CN104393132B - 绿光led外延层结构及生长方法 - Google Patents

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Abstract

一种绿光LED外延层结构及生长方法，其中绿光LED外延层结构，包括：一衬底，该衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；一GaN缓冲层，其生长在衬底上；一非掺杂GaN层，其生长在GaN缓冲层上；一N型GaN层，其生长在非掺杂GaN层上；一多量子阱区，其生长在N型GaN层上；一P型AlGaN层，其生长在多量子阱区上；一P型GaN层，其生长在P型AlGaN层上；一P型GaN盖层，其生长在P型GaN层上。本发明是通过提高MQW中空穴的注入效率和减小InGaN量子阱中的QCSE效应，实现绿光LED发光效率的提升。

Description

绿光LED外延层结构及生长方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种绿光LED外延层结构及生长方法，其可以用于半导体光电器件的制作。
背景技术
GaN基绿光发光二极管(LED)是目前广泛应用于显示与照明领域的一种半导体固体发光器件，其外延结构的核心部分为InGaN/GaN多量子阱(MQW)层。LED发光效率的高低主要取决于MQW层的结构及质量，而优化MQW结构，改善MQW材料质量是获得高亮度绿光LED器件的根本途径。
传统的GaN基绿光LED中，都是采用简单结构的InGaN/GaN MQW层作为有源区，其特点是采用GaN材料作为势垒层限制载流子。该结构量子阱结构简单，但是对电子和空穴的限制没有区分，且阱内存在较强的量子限制斯塔克效应(QCSE)。由于GaN材料中空穴的迁移率较低，而绿光InGaN量子阱的势阱较深，从而导致由P型区注入的空穴极易堆积在靠近P型区的量子阱内。而靠近N型区的阱内空穴浓度较低，发光较弱。这种空穴浓度分布的不均匀性，导致多量子阱区发光的不均匀，实际上降低了LED器件的发光效率。此外，为了实现量子阱材料的绿光发射，InGaN阱层中的In含量较高，导致InGaN阱与GaN垒间的失配应变增大。相应地，界面极化电荷的增多，使得阱内极化电场增强。由此引起的增强的QCSE效应，将显著减小材料的绿光发光效率。虽然降低势垒高度(如采用单一的InGaN垒)可以有效提高空穴注入效率，并抑制QCSE效应，但是由于同时减小了势垒对电子的阻挡作用，增加了电子的泄露，减小了电子的注入效率，也会导致LED发光强度的减弱。
为此，在保证电子注入效率的情况下，提高MQW结构中空穴的注入效率，同时减小量子阱中的QCSE效应，将有助于显著提高绿光LED的发光效率。
发明内容
本发明提出了一种绿光LED外延层结构及生长方法。其目的在于通过提高MQW中空穴的注入效率和减小InGaN量子阱中的QCSE效应，实现绿光LED发光效率的提升。
本发明提供一种绿光LED外延层结构，包括：
一衬底，该衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；
一GaN缓冲层，其生长在衬底上；
一非掺杂GaN层，其生长在GaN缓冲层上；
一N型GaN层，其生长在非掺杂GaN层上；
一多量子阱区，其生长在N型GaN层上；
一P型AlGaN层，其生长在多量子阱区上；
一P型GaN层，其生长在P型AlGaN层上；
一P型GaN盖层，其生长在P型GaN层上。
本发明还提供一种绿光LED外延层生长方法，包括以下步骤：
步骤1：取一衬底，该衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；
步骤2：在该衬底上依次生长GaN缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱区、P型AlGaN层、P型GaN层、P型GaN盖层，完成生长。
本发明有以下有益效果：
1、本发明提出的单侧阶梯形InGaN势垒结构减小了势垒对注入空穴的有效限制，但是不影响势垒对注入电子的阻挡作用。从而在不影响电子注入效率的情况下，提高了空穴的注入效率，使得MQW中空穴的分布更加均匀，提高了靠近N区一侧的量子阱的发光效率。
2、势垒层中，In的含量以阶梯形式逐层递增，最后一级台阶中In含量与量子阱中In含量最接近，从而减小了阱/垒界面处的压电极化效应。相应地，减小了阱内的极化电场强度，即减弱了QCSE效应，提高了单个阱的发光效率。
3、通过增加势垒层中的台阶数，以及优化各台阶间高度差，可以进一步提高空穴的注入效率，减小QCSE效应，获得高亮度的绿光LED器件。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1是本发明中LED外延层结构示意图。
图2是本发明中阶梯形InGaN垒层的结构示意图。
图3是本发明中LED外延材料制备方法流程图。
图4是本发明实施例中多量子阱区的能带示意图。
具体实施方式
本发明提供的一种绿光LED外延层结构，请参阅图1所示，包括：
一衬底11，该衬底11的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；
一GaN缓冲层12，其生长在衬底11上；
一非掺杂GaN层13，其生长在GaN缓冲层12上；
一N型GaN层14，其生长在非掺杂GaN层13上。该N型GaN层14厚度为1-3μm，其中Si的掺杂浓度大于1018/cm3；
一多量子阱区15，其生长在N型GaN层14上。
一P型AlGaN层16，其生长在多量子阱区15上。该层厚度为30-50nm，Al含量5％-10％，P型Mg掺杂浓度大于1018/cm3；
一P型GaN层17，其生长在P型AlGaN层16上，该层厚度为100200nm，P型Mg掺杂浓度大于1018/cm3；
一P型GaN盖层18，其生长在P型GaN层17上，该层厚度20-50nm，P型Mg掺杂浓度大于1019/cm3。
其中，所述的多量子阱区15由多个周期排列的InGaN阱层19和阶梯形InGaN垒层20构成，请参阅图2所示。所述的InGaN阱层19中In含量为15％-50％，阱层厚度为2-5nm。所述的阶梯形InGaN垒层20的结构，包括：
一GaN子垒层21，其生长在InGaN阱层19上；
一第一InGaN子垒层22，其生长在GaN子垒层21上；
一第二InGaN子垒层23，其生长在第一InGaN子垒层22上，且其In含量高于第一InGaN子垒层22中的In含量；
一第三InGaN子垒层24，其生长在第二InGaN子垒层23上，且其In含量高于第二InGaN子垒层23中的In含量；
依次重复上述多个InGaN子垒层，并保证InGaN子垒层中的In含量逐层递增。各子垒层中的In含量最小值为1％，最大值不超过InGaN阱层19中的In含量。各子垒层间的In含量差值最小为1％；
所述的阶梯形InGaN垒层20的最后一个InGaN子垒层中In的含量小于InGaN阱层19中的In含量；
所述的阶梯形InGaN垒层20的总厚度不小于10nm，其中的每个子垒层的厚度为3-5nm；
所述多量子阱区15的周期数和阶梯形InGaN垒层20的子垒层数至少大于2，可根据实际需要适当增加周期数和子垒层数。
本发明还提供了一种绿光LED外延层生长方法，请参阅图3所示，包括以下步骤：
步骤1：取一衬底11，该衬底11的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓。将所述衬底11在1000-1200℃的氢气气氛里进行高温清洁处理5-20min，然后进行氮化处理。
步骤2：在该衬底11上依次生长GaN缓冲层12(生长温度450-650℃，生长厚度为20-30nm)、非掺杂GaN层13(生长温度1000-1200℃，厚度为0.5-2.0μm)、N型GaN层14(生长温度1000-1200℃，厚度为1-3μm，Si掺杂浓度大于1018/cm3)、多量子阱区15、P型AlGaN层16(生长温度900-1100℃，厚度为30-50nm，Al含量5％-10％，P型Mg掺杂浓度大于1018/cm3)、P型GaN层17(生长温度850-1050℃，厚度为100-200nm，P型Mg掺杂浓度大于1018/cm3)、P型GaN盖层18(生长温度850-1050℃，厚度为20-50nm，P型Mg掺杂浓度大于1019/cm3)，随后，将反应室的温度降至800℃以下，在氮气气氛退火10-20min，再降至室温，完成生长。
其中，所述的多量子阱区15由重复生长的多周期排列的InGaN阱层19(生长温度650-850℃，厚度为2-5nm，In含量为15％-50％)和阶梯形InGaN垒层20形成。
所述的阶梯形InGaN垒层20的生长步骤，包括：
在InGaN阱层19上生长GaN子垒层21，生长温度850-1050℃，厚度3-5nm；
在GaN子垒层21上生长第一InGaN子垒层22，生长温度850-1050℃，厚度3-5nm，In含量1％-5％；
在第一InGaN子垒层22上生长第二InGaN子垒层23，生长温度850-1050℃，厚度3-5nm，In含量5％-10％；
在第二InGaN子垒层23上生长第三InGaN子垒层24，生长温度850-1050℃，厚度3-5nm，In含量10％-15％；
依次重复上述多个InGaN子垒层，并保证InGaN子垒层中的In含量逐层递增。各子垒层中的In含量最小值为1％，最大值不超过InGaN阱层19中的In含量。各子垒层间的In含量差值最小为1％。阶梯形InGaN垒层20中最后一个InGaN子垒层的In含量小于InGaN阱层19中的In含量。
生长的多量子阱区15的周期数和阶梯形InGaN垒层20的子垒层数至少大于2，可根据实际需要适当增加周期数和子垒层数。
本实施例以高纯氢气(H2)或氮气(N2)作为载气，以三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)和二茂镁(CP2Mg)分别作为N、P型掺杂剂。
采用本实施例获得的多量子阱区15的能带示意图，如图4所示。其中箭头方向为材料生长方向，左侧N型区表示N型GaN层14，右侧P型区表示P型AlGaN层16，中间区域表示由多个周期重复排列的InGaN阱层19和阶梯形InGaN垒层20组成的多量子阱区15。当LED正向偏置时，大量电子由N型区沿材料生长方向注入多量子阱区。由于该方向上导带电子的势垒高度不变，对电子的注入没有影响；同时，大量空穴由P型区逆着材料生长方向注入多量子阱区。由于该方向上价带空穴的势垒高度由低到高呈阶梯形变化，使得空穴更容易利用这些台阶越过整个势垒层，进入下一个阱层，即降低了垒层对空穴的限制。从而提高了空穴的注入效率，使得靠近N型区一侧的量子阱层中空穴浓度增大，发光强度增加。此外，由于垒层中掺入了In，减小了垒层与阱层间的平均晶格失配，从而降低了阱中的QCSE效应，提高了单个量子阱层中的发光效率。
需要说明的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种绿光LED外延层结构，包括：
一衬底，该衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；
一GaN缓冲层，其生长在衬底上；
一非掺杂GaN层，其生长在GaN缓冲层上；
一N型GaN层，其生长在非掺杂GaN层上；
一多量子阱区，其生长在N型GaN层上，该多量子阱区由多个周期排列的InGaN阱层和阶梯形InGaN垒层构成，该阶梯形InGaN垒层的结构，包括：
一GaN子垒层，其生长在InGaN阱层上；
一第一InGaN子垒层，其生长在GaN子垒层上；
一第二InGaN子垒层，其生长在第一InGaN子垒层上，且其In含量高于第一InGaN子垒层中的In含量；
一第三InGaN子垒层，其生长在第二InGaN子垒层上，且其In含量高于第二InGaN子垒层中的In含量；
依次重复上述多个InGaN子垒层，并保证InGaN子垒层中的In含量逐层递增；
一P型AlGaN层，其生长在多量子阱区上；
一P型GaN层，其生长在P型AlGaN层上；
一P型GaN盖层，其生长在P型GaN层上。
2.根据权利要求1所述的绿光LED外延层结构，其中阶梯形InGaN垒层的最后一个InGaN子垒层中In的含量小于InGaN阱层中的In含量。
3.根据权利要求1所述的绿光LED外延层结构，其中多量子阱区的周期数和阶梯形InGaN垒层的子垒层数至少大于2。
4.一种绿光LED外延层生长方法，包括以下步骤：
步骤1：取一衬底，该衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；
步骤2：在该衬底上依次生长GaN缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱区、P型AlGaN层、P型GaN层、P型GaN盖层，
其中该多量子阱区由多个周期排列的InGaN阱层和阶梯形InGaN垒层构成，该阶梯形InGaN垒层的结构，包括：
一GaN子垒层，其生长在InGaN阱层上；
一第一InGaN子垒层，其生长在GaN子垒层上；
一第二InGaN子垒层，其生长在第一InGaN子垒层上，且其In含量高于第一InGaN子垒层中的In含量；
一第三InGaN子垒层，其生长在第二InGaN子垒层上，且其In含量高于第二InGaN子垒层中的In含量；
依次重复上述多个InGaN子垒层，并保证InGaN子垒层中的In含量逐层递增。
5.根据权利要求4所述的绿光LED外延层生长方法，其中阶梯形InGaN垒层的最后一个InGaN子垒层中In的含量小于InGaN阱层中的In含量。
6.根据权利要求4所述的绿光LED外延层生长方法，其中多量子阱区的周期数和阶梯形InGaN垒层的子垒层数至少大于2。
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