一種晶格匹配的led外延結(jié)構(gòu)及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種晶格匹配的LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法，本發(fā)明涉及一種從成核層、未摻雜層、n型層、發(fā)光層和p型層都具極化匹配的氮化物發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)及制備方法，屬于光電子【技術(shù)領(lǐng)域】。該外延結(jié)構(gòu)由下至上依次設(shè)置有襯底、AlxGa1-x-yInyN成核層、未摻雜的AlxGa1-x-yInyN層、n型摻雜的AlxGa1-x-yInyN層、InaGa1-aN阱層和AlxGa1-x-yInyN壘層構(gòu)成的多量子阱發(fā)光層和p型摻雜的AlxGa1-x-yInyN層。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，該外延結(jié)構(gòu)從成核層開始到發(fā)光層區(qū)間和P型摻雜層均采用與發(fā)光層阱材料相匹配的四元AlxGa1-x-yInyN材料，消除了發(fā)光層內(nèi)阱與壘間的壓電極化效應(yīng)，提高了LED的內(nèi)量子發(fā)光效率。
【專利說(shuō)明】-種晶格匹配的LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種氮化鎵基發(fā)光二極管，更具體地是涉及一種從成核層、未摻雜層、 η型層、發(fā)光層和p型層都具極化匹配的氮化物發(fā)光二極管。

【背景技術(shù)】
[0002] 近幾年LED行業(yè)發(fā)展迅速，對(duì)中、大功率白光LED需求越來(lái)越多。然而中、大功率 白光LED照明要進(jìn)入千家萬(wàn)戶，還需要進(jìn)一步提高發(fā)光亮度和提升發(fā)光效率。
[0003] 影響藍(lán)光亮度的原因主要有以下幾個(gè)方面：1、很難獲得高濃度空穴；2、極化電場(chǎng) 比較強(qiáng)，使能帶發(fā)生彎曲，造成電子與空穴的波函數(shù)在空間上不完全重合，從而降低了載流 子輻射復(fù)合速率，使得器件的內(nèi)量子效率低下；3、襯底與外延層之間有較大的晶格失配，晶 體質(zhì)量比較差。
[0004] 傳統(tǒng)的LED外延結(jié)構(gòu)參看圖1，從下到上依次為：1、藍(lán)寶石襯底；2、GaN成核層；3、 未摻雜GaN層；4、n型摻雜GaN層；5、多量子阱發(fā)光層（InGaN阱和GaN壘）；6、p型摻雜GaN 層。
[0005] 但是上述結(jié)構(gòu)存在以下缺點(diǎn)：首先，由于阱層與壘層之間存在較大的晶格失配，會(huì) 產(chǎn)生較強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)，促使能帶彎曲；其次，由于電子的有效質(zhì)量比較輕，會(huì)出現(xiàn)溢流的現(xiàn) 象；然后是最后一個(gè)壘層與P型電子阻擋層之間有較大的能級(jí)差，限制空穴的注入。
[0006] CN103022290A提供了一種具有四元InAlGaN的LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法，其特 征是在η型摻雜的GaN層及多量子阱發(fā)光層之間插入InAlGaN應(yīng)力釋放層，但該層的厚度 為40nm-50nm，并不能有效減緩η型摻雜的GaN層及多量子阱發(fā)光層之間的晶格應(yīng)變。
[0007] Min-Ho Kim提出用不同組份的四元A1 InGaN分別代替MQW中的壘和電子 阻擋層，極大的減緩了大電流下發(fā)光效率下降的現(xiàn)象，參閱文獻(xiàn)Min-Ho Kim, Martin F. Schubert, Qi Dai, Jong Kyu Kim, and E. Fred Schubert, "Origin of efficiency droop in GaN-based light-emitting diodes，'Applied Physics Letters, 91，2007, 183507。但 是該結(jié)構(gòu)中沒(méi)有考慮存在于n型摻雜的GaN層和多量子阱發(fā)光層之間的晶格應(yīng)變、電子阻 擋層和P型氮化鎵層之間的晶格應(yīng)變。這些應(yīng)變的存在都會(huì)影響到電子和空穴的注入效 率。
[0008] Guangyu Liu等用寬帶隙的AlGalnN取代部分GaN魚，減小了電子的溢流。參考 文獻(xiàn)，Guangyu Liu, Jing Zhang, Chee-Keong Tan, and Nelson Tansu, "Efficiency-Droop Suppression By Using Large-Bandgap AlGalnN Thin Barrier Layers in InGaN Quantum-Well Light-emitting diodes" IEEE Photonics Journal, 5(2) ,2013,2201011。 盡管AlGalnN與GaN壘材料晶格完全匹配，但沒(méi)有實(shí)現(xiàn)InGaN阱材料和壘材料的晶格匹配， 使仍然存在阱與壘的晶格應(yīng)變。
[0009] 由于III族氮化物四元系材料Al^GahilriyN具有兩個(gè)可調(diào)諧的組分參數(shù)X和y， 相對(duì)三元化合物具有更高的靈活性，為了得到某種特定的材料參數(shù)可以通過(guò)對(duì)這兩個(gè)組分 參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化得到。
[0010] 四元氮化物的帶隙和晶格常數(shù)可以通過(guò)四元組分進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。
[0011] a(AlxGah_yInyN) = xaA1N+yaM+(l-x-y)aGaN
[0012] 其中，
[0013] aA1N = 0. 3112nm, aInN = 0. 3548nm, aGaN = 0. 3189nm
[0014]

【權(quán)利要求】
1. 一種晶格匹配的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括：襯底，所述襯底上，由下至上依 次設(shè)直有Al^Gah+ylriyN成核層、未慘雜的Al^Gah+ylriyN層、η型慘雜的AljjGah+ylriyN層、 InaGai_aN阱層和AlxGai_ x_yInyN壘層構(gòu)成的多量子阱發(fā)光層和p型摻雜的AlxG ai_x_yInyN層； 各層的AlxG ai_x_yInyN的晶格常數(shù)與多量子阱發(fā)光層的阱層In aGai_aN的晶格常數(shù)相同，各層 的AlxG ai_x_yInyN的帶隙寬度大于多量子阱發(fā)光層的阱層In aGai_aN的帶隙寬度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的成核層為AlxGai_x_ yInyN， 其厚度為30nm-50nm，X取值范圍：0· 5彡X彡0· 65, y取值范圍：0· 2彡y彡0· 4。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的未摻雜為AlxGai_x_ yInyN， 其厚度為1 μ m-2. 5 μ m，X取值范圍：0· 5彡X彡(λ 65, y取值范圍：0· 2彡y彡(λ 4。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的η型摻雜層為 AlxGah_yInyN，其厚度為1 μ m-2. 5 μ m，X取值范圍：0· 5彡X彡0· 65, y取值范圍： 0· 2 彡 y 彡 0· 4。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的η型摻雜的AlxGai_x_ yInyN 層由高低摻雜區(qū)兩部分構(gòu)成，先生長(zhǎng)1 μ m-2. 2 μ m的高摻雜層，后生長(zhǎng)0. 1 μ m-0. 3 μ m的 低摻雜層，高摻雜層的Si摻雜濃度是8X 1018cnT3-2X 1019cnT3,低摻雜層的Si摻雜濃度是 1 X 1017cm 3_3 X 1017cm 3。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的多量子阱發(fā)光層由 1-15個(gè)周期的間隔布置的InaG ai_aN阱層和AlxGai_x_ yInyN壘層疊加組成；其總厚度為 10nm-300nm ;a取值范圍：0· 1彡a彡(λ 25, X取值范圍：0· 5彡X彡(λ 65, y取值范圍： 0· 2 彡 y 彡 0· 4。
7. 所根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的P型摻雜層 為AlxGai_ x_yInyN，其厚度為100nm-250nm，X取值范圍：0· 5彡X彡0· 65, y取值范圍： 0· 2 彡 y 彡 0· 4。
8. -種根據(jù)權(quán)利要求1-7任意一項(xiàng)所述的LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，具體 步驟如下： 1) 將藍(lán)寶石襯底置于氫氣氣氛下，加熱到1050°C -1150°C并保持5min，以去除襯底表 面的H20和02 ; 2) 氫氣氣氛條件下，調(diào)節(jié)溫度將襯底層加熱到450°C -600°C，壓力100T〇rr-500T〇rr， 保持5min-10min，以TMGa為Ga源，以NH3為N源，以TMA1為A1源，以TMIn為In源， 開始生長(zhǎng)Al xGai_x_yInyN成核層，厚度為30nm-50nm ;然后調(diào)節(jié)MOCVD反應(yīng)室中的溫度到 750°C -860°C，壓力 100Torr-500Torr，保持 5min-10min，使所述 Aipamln# 成核層重結(jié) 晶；然后調(diào)節(jié)MOCVD反應(yīng)室中的溫度到750°C _860°C，壓力100Torr-500Torr，生長(zhǎng)未摻雜 的 AlxGah-ylriyN 層 1 μ m_2. 5 μ m、η 型摻雜的 AlxGah-ylriyN 層 1 μ m_2. 5 μ m ; 3) 所述的η型摻雜的AlxGai_x_yIn yN層由高低摻雜區(qū)兩部分構(gòu)成，先生長(zhǎng) 1 μ m_2. 2 μ m的1?慘雜層，后生長(zhǎng)0. 1 μ m_0. 3 μ m的低慘雜層，1?慘雜層的Si慘雜濃度是 8X 1018cm_3-2X 1019cm_3,低摻雜層的 Si 摻雜濃度是 IX 1017cm_3-3X 1017cm_3 ; 4) 在η型摻雜的AlxGai_x_yInyN層上生長(zhǎng)多量子阱發(fā)光層：多量子阱層是1-15個(gè)重 復(fù)周期且厚度分別為2nm-10nm厚度的InGaN阱和8nm-20nm厚的Al xGai_x_yInyN壘；生 長(zhǎng)Al xGai_x_yInyN壘的制備條件是將MOCVD反應(yīng)室中的溫度調(diào)節(jié)至750 °C -860 °C，壓力 100Torr-500Torr，以 TMGa 為 Ga 源，以 NH3 為 N 源，以 TMA1 為 A1 源，以 TMIn 為 In 源，生 長(zhǎng)AlxGai_x_yInyN壘層；生長(zhǎng)In aGai_aN阱層的制備條件是將MOCVD反應(yīng)室中的溫度調(diào)節(jié)至 750°C _860°C，壓力 100Torr-500Torr，同時(shí)關(guān)閉 TMA1 源，以 TMGa 為 Ga 源，以 NH3 為 N 源，， 以TMIn為In源，生長(zhǎng)InaGai_aN阱層； 5) 調(diào)節(jié)MOCVD反應(yīng)室中的溫度至750°C _860°C，在多量子阱發(fā)光層上生長(zhǎng)p型摻雜層 Al^Gah-ylriyN，厚度為 100nm-300nm, Mg 慘雜濃度為 5 X 1019cm 3-1 X 102Clcm 3 ； 6) 將上述步驟5)所獲得的產(chǎn)物置于650°C _750°C的氮?dú)鈿夥障峦嘶?5min-30min。
【文檔編號(hào)】H01L33/06GK104112799SQ201410300060
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】李天保, 韓蕊蕊, 馬淑芳, 田海軍, 關(guān)永莉 申請(qǐng)人:山西飛虹微納米光電科技有限公司