CN108231964A - 一种提高发光二极管内量子效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种提高发光二极管内量子效率的方法，包括提供一衬底，在所述衬底上依次形成第一接触层、有源层、第二接触层，所述有源层包括周期性层叠的量子阱层和量子垒层，至少其中之一相邻量子阱层和量子垒层形成时生长速率之比为1:(0.90～1.10)且该相邻量子阱层和量子垒层为连续形成。本发明通过相差较小的生长速率在形成量子阱层结束后直接形成量子垒层，实现连续生长，不需进行状态切换，降低接触界面应力和压电极化，提高发光二极管内量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及照明技术领域，具体涉及一种提高发光二极管内量子效率的方法。
背景技术
GaN基LED作为固态光源以其高亮度、高效率、长寿命、节能环保、体积小等优点成为国际半导体和照明领域研发与产业关注的焦点。LED结构的内量子效率对其亮度和发光效率有着决定性的影响，因此，LED外延片要提高发光效率，最根本的办法就是要提高外延结构的内量子效率，而有源层的晶体质量对内量子效应的提高尤为重要。
目前，GaN基LED结构中多采用InGaN/GaN多量子阱结构作为有源层，由于InGaN与GaN之间存在较为严重的晶格失配，在接触面存在严重的压电极化；另一方面InGaN和GaN也存在自发极化现象，界面质量很差，导致发光效率低。通常，因为InGaN势阱层材料本身在高温时易分解，所以在InGaN势阱层生长结束后，会先生长一层低温的薄的GaN保护层，然后再生长高温GaN势垒层。但是这种方式对内量子效率的提高仍不明显。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种提高发光二极管内量子效率的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种提高发光二极管内量子效率的方法，能够有效的提高发光二极管内量子效率，从而提高发光强度。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种提高发光二极管内量子效率的方法，包括以下步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上形成第一接触层；
在所述第一接触层上形成有源层；
在所述有源层上形成第二接触层；
其中有源层包括周期性层叠的量子阱层和量子垒层，至少其中之一相邻量子阱层和量子垒层形成时生长速率之比为1:(0.90～1.10)且该相邻量子阱层和量子垒层为连续形成。
可选的，至少其中之一相邻量子阱层和量子垒层形成时生长速率相等且该相邻量子阱层和量子垒层为连续形成。
可选的，形成所述有源层时三甲基镓流量为200～300sccm，氨气流量为50～70slm，压力为150～300Torr，温度为750～850℃。
可选的，形成所述有源层时至少其中之一相邻量子阱层和量子垒层的三甲基镓流量、氨气流量、压力、温度均相等。
可选的，所述量子垒层包括第一量子垒层、第二量子垒层和第三量子垒层，所述量子阱层、第一量子垒层、第二量子垒层和第三量子垒层交替层叠设置，第二量子垒层中通入氢气。
可选的，所述第一量子垒层掺杂铝。
可选的，所述第三量子垒层掺杂铝。
可选的，所述第三量子垒层中铝含量小于所述第一量子垒层中铝含量。
可选的，所述第二量子垒层掺杂铝。
可选的，所述第二量子垒层中铝含量介于所述第一量子垒层中铝含量和所述第三量子垒层中铝含量之间。
本发明的有益效果是：本发明通过将形成有源层时至少其中之一相邻量子阱层和量子垒层生长速率之比设为1:(0.90～1.10)且该相邻量子阱层和量子垒层为连续形成，相差较小的生长速率可以使在形成量子阱层结束后直接形成量子垒层，实现连续生长，不需进行状态切换，量子阱层中的铟在开始形成量子垒层时部分析出至量子垒层中，接触界面铟含量由累积渐增状态转变为逐步减少状态，产生的应力大大减小，压电极化也明显减弱；同时连续生长有利于形成连续的能带结构，提高电子和空穴的跃迁效率，进而提高发光二极管内量子效率；与现有技术形成有源层相比，本发明提供的有源层形成方法尽管在形成量子垒层时生长速率低于现有技术形成量子垒层时生长速率造成生长时间的增加，但是省却的氮化镓保护层以及由形成量子阱层向形成量子垒层生长时需要进行的状态切换时间，并没有增加形成有源层时间甚至通过生长速率的控制减少形成有源层的时间。
附图说明
图1为本发明提供的方法流程图；
图2至图9为与流程图对应的结构示意图；
图10为实施例一至实施例十一对应的XRD测试半宽数据统计图。
具体实施方式
下面将结合流程图和示意图对本发明提供的提高发光二极管内量子效率的方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于，本发明提供一种提高发光二极管内量子效率的方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1、提供一衬底；
步骤S2、在所述衬底上形成第一接触层；
步骤S3、在所述第一接触层上形成有源层；
步骤S4、在所述有源层上形成第二接触层；
其中有源层包括周期性层叠的量子阱层和量子垒层，至少其中之一相邻量子阱层和量子垒层形成时生长速率之比为1:(0.90～1.10)且该相邻量子阱层和量子垒层为连续形成。作为最佳优选，至少其中之一相邻量子阱层和量子垒层形成时生长速率相等且该相邻量子阱层和量子垒层为连续形成。
由于所述量子阱层与量子垒层的晶格常数不同，所述量子阱层与量子垒层存在晶格失配，导致所述有源层中存在较大的应力，在接触面存在严重的压电极化。现有技术在形成量子阱层结束后，会先生长一层低温的薄的氮化镓保护层(Cap层)，然后再生长高温量子垒层，量子垒层的生长速率一般为量子阱层生长速率的2～5倍，在由形成量子阱层向形成量子垒层生长时需要进行状态切换(温度、MO源流量等)，切换过程中在接触界面产生铟的析出并随时间累积，致使应力增大、压电极化增强，将相邻量子阱层和量子垒层形成时生长速率之比设为1:(0.90～1.10)且该相邻量子阱层和量子垒层为连续形成，相差较小的生长速率可以使在形成量子阱层结束后直接形成量子垒层，实现连续生长，不需进行状态切换，量子阱层中的铟在开始形成量子垒层时部分析出至量子垒层中，接触界面铟含量由累积渐增状态转变为逐步减少状态，产生的应力大大减小，压电极化也明显减弱；同时连续生长有利于形成连续的能带结构，提高电子和空穴的跃迁效率，进而提高发光二极管内量子效率；与现有技术形成有源层相比，本发明提供的有源层形成方法尽管在形成量子垒层时生长速率低于现有技术形成量子垒层时生长速率造成生长时间的增加，但是省却的氮化镓保护层以及由形成量子阱层向形成量子垒层生长时需要进行的状态切换时间，并没有增加形成有源层时间甚至通过生长速率的控制减少形成有源层的时间。
以下进一步详述本发明提供的提高发光二极管内量子效率的方法，以清楚说明本发明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。
实施例一
如图1所示，首先，进行步骤S1，提供一衬底1，如图2所示。所述衬底1的材料为蓝宝石。在其他实施例中所述衬底1还可以是氮化镓衬底、硅衬底或碳化硅衬底，衬底1尺寸为二寸、四寸或六寸，选用图形化衬底或者平片。
然后，进行步骤S2，在所述衬底1上形成第一接触层2，如图3所示。所述第一接触层2为N型掺杂的氮化镓层，所述第一接触层2用于形成发光二极管的负极。在其他实施例中，所述第一接触层2还可以用于形成发光二极管的正极。
实际生产中，在所述衬底1与所述第一接触层2之间会生长一层缓冲层12，如图4所示。所述缓冲层12的材料为GaN、AlN或AlGaN，形成所述缓冲层12压力为400～600Torr，温度为450℃～650℃，厚度为15nm～50nm。
本实施例中，衬底1选用蓝宝石材料，第一接触层2为氮化镓材料，异质外延(衬底材料与第一接触层材料不同)中存在较为严重的晶格失配和热应力失配，通过生长一层缓冲层12可以有效的减少两种不同材料之间的晶格失配和热应力失配。在其他实施例中，当衬底1与第一接触层2为同种材料时可以省却缓冲层12。
实际生产中，第一接触层2包括不掺杂的第一本征层21、第二本征层22和掺杂的N型氮化镓层23，如图5所示。第一本征层21以纵向模式生长形成岛状平面，第二本征层22以横向模式生长将岛状平面填平，N型氮化镓层23的硅掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
本实施例中，形成所述第一接触层2压力为100～500Torr，温度为900℃～1200℃，厚度为1.5um～4.5um。
接着，进行步骤S3，在所述第一接触层2上形成有源层3，如图6所示。所述有源层3包括在所述第一接触层2上依次层叠的量子阱层31和量子垒层32，所述周期性层叠的量子阱层31、量子垒层32至少其中之一相邻量子阱层31和量子垒层32形成时生长速率相等且该相邻量子阱层和量子垒层为连续形成。
将相邻量子阱层和量子垒层形成时生长速率设为相等且该相邻量子阱层和量子垒层为连续形成，可以直接在形成量子阱层结束后形成量子垒层，实现连续生长，不需进行状态切换，量子阱层中的铟在开始形成量子垒层时部分析出至量子垒层中，接触界面铟含量由累积渐增状态转变为逐步减少状态，产生的应力大大减小，压电极化也明显减弱；同时连续生长有利于形成连续的能带结构，提高电子和空穴的跃迁效率，进而提高发光二极管内量子效率；与现有技术形成有源层相比，本发明提供的有源层形成方法尽管在形成量子垒层时生长速率低于现有技术形成量子垒层时生长速率造成生长时间的增加，但是省却的氮化镓保护层以及由形成量子阱层向形成量子垒层生长时需要进行的状态切换时间，并没有增加形成有源层时间甚至通过生长速率的控制减少形成有源层的时间。
本实施例中，形成所述有源层3三甲基镓流量为200～300sccm，氨气流量为50～70slm，压力为150～300Torr，温度为750～850℃。
作为本实施例优选，形成所述有源层3时至少其中之一相邻量子阱层31和量子垒层32的三甲基镓流量、氨气流量、压力、温度均相等。该相邻量子阱层31和量子垒层32可以是与生长速率之比为1:(0.90～1.10)的相邻量子阱层31和量子垒层32相同的量子阱层、量子垒层，也可以为不同的量子阱层和量子垒层。
在相同的条件下形成量子阱层和量子垒层，可以得到更加均匀的接触界面，降低接触界面产生的缺陷和位错，减少界面能，同时保持三甲基镓流量、氨气流量、压力、温度均相等不需要进行硬件状态的切换，延长硬件使用寿命。
作为本实施例优选，所述量子垒层32包括第一量子垒层321、第二量子垒层322和第三量子垒层323，所述量子阱层31、第一量子垒层321、第二量子垒层322和第三量子垒层323交替层叠设置，如图7所示。其中，所述第二量子垒层322中通入氢气。
氢气可以提高氮化镓结晶质量，但同时又会对量子阱层结构造成破坏(主要是由于铟的掺入)。如果直接在量子垒层中通入氢气，可以提高量子垒层结晶质量，但扩散、残留的氢气会破坏量子阱层结构，通过将量子垒层设置成第一量子垒层、第二量子垒层和第三量子垒层，第二量子垒层中通入氢气，一方面可以提高量子垒层的结晶质量，另一方面第一量子垒层、第三量子垒层可以对量子阱层形成保护。通过控制第一量子垒层、第二量子垒层和第三量子垒层厚度比以及通过第二量子垒层中的氢气流量，可以达到最佳的改善效果。作为优先，第一量子垒层、第二量子垒层和第三量子垒层厚度比为1:(2～5):1，氢气通入量为10～30slm。
作为本实施例优选，所述第一量子垒层321掺杂铝。
作为本实施例优选，所述第三量子垒层323掺杂铝。
作为本实施例优选，所述第三量子垒层323中铝含量小于所述第一量子垒层321中铝含量。
作为本实施例优选，所述第二量子垒层322掺杂铝。
作为本实施例优选，所述第二量子垒层322中铝含量介于所述第一量子垒层321中铝含量和所述第三量子垒层323中铝含量之间。
在量子垒层掺杂铝可以减少自发极化现象，提高界面质量，进而提高发光效率。由于量子垒层厚度大于量子阱层厚度(前者通常为后者的3～8倍)，将第一量子垒层、第二量子垒层和第三量子垒层中铝含量设置成递减可以将自发极化逐步减少，与量子垒层厚度大于量子阱层厚度对应，达到最佳的匹配效果。
最后，进行步骤S4，在所述有源层3上形成第二接触层4，如图8所示。所述第二接触层4为P型掺杂的氮化镓层，所述第二接触层4用于形成发光二极管的正极。在其他实施例中，所述第二接触层4还可以用于形成发光二极管的负极。
本实施例中，形成所述第二接触层4压力为100～500Torr，温度为900℃～1200℃，厚度为30nm～500nm。所述第二接触层4的镁掺杂浓度为5e18cm-3～5e20cm-3。
在实际生产中，在所述有源层3和第二接触层4之间会形成依次层叠的未掺杂AlGaN层341、低温P型GaN层342和P型电子阻挡层343，如图9所示。较佳的，所述未掺杂AlGaN层341的Al组分在2％～20％之间，生长厚度为20nm～35nm。所述低温P型GaN层342的生长厚度为10nm～100nm，镁掺杂浓度为5e18cm-3～5e20cm-3，其生长温度低于所述第二接触层4的生长温度。所述P型电子阻挡层343为P型AlGaN、P型InAlGaN或P型AlGaN/GaN超晶格结构，所述P型电子阻挡层343的生长厚度为30nm～80nm，镁掺杂浓度为5e18cm-3～5e20cm-3。
实施例二～实施例十一与实施例一不同之处在于，实施例二～实施例十一中相邻量子阱层和量子垒层生长速率之比分别为1:0.6、1:0.7、1:0.8、1:0.9、1:1.1、1:1.2、1:1.3、1:1.4、1:1.5、1:1.6，将通过实施例一～实施例十一得到的发光二极管进行XRD测试，得到的002面、102面半宽如图10所示(其中101曲线对应002面半宽，102曲线对应102面半宽)。结果表面当相邻量子阱层和量子垒层生长速率之比为1:(0.90～1.10)时具有最佳的半宽。
综上，本发明通过将形成有源层时至少其中之一相邻量子阱层和量子垒层生长速率之比设为1:(0.90～1.10)且该相邻量子阱层和量子垒层为连续形成，相差较小的生长速率可以使在形成量子阱层结束后直接形成量子垒层，实现连续生长，不需进行状态切换，量子阱层中的铟在开始形成量子垒层时部分析出至量子垒层中，接触界面铟含量由累积渐增状态转变为逐步减少状态，产生的应力大大减小，压电极化也明显减弱；同时连续生长有利于形成连续的能带结构，提高电子和空穴的跃迁效率，进而提高发光二极管内量子效率；与现有技术形成有源层相比，本发明提供的有源层形成方法尽管在形成量子垒层时生长速率低于现有技术形成量子垒层时生长速率造成生长时间的增加，但是省却的氮化镓保护层以及由形成量子阱层向形成量子垒层生长时需要进行的状态切换时间，并没有增加形成有源层时间甚至通过生长速率的控制减少形成有源层的时间。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种提高发光二极管内量子效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上形成第一接触层；
在所述第一接触层上形成有源层；
在所述有源层上形成第二接触层；
其中有源层包括周期性层叠的量子阱层和量子垒层，至少其中之一相邻量子阱层和量子垒层形成时生长速率之比为1:(0.90～1.10)且该相邻量子阱层和量子垒层为连续形成。
2.如权利要求1所述的一种提高发光二极管内量子效率的方法，其特征在于，至少其中之一相邻量子阱层和量子垒层形成时生长速率相等且该相邻量子阱层和量子垒层为连续形成。
3.如权利要求1或2所述的一种提高发光二极管内量子效率的方法，其特征在于，形成所述有源层时三甲基镓流量为200～300sccm，氨气流量为50～70slm，压力为150～300Torr，温度为750～850℃。
4.如权利要求3所述的一种提高发光二极管内量子效率的方法，其特征在于，形成所述有源层时至少其中之一相邻量子阱层和量子垒层的三甲基镓流量、氨气流量、压力、温度均相等。
5.如权利要求4所述的一种提高发光二极管内量子效率的方法，其特征在于，所述量子垒层包括第一量子垒层、第二量子垒层和第三量子垒层，所述量子阱层、第一量子垒层、第二量子垒层和第三量子垒层交替层叠设置，第二量子垒层中通入氢气。
6.如权利要求5所述的一种提高发光二极管内量子效率的方法，其特征在于，所述第一量子垒层掺杂铝。
7.如权利要求6所述的一种提高发光二极管内量子效率的方法，其特征在于，所述第三量子垒层掺杂铝。
8.如权利要求7所述的一种提高发光二极管内量子效率的方法，其特征在于，所述第三量子垒层中铝含量小于所述第一量子垒层中铝含量。
9.如权利要求8所述的一种提高发光二极管内量子效率的方法，其特征在于，所述第二量子垒层掺杂铝。
10.如权利要求9所述的一种提高发光二极管内量子效率的方法，其特征在于，所述第二量子垒层中铝含量介于所述第一量子垒层中铝含量和所述第三量子垒层中铝含量之间。
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