專利名稱:一種GaN基發(fā)光二極管以及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于發(fā)光二極管領(lǐng)域,具體涉及一種GaN基發(fā)光二極管,本發(fā)明還包括該發(fā)光二極管的制作方法。
背景技術(shù):
發(fā)光二極管(Light-emitting diode,LED)是一種注入電致發(fā)光器件。由于LED 在節(jié)能和智能控制方面的優(yōu)勢,所以受到廣泛關(guān)注。特別是基于GaN基材料(AlN、InN、GaN 和其化合物)的LED,由于其波長可調(diào)范圍理論上覆蓋了整個可見光波段和紫外波段,因此成為目前LED發(fā)展的主流方向。進入21世紀以來,以GaN基藍光LED為代表的LED技術(shù)無論在研究上和商業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用上都取得了巨大進步,其應(yīng)用領(lǐng)域越來越開闊。但是,目前 LED的發(fā)光效率相對較低,從外延結(jié)構(gòu)方面來說,如何進一步挺高LED有源區(qū)中的電子空穴注入效率和復(fù)合效率,如何進一步降低LED的工作電壓等問題制約著LED的應(yīng)用發(fā)展,有待解決。傳統(tǒng)LED的外延結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中的發(fā)光有源層為多量子阱結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)有源層區(qū)的h組份和其能帶結(jié)構(gòu)如示意圖2所示。電子和空穴分別從有有源層兩端的電子注入層和空穴注入層直接輸入到多量子阱有源層區(qū)中。由于載流子的輸入主要靠其本身的輸運特性,傳統(tǒng)LED結(jié)構(gòu)中存在載流子注入效率低的問題。為進一步提高LED有源區(qū)的電子注入效率,相關(guān)科學(xué)人員提出了通過在有源區(qū)前插入一電子發(fā)射層的方法。例如美國專利《LIGHT EMITTING DIODESffITH ASYMMETRIC RESONANCE TUNNELLING》(專利號 US 6614060B1)公布了一種具有單層InGaN或Alfe^nP電子發(fā)射層的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。通過該電子發(fā)射層,更多的電子在此層積累并注入到真正的發(fā)光有源層中,提高了 LED的發(fā)光效率(可參考文獻 Soon Il Jung et al, "Photoluminescence study ofInGaN/GaN mu11ip1e-quantum-we11 with Si-doped InGaN electron-emitting Layer,,Current Applied Physics, vol.9, pp.943-945,2009)。另一方面,由于目前GaN基LED外延一般是沿著極性方向生長,存在極化效應(yīng),LED的有源層區(qū)的能帶會被拉升變形為三角形,從而增加了電子傳輸?shù)膭輭?,增加?LED的工作電壓。通過在hGaN/GaN量子阱中采用h組份漸變的三角形量子阱結(jié)構(gòu), 能緩解極性效應(yīng),降低勢壘和LED的工作電壓(可參考R. J.Choi et al, ‘‘ Efficient blue light-emitting diodes with InGaN/GaN triangularshaped multiple quantum wells “,Applied Physics Letters, vol. 82, pp. 2764-2766,2003.)。另外,美國專利《LIGHT EMITTING DIODES WITH GRADEDC0MP0SITIONACTIVE REGIONS))(專利號 US 6955933B2)也公開了一種利用h組份漸變的三角形量子阱作為發(fā)光有源層的LED結(jié)構(gòu)。 但是,由于目前MOCVD等沉積技術(shù)和相關(guān)儀器設(shè)備的性能限制,對h組份漸變的三角形量子阱的控制十分困難,而LED的發(fā)光性能對有源層中的結(jié)構(gòu)卻十分敏感,所以該結(jié)構(gòu)的LED 器件的穩(wěn)定性和可重復(fù)性有待提高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,設(shè)計一種提高電子到有源區(qū)的注入效率,降低工作電壓的GaN基發(fā)光二極管。本發(fā)明同時給出了該發(fā)光二極管的制作方法,該方法對生長設(shè)備和工藝條件沒有特殊要求,也不會對后續(xù)的生長和工藝步驟產(chǎn)生較大改動, 且又能提升二極管的發(fā)光效率。為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明涉及的發(fā)光二極管包括如下技術(shù)特征在外延襯底上利用半導(dǎo)體沉淀技術(shù)依次生長有初始生長層、緩沖層、η型電子注入層、量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層、量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光有源層、P型電子阻擋層和P型空穴注入層;所述量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光有源層為AlJn/^+f勢壘層和AlxIny(iai_x_yN量子阱層交錯堆疊的量子阱或多量子阱結(jié)構(gòu),且0彡i彡1,0彡j彡1,0彡i+j彡1,0彡χ彡1,0彡y彡1, 0 ^ x+y ^ 1,所述AlJn/^+jN勢壘層的禁帶寬度大于AlxIny(iai_x_yN量子阱層的禁帶寬度;所述量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層為AlklnAai+iN勢壘層和AlmInnGa1^N量子阱層交錯堆疊的量子阱或多量子阱結(jié)構(gòu),且0彡k彡1,0彡1彡1,0彡k+Ι彡1,0彡m彡1,0彡η彡1, 0 ^ m+n ^ 1,所述AlklnAai+iN勢壘層的禁帶寬度總大于AlmInnGii1HN量子阱層的禁帶寬度,所述Α1ωΙηη(^_ω_ηΝ量子阱層的禁帶寬度大于量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光有源層中的AlJrvfemN 量子阱層的禁帶寬度;所述Al1Jn1Ga1I1N勢壘層和Α1ωΙηη(^_ω_ηΝ量子阱層的Al組份或h組份在垂直于外延襯底生長面方向上逐漸變化,從而使Alklnpai+iN勢壘層和AlmInnGii1HN量子阱層在能帶結(jié)構(gòu)上各自具有或組合后具有三角型特征。更進一步的,所述量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層的々丨^叫^^+小勢壘層的厚度為5nm 20nm,AlmInnGai_m_nN量子阱層的厚度為Inm 5nm ;所述Alklr^a+iN勢壘層和ΑΙ^ι^ει^Ν 量子阱層的h組份或Al組份漸變區(qū)域部分覆蓋或全部覆蓋勢壘層和淺量子阱層;所述勢壘層和量子阱層為非摻、η型摻雜或ρ型摻雜,其摻雜濃度為0 1 X IO1Vcm3 ;所述量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層的堆疊量子阱的周期數(shù)為1 20。所述量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光有源層的AlJn/^fN勢壘層厚度為5nm 20nm, AlxIny(iai_x_yN量子阱層的厚度為Inm 5nm ;所述六1』11」&11+#勢壘層和六1!£1 &11_!£_#量子阱層為非摻、η型摻雜或ρ型摻雜,其摻雜濃度為0 IX 1019/cm3 ;所述量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光有源層的堆疊量子阱的周期數(shù)為1 20。所述外延襯底為藍寶石襯底、硅襯底或SiC襯底;所述初始生長層為GaN層或AlN 層;所述緩沖層為GaN層、AlN層、InGaN層、AWaN層、InAlN層、InGaAlN層中的任一種或幾種化合物組合而形成的過渡層;所述η型電子注入層為GaN層、AlN層、InGaN層、AKiaN 層、InAlN層、InGaAlN層中的任一中或幾種化合物組合形成的制備η型歐姆接觸的η型摻雜層;所述P型電子阻擋層為AlaIribGai_a_bN層,其中0彡a彡1,0 ^b ^ 1,0彡a+b彡1 ; 所述P型空穴注入層為GaN層、InGaN層、AWaN層、InGaAlN層中的任一種或由幾種化合物組合而形成的制備P型歐姆接觸層的P型摻雜層。所述初始生長層的厚度為1 500nm ; 所述的緩沖層的厚度為20nm 3 μ m ;所述的η型電子注入層的厚度為IOOnm 6 μ m,摻雜濃度為IX IO1Vcm3 IX 1019/cm3 ;所述的ρ型電子阻擋層的厚度為Onm lOOnm,摻雜濃度為1 X IO1Vcm3 1 X IO1Vcm3 ;所述的ρ型空穴注入層厚度為IOnm 1 μ m,摻雜濃度為1 X IO1Vcm3 lX1019/cm3。本發(fā)明還包括該GaN基發(fā)光二極管的制作方法,包括如下步驟步驟1、采用半導(dǎo)體沉淀技術(shù)在外延襯底上依次生長GaN初始生長層、緩沖層和η 型電子注入層;步驟2、在步驟1的基礎(chǔ)上,生長量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層,所述量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層為Alklnpa^N勢壘層和AlmIrinGai_m_nN量子阱層交錯堆疊形成的量子阱或多量子阱結(jié)構(gòu);所述AlkInpa^N勢壘層的禁帶寬度總大于AlJr^GiimN量子阱層的禁帶寬度;所述Al1Jn1Ga1^N勢壘層和AlmInnGiilHN量子阱層的Al組份或h組份在垂直于襯底生長面方向上逐漸變化,從而使AlklnAa^N勢壘層和AlJr^GiimN量子阱層在能帶結(jié)構(gòu)上各自具有或組合后具有三角型特征;步驟3、在步驟2的基礎(chǔ)上,生長量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光有源層;所述量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光有源層為由AliInAa1+/^勢壘層和由AlxIny(iai_x_yN量子阱層交錯堆疊形成的量子阱或多量子阱結(jié)構(gòu),所述AlJn/^+f勢壘層禁帶寬度大于AlxInyGai_x_yN量子阱層的禁帶寬度;所述 AlxInyGa1^yN量子阱層的禁帶寬度小于電子發(fā)射層中AlmInnGa1^N量子阱層的禁帶寬度。步驟4、在步驟3的基礎(chǔ)上,依次生長ρ型AWaN電子阻擋層和ρ型空穴注入層。其中,步驟2中Al組份或h組份的逐漸變化通過以下一種或者任意幾種方式的結(jié)合來實現(xiàn)a、逐漸提高或降低h或Al生長源氣體的流量;b、逐漸降低或提高AlhGaN材料的生長溫度;c、逐漸降低或升高Al InGaN材料的生長氣壓。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的GaN基發(fā)光二極管有益效果在于1、電子發(fā)射層中勢壘層的禁帶寬度總大于量子阱層的禁帶寬度,量子阱層的禁帶寬度總大于有源層中的量子阱層的禁帶寬度,即電子發(fā)射層具有淺量子阱結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)相比,淺量子阱結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射層能有效儲蓄電子并發(fā)射到有源層區(qū),增加電子的注入效率,從而提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。同時,量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層的多層結(jié)構(gòu)比一般的單層電子發(fā)射層在電子儲蓄和發(fā)射上更有優(yōu)勢。2、所述量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層在垂直于襯底表面的方向上形成h組份或Al組份漸變的區(qū)域,從而使勢壘層和量子阱層在能帶結(jié)構(gòu)上具有三角型特征。該三角形的勢壘層和量子阱層可以緩解外延結(jié)構(gòu)的極化效應(yīng),進一步降低發(fā)光二極管的工作電壓。同時該三角形特征只在電子發(fā)射層,不改變后續(xù)有源層區(qū)的生長和結(jié)構(gòu),從而提高LED的出光可靠性和可重復(fù)性。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)光二極管的截面圖;圖2是現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)光二極管量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光有源層6的^組份分布示意圖和其能帶結(jié)構(gòu)示意圖;圖3是本發(fā)明的發(fā)光二極管的截面圖;圖4是本發(fā)明的發(fā)光二極管一種實施例的量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層5和量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光有源層6的h組份分布示意圖和其能帶結(jié)構(gòu)示意圖;圖5是實施案例1中的發(fā)光二極管的示意圖及其量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層5和量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光有源層6的結(jié)構(gòu)圖。圖6是實施案例4中的發(fā)光二極管的示意圖及其量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層5和量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光有源層6的結(jié)構(gòu)圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明制備的發(fā)光二極管與普通發(fā)射層結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管的I-V曲線8是根據(jù)本發(fā)明制備的發(fā)光二極管與普通發(fā)射層結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管的出光特性對比圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的和技術(shù)方案更清楚,以下給出本發(fā)明的部分具體實施示例,以對本發(fā)明進一步說明,本發(fā)明包括但不僅限于以下示例本發(fā)明為一種具有量子阱結(jié)構(gòu)的GaN基發(fā)光二極管,以圖形化或非圖形化的藍寶石襯底或硅襯底或SiC襯底為外延襯底1,用M0CVD、MBE、HVPE半導(dǎo)體沉積技術(shù)在所述襯底上依次沉積初始生長層2、緩沖層3、n型電子注入層4、淺量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層5、量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光有緣層6、ρ型AWaN電子阻擋層7和ρ型空穴注入層8,得到具有GaN基淺量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管,如圖3所示;所述初始生長層2為GaN層或AlN層,厚度為20nm 2 μ m ;所述緩沖層3為GaN層、AlN層、InGaN層、AlGaN層、InAlN層、InGaAlN層或由以上幾種化合物組合形成的過渡層,厚度為20nm 2 μ m ;所述η型電子注入層4為GaN層、AlN層、InGaN層、AlGaN層、InAlN層、InGaAlN 層或由以上幾種化合物組合形成的制備η型歐姆接觸的η型摻雜層,厚度為IOOnm 5 μ m, 摻雜濃度為 1 X IO1Vcm3 1 X IO1Vcm3 ;所述量子阱發(fā)光有源層6為由勢壘層AlJii/^+jNei和量子阱層Al JnyGii1 _x_yN62 交錯堆疊形成的量子阱或多量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管的有源層,其中0 < i < 1,0 < j < 1, O^ i+j ^ Ι,Ο^χ^ 1,0^7^1且所述勢壘層61禁帶寬度大于所述量子阱層62的禁帶寬度;所述Aliln/^+jN勢壘層61的厚度為5nm 20歷,AlxInyGa1^yN量子阱層62的厚度為Inm 5nm。所述Alji!/^+/^勢壘層和AlJr^GiimN量子阱層可以為非摻、η型摻雜或ρ型摻雜,其摻雜濃度為O IX 1019/cm3。所述發(fā)光有源層的堆疊量子阱的周期數(shù)為1 20。所述量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層5為由AlkIn1Ga1KN材料組成的勢壘層51和由 AlmIrinGai_m_nN材料組成的量子阱層52交錯堆疊形成的量子阱或多量子阱結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射層,其中O彡k彡1,0彡1彡1,0彡k+Ι彡1,0彡m彡1,0彡η彡1,0彡m+n彡1且所述勢壘層51的禁帶寬度總大于所述量子阱層52的禁帶寬度,所述量子阱層52的禁帶寬度大于所述有源層6中的量子阱層62的禁帶寬度。所述電子發(fā)射層的AlkInpai^N勢壘層和AlmInnGai_m_nN量子阱層Al組份或h組份在垂直于襯底生長面方向上逐漸變化,從而使壘和阱在能帶結(jié)構(gòu)上各自具有或組合后具有三角型特征。所述量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層 5的AlkIr^feimN勢壘層51的厚度為5nm 20nm,AlmInnGa1J淺量子阱層52的厚度為Inm 5nm。所述勢壘層和淺量子阱層可以為非摻、η型摻雜或ρ型摻雜,其摻雜濃度為0 lX1019/cm3。所述電子發(fā)射層的堆疊量子阱的周期數(shù)為1 20。在實際情況中,所述電子發(fā)射層5中勢壘層51和量子阱層52是通過控制AlhGaN 材料的生長條件,使其在垂直于襯底生長面方向上形成漸變的h組份和Al組份,從而使其在能帶結(jié)構(gòu)上具有三角型特征的。具體控制方法包括1)通過逐漸提高或降低h生長源氣體的流量或逐漸提高或降低Al生長源氣體的流量,實現(xiàn)h組份和Al組份的漸變控制; 2)通過逐漸降低或提高AlhGaN材料的生長溫度,實現(xiàn)h組份和Al組份的漸變控制;3) 通過逐漸降低或升高AlhGaN材料的生長氣壓,實現(xiàn)h組份和Al組份的漸變控制;4)通過以上三種方法的任意組合,實現(xiàn)h組份和Al組份的漸變控制。所述ρ型AlGaN電子阻擋層7為AlaInbGEi1IbN層,其中0彡a彡1,0彡b彡1, 0彡a+b彡1,厚度為Onm IOOnm,摻雜濃度為1 X IO1Vcm3 1 X IO1Vcm3 ;所述ρ型空穴注入層8為GaN層、InGaN層、AlGaN層、InGaAlN層或由以上幾種化合物組合形成的制備P型歐姆接觸層的P型摻雜層,厚度為IOnm 1 μ m,摻雜濃度為 1 X IO1Vcm3 lX1019/cm3。以下是制作上述GaN基發(fā)光二極管的方法實施例1 1、采用普通的金屬氧化物氣相沉積(MOCVD)設(shè)備,襯底材料1為藍寶石非圖形化 (0001)面襯底;在高溫下加熱,清潔襯底;然后把溫度降低,生長GaN初始生長層2,厚度為 20nm ;2、在步驟1基礎(chǔ)上,把溫度升高,對GaN層進行重結(jié)晶,然后依次生長GaN緩沖層3,該層為非摻的GaN層,厚度為1 μ m ;η型電子注入層4,該層為摻Si的GaN層,厚度為2. 3 μ m ;3、在步驟2的基礎(chǔ)上,把溫度降低生長淺量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層5,一共生長3個周期的勢壘層51和淺量子阱層52 ;其中勢壘層51是Si摻雜的GaN材料,厚度為7nm ;淺量子阱層52是三角形結(jié)構(gòu)的InGaN,即為h組份從下往上逐漸變大的非摻雜 InGaN,其中h組份從開始的0% (即GaN材料)逐漸增大到最大的10%,厚度為2. 5nm ;4、在步驟3的基礎(chǔ)上,生長量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光有源層6,一共生長3個周期的勢壘層 61和量子阱層62 ;其中勢壘層61是非摻雜的GaN材料,厚度為7nm ;量子阱層62是非摻雜的InGaN材料,厚度為2. 5nm ;5、在步驟4的基礎(chǔ)上,把溫度升高,生長ρ型空穴注入層8,該層為Mg摻雜的GaN 層,厚度為150nm。根據(jù)本實施例制備的發(fā)光二極管的I-V曲線圖和出光特性如圖7、8所示。實施例21、采用普通的金屬氧化物氣相沉積(MOCVD)設(shè)備,襯底材料1為非圖形化的硅 (0001)面襯底;在高溫下加熱,清潔襯底;然后把溫度低,生長AlN初始生長層2,厚度為 50nm ;2、在步驟1基礎(chǔ)上,升溫并依次生長
GaN緩沖層3,該層為非摻的GaN層,厚度為1 μ m ;η型電子注入層4,該層為摻Si的GaN層,厚度為2. 3 μ m ;3、在步驟2的基礎(chǔ)上,把溫度降低生長淺量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層5,一共生長3個周期的,勢壘層51和淺量子阱層52 ;其中勢壘層51是Si摻雜的AUnGaN材料,厚度為7nm ;淺量子阱層52是三角形結(jié)構(gòu)的InGaN,即為h組份從下往上逐漸變大的非摻雜 InGaN,其中h組份從開始的0% (即GaN材料)逐漸增大到最大的10%,厚度為2. 5nm ;4、在步驟3的基礎(chǔ)上,生長量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光有源層6,一共生長8個周期的勢壘層 61和量子阱層62 ;其中勢壘層61是非摻雜的GaN材料,厚度為7nm ;量子阱層62是非摻雜的InGaN材料,厚度為2. 5nm ;5、在步驟4的基礎(chǔ)上,把溫度升高并依次生長ρ型AlGaN電子阻擋層7,該層為Mg摻雜的Ala2GEia8N層,厚度為20nm ;ρ型空穴注入層8,該層為Mg摻雜的GaN層,厚度為150nm。實施例31、采用普通的金屬氧化物氣相沉積(MOCVD)設(shè)備,襯底材料1為圖形化的藍寶石襯底,圖形為規(guī)則排列的半圓球形,生長面為(0001)面;高溫清潔襯底;然后把溫度降低生長GaN初始生長層2,厚度為20nm ;2、在步驟1基礎(chǔ)上,把溫度升高對GaN層進行重結(jié)晶,然后依次生長GaN緩沖層3,該層為非摻的GaN層,厚度為3 μ m ;η型電子注入層4,該層為摻Si的GaN層,厚度為2 μ m ;3、在步驟2的基礎(chǔ)上,把溫度降低生長淺量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層5,一共生長3個周期的,勢壘層51和淺量子阱層52 ;其中勢壘層51是Si摻雜的GaN材料,厚度為7nm ;淺量子阱層52是三角形結(jié)構(gòu)的InGaN,即為h組份從下往上逐漸變大的非摻雜 InGaN,其中h組份m從開始的0% (即GaN材料)逐漸增大到最大的10%,厚度為2. 5nm ;4、在步驟3的基礎(chǔ)上,生長量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光有源層6,一共生長5個周期的勢壘層 61和量子阱層62 ;其中勢壘層61是非摻雜的AUnGaN材料,厚度為7nm ;量子阱層62是非摻雜的AUnGaN材料,厚度為2. 5nm ;5、在步驟4的基礎(chǔ)上,升溫并依次生長ρ型AlGaN電子阻擋層7,該層為Mg摻雜的Ala2GEia8N層,厚度為20nm ;ρ型空穴注入層8,該層為Mg摻雜的GaN層,厚度為150nm。實施例4 1、采用普通的金屬氧化物氣相沉積(MOCVD)設(shè)備,襯底材料1為藍寶石非圖形化 (0001)面襯底;高溫清潔襯底;然后把溫度降到生長GaN初始生長層2,厚度為20nm ;2、在步驟1基礎(chǔ)上,把溫度升高對GaN層進行重結(jié)晶,然后依次生長GaN緩沖層3,該層為非摻的GaN層,厚度為1 μ m ;η型電子注入層4,該層為摻Si的GaN層,厚度為2. 3 μ m ;
3、在步驟2的基礎(chǔ)上,把溫度降低生長淺量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層5,一共生長3個周期的勢壘層51和淺量子阱層52 ;其中勢壘層51是非摻雜的h組份漸變的InGaN,從下往上h組份逐漸變大,其中h 組份從開始的0%逐漸增大到最大的10% ;厚度為5nm ;淺量子阱層52是非摻雜的h組份漸變的InGaN,從下往上h組份逐漸變小,其中 In組份從開始的10%逐漸減小到最后的0% ;厚度為5nm ;4、在步驟3的基礎(chǔ)上,生長量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光有源層6,一共生長5個周期的勢壘層 61和量子阱層62 ;其中勢壘層61是非摻雜的GaN材料,厚度為7nm ;量子阱層62是非摻雜的InGaN材料,厚度為2. 5nm ;5、在步驟4的基礎(chǔ)上,把溫度升高,依次生長ρ型AlGaN電子阻擋層7,該層為Mg摻雜的Ala2GEia8N層,厚度為20nm ;ρ型空穴注入層8,該層為Mg摻雜的GaN層,厚度為150nm。
權(quán)利要求
1.一種GaN基發(fā)光二極管,其特征在于在外延襯底(1)上利用半導(dǎo)體沉淀技術(shù)依次生長有初始生長層O)、緩沖層(3)、n型電子注入層G)、量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層(5)、量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光有源層(6)、p型電子阻擋層(7)和ρ型空穴注入層(8);所述量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光有源層(6)為AlJi^Ga^.N勢壘層(61)和AlxInyGai_x_yN量子阱層 (62)交錯堆疊的量子阱或多量子阱結(jié)構(gòu),且1,0< l,0<i+j< 1,0<χ< 1, 0彡y彡1,0彡x+y彡1,并且AlJn/ki+jN勢壘層(61)的禁帶寬度大于Al^ι^ει^Ν量子阱層(62)的禁帶寬度;所述量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層(5)為AlkIn1Ga1KN勢壘層(51)和Α1ωΙηη(^_ω_ηΝ量子阱層 (52)交錯堆疊的量子阱或多量子阱結(jié)構(gòu),且1,0< l,0<k+l< l,0<m< 1, 0彡η彡1,0彡m+n彡1 ;并且AlkIr^a^N勢壘層(51)的禁帶寬度總大于AlJr^feimN 量子阱層(52)的禁帶寬度,AlmIrinGai_m_nN量子阱層(52)的禁帶寬度大于發(fā)光有源層(6)中 AlxIny(iai_x_yN量子阱層(62)的禁帶寬度;所述AlklnpamNGl)勢壘層和AlmInnGii1HN量子阱層(52)的Al組份或化組份在垂直于外延襯底⑴生長面方向上逐漸變化,從而使AlklnAai^NGl)勢壘層和AlmInnGii1HN 量子阱層(52)在能帶結(jié)構(gòu)上各自具有或組合后具有三角型特征。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基發(fā)光二極管,其特征在于所述量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層(5)的AlkIni^i1-HN勢壘層(51)的厚度為5nm ZOnnuAlJr^feimN量子阱層(52)的厚度為Inm 5nm ;所述AlkIn1Ga1^1N勢壘層(51)和AlmInnGa1J量子阱層(52)的Al組份或化組份在垂直于外延襯底(1)生長面方向上逐漸變化,h組份或Al組份漸變的區(qū)域部分覆蓋或全部覆蓋所述勢壘層(51)和量子阱層(5 ;所述勢壘層(51)和量子阱層(52) 為非摻、η型摻雜或ρ型摻雜,其摻雜濃度為O IX 1019/cm3 ;所述量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層 (5)的堆疊量子阱的周期數(shù)為1 20。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基發(fā)光二極管,其特征在于所述量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光有源層(6)的AlJn/kiH-jN勢壘層(61)厚度為5nm 20nm,Al^ι^ει^Ν量子阱層(62)的厚度為Inm 5nm;所述AlJn/^+jN勢壘層(61)和Al Jr^GiinN量子阱層(62)為非摻、η 型摻雜或P型摻雜,其摻雜濃度為O 1 X IO1Vcm3 ;所述量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光有源層(6)的堆疊量子阱的周期數(shù)為1 20。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述GaN基發(fā)光二極管,其特征在于所述外延襯底(1)為藍寶石襯底、硅襯底或SiC襯底;所述初始生長層( 為GaN層或AlN層;所述緩沖層(;3)為GaN層、 AlN層、InGaN層、AlGaN層、InAlN層、InGaAlN層中的任一種或幾種化合物組合而形成的過渡層;所述η型電子注入層(4)為GaN層、AlN層、InGaN層、AlGaN層、InAlN層、InGaAlN 層中的任一中或幾種化合物組合形成的制備η型歐姆接觸的η型摻雜層;所述ρ型電子阻擋層(7)為AlaInbGii1IbN層,其中O彡a彡1,0彡b彡1,0彡a+b彡1 ;所述ρ型空穴注入層(8)為GaN層、InGaN層、AKiaN層、InGaAlN層中的任一種或由幾種化合物組合而形成的制備P型歐姆接觸層的P型摻雜層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的GaN基發(fā)光二極管,其特征在于所述初始生長層O)的厚度為1 500nm ;所述的緩沖層(3)的厚度為20nm 3 μ m ;所述的η型電子注入層⑷的厚度為IOOnm 6μπι,摻雜濃度為IX IO1Vcm3 ~ 1 X 1019/cm3 ;所述的ρ型電子阻擋層(7) 的厚度為Onm lOOnm,摻雜濃度為1 X IO1Vcm3 1 X IO1Vcm3 ;所述的ρ型空穴注入層⑶厚度為IOnm 1 μ tm,摻雜濃度為1 X IO1Vcm3 1 X IO1Vcm30
6.一種權(quán)利要求1所述GaN基發(fā)光二極管的制作方法,其特征在于包括如下步驟 步驟1、采用半導(dǎo)體沉淀技術(shù)在外延襯底(1)上依次生長GaN初始生長層O)、緩沖層(3)和η型電子注入層⑷;步驟2、在步驟1的基礎(chǔ)上,生長量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層(5),所述量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層(5)為AlklnAa^N勢壘層(51)和AlmInnGai_m_nN量子阱層(52)交錯堆疊形成的量子阱或多量子阱結(jié)構(gòu);所述AlkhifevnN勢壘層(51)的禁帶寬度總大于AlmInnGai_m_nN量子阱層(52)的禁帶寬度;所述AlklnAa^N勢壘層(51)和AlJr^GiimN量子阱層(52)的Al組份或h組份在垂直于襯底生長面方向上逐漸變化,從而使Alklnpai+iN勢壘層(51)和AlmInnGii1HN量子阱層(52)在能帶結(jié)構(gòu)上各自具有或組合后具有三角型特征;步驟3、在步驟2的基礎(chǔ)上,生長量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光有源層(6);所述量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光有源層(6)為由AlJn/^+jN勢壘層(61)和由AlxIny(iai_x_yN量子阱層(62)交錯堆疊形成的量子阱或多量子阱結(jié)構(gòu),所述AlJn/^+p勢壘層(61)禁帶寬度大于AlxInyGai_x_yN量子阱層(62)的禁帶寬度;所述AlxIny(iai_x_yN量子阱層陽2)的禁帶寬度小于電子發(fā)射層(5)中 AlmIrinGai_m_nN量子阱層(52)的禁帶寬度。步驟4、在步驟3的基礎(chǔ)上,依次生長ρ型AKiaN電子阻擋層(7)和ρ型空穴注入層⑶。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的GaN基發(fā)光二極管的制作方法,其特征在于具體通過以下方法中的一種或者任意幾種的結(jié)合實現(xiàn)所述步驟2中Al組份或^組份的逐漸變化a、逐漸提高或降低h或Al生長源氣體的流量;b、逐漸降低或提高AlhGaN材料的生長溫度;c、逐漸降低或升高AlInGaN材料的生長氣壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種GaN基發(fā)光二極管以及制作方法。該發(fā)光二極管在外延襯底上依次生長初始生長層、GaN緩沖層、n型電子注入層、量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層、量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光有源層、p型AlInGaN電子阻擋層和p型空穴注入層;所述電子發(fā)射層的量子阱結(jié)構(gòu)中,發(fā)射層中的AlInGaN量子阱層的禁帶寬度大于發(fā)光有源層中的AlInGaN量子阱的禁帶寬度;所述量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層的AlInGaN量子阱層為三角形。本發(fā)明的優(yōu)勢在于所述量子阱結(jié)構(gòu)電子發(fā)射層可有效提高電子注入發(fā)光有源層的效率,所述電子發(fā)射層中的三角形量子阱結(jié)構(gòu)能減少發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)中的極化效應(yīng),降低發(fā)光二極管的工作電壓。
文檔編號H01L33/32GK102157657SQ20111002794
公開日2011年8月17日 申請日期2011年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月26日
發(fā)明者江灝, 王鋼, 黃善津 申請人:中山大學(xué)