一種led結(jié)構(gòu)及其生長方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種LED結(jié)構(gòu)及其生長方法，屬于光電子的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]GaN基II1-V族氮化物是重要的直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體材料。以GaN、InN, AlN為代表的三族氮化物屬于直接帶隙半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)良的光電特性，是制造短波長發(fā)光二極管(LED)、光電探測器中不可缺少的材料。GaN的帶隙是3.4電子伏(eV)，InN的帶隙是0.7eV，這兩種材料對應(yīng)的發(fā)光波長分別位于紫外和紅外區(qū)域。
[0003]GaN基材料具有優(yōu)異的機械和化學(xué)性能，優(yōu)異的光電性質(zhì)，室溫下其帶隙范圍從0.7eV(IN)到6.2 (AlN)，發(fā)光波長涵蓋了遠紅外，紅外，可見光，紫外光，深紫外，GaN基材料在藍光，綠光，紫光及白光二極管等光電子器件領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用背景III V族寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體具有寬帶隙、高電子迀移率、高熱導(dǎo)率、高硬度、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、較小介電常數(shù)和耐高溫等一系列優(yōu)點，因此其在高亮度藍色發(fā)光二極管、藍色半導(dǎo)體激光器以及抗輻射、高頻、高溫、高壓等電子電力器件中有著廣泛的實際應(yīng)用和巨大的市場前景。GaN是半導(dǎo)體III族氮化物的基本材料，質(zhì)地堅硬，且化學(xué)性質(zhì)異常穩(wěn)定，室溫下不與酸、堿反應(yīng)，不溶于水，具有較高的熔點1700°C。GaN具有優(yōu)秀的電學(xué)性質(zhì)，電子迀移率最高可達900cm2/(V.s)。η型摻雜的GaN材料很容易得到，但是P型摻雜GaN卻不易得到，P型GaN曾經(jīng)是GaN器件的制約瓶頸。在熱退火技術(shù)提出之后，GaN較容易地實現(xiàn)了 Mg雜質(zhì)的摻雜，目前ρ型載流子濃度可以達到117?102°/cm3。近十幾年來，采用緩沖層的外延技術(shù)和ρ型摻雜的提高，使得GaN基器件研究重新振興，變?yōu)闊狳c。
[0004]三族氮化物都是異質(zhì)外延在其他材料上，常用的襯底有藍寶石、碳化硅等，常用的外延方法有金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)。由于和襯底的晶格失配及熱失配很大，在藍寶石襯底上生長GaN時都是采用兩步生長法，即先在低溫下生長一層低溫GaN作為緩沖層，然后升高到1000°C以上的高溫生長GaN。因此現(xiàn)有的GaN基LED芯片的結(jié)構(gòu)由下至上依次為襯底、低溫GaN緩沖層、高溫非摻雜GaN層、N型GaN層、MQW層(多量子阱層)、P型AlGaN層和P型GaN層，襯底可以采用目前常用的藍寶石襯底，外延生長方法最常用的還是MOCVDo
[0005]《物理學(xué)報》2010年7月，第7期，第59卷中公開一篇《In組分漸變提高InGaN/GaN多量子阱發(fā)光二極管發(fā)光性能》，文中披露:利用金屬有機物化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)在藍寶石襯底上通過有源層的變溫生長，得到In組分漸變的量子阱結(jié)構(gòu)，從而獲得具有三角形能帶結(jié)構(gòu)的InGaN/GaN多量子阱發(fā)光二極管，該結(jié)構(gòu)有效提高了量子阱中電子和空穴波函數(shù)的空間交疊，從而增加了 LED的內(nèi)量子效率，進而提高了 LED的發(fā)光效率。本文獻是針對發(fā)光二極管中每個量子阱的組分漸變；文獻中所記載的In組分漸變?nèi)切瘟孔于?，雖然在每個阱的低In組分一側(cè)與GaN量子皇的極化效應(yīng)很弱，但是在阱高In —側(cè)依然與GaN量子皇存在較高的極化效應(yīng)，因此該結(jié)構(gòu)只能部分提高載流子的空間重合率，但是對空穴的輸運沒有提高作用，因此對整個器件的效率提高非常有限。
[0006]傳統(tǒng)的LED結(jié)構(gòu)中，通常米用InGaN/GaN(量子講/量子皇)結(jié)構(gòu)，而在藍寶石(a -Al2O3)或者碳化硅(SiC)襯底上沿著
[0001]方向外延得到的GaN基材料卻存在自發(fā)極化和壓電極化，致使量子阱和量子皇能帶產(chǎn)生嚴(yán)重彎曲，彎曲的勢皇對載流子尤其是電子的束縛能力大大降低，當(dāng)注入電流密度很小時器件內(nèi)量子效率便達到飽和，注入電流密度進一步增加，會使得電子漏電流變得嚴(yán)重，注入效率變低，從而使得內(nèi)量子效率變低、衰減。
[0007]在中國專利CN101355127B中，也采用了 InGaN/AlGalnN量子阱/量子皇結(jié)構(gòu)，其中 InxGa1 XN 組分 x 為 0.1-0.4，AlxGayIn1 x yN 組分為 0.1 < x < 0.4，0.1 < y < 0.4，采用以上的結(jié)構(gòu)得到無極化效應(yīng)的量子阱活性層。但是該專利采用四元合金AlInGaN單層作為勢皇層，存在生長困難，晶體質(zhì)量較低等問題，而本發(fā)明則是采用GaN/InGaN超晶格作為勢皇層，能夠減小阱層應(yīng)力，同時保證較高的晶體質(zhì)量。
[0008]中國專利CN103594570含有超晶格勢皇層的LED結(jié)構(gòu)外延生長方法及其結(jié)構(gòu)，生長發(fā)光層MQW層中生長GaN:Si/GaN超晶格勢皇層的步驟為:停止通入In離子，升高溫度至800-850 0C，反應(yīng)室內(nèi)InxGa (1-x) N層上生長GaN層，通入SiH4，反應(yīng)室內(nèi)GaN層上生長GaN:Si層，反復(fù)通入和停止通入SiH4，GaN層和GaN:Si層相互交錯形成GaN:Si/GaN超晶格勢皇層；GaN:SiH4通入和停止通入的時間比例為6:1-1:6。本發(fā)明將原本不摻雜Si的發(fā)光層GaN勢皇層用GaN/GaN:Si的超晶格層取代，不影響器件的漏電和發(fā)光強度的前提下，將發(fā)光層的阻值降低，使得器件的驅(qū)動電壓下降。但是該專利的勢皇層材料仍然是GaN，僅是將摻雜改為超晶格結(jié)構(gòu)，不能減小阱層的應(yīng)力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]發(fā)明概述:
[0010]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種LED結(jié)構(gòu)。
[0011 ] 本發(fā)明還提供上述LED結(jié)構(gòu)的生長方法。
[0012]本發(fā)明采用InGaN/GaN超晶格層代替?zhèn)鹘y(tǒng)的GaN勢皇層，是在傳統(tǒng)的藍綠光外延的生長方法的基礎(chǔ)上在皇層用三元InGaN/GaN交替生長，能夠有效的改變MQW的晶體質(zhì)量，釋放應(yīng)力，能夠減小勢皇層與勢阱層的晶格失配度，改善LED的電學(xué)性質(zhì)，提高電子-空穴波函數(shù)的重疊幾率，增加多量子阱的自發(fā)輻射速率和內(nèi)量子效率，最終提高GaN基LED器件的發(fā)光效率。
[0013]發(fā)明詳述:
[0014]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0015]—種LED結(jié)構(gòu)，包括襯底層、GaN緩沖層、非摻雜GaN層和摻雜Si的GaN層、P型AlGaN層和P型GaN層；其特征在于，在所述摻雜Si的GaN層和P型AlGaN層之間包括InGaN/GaN超晶格皇層的多量子阱有源區(qū)。
[0016]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述InGaN/GaN超晶格皇層包括交替周期生長的InGaN皇層和GaN皇層。
[0017]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述多量子阱有源區(qū)包括交替周期生長的InGaN阱層和InGaN/GaN超晶格皇層。
[0018]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述InGaN/GaN超晶格皇層中所述InGaN皇層和GaN皇層的交替周期為5-20次。
[0019]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述多量子阱有源區(qū)中，所述InGaN阱層和InGaN/GaN超晶格皇層的交替周期為10-15次。
[0020]上述LED結(jié)構(gòu)的生長方法，包括步驟如下:
[0021 ] (I)在襯底層上生長GaN緩沖層，升高生長溫度，在所述GaN緩沖層上依次生長非摻雜GaN層和摻雜Si的GaN層；
[0022](2)降低生長溫度，生長InGaN阱層；
[0023](3)升高生長溫度，在所述步驟(3)的InGaN阱層上交替周期生長GaN皇層和InGaN皇層，得InGaN/GaN超晶格皇層；
[0024](4)重復(fù)步驟⑵-(3)，即，交替周期生長的InGaN阱層和InGaN/GaN超晶格皇層，得多量子阱有源區(qū)；
[0025](5)升高生長溫度，生長P型AlGaN層；
[0026](6)生長 P 型 GaN 層。
[0027]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在步驟(I)中，在襯底層上生長GaN緩沖層的生長條件為:在MOCVD生長爐的反應(yīng)室內(nèi)500°C —600°C下生長20nm_60nm的GaN緩沖層。
[0028]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在步驟(I)中，所述升高生長溫度為:將MOCVD生長爐的反應(yīng)室內(nèi)溫度升高到1000°C -1200°C;在所述GaN緩沖層上依次生長100nm_200nm的非摻雜GaN層和2 μ m-3 μ m的摻雜Si的GaN層。
[0029]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在步驟(2)中，降低生長溫度為:將MOCVD生長爐的反應(yīng)室內(nèi)溫度降低到700-750°C，通入三甲基鎵、三甲基銦和氨氣，生長3-5nm的InGaN阱層。
[0030]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在步驟(3)中，交替周期生長GaN皇層和InGaN皇層，其中，生長GaN皇層的條件為:將MOCVD生長爐的反應(yīng)室內(nèi)溫度升高到800-850°C，通入三甲基鎵、氨氣，生長l_2nm的GaN皇層；
[0031]生長InGaN皇層的條件為:將MOCVD生長爐的反應(yīng)室內(nèi)溫度升高到800_850°C，通入三甲基鎵、三甲基銦和氨氣，生長l_2nm的InGaN皇層。
[0032]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在步驟(3)中，在所述InGaN/GaN超晶格皇層中，InGaN皇層和GaN皇層的生長周期為5-20次。
[0033]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在步驟(4)中，在多量子阱有源區(qū)中，InGaN阱層和InGaN/GaN超晶格皇層的生長周期為10-15次。
[0034]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(5)中升高生長溫度為:將MOCVD生長爐的反應(yīng)室內(nèi)溫度升到900°C-1000°C，所述P型AlGaN層的厚度為30-50nm ;所述步驟(6)中P型GaN層厚度為80-120nm。
[0035]本發(fā)明的有益效果:
[0036]本發(fā)明采用InGaN/GaN超晶格層代替?zhèn)鹘y(tǒng)的GaN勢皇層，能夠減小勢皇層與勢阱層的晶格失配度，能夠有效的改變MQW的晶體質(zhì)量，提高電子-空穴波函數(shù)的重疊幾率，增加多量子阱的自發(fā)