CN115050867A - 一种具有前置层的长波长led外延结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有前置层的长波长LED外延结构及制备方法,在衬底上依次生长缓冲层和n‑GaN层后,生长一层InxGa(1‑x)N前置层,然后生长InyGa(1‑y)N/GaN多量子阱层、p‑AlGaN电子阻挡层和p‑GaN层,其中,0<y‑x<0.1。外延生长的InGaN前置层,相对于InGaN/GaN前置量子阱,能够更有效的减小之后生长的多量子阱材料中的应力、极化电场和缺陷密度,能够最大程度实现前置层对多量子阱材料性能的优化,进而实现高性能长波长LED外延片的制造。

Description

一种具有前置层的长波长LED外延结构及其制备方法
技术领域
本发明属于LED技术领域,具体涉及一种具有前置层的长波长LED外延结构及其制备方法。
背景技术
与LCD、OLED等技术相比,GaN基LED因其具有自发光、低功耗,高亮度,高可靠性等诸多优势,引起了人们越来越多的兴趣,基于GaN基LED的半导体显示被认为是21世纪最具发展前景的高新技术领域之一,越来越多的研究人员与厂商投入到GaN基LED的研究中。
RGB法是一种通过分别控制R、G、B三种GaN基LED芯片的发光来实现全彩化显示的方法。由于LED芯片需要在外延时生长高In组分InGaN/GaN多量子阱才能实现长波长发光,而高In组分的InGaN阱层又必定会导致其余GaN势垒之间存在较大的压应力,从而导致长波长发光的高In组分InGaN/GaN多量子阱中产生大量的非辐射复合缺陷,影响外延片的发光特性。因此在制造长波长LED外延片时,需要提高多量子阱的发光性能,减小非辐射复合缺陷、应力等因素对发光的品质有着重要的影响。
RGB法实现GaN基LED的全彩化显示时,外延片质量对发光器件的性能具有直接的影响。现有技术是在高In组分的InGaN/GaN多量子阱材料前,外延生长前置量子阱,来降低多量子阱中的的应力、缺陷密度和极化电场。但这种前置量子阱具有较大的厚度,且工艺可控性差,难以达到需求。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足,提供一种具有前置层的长波长LED外延结构及其制备方法。
为了实现以上目的,本发明的技术方案为:
一种具有前置层的长波长LED外延结构,由下至上包括衬底、缓冲层、n-GaN层、InxGa(1-x)N前置层、InyGa(1-y)N/GaN多量子阱层、p-AlGaN电子阻挡层和p-GaN层;其中,0<y-x<0.1;所述InxGa(1-x)N前置层的厚度为0.5hc~0.9hc,其中hc为前置层材料的晶格完全弛豫的临界厚度。
可选的,所述hc的计算公式为:
Figure BDA0003661587400000021
其中,hc表示大量位错释放的临界厚度,f表示薄膜之间的晶格适配度;υ表示材料的泊松常数;b为伯格斯矢量,等于前置层薄膜材料的晶格常数;a(y)表示多量子阱层中InyGa(1-y)N的晶格常数。
可选的,所述y的范围为0.2~0.25,所述LED外延结构处于绿光波段。
可选的,所述y的范围为0.3~0.4,所述LED外延结构处于红光波段。
可选的,所述衬底是蓝宝石衬底,所述缓冲层包括设于衬底上的GaN成核层和设于GaN成核层上的u-GaN层。
一种上述具有前置层的长波长LED外延结构的制作方法,包括以下步骤:
1)于衬底上依次生长缓冲层和n-GaN层;
2)采用MOCVD工艺,分别以TMGa、TMIn和NH3为Ga、In、N源,在700-800℃下于n-GaN层上生长InxGa(1-x)N前置层;
3)采用MOCVD工艺,分别以TMGa、TMIn和NH3为Ga、In、N源,在InxGa(1-x)N前置层上生长InyGa(1-y)N/GaN多量子阱层,其中InyGa(1-y)N阱层的生长温度为550-700℃,GaN垒层的生长温度为950℃-1100℃;
4)在InyGa(1-y)N/GaN多量子阱层上依次生长p-AlGaN电子阻挡层和p-GaN层。
可选的,根据发光波段计算多量子阱层中InyGa(1-y)N的In组分y,根据y计算InxGa(1-x)N前置层的In组分x以及临界厚度hc,通过临界厚度hc设计InxGa(1-x)N前置层的厚度。
可选的,所述步骤3)中,在所述InxGa(1-x)N前置层上生长5个周期的InyGa(1-y)N/GaN量子阱,其中第一个量子阱以InyGa(1-y)N层开始。
可选的,所述InyGa(1-y)N层的厚度范围为0.5nm-3nm,所述GaN垒层的厚度范围为1nm-8nm。
其中,根据外延片的发光波段,确定InGaN前置层的In组分,避免前置层的发光波段与多量子阱的发光波段重叠。发光波段可以由Vegard公式确认。
在GaN上生长InGaN前置层时,随着前置层外延厚度不断增大,由于应力导致的应变能逐渐积累达到位错的形成能后,前置层材料的晶格将完全弛豫,并释放出大量的位错缺陷。前置层材料的晶格完全弛豫时对应的外延厚度被称为是临界厚度hc,其可以根据多量子阱In组分y的值确定。
本发明的有益效果为:
外延生长的InGaN前置层,相对于InGaN/GaN前置量子阱,能够更有效的减小之后生长的多量子阱材料中的应力、极化电场和缺陷密度。此外,InGaN前置层相比前置量子阱,具有厚度薄、材料单一的优点,因此能够简化外延片的生产工艺,降低生产成本。本文中的InGaN前置层设计方案,能够最大程度实现前置层对多量子阱材料性能的优化,进而实现高性能长波长LED外延片的制造。
附图说明
图1为实施例的LED外延结构的示意图;
图2为实施例在InGaN前置层上生长多量子阱时的晶格结构示意图;
图3为对比例在在InGaN/GaN前置量子阱上生长多量子阱时的晶格结构示意图。
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
一种绿光LED外延结构,参考图1,由下至上包括蓝宝石衬底1、GaN成核层2、u-GaN层3、n-GaN层4、InxGa(1-x)N前置层5、InyGa(1-y)N/GaN多量子阱层6、p-AlGaN电子阻挡层7和p-GaN层8。其中In组分y的范围为0.2~0.25,本实施例以0.2为例,设计In组分x=y-0.1=0.1。通过计算得到In0.1Ga0.9N前置层5的临界厚度hc为149nm,设计In0.1Ga0.9N前置层5的厚度为74.5nm-134nm。
其制作方法如下:
将蓝宝石衬底在1060℃下热处理10min,再降温至530℃,进行氮化处理后在1030℃下依次生长GaN成核层和u-GaN层作为缓冲层,再生长n-GaN层,形成第一模板。n-GaN层厚度可以是1μm-3μm,掺杂浓度可以是1017cm-3-1020cm-3
将第一模板放到MOCVD反应室中,分别以TMGa、TMIn和NH3为Ga、In、N源,在700-800℃下,生长厚度为74.5nm-134nm的In0.1Ga0.9N前置层。
在In0.1Ga0.9N前置层之后,生长高In组分的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱层。其中In0.2Ga0.8N阱层的生长温度范围为550-700℃,GaN垒层的生长温度为1030℃。具体,生长5个周期的多量子阱层,其中第一个量子阱以In0.2Ga0.8N层开始生长。In0.2Ga0.8N阱层的厚度范围为0.5nm-3nm,GaN垒层的厚度范围为1nm-8nm。
通入TMAl和TMGa和NH3为Ga、Al、N源,在900-1000℃生长温度下,在In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱上生长掺杂有受主的AlGaN电子阻挡层。最后在1030℃下生长p-GaN层。制造成具有量子阱前置层的绿光LED外延片。
实施例2
一种红光LED外延结构,参考图1,由下至上包括蓝宝石衬底1、GaN成核层2、u-GaN层3、n-GaN层4、InxGa(1-x)N前置层5、InyGa(1-y)N/GaN多量子阱层6、p-AlGaN电子阻挡层7和p-GaN层8。其中In组分y的范围为0.3~0.4,本实施例以0.35为例,设计In组分x=y-0.1=0.25。通过计算得到In0.25Ga0.75N前置层5的临界厚度hc为14.7nm,设计In0.25Ga0.75N前置层5的厚度为7.4nm-13.2nm。
其制作方法如下:
将蓝宝石衬底在1060℃下热处理10min,再降温至530℃,进行氮化处理后在1030℃下依次生长GaN成核层和u-GaN层作为缓冲层,再生长n-GaN层,形成第一模板。n-GaN层厚度可以是1μm-3μm,掺杂浓度可以是1017cm-3-1020cm-3
将第一模板放到MOCVD反应室中,分别以TMGa、TMIn和NH3为Ga、In、N源,在700-800℃下,生长厚度为7.4nm-13.2nm的In0.25Ga0.75N前置层。
在In0.25Ga0.75N前置层之后,生长高In组分的In0.35Ga0.65N/GaN多量子阱层。其中In0.35Ga0.65N阱层的生长温度范围为550-700℃,GaN垒层的生长温度为1030℃。具体,生长5个周期的多量子阱层,其中第一个量子阱以In0.35Ga0.65N层开始生长。In0.35Ga0.65N阱层的厚度范围为0.5nm-3nm,GaN垒层的厚度范围为1nm-8nm。
通入TMAl和TMGa和NH3为Ga、Al、N源,在900-1000℃生长温度下,在In0.35Ga0.65N/GaN多量子阱上生长掺杂有受主的AlGaN电子阻挡层。最后在1030℃下生长p-GaN层。制造成具有量子阱前置层的红光LED外延片。
对比例
对比例与实施例1的差别在于,不采用InGaN前置层而是采用常规InGaN/GaN前置量子阱。
参考图2-图3,在InGaN/GaN前置量子阱上生长多量子阱时的晶格结构和在InGaN前置层上生长多量子阱时的晶格结构可见:InGaN/GaN前置量子阱由于GaN垒层的存在,晶格弛豫较差;而InGaN前置层的晶格则正常弛豫。对InGaN前置层的厚度进行设计,从最大程度上使得InGaN前置层的晶格常数接近多量子阱层的晶格常数,这减小了多量子阱层晶格与前置层之间的晶格失配,提高了多量子阱材料的质量。
InGaN前置层相对InGaN/GaN前置量子阱,厚度薄、工艺简单,且由于前置层相对GaN和前置量子阱层,晶格弛豫更显著,因此与多量子阱之间的晶格失配度更小,更小的应力也减少了非辐射复合缺陷的产生,因此对多量子阱的优化作用更加显著。不同的InGaN前置层结构对多量子阱的优化作用效果也存在很大的区别。本发明对InGaN前置层的厚度进行了设计,能够实现最大程度的减小多量子阱受到的压应力和极化电场,并降低其中的位错缺陷密度,从最大程度上优化外延片的发光特性。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种具有前置层的长波长LED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 (9)

1.一种具有前置层的长波长LED外延结构,其特征在于:由下至上包括衬底、缓冲层、n-GaN层、InxGa(1-x)N前置层、InyGa(1-y)N/GaN多量子阱层、p-AlGaN电子阻挡层和p-GaN层;其中,0<y-x<0.1;所述InxGa(1-x)N前置层的厚度为0.5hc~0.9hc,其中hc为前置层材料的晶格完全弛豫的临界厚度。
2.根据权利要求1所述的具有前置层的长波长LED外延结构,其特征在于:所述hc的计算公式为:
Figure FDA0003661587390000011
其中,hc表示大量位错释放的临界厚度,f表示薄膜之间的晶格适配度;υ表示材料的泊松常数;b为伯格斯矢量,等于前置层薄膜材料的晶格常数;a(y)表示多量子阱层中InyGa(1-y)N的晶格常数。
3.根据权利要求1所述的具有前置层的长波长LED外延结构,其特征在于:所述y的范围为0.2~0.25,所述LED外延结构处于绿光波段。
4.根据权利要求1所述的具有前置层的长波长LED外延结构,其特征在于:所述y的范围为0.3~0.4,所述LED外延结构处于红光波段。
5.根据权利要求1所述的具有前置层的长波长LED外延结构,其特征在于:所述衬底是蓝宝石衬底,所述缓冲层包括设于衬底上的GaN成核层和设于GaN成核层上的u-GaN层。
6.一种权利要求1~5任一项所述的具有前置层的长波长LED外延结构的制作方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)于衬底上依次生长缓冲层和n-GaN层;
2)采用MOCVD工艺,分别以TMGa、TMIn和NH3为Ga、In、N源,在700-800℃下于n-GaN层上生长InxGa(1-x)N前置层;
3)采用MOCVD工艺,分别以TMGa、TMIn和NH3为Ga、In、N源,在InxGa(1-x)N前置层上生长InyGa(1-y)N/GaN多量子阱层,其中InyGa(1-y)N阱层的生长温度为550-700℃,GaN垒层的生长温度为950℃-1100℃;
4)在InyGa(1-y)N/GaN多量子阱层上依次生长p-AlGaN电子阻挡层和p-GaN层。
7.根据权利要求6所述的制作方法,其特征在于:根据发光波段计算多量子阱层中InyGa(1-y)N的In组分y,根据y计算InxGa(1-x)N前置层的In组分x以及临界厚度hc,通过临界厚度hc设计InxGa(1-x)N前置层的厚度。
8.根据权利要求6所述的制作方法,其特征在于:所述步骤3)中,在所述InxGa(1-x)N前置层上生长5个周期的InyGa(1-y)N/GaN量子阱,其中第一个量子阱以InyGa(1-y)N层开始。
9.根据权利要求6所述的制作方法,其特征在于:所述InyGa(1-y)N层的厚度范围为0.5nm-3nm,所述GaN垒层的厚度范围为1nm-8nm。
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