CN107146836A - 具有渐变In组分p型InGaN导电层的GaN基绿光LED外延结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明具有渐变In组分p型InGaN导电层的GaN基绿光LED外延结构及其制备方法；该结构包括自下而上依次连接的衬底、GaN成核层、GaN缓冲层、N型GaN导电层、多量子阱有源区和渐变In组分p型InGaN导电层；多量子阱有源区由5‐15对InGaN量子阱和GaN量子垒交替叠加组成；所述渐变In组分p型InGaN导电层的厚度为200‐400nm；渐变In组分p型InGaN导电层的In原子百分比沿着生长方向由15％渐变降低到0。本发明采用渐变In组分InGaN导电层代替传统的pGaN导电层，可以减小p型层生长过程对量子阱的损伤，提高空穴注入效率，降低LED的工作电压，提高绿光LED的光电效率。

Description

具有渐变In组分p型InGaN导电层的GaN基绿光LED外延结构及 其制备方法

技术领域

本发明涉及一种发光二极管外延结构及其制备方法，特别是涉及一种具有渐变In组分pInGaN导电层的GaN基绿光LED外延结构及其制备方法，属于半导体技术领域。

背景技术

发光二极管(简称“LED”)是一种半导体固体发光器件，它利用半导体材料内部的导带电子和价带空穴发生辐射复合，是以光子形式释放能量而直接发光的。通过设计不同的半导体材料禁带宽度，发光二极管可以发射从红外到紫外不同波段的光。

氮化物发光二极管以其具有高效、节能、长寿命以及体积小等优点在世界范围内得到广泛发展。发光波长在210～365nm的紫外发光二极管，因其调制频率高、体积小、无汞环保以及高杀菌潜力等优点，在杀菌消毒、生物医药、照明、存储和通信等领域有广泛的应用前景；发光波长在440～470nm的蓝光发光二极管因其能耗低、寿命长以及环保等优点，在照明、亮化以及显示领域有巨大的应用前景；发光波长在500～550nm的绿光发光二极管，在亮化和显示以及RGB三基色照明领域也有非常好的应用前景。

目前GaN基绿光LED的内量子效率很低，不到蓝光LED效率的一半，这大大限制了RGB白光LED在通用照明和可见光通信领域的应用。导致绿光LED量子效率低的主要原因有InGaN量子阱晶体质量差、极化效应造成的电子‐空穴波函数分离严重等。世界各国科学家为了提高绿光LED的量子效率投入了大量精力。

发明内容

本发明针对现有GaN基绿光LED空穴注入效率低、发光效率差的问题，提出一种具有渐变In组分pInGaN导电层的GaN基绿光LED外延结构。

本发明还提供一种上述GaN基绿光LED外延结构的制备方法。

本发明的技术方案如下：

具有渐变In组分p型InGaN导电层的GaN基绿光LED外延结构，包括自下而上依次连接的衬底、GaN成核层、GaN缓冲层、N型GaN导电层、多量子阱有源区和渐变In组分p型InGaN导电层；所述多量子阱有源区由5‐15对InGaN量子阱和GaN量子垒交替叠加组成；所述渐变In组分p型InGaN导电层的厚度为200‐400nm；所述渐变In组分p型InGaN导电层的In原子百分比沿着生长方向由15％渐变降低到0。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述衬底的厚度为300‐500um。

优选地，所述GaN成核层2的厚度为20‐50nm。

优选地，所述GaN缓冲层3的厚度为2‐4um。

优选地，所述N型GaN导电层4的厚度为2‐4um。

优选地，所述InGaN量子阱5的厚度为2.5‐3.5nm。

优选地，所述GaN量子垒6的厚度为5‐15nm。

优选地，所述多量子阱有源区的厚度为100‐500nm。

所述具有渐变In组分p型InGaN导电层的GaN基绿光LED外延结构的生长方法，包括以下步骤：

1)将衬底放入金属有机化学气相化学沉积设备中，在高温、氢气气氛中对衬底片进行清洗，去除衬底表面的污染物；

2)将温度降低到550℃，在步骤1)所述的衬底片上生长GaN成核层；

3)将反应室温度提高到1100℃，在步骤2)所述的成核层上生长GaN缓冲层；

4)在步骤3)所述的GaN层上生长N型GaN导电层，控制掺杂浓度为8×10¹⁸cm^‐3；

5)反应室温度降低到850℃，在步骤4)所述的N型GaN导电层上生长GaN量子垒；

6)循环重复如下步骤a)和步骤b)5‐10次，得到InGaN/GaN多量子阱有源区：

a)反应室温度降低到750℃，在步骤a)所述的InGaN量子垒上生长InGaN量子阱；

b)将反应室温度升至850℃，继续生长GaN量子垒层；

7)反应室通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，其中二茂镁、氨气、氮气和三甲基镓流量分别是300cc、16000cc、21000cc、11cc，反应室温度保持850℃，生长过程通入反应室的三甲基铟流量由500cc线性降低到0cc，在步骤6)所述的有源区上生长P型InGaN导电层，控制所述渐变In组分p型InGaN导电层的厚度为200‐400nm。

优选地，步骤7)控制掺杂浓度为5×10¹⁹cm^‐3。

所述多量子阱有源区包括InGaN量子阱和GaN量子垒。所述InGaN量子阱的In组分由LED预期的发光波长决定。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1)本发明针对现有GaN基绿光LED空穴注入效率差，量子阱有源区质量差等问题，提出一种采用渐变In组分p型InGaN导电层的GaN基绿光LED外延结构，其p型InGaN导电层的生长温度比传统pGaN低100℃左右，可以降低p型层生长过程对量子阱的损伤。

2)本发明采用渐变In组分的pInGaN导电层可以避免异质结界面势垒对空穴的阻挡作用，同时降低欧姆接触势垒高度，减小电压，最终提高GaN基绿光LED器件的光电转换效率。

附图说明

图1为传统LED的GaN外延结构示意图。

图2为本发明具有渐变In组分p型InGaN导电层的GaN基绿光LED外延结构的示意图。

图3为本发明LED和传统LED在不同注入电流密度下的光功率曲线；在图中，纵坐标为相对光强，单位是mcd，横坐标是注入电流，单位是mA；

图中示出：衬底1、GaN成核层2、GaN缓冲层3、N型GaN导电层4、InGaN量子阱5、GaN量子垒6、渐变In组分p型InGaN导电层7、多量子阱有源区8、p型AlGaN电子阻挡层9、p型GaN导电层10。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图2所示，具有渐变In组分p型InGaN导电层的GaN基绿光LED外延结构，自下而上依次为衬底1、GaN成核层2、GaN缓冲层3、N型GaN导电层4、多量子阱有源区8和渐变In组分p型InGaN导电层7；其中，多量子阱有源区8由10对InGaN量子阱5和GaN量子垒6交替层叠组成。衬底1为蓝宝石衬底，渐变In组分p型InGaN导电层7的铟组分由10％逐渐下降到0。

具有渐变In组分p型InGaN导电层的GaN基绿光LED外延结构的生长步骤如下：

(1).将蓝宝石衬底放入金属有机化学气相化学沉积设备中，通入氢气，反应室温度升高到1300摄氏度，对衬底片进行高温清洗。

(2).将温度降低到550摄氏度，反应室通入氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(1)所述的衬底1上生长30nm的GaN成核层2。

(3).将反应室温度提高到1100度，通入氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(2)所述的GaN成核层2上生长3um的GaN缓冲层3。

(4).反应室通入硅烷、氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(3)所述的GaN层3上生长N型GaN导电层4，厚度为3um，掺杂浓度为8×10¹⁸cm^‐3。

(5).反应室通入氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，反应室温度降低到750℃，在步骤(4)所述的N型GaN导电层4上生长InGaN量子阱5，为InGaN势阱层，厚度是3nm。

(6).反应室通入硅烷、氨气、氮气、三甲基镓，反应室温度降低到850℃，在步骤(5)所述的InGaN势阱5上生长GaN量子垒6，为GaN势垒层，厚度是10nm。

(7).依次重复步骤(5)和(6)共9次，得到共计10对InGaN量子阱5和GaN量子垒6交替层叠组成的多量子阱有源区8，为InGaN/InGaN多量子阱有源区，厚度是130nm。

(8).反应室通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，其中二茂镁、氨气、氮气和三甲基镓流量分别是300cc、16000cc、21000cc、11cc，生长过程通入反应室的三甲基镓流量由500cc线性降低到0cc，反应室温度保持850摄氏度，在步骤(7)所述的多量子阱有源区8上生长渐变In组分pInGaN导电层7，厚度300nm，控制掺杂浓度为5×10¹⁹cm^‐3。

图1即为传统LED的外延结构，自下而上依次为衬底1、GaN成核层2、GaN缓冲层3、N型GaN导电层4、InGaN量子阱5、GaN量子垒6、多量子阱有源区8、p型AlGaN电子阻挡层9、p型GaN导电层10；渐变In组分p型InGaN导电层7；p型AlGaN电子阻挡层9、p型GaN导电层10以及GaN成核层2、GaN缓冲层3、N型GaN导电层4、InGaN量子阱5、GaN量子垒6、多量子阱有源区8都是通过MOCVD生长的，p型AlGaN电子阻挡层9作用是阻挡电子泄漏，p型GaN导电层10作用是提供空穴。

本实施例具有渐变In组分p型InGaN的GaN基绿光LED外延结构通过改变In流量实现渐变In组分p型InGaN导电层，生长过程In流量由500cc降低到cc。

把直径为1mm的铟球压在图1和图2两种样品的中心和边缘，中心的铟球为正极，边缘的铟球为负极，在电致发光光谱仪设备上测试其电流‐亮度曲线，即为图3，电致发光光谱仪设备即为测试设备，设备可以直接给出亮度数据；图3为本发明LED和传统LED在不同注入电流密度下的光强曲线，在图中，纵坐标为相对光强，单位是mcd，横坐标是注入电流，单位是mA；从图3可以看出，本发明的LED的光强明显高于传统LED。

具有渐变In组分p型InGaN导电层的绿光LED外延结构，空穴注入到多量子阱有源区上不需要越过pAlGaN势垒层，同时渐变In组分可以产生极化电荷，进一步改善绿光LED的空穴注入效率，因此可以提高绿光LED的发光效率，图3的测试结果也显示本发明的具有渐变In组分p型InGaN导电层的绿光LED发光强度比传统LED更高。本发明空穴注入到多量子阱有源区上不需要越过pAlGaN势垒层，同时渐变In组分可以产生极化电荷，进一步改善绿光LED的空穴注入效率。从图3可以看出，采用本发明的绿光LED外延结构，发光强度比传统LED外延结构亮度提升12％，这对于降低LED全彩显示屏及RGB白光LED照明的能耗有重要意义。

实施例2

如图2所示，具有渐变In组分p型InGaN导电层的GaN基绿光LED外延结构，自下而上依次为衬底1、GaN成核层2、GaN缓冲层3、N型GaN导电层4、多量子阱有源区8和渐变In组分p型InGaN导电层7；其中，多量子阱有源区8由5个InGaN量子阱5和GaN量子垒6交替层叠组成。衬底1为蓝宝石衬底，渐变In组分p型InGaN导电层7的铟组分由5％逐渐下降到0。

外延生长步骤如下：

(1).将蓝宝石衬底放入金属有机化学气相化学沉积设备中，通入氢气，反应室温度升高到1300摄氏度，对衬底片进行高温清洗。

(2).将温度降低到550摄氏度，反应室通入氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(1)所述的衬底1上生长20nm的GaN成核层2。

(3).将反应室温度提高到1100度，通入氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(2)所述的成核层2上生长2um的GaN缓冲层3。

(4).反应室通入硅烷、氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(3)所述的GaN层3上生长N型GaN导电层4，厚度为2um，掺杂浓度8×10¹⁸cm^‐3。

(5).反应室通入氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，反应室温度降低到750摄氏度度，在步骤(4)所述的N型GaN导电层4上生长InGaN量子阱5，为InGaN势阱层，厚度是2.5nm。

(6).反应室通入硅烷、氨气、氮气、三甲基镓，反应室温度降低到850摄氏度度，在步骤(5)所述的InGaN势阱层上生长GaN量子垒6，为GaN势垒层，厚度是5nm。

(7).依次重复步骤(5)和(6)共14次，得到15个InGaN量子阱5和GaN量子垒6交替层叠组成的多量子阱有源区8，为InGaN/InGaN多量子阱有源区，厚度是112.5nm。

(8).反应室通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，其中二茂镁、氨气、氮气和三甲基镓流量分别是300cc、16000cc、21000cc、11cc，反应室温度保持850摄氏度，在步骤(7)所述的多量子阱有源区8上生长渐变In组分pInGaN导电层7，生长过程通入反应室的三甲基铟流量由500cc线性降低到0cc，厚度200nm，控制掺杂浓度为5×10¹⁹cm^‐3。

本实施例与实施例1相比，主要区别是各层厚度略微减薄，对LED性能没有明显影响，亮度仍然高于传统LED。

实施例3

如图2所示，具有渐变In组分p型InGaN导电层的GaN基绿光LED外延结构自下而上依次为衬底1、GaN成核层2、GaN缓冲层3、N型GaN导电层4、多量子阱有源区8和渐变In组分p型InGaN导电层7；其中，多量子阱有源区8由5个InGaN量子阱5和GaN量子垒6交替层叠组成。衬底1为蓝宝石衬底，渐变In组分p型InGaN导电层7的铟组分由5％逐渐下降到0。

外延生长步骤如下：

(1).将蓝宝石衬底放入金属有机化学气相化学沉积设备中，通入氢气，反应室温度升高到1300摄氏度，对衬底片进行高温清洗。

(2).将温度降低到550摄氏度，反应室通入氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(1)所述的衬底1上生长50nm的GaN成核层2。

(3).将反应室温度提高到1100度，通入氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(2)所述的成核层2上生长4um的GaN缓冲层3。

(4).反应室通入硅烷、氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(3)所述的GaN层3上生长N型GaN导电层4，厚度为4um，掺杂浓度8×10¹⁸cm^‐3。

(5).反应室通入氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，反应室温度降低到750摄氏度度，在步骤(4)所述的N型GaN导电层4上生长InGaN量子阱5，为InGaN势阱层，厚度是3.5nm。

(6).反应室通入硅烷、氨气、氮气、三甲基镓，反应室温度降低到850摄氏度度，在步骤(5)所述的InGaN势阱层上生长GaN量子垒6，为GaN势垒层，厚度是15nm。

(7).依次重复步骤(5)和(6)共4次，得到5个InGaN量子阱5和GaN量子垒6交替层叠组成的多量子阱有源区8，为InGaN/InGaN多量子阱有源区，厚度是92.5nm。

(8).反应室通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，其中二茂镁、氨气、氮气和三甲基镓流量分别是300cc、16000cc、21000cc、11cc，生长过程通入反应室的三甲基铟流量由500cc线性降低到0cc，反应室温度保持850摄氏度，在步骤(7)所述的多量子阱有源区8上生长渐变In组分pInGaN导电层7，厚度400nm，控制掺杂浓度为5×10¹⁹cm^‐3。

本实施例与实施例1相比，主要区别是各层厚度略微加厚，对LED性能没有明显影响，亮度仍然高于传统LED。

Claims (9)

1.具有渐变In组分p型InGaN导电层的GaN基绿光LED外延结构，其特征在于，包括自下而上依次连接的衬底、GaN成核层、GaN缓冲层、N型GaN导电层、多量子阱有源区和渐变In组分p型InGaN导电层；所述多量子阱有源区由5‐15对InGaN量子阱和GaN量子垒交替叠加组成；所述渐变In组分p型InGaN导电层的厚度为200‐400nm；所述渐变In组分p型InGaN导电层的In原子百分比沿着生长方向由15％渐变降低到0。

2.根据权利要求1所述的具有渐变In组分p型InGaN导电层的GaN基绿光LED外延结构，其特征在于，所述衬底的厚度为300‐500um。

3.根据权利要求1所述的具有渐变In组分p型InGaN导电层的GaN基绿光LED外延结构，其特征在于，所述GaN成核层2的厚度为20‐50nm。

4.根据权利要求1所述的具有渐变In组分p型InGaN导电层的GaN基绿光LED外延结构，其特征在于，所述GaN缓冲层3的厚度为2‐4um。

5.根据权利要求1所述的具有渐变In组分p型InGaN导电层的GaN基绿光LED外延结构，其特征在于，所述N型GaN导电层4的厚度为2‐4um。

6.根据权利要求1所述的具有渐变In组分p型InGaN导电层的GaN基绿光LED外延结构，其特征在于，所述InGaN量子阱5的厚度为2.5‐3.5nm。

7.根据权利要求1所述的具有渐变In组分p型InGaN导电层的GaN基绿光LED外延结构，其特征在于，所述GaN量子垒6的厚度为5‐15nm。

8.根据权利要求1所述的具有渐变In组分p型InGaN导电层的GaN基绿光LED外延结构，其特征在于，所述多量子阱有源区的厚度为100‐500nm。

9.权利要求1‐8任一项所述具有渐变In组分p型InGaN导电层的GaN基绿光LED外延结构的生长方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将衬底放入金属有机化学气相化学沉积设备中，在高温、氢气气氛中对衬底片进行清洗，去除衬底表面的污染物；

2)将温度降低到550℃，在步骤1)所述的衬底片上生长GaN成核层；

3)将反应室温度提高到1100℃，在步骤2)所述的成核层上生长GaN缓冲层；

4)在步骤3)所述的GaN层上生长N型GaN导电层，控制掺杂浓度为8×10¹⁸cm^‐3；

5)反应室温度降低到850℃，在步骤4)所述的N型GaN导电层上生长GaN量子垒；

6)循环重复如下步骤a)和步骤b)5‐10次，得到InGaN/GaN多量子阱有源区：

a)反应室温度降低到750℃，在步骤a)所述的InGaN量子垒上生长InGaN量子阱；

b)将反应室温度升至850℃，继续生长GaN量子垒层；

7)反应室通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，其中二茂镁、氨气、氮气和三甲基镓流量分别是300cc、16000cc、21000cc、11cc，反应室温度保持850℃，生长过程通入反应室的三甲基铟流量由500cc线性降低到0cc，在步骤6)所述的有源区上生长P型InGaN导电层，控制所述渐变In组分p型InGaN导电层的厚度为200‐400nm。