CN106848008B - 一种利用v型缺陷改善led光电特性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用V型缺陷改善LED光电特性的方法，包括：在衬底上依次生长氮化镓缓冲层、非掺杂氮化镓层、V型缺陷层、第一N型氮化镓层、MQW发光层、P型氮化镓层，其中，V型缺陷层具有超晶格结构。本发明还提供了一种LED外延结构。本发明利用V型缺陷，提高LED外延的量子阱效率，进而提高LED的发光效率，同时改善LED的光电特性，有效减少漏电。
Description
技术领域
本发明涉及半导体LED发光技术领域，具体涉及一种利用V型缺陷改善LED光电特性的方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是利用电能转化为光能的发光器件，自90年代美国和日本的科学家发明LED以来，发光二极管一直是被认为是绿色能源，被广泛应用于指示、显示、装饰等诸多领域。
随着LED在照明领域需求的扩大化，对LED的亮度和可靠性的要求不断提高。目前商业上普遍采用蓝宝石做衬底的异质外延，因晶格失配较大，GaN(氮化镓)基外延层的位错密度非常大，容易出现空位、替位原子、间隙原子等点缺陷，刃位错、螺位错等穿透位错，堆垛层错、反向界面等面位错。上述缺陷会随着外延层的生长一直延伸至器件的有源区及P型帽层。Suski等人的研究表明，这些缺陷不仅充当非辐射复合中心，并且会在禁带中引入能级，减少少子寿命。Rosnert等人的研究进一步指出，杂质沿着线缺陷的扩散速度很快，这会造成杂质分布不均匀，降低PN结的陡峭度；同时由于GaN有较大的压电常数，缺陷周围高的局部应力，可以造成亚微米范围内电势与电场的变化。此外，由于缺陷的不均匀分布，还会造成电荧光与光荧光强度的不均匀分布。同时这些缺陷还会充当载流子的通路，增加器件阈值电压和反向漏电流，严重影响器件的性能与可靠性。可见，要进一步提高器件的性能，就必须降低GaN基外延层的缺陷密度。
在所有GaN基LED外延结构内产生的缺陷中，V型缺陷(V-pits或V-defects)是最常见的一种。V型缺陷主要来源于晶格失配等因素，所以在LED外延结构制备过程中，不可避免会产生V型缺陷。研究表明，发光层中的V型缺陷，已经成为了LED器件最主要的漏电通道，导致了LED器件光电性能恶化。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种利用V型缺陷改善LED的光电特性的方法，通过控制LED外延结构中V型缺陷的数量和密度，利用V型缺陷提高LED的发光效率，减少漏电，从而改善了LED的光电特性。本发明还提供了一种LED外延结构。
本发明首先提供一种利用V型缺陷改善LED光电特性的方法，包括：
在衬底上依次生长氮化镓缓冲层、非掺杂氮化镓层、V型缺陷层、第一N型氮化镓层、MQW发光层、P型氮化镓层，
其中，V型缺陷层具有超晶格结构。
超晶格是由一组两层以上的纳米级的薄膜周期重复排列而成的单晶。对于本发明中的V型缺陷层，为达到超晶格结构，在本发明具体实施过程中，V型缺陷层是由3～15个V型缺陷单层层叠构成，每个V型缺陷单层由依次生长的浅阱层(shallow well)和浅垒层(shallow barrier)构成，
浅阱层的材料为InxGa1-xN，其中，0<x<1；
浅垒层由第二N型氮化镓层和N型氮化镓铝层层叠构成，其中，第二N型氮化镓层生长在浅阱层表面。
上述V型缺陷单层中，浅阱层(InxGa1-xN)与第二N型氮化镓层(N-GaN)由于晶格失配较大产生V型缺陷；N型氮化镓铝层(N-AlGaN)可防止其它有害缺陷纵向延伸扩大。因此，通过上述InxGa1-xN/N-GaN/N-AlGaN薄膜交替周期生长，得到了具有超晶格结构的V型缺陷层，并避免了其它有害缺陷的延伸扩大。
发明人研究发现，V型缺陷的存在，虽然能够导致LED光电性能的恶化，但是通过在LED外延结构的非掺杂氮化镓层和第一N型氮化镓层之间设置上述具有超晶格结构的V型缺陷层，能够在非极性面(1-101方向)上得到量子阱和P型层，如图1所示。首先，非极性面上的量子阱相对于C面(0001方向)上的量子阱具有高能量态，它具有量子限制效应。在LED工作时，会减少载流子从C面上的量子阱进入位错当中，减少非辐射复合的发生，进而增加C面上量子阱的发光效率。其次，生长在非极性面上的量子阱增加了LED的发光面积和发光亮度。最后，由于在非极性面上Mg的掺杂效率变低，因此在非极性面上生长的P型层电阻率较高，结果导致位错电力钝化，减少载流子进入位错当中，可以有效减少漏电。因此，合理利用LED外延结构中的V型缺陷，能够有效提高LED的发光效率，减少漏电，从而改善LED的光电特性。
可以理解，通过改变V型缺陷单层的循环数量，能够调节LED外延结构中V型缺陷的浓度和大小，进而有利于提高LED光电性能。具体的，通常V型缺陷层由3～15个V型缺陷单层组成，在本发明具体实施过程中，一般控制V型缺陷单层的数量为10个。
在V型缺陷单层中，浅阱层一般是在GaN中掺杂In得到，通过改变In的含量，能够调节浅阱层与第二N型氮化镓层之间的晶格失配程度，所以浅阱层中In的含量，也能够改变V型缺陷的浓度和大小。发明人研究发现，在浅阱层(InxGa1-xN)的材料中，通常控制x的值为0.1～0.5，且浅阱层的厚度为能够有利于改善LED的光电特性，避免漏电等问题的发生。
本发明对于上述浅阱层的制备工艺不做特别限定，在本发明一具体实施方式中，采用有机金属化学气相沉积法生长浅阱层，有机金属化学气相沉积法的条件为：压力150～300torr，温度780～850℃。
本发明对于上述浅垒层的制备工艺不做特别限定，在本发明一具体实施方式中，采用有机金属化学气相沉积法生长浅垒层，有机金属化学气相沉积法的条件为：压力100～600torr，温度800～850℃。发明人研究发现，通过改变浅垒层的生长工艺，比如改变有机金属化学气相沉积过程中的压力，可以改变浅垒层表面的平整度，控制V型缺陷的大小。
具体的，第二N型氮化镓层是通过在氮化镓中掺杂硅(Si)得到，Si的掺杂浓度为1×1017～9×1018/cm3，第二N型氮化镓层的厚度为
具体的，N型氮化镓铝层是通过在氮化镓铝中掺杂硅(Si)得到，Si的掺杂浓度为1×1017～9×1018/cm3，N型氮化镓铝层的厚度为
如上所述，在超晶格结构中掺入高势垒的Al可以使抑制一些有害缺陷的纵向延伸，也可以起到提高LED光电性能的作用。因此，在本发明优选方案中，在N型氮化镓铝层中，Al原子与Ga原子的摩尔比值为0.01～0.2。
本发明对于上述衬底的材料不做严格限定，可采用LED外延结构制造领域常用的衬底材料，比如可选择较为常见的蓝宝石衬底。
本发明对于上述氮化镓缓冲层、非掺杂氮化镓层、V型缺陷层、第一N型氮化镓层、MQW发光层和P型氮化镓层的生长方式不做特别限定，可采用本领域常规的方法进行制备，在本发明具体实施过程中，通常采用有机金属化学气相沉积法(MOCVD)。
本发明还提供一种LED外延结构，包括衬底，以及依次层叠在衬底上的氮化镓缓冲层、非掺杂氮化镓层、V型缺陷层、第一N型氮化镓层、MQW发光层和P型氮化镓层，
其中，V型缺陷层具有超晶格结构。
该LED外延结构可采用上述方法制备得到。
具体的，V型缺陷层由3～15个V型缺陷单层层叠构成，每个V型缺陷单层由依次生长的浅阱层和浅垒层构成，
浅阱层的材料为InxGa1-xN，其中，0<x<1；
浅垒层由第二N型氮化镓层和N型氮化镓铝层层叠构成，其中，第二N型氮化镓层生长在浅阱层表面。
本发明提供了一种利用V型缺陷改善LED的光电特性的方法，在LED外延结构中引入了具有超晶格结构的V型缺陷层，并通过V型缺陷单层的循环数量、浅阱层中In的含量等因素，控制LED外延结构中V型缺陷的数量和密度，因而提高了LED的发光效率，减少漏电，改善了LED的光电特性。并且，该方法简单可行，利于实现工业化生产。
本发明还提供一种LED外延结构。由于该外延结构包括了具有超晶格结构的V型缺陷层，有效改善了LED器件的光电特性。
附图说明
图1为本发明提供的V型缺陷层提高LED光电特性的原理示意图；
图2为本发明一具体实施方式提供的LED外延结构示意图；
图3为本发明实施例1提供的V型缺陷单层的结构示意图；
图4为本发明实施例2提供的V型缺陷单层的结构示意图；
图5为本发明实施例3提供的V型缺陷单层的结构示意图。
附图标记说明：
1-衬底； 2-氮化镓缓冲层； 3-非掺杂氮化镓层；
4-V型缺陷层； 41-浅阱层； 42-第二N型氮化镓层；
43-N型氮化镓铝层； 5-第一N型氮化镓层； 6-MQW发光层；
7-P型氮化镓层。
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做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。
实施例1
本实施例提供一种利用V型缺陷改善LED的光电特性的方法，请参考图2和图3，具体包括：
1、在衬底1上依次生长氮化镓缓冲层2和非掺杂氮化镓层3，其中，衬底1为蓝宝石衬底。
2、在非掺杂氮化镓层3表面生长浅阱层41，浅阱层41的材料为In0.2Ga0.8N，厚度为生长条件为：压力约为200torr，温度约为820℃。
3、在浅阱层41表面生长第二N型氮化镓层42，其厚度为Si的掺杂浓度为5×1018/cm3，生长条件为：压力约为200torr，温度约为820℃。
4、在第二N型氮化镓层42表面生长一层N型氮化镓铝层43，其厚度为Si的掺杂浓度为5×1018/cm3，Al原子与Ga原子的摩尔比值为0.05，生长条件为：压力约为200torr，温度约为820℃。
5、重复步骤2、3、4共计10个循环(即共计10个V型缺陷单层)，得到V型缺陷层4。
6、在V型缺陷层4表面依次生长第一N型氮化镓层5、MQW发光层6和P型氮化镓层7，得到LED外延结构。
上述氮化镓缓冲层2、非掺杂氮化镓层3、V型缺陷层4、第一N型氮化镓层5、MQW发光层6和P型氮化镓层7，均按照本领域的常规工艺，采用有机金属化学气相沉积法制备得到。
本实施例还提供一种LED外延结构，是采用上述方法制得，其结构如图2和图3所示，包括衬底1，以及依次层叠在衬底1上的氮化镓缓冲层2、非掺杂氮化镓层3、V型缺陷层4、第一N型氮化镓层5、MQW发光层6和P型氮化镓层7。其中，V型缺陷层4包括10个V型缺陷单层，每个V型缺陷单层由浅阱层41、第二N型氮化镓层42和N型氮化镓铝层43构成。
并且，在第二N型氮化镓层42和N型氮化镓铝层43生长过程中，压力相对较低，即在低压条件下生长浅垒层(第二N型氮化镓层42和N型氮化镓铝层43)，使得到的浅垒层表面较为平整，因而可以控制V型缺陷的大小。
本实施例提供的LED外延结构，由于该LED外延结构包括了具有超晶格结构的V型缺陷层4，并通过控制V型单层的循环数量、浅阱层41中In的掺杂量、浅垒层的生长条件等，有效控制了LED外延结构中V型缺陷的数量和密度，从而改善了LED器件的光电特性。
实施例2
本实施例提供一种利用V型缺陷改善LED的光电特性的方法，请参考图2和图4，具体包括：
1、在衬底1上依次生长氮化镓缓冲层2和非掺杂氮化镓层3，其中，衬底1为蓝宝石衬底。
2、在非掺杂氮化镓层3表面生长浅阱层41，浅阱层41的材料为In0.2Ga0.8N，厚度为压力约为200torr，温度约为820℃。
3、在浅阱层41表面生长第二N型氮化镓层42，其厚度为Si的掺杂为5×1018/cm3，压力约为500torr，温度约为820℃。
4、在第二N型氮化镓层42表面生长一层N型氮化镓铝层43，其厚度为Si的掺杂为5×1018/cm3，Al原子与Ga原子的摩尔比值为0.05，压力约为500torr，温度约为820℃。
5、重复步骤2、3、4共计10个循环(即共计10个V型缺陷单层)，得到V型缺陷层4。
6、在V型缺陷层4表面生长第一N型氮化镓层5、MQW发光层6和P型氮化镓层7，得到LED外延结构。
上述氮化镓缓冲层2、非掺杂氮化镓层3、V型缺陷层4、第一N型氮化镓层5、MQW发光层6和P型氮化镓层7，均按照本领域的常规工艺，采用有机金属化学气相沉积法制得。
本实施例还提供一种LED外延结构，是采用上述方法制得，其结构如图2和图4所示，包括衬底1，以及依次层叠在衬底1上的氮化镓缓冲层2、非掺杂氮化镓层3、V型缺陷层4、第一N型氮化镓层5、MQW发光层6和P型氮化镓层7。其中，V型缺陷层4包括10个V型缺陷单层，每个V型缺陷单层由浅阱层41、第二N型氮化镓层42和N型氮化镓铝层43构成。
并且，在第二N型氮化镓层42和N型氮化镓铝层43生长过程中，压力相对较高，即在高压条件下生长浅垒层，使得到的浅垒层表面起伏较大，因而可以控制V型缺陷的大小。
本实施例提供的LED外延结构，由于该LED外延结构包括了具有超晶格结构的V型缺陷层4，并通过控制V型单层的循环数量、浅阱层41中In的掺杂量、浅垒层的生长条件等，有效控制了LED外延结构中V型缺陷的数量和密度，从而改善了LED器件的光电特性。
实施例3
本实施例提供一种利用V型缺陷改善LED的光电特性的方法，请参考图2和图5，具体包括：
1、在衬底1上依次生长氮化镓缓冲层2和非掺杂氮化镓层3，其中，衬底1为蓝宝石衬底。
2、在非掺杂氮化镓层3表面生长浅阱层41，浅阱层41的材料为In0.2Ga0.8N，厚度为压力约为200torr，温度约为820℃。
3、在浅阱层41表面生长第二N型氮化镓层42，其厚度为Si的掺杂浓度为5×1018/cm3，并且，在第二N型氮化镓层42生长过程中，温度维持在820℃左右，压力从200torr逐渐升高至500torr。
4、在第二N型氮化镓层42表面生长一层N型氮化镓铝层43，其厚度为Si的掺杂浓度为5×1018/cm3，Al原子与Ga原子的摩尔比值为0.05，并且，在N型氮化镓铝层43生长过程中，温度维持在820℃左右，压力从500torr逐渐降低至200torr。
5、重复步骤2、3、4共计10个循环，得到V型缺陷层4。
6、在V型缺陷层4表面依次生长第一N型氮化镓层5、MQW发光层6和P型氮化镓层7，得到LED外延结构。
上述氮化镓缓冲层2、非掺杂氮化镓层3、V型缺陷层4、第一N型氮化镓层5、MQW发光层6和P型氮化镓层7，均按照本领域的常规工艺，采用有机金属化学气相沉积法制备。
本实施例还提供一种LED外延结构，是采用上述方法制得，其结构如图2和图5所示，包括衬底1，以及依次层叠在衬底1上的氮化镓缓冲层2、非掺杂氮化镓层3、V型缺陷层4、第一N型氮化镓层5、MQW发光层6和P型氮化镓层7。其中，V型缺陷层4包括10个V型缺陷单层，每个V型缺陷单层由浅阱层41、第二N型氮化镓层42和N型氮化镓铝层43构成。
并且，在第二N型氮化镓层42和N型氮化镓铝层43生长过程中，压力发生了变化，即在变压条件下生长浅垒层，使得到的浅垒层表面起伏不大，因而能够控制V型缺陷的大小。
本实施例提供的LED外延结构，由于该LED外延结构包括了具有超晶格结构的V型缺陷层4，并通过控制V型单层的循环数量、浅阱层41中In的掺杂量、浅垒层的生长条件等，有效控制了LED外延结构中V型缺陷的数量和密度，从而改善了LED器件的光电特性。
最后应说明的是：以上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精神和范围。
Claims (8)
1.一种利用V型缺陷改善LED光电特性的方法，其特征在于，包括：
在衬底上依次生长氮化镓缓冲层、非掺杂氮化镓层、V型缺陷层、第一N型氮化镓层、MQW发光层和P型氮化镓层，
其中，所述V型缺陷层具有超晶格结构，所述V型缺陷层由3～15个V型缺陷单层层叠构成，每个所述V型缺陷单层由依次生长的浅阱层和浅垒层构成，
所述浅阱层的材料为InxGa1-xN，其中，0<x<1；
所述浅垒层由第二N型氮化镓层和N型氮化镓铝层层叠构成，其中，所述第二N型氮化镓层生长在所述浅阱层表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浅阱层的材料中，x为0.1～0.5，所述浅垒层的厚度为
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，采用有机金属化学气相沉积法生长所述浅阱层，有机金属化学气相沉积法的条件为：压力150～300torr，温度780～850℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用有机金属化学气相沉积法生长所述浅垒层，有机金属化学气相沉积法的条件为：压力100～600torr，温度800～850℃。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述第二N型氮化镓层是通过在氮化镓中掺杂硅得到，硅的掺杂浓度为1×1017～9×1018/cm3，
所述第二N型氮化镓层的厚度为
6.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述N型氮化镓铝层是通过在氮化镓铝中掺杂硅得到，硅的掺杂浓度为1×1017～9×1018/cm3，
所述N型氮化镓铝层的厚度为
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述N型氮化镓铝层中，Al原子与Ga原子的摩尔比值为0.01～0.2。
8.一种LED外延结构，其特征在于，包括衬底，以及依次层叠在所述衬底上的氮化镓缓冲层、非掺杂氮化镓层、V型缺陷层、第一N型氮化镓层、MQW发光层和P型氮化镓层，
其中，所述V型缺陷层具有超晶格结构，所述V型缺陷层由3～15个V型缺陷单层层叠构成，每个所述V型缺陷单层由依次生长的浅阱层和浅垒层构成，
所述浅阱层的材料为InxGa1-xN，其中，0<x<1；
所述浅垒层由第二N型氮化镓层和N型氮化镓铝层层叠构成，其中，所述第二N型氮化镓层生长在所述浅阱层表面。
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