CN106159047B - 具有pn掺杂量子垒的发光二极管外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有PN掺杂量子垒的发光二极管外延结构及其制备方法，发光二极管结构从下至上包括蓝宝石衬底、GaN缓冲层、N型GaN导电层、多量子阱有源区和P型GaN导电层，其特征在于所述量子阱有源区包括量子阱层和量子垒层；所述量子垒层由P型掺杂量子垒和N型掺杂量子垒组成。本发明采用微PN结量子垒代替传统的量子垒，可以屏蔽量子阱的极化电场，减小电子空穴波函数分离，提高发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，具体涉及一种具有PN掺杂量子垒的发光二极管外延结构及其制备方法。
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LED的内量子效率很低，特别是绿光LED的内量子效率不到蓝光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、极化电场等造成的电子-空穴波函数分离严重等。世界各国科学家为了提高LED的量子效率投入了大量精力。
中国专利CN201410307318公开了一种采用可调控能带量子阱结构及外延片生长方法，其主要技术方案是采用一个或者多个组分渐变的量子阱势阱层，实现对量子阱区域的能带调控，提高量子阱有源区电子-空穴波函数重叠，提高量子阱区域的辐射复合效率，进而提高LED的功率和发光效率。本方法的缺点是量子阱层与垒层的晶格失配度仍然很大，量子阱层的晶体质量较差。缺陷造成的自发辐射复合中心仍会明显降低LED的发光效率。
中国专利CN201210093564.5公开了一种利用金属核壳结构的等离子体增强绿光发光二极管内量子效率的方法。其技术方案是首先在衬底上生长LED结构，然后生长纳米金属耦合层，之后生长pGaN盖层和pGaN接触层，通过金属离子的等离子体提高发光二极管的内量子效率。本方法的缺点是需要二次外延，大大提高了成本，另外金属粒子与量子阱太近，容易造成漏电。
发明内容
本发明针对现有GaN基发光二极管外延片InGaN阱与GaN晶格失配度大，InGaN量子阱能带倾斜，电子-空穴波函数分离严重导致的内量子效率低的问题，提出一种具有PN双掺杂量子垒的发光二极管结构及其制备方法。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种具有PN掺杂量子垒的发光二极管结构，从下至上包括蓝宝石衬底、GaN缓冲层、N型GaN导电层、多量子阱有源区和P型GaN导电层，所述量子阱有源区包括量子阱层和量子垒层；所述量子垒层由P型掺杂量子垒和N型掺杂量子垒组成。
进一步优化地，所述P型掺杂量子垒和N型掺杂量子垒的厚度比小于等于1。
进一步优化地，所述P型掺杂量子垒的掺杂浓度为1×1017cm-3-1×1021cm-3。
进一步优化地，所述N型掺杂量子垒的掺杂浓度为1×1017cm-3-1×1021cm-3。
进一步优化地，量子垒层中靠近N型GaN导电层一侧为P型掺杂量子垒，靠近P型GaN导电层一侧为N型掺杂量子垒。
进一步优化地，所述GaN缓冲层为GaN成核层，厚度为10-100nm。
进一步优化地，所述GaN缓冲层是GaN成核层和非故意掺杂GaN层，其中GaN成核层厚度为10-100nm，非故意掺杂GaN层厚度为100-4000nm；所述N型GaN导电层的硅掺杂浓度2×1018cm-3-2×1019cm-3；P型GaN导电层中镁的掺杂浓度2×1018cm-3-2×1020cm-3。
进一步优化地，多量子阱有源区中的量子阱层和量子垒层可周期交替排列(顺序周期排列可调)。
进一步优化地，所述N型GaN导电层厚度为1000-4000nm。
制备上述的一种具有PN掺杂量子垒的发光二极管结构的方法，其包括如下步骤：
(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)所述的衬底片上生长30nm的GaN成核层；
(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)所述的成核层上生长2μm的非故意掺杂GaN层；
(4)反应室通入硅烷、氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(3)所述的非故意掺杂GaN层上生长N型GaN导电层,厚度2μm，掺杂浓度8×1018cm-3；
(5)反应室温度降低到800摄氏度，通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓，在步骤(4)所述的N型掺杂GaN导电层上生长P型掺杂的GaN多量子阱势垒层；
(6)反应室温度降保持800摄氏度，通入硅烷、氨气、氮气、三甲基镓，在步骤(5)所述的P型掺杂GaN多量子阱势垒层上生长N型掺杂的GaN势垒层；
(7)反应室温度降低到700摄氏度度，通入氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在步骤(7)得到的InGaN多量子阱势垒层上生长InGaN多量子阱势阱层；
(8)循环重复如下步骤(a)、步骤(b)、步骤(c)10次，得到InGaN/pGaN/nGaN多量子阱有源区：
(a)将反应室温度升至800摄氏度，继续生长P型掺杂的GaN多量子阱势垒层；
(b)将反应室温度升至800摄氏度，继续生长N型掺杂的GaN多量子阱势垒层；
(c)反应室温度降低到700摄氏度度，在步骤(b)所述的势垒层上生长InGaN多量子阱势阱层；
(9)反应室通入二茂镁、氨气、氮气三甲基镓，温度提高到950摄氏度，在步骤(8)所述的有源区上生长P型GaN导电层厚度200nm，掺杂浓度5×1019cm-3。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明针对现有GaN基发光二极管外延片InGaN量子阱与GaN量子垒的晶格失配度大，电子-空穴波函数分离严重导致的内量子效率低等问题，提出一种具有PN双掺杂GaN势垒层的发光二极管外延结构。PN双掺杂的GaN势垒层内建电场可以屏蔽部分极化电场，减小量子阱的总电场强度，提高电子空穴波函数重叠几率，增加LED的内量子效率。本发明的量子垒PN掺杂的内建电场与发光二极管PN结的内建现场方向相反，因此可以减小总的内建电场强度，降低发光二极管的工作电压，进一步提高发光二极管的光电转换效率。
附图说明
图1为GaN外延结构示意图。
图2为常规GaN基LED多量子阱结构示意图。
图3为本发明GaN基LED多量子阱结构示意图。
图4、图5分别是本发明LED和传统LED在不同注入电流密度下的能带图。
图6是本发明LED和传统LED在相同注入电流密度下的光功率曲线，在图中，纵坐标为光功率，单位是mW,横坐标是注入电流密度，单位是A/cm2。
图中：1、衬底；2、GaN成核层；3、非故意掺杂GaN层；4、N型GaN导电层；5、多量子阱有源区；6、P型GaN导电层；7、量子阱层；8、量子垒层；801、P型掺杂量子垒；802、N型掺杂量子垒。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
以下仅仅作为一个实施例、一种具有PN掺杂量子垒的发光二极管外延结构
如图1所示，所述发光二极管自下而上依次为蓝宝石衬底1、GaN成核层2、非故意掺杂GaN层3、N型GaN导电层4、多量子阱有源区5和P型InGaN导电层6。从下至上包括蓝宝石衬底、GaN缓冲层、N型GaN导电层、多量子阱有源区和P型GaN导电层，多量子阱有源区中的量子阱层和量子垒层可周期交替排列(顺序可调)；所述量子垒层由P型掺杂量子垒和N型掺杂量子垒组成。
作为一种实例，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)所述的衬底片上生长30nm的GaN成核层。
(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)所述的成核层上生长2μm的非故意掺杂GaN层。
(4).反应室通入硅烷、氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(3)所述的非故意掺杂GaN层上生长N型GaN导电层,厚度2μm，掺杂浓度8×1018cm-3。
(5).反应室温度降低到800摄氏度，通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓，在步骤(4)所述的N型GaN导电层上生长P型掺杂的GaN势垒层，厚度5nm，掺杂浓度5×1018cm-3。
(6).反应室温度降保持800摄氏度，通入硅烷、氨气、氮气、三甲基镓，在步骤(5)所述的P型掺杂GaN势垒层上生长N型掺杂的GaN势垒层，厚度5nm，掺杂浓度5×1018cm-3。
(7).反应室温度降低到700摄氏度度，通入氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在步骤(6)所述的量子阱势垒层上生长InGaN多量子阱势阱层；
(8).循环重复如下步骤(a)、步骤(b)、步骤(c)10次，得到InGaN/pGaN/nGaN多量子阱有源区：
(a).将反应室温度升至800摄氏度，继续生长P型掺杂的GaN多量子阱势垒层，厚度5nm，掺杂浓度5×1018cm-3。
(b).将反应室温度升至800摄氏度，继续生长N型掺杂的GaN多量子阱势垒层，厚度5nm，掺杂浓度5×1018cm-3。
(c).反应室温度降低到700摄氏度度，在步骤(b)所述的势垒层上生长InGaN多量子阱势阱层；
(9).反应室通入二茂镁、氨气、氮气三甲基镓，温度提高到950摄氏度，在步骤(8)所述的有源区上生长P型GaN导电层厚度200nm，掺杂浓度5×1019cm-3。
由图4和图5可知，在相同注入电流密度和量子阱位置，本发明的LED量子阱的能带倾斜程度明显低于传统LED的能带倾斜。
由图6可知，在相同注入电流密度时，本发明的LED光功率明显高于传统LED的光功率。
上述制备得到的具有PN掺杂量子垒的发光二极管外延结构，PN双掺杂的GaN势垒层内建电场可以屏蔽部分极化电场，减小量子阱的总电场强度，提高电子空穴波函数重叠几率，增加LED的内量子效率。本发明的量子垒PN掺杂的内建电场与发光二极管PN结的内建现场方向相反，因此可以减小总的内建电场强度，降低发光二极管的工作电压，进一步提高发光二极管的光电转换效率。
Claims (5)
1.具有PN掺杂量子垒的发光二极管结构，从下至上包括蓝宝石衬底、GaN缓冲层、N型GaN导电层、多量子阱有源区和P型GaN导电层，其特征在于所述量子阱有源区包括多个量子阱层和多个量子垒层；每个所述量子垒层由P型掺杂量子垒和N型掺杂量子垒组成；所述P型掺杂量子垒的掺杂浓度为1×1017cm-3-1×1021cm-3；所述N型掺杂量子垒的掺杂浓度为1×1017cm-3-1×1021cm-3，每一个量子垒层中的所述P型掺杂量子垒和N型掺杂量子垒的厚度比小于等于1；每个量子垒层中靠近N型GaN导电层一侧为P型掺杂量子垒，靠近P型GaN导电层一侧为N型掺杂量子垒;多量子阱有源区中的量子阱层和量子垒层周期交替排列。
2.根据权利要求1所述的具有PN掺杂量子垒的发光二极管结构，其特征在于所述GaN缓冲层为GaN成核层，厚度为10-100 nm。
3.根据权利要求1所述的具有PN掺杂量子垒的发光二极管结构，其特征在于所述GaN缓冲层是GaN成核层和非故意掺杂GaN层，其中GaN成核层厚度为10-100 nm，非故意掺杂GaN层厚度为100-4000 nm；所述N型GaN导电层的硅掺杂浓度2×1018cm-3-2×1019cm-3；P型GaN导电层中镁的掺杂浓度2×1018cm-3-2×1020cm-3。
4.根据权利要求1所述的具有PN掺杂量子垒的发光二极管结构，其特征在于所述N型GaN导电层厚度为1000-4000nm。
5.制备权利要求1~4任一项所述的具有PN掺杂量子垒的发光二极管结构的方法，其特征在于包括如下步骤：
(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)所述的衬底片上生长30 nm的GaN成核层；
(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)所述的成核层上生长2μm的非故意掺杂GaN层；
(4)反应室通入硅烷、氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(3)所述的非故意掺杂GaN层上生长N型GaN导电层,厚度2 μm，掺杂浓度8×1018cm-3；
(5)反应室温度降低到800摄氏度，通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓，在步骤(4)所述的N型掺杂GaN导电层上生长P型掺杂的GaN多量子阱势垒层；
(6)反应室温度降保持800摄氏度，通入硅烷、氨气、氮气、三甲基镓，在步骤(5)所述的P型掺杂GaN多量子阱势垒层上生长N型掺杂的GaN势垒层；
(7)反应室温度降低到700摄氏度，通入氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在步骤(7)得到的InGaN多量子阱势垒层上生长InGaN多量子阱势阱层；
(8)循环重复如下步骤（a）、步骤（b）、步骤（c）10次，得到InGaN/pGaN/nGaN多量子阱有源区：
(a)将反应室温度升至800摄氏度，继续生长P型掺杂的GaN多量子阱势垒层；
(b)将反应室温度升至800摄氏度，继续生长N型掺杂的GaN多量子阱势垒层；
(c)反应室温度降低到700摄氏度，在步骤(b)所述的势垒层上生长InGaN多量子阱势阱层；
(9)反应室通入二茂镁、氨气、氮气三甲基镓，温度提高到950摄氏度，在步骤(8)所述的有源区上生长P型GaN导电层厚度200 nm，掺杂浓度5×1019cm-3。
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