CN109326699A - 一种发光二极管p型层结构及其外延结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种发光二极管P型层结构及其外延结构及制备方法，P型层结构是包含本征GaN、MgN和PGaN的多周期结构，本征GaN、MgN和PGaN从下到上依次生成，本征GaN为非掺杂GaN，P型层的周期n大于或等于3。二极管外延结构从下到上依次包含衬底、缓冲层、非掺杂层、N型掺杂层、多周期应力调节层、多周期量子阱发光区、P型电子阻挡层和P型层结构。本发明P型层结构是一种P型区域新结构，有效提高P型层的空穴浓度和迁移效率，能够加强空穴的注入效率，提升电子和空穴在MQW区域分布的均衡性，提高电子和空穴的复合几率，从而提高LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二级管领域，特别涉及一种发光二极管(LED)P型层结构及其外延结构及制备方法。
背景技术
空穴注入效率是影响LED亮度的很重要因素。一方面，在GaN(氮化镓基)材料中，空穴迁移率为10cm2/Vs，而电子迁移率为300cm2/Vs，所以空穴迁移率远远低于电子迁移率，这样电子很容易迁移出MQW(多量子阱)区域，而空穴就比较难迁移到MQW区域。其次，GaN材料难以获得高空穴浓度，远低于其电子浓度。一般认为，空穴只能迁移到最后几个MQW，这就导致在MQW区域，电子和空穴浓度分布很不均衡，发光集中在最后几个MQW。
针对于此，需要研发一种能够加强空穴的注入效率且提升电子和空穴在MQW区域分布的均衡性的发光二极管P型区域新结构实为必要，有效提高电子和空穴的复合几率，提高LED的发光效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发光二极管P型层结构及其外延结构及制备方法，该发光二极管P型层结构是一种P型区域新结构，能够有效提高P型层的空穴浓度和迁移效率，能够加强空穴的注入效率，提升了电子和空穴在MQW区域分布的均衡性，有效提高了电子和空穴的复合几率，从而提高了LED的发光效率。
为了达到上述目的，本发明公开了一种发光二极管P型层，所述P型层是包含本征GaN、MgN和PGaN的多周期结构，所述本征GaN、所述MgN和所述PGaN从下到上依次生成，所述本征GaN为非掺杂GaN；所述P型层的周期n大于或等于3。
优选地，所述P型层中，从第一个周期到第n个周期的生长温度逐渐降低；所述P型层中，生长温度为850～1000℃。
优选地，所述PGaN的厚度为10～120nm。
优选地，所述本征GaN的厚度为5～60nm。
优选地，当本征GaN生长结束后，关闭Ga源，打开Mg源，生长MgN，当MgN生长结束后，再生长PGaN；所述PGaN的Mg掺杂浓度为5e19atoms/cm3～1.5e21atoms/cm3。
优选地，当生长PGaN时，从第一个周期到第n个周期，Ga源流量逐渐减少，Mg源流量逐渐增加；当生长PGaN时，同一个周期内，Ga源流量和Mg源流量保持不变，或者Ga源流量逐渐减少，Mg源流量逐渐增加。
优选地，每个周期结束后，降温到400～800℃进行退火，载气为氮气，再升温进行下一个周期。
本发明还提供了一种发光二极管外延结构，从下到上依次包含衬底、缓冲层、非掺杂层、N型掺杂层、多周期应力调节层、多周期量子阱发光区、P型电子阻挡层和如上文所述的P型层；所述P型层是包含本征GaN、MgN和PGaN的多周期结构，所述本征GaN、所述MgN和所述PGaN从下到上依次生成，所述本征GaN为非掺杂GaN；所述P型层的周期n大于或等于3。
优选地，所述衬底是蓝宝石、GaN、AlN、Si、SiC中的任意一种或者多种所形成的复合衬底；和/或，所述缓冲层的生长温度范围为500～900℃，反应腔压力的范围100～600Torr，生长厚度为10～40nm，所述缓冲层的材料是GaN、AlGaN、AlInGaN中的任意一种或多种所形成的复合层；和/或，所述N型掺杂层的生长温度在1000～1200℃之间，反应腔压力范围为100～400Torr，总生长厚度为2～4um，所述N型掺杂层的材料是GaN、AlGaN、AlInGaN中的任意一种或多种所形成的复合层，所述N型掺杂层的Si掺杂浓度在1.5e19atoms/cm3-3e19atoms/cm3之间；和/或，所述多周期应力调节层为(GaN/InxGa1-xN)n，周期数n大于10，x为0～0.2，GaN势垒的厚度为2.0～6.0nm，InxGa1-xN势阱的厚度为1.0～3.0nm，所述多周期应力调节层(GaN/InxGa1-xN)n的生长温度在700～900℃之间；和/或，所述多周期量子阱发光区为(GaN/InaGa1-aN)n，周期数n在6～10，a为0～0.3，InaGa1-aN势阱的厚度为3.0～4.0nm，GaN势垒的厚度为4～6nm，所述多周期量子阱发光区(GaN/InaGa1-aN)n的生长温度在700～900℃之间；和/或，所述P型电子阻挡层是pAlGaN、pAlInGaN、pInGaN的单层或组合及其超晶格结构，所述P型电子阻挡层的总厚度在30～60nm之间，所述P型电子阻挡层的Mg掺杂浓度为5e18atoms/cm3～2e19atoms/cm3。
本发明更提供了一种发光二极管外延结构的制备方法，该制备方法包含以下过程：
在衬底上依次生长缓冲层和非掺杂层；
在非掺杂层上生长N型掺杂层；
生长多周期应力调节层；
生长多周期量子阱发光区；
生长P型电子阻挡层；
最后生长如上文所述的P型层；其中，所述P型层是包含本征GaN、MgN和PGaN的多周期结构，所述本征GaN、所述MgN和所述PGaN从下到上依次生成，所述本征GaN为非掺杂GaN，所述P型层的周期n大于或等于3。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明能够有效提高P型层的空穴浓度和迁移效率，能够加强空穴的注入效率，提升了电子和空穴在MQW区域分布的均衡性，有效提高了电子和空穴的复合几率，使LED的发光效率得到较大提升。
附图说明
图1本发明的LED外延结构的制备方法流程示意图；
图2本发明中衬底上依次生长缓冲层和非掺杂层过程示意图；
图3本发明中在非掺杂层上生长N型掺杂过程示意图；
图4本发明中生长多周期应力调节层过程示意图；
图5本发明中生长多周期量子阱发光区过程示意图；
图6本发明中生长P型电子阻挡层过程示意图；
图7本发明中生长P型层过程示意图。
具体实施方式
为了使本发明更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明的发光二极管(LED)外延结构从下到上的顺序依次包含：衬底、缓冲层、非掺杂层、N型掺杂层、多周期应力调节层、多周期量子阱发光区、P型电子阻挡层(EBL)和P型层。
本发明的P型层结构能够有效提高P型层的空穴浓度和迁移效率，加强空穴的注入效率，提升电子和空穴在MQW区域分布的均衡性，有效提高电子和空穴的复合几率，使LED的发光效率得到较大提升。
如图1所示，本发明提供了一种制备上述LED外延结构的制备方法，具体如下：
S1、在衬底上依次生长缓冲层和非掺杂层；
S2、在非掺杂层上生长N型掺杂层；
S3、生长多周期应力调节层；
S4、生长多周期量子阱发光区；
S5、生长P型电子阻挡层(EBL)；
S6、生长P型层。
在所述步骤S1中，如图2所示，在衬底上依次生长缓冲层和非掺杂层。
其中，所述衬底可以是蓝宝石、GaN、AlN、Si、SiC中的任意一种或者多种所形成的复合衬底。
所述缓冲层的生长温度范围为500～900℃，反应腔压力的范围100～600Torr，生长厚度为10～40nm，所述缓冲层的材料可以是GaN、AlGaN、AlInGaN中的任意一种或多种所形成的复合层。
所述非掺杂层的生长温度范围为900～1200℃，反应腔压力范围100～600Torr，生长厚度为2.0～4.0um，所述非掺杂层材料可以是GaN、AlGaN、AlInGaN中的任意一种或多种所形成的复合层。
在所述步骤S2中，如图3所示，在非掺杂层上生长N型掺杂层。
其中，所述N型掺杂层的生长温度在1000～1200℃之间，反应腔压力范围为100～400Torr，总生长厚度为2～4um，所述N型掺杂层的材料可以是GaN、AlGaN、AlInGaN中的任意一种或多种所形成的复合层。所述N型掺杂层的Si掺杂浓度在1.5e19atoms/cm3-3e19atoms/cm3之间。
在所述步骤S3中，如图4所示，N型掺杂层生成结束后，生长多周期应力调节层(GaN/InxGa1-xN)n。
示例地，所述多周期应力调节层(GaN/InxGa1-xN)n中，周期数n大于10。x可以是0～0.2，GaN势垒的厚度为2.0～6.0nm，InxGa1-xN势阱的厚度为1.0～3.0nm。所述多周期应力调节层(GaN/InxGa1-xN)n的生长温度在700～900℃之间。
在所述步骤S4中，如图5所示，当多周期应力调节层生长结束后，开始生长多周期量子阱发光区(GaN/InaGa1-aN)n。
其中，所述多周期量子阱发光区(GaN/InaGa1-aN)n中，周期数n在6～10，a可以是0～0.3，InaGa1-aN势阱的厚度为3.0～4.0nm，GaN势垒的厚度为4～6nm。所述多周期量子阱发光区(GaN/InaGa1-aN)n的生长温度在700～900℃之间。
在所述步骤S5中，如图6所示，多周期量子阱发光区生长结束后，继续生长P型电子阻挡层(EBL)。
其中，所述P型电子阻挡层可以是pAlGaN、pAlInGaN、pInGaN的单层或组合及其超晶格等结构。所述P型电子阻挡层的总厚度在30～60nm之间。所述P型电子阻挡层的Mg掺杂浓度为5e18atoms/cm3～2e19atoms/cm3。
在所述步骤S6中，如图7所示，P型电子阻挡层生成结束后，最后生长P型层。
P型层是由从下到上依次设置的本征GaN、MgN和PGaN组成的多周期结构(即本征GaN/MgN/PGaN)n)，周期数n大于或等于3，每个周期结束后进行退火。其中，PGaN是指P型掺杂的GaN，该MgN是否为本征MgN，本实施例对此不做限定。
所述P型层(本征GaN/MgN/PGaN)n中，生长温度范围为850～1000℃。所述本征GaN为非掺杂GaN，厚度为5～60nm，当本征GaN生长结束后，关闭Ga源，打开Mg源，生长MgN，当MgN长完后，生长PGaN，该PGaN的Mg掺杂浓度可以为5e19atoms/cm3～1.5e21atoms/cm3，PGaN的厚度为10～120nm。
所述P型层(本征GaN/MgN/PGaN)n中，从第一个周期到第n个周期，生长温度逐渐降低。其中，对于PGaN，从第一个周期到第n个周期，Ga源流量逐渐减少，Mg源流量逐渐增加；在同一个周期内，生长PGaN时，Ga源流量和Mg源流量可以保持不变，或者Ga源流量也逐渐减少，Mg源流量也逐渐增加。每生长完一个周期，降温到400～800℃进行退火，载气为氮气；然后再升温生长下一个周期。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种发光二极管P型层，其特征在于，所述P型层是包含本征GaN、MgN和PGaN的多周期结构，所述本征GaN、所述MgN和所述PGaN从下到上依次生成，所述本征GaN为非掺杂GaN；所述P型层的周期n大于或等于3。
2.如权利要求1所述的P型层，其特征在于，
所述P型层中，从第一个周期到第n个周期的生长温度逐渐降低；
所述P型层中，生长温度为850～1000℃。
3.如权利要求1或2所述的P型层，其特征在于，
所述PGaN的厚度为10～120nm。
4.如权利要求1所述的P型层，其特征在于，
所述本征GaN的厚度为5～60nm。
5.如权利要求1所述的P型层，其特征在于，
当本征GaN生长结束后，关闭Ga源，打开Mg源，生长MgN，当MgN生长结束后，再生长PGaN；
所述PGaN的Mg掺杂浓度为5e19atoms/cm3～1.5e21atoms/cm3。
6.如权利要求1或5所述的P型层，其特征在于，
当生长PGaN时，从第一个周期到第n个周期，Ga源流量逐渐减少，Mg源流量逐渐增加；
当生长PGaN时，同一个周期内，Ga源流量和Mg源流量保持不变，或者Ga源流量逐渐减少，Mg源流量逐渐增加。
7.如权利要求1所述的P型层，其特征在于，
每个周期结束后，降温到400～800℃进行退火，载气为氮气，再升温进行下一个周期。
8.一种发光二极管外延结构，其特征在于，从下到上依次包含衬底、缓冲层、非掺杂层、N型掺杂层、多周期应力调节层、多周期量子阱发光区、P型电子阻挡层和如权利要求1-7中任意一项所述的P型层；所述P型层是包含本征GaN、MgN和PGaN的多周期结构，所述本征GaN、所述MgN和所述PGaN从下到上依次生成，所述本征GaN为非掺杂GaN；所述P型层的周期n大于或等于3。
9.如权利要求8所述的发光二极管外延结构，其特征在于，
所述衬底是蓝宝石、GaN、AlN、Si、SiC中的任意一种或者多种所形成的复合衬底；
和/或，所述缓冲层的生长温度范围为500～900℃，反应腔压力的范围100～600Torr，生长厚度为10～40nm，所述缓冲层的材料是GaN、AlGaN、AlInGaN中的任意一种或多种所形成的复合层；
和/或，所述N型掺杂层的生长温度在1000～1200℃之间，反应腔压力范围为100～400Torr，总生长厚度为2～4um，所述N型掺杂层的材料是GaN、AlGaN、AlInGaN中的任意一种或多种所形成的复合层，所述N型掺杂层的Si掺杂浓度在1.5e19atoms/cm3-3e19atoms/cm3之间；
和/或，所述多周期应力调节层为(GaN/InxGa1-xN)n，周期数n大于10，x为0～0.2，GaN势垒的厚度为2.0～6.0nm，InxGa1-xN势阱的厚度为1.0～3.0nm，所述多周期应力调节层(GaN/InxGa1-xN)n的生长温度在700～900℃之间；
和/或，所述多周期量子阱发光区为(GaN/InaGa1-aN)n，周期数n在6～10，a为0～0.3，InaGa1-aN势阱的厚度为3.0～4.0nm，GaN势垒的厚度为4～6nm，所述多周期量子阱发光区(GaN/InaGa1-aN)n的生长温度在700～900℃之间；
和/或，所述P型电子阻挡层是pAlGaN、pAlInGaN、pInGaN的单层或组合及其超晶格结构，所述P型电子阻挡层的总厚度在30～60nm之间，所述P型电子阻挡层的Mg掺杂浓度为5e18atoms/cm3～2e19atoms/cm3。
10.一种发光二极管外延结构的制备方法，其特征在于，该制备方法包含以下过程：
在衬底上依次生长缓冲层和非掺杂层；
在非掺杂层上生长N型掺杂层；
生长多周期应力调节层；
生长多周期量子阱发光区；
生长P型电子阻挡层；
最后生长如权利要求1-9任意一项所述的P型层；其中，所述P型层是包含本征GaN、MgN和PGaN的多周期结构，所述本征GaN、所述MgN和所述PGaN从下到上依次生成，所述本征GaN为非掺杂GaN，所述P型层的周期n大于或等于3。
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| CN115360276A (zh) * | 2022-10-19 | 2022-11-18 | 至善时代智能科技(北京)有限公司 | 一种深紫外led外延结构及其制备方法 |
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2018
- 2018-11-30 CN CN201811452243.3A patent/CN109326699A/zh active Pending
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