CN210110827U - 一种高性能GaN基发光二极管结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型一种高性能GaN基发光二极管结构，属于半导体材料技术领域；提供了一种GaN基发光二极管结构，增加了量子阱区对载流子的束缚能力，减少了载流子的泄漏，提高了GaN基发光二极管的内量子效率；一种高性能GaN基发光二极管结构，包括在衬底上依次设置的GaN成核层、u‑GaN层、N型掺杂的GaN层、纳米微型坑层、InGaN/GaN量子阱层、P型掺杂的AlGaN电子阻挡层、P型掺杂的GaN层和电极接触层,纳米微型坑层包括自下而上交替层叠的纳米微型坑形成层和纳米微型坑层处理层，纳米微型坑形成层上设置有多个纳米岛，纳米微型坑层处理层用于对纳米岛的表面进行光滑处理。
Description
技术领域
本实用新型一种高性能GaN基发光二极管结构，属于半导体材料技术领域。
背景技术
GaN基发光二极管量子阱中有很强的压电电场会产生很大压电极化效应。影响GaN基LED内量子效率的关键因素主要有量子阱的束缚能力、压电极化效应以及阱/垒界面质量。首先，由于InGaN量子阱中存在极化效应产生的强极化电场导致多量子阱中能带弯曲，导带在P型一侧较低，N型一侧被抬高，从而多量子阱的带边由方形改变为三角形，导带的基带能量降低，价带的基带能量升高，使两者之间的间隙宽度变窄，导致发光波长红移，在电流注入条件下，发光器件表现出强的量子限制斯塔克效应。同时，能带倾斜导致量子阱的束缚能力变弱，从而使载流子容易越过势垒，发生载流子泄漏，大大降低了器件的发光效率。因此，提高量子阱区载流子的束缚能力是提高LED发光效率的主要因素之一。其次，量子阱区阱/垒的界面质量对载流子的内量子效率有着重要的影响。因此，为了得到高发光性能的发光二极管，围绕开展提高量子阱区对载流子的束缚能力和改善阱垒的界面质量的研究非常重要。
目前常用的方法有垒层掺硅、铝或者是铟等元素来降低量子阱的压电极化效应，这些方法在一定程度上也能改善量子阱的极化效应，提高发光二极管的内量子效率，但是这些方法对量子阱束缚能力改善较小，量子阱区仍然会有大量的载流子泄漏。
实用新型内容
本实用新型一种高性能GaN基发光二极管结构，克服了现有技术存在的不足，提供了一种GaN基发光二极管结构，增加了量子阱区对载流子的束缚能力，减少了载流子的泄漏，提高了GaN基发光二极管的内量子效率。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种高性能GaN基发光二极管结构，包括在衬底上依次设置的GaN成核层、u-GaN层、N型掺杂的GaN层、纳米微型坑层、InGaN/GaN量子阱层、P型掺杂的AlGaN电子阻挡层、P型掺杂的GaN层和电极接触层, 纳米微型坑层包括自下而上交替层叠的纳米微型坑形成层和纳米微型坑层处理层，纳米微型坑形成层上设置有多个纳米岛，纳米微型坑层处理层用于对纳米岛的表面进行光滑处理。
进一步，所述InGaN/GaN量子阱层由x个InGaN势阱层与个GaN势垒层交替层叠组成，其中，5≤x≤15。
进一步，所述纳米岛为表面光滑、大小均匀的圆锥体，圆锥体的底面半径为50～100 nm，高度为30～50 nm，相邻两个圆柱体之间的间距为300～500 nm。
进一步，所述纳米微型坑形成层和所述纳米微型坑层处理层的数量相同，均为3～10层，所述纳米微型坑形成层所用的材料为Si掺杂，用TMGa为Ga源生长的GaN，所述纳米微型坑层处理层所用的材料为Si掺杂，用TEGa为Ga源生长的GaN。
一种高性能GaN基发光二极管结构的制备方法，包括以下步骤：
S1.衬底在1070 ℃温度下，H2气氛中还原处理300 s；
S2.采用三甲基镓作为镓源，NH3作为氮源，N2作为载气，生长温度为550℃，时间为150 s，反应室压力为600 mbar，退火温度为1040 ℃，时间为200 s，衬底上生长厚度为25nm 的GaN 成核层；
S3.采用三甲基镓作为镓源，NH3作为氮源，N2作为载气，生长温度为1060 ℃，生长时间为3600 s，反应室压力为600 mbar，在GaN 成核层上生长厚度为2μm的高温未掺杂的u-GaN层；
S4.采用三甲基镓作为镓源，SiH4作为硅源，NH3作为氮源，N2作为载气，生长温度为1065 ℃，生长时间为1800 s，反应室压力为600 mbar，在未掺杂的u-GaN层上生长厚度为1μm的N型掺杂的GaN层；
S5.采用三甲基镓作为镓源，SiH4作为硅源，NH3作为氮源，N2作为载气，生长温度为950 ℃，生长时间为800 s，反应室压力为600 mbar，在N型掺杂的GaN层上生长厚度为50 nm的GaN层，即纳米微型坑形成层；
S6.采用三乙基镓作为镓源，SiH4作为硅源，NH3作为氮源，N2作为载气，生长温度为950 ℃，生长时间为800s，反应室压力为600 mbar，在纳米微型坑形成层上生长厚度为50nm的GaN层，即纳米微型坑层处理层；
S7.基于步骤S5和S6，在纳米微型坑层处理层上循环生长纳米微型坑形成层和纳米微型坑层处理层2～9个周期，形成纳米微型坑层；
S8.采用三乙基镓为镓源，NH3为氮源，N2为载气，SiH4作为掺杂源，生长温度为840℃，生长时间为1000 s，反应室压力为400 mbar，在纳米微型坑层处理层上生长厚度为12nm的Si掺杂的GaN势垒层；
S9.以三乙基镓为镓源，TMln为铟源，NH3为氮源，N2为载气，在温度为740 ℃，反应室压力为400 mbar，生长时间为300 s，在GaN势垒层上生长的厚度为3nm的InGaN势阱层；
S10.采用三乙基镓为镓源，NH3为氮源，N2为载气，SiH4作为掺杂源，生长温度为840℃，生长时间为1000 s，反应室压力为400 mbar，在InGaN势阱层上生长厚度为12 nm的Si掺杂的GaN势垒层；
S11.基于步骤S9和S10，循环生长InGaN势阱层和GaN势垒层4～14个周期，形成InGaN/GaN量子阱层；
S12.采用三甲基镓为镓源，三甲基铝为铝源，三甲基铟为铟源，二茂镁为镁源，对GaN势垒层实现P型掺杂，NH3作为氮源，N2为载气，生长温度为920 ℃，生长时间为300 s，反应室压力为200 mbar，形成厚度为50 nm的P型掺杂的AlGaN电子阻挡层；
S13.采用三甲基镓为镓源，二茂镁为镁源，NH3作为氮源，N2为载气，生长温度为960℃，生长时间为3000 s，反应室压力为200 mbar，在P型掺杂的AlGaN电子阻挡层上生长厚度为250nm的P型掺杂的GaN层；
S14.采用三甲基镓为镓源，二茂镁为镁源，NH3作为氮源，氮气为载气，生长温度为960 ℃，生长时间为300s，反应室压力为150 mbar，P型掺杂的GaN层上生长厚度为50 nm的p++型GaN电极接触层9，之后在650 ℃的温度下，N2气氛中退火1000 s，然后降至室温，即得到具有纳米微型坑结构的高性能GaN基发光二极管结构。
本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果。
本实用新型设计的纳米微型坑层制备高效率的GaN发光二极管，该结构不仅有利于降低量子阱区的应力从而减少量子阱的压电极化电场，而且还有利于增加量子阱区对载流子的束缚能力，减少载流子的泄漏，从而提高GaN基发光二极管的内量子效率。
附图说明
图1为本实用新型的高性能GaN基发光二极管的截面示意图。
图中，1为衬底，2为GaN成核层，3为u-GaN层，4为N型掺杂的GaN层，5为纳米微型坑层，6为InGaN/GaN量子阱层，7为P型掺杂的AlGaN电子阻挡层，8为P型掺杂的GaN层，9为电极接触层，51为纳米微型坑形成层，52为纳米微型坑层处理层，61为GaN势垒层，62为InGaN势阱层。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。
如图1所示，本实用新型一种高性能GaN基发光二极管结构，包括在衬底1上依次设置的GaN成核层2、u-GaN层3、N型掺杂的GaN层4、纳米微型坑层5、InGaN/GaN量子阱层6、P型掺杂的AlGaN电子阻挡层7、P型掺杂的GaN层8和电极接触层9, 纳米微型坑层5包括自下而上交替层叠的纳米微型坑形成层51和纳米微型坑层处理层52，纳米微型坑形成层51上设置有多个纳米岛，纳米微型坑层处理层52用于对纳米岛的表面进行光滑处理。
InGaN/GaN量子阱层6由x个InGaN势阱层与x+1个GaN势垒层交替层叠组成，其中，5≤x≤15。
纳米岛为表面光滑、大小均匀的圆锥体，圆锥体的底面半径为50～100 nm，高度为30～50 nm，相邻两个圆柱体之间的间距为300～500 nm。
其中，衬底1的材料为蓝宝石衬底，纳米微型坑形成层51和纳米微型坑层处理层52的数量相同，均为3～10层，纳米微型坑形成层51所用的材料为Si掺杂，用TMGa（三甲基镓）为Ga源生长的GaN，纳米微型坑层处理层52所用的材料为Si掺杂，用TEGa（三乙基镓）为Ga源生长的GaN。纳米微型坑形成层51使N型掺杂GaN层4的表面长成纳米岛状，纳米微型坑层处理层52把纳米岛状结构表面处理，形成光滑表面、大小均匀的纳米岛，从而实现生长的多量子阱层呈二维和三维的混合结构。
本实用新型还提供一种高性能GaN基发光二极管结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.衬底1在1070 ℃温度下，H2气氛中还原处理300 s；
S2.采用三甲基镓作为镓源，NH3作为氮源，N2作为载气，生长温度为550 ℃，时间为150 s，反应室压力为600 mbar，退火温度为1040 ℃，时间为200 s，衬底1上生长厚度为25nm 的GaN成核层2；
S3.采用三甲基镓作为镓源，NH3作为氮源，N2作为载气，生长温度为1060 ℃，生长时间为3600 s，反应室压力为600 mbar，在GaN成核层2上生长厚度为2μm的高温未掺杂的u-GaN层3；
S4.采用三甲基镓作为镓源，SiH4作为硅源，NH3作为氮源，N2作为载气，生长温度为1065 ℃，生长时间为1800 s，反应室压力为600 mbar，在未掺杂的u-GaN层3上生长厚度为1μm的N型掺杂的GaN层4；
S5.采用三甲基镓作为镓源，SiH4作为硅源，NH3作为氮源，N2作为载气，生长温度为950 ℃，生长时间为800 s，反应室压力为600 mbar，在N型掺杂的GaN层4上生长厚度为50nm的GaN层，即纳米微型坑形成层51；
本步骤中，三甲基镓掺硅把N型掺杂GaN层4的表面长成纳米岛状。
S6.采用三乙基镓作为镓源，SiH4作为硅源，NH3作为氮源，N2作为载气，生长温度为950 ℃，生长时间为800 s，反应室压力为600 mbar，在纳米微型坑形成层51上生长厚度为50nm的GaN层，即纳米微型坑层处理层52；
本步骤中，三乙基镓掺硅把纳米岛状结构表面处理，形成光滑表面、大小均匀的纳米岛。
S7.基于步骤S5和S6，在纳米微型坑层处理层52上循环生长纳米微型坑形成层51和纳米微型坑层处理层522～9个周期，形成纳米微型坑层5；
S8.采用三乙基镓为镓源，NH3为氮源，N2为载气，SiH4作为掺杂源，生长温度为840℃，生长时间为1000 s，反应室压力为400 mbar，在纳米微型坑层处理层52上生长厚度为12nm的Si掺杂的GaN势垒层61；
S9.以三乙基镓为镓源，TMln为铟源，NH3为氮源，N2为载气，在温度为740 ℃，反应室压力为400 mbar，生长时间为300 s，在GaN势垒层61上生长的厚度为3nm的InGaN势阱层62；
S10.采用三乙基镓为镓源，NH3为氮源，N2为载气，SiH4作为掺杂源，生长温度为840℃，生长时间为1000 s，反应室压力为400 mbar，在InGaN势阱层62上生长厚度为12 nm的Si掺杂的GaN势垒层61；
S11.基于步骤S9和S10，循环生长InGaN势阱层62和GaN势垒层614～14个周期，形成InGaN/GaN量子阱层6；
S12.采用三甲基镓为镓源，三甲基铝为铝源，三甲基铟为铟源，二茂镁为镁源，对GaN势垒层61实现P型掺杂，NH3作为氮源，N2为载气，生长温度为920 ℃，生长时间为300 s，反应室压力为200 mbar，形成厚度为50 nm的P型掺杂的AlGaN电子阻挡层7；
S13.采用三甲基镓为镓源，二茂镁为镁源，NH3作为氮源，N2为载气，生长温度为960℃，生长时间为3000 s，反应室压力为200 mbar，在P型掺杂的AlGaN电子阻挡层7上生长厚度为250nm的P型掺杂的GaN层8；
S14.采用三甲基镓为镓源，二茂镁为镁源，NH3作为氮源，氮气为载气，生长温度为960 ℃，生长时间为300s，反应室压力为150 mbar，P型掺杂的GaN层8上生长厚度为50 nm的p++型GaN电极接触层9，之后在650 ℃的温度下，N2气氛中退火1000 s，然后降至室温，即得到具有纳米微型坑结构的高性能GaN基发光二极管结构。
该制备方法是利用三甲基镓和三乙基镓两种有机源的生长速度差异生长GaN纳米岛，从而为制备微型坑结构量子阱的发光二极管。该结构不仅有利用降低量子阱区的应力从而减少量子阱的压电极化电场，而且还有利于增加量子阱区对载流子的束缚能力，减少载流子的泄漏，从而提高GaN基发光二极管的内量子效率，实现高性能发光二极管的制备，适用于工业化生产。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本实用新型，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本实用新型的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。
Claims (4)
1.一种高性能GaN基发光二极管结构，其特征在于：包括在衬底（1）上依次设置的GaN成核层（2）、u-GaN层（3）、N型掺杂的GaN层（4）、纳米微型坑层（5）、InGaN/GaN量子阱层（6）、P型掺杂的AlGaN电子阻挡层（7）、P型掺杂的GaN层（8）和电极接触层（9）,纳米微型坑层（5）包括自下而上交替层叠的纳米微型坑形成层（51）和纳米微型坑层处理层（52），纳米微型坑形成层（51）上设置有多个纳米岛，纳米微型坑层处理层（52）用于对纳米岛的表面进行光滑处理。
2.根据权利要求1所述的一种高性能GaN基发光二极管结构，其特征在于：所述InGaN/GaN量子阱层（6）由x个InGaN势阱层与（x+1）个GaN势垒层交替层叠组成，其中，5≤x≤15。
3.根据权利要求1所述的一种高性能GaN基发光二极管结构，其特征在于：所述纳米岛为表面光滑、大小均匀的圆锥体，圆锥体的底面半径为50～100 nm，高度为30～50 nm，相邻两个圆柱体之间的间距为300～500 nm。
4.根据权利要求1所述的一种高性能GaN基发光二极管结构，其特征在于：所述纳米微型坑形成层（51）和所述纳米微型坑层处理层（52）的数量相同，均为3～10层，所述纳米微型坑形成层（51）所用的材料为Si掺杂，用TMGa为Ga源生长的GaN，所述纳米微型坑层处理层（52）所用的材料为Si掺杂，用TEGa为Ga源生长的GaN。
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| CN201920395329.0U CN210110827U (zh) | 2019-03-27 | 2019-03-27 | 一种高性能GaN基发光二极管结构 |
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| CN110034213A (zh) * | 2019-03-27 | 2019-07-19 | 太原理工大学 | 一种高性能GaN基发光二极管结构及其制备方法 |
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2019
- 2019-03-27 CN CN201920395329.0U patent/CN210110827U/zh active Active
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| CN110034213A (zh) * | 2019-03-27 | 2019-07-19 | 太原理工大学 | 一种高性能GaN基发光二极管结构及其制备方法 |
| CN110034213B (zh) * | 2019-03-27 | 2024-01-23 | 太原理工大学 | 一种高性能GaN基发光二极管结构及其制备方法 |
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