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

绿光led芯片外延层的结构及生长方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105047772B
CN105047772B CN201510309152.4A CN201510309152A CN105047772B CN 105047772 B CN105047772 B CN 105047772B CN 201510309152 A CN201510309152 A CN 201510309152A CN 105047772 B CN105047772 B CN 105047772B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
flight
grown
ingan
type gan
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201510309152.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105047772A (zh
Inventor
刘炜
赵德刚
陈平
刘宗顺
朱建军
江德生
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Semiconductors of CAS
Original Assignee
Institute of Semiconductors of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Semiconductors of CAS filed Critical Institute of Semiconductors of CAS
Priority to CN201510309152.4A priority Critical patent/CN105047772B/zh
Publication of CN105047772A publication Critical patent/CN105047772A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105047772B publication Critical patent/CN105047772B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • H01L33/06Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005Processes
    • H01L33/0062Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0075Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds comprising nitride compounds
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/14Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a carrier transport control structure, e.g. highly-doped semiconductor layer or current-blocking structure
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26Materials of the light emitting region
    • H01L33/30Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Led Devices (AREA)

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。
CN201510309152.4A 2015-06-08 2015-06-08 绿光led芯片外延层的结构及生长方法 Active CN105047772B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510309152.4A CN105047772B (zh) 2015-06-08 2015-06-08 绿光led芯片外延层的结构及生长方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510309152.4A CN105047772B (zh) 2015-06-08 2015-06-08 绿光led芯片外延层的结构及生长方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105047772A CN105047772A (zh) 2015-11-11
CN105047772B true CN105047772B (zh) 2018-03-23

Family

ID=54454158

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510309152.4A Active CN105047772B (zh) 2015-06-08 2015-06-08 绿光led芯片外延层的结构及生长方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105047772B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102157646A (zh) * 2011-05-03 2011-08-17 映瑞光电科技(上海)有限公司 一种氮化物led结构及其制备方法
CN103022292A (zh) * 2012-11-21 2013-04-03 浙江优纬光电科技有限公司 一种InGaN基蓝光LED器件及其制备方法
CN103296165A (zh) * 2013-06-19 2013-09-11 中国科学院半导体研究所 一种可调控能带的led量子阱结构
CN104300060A (zh) * 2014-10-11 2015-01-21 北京工业大学 一种具有组分渐变缓冲层的绿光led结构
CN104393132A (zh) * 2014-11-06 2015-03-04 中国科学院半导体研究所 绿光led外延层结构及生长方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6645885B2 (en) * 2001-09-27 2003-11-11 The National University Of Singapore Forming indium nitride (InN) and indium gallium nitride (InGaN) quantum dots grown by metal-organic-vapor-phase-epitaxy (MOCVD)
FR3003397B1 (fr) * 2013-03-15 2016-07-22 Soitec Silicon On Insulator Structures semi-conductrices dotées de régions actives comprenant de l'INGAN

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102157646A (zh) * 2011-05-03 2011-08-17 映瑞光电科技(上海)有限公司 一种氮化物led结构及其制备方法
CN103022292A (zh) * 2012-11-21 2013-04-03 浙江优纬光电科技有限公司 一种InGaN基蓝光LED器件及其制备方法
CN103296165A (zh) * 2013-06-19 2013-09-11 中国科学院半导体研究所 一种可调控能带的led量子阱结构
CN104300060A (zh) * 2014-10-11 2015-01-21 北京工业大学 一种具有组分渐变缓冲层的绿光led结构
CN104393132A (zh) * 2014-11-06 2015-03-04 中国科学院半导体研究所 绿光led外延层结构及生长方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105047772A (zh) 2015-11-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106816501B (zh) 一种氮化镓基发光二极管的外延片及其制作方法
CN102136536A (zh) 应变平衡发光器件
CN109346576B (zh) 一种发光二极管外延片及其制备方法
KR102264671B1 (ko) 자외선 발광소자
CN100580966C (zh) 一种绿光发光二极管
CN104810442A (zh) 一种发光二极管外延片及其生长方法
CN112563381B (zh) 一种低欧姆接触电阻的深紫外发光二极管及其制备方法
CN106972085A (zh) 一种发光二极管外延片及其制造方法
CN112366256B (zh) 发光二极管外延片及其制造方法
CN106159048A (zh) 一种发光二极管外延片及其生长方法
CN104465914B (zh) 具有势垒高度渐变超晶格层的led结构及其制备方法
CN106876529A (zh) 一种氮化镓基发光二极管的外延片及其制备方法
CN108831974A (zh) 一种发光二极管外延片及其制造方法
CN104393132B (zh) 绿光led外延层结构及生长方法
CN204179101U (zh) 近紫外光发射装置
CN110473940B (zh) 紫外led的外延结构
CN106876530B (zh) 一种氮化镓基发光二极管的外延片及其制作方法
CN106025016B (zh) 一种发光二极管外延片及其制备方法
CN111129243B (zh) GaN基紫外LED外延结构
CN105428477A (zh) GaN基LED外延片及其制备方法
CN102637793A (zh) 三族氮化合物半导体紫外光发光二极管
CN105140360B (zh) 一种氮化物发光二极管及其制备方法
CN109802022B (zh) 一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法
CN106449917B (zh) 发光二极管及其形成方法
CN105047772B (zh) 绿光led芯片外延层的结构及生长方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant