CN107068818A - 一种AlInGaN基绿、黄光发光二极管的外延结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种AlInGaN基绿、黄光LED的外延结构,包含:一个用于材料生长的衬底;层叠于该衬底上的AlInGaN基半导体叠层,该AlInGaN基半导体叠层至少包含一层N型层、一层P型层和夹于N型层、P型层之间的AlInGaN多量子阱,特征是:在多量子阱中镶嵌有在生长平面中呈周期性排列的V坑,且该种V坑的尺寸大小相同;平面量子阱中存在类量子点结构,并成为LED的主要发光源。本发明具有以下优点:1、多量子阱中的类量子点发光结构减弱了位错的影响;2、多量子阱中镶嵌有在生长平面中呈周期性排列的“工艺V坑”进一步增强了V坑的空穴注入功能;3、可实现V坑增强空穴注入功能的最优化,可提高LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料,尤其是涉及一种AlInGaN基绿、黄光发光二极管的外延结构。
背景技术
铝铟镓氮(AlInGaN)基发光二极管(LED)具有广泛的用途,可应用于仪器工作指示、交通信号灯、大屏幕显示和通用照明等市场。目前,AlInGaN基LED在蓝光波段已取得巨大成功,但其在绿、黄光等较长波段的发光效率仍然较低。究其原因为绿、黄光LED中InGaN/GaN多量子阱的In组分高。高In组分会引入两个不利因素:1)阱垒间晶格失配度增大,压应力增大,压电极化效应增大,且位错增多;2)In组分不易掺入,需降低生长温度,故In组分容易发生偏析,降低量子阱晶体质量,产生暗区。这些不利因素均会导致LED发光效率低。
为缓解上述不利因素,一般的解决办法均参照蓝光LED的研究经验。首先,增加绿、黄光LED超晶格准备层中的In含量,可适当缓解量子阱所受压应力;但此方法作用有限。其次,在材料生长中引入V坑,可有效提高LED的发光效率。众所周知,由于采用异质外延,AlInGaN材料与衬底材料之间在晶格常数和热膨胀系数上存在较大差异,因此在生长多量子阱时会产生大量的位错。位错是非辐射复合中心,将成为载流子“杀手”,降低LED的发光效率。然而,通过控制阱前准备层的生长工艺,位错在穿透多量子阱的过程中,会诱导产生一种V型缺陷。这种V型缺陷实际上是围绕在位错四周的锥型坑,简称为V坑,其结构如图1所示,呈倒六角金字塔状。图2为带有V坑的LED外延结构的剖面示意图。如图2所示,V坑4在阱前准备层5中形核于位错11之上,并随着阱前准备层5生长厚度的增加而长大。随后生长的多量子阱12会在V坑4侧壁的半极性面上生长,形成V坑侧壁量子阱7和V坑侧壁量子垒8,V坑4也逐渐长大。最后通过在中空的V坑4中填入p型层,从而获得表面平整的LED外延结构。有研究结果表明,V坑4可有效屏蔽位错11,减少载流子在位错11上的非辐射复合几率;另外,V坑4也有增强空穴注入的作用,缓解发光过程中空穴浓度不足的问题;因此,控制V坑4的生长,可显著提高LED的发光效率。然而,在生长过程中产生的V坑4是由位错11诱导产生的,所以每个V坑4都围绕着位错11而长大,其空间位置由位错11决定,基本是随机分布的。这种随机分布虽不影响V坑4屏蔽位错11的功能,但却无法使得V坑4增强空穴注入的功能最优化。因此,即使经过上述方法优化后的绿、黄光LED的发光效率仍远低于蓝光LED的发光效率;因此,有必要设计一种新的绿、黄光AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构,在消除位错影响的情况下,将V坑增强空穴注入的功能最优化,以期进一步提高绿、黄光LED的发光效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有类量子点发光特征、可实现V坑增强空穴注入功能的最优化、可提高LED的发光效率的AlInGaN基绿、黄光发光二极管的外延结构。
本发明的目的是这样实现的:
一种AlInGaN基绿、黄光发光二极管的外延结构,包含:一个用于材料生长的衬底;层叠于该衬底上的AlInGaN基半导体叠层,该AlInGaN基半导体叠层至少包含一层N型层、一层P型层和夹于N型层、P型层之间的AlInGaN多量子阱,特征是:在多量子阱中镶嵌有在生长平面中呈周期性排列的V坑;平面量子阱中存在类量子点结构,并成为LED的主要发光源。
所述外延结构制作成的LED芯片在工作电流密度为20A/cm2时,对应发光峰值波长在520nm到590nm之间。
所述V坑的形成起始位置为衬底或N型层。
所述N型层包括但不限于缓冲层、N型AlInGaN层、阱前准备层中的一层或多层。
所述P型层,包括但不限于电子阻挡层、空穴注入层、P型AlInGaN层中一层或多层。
所述N型层生长平面或P型层生长平面均为极性面,即(0001)晶面族。
所述V坑的侧壁为半极性面,以(10-11)晶面族为最优。
所述V坑的尺寸大小相同,在N型层生长平面或P型层生长平面的投影为周期性排列的正六边形,每个正六边形都仅与其它六个正六边形相邻;所有正六边形的边长均相等,且任意相邻两个正六边形的中心距相等。
所述衬底包括但不限于:蓝宝石、SiC、GaN或Si中的一种。
在多量子阱结构生长结束之后,P型层生长开始之前时,所述V坑在(0001)晶面族生长平面的正六边形投影的边长a值范围为0.01∽5微米,相邻两个正六边形的中心距d值大于正六边形边长a值的2倍:d>2a,且所有正六边形面积之和与多量子阱在生长平面的面积之比η值范围为12%∽75%。
优选范围:正六边形边长a值为0.02∽0.5微米,η值为25%∽55%值。
所述外延结构的实现方式采用n次外延(n=1,2,3,4);在完成外延结构生长的过程中,中途中断生长,取出外延片进行工艺处理后,再次放入外延炉继续生长,即为二次生长;n次外延为这种中断出现了(n-1)次。
所述V坑周期性排列的实现方式有两种:1)直接在V坑起始层上,通过刻蚀或腐蚀的工艺方式形成周期性排列的V坑;2)通过工艺控制位错分布,先使位错实现周期性排列,然后在阱前准备层中由位错诱导产生V坑,则V坑将继承位错的周期性排列方式。这两种方式实现的V坑统称为“工艺V坑”。
所述类量子点结构为多量子阱中由于In组分起伏形成的高In组分发光区域。
由于绿、黄光LED多量子阱结构中的In组分高,In易发生偏析,形成晶体质量差且不发光的高In组分InGaN团簇。在本发明的AlInGaN基绿、黄光LED外延结构中,一个特点是:多量子阱中的In组分不发生明显偏析,只存在一定程度的In组分起伏,从而在多量子阱中形成一些晶体质量高且发光的类量子点结构,并成为LED的主要发光源。该种LED可称为类量子点发光LED。本发明的另外一个特点是:在外延结构中引入“工艺V坑”,通过将“工艺V坑”设计成尺寸大小一致,周期性排列且均匀分布,使得V坑增强空穴注入的功能最优化,从而提高LED发光效率。
为与“工艺V坑”区分,自然生长过程中产生的、由随机分布的位错诱导的V坑为“自然V坑”。图3为本发明所述外延结构的示意图。如图3所示,“工艺V坑”的产生不依赖于位错。位错仍旧是随机分布的。虽然通过控制外延工艺,可抑制“自然V坑”的长大;但不可避免的,位错仍可诱导产生尺寸较小的“自然V坑”。这种尺寸很小的“自然V坑”虽然增强空穴注入的功能很弱,但仍具有屏蔽位错的作用。另外,由于类量子点结构的存在,使得载流子局域化,不易为位错俘获。在类量子点结构与“自然V坑”的共同作用下,位错被完全屏蔽,从而对LED的发光效率基本无影响。因此,对于“工艺V坑”来说,无需考虑屏蔽位错功能,仅需考虑增强空穴注入的功能。通过有意地控制“工艺V坑”在生长平面成周期性排列(如图4所示,以AB排列为一个周期),可实现V坑增强空穴注入功能的最优化。
因此,本发明具有以下优点:
1、多量子阱中的类量子点发光结构减弱了位错的影响;
2、多量子阱中镶嵌有在生长平面中呈周期性排列的“工艺V坑”进一步增强了V坑的空穴注入功能;
3、可实现V坑增强空穴注入功能的最优化,可提高LED的发光效率。
附图说明
图1为侧面为{10-11}面的V坑结构示意图;
图2是具有V坑的LED外延结构的剖面示意图;图中:1为衬底,2为缓冲层,3为N型AlInGaN层,4为V坑,5为阱前准备层,6为平台量子垒,7为V坑侧壁量子阱,8为V坑侧壁量子垒,9为平台量子阱,10为P型AlInGaN层,11为位错,12为多量子阱;
图3为本发明所述外延结构的示意图;图中:1为衬底,2为缓冲层,3为N型AlInGaN层,4为“工艺V坑”,5为阱前准备层,6为平台量子垒,7为V坑侧壁量子阱,8为V坑侧壁量子垒,9为平台量子阱,10为平台量子阱中形成一些类量子点结构(主要发光源),11为P型AlInGaN层,12为位错,13为多量子阱,14为“自然V坑”;
图4为在生长平面(0001)面中成周期性排列的V坑示意图;图中:1为“工艺V坑”(在生长平面的投影为正六边形),2为生长平面(0001)面,周期性排列方式为ABABAB……;
图5为实施例1中外延结构的示意图;图中:1为衬底,2为缓冲层,3为N型AlInGaN层,4为“工艺V坑”,5为阱前准备层,6为平台量子垒,7为V坑侧壁量子阱,8为V坑侧壁量子垒,9为平台量子阱,10为平台量子阱中形成一些类量子点结构(主要发光源),11为P型AlInGaN层,12为位错,13为多量子阱,14为“自然V坑”;
图6为实施例2中外延结构的示意图;图中:1为衬底,2为缓冲层,3为N型AlInGaN层,4为“工艺V坑”,5为阱前准备层,6为平台量子垒,7为V坑侧壁量子阱,8为V坑侧壁量子垒,9为平台量子阱,10为平台量子阱中形成一些类量子点结构(主要发光源),11为P型AlInGaN层,12为位错,13为多量子阱,14为“自然V坑”;
图7为实施例3中外延结构的示意图;图中:1为衬底,2为缓冲层,3为N型AlInGaN层,4为“工艺V坑”,5为阱前准备层,6为平台量子垒,7为V坑侧壁量子阱,8为V坑侧壁量子垒,9为平台量子阱,10为平台量子阱中形成一些类量子点结构(主要发光源),11为P型AlInGaN层,12为位错,13为多量子阱,14为“自然V坑”;
图8为实施例5中外延结构的示意图;图中:1为衬底,2为缓冲层,3为N型AlInGaN层,4为“工艺V坑”,5为阱前准备层,6为平台量子垒,7为V坑侧壁量子阱,8为V坑侧壁量子垒,9为平台量子阱,10为平台量子阱中形成一些类量子点结构(主要发光源),11为P型AlInGaN层,12为“工艺位错”,13为多量子阱。
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步说明。
实施例1:
本实施例介绍了V坑起始位置为衬底的外延结构。
参考图5。图中,1为衬底,衬底1上周期性排布着“工艺V坑”4,“工艺V坑”4在衬底1上表面的投影示意图如图4所示。在衬底1上生长缓冲层2,由于衬底1上“工艺V坑”4的存在,在“工艺V坑”4侧壁也会生长半极性面的缓冲层2;而且,缓冲层2在半极性面上的生长速度小于在极性面的生长速度。因此,在缓冲层2中也会形成“工艺V坑”4,尺寸大于衬底1中的“工艺V坑”4尺寸,且继承了衬底1的“工艺V坑”4的周期性排列方式。同样,在缓冲层2上生长N型AlInGaN层3,也会在N型AlInGaN层3中形成周期性排列的“工艺V坑”4,且尺寸继续增大。随后,在N型AlInGaN层3上生长阱前准备层5,在阱前准备层5中除了会继承N型AlInGaN层3中的周期性排列的“工艺V坑”4,还会形成位错11诱导的小型“自然V坑”13。然后,在阱前准备层4中生长多量子阱12,在“工艺V坑”4和“自然V坑”13侧壁均会形成V坑侧壁量子阱7和V坑侧壁量子垒8,在(0001)生长面形成平台量子阱9和平台量子垒6。在平台量子阱9中,控制生长工艺,避免In偏析的发生,并利用In组分的起伏形成一些高晶体质量的类量子点结构10。最后,生长P型AlInGaN层11,将“工艺V坑”4和“自然V坑”13填满,外延层变平。该外延结构在衬底1上直接形成“工艺V坑”4,因此可采用一次外延方式完成整个外延结构。
实施例2:
相比实施例1,衬底1改为无“工艺V坑”4结构,即“工艺V坑”4起始于缓冲层2中;外延结构参考图6。该外延结构需生长完缓冲层2后再引入“工艺V坑”4,因此需采用二次外延方式来完成整个外延结构。
实施例3:
相比实施例2,缓冲层2改为无“工艺V坑”4结构,即“工艺V坑”4起始于N型AlInGaN层3中;外延结构参考图7。该外延结构需生长完N型AlInGaN层3后再引入“工艺V坑”4,因此需采用二次外延方式来完成整个外延结构。
实施例4:
相比实施例3,N型AlInGaN层3改为无“工艺V坑”4结构,即“工艺V坑”4起始于阱前准备层5中;外延结构参考图3。该外延结构需生长完阱前准备层5后再引入“工艺V坑”4,因此需采用二次外延方式来完成整个外延结构。
实施例5:
相比实施例4,通过工艺控制位错形成位置,使得位错的分布在生长平面成周期性分布;这种位错称为“工艺位错”12。然后,在阱前准备层5中由“工艺位错”12诱导产生“工艺V坑”4,此时“工艺V坑”4继承“工艺位错”12的分布,在生长平面成周期性排列(如图4所示)。由于位错的出现被工艺控制,因此无自然生长过程中产生的、由随机分布的位错诱导的“自然V坑”。外延结构参考图8。该种结构的完成需要在生长过程中控制位错的形成位置,需要多次中断生长,对外延片进行工艺处理。
Claims (10)
1.一种AlInGaN基绿、黄光发光二极管的外延结构,包含:一个用于材料生长的衬底;层叠于该衬底上的AlInGaN基半导体叠层,该AlInGaN基半导体叠层至少包含一层N型层、一层P型层和夹于N型层、P型层之间的AlInGaN多量子阱,其特征在于:在多量子阱中镶嵌有在生长平面中呈周期性排列的V坑;平面量子阱中存在类量子点结构,并成为LED的主要发光源。
2.根据权利要求1所述的AlInGaN基绿、黄光发光二极管的外延结构,其特征在于:所述N型层生长平面或P型层生长平面均为极性面,即(0001)晶面族;所述V坑的侧壁为半极性面,以(10-11)晶面族为最优。
3.根据权利要求1或2所述的AlInGaN基绿、黄光发光二极管的外延结构,其特征在于:所述V坑的尺寸大小相同,在N型层生长平面或P型层生长平面的投影为周期性排列的正六边形,每个正六边形都仅与其它六个正六边形相邻;所有正六边形的边长均相等,且任意相邻两个正六边形的中心距相等。
4.根据权利要求3所述的AlInGaN基绿、黄光发光二极管的外延结构,其特征在于:在多量子阱结构生长结束之后,P型层生长开始之前时,所述V坑在(0001)晶面族生长平面的正六边形投影的边长a值范围为0.01∽5微米,相邻两个正六边形的中心距d值大于正六边形边长a值的2倍:d>2a,且所有正六边形面积之和与多量子阱在生长平面的面积之比η值范围为12%∽75%。
5.根据权利要求4所述的AlInGaN基绿、黄光发光二极管的外延结构,其特征在于:优选范围:正六边形边长a值为0.02∽0.5微米,η值为25%∽55%值。
6.根据权利要求1所述的AlInGaN基绿、黄光发光二极管的外延结构,其特征在于:所述外延结构的实现方式采用n次外延(n=1,2,3,4);在完成外延结构生长的过程中,中途中断生长,取出外延片进行工艺处理后,再次放入外延炉继续生长,即为二次生长;n次外延为这种中断出现了(n-1)次。
7.根据权利要求1所述的AlInGaN基绿、黄光发光二极管的外延结构,其特征在于:所述V坑周期性排列的实现方式有两种:1)直接在V坑起始层上,通过刻蚀或腐蚀的工艺方式形成周期性排列的V坑;2)通过工艺控制位错分布,先使位错实现周期性排列,然后在阱前准备层中由位错诱导产生V坑,则V坑将继承位错的周期性排列方式;这两种方式实现的V坑统称为“工艺V坑”。
8.根据权利要求1所述的AlInGaN基绿、黄光发光二极管的外延结构,其特征在于:所述外延结构制作成的LED芯片在工作电流密度为20A/cm2时,对应发光峰值波长在520nm到590nm之间。
9.根据权利要求1所述的AlInGaN基绿、黄光发光二极管的外延结构,其特征在于:所述V坑的形成起始位置为衬底或N型层。
10.根据权利要求1所述的AlInGaN基绿、黄光发光二极管的外延结构,其特征在于:所述衬底包括但不限于:蓝宝石、SiC、GaN或Si中的一种。
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