CN112864289A - 一种低电流Micro LED芯片外延结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低电流Micro LED芯片外延结构，包括由下至上依次设置的衬底、缓冲层、非故意掺杂GaN层、n型GaN层、InGaN/InGaN量子阱有源层以及p型GaN层，其中所述InGaN/InGaN量子阱有源层的周期数为2个，且所述InGaN/InGaN量子阱有源层之上不设置电子阻挡层。跟传统工作在大电流、大功率下的LED外延结构相比，本发明提供的Micro‑LED芯片的外延结构及其制备方法可提高电子与空穴的注入效率、载流子匹配效果、内量子效率，最终提高了Micro‑LED芯片的整体发光效率，可解决Micro‑LED芯片随着尺寸减小而效率降低的难题，在超高分辨率的Micro‑LED新型显示技术中具有很大的应用潜力。

Description

一种低电流Micro LED芯片外延结构及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体光电子技术领域，涉及半导体光电子材料与器件，特别是一种低电流Micro LED芯片外延结构及其制备方法。
背景技术
III族氮化物可见光LED在固态照明、户外显示、光通信、信息存储等领域都具有重要的应用。随着2000年第一个小尺寸(12um)氮化物LED的研究报道以来，学术界和产业界对于Micro LED的兴趣和热情越来越高涨。跟传统的液晶显示(LCD)和有机发光二极管显示(OLED)相比，基于III族氮化物Micro LED的新型显示技术具有超高分辨率、超高亮度、高色彩饱和度、长寿命、低功耗、响应速度快、抗环境干扰能力强等突出的优点，使其成为满足高分辨率显示、头盔显示、车载显示、透明显示、AR/VR、可见光通信、可穿戴电子等应用场景的重要技术之一，并被认为是有望超越LCD和OLED的终极显示技术。
现有的Micro LED技术至少存在以下问题：随着单颗Micro LED器件的尺寸由传统的百微米级别缩小至几十微米甚至几个微米的尺寸，Micro LED的电光转换效率快速降低；并且，传统的III族氮化物可见光LED的外延结构设计都是基于大芯片、大电流、大功率的传统应用场景，而Micro LED的显示应用要求小尺寸、低电流以及低功率，使用传统外延结构设计的LED已经无法满足Micro LED的应用要求。因此，重新设计适用于小尺寸、低电流以及低功率的Micro LED的外延结构，提高其电光转换效率，是目前学术界和产业界都面临的重要难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种低电流Micro LED芯片外延结构及其制备方法，可提高Micro LED在低电流显示应用下的整体效率和发光水平。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种低电流Micro LED芯片外延结构，包括由下至上依次设置的衬底、缓冲层、非故意掺杂GaN层、n型GaN层、InGaN/InGaN量子阱有源层以及p型GaN层，其中所述InGaN/InGaN量子阱有源层的周期数为2个，且所述InGaN/InGaN量子阱有源层之上不设置电子阻挡层。
可选的，所述低电流Micro LED芯片的尺寸为1～100μm，工作电流密度小于10A·cm-2。这里所述的尺寸，是指芯片长宽的尺寸。
优选的，所述的衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、氮化铝、氮化镓或者氧化镓衬底中的任意一种。
可选的，所述缓冲层为氮化镓、氮化铝以及石墨烯、氮化硼、过渡金属硫化物等二维材料中的一种。
可选的，所述非故意掺杂GaN层的厚度为100～5000nm。
可选的，所述n型GaN层的厚度为100～5000nm。
可选的，所述InGaN/InGaN量子阱有源层是双量子阱有源层，包含交替设置的3个InGaN垒层以及2个InGaN阱层，所述InGaN垒层的厚度为5～50nm，所述InGaN阱层的厚度为1～20nm。
可选的，所述p型GaN层直接外延于所述InGaN/InGaN量子阱有源层的顶面上，所述p型GaN层和所述InGaN/InGaN量子阱有源层之间不设置p型AlGaN电子阻挡层。
可选的，所述p型GaN层的厚度为50～500nm。
可选的，所述InGaN/InGaN量子阱有源层的发光波长为可见光至紫外全波段中的任意波长。
一种上述低电流Micro LED芯片外延结构的制备方法，包括以下步骤：
采用金属有机物气相外延(MOVPE或MOCVD)技术，使用金属有机源三甲基镓(TMGa)或三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为In源，硅烷(SiH4)和二茂镁(Cp2Mg)分别作为n型掺杂剂和p型掺杂剂，高纯N2或H2或二者的混合气体作为载气；
1)、将衬底在温度1000～1200℃、压力75～200torr、H2氛围下，清洗处理10～30分钟；
2)、于衬底上形成缓冲层；优选的，在温度500～900℃、压力75～200torr、Ⅴ族源/Ⅲ族源的摩尔比为300～3000的条件下，生长低温缓冲层，或直接转移二维材料到衬底上；
3)、在温度900～1100℃、压力75～200torr、Ⅴ族源/Ⅲ族源的摩尔比为300～3000的条件下，于缓冲层上生长非故意掺杂GaN层；
4)、在温度900～1100℃、压力75～200torr、Ⅴ族源/Ⅲ族源的摩尔比为300～3000的条件下，通入Si掺杂源，于非故意掺杂GaN层上生长n型GaN层；
5)、在温度800～1000℃、压力75～200torr、Ⅴ族源/Ⅲ族源的摩尔比为300～3000的条件下，于n型GaN层上生长InGaN/InGaN量子阱有源层；
6)、在温度900～1100℃、压力75～200torr、Ⅴ族源/Ⅲ族源的摩尔比为300～3000的条件下，通入Mg掺杂源，于InGaN/InGaN量子阱有源层上生长p型GaN层；
7)、在温度600～1000℃、压力75～100torr、N2气氛围中，进行高温退火15～40分钟，除氢激活p型导电性。
进一步优选的，
本发明的有益效果为：
通过重新设计III族氮化物LED芯片的外延结构，使用周期数为2的InGaN/InGaN量子阱有源层，以及不包含p型AlGaN电子阻挡层的p型层结构，来取代传统的III族氮化物LED外延结构(5个或超过5个量子阱的多量子阱有源区、p型AlGaN电子阻挡层)，提高了III族氮化物Micro LED在低电流密度下(<10A·cm-2)的整体效率和发光水平，使其更加适用于小尺寸、低电流密度以及低功率的新一代新型Micro LED显示应用。
附图说明
图1为本发明实施例的一种低电流Micro LED芯片的外延结构；
图2为实施例1和对比例1～4中不同量子阱数InGaN基蓝光LED的内量子效率在低电流密度下的分布图；
图3为实施例1和对比例1～4中不同量子阱数InGaN基蓝光LED在0.1A·cm-2电流密度下的电致发光光谱；
图4为实施例1和对比例5～7的InGaN基蓝光LED在0.1A·cm-2电流密度下的电致发光光谱；
在图1中，各标号分别为：1，衬底；2，缓冲层；3，非故意掺杂GaN层；4，n型GaN层；5，InGaN/InGaN量子阱有源层，其中51、52、53为量子阱垒层，54、55为量子阱阱层；6，p型GaN层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及正面/背面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。
实施例1
参考图1，本实施例的低电流Micro LED外延结构包括蓝宝石衬底1，；在衬底1之上首先生长20nm的低温GaN缓冲层2；然后使用脉冲原子层生长方法生长1μm的非掺杂GaN层3；接着进一步通入硅烷生长1μm的Si掺n型GaN层4；之后生长两个周期的In0.05Ga0.95N/In0.25Ga0.75N双量子阱有源层5，该有源层垒层51、52、53的厚度为10nm，阱层54、55的厚度为2.5nm，发光波长为465nm的蓝光波段；最后，生长150nm的p型GaN层6。
对比例1
对比例1的低电流Micro LED外延结构与实施例1的差别在于：量子阱有源层的周期数为1(即生长1层垒层+1层阱层+1层垒层)。
对比例2
对比例2的低电流Micro LED外延结构与实施例1的差别在于：量子阱有源层的周期数为3。p型GaN直接外延于最上层的垒层之上。
对比例3
对比例3的外延结构与实施例1的差别在于：量子阱有源层的周期数为5。p型GaN直接外延于最上层的垒层之上。
对比例4
对比例4的外延结构与实施例1的差别在于：量子阱有源层的周期数为8。p型GaN直接外延于最上层的垒层之上。
实施例1和对比例1～4除了量子阱的周期数之外，其他参数完全一致。
如图2所示，在小于10A·cm-2的低电流密度下，Micro LED芯片的内量子效率(IQE)随着量子阱周期数的减小而逐渐增加。具体的，在0.1A·cm-2的低电流密度下，量子阱周期数为8,5,3,2和1的Micro LED的内量子效率分别为55％,62％,69％,77％和78％。这是由于更少的量子阱数，可以提高在低电流密度下，电子和空穴在量子阱中的载流子数匹配，而载流子匹配的越好，量子阱的辐射复合率就越高，内量子效率也就越高。进一步的，如图3所示，随着量子阱周期数的减小，Micro LED芯片在0.1A·cm-2的低电流密度下，电致发光(EL)强度也明显地随着增加。跟8个量子阱周期的芯片相比，周期数为5,3,2和1的Micro LED芯片的电致发光强度分别增加了6.1％,14.8％,28.4％以及32.1％。内量子效率和电致发光强度的结果都表明，在低电流密度下，双量子阱或单量子阱有源层是更适合于Micro LED芯片的结构设计，并且可有效提高Micro LED芯片的整体效率与发光水平。另一方面，从量子效率与电致发光强度的结果可以看出，双量子阱与单量子阱Mciro-LED的效率与发光强度都十分接近，考虑到1A·cm-2以下双量子阱的内量子效率相对更高一些，并且在外延生长时，双量子阱比单量子阱更容易形成陡峭且平整的界面，因此双量子阱结构是更好的选择。
对比例5
对比例5的外延结构与实施例1的差别在于：在双量子阱有源层和p型GaN层之间插入了Al组分为0.04的p型AlGaN电子阻挡层。
对比例6
对比例6的外延结构与实施例1的差别在于：在双量子阱有源层和p型GaN层之间插入了Al组分为0.10的p型AlGaN电子阻挡层。
对比例7
对比例7的外延结构与实施例1的差别在于：在双量子阱有源层和p型GaN层之间插入了Al组分为0.15的p型AlGaN电子阻挡层。
实施例1和对比例5～7除了电子阻挡层之外，其他参数完全一致。
如图4所示，随着p型AlGaN电子阻挡层Al组分的降低，Micro LED芯片的电致发光强度有明显的提高，并且，当不使用p型AlGaN电子阻挡层时，Micro LED芯片的发光强度(图中曲线为w/o EBL)显著提升。跟使用p-Al0.15Ga0.85N、p-Al0.10Ga0.90N和p-Al0.04Ga0.96N做为电子阻挡层的Micro LED相比，无p-AlGaN电子阻挡层的Micro LED芯片的发光强度分别提高了3.53,3.23和2.38倍。这是由于电子阻挡层在低电流密度下，显著阻挡了空穴的有效注入，降低电子和空穴的载流子匹配程度以及辐射复合率，最终降低了器件的发光水平。
以上实施例和对比实施例的结果都表明，使用优化的InGaN/InGaN双量子阱作为LED的发光有源层，同时不使用p型AlGaN电子阻挡层EBL，可有效提高Micro LED的电子与空穴的注入效率、载流子匹配效果、内量子效率，最终提高Micro LED芯片在低电流密度注入下的整体效率与发光水平，可解决Micro LED芯片随着尺寸减小而效率降低的难题。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种低电流Micro LED芯片外延结构及其制备方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低电流Micro LED芯片外延结构，其特征在于：包括由下至上依次设置的衬底、缓冲层、非故意掺杂GaN层、n型GaN层、InGaN/InGaN量子阱有源层以及p型GaN层，其中所述InGaN/InGaN量子阱有源层的周期数为2个，且所述InGaN/InGaN量子阱有源层之上不设置电子阻挡层。
2.根据权利要求1所述的低电流Micro LED芯片外延结构，其特征在于：所述低电流Micro LED芯片外延结构的尺寸为1～100μm，工作电流密度小于10A·cm-2。
3.根据权利要求1所述的低电流Micro LED芯片外延结构，其特征在于：所述缓冲层为氮化镓、氮化铝、石墨烯、氮化硼、过渡金属硫化物中的一种。
4.根据权利要求1所述的低电流Micro LED芯片外延结构，其特征在于：所述非故意掺杂GaN层的厚度为100～5000nm。
5.根据权利要求1所述的低电流Micro LED芯片外延结构，其特征在于：所述n型GaN层的厚度为100～5000nm。
6.根据权利要求1所述的低电流Micro LED芯片外延结构，其特征在于：所述InGaN/InGaN量子阱有源层包含交替设置的3个InGaN垒层以及2个InGaN阱层，所述InGaN垒层的厚度为5～50nm，所述InGaN阱层的厚度为1～20nm。
7.根据权利要求1所述的低电流Micro LED芯片外延结构，其特征在于：所述p型GaN层直接外延于所述InGaN/InGaN量子阱有源层的顶面上，所述p型GaN层和所述InGaN/InGaN量子阱有源层之间不设置p型AlGaN电子阻挡层。
8.根据权利要求1所述的低电流Micro LED芯片外延结构，其特征在于：所述p型GaN层的厚度为50～500nm。
9.根据权利要求1所述的一种低电流Micro LED芯片的外延结构，其特征在于：所述InGaN/InGaN量子阱有源层的发光波长为可见光至紫外全波段中的任意波长。
10.一种权利要求1～9任一项所述的低电流Micro LED芯片外延结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
采用金属有机物气相外延技术：
1)、将衬底在温度1000～1200℃、压力75～200torr torr、H2氛围下，清洗处理10～30分钟；
2)、于衬底上形成缓冲层；
3)、在温度900～1100℃、压力75～200torr、Ⅴ族源/Ⅲ族源的摩尔比为300～3000的条件下，于缓冲层上生长非故意掺杂GaN层；
4)、在温度900～1100℃、压力75～200torr、Ⅴ族源/Ⅲ族源的摩尔比为300～3000的条件下，通入Si掺杂源，于非故意掺杂GaN层上生长n型GaN层；
5)、在温度800～1000℃、压力75～200torr、Ⅴ族源/Ⅲ族源的摩尔比为300～3000的条件下，于n型GaN层上生长InGaN/InGaN量子阱有源层；
6)、在温度900～1100℃、压力75～200torr、Ⅴ族源/Ⅲ族源的摩尔比为300～3000的条件下，通入Mg掺杂源，于InGaN/InGaN量子阱有源层上生长p型GaN层；
7)、在温度600～1000℃、压力75～100torr、N2气氛围中，进行高温退火15～40分钟，除氢激活p型导电性。
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