CN204167348U - 一种具有高质量InGaN/GaN有源层的LED外延结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种具有高质量InGaN/GaN有源层的LED外延结构，在衬底上依次生长缓冲层、非故意掺杂层、N型掺杂层、应力平衡层、InxGa1-xN/GaN有源层、空穴注入层、电子阻挡层及P型掺杂层；InxGa1-xN/GaN有源层由多组InxGa1-xN量子阱层及GaN量子垒层构成，其中0.1<x<0.3。本实用新型可以获得高质量InGaN/GaN有源层，提高LED发光效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及LED技术领域，尤其是指一种具有高质量InGaN/GaN有源层的LED外延结构。
背景技术
GaN基蓝绿光发光二极管具有体积小、寿命长、功耗低、亮度高、易集成化等优点。现有技术中，GaN基蓝绿光LED材料生长主要通过金属有机化学气相沉积系统（MOCVD）进行外延生长。由于GaN衬底价格较高，为节约成本，GaN基蓝绿光LED通常异质外延在蓝宝石、碳化硅等衬底上。由于异质外延存在的晶格失配和热失配等问题，难以获得高晶体质量的GaN基蓝绿光LED外延片。
现有技术中，蓝绿光LED均采用GaN与InN的合金InGaN材料作为发光有源区，通过调节InGaN量子阱中的In组分实现不同波长的发射，有源区InGaN材料的晶体质量直接影响蓝绿光LED的发光效率。
在常规的GaN基蓝绿光LED生长中，主要包括低温缓冲层、非故意掺杂层、N型掺杂层的生长，多量子阱有源层的生长和P型掺杂AlGaN层，以及P型掺杂GaN层的生长。其中低温缓冲层的生长温度在500-600℃之间；非故意掺杂层、N型掺杂层、P型掺杂AlGaN层、P型掺杂GaN层的生长温度在950-1150℃之间；多量子阱有源层生长步骤包括：在反应温度750-900℃生长8-15nm GaN 垒层，之后降温至650-800℃生长2-5nmInGaN阱层，然后升高温度到750-900℃再生长8-15nmGaN 垒层，以此重复周期结构的生长。在整个多量子阱有源层的生长过程中，主载气和有机源的载气均为N2。
由于In原子的蒸汽压比Ga原子高，生长InGaN时，In原子难以并入，因此多量子阱有源层通常在N2为主载气的氛围下进行低温生长。为了提高In组分，通常选用较高的TMIn分压，这容易在InGaN量子阱生长表面析出In滴，降低有源区的晶体质量。此外，由于异质外延的应力延伸和GaN与InN之间本身的晶格失配，使得多量子阱有源层应力积累严重，加大材料生长的困难。虽然在N2氛围下可以加大In组分的并入，然而N2氛围下生长的GaN薄膜表面较为粗糙，晶体质量相对较差。
在高温下，InGaN薄膜会遭到破坏，降低晶体质量。由于垒层的生长温度高于阱层，并且P型掺杂的AlGaN层是在高温下生长，使得已经生长的阱层遭到破坏。
多量子阱有源层之后生长的AlGaN层由于进行了P型Mg掺杂，使得Mg原子会向有源区扩散，形成非辐射复合中心，降低发光效率。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种具有高质量InGaN/GaN有源层的LED外延结构，以获得高质量InGaN/GaN有源层，提高LED发光效率。
为达成上述目的，本实用新型的解决方案为：
一种具有高质量InGaN/GaN有源层的LED外延结构，在衬底上依次生长缓冲层、非故意掺杂层、N型掺杂层、应力平衡层、InxGa1-xN/GaN有源层、空穴注入层、电子阻挡层及P型掺杂层；InxGa1-xN/GaN有源层由多组InxGa1-xN量子阱层及GaN量子垒层构成，其中0.1<x<0.3。
进一步，在每一组InxGa1-xN量子阱层及GaN量子垒层之间生长GaN保护层。
进一步，应力平衡层为InyGa1-yN层，N型掺杂浓度为5×1017-5×1018。
进一步，InyGa1-yN层的厚度大于等于有源层总厚度的一半，且In组分取值为y使得InyGa1-yN的晶格常数满足：
(aInyGa1-yN -aGaN barrier)tGaN barrier =(aInGaN well- aInyGa1-yN)tInGaN well
即有源层的平均应力等于应力平衡层InyGa1-yN的应力。其中ai代表对应层材料的晶格常数，ti代表对应层的厚度。
进一步，空穴注入层为阶梯式掺杂的空穴注入层。
进一步，空穴注入层为GaN层，GaN层厚度为50-100nm。
进一步，GaN层进行阶梯式的P型Mg掺杂，沿远离量子阱方向，P型Mg掺杂浓度阶梯式递增，且平均掺杂浓度在5×1017-5×1018。
进一步，空穴注入层为GaN层与InzGa1-zN/GaN超晶格层的组合层，0.03<z<0.1，GaN层厚度为50-100nm，InzGa1-zN/GaN超晶格层厚度为1nm-5nm。
进一步，GaN层进行阶梯式的P型Mg掺杂，沿远离量子阱方向，P型Mg掺杂浓度阶梯式递增，且平均掺杂浓度在5×1017-5×1018；InzGa1-zN/GaN超晶格层进行恒定的P型Mg掺杂，掺杂浓度在1×1017-5×1018。
一种具有高质量InGaN/GaN有源层的LED外延结构生长方法，在衬底上依次生长缓冲层、非故意掺杂层、N型掺杂层、应力平衡层、InxGa1-xN/GaN有源层、空穴注入层、电子阻挡层及P型掺杂层；其中，InxGa1-xN/GaN有源层的生长包括以下步骤：
一，在主载气为H2的氛围下，通入Ga源和NH3生长8-15nm的GaN垒层，生长温度为750-900℃，反应压强为200-400mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为5000-30000，生长速率为0.15-0.3μm/h；
二，降低反应温度到650-800℃，切换主载气为N2，通入Ga源、In源和NH3，生长2-5nm的InxGa1-xN阱层，反应压强为100-400mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为5000-30000，生长速率为0.1-0.25μm/h；
三，保持反应温度和压强不变，关闭Ga源和In源，保持NH3正常通入，停顿InxGa1-xN生长；
四，保持反应温度和压强不变，打开Ga源，生长1-5nm的GaN保护层，Ⅴ/Ⅲ之比为5000-30000，生长速率为0.1-0.25μm/h；
五，升高反应温度到750-900℃，切换主载气为H2，通入Ga源和NH3生长8-15nm的GaN垒层，反应压强为200-400mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为5000-30000，生长速率在0.15 -0.3μm/h；
六，重复二至五的生长步骤1至20个周期。
进一步，生长GaN垒层时，主载气和Ga源的载气均为H2，生长GaN保护层和InxGa1-xN阱层时，主载气、Ga源载气和In源的载气均为N2。
进一步，停顿InxGa1-xN生长的时间为10-60s。
进一步，应力平衡层在主载气为H2或者N2的氛围下生长，生长温度为800-950℃，应力平衡层的材料为InyGa1-yN，N型掺杂浓度为5×1017-5×1018。
进一步，InyGa1-yN层的厚度大于等于有源层总厚度的一半，且InyGa1-yN层的In组分取值为y使得：有源层的平均应力等于应力平衡层的应力。
进一步，空穴注入层的材料为GaN层，其中GaN层在主载气为N2的氛围下生长，生长温度在750-950℃之间，厚度在50-100nm之间。
进一步，GaN层进行阶梯式的P型Mg掺杂，沿远离量子阱方向，P型掺杂浓度阶梯式递增，且平均掺杂浓度在5×1017-5×1018。
进一步，空穴注入层的材料为GaN层与InzGa1-zN/GaN超晶格层的组合层。GaN层在主载气为N2的氛围下生长，生长温度为750-950℃，厚度为50-100nm。InzGa1-zN/GaN超晶格层在主载气为H2的氛围下生长，0.03<z<0.1，生长温度为800-1050℃，厚度为1nm-5nm。
进一步，GaN层进行阶梯式的P型Mg掺杂，沿远离量子阱方向，P型掺杂浓度阶梯式递增，且平均掺杂浓度在5×1017-5×1018，InzGa1-zN/GaN超晶格层进行恒定的P型Mg掺杂，掺杂浓度在1×1017-5×1018之间。
进一步，除最后1-3个周期外，有源区其余的GaN垒层均进行N型Si掺杂，掺杂浓度在5×1017-2×1018。
采用上述方案后，本实用新型在InGaN/GaN有源层一侧外延生长应力平衡层，另一侧外延生长空穴注入层。应力平衡层的生长，平衡了有源区的应力；显著提高了有源层的质量，进而提升了LED的发光效率。
同时，空穴注入层采用N2氛围下低温生长，可显著提高Mg原子的并入，提高空穴浓度，并且，空穴注入层的阶梯式P型掺杂，避免了Mg原子向有源区的扩散，减少了有源区的非辐射复合中心，进一步提高了有源层的质量，进而提升了LED的发光效率。发光效率相比常规外延结构提升20%以上。
此外，空穴注入层中GaN层后生长InGaN/GaN超晶格层，一方面超晶格层可阻隔GaN层由于低温N2氛围下生长产生的位错，提高后续外延层的晶体质量，另一方面超晶格层产生的能带震荡也可进一步提高空穴浓度。
在生长所述LED外延结构时，首先，通过生长阱层与垒层过程中主载气与有机源载气的切换，既增加了In组分的并入，又获得了高质量的GaN垒层；第二，通过低温下GaN保护层的生长和低温N2氛围下空穴注入层的生长，保护了InGaN量子阱，避免了高温对量子阱的破坏，又提高了空穴向有源区的注入；第三，通过InGaN阱层的间断生长，避免了In滴在量子阱表面的形成，提高了量子阱的晶体质量。
附图说明
图1为本实用新型实施例一形成的LED外延结构示意图；
图2为本实用新型多量子阱有源层生长温度变化趋势示意图；
图3为本实用新型多量子阱有源层有机源开关及载气切换示意图；
图4为本实用新型阶梯式掺杂空穴注入层的P型掺杂浓度变化趋势示意；
图5为本实用新型实施例二形成的LED外延结构示意图。
标号说明
衬底1 缓冲层2
非故意掺杂层3 N型掺杂层4
应力平衡层5 有源层6
GaN量子垒层61 InxGa1-xN量子阱层62
GaN保护层63 空穴注入层7
电子阻挡层8 P型掺杂层9
超晶格层10。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本实用新型做详细描述。
实施例一
如图1所示，本实用新型揭示的一种具有高质量InGaN/GaN有源层的LED外延结构，在衬底1上依次生长缓冲层2、非故意掺杂层3、N型掺杂层4、应力平衡层5、InxGa1-xN/GaN有源层6、空穴注入层7、电子阻挡层8及P型掺杂层9；InxGa1-xN/GaN有源层6由多组GaN量子垒层61及InxGa1-xN量子阱层62构成。在每一组GaN量子垒层61及InxGa1-xN量子阱层62之间生长GaN保护层63。
本实用新型还揭示所述一种具有高质量InGaN/GaN有源层的LED外延结构生长方法，在衬底1上依次生长缓冲层2、非故意掺杂层3、N型掺杂层4、应力平衡层5、InxGa1-xN/GaN有源层6、空穴注入层7、电子阻挡层8及P型掺杂层9；利用MOCVD设备外延生长高亮度的蓝光发光二极管，采用2英寸c面免清洗蓝宝石衬底1，其中，InxGa1-xN/GaN有源层6的生长包括以下步骤：
一，将反应温度升高到1200℃，反应压力为100mbar，在H2氛围下烘焙蓝宝石衬底1时间为100-300s。
二，降低反应温度到550℃，通入NH3，氮化衬底1时间为60-180s。
三，通入Ga源和NH3，在550℃下生长25nm低温GaN缓冲层2，反应压力为650mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为500-5000。
四，升高反应温度到1100℃，通入Ga源和NH3，生长2000nm未掺杂GaN层，形成非故意掺杂层3，反应压力为250mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为500-5000。
五，在1100℃下，通入Ga源，NH3和硅烷，生长2000nm N型掺杂GaN层，形成N型掺杂层4，反应压力为250mbar，Ⅴ/Ⅲ比为500-5000，N型掺杂浓度为1×1018-5×1018。
六，降低反应温度到900℃，通入Ga源，In源，NH3和硅烷，生长100nm N型掺杂InGaN应力平衡层5，其中In组分为0.04，反应压力为400mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为500-5000。
七，降低反应室温度到850℃，通入Ga源， NH3和硅烷，生长12nm N型掺杂GaN量子垒层61，反应压力为400mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为5000-30000，N型掺杂浓度为1×1017-5×1018，其中有机源的载气为H2。
八，切换主载气为N2，降低反应温度到730℃，通入Ga源，In源和NH3，生长3nm InGaN量子阱层62，其中In组分为0.17，反应压力为400mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为5000-30000，其中有机源的载气为N2。
九，关闭Ga源和In源，继续通入NH3，保持反应室其他状态不变，停顿阱层生长30s。
十，通入Ga源，生长3nm GaN保护层63，反应压力为400mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为5000-30000，其中有机源的载气为N2。
十一，切换主载气为H2，升高反应温度到850℃，通入Ga源， NH3和硅烷，生长12nm N型掺杂GaN量子垒层61，反应压力为400mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为5000-30000，N型掺杂浓度为1×1017-5×1018，其中有机源的载气为H2。
十二，重复步骤八至步骤十一生长步骤8个周期，其中最后两次循环中，步骤十一中的硅烷不通入反应室内。
十三，切换主载气为N2，在850℃下生长60 nm P型阶梯掺杂的GaN空穴注入层7，反应压力为400mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为500-5000，其中二茂镁通入流量阶梯式递增，使其P型掺杂浓度满足图4所示浓度梯度趋势，空穴注入层7平均掺杂浓度为5×1017-5×1018。
十四，切换主载气为H2，升高反应温度到1050℃，通入Ga源，Al源，NH3和二茂镁，生长25nm P型掺杂的AlGaN电子阻挡层8，其中Al组分为0.2，反应压力为250mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为500-5000，P型掺杂浓度为5×1017-5×1018。
十五，通入Ga源，NH3和二茂镁，生长200nm P型掺杂的GaN电子阻挡层，形成P型掺杂层9，反应压力为250mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为500-5000，P型掺杂浓度为5×1017-1×1019。
十六，降低反应温度到800℃，在纯N2氛围下退火600s，降低反应温度到室温，结束外延生长，形成如图1所示的外延结构。
其中，InxGa1-xN/GaN有源层6的生长温度曲线如图2所示，而InxGa1-xN/GaN有源层6的有机源开关及载气切换情况如图3所示。
实施例二
与实施例一不同在于：如图5所示，空穴注入层7与电子阻挡层8之间生长GaN/InGaN超晶格层10,通过该超晶格层10的生长，可进一步提高晶体质量和空穴浓度。
本实施例中，一种具有高质量InGaN/GaN有源层的LED外延结构生长方法，在衬底1上依次生长缓冲层2、非故意掺杂层3、N型掺杂层4、应力平衡层5、InxGa1-xN/GaN有源层6、空穴注入层7、电子阻挡层8及P型掺杂层9，空穴注入层7与电子阻挡层8之间生长GaN/InGaN超晶格层10；其中，InxGa1-xN/GaN有源层6的生长包括以下步骤：
利用MOCVD设备外延生长高亮度的绿光发光二极管，采用2英寸c面免清洗蓝宝石衬底1，具体外延生长步骤一至步骤五与实施例一相同。
一，将反应温度升高到1200℃，反应压力为100mbar，在H2氛围下烘焙蓝宝石衬底1时间为100-300s。
二，降低反应温度到550℃，通入NH3，氮化衬底1时间为60-180s。
三，通入Ga源和NH3，在550℃下生长25nm低温GaN缓冲层2，反应压力为650mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为500-5000。
四，升高反应温度到1100℃，通入Ga源和NH3，生长2000nm未掺杂GaN层，形成非故意掺杂层3，反应压力为250mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为500-5000。
五，在1100℃下，通入Ga源，NH3和硅烷，生长2000nm N型掺杂GaN层，形成N型掺杂层4，反应压力为250mbar，Ⅴ/Ⅲ比为500-5000，N型掺杂浓度为1×1018-5×1018。
六，降低反应室温度到880℃，通入Ga源，In源，NH3和硅烷，生长100nm N型掺杂InGaN应力平衡层5，其中In组分为0.08，反应压力为400mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为500-5000。
七，降低反应温度到810℃，通入Ga源， NH3和硅烷，生长12nm N型掺杂GaN量子垒层、61，反应压力为400mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为5000-30000，N型掺杂浓度为1×1017-5×1018，其中有机源的载气为H2。
八，切换主载气为N2，降低反应温度到690℃，通入Ga源，In源和NH3，生长3nm InGaN量子阱层62，其中In组分为0.24，反应压力为400mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为5000-30000，其中有机源的载气为N2气。
九，关闭Ga源和In源，继续通入NH3，保持反应室其他状态不变，停顿阱层生长45s。
十，通入Ga源，生长3nm GaN保护层63，反应压力为400mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为5000-30000，其中有机源的载气为N2。
十一，切换主载气为H2，升高反应温度到810℃，通入Ga源， NH3和硅烷，生长12nm N型掺杂GaN量子垒层61，反应压力为400mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为5000-30000，N型掺杂浓度为1×1017-5×1018，其中有机源的载气为H2。
十二，重复步骤八至步骤十一生长步骤8个周期，其中最后两个周期循环中，步骤十一中的硅烷不通入反应室内。
十三，切换主载气为N2，在850℃下生长50 nm P型阶梯掺杂的GaN空穴注入层7，反应压力为400mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为500-5000，其中二茂镁通入流量阶梯式递增，使其P型掺杂浓度满足图4所示浓度梯度趋势，平均掺杂浓度为5×1017-5×1018。
十四，切换主载气为H2，升高反应温度到900℃，通入Ga源， NH3和二茂镁，周期性的通入In源，生长5个周期的P型掺杂的GaN/InGaN超晶格层10 ，厚度为GaN层4nm/InGaN层2nm，In组分为0.07，反应压力为400mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为500-5000，P型掺杂浓度为1×1017-5×1018，其中In源载气为N2。
十五，切换主载气为H2，升高反应温度到1050℃，通入Ga源，Al源，NH3和二茂镁，生长25nm P型掺杂的AlGaN电子阻挡层8，其中Al组分为0.2，反应压力为250mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为500-5000，P型掺杂浓度为5×1017-5×1018。
十六，通入Ga源，NH3和二茂镁，生长200nm P型掺杂的GaN电子阻挡层，形成P型掺杂层9，反应压力为250mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为500-5000，P型掺杂浓度为5×1017-1×1019。
十七，降低反应温度到800℃，在纯N2氛围下退火600s，降低反应温度到室温，结束外延生长，形成如图2所示的外延结构。
除文中特殊说明外，以上所用有机源的载气均为H2。本实用新型旨在获得一种具有高质量InGaN/GaN多量子阱有源层的LED，实施例一所生长的蓝光LED光功率相比传统蓝光LED外延结构及其生长方式可提升20%以上，实施例二所生长的绿光LED光功率相比传统绿光LED外延结构及其生长方式可提升25%以上。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。
Claims (9)
1. 一种具有高质量InGaN/GaN有源层的LED外延结构，其特征在于：在衬底上依次生长缓冲层、非故意掺杂层、N型掺杂层、应力平衡层、InxGa1-xN/GaN有源层、空穴注入层、电子阻挡层及P型掺杂层；InxGa1-xN/GaN有源层由多组InxGa1-xN量子阱层及GaN量子垒层构成,其中0.1<x<0.3。
2.如权利要求1所述的一种具有高质量InGaN/GaN有源层的LED外延结构，其特征在于：在每一组InxGa1-xN量子阱层及GaN量子垒层之间生长GaN保护层。
3.如权利要求1或2所述的一种具有高质量InGaN/GaN有源层的LED外延结构，其特征在于：应力平衡层为InyGa1-yN层，N型掺杂浓度为5×1017-5×1018。
4.如权利要求3所述的一种具有高质量InGaN/GaN有源层的LED外延结构，其特征在于：InyGa1-yN层的厚度大于等于有源层总厚度的一半，且In组分取值为y使得InyGa1-yN的晶格常数满足：有源层的平均应力等于应力平衡层InyGa1-yN的应力。
5.如权利要求1所述的一种具有高质量InGaN/GaN有源层的LED外延结构，其特征在于：空穴注入层为阶梯式掺杂的空穴注入层。
6.如权利要求1或5所述的一种具有高质量InGaN/GaN有源层的LED外延结构，其特征在于：空穴注入层为GaN层，GaN层厚度为50-100nm。
7.如权利要求6所述的一种具有高质量InGaN/GaN有源层的LED外延结构，其特征在于：GaN层进行阶梯式的P型Mg掺杂，沿远离量子阱方向，P型Mg掺杂浓度阶梯式递增，且平均掺杂浓度在5×1017-5×1018。
8.如权利要求1或5所述的一种具有高质量InGaN/GaN有源层的LED外延结构，其特征在于：空穴注入层为GaN层与InzGa1-zN/GaN超晶格层的组合层，0.03<z<0.1；GaN层厚度为50-100nm，InzGa1-zN/GaN超晶格层厚度为1nm-5nm。
9.如权利要求8所述的一种具有高质量InGaN/GaN有源层的LED外延结构，其特征在于：GaN层进行阶梯式的P型Mg掺杂，沿远离量子阱方向，P型Mg掺杂浓度阶梯式递增，且平均掺杂浓度在5×1017-5×1018；InzGa1-zN/GaN超晶格层进行恒定的P型Mg掺杂，掺杂浓度在1×1017-5×1018。
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2014
- 2014-10-17 CN CN201420601588.1U patent/CN204167348U/zh active Active
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