CN108365064B - 一种多量子阱发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种多量子阱发光二极管及其制备方法，多量子阱有源层包括由下至上依次生长的多个周期的阱层和垒层交替叠置，其中所述阱层由InGaN材料形成，垒层进一步包括第一GaN层、P型AlGaN层、第二GaN层构成的周期结构，第1‑4层垒层包括一个上述周期结构，第5‑8层垒层包括两个上述周期结构，第9至最后的垒层包括三个上述周期结构，本发明提供的垒层结构有效地降低电子溢出，提高空穴注入及传输效率，避免生长缺陷，有效地提高量子阱量子效率，从而提高发光二极管发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管(LED)领域，具体涉及一种多量子阱发光二极管及其制备方法。
背景技术
从爱迪生发明白炽灯到上个世纪荧光灯的普遍应用，电光源已成为人们生产生活中不可缺少的照明工具。白炽灯的使用带来了一系列能源和环保等方面的问题，例如目前白炽灯的发光效率仅为151m/W左右，大量电能转化为热量，电光转换效率只有10％左右，其消耗的电能所燃烧的煤和石油每年产生数以亿吨的二氧化碳气体。荧光灯和节能灯的发明使得电光源的发光效率得到有效提高。同时，人们对照明的需求也从简单的高亮度提升到对色温和显色指数等性能指标的要求。但是，由于荧光灯中荧光粉转换效率的限制，荧光灯的发光效率基本已经达到饱和，并且荧光灯还存在汞环境污染、废弃物不环保、寿命较短以及显色指数相对较低等问题。节能灯虽然在发光效率上比节能灯有了进一步提高，但是还都远远不能满足现代社会对高效、节能和环保的照明技术的现实需求。
发光二极管(LED)作为新一代光源，具有体积小、电压低、使用寿命长、亮度高、发热量低和环保等多个优点，是现代光电子器件发展的重要产物。随着人们对发光二极管的高亮度、高功率、高光效的要求，发光二极管内部电流密度不断增加，传统多量子阱有源层结构的发光二极管不可避免的产生电子溢出，空穴注入效率低、漏电流等问题，严重影响有源层的量子效率，导致多量子阱发光二极管的发光效率下降。
发明内容
为解决现有技术的问题，本发明提供了一种多量子阱发光二极管，方案如下：一种多量子阱发光二极管包括衬底，以及依次设置在衬底上的反射层、AlN缓冲层、GaN缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱有源层、电子阻挡层、P型GaN层。依次刻蚀P型GaN层、电子阻挡层、多量子阱有源层至N型GaN层，形成台面结构，P电极和N电极分别设置在P型GaN层和N型GaN层上。多量子阱有源层包括由下至上依次生长的10-15个周期的阱层和垒层交替叠置，其中阱层由InGaN材料形成，垒层由第一GaN层、P型AlGaN层、第二GaN层构成的周期结构叠置构成。
进一步的，第1-4层垒层包括一个第一GaN层、P型AlGaN层、第二GaN层构成的周期结构，第5-8层垒层包括两个第一GaN层、P型AlGaN层、第二GaN层构成的周期结构，第9至最后的垒层包括三个第一GaN层、P型AlGaN层、第二GaN层构成的周期结构。在N型GaN层至P型GaN层方向，P型AlGaN层的掺杂浓度逐渐升高和/或其厚度逐渐增加。
进一步的，最后一层的垒层中的P型AlGaN层的掺杂浓度低于电子阻挡层的掺杂浓度，优选地最后一层的垒层中的P型AlGaN层的掺杂浓度为电子阻挡层掺杂浓度的2/3至3/4。
进一步的，N型GaN层、多量子阱有源层之间还包括电流扩散层，电流扩散层由电流扩展区域及电流阻挡区域间隔形成，电流阻挡区域由离子注入或氧化形成。
进一步的，反射层为电镀Ag层或布拉格反射层。
本发明还提供了一种多量子阱发光二极管制备方法，包括如下步骤：
(1)对衬底进行退火处理：在温度为1000-1200℃，氢气环境中，加热衬底5-10分钟。
(2)在衬底上制作反射层：其中反射层可以为电镀银层或布拉格反射层。
(3)采用MOCVD工艺，在反射层上依次形成AlN缓冲层、GaN缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层：其中外延生长的温度范围为900-1200℃，反应室压力范围200-400torr。
进一步的，当反射层为电镀银层时，先在银层上形成金属铝层，通过氮化反应，使其成为AlN缓冲层。
(4)在N型GaN层上生长多量子阱有源层：其包括在N型GaN层上生长InGaN材料作为阱层，依次生长第一GaN层、P型AlGaN层、第二GaN层作为垒层；交替生长阱层和垒层四个周期后，生长两个周期的第一GaN层、P型AlGaN层、第二GaN层叠层作为垒层；再交替生长阱层和垒层四个周期后，生长三个周期的第一GaN层、P型AlGaN层、第二GaN层叠层作为垒层；最终，生长10-15个周期的阱层和垒层。
(5)在多量子阱有源层上形成电子阻挡层、P型GaN层：外延生长的温度范围为1000-1200℃，反应室压力范围200-400torr。
(6)依次刻蚀P型GaN层、电子阻挡层、多量子阱有源层至N型GaN层，形成台面结构；
(7)在P型GaN层和N型GaN层上形成P电极和N电极。
如上所述，本发明提供一种多量子阱发光二极管及其制备方法，其有益效果包括：
(1)提高多量子阱有源层的载流子浓度，抑制电子溢出，提高量子阱有源层的量子效率；
(2)提高多量子阱有源层的外延质量，避免缺陷；
(3)避免电流集中，进一步提高发光层量子效率，提高光输出。
附图说明
图1是本发明第1实施例的多量子阱发光二极管结构示意图。
图2是本发明中多量子阱有源层的结构示意图。
图3是本发明第2实施例的多量子阱发光二极管结构示意图。
图中：衬底100，反射层101，AlN缓冲层102，GaN缓冲层103，非掺杂GaN层104，N型GaN层105，多量子阱有源层106，电子阻挡层107，P型GaN层108，P电极109，N电极110，阱层106a，垒层106b，第一GaN层106b-1，P型AlGaN层106b-2，第二GaN层106b-3，电流扩散层111，电流扩展区域111a，电流阻挡区域111b。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式进一步地详细描述。
实施例1
图1是本发明第1实施例的多量子阱发光二极管结构示意图。如图1所示，发光二极管包括衬底100，以及依次设置在衬底上的反射层101、AlN缓冲层102、GaN缓冲层103、非掺杂GaN层104、N型GaN层105、多量子阱有源层106、电子阻挡层107、P型GaN层108。依次刻蚀P型GaN层108、电子阻挡层107、多量子阱有源层106至N型GaN层105，形成台面结构，P电极109和N电极110分别设置在P型GaN层108和N型GaN层105上。
图2为本发明中多量子阱有源层的结构示意图。如图2所示，多量子阱有源层106包括由下至上依次生长的10-15个周期的阱层106a和垒层106b交替叠置，其中阱层106a由InGaN材料形成，垒层106b由第一GaN层106b-1、P型AlGaN层106b-2、第二GaN层106b-3构成的周期结构叠置构成。通过在GaN层结构中形成P型AlGaN层，有效地抑制了在大电流密度下的电子溢出，使电子与空穴在阱层中复合，并以光波形式释放能量，提高了多量子阱有源层的量子效率。此外，该种垒层结构有利于应力释放，避免了InGaN阱层106a与P型AlGaN层106b-2因晶格不匹配引起的缺陷，有利于获得良好的外延层结构。
如上所述的多量子阱发光二极管中，第1-4层垒层106b包括一个第一GaN层106b-1、P型AlGaN层106b-2、第二GaN层106b-3构成的周期结构，第5-8层垒层106b包括两个第一GaN层106b-1、P型AlGaN层106b-2、第二GaN层106b-3构成的周期结构，第9至最后的垒层106b包括三个第一GaN层106b-1、P型AlGaN层106b-2、第二GaN层106b-3构成的周期结构。在N型GaN层105至P型GaN层108方向，P型AlGaN层106b-2的掺杂浓度逐渐升高和/或其厚度逐渐增加。并且，最后一层的垒层106b中的P型AlGaN层106b-2的掺杂浓度低于电子阻挡层的掺杂浓度，优选地最后一层的垒层106b中的P型AlGaN层106b-2的掺杂浓度为电子阻挡层掺杂浓度的2/3至3/4。梯度增加的掺杂浓度有利于空穴传输，由于垒层中的P型掺杂剂的加入，在多量子阱有源层与电子阻挡层之间形成良好的过渡，有利于空穴的注入。
本实施例提供的多量子阱发光二极管，其制备方法包括如下步骤：
(1)对衬底100进行退火处理：在温度为1000-1200℃，氢气环境中，加热衬底5-10分钟；
(2)在衬底100上制作反射层101，其中反射层101可以为电镀银层或布拉格反射层；
(3)采用MOCVD工艺，在反射层101上依次形成AlN缓冲层102、GaN缓冲层103、非掺杂GaN层104、N型GaN层105；其中外延生长的温度范围为900-1200℃，反应室压力范围200-400torr。当反射层101为电镀银层时，先在银层上形成金属铝层，通过氮化反应，使其成为AlN缓冲层。
(4)在N型GaN层105上生长多量子阱有源层106，其包括在N型GaN层105上生长InGaN材料作为阱层106a，再依次生长第一GaN层106b-1、P型AlGaN层106b-2、第二GaN层106b-3作为垒层106b；交替生长阱层106a和垒层106b四个周期后，生长两个周期的第一GaN层106b-1、P型AlGaN层106b-2、第二GaN层106b-3叠层作为垒层106b；再交替生长阱层106a和垒层106b四个周期后，生长三个周期的第一GaN层106b-1、P型AlGaN层106b-2、第二GaN层106b-3叠层作为垒层106b；最终，生长10-15个周期的阱层106a和垒层106b。
(5)在多量子阱有源层上形成电子阻挡层107、P型GaN层108，外延生长的温度范围为1000-1200℃，反应室压力范围200-400torr。
(6)依次刻蚀P型GaN层108、电子阻挡层107、多量子阱有源层106至N型GaN层105，形成台面结构；
(7)在P型GaN层108和N型GaN层105上形成P电极109和N电极110。
实施例2
图3为本发明第2实施例的多量子阱发光二极管结构示意图。如图2所示，实施例2中的发光二极管与实施例1的区别在于：在N型GaN层105与多量子阱有源层106之间进一步设置电流扩散层111，其包括由N型GaN材料构成的电流扩展区域111a，以及与其间隔设置的电流阻挡区域111b。其中电流阻挡区域111b由离子注入或氧化形成。电流扩散层111的间隔结构，有助于电流的扩展，避免电流集中造成多量子阱有源层的量子效率降低。
综上所述，本发明的一种多量子阱发光二极管及其制备方法，具有以下有益效果：通过设置多层周期性结构的垒层，抑制电子溢出；利用梯度变化的掺杂浓度和/或厚度，形成有效的过渡，提高空穴注入浓度及载流子传输速度，有利于提高多量子阱有源层的量子效率；采用GaN层中间夹层P型AlGaN层的设计，有效避免生长缺陷，提高多量子阱有源层的外延质量；通过设置电流扩散层，避免电流集中，进一步提高发光层量子效率，提高光输出。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (8)
1.一种多量子阱发光二极管，所述多量子阱发光二极管包括：衬底，以及依次设置在衬底上的反射层、AlN缓冲层、GaN缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱有源层、电子阻挡层、P型GaN层；
其特征在于，依次刻蚀所述P型GaN层、所述电子阻挡层、所述多量子阱有源层至所述N型GaN层，形成台面结构，P电极和N电极分别设置在所述P型GaN层和所述N型GaN层上；
多量子阱有源层包括由下至上依次生长的多个周期的阱层和垒层交替叠置，其中所述阱层由InGaN材料形成，所述垒层由第一GaN层、P型AlGaN层、第二GaN层构成的周期结构叠置构成，所述多量子阱有源层包括10-15个周期的所述阱层和所述垒层，其中第1-4层所述垒层包括一个由所述第一GaN层、P型AlGaN层、第二GaN层构成的周期结构，第5-8层所述垒层包括两个由所述第一GaN层、P型AlGaN层、第二GaN层构成的周期结构，第9至最后的所述垒层包括三个由所述第一GaN层、P型AlGaN层、第二GaN层构成的周期结构。
2.如权利要求1所述的多量子阱发光二极管，其特征在于，所述垒层中的所述P型AlGaN层为Mg掺杂，其掺杂浓度由所述N型GaN层至所述P型GaN层方向逐渐升高。
3.如权利要求1所述的多量子阱发光二极管，其特征在于，所述垒层中的所述P型AlGaN层厚度由所述N型GaN层至所述P型GaN层方向逐渐增加。
4.如权利要求1-3中任一项所述的多量子阱发光二极管，其特征在于，在所述N型GaN层、多量子阱有源层之间还包括电流扩散层。
5.如权利要求4所述的多量子阱发光二极管，其特征在于，电流扩散层由电流扩展区域及电流阻挡区域间隔形成。
6.如权利要求5所述的多量子阱发光二极管，其特征在于，电流阻挡区域由离子注入或氧化形成。
7.如权利要求1所述的多量子阱发光二极管，其特征在于，所述反射层为电镀Ag层或布拉格反射层。
8.一种多量子阱发光二极管的制备方法，所述多量子阱发光二极管制备方法包括如下步骤：(1)对衬底进行退火处理；
(2)在所述衬底上制作反射层；
(3)采用MOCVD工艺，在所述反射层上依次形成AlN缓冲层、GaN缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层；
(4)在所述N型GaN层上生长多量子阱有源层，其中所述多量子阱有源层包括由下至上依次生长的多个周期的阱层和垒层交替叠置，所述阱层由InGaN材料形成，所述垒层由第一GaN层、P型AlGaN层、第二GaN层构成的周期结构叠置构成；
(5)在所述多量子阱有源层上形成电子阻挡层、P型GaN层；
(6)依次刻蚀所述P型GaN层、所述电子阻挡层、所述多量子阱有源层至所述N型GaN层，形成台面结构；
(7)在所述P型GaN层和所述N型GaN层上形成P电极和N电极
其中，所述多量子阱有源层包括生长10-15个周期的所述阱层和所述垒层，其中在生长第1-4层所述垒层时，生长一个周期的所述第一GaN层、P型AlGaN层、第二GaN层；生长第5-8所述垒层时，生长两个周期的所述第一GaN层、P型AlGaN层、第二GaN层；生长第9至最后的所述垒层时，生长三个周期的所述第一GaN层、P型AlGaN层、第二GaN层。
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