CN113725327B - 一种GaN基绿光LED外延结构及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及发光二极管技术领域，具体涉及一种GaN基绿光LED外延结构及其制备方法和应用。所述GaN基绿光LED外延结构从下至上包括衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型层、Nplus层、量子阱发光层、P型电子阻挡层、P型层；所述Nplus层从下至上包括第一GaN层、第一NGaN层、第二GaN层、第三GaN层、第二NGaN层和第四GaN层。本发明提供的GaN基绿光LED外延结构包括Nplus层，通过Nplus层的设置，能够有效减弱量子阱发光区的极化效应，提高了电子和空穴的复合几率，提升发光效率，同时提升抗静电性能和可靠性。

Description

一种GaN基绿光LED外延结构及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，具体涉及一种GaN基绿光LED外延结构及其制备方法和应用。
背景技术
氮化镓(GaN)作为宽禁带半导体的代表，多年来在全世界半导体领域的研究中,始终保持着非常高的热度和关注度。这得益于材料本身具有优良的性能，如直接带隙、较宽的禁带宽度、抗腐蚀性好以及结构稳定。GaN基LED已被广泛应用于固态照明和显示等领域，在照明、显示等领域发挥了重要作用。然而，不同波长LED发光效率差异较大。与GaN基蓝光LED相比，绿光波段LED由于高铟组分及大应力等问题其发光效率和抗静电性能较低，成为了制约多基色白光LED照明发展的重要瓶颈。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种GaN基绿光LED外延结构及其制备方法和应用，可以有效减弱量子阱发光区的极化效应，提高电子和空穴的复合几率，提升发光效率以及抗静电性能。
为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
第一方面，本发明提供一种GaN基绿光LED外延结构，从下至上包括衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型层、Nplus层、量子阱发光层、P型电子阻挡层、P型层；所述Nplus层从下至上包括第一GaN层、第一NGaN层、第二GaN层、第三GaN层、第二NGaN层和第四GaN层。
进一步的，在上述的GaN基绿光LED外延结构中，第一GaN层的厚度为2～6nm；第一NGaN层的厚度为6～12nm、第二GaN层的厚度为1～5nm、第三GaN层的厚度为1～5nm、第二NGaN层的厚度为2～6nm、第四GaN层的厚度为1～5nm。
进一步的，在上述的GaN基绿光LED外延结构中，第一NGaN层掺杂Si，Si掺杂浓度在1E20/cm3～1E21/cm3；第二NGaN层掺杂Si，Si掺杂浓度在1E19/cm3～1E20/cm3。
进一步的，在上述的GaN基绿光LED外延结构中，第二NGaN层的厚度大于第三GaN层的厚度，第四GaN层的厚度小于第二NGaN层的厚度。
进一步的，在上述的GaN基绿光LED外延结构中，量子阱发光层为多周期的GaN/InxGa1-xN结构，周期数为5～10。
进一步的，在上述的GaN基绿光LED外延结构中，多周期的GaN/InxGa1-xN结构中，GaN为势垒层，厚度为3～10nm；InxGa1-xN为势阱层，厚度为2～4nm。
进一步的，在上述的GaN基绿光LED外延结构中，x为0.2～0.3。
进一步的，在上述的GaN基绿光LED外延结构中，所述衬底包括但不限于蓝宝石、蓝宝石AlN薄膜、硅、碳化硅。
进一步的，在上述的GaN基绿光LED外延结构中，所述缓冲层为GaN，AlGaN，InAlGaN单层结构或其组合。
进一步的，在上述的GaN基绿光LED外延结构中，所述非故意掺杂层为GaN、AlGaN、InAlGaN的单层结构或其组合。
进一步的，在上述的GaN基绿光LED外延结构中，所述N型层为GaN、AlGaN、InAlGaN的单层结构或其组合，N型层掺杂Si，Si掺杂浓度在1E18/cm3～3E19/cm3。
进一步的，在上述的GaN基绿光LED外延结构中，所述P型阻挡层为pAlGaN、pAlInGaN、pGaN的单层或组合的多层结构；P型电子阻挡层掺杂Mg，掺杂浓度为5E18～3.5E19/cm3。
进一步的，在上述的GaN基绿光LED外延结构中，组合的方式包括但不限于超晶格结构或交替堆叠。
进一步的，在上述GaN基绿光LED外延结构中，所述P型层为pGaN，P型层掺杂Mg，掺杂浓度为5E18～1E20/cm3。
第二方面，本发明提供上述GaN基绿光LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：制备衬底，在衬底上生长缓冲层；缓冲层生长温度为500～1100℃，生长厚度为15～50nm；
步骤S2：在缓冲层上生长非故意掺杂层；非故意掺杂层生长温度为1000～1400℃，生长厚度为2.0～4.0μm；
步骤S3：在非故意掺杂层上生长N型层；所述N型层的生长温度为1000～1400℃，生长厚度为1.0～4.0μm；
步骤S4：在N型层上生长Nplus层；第一GaN层的生长温度为900～1000℃、第一NGaN层的生长温度为900～1000℃、第二GaN层的生长温度为900～1000℃、第三GaN层的生长温度为800～900℃、第二NGaN层的生长温度为750～850℃、第四GaN层的生长温度为750～850℃。
步骤S5：在Nplus层上生长量子阱发光层；量子阱发光层的生长温度为700～800℃；
步骤S6：在量子阱发光层上生长P型电子阻挡层；P型电子阻挡层的生长温度为900～1000℃；
步骤S7：在量子阱发光层上生长P型层；P型层的生长温度为900～1000℃。
进一步的，在上述GaN基绿光LED外延结构的制备方法中，第四GaN层的生长温度小于第二NGaN层的生长温度。
第三方面，本发明提供上述GaN基绿光LED外延结构或制备方法在制备发光二极管和半导体器件中的应用。
本发明的有益效果为：
(一)本发明提供的GaN基绿光LED外延结构包括Nplus层，通过Nplus层的设置，能够有效减弱量子阱发光区的极化效应，提高了电子和空穴的复合几率，提升发光效率，同时提升抗静电性能和可靠性。
(二)本发明提供的GaN基绿光LED外延结构中Nplus层包括多层结构，通过限定不同层结构之间的厚度以及生长温度关系，提高了电子和空穴的复合几率，提升发光效率，同时提升抗静电性能和可靠性。
附图说明
图1是本发明GaN基绿光LED外延结构的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中制备方法过程中生长压力和生长时间等设置，采用本领域技术人员常用的参数即可，本发明不做特别限定。
实施例1
一种GaN基绿光LED外延结构，从下至上包括衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型层、Nplus层、量子阱发光层、P型电子阻挡层、P型层；所述Nplus层从下至上包括第一GaN层、第一NGaN层、第二GaN层、第三GaN层、第二NGaN层和第四GaN层。
所述GaN基绿光LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：制备衬底，在衬底上生长缓冲层；缓冲层生长温度为500℃，生长厚度为15nm；
步骤S2：在缓冲层上生长非故意掺杂层；非故意掺杂层生长温度为1000℃，生长厚度为2.0μm；
步骤S3：在非故意掺杂层上生长N型层；所述N型层的生长温度为1000℃，生长厚度为1.5μm；
步骤S4：在N型层上生长Nplus层；第一GaN层的生长温度为900℃、第一NGaN层的生长温度为900℃、第二GaN层的生长温度为900℃、第三GaN层的生长温度为800℃、第二NGaN层的生长温度为850℃、第四GaN层的生长温度为750℃；
步骤S5：在Nplus层上生长量子阱发光层；量子阱发光层的生长温度为750℃；
步骤S6：在量子阱发光层上生长P型电子阻挡层；P型电子阻挡层的生长温度为900℃；
步骤S7：在量子阱发光层上生长P型层；P型层的生长温度为900℃。
实施例2
一种GaN基绿光LED外延结构，从下至上包括衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型层、Nplus层、量子阱发光层、P型电子阻挡层、P型层；所述Nplus层从下至上包括第一GaN层、第一NGaN层、第二GaN层、第三GaN层、第二NGaN层和第四GaN层。
所述GaN基绿光LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：制备衬底，在衬底上生长缓冲层；缓冲层生长温度为900℃，生长厚度为50nm；
步骤S2：在缓冲层上生长非故意掺杂层；非故意掺杂层生长温度为1100℃，生长厚度为2.0μm；
步骤S3：在非故意掺杂层上生长N型层；所述N型层的生长温度为1100℃，生长厚度为1.5μm；
步骤S4：在N型层上生长Nplus层；第一GaN层的生长温度为1000℃、第一NGaN层的生长温度为1000℃、第二GaN层的生长温度为1000℃、第三GaN层的生长温度为800℃、第二NGaN层的生长温度为850℃、第四GaN层的生长温度为750℃。
步骤S5：在Nplus层上生长量子阱发光层；量子阱发光层的生长温度为750℃；
步骤S6：在量子阱发光层上生长P型电子阻挡层；P型电子阻挡层的生长温度为1000℃；
步骤S7：在量子阱发光层上生长P型层；P型层的生长温度为1000℃。
实施例3
一种GaN基绿光LED外延结构，从下至上包括衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型层、Nplus层、量子阱发光层、P型电子阻挡层、P型层；所述Nplus层从下至上包括第一GaN层、第一NGaN层、第二GaN层、第三GaN层、第二NGaN层和第四GaN层。其中第一GaN层的厚度为2nm；第一NGaN层的厚度为6nm、第二GaN层的厚度为1nm、第三GaN层的厚度为3nm、第二NGaN层的厚度为5nm、第四GaN层的厚度为3nm。制备方法同实施例1。
实施例4
一种GaN基绿光LED外延结构，从下至上包括衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型层、Nplus层、量子阱发光层、P型电子阻挡层、P型层；所述Nplus层从下至上包括第一GaN层、第一NGaN层、第二GaN层、第三GaN层、第二NGaN层和第四GaN层。其中第一GaN层的厚度为2nm；第一NGaN层的厚度为6nm、第二GaN层的厚度为1nm、第三GaN层的厚度为5nm、第二NGaN层的厚度为3nm、第四GaN层的厚度为5nm。制备方法同实施例1
实施例5
一种GaN基绿光LED外延结构，从下至上包括衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型层、Nplus层、量子阱发光层、P型电子阻挡层、P型层；所述Nplus层从下至上包括第一GaN层、第一NGaN层、第二GaN层、第三GaN层、第二NGaN层和第四GaN层。
所述GaN基绿光LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：制备衬底，在衬底上生长缓冲层；缓冲层生长温度为500℃，生长厚度为15nm；
步骤S2：在缓冲层上生长非故意掺杂层；非故意掺杂层生长温度为1000℃，生长厚度为2.0μm；
步骤S3：在非故意掺杂层上生长N型层；所述N型层的生长温度为1000℃，生长厚度为1.5μm；
步骤S4：在N型层上生长Nplus层；第一GaN层的生长温度为900℃、第一NGaN层的生长温度为900℃、第二GaN层的生长温度为900℃、第三GaN层的生长温度为800℃、第二NGaN层的生长温度为800℃、第四GaN层的生长温度为850℃；
步骤S5：在Nplus层上生长量子阱发光层；量子阱发光层的生长温度为750℃；
步骤S6：在量子阱发光层上生长P型电子阻挡层；P型电子阻挡层的生长温度为900℃；
步骤S7：在量子阱发光层上生长P型层；P型层的生长温度为900℃。
对比例1
一种GaN基绿光LED外延结构，从下至上包括衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型层、量子阱发光层、P型电子阻挡层、P型层。
所述GaN基绿光LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：制备衬底，在衬底上生长缓冲层；缓冲层生长温度为500℃，生长厚度为15nm；
步骤S2：在缓冲层上生长非故意掺杂层；非故意掺杂层生长温度为1000℃，生长厚度为2.0μm；
步骤S3：在非故意掺杂层上生长N型层；所述N型层的生长温度为1000℃，生长厚度为1.5μm；
步骤S4：在N型层上生长量子阱发光层；量子阱发光层的生长温度为750℃；
步骤S5：在量子阱发光层上生长P型电子阻挡层；P型电子阻挡层的生长温度为900℃；
步骤S6：在量子阱发光层上生长P型层；P型层的生长温度为900℃。
对比例2
一种GaN基绿光LED外延结构，从下至上包括衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型层、Nplus层、量子阱发光层、P型电子阻挡层、P型层；所述Nplus层从下至上包括第一GaN层、第一NGaN层、第二GaN层、第三GaN层。
所述GaN基绿光LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：制备衬底，在衬底上生长缓冲层；缓冲层生长温度为500℃，生长厚度为15nm；
步骤S2：在缓冲层上生长非故意掺杂层；非故意掺杂层生长温度为1000℃，生长厚度为2.0μm；
步骤S3：在非故意掺杂层上生长N型层；所述N型层的生长温度为1000℃，生长厚度为1.5μm；
步骤S4：在N型层上生长Nplus层；第一GaN层的生长温度为900℃、第一NGaN层的生长温度为900℃、第二GaN层的生长温度为900℃、第三GaN层的生长温度为800℃；
步骤S5：在Nplus层上生长量子阱发光层；量子阱发光层的生长温度为750℃；
步骤S6：在量子阱发光层上生长P型电子阻挡层；P型电子阻挡层的生长温度为900℃。
对比例3
一种GaN基绿光LED外延结构，从下至上包括衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型层、Nplus层、量子阱发光层、P型电子阻挡层、P型层；所述Nplus层从下至上包括第一GaN层、第二GaN层、第三GaN层和第四GaN层。
所述GaN基绿光LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：制备衬底，在衬底上生长缓冲层；缓冲层生长温度为500℃，生长厚度为15nm；
步骤S2：在缓冲层上生长非故意掺杂层；非故意掺杂层生长温度为1000℃，生长厚度为2.0μm；
步骤S3：在非故意掺杂层上生长N型层；所述N型层的生长温度为1000℃，生长厚度为1.5μm；
步骤S4：在N型层上生长Nplus层；第一GaN层的生长温度为900℃、第二GaN层的生长温度为900℃、第三GaN层的生长温度为800℃、第四GaN层的生长温度为750℃；
步骤S5：在Nplus层上生长量子阱发光层；量子阱发光层的生长温度为750℃；
步骤S6：在量子阱发光层上生长P型电子阻挡层；P型电子阻挡层的生长温度为900℃。
实验数据
将上述实施例以及对比例的LED外延结构制备成3333mil芯片，用维明LED绿光测试机进行测试，测试结果如表1所示。
表1
由表1可知，与对比例1-3相比，本发明提供的GaN基绿光LED外延结构中Nplus层包括多层结构，通过限定不同层结构之间的厚度、生长温度以及掺杂关系，提高了电子和空穴的复合几率，提升发光效率，同时提升抗静电性能和可靠性。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种GaN基绿光LED外延结构，其特征在于，从下至上包括衬底、缓冲层、非故意掺杂层、N型层、Nplus层、量子阱发光层、P型电子阻挡层、P型层；所述Nplus层从下至上包括第一GaN层、第一NGaN层、第二GaN层、第三GaN层、第二NGaN层和第四GaN层；
第一GaN层的厚度为2～6nm；第一NGaN层的厚度为6～12nm、第二GaN层的厚度为1～5nm、第三GaN层的厚度为1～5nm、第二NGaN层的厚度为2～6nm、第四GaN层的厚度为1～5nm。
2.根据权利要求1所述的GaN基绿光LED外延结构，其特征在于，第一NGaN层掺杂Si，Si掺杂浓度在1E20/cm3～1E21/cm3；第二NGaN层掺杂Si，Si掺杂浓度在1E19/cm3～1E20/cm3。
3.根据权利要求1所述的GaN基绿光LED外延结构，其特征在于，第二NGaN层的厚度大于第三GaN层的厚度，第四GaN层的厚度小于第二NGaN层的厚度。
4.根据权利要求1所述的GaN基绿光LED外延结构，其特征在于，量子阱发光层为多周期的GaN/InxGa1-xN结构，周期数为5～10。
5.根据权利要求4所述的GaN基绿光LED外延结构，其特征在于，多周期的GaN/InxGa1-xN结构中，GaN为势垒层，厚度为3～10nm；InxGa1-xN为势阱层，厚度为2～4nm。
6.根据权利要求4所述的GaN基绿光LED外延结构，其特征在于，x为0.2～0.3。
7.权利要求1～6任意一项所述的GaN基绿光LED外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：制备衬底，在衬底上生长缓冲层；缓冲层生长温度为500～1100℃，生长厚度为15～50nm；
步骤S2：在缓冲层上生长非故意掺杂层；非故意掺杂层生长温度为1000～1400℃，生长厚度为2.0～4.0μm；
步骤S3：在非故意掺杂层上生长N型层；所述N型层的生长温度为1000～1400℃，生长厚度为1.0～4.0μm；
步骤S4：在N型层上生长Nplus层；第一GaN层的生长温度为900～1000℃、第一NGaN层的生长温度为900～1000℃、第二GaN层的生长温度为900～1000℃、第三GaN层的生长温度为800～900℃、第二NGaN层的生长温度为750～850℃、第四GaN层的生长温度为750～850℃；
步骤S5：在Nplus层上生长量子阱发光层；量子阱发光层的生长温度为700～800℃；
步骤S6：在量子阱发光层上生长P型电子阻挡层；P型电子阻挡层的生长温度为900～1000℃；
步骤S7：在量子阱发光层上生长P型层；P型层的生长温度为900～1000℃。
8.根据权利要求7所述的GaN基绿光LED外延结构的制备方法，其特征在于，第四GaN层的生长温度小于第二NGaN层的生长温度。
9.权利要求1～6任意一项所述的GaN基绿光LED外延结构或权利要求7～8任意一项所述的制备方法在制备发光二极管和半导体器件中的应用。
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