CN105047772B - 绿光led芯片外延层的结构及生长方法 - Google Patents

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Abstract

一种绿光LED芯片外延层的结构，包括：一衬底；一GaN缓冲层，其生长在衬底上；一非掺杂GaN层，其生长在GaN缓冲层上；一N型GaN层，其生长在非掺杂GaN层上；一第一阶梯层，其生长在N型GaN层上；一多量子阱区，其生长在第一阶梯层上；一第二阶梯层，其生长在多量子阱区上；一P型GaN层，其生长在第二阶梯层上；一欧姆接触层，其生长在P型GaN层上。本发明通过在MQW区内采用InGaN垒层以及增加阶梯层结构，提高空穴的注入效率，减少电子的泄露，同时减小量子阱中的QCSE效应，实现对绿光LED发光效率的提升和对droop效应的抑制。

Description

绿光LED芯片外延层的结构及生长方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种绿光LED芯片外延层的结构及生长方法，其可以用于半导体光电器件的制作。
背景技术
氮化镓(GaN)基绿光发光二极管(LED)是目前广泛应用于显示与照明领域的一种半导体固体发光器件，其外延结构的核心部分为InGaN/GaN多量子阱(MQW)区。LED发光效率的高低主要取决于MQW区的结构及质量。因此，优化MQW结构，改善MQW材料质量是获得高亮度绿光LED器件的根本途径。
传统的GaN基绿光LED都是采用简单的InGaN/GaN MQW结构作为有源区，其特点是采用GaN材料作为势垒层限制载流子。该结构简单，易于材料制备，但是对电子和空穴的限制没有区分，因此，存在空穴注入效率低和电子泄露多的问题，导致绿光LED器件在大电流下发光效率显著降低，即发生droop效应。另外，由于绿光LED量子阱的势阱深，阱中In的含量高，导致InGaN阱与GaN垒层间存在较大的晶格失配。由于失配应变的增大，InGaN阱层内将出现较强的压电极化效应，引起量子限制斯塔克效应(QCSE)的增强，从而导致材料发光效率的显著降低。此外，较大的晶格失配还极有可能导致在InGaN阱与GaN垒层的界面处发生晶格弛豫，产生大量的失配位错，增大了载流子非辐射复合的几率，从而进一步降低了绿光LED的发光效率。
为此，在提高空穴注入效率，减少电子泄露的情况下，尽量减小量子阱中的QSCE效应，同时减小量子阱和量子垒界面处产生的位错(即非辐射复合中心)数量，将有助于提高绿光LED的发光效率并抑制大电流下的droop效应。
发明内容
本发明提出了一种绿光LED芯片外延层的结构及生长方法。其目的在于，通过在MQW区内采用InGaN垒层以及增加阶梯层结构，提高空穴的注入效率，减少电子的泄露，同时减小量子阱中的QCSE效应，实现对绿光LED发光效率的提升和对droop效应的抑制。
本发明提供一种绿光LED芯片外延层的结构，包括：
一衬底；
一GaN缓冲层，其生长在衬底上；
一非掺杂GaN层，其生长在GaN缓冲层上；
一N型GaN层，其生长在非掺杂GaN层上；
一第一阶梯层，其生长在N型GaN层上；
一多量子阱区，其生长在第一阶梯层上；
一第二阶梯层，其生长在多量子阱区上；
一P型GaN层，其生长在第二阶梯层上；
一欧姆接触层，其生长在P型GaN层上。
本发明还提供一种绿光LED芯片外延层的结构生长方法，包括以下步骤：
步骤1：取一衬底；
步骤2：在该衬底上依次生长GaN缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、第一阶梯层、多量子阱区、第二阶梯层、P型GaN层和欧姆接触层，完成生长。
本发明有以下有益效果：
1、本项目采用低In组分的InGaN垒层代替了传统的GaN垒层，不仅减小了量子阱中的QCSE效应，而且减小了势垒高度对空穴的限制作用，使得空穴更容易越过势垒进入后面的量子阱中。从而提高了空穴的注入效率，减少了电子的泄露，可以获得较高的发光效率，并且对droop效应有一定的抑制作用。
2、本发明中，在MQW区两侧引入的阶梯层结构在N(或P)型GaN层和InGaN垒层间起到了缓冲和过渡的作用，减小了界面处的晶格失配度，减少了失配位错的发生，从而有利于实现高质量的材料生长。
3、本发明中，由于在MQW有源区的电子注入侧(即N型GaN与MQW区之间)采用了阶梯型结构，当电子注入MQW区时，可以显著降低电子速度，从而减少了由于弹道发射机制造成的电子的溢出或者泄露，有利于实现对droop效应的抑制。
4、由于同时采用了InGaN垒层和阶梯型的电子注入结构，能够有效地减少电子的泄露，因此，本发明中不再需要使用AlGaN电子阻挡层(EBL)。这种无EBL的结构即避免了EBL层对空穴输运的阻碍，同时又避免了AlGaN层的高温生长工艺对InGaN有源层的破坏，有利于获得高质量的LED发光材料。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1是本发明中LED外延层结构示意图。
图2是本发明中LED外延材料制备方法流程图。
图3是本发明实施例中多量子阱有源区的能带示意图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明提供了一种绿光LED芯片外延层的结构，包括：
一衬底11，所述衬底11的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；
一GaN缓冲层12，其生长在衬底11上，该GaN缓冲层12的厚度为20-30nm；
一非掺杂GaN层13，其生长在GaN缓冲层12上，该非掺杂GaN层13厚度为0.5-2.0μm；
一N型GaN层14，其生长在非掺杂GaN层13上，该N型GaN层14厚度为1-3μm，其中Si的掺杂浓度大于1018/cm3；
一第一阶梯层15，其生长在N型GaN层14上。该层为非掺杂的低In组分的InGaN层，厚度约为3-30nm，其In组分为InGaN垒层20中In组分的20％-80％。
一多量子阱区16，其生长在第一阶梯层15上，所述多量子阱区16由周期性重复排列的InGaN垒层20和InGaN阱层21构成。多量子阱的周期数大于等于1。所述的InGaN阱层21中In含量为15％-50％，阱层厚度为2-5nm。所述的InGaN垒层20中In含量为2％-20％，且小于InGaN阱层21中的In含量，垒层厚度为5-20nm。由于垒层中也加入了In，因此，阱与垒之间的晶格失配减小了，压电极化引起的QCSE效应也相应的减弱了。此外，采用InGaN材料作为垒层，降低了垒层对空穴输运的阻碍作用，提高了空穴的注入效率。
一第二阶梯层17，其生长在多量子阱区16上。该层为非掺杂的低In组分的InGaN层，厚度约为3-30nm，其In组分为InGaN垒层20中In组分的20％-80％。
一P型GaN层18，其生长在第二阶梯层17上，该层厚度为100-200nm，P型Mg掺杂浓度大于1018/cm3；
一欧姆接触层19，其生长在P型GaN层18上，该层厚度为20-50nm，P型Mg掺杂浓度大于1019/cm3。
请参阅图2，并结合参阅图1所示，本发明还提供了一种绿光LED芯片外延层的结构生长方法，包括以下步骤：
步骤1：取一衬底11，所述衬底11的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓。将所述衬底11在1000-1200℃的氢气气氛里进行高温清洁处理5-20min，然后进行氮化处理。
步骤2：在该衬底11上依次生长GaN缓冲层12(生长温度450-650℃，生长厚度为20-30nm)、非掺杂GaN层13(生长温度1000-1200℃，厚度为0.5-2.0μm)、N型GaN层14(生长温度1000-1200℃，厚度为1-3μm，Si掺杂浓度大于1018/cm3)、第一阶梯层15、多量子阱区16、第二阶梯层17、P型GaN层18(生长温度850-1050℃，厚度为100-200nm，P型Mg掺杂浓度大于1018/cm3)、欧姆接触层19(生长温度850-1050℃，厚度为20-50nm，P型Mg掺杂浓度大于1019/cm3)，随后，将反应室的温度降至800℃以下，在氮气气氛退火10-20min，再降至室温，完成生长。
其中，所述的多量子阱区16由重复生长的多周期排列的InGaN垒层20和InGaN阱层21构成。生长的多量子阱区16的周期数大于等于1。所述的InGaN阱层21的生长温度为650-850℃，厚度为2-5nm，In含量为15％-50％。所述的InGaN垒层20的生长温度为650-850℃，厚度为5-20nm，In含量为2％-20％，且小于InGaN阱层21中的In含量。
所述的第一阶梯层15和第二阶梯层17均为InGaN层，厚度为3-30nm，In组分为InGaN垒层20中In组分的20％-80％，生长温度为650-1000℃。
本实施例以高纯氢气(H2)或氮气(N2)作为载气，以三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、In和N源，用硅烷(SiH4)和二茂镁(Cp2Mg)分别作为N、P型掺杂剂。由于本发明中LED外延层采用了无AlGaN的结构，避免了在高温生长AlGaN层的过程中InGaN阱层中In-N的分解，避免了过高的工艺温度对量子阱可能造成的破坏。
请参阅图3，并结合参阅图1所示，本发明还提供了与绿光LED芯片外延层的结构相对应的能带图，并简要分析了其工作原理。
采用本实施例获得的绿光LED有源区的能带结构示意图，如图3所示。其中箭头方向为材料生长方向，左侧为N型GaN层14，右侧为P型GaN层18，中间区域表示多量子阱区16及其两侧的第一阶梯层15和第二阶梯层17。其中，多量子阱区16由周期性重复排列的InGaN垒层20和InGaN阱层21组成。当LED正向偏置时，大量电子由N型区沿材料生长方向注入多量子阱区16。当电子经过第一阶梯层15时，利用阶梯层的台阶效应，借助电子与阶梯层中声子的相互作用，释放电子的能量，进而降低电子进入多量子阱区16时的初速度，从而减小由于弹道输运机制导致的电子的溢出或泄露。另一方面，大量空穴由P型区逆着材料生长方向注入多量子阱区16。由于采用InGaN垒层20作为量子阱的势垒层，降低了垒层高度，减小了垒层对空穴输运的阻碍作用，提高了空穴的注入效率，使得多量子阱区16内的空穴分布更加均匀。特别是在大注入的情况下，增大了空穴与电子复合的概率，抑制了droop的发生。由于InGaN垒层20中掺入了In，减小了垒层与阱层间的平均晶格失配，从而降低了阱中的QCSE效应，提高了量子阱层21中的发光效率。此外，在InGaN垒层和GaN层间插入的第一阶梯层15和第二阶梯层17可以起到缓冲晶格失配应变的作用，减少了应变弛豫产生的位错和缺陷，从而有利于提高LED外延材料的晶体质量。
需要说明的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种绿光LED芯片外延层的结构，包括：
一衬底；
一GaN缓冲层，其生长在衬底上；
一非掺杂GaN层，其生长在GaN缓冲层上；
一N型GaN层，其生长在非掺杂GaN层上；
一第一阶梯层，其生长在N型GaN层上；
一多量子阱区，其生长在第一阶梯层上，该多量子阱区由周期性重复排列的InGaN垒层和InGaN阱层构成；
一第二阶梯层，其生长在多量子阱区上；
一P型GaN层，其生长在第二阶梯层上；
一欧姆接触层，其生长在P型GaN层上；
所述第一阶梯层，用于降低电子的速度，减少由于弹道发射机制造成的电子的溢出或者泄露，抑制droop效应；
所述第一阶梯层，在N型GaN层与多量子阱区间起缓冲和过渡的作用，减少界面处的晶格失配度；
所述第二阶梯层，在P型GaN层多量子阱区间起缓冲和过渡的作用，减少界面处的晶格失配度；
其中第一阶梯层和第二阶梯层的材料均为InGaN，该第一阶梯层和第二阶梯层为非掺杂的低In组分为InGaN层，厚度为3-30nm，且其In组分为InGaN垒层中In组分的20％-80％。
2.根据权利要求1所述的绿光LED芯片外延层的结构，其中所述衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓。
3.根据权利要求1所述的绿光LED芯片外延层的结构，其中InGaN垒层中In的含量大于零，且小于InGaN阱层中的In含量。
4.一种绿光LED芯片外延层的结构生长方法，包括以下步骤：
步骤1：取一衬底；
步骤2：在该衬底上依次生长GaN缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、第一阶梯层、多量子阱区、第二阶梯层、P型GaN层和欧姆接触层，完成生长；
其中多量子阱区由周期性重复生长的InGaN垒层和InGaN阱层构成；
所述第一阶梯层，用于降低电子的速度，减少由于弹道发射机制造成的电子的溢出或者泄露，抑制droop效应；
所述第一阶梯层，在N型GaN层与多量子阱区间起缓冲和过渡的作用，减少界面处的晶格失配度；
所述第二阶梯层，在P型GaN层多量子阱区间起缓冲和过渡的作用，减少界面处的晶格失配度；
其中第一阶梯层和第二阶梯层的材料均为InGaN，该第一阶梯层和第二阶梯层为非掺杂的低In组分为InGaN层，厚度为3-30nm，且其In组分为InGaN垒层中In组分的20％-80％。
5.根据权利要求4所述的绿光LED芯片外延层的结构生长方法，其中所述衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓。
6.根据权利要求4所述的绿光LED芯片外延层的结构生长方法，其中InGaN垒层中In的含量大于零，且小于InGaN阱层中的In含量。
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