮化镓发光二极管外延片，其特征在于，所述石墨烯的厚度为0.1um至0.3um，所述氮化镓基的n型氮化镓的掺杂浓度为2.5×1018cm-3，所述氮化镓基的p型氮化镓的掺杂浓度为1.0×1019cm-3，所述氮化镓基的n型氮化镓的厚度为60nm，所述氮化镓基的p型氮化镓的厚度为40nm。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的氮化镓发光二极管外延片，其特征在于，所述低温氮化镓缓冲层的厚度为10nm至50nm。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的氮化镓发光二极管外延片，其特征在于，所述n型氮化镓层的厚度为10nm至200nm。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的氮化镓发光二极管外延片，其特征在于，所述高掺杂p型氮化镓电极接触层的厚度为5nm至50nm。
10.根据权利要求1-6中任一项所述的氮化镓发光二极管外延片，其特征在于，所述衬底的材料为硅、蓝宝石或氮化硅。
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