CN108807618A - 一种GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构及其制备方法，GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构，包括Si衬底；所述Si衬底上依序向上生长有AlN层、AlGaN层、GaN三维层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、AlGaN电子阻挡层和P型GaN层；GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构具有良好的电学性能；制备方法，包括：第一生长步骤：在Si衬底上依序向上生长AlN层、AlGaN层、GaN三维层和N型GaN层；第二生长步骤：生长InGaN/GaN多量子阱层；第三生长步骤：生长AlGaN电子阻挡层和P型GaN层，得到GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构及其制备方法，属于半导体技术领域。
背景技术
发光二极管(light-emitting diode，LED)因具有高效、节能环保、长寿命、体积小等优点，有望代替传统的白炽灯、荧光灯及气体放电灯成为新一代的照明光源，引起了产业及科研领域的广泛关注。自1962年第一只LED诞生至今，L ED的各方面性能都得到了极大的提升，应用领域也越来越广。
目前，LED要真正实现大规模广泛应用，需要进一步提高LED芯片的发光效率。然而商业化的LED发光效率仍然有待提高，这主要是因为采用蓝宝石衬底上外延生长造成的。一方面，由于蓝宝石与GaN的晶格失配高达13.3％，导致外延GaN薄膜过程中形成很高的位错密度，从而降低了材料的载流子迁移率，缩短了载流子寿命，最终影响了GaN基器件的性能。另一方面，由于室温下蓝宝石(热膨胀系数6.63×10-6K-1)与GaN(热膨胀系数5.6×10-6K-1)之间的热失配度高，当外延层生长结束后，器件从外延生长的高温冷却至室温过程会产生很大的压应力，容易导致薄膜和衬底的龟裂。此外，由于蓝宝石的热导率低，室温下是25W/m·K，很难将芯片内产生的热量及时排出，导致热量积累，使器件的内量子效率降低，最终影响器件的性能。
在此背景下，生产工艺成熟且可用较低成本获得大面积高质量的Si衬底可以有效降低LED的制造成本，同时也十分适合于制备大功率的LED器件。在Si衬底LED发展的前期，由于Si衬底存在与GaN较大的热失配和晶格失配等问题，无裂纹高质量的GaN薄膜的生长成为一个难题。随着技术的发展，通过采用AlN和AlGaN等插入层来综合控制GaN生长的形核过程与应力状态，该难题已经被克服。此外，众所周知，制备高质量InGaN/GaN多量子阱是高效GaN基LED外延片的基础，新型衬底上外延生长制备高质量InGaN/GaN多量子阱势必是研究的难点与热点。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构具有良好的电学性能。
本发明的第二个目的在于提供一种上述GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构的制备方法。
实现本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构，包括Si衬底；所述Si衬底上依序向上生长有AlN层、AlGaN层、GaN三维层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、AlGaN电子阻挡层和P型GaN层；
所述InGaN/GaN多量子阱层包括InGaN势阱层和GaN势垒层；所述GaN势垒层包括至少一层Si掺杂GaN势垒层和至少一层不掺杂GaN势垒层；所述Si掺杂GaN势垒层和不掺杂GaN势垒层间隔叠合设置。
进一步地，所述AlN层的厚度为100-250nm。
进一步地，所述AlGaN层中Al的摩尔百分比为10-90％。
进一步地，所述AlGaN层的厚度为400-500nm。
进一步地，所述GaN三维层的厚度为200-700nm。
进一步地，所述N型GaN层掺杂有Si，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3。
进一步地，所述N型GaN层的厚度为1500-3000nm。
进一步地，所述InGaN/GaN多量子阱层为3-10个周期。
进一步地，所述InGaN势阱层的厚度为1-8nm；所述GaN势垒层的厚度为8-20nm。
进一步地，所述Si掺杂GaN势垒层的Si掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3。
进一步地，所述AlGaN电子阻挡层的厚度为15-30nm，掺杂有Mg，Mg的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3。
进一步地，所述P型GaN层的厚度为200-350nm，掺杂有Mg，Mg的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3。
实现本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种如上所述的GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构的制备方法，包括：
第一生长步骤：在Si衬底上依序向上生长AlN层、AlGaN层、GaN三维层和N型GaN层；
第二生长步骤：通入硅烷、氨气、氮气和三甲基镓，生长Si掺杂GaN势垒层；通入氨气、氮气和三甲基镓，生长不掺杂GaN势垒层，Si掺杂GaN势垒层和不掺杂GaN势垒层间隔生长；然后生长InGaN势阱层，形成InGaN/GaN多量子阱层；
第三生长步骤：在InGaN/GaN多量子阱层上生长AlGaN电子阻挡层和P型GaN层，得到GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构。
常规的生长工艺方法包括但不限于MOCVD(金属有机物化学气相沉积)。
本发明的设计原理如下：
InGaN/GaN量子阱结构是LED外延片的核心，制备高质量InGaN/GaN量子阱是高效GaN基LED外延片的基础。常用的完全掺杂方式易导致掺杂不均匀，使得GaN外延膜的晶体质量和电学性能相互制约，提高掺杂浓度可以提高电学性能，但不易得到较好的晶体质量；降低掺杂浓度可以提高晶体质量，但难以保证较优的电学性能。
本发明InGaN/GaN量子阱结构中，GaN势垒层包括不掺杂GaN势垒层(即不掺杂Si)和Si掺杂GaN势垒层(即掺杂Si)，以间断掺Si的方式，在相同掺Si浓度下可明显改善掺杂的均匀性，进而显著提高GaN外延膜的晶体质量，同时对GaN外延膜的电学性能影响不大；GaN势垒层较薄，相比于非间断掺杂，间断掺杂对GaN外延膜的电学性能的影响可忽略；而在相同的GaN外延膜晶体质量下，可提高Si掺杂GaN势垒层的掺杂浓度，进而提高GaN外延膜的电学性能。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
1、本发明GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构具有良好的电学性能；
2、本发明GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构的制备方法简单快捷，稳定性好。
附图说明
图1为实施例的结构示意图；
图2、3为XRD检测的曲线图；
图4为对比例AFM检测的显微镜图；
图5为实施例AFM检测的显微镜图；
图6-10为对比例LED芯片电学性能测试的检测图示；
图11-15为实施例LED芯片电学性能测试的检测图示；
图中，1、Si衬底；2、AlN层；3、AlGaN层；4、GaN三维层；5、N型GaN层；6、InGaN/GaN多量子阱层；61、InGaN势阱层；62、GaN势垒层；621、Si掺杂GaN势垒层；622、不掺杂GaN势垒层；7、AlGaN电子阻挡层；8、P型GaN层。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
如图1所示，一种GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构，包括Si衬底1；Si衬底1上依序向上生长有AlN层2、AlGaN层3、GaN三维层4、N型GaN层5、3-10个周期的InGaN/GaN多量子阱层6、AlGaN电子阻挡层7和P型GaN层8；
InGaN/GaN多量子阱层6包括InGaN势阱层61和GaN势垒层62；GaN势垒层62包括至少一层Si掺杂GaN势垒层621和至少一层不掺杂GaN势垒层622；Si掺杂GaN势垒层621和不掺杂GaN势垒层622间隔叠合设置。
AlN层的厚度为100-250nm；
AlGaN层中Al的摩尔百分比为10-90％，厚度为400-500nm；
GaN三维层的厚度为200-700nm；
N型GaN层掺杂有Si，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，厚度为1500-3000nm；
InGaN势阱层的厚度为1-8nm；
GaN势垒层的厚度为8-20nm；
Si掺杂GaN势垒层的Si掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；
AlGaN电子阻挡层的厚度为15-30nm，掺杂有Mg，Mg的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；
P型GaN层的厚度为200-350nm，掺杂有Mg，Mg的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3。
GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构的制备方法如下：
第一生长步骤：以MOCVD法在Si衬底上依序向上生长AlN层、AlGaN层、GaN三维层和N型GaN层；
第二生长步骤：以MOCVD法，通入硅烷、氨气、氮气和三甲基镓，生长Si掺杂GaN势垒层；通入氨气、氮气和三甲基镓，生长不掺杂GaN势垒层，Si掺杂GaN势垒层和不掺杂GaN势垒层间隔生长；然后生长InGaN势阱层；形成InGaN/GaN多量子阱层；
第三生长步骤：以MOCVD法在InGaN/GaN多量子阱层上生长AlGaN电子阻挡层和P型GaN层，得到GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构。
实施例：
一种GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构，包括Si衬底；Si衬底上依序向上生长有AlN层、AlGaN层、GaN三维层、N型GaN层、5个周期的InGaN/GaN多量子阱层、AlGaN电子阻挡层和P型GaN层；
InGaN/GaN多量子阱层包括InGaN势阱层和GaN势垒层；GaN势垒层包括至少一层Si掺杂GaN势垒层和至少一层不掺杂GaN势垒层；Si掺杂GaN势垒层和不掺杂GaN势垒层间隔叠合设置。
AlN层的厚度为150nm；
Al0.7Ga0.3N层，厚度为450nm；
GaN三维层的厚度为500nm；
N型GaN层掺杂有Si，掺杂浓度为1×1018cm-3，厚度为2000nm；
In0.15Ga0.85N势阱层的厚度为8nm；
GaN势垒层的厚度为12nm；
Si掺杂GaN势垒层的Si掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；
Al0.15Ga0.85N电子阻挡层的厚度为20nm，掺杂有Mg，Mg的掺杂浓度为1×1018cm-3；
P型GaN层的厚度为250nm，掺杂有Mg，Mg的掺杂浓度为1×1018cm-3。
GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构的制备方法如下：
Si衬底清洗：单晶Si衬底放入体积分数10％氢氟酸溶液中超声清洗30秒，再用去离子水超声清洗60秒，最后将其放入甩干机中用高纯干燥氮气吹干备用；
第一生长步骤：以MOCVD法，在温度950℃、气压100Torr的条件下通入氨气、氢气和三甲基铝，在Si衬底上生长AlN层；
在温度1000℃、气压100Torr的条件下通入氨气、氢气、三甲基镓和三甲基铝，生长Al0.7Ga0.3N层；
在温度800℃、气压500Torr的条件下通入氨气、氮气和三甲基镓，生长GaN三维层；
在温度1000℃、气压100Torr的条件下通入硅烷、氨气、氮气、三甲基镓，生长N型GaN层；
第二生长步骤：以MOCVD法，在温度850℃、气压100Torr的条件下通入硅烷、氨气、氮气和三甲基镓，生长Si掺杂GaN势垒层；通入硅烷、氨气、氮气和三甲基镓，生长Si掺杂GaN势垒层；通入氨气、氮气和三甲基镓，生长不掺杂GaN势垒层，重复生长Si掺杂GaN势垒层和不掺杂GaN势垒层步骤各3次，Si掺杂GaN势垒层和不掺杂GaN势垒层间隔生长；
在温度750℃、气压200Torr的条件通入氨气、氮气和三甲基镓，生长In0.15Ga0.85N势阱层；
重复第二生长步骤4次，形成5个周期的InGaN/GaN多量子阱层；
第三生长步骤：以MOCVD法，在温度900℃、气压100Torr的条件通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铝，生长Al0.15Ga0.85N电子阻挡层；
以MOCVD法，在温度900℃的条件通入二茂镁、氨气、氮气和三甲基镓，生长P型GaN层，得到GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构。
对得到的GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构进行检测：
对实施例进行检测，以含掺杂有Si的GaN势垒层(非间断方式)的发光二极管InGaN/GaN量子阱结构作为对比例；
1、XRD(X射线衍射)：
检测结果如图2和图3所示：图中箭头所指示的曲线(1)为实施例，曲线(2)为对比例1；图2为GaN(0002)，加入GaN势垒层(间断掺杂Si)，从503arcsec提升至428arcsec；图3为GaN(10-12)，，实施例从894arcsec提升至613arcsec，说明间断掺杂Si的GaN势垒层可以有效降低后续生长的GaN薄膜中的缺陷密度，提升其晶体质量。
2、AFM(原子力显微镜)：
对比例的表面粗糙度为2.10nm(图4)，实施例的表面粗糙度0.53nm(图5)，说明间断掺杂Si的GaN势垒层可以使后续生长的GaN外延薄膜的表面更加平整。
3、LED芯片电学性能测试(采用LED点测机进行测试)：
对比例的检测结果如图6-10所示，数据如表格1所示：
表格1对比例的LED芯片电学性能测试数据
| VF1 | VF2 | IR1 | WLD1 | LOP1 | 测试数 | |
| 测试条件 | @0.0100mA | @5.0000mA | @5.0000V | @5.0000mA | @5.0000mA | 626 |
| 最大设定值 | 3 | 4 | 5 | 470 | 440 | 合格数 |
| 最小设定值 | 0 | 2.6 | 0 | 440 | 270 | 538 |
| 最小合格值 | 0.001 | 2.702 | 0 | 440 | 289.91 | 良率 |
| 最大合格值 | 2.37 | 3.341 | 3.159 | 463.4 | 438.39 | 85.94 |
| 平均值 | 1.97 | 3.01 | 0.01 | 452.45 | 370.11 | |
| 标准差 | 0.70 | 0.04 | 0.16 | 6.21 | 30.57 | |
| 合格数 | 626 | 608 | 546 | 605 | 596 | |
| 良率 | 100.00 | 97.12 | 87.22 | 96.65 | 95.21 |
对比例的检测结果如图11-15所示，数据如表格2所示：
表格2实施例的LED芯片电学性能测试数据
发光波长均接近452nm的情况下，相同尺寸的LED芯片的发光强度从对比例370.11mW提升至实施例418.17mW，说明间断掺杂GaN势垒层能显著提高GaN基LED芯片的电学性能。对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构，包括Si衬底；其特征在于，所述Si衬底上依序向上生长有AlN层、AlGaN层、GaN三维层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、AlGaN电子阻挡层和P型GaN层；
所述InGaN/GaN多量子阱层包括InGaN势阱层和GaN势垒层；所述GaN势垒层包括至少一层Si掺杂GaN势垒层和至少一层不掺杂GaN势垒层；所述Si掺杂GaN势垒层和不掺杂GaN势垒层间隔叠合设置。
2.如权利要求1所述的GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构，其特征在于，所述AlGaN层中Al的摩尔百分比为10-90％。
3.如权利要求1所述的GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构，其特征在于，所述GaN三维层的厚度为200-700nm。
4.如权利要求1所述的GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构，其特征在于，所述N型GaN层掺杂有Si，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3。
5.如权利要求1所述的GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构，其特征在于，所述InGaN/GaN多量子阱层为3-10个周期。
6.如权利要求1所述的GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构，其特征在于，所述InGaN势阱层的厚度为1-8nm；所述GaN势垒层的厚度为8-20nm。
7.如权利要求1所述的GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构，其特征在于，所述Si掺杂GaN势垒层的Si掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3。
8.如权利要求1所述的GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构，其特征在于，所述AlGaN电子阻挡层的厚度为15-30nm，掺杂有Mg，Mg的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3。
9.如权利要求1所述的GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构，其特征在于，所述P型GaN层的厚度为200-350nm，掺杂有Mg，Mg的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3。
10.一种如权利要求1所述的GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构的制备方法，其特征在于包括：
第一生长步骤：在Si衬底上依序向上生长AlN层、AlGaN层、GaN三维层和N型GaN层；
第二生长步骤：通入硅烷、氨气、氮气和三甲基镓，生长Si掺杂GaN势垒层；通入氨气、氮气和三甲基镓，生长不掺杂GaN势垒层，Si掺杂GaN势垒层和不掺杂GaN势垒层间隔生长；然后生长InGaN势阱层，形成InGaN/GaN多量子阱层；
第三生长步骤：在InGaN/GaN多量子阱层上生长AlGaN电子阻挡层和P型GaN层，得到GaN基发光二极管InGaN/GaN量子阱结构。
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