CN108695417A - 基于V形坑的无荧光粉GaN基白光LED外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体领域，具体是一种基于V形坑的无荧光粉GaN基白光LED外延结构及其制备方法。本发明所述GaN基白光LED外延结构，包括衬底、形核层、非掺杂GaN层、n型GaN层以及在n型GaN层上的低温n型GaN层；位于低温n型GaN层的多量子阱层，最后是p型GaN填充层。低温n型GaN层中由于应力释放以及低温下原子迁移率低而产生大量V形坑，生长多量子阱层后，V形坑内形成侧壁量子阱，发光波长与C面量子阱不同，通过合理调控V形坑的尺寸和密度，实现白光发射。这种无荧光粉GaN基白光LED的制备过程无需任何掩膜版以及反刻蚀工艺，工艺流程简单，有巨大的产业应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体是一种基于V形坑的无荧光粉GaN基白光LED外延结构及其制备方法。
背景技术
如今，由于InGaN的带隙可覆盖全部可见光光谱区域，InGaN 发光二极管(LED)固态照明领域表现出巨大的潜能。绝大部分白光LED为蓝光LED和黄光荧光粉配合形成，然而其具有转换效率低的问题。利用InGaN材料本身的带隙性质制备无荧光粉白光LED引起了人们的高度重视和深入研究。由于生长在不同晶面上的量子阱其阱厚和In组分均不相同，因此量子阱的发光波长可出现明显差异。基于此，近年来，人们可以通过改变掩膜版的几何结构控制量子阱的发光波长。然而，此方法对需要准确的控制生长过程，才可实现预期的微米三维结构，且三维结构之间的较易形成漏电通道，此依旧是一项难题，另一方面通过刻蚀技术制备的微米三维阵列，刻蚀过程会对量子阱造成损伤，引起LED发光效率下降。
为了获得绿光以及更长波长的发光峰，InxGa1-xN 量子阱的In组分需要达到20%以上。随着InGaN量子阱中In组分的增加，GaN与 InGaN之间的晶格失配增大，导致量子限制斯塔克效应，使载流子复合几率减小，引起LED发光效率下降；产生大量位错，形成非辐射复合中心，降低了内量子效率。在位错处由于能量较高，极易形成倒六角金字塔状V形坑，V形坑中存在与（0001）面c面量子阱阱厚、In组分不同的(10-11)面侧壁量子阱。如能充分挖掘、利用V形坑的特性，研发一种制备工艺简单，制备成本低，显色性好，荧光粉依赖性低以及发光效率高的白光LED结构，将是本行业的重大课题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于V形坑的无荧光粉GaN基白光LED外延结构及其制备方法，拟解决荧光粉转换效率低，GaN基三维结构之间形成的漏电通道以及刻蚀损伤引起的LED发光效率下降问题。本发明实现了V形坑中(10-11)面侧壁量子阱与(1001)面c面量子阱由于阱厚、In组分不同而发光波长明显不同，因而可以通过合理控制，使得侧壁量子阱发射蓝光，c面量子阱发射黄光，从而直接实现白光发射。
本发明所述基于V形坑的无荧光粉GaN基白光LED外延结构是采用如下的技术方案实现的：一种基于V形坑的无荧光粉GaN基白光LED外延结构，所述结构自下而上包括衬底、形核层，非掺杂GaN层和n型GaN层以及在所述n型GaN层上生长的低温n型GaN层；还包括在所述低温n型GaN层上生长的InGaN/GaN多量子阱层；最后为p型GaN层；低温n型GaN层中形成大量V形坑，p型GaN 将V形坑填平。
可选地，GaN基LED外延结构，所述衬底为蓝宝石、Si、GaN中的一种。
可选地，所述非掺杂GaN层厚度为1-3 μm，所述n型GaN层厚度为2-3 μm。
可选地，所述低温n型GaN层生长温度为800-900℃，生长厚度为100-200 nm之间。
可选地，所述多量子阱层为InGaN/GaN多量子阱层，InGaN阱层厚度为2-4 nm，GaN垒层厚度为10-20 nm，In 组分为25-30%，周期为2-10。
本发明所述的一种基于V形坑的无荧光粉GaN基白光LED外延结构的制备方法，包括如下步骤：
S1、在衬底上生长形核层，非掺杂GaN层和n型GaN层；
S2、在所述n型GaN层上生长低温n型GaN层；
S3、在所述低温n型GaN层上生长InGaN/GaN多量子阱层；
S4、用p型GaN填平V形坑，最后长成平面。
优选地，所述步骤S1中，所述形核层、非掺杂GaN层和n型GaN层的镓源均为TMGa，生长厚度分别为15-30 nm、2-3 μm、2-4 μm，形核层生长温度为520-580℃，GaN层生长温度均为1000℃-1100℃, n型GaN层的Si源为SiH4；
优选地，所述步骤S2中，所述低温n型GaN层的镓源为TEGa，流量为55 sccm，氮源为NH3，流量为4500 sccm，生长温度为800-900℃,低温n型GaN层的Si源为SiH4, N2作为载气， 压力为100-200 mbar，生长时间为4000-8000 s。由于低温下原子表面迁移率低，因此低温n型GaN层中形成大量V形坑；
优选地，所述步骤S3中，所述多量子阱层的生长方法为：所述GaN垒层镓源为TEGa，氮源为NH3，载气为N2，生长温度为800-870℃，压力为100-200 mbar，生长时间为300-600s；阱层以TEGa为镓源，TMIn为铟源，NH3为氮源，N2为载气，生长温度为630-700℃，压力为100-200mbar，生长100 -150 s；所述量子阱制备过程中在(10-11)面与(1001)面上分别形成侧壁量子阱与c面量子阱, 由于(10-11)晶面生长速率较慢，In较难并入，因此侧壁量子阱与c面量子阱相比，阱厚减小，In组分较低，从而发光波长与c面量子阱可出现明显差异，进而实现侧壁量子阱发射蓝光，c面量子阱发射黄光，LED直接实现白光发射；
优选地，所述步骤S4中，所述p型GaN填充层的生长方法为：镓源为TMGa，氮源为NH3，载气为H2，生长温度为950-1100℃，反应室压力为150 mbar，生长厚度为2-3 μm。退火过程时间为300 s，退火温度为960℃。
本发明的上述技术方案与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明所述的一种LED外延结构，包括衬底，依次层叠形成在所述衬底上的形核层、非掺杂GaN层、、低温n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p型GaN层，与传统的二维LED外延结构相比，V形坑中侧壁量子阱使得LED具有更多的发光面积，能有效避免效率骤降的问题。
2、本发明所述的V形坑中侧壁量子阱具有半极性的（10-11）晶面，该面的极化电场很小，量子限制斯塔克效应极弱，电子空穴波函数重叠度提高，辐射复合概率相应增加，且V形坑中侧壁量子阱与c面量子阱高的势垒差，可更有效的阻挡载流子被位错处非辐射复合中心捕获，因而LED的内量子效率得到提高。
3、本发明所述的一种低温n型GaN层形成大量V形坑，V形坑形成可释放应力，有利于后续生长InGaN/GaN多量子阱层时c面量子阱中In的并入，因此较易实现c面量子阱的黄光发射，而侧壁量子阱与c面量子阱相比，阱厚减小，In组分较低，可实现侧壁量子阱发射蓝光，实现LED直接实现白光发射。
4、本发明所述的一种基于V形坑的无荧光粉白光GaN基LED外延结构，从生产实用性的角度考虑，用p型GaN填平V形坑后，可直接利用平面LED结构的镀电极及封装技术，便于最终制备器件。
5、本发明所述的一种基于V形坑的无荧光粉白光GaN基LED外延结构的制备方法，包括如下步骤S1、在衬底上生长形核层，非掺杂GaN层和n型GaN层；S2、在所述n型GaN层上生长低温n型GaN层；S3、在所述低温n型GaN层上生长InGaN/GaN多量子阱层；S4、用p型GaN填平V形坑，最后长成平面。所述LED外延结构的制备工艺简单，重复性良好，无需掩膜版，成本低廉。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中图1是本发明所述的基于V形坑的无荧光粉白光GaN基LED外延结构示意图；图2是低温n型GaN层上生长的InGaN/GaN多量子阱SEM图像。
具体实施方式
实施例
本实施例提供一种基于V形坑的无荧光粉GaN基白光LED外延结构，如图1所示，所述结构包括衬底，依次层叠形成在所述衬底的形核层、非掺杂GaN层、n型GaN层、低温n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p型GaN层。
作为本发明的一个实施例，本实施例中非掺杂GaN层的厚度为2 μm；n型GaN层的厚度为2 μm；低温n型GaN层的厚度为100 nm，生长温度为830℃；InGaN/GaN多量子阱层为六个阱垒周期，阱层厚度为2 nm，生长温度为650℃，In 组分为25%，阱层厚度为10 nm，生长温度为800℃；p型GaN层的厚度为2 μm。作为本发明的可变换实施例，非掺杂GaN层的厚度为1-3μm；n型GaN层的厚度为2-3 μm；低温n型GaN层的的镓源为TEGa，N2作为载气，厚度为100 nm，生长温度为830℃，压力为100-200 mbar, 生长时间为4000-8000 s；InGaN/GaN多量子阱层周期为2-10，阱层厚度为2-10 nm（优选2~4nm），生长温度为630-700℃，压力为100-200mbar，生长时间为300-600s，In 组分为25-30%，垒层厚度为10-20 nm，生长温度为800-870℃，压力为100-200 mbar，生长时间为300-600s；p型GaN层的厚度为2-3 μm，生长温度为950-1100℃，均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。
所述基于V形坑的无荧光粉GaN基白光LED外延结构的制备方法，包括如下步骤：
S1、在衬底上生长形核层，非掺杂GaN层和n型GaN层；
作为本发明的一个实施例，本实施例中，衬底选用商用2寸蓝宝石衬底，GaN成核层生长温度为540℃，厚度为15 nm；非掺杂GaN层的生长温度为1050℃，厚度为2 μm；n型GaN层生长温度为1058℃，厚度为2 μm。
S2、在所述n型GaN层上生长低温n型GaN层；
低温n型GaN层的镓源为TEGa，流量为55 sccm，氮源为NH3，流量为4500 sccm，生长温度为830℃,低温n型GaN层的Si源为SiH4, N2作为载气， 压力为150 mbar，生长时间为4000 s，厚度为100 nm。
S3、在所述低温n型GaN层上生长InGaN/GaN多量子阱层；
GaN垒层镓源为TEGa，氮源为NH3，载气为N2，生长温度为830℃，压力为130 mbar，生长时间为300s；阱层以TEGa为镓源，TMIn为铟源，NH3为氮源，N2为载气，生长温度为650℃，压力为130 mbar，生长100 s。
S4、用p型GaN层填平V形坑，最后长成平面。
p型GaN镓源为TMGa，氮源为NH3，载气为H2，生长温度为1050℃，反应室压力为150mbar，生长厚度为2 μm。退火过程时间为300 s，退火温度为960℃。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种基于V形坑的无荧光粉GaN基白光LED外延结构，其特征在于：所述结构自下而上包括衬底、形核层，非掺杂GaN层和n型GaN层以及在所述n型GaN层上生长的低温n型GaN层；还包括在所述低温n型GaN层上生长的InGaN/GaN多量子阱层；最后为p型GaN层；低温n型GaN层中形成大量V形坑，p型GaN 将V形坑填平。
2.根据权利要求1所述的基于V形坑的无荧光粉GaN基白光LED外延结构，其特征在于：所述非掺杂GaN层厚度为1-3 μm，所述n型GaN层厚度为2-3 μm。
3.根据权利要求1或2所述的基于V形坑的无荧光粉GaN基白光LED外延结构，其特征在于：所述低温n型GaN层生长厚度为100-200 nm之间。
4.根据权利要求1或2所述的基于V形坑的无荧光粉GaN基白光LED外延结构，其特征在于：所述多量子阱层为InGaN/GaN多量子阱层，InGaN阱层厚度为2-4 nm，GaN垒层厚度为10-20 nm，In 组分为25-30%，周期为2-10。
5.根据权利要求1或2所述的基于V形坑的无荧光粉GaN基白光LED外延结构，其特征在于：V形坑中侧壁量子阱具有半极性的（10-11）晶面，该面的极化电场很小，量子限制斯塔克效应极弱，电子空穴波函数重叠度提高，辐射复合概率相应增加，且V形坑中侧壁量子阱与c面量子阱高的势垒差，可更有效的阻挡载流子被位错处非辐射复合中心捕获，因而LED的内量子效率得到提高。
6.根据权利要求5所述的基于V形坑的无荧光粉GaN基白光LED外延结构，其特征在于：侧壁量子阱与c面量子阱相比，阱厚减小，In组分较低，从而发光波长与c面量子阱可出现明显差异，进而实现侧壁量子阱发射蓝光，c面量子阱发射黄光，LED直接实现白光发射。
7.一种基于V形坑的无荧光粉GaN基白光LED外延结构的制备方法，用于制备如权利要求1-6任一项所述的GaN基白光LED外延结构，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在衬底上生长形核层，非掺杂GaN层和n型GaN层；
S2、在所述n型GaN层上生长低温n型GaN层；
S3、在所述低温n型GaN层上生长InGaN/GaN多量子阱层；
S4、用p型GaN填平V形坑，最后长成平面。
8.根据权利要求7所述的基于V形坑的无荧光粉GaN基白光LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述形核层、非掺杂GaN层和n型GaN层的镓源均为TMGa，生长厚度分别为15-30 nm、2-3 μm、2-4 μm，形核层生长温度为520-580℃，GaN层生长温度均为1000℃-1100℃；
所述步骤S2中，所述低温n型GaN层的镓源为TEGa，流量为55 sccm，氮源为NH3，流量为4500 sccm，生长温度为800-900℃,低温n型GaN层的Si源为SiH4, N2作为载气，压力为100-200 mbar，生长时间为4000-8000 s；
所述步骤S3中，所述多量子阱层的生长方法为：所述GaN垒层镓源为TEGa，氮源为NH3，载气为N2，生长温度为800-870℃，压力为100-200 mbar，生长时间为300-600s；阱层以TEGa为镓源，TMIn为铟源，NH3为氮源，N2为载气，生长温度为630-700℃，压力为100-200 mbar，生长100 -150 s；
所述步骤S4中，所述p型GaN填充层的生长方法为：镓源为TMGa，氮源为NH3，载气为H2，生长温度为950-1100℃，反应室压力为150 mbar，生长厚度为2-3 μm；退火过程时间为300 s，退火温度为960℃。
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- 2018-05-08 CN CN201810429108.0A patent/CN108695417A/zh active Pending
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