專利名稱：一種GaN基量子阱LED外延片及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子器件領(lǐng)域，特別是一種新型結(jié)構(gòu)的GaN基LED 外延片及其制備方法。
技術(shù)背景GaN基高亮度發(fā)光二極管(LED)是目前全球光電子領(lǐng)域研究和產(chǎn)業(yè)的前 沿和熱點(diǎn)。由于發(fā)光二極管具有體積小、重量輕、能耗低、無(wú)污染等特點(diǎn)，廣 泛應(yīng)用于大屏幕顯示、交通信號(hào)燈、液晶背光源等領(lǐng)域。隨著發(fā)光二極管亮度 不斷提高、成本不斷下降、甚至可進(jìn)入照明領(lǐng)域。因此超高亮度發(fā)光二極管成 為世界各國(guó)爭(zhēng)相研制的熱點(diǎn)。GaN基LED制備要經(jīng)過(guò)LED外延片生長(zhǎng)，LED 芯片制備和LED封裝三個(gè)主要環(huán)節(jié)。其中LED外延片制備是LED的核心技術(shù)， 它對(duì)LED的性能水平起主要作用。發(fā)光二極管的亮度取決于發(fā)光效率?，F(xiàn)有的GaN基LED外延片的結(jié)構(gòu)一 般包括襯底、n型層、量子阱、p型層，發(fā)光區(qū)一般采用量子阱結(jié)構(gòu)，以增大對(duì) 電子和空穴的束縛作用，提高發(fā)光效率。然而，盡管量子阱對(duì)電子和空穴有束 縛作用，但在一定的外加電壓下，仍然有一部分電子和空穴泄露出去，不利于 進(jìn)一步提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，根據(jù)量子阱對(duì)電子和空穴的 束縛機(jī)理，設(shè)計(jì)出一種帶有限制層的GaN基量子阱LED外延片，該結(jié)構(gòu)在量 子阱兩邊增加了一限制層，能增大對(duì)電子和空穴的束縛作用，明顯提高發(fā)光二極管發(fā)光效率。本發(fā)明的有益效果是通過(guò)下述方案實(shí)現(xiàn)的其結(jié)構(gòu)從下至上依次為襯底、n型層、量子阱及p型層，其特征在于n型層與量子阱之間有一限制層，量子阱與p型層之間有一限制層，量子阱為InxG^xN/InyGaLyN量子阱。所述限制層的禁帶寬度小于相鄰的n型層和p型層，并大于或等于量子阱 勢(shì)壘層的禁帶寬度，采用這種結(jié)構(gòu)，能進(jìn)一步增大對(duì)電子和空穴的束縛作用， 明顯提高發(fā)光二極管發(fā)光效率。所述n型層為n型GaN，或n型GaN和n型AlGaN; p型層為p型GaN， 或p型AlGaN和p型GaN。所述n型層與量子阱之間的限制層為n型InGaN層，厚度為0.02u m 0.1 y m。所述n型InGaN限制層的施主為Si，或者不摻雜。所述量子阱與p型層之間的限制層為n型InGaN層或p型InGaN層，厚 度為0.02tim 0.1"m。所述量子阱與p型層之間的p型InGaN限制層的摻雜受主為Mg。 所述量子阱與p型層之間的n型InGaN限制層的摻雜施主為Si或者不摻雜。所述InxG^xN/InyGaLyN量子阱是單量子阱或多量子阱，周期數(shù)為1 10。 該GaN基量子阱LED外延片的制備方法如下1) 采用MOCVD設(shè)備，在100(TC 110(TC的溫度下，在襯底上生長(zhǎng)n型fe。2) 將溫度降至700。C 90(TC，生長(zhǎng)n型InGaN層限制層，限制層的厚度為0.02y m 0.1um。3)在溫度為55(TC 80(TC生長(zhǎng)InxGakN/InyGaLyN量子阱，周期數(shù)為l 10。4) 在溫度700。C 9(XrC，生長(zhǎng)InGaN限制層，限制層的厚度為0.02 u m 0.1 um。5) 在溫度900。C 110(TC生長(zhǎng)p型層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該GaN基量子阱LED外延片在量子阱兩邊增加了一限制層，限制層的禁 帶寬度小于相鄰的n型層和p型層，并大于或等于量子阱勢(shì)壘層的禁帶寬度， 采用這種結(jié)構(gòu)，能進(jìn)一步增大對(duì)電子和空穴的束縛作用，明顯提高發(fā)光二極管 發(fā)光效率。


圖1為實(shí)施例1的GaN基LED外延片結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為實(shí)施例2的GaN基LED外延片結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為實(shí)施例3的GaN基LED外延片結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為實(shí)施例4的GaN基LED外延片結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為實(shí)施例5的GaN基LED外延片結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6為實(shí)施例6的GaN基LED外延片結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7為實(shí)施例7的GaN基LED外延片結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8為現(xiàn)有GaN基LED外延片結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)有GaN基LED外延片結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖8。其中，襯底材料可采用藍(lán)寶 石、SiC、 Si、 GaN等。低溫緩沖層可采用低溫GaN層、低溫A1N層等。在采用GaN為襯底時(shí)可以不生長(zhǎng)低溫緩沖層和未摻雜GaN層。量子阱可采用單量 子阱，也可采用多量子阱，量子阱結(jié)構(gòu)有InGaN/GaN結(jié)構(gòu)、KGakN/InyGaLyN 結(jié)構(gòu)等。外延片結(jié)構(gòu)中可以不生長(zhǎng)n型AlGaN層或p型AlGaN層，或n型AlGaN 層和p型AlGaN層均不生長(zhǎng)。實(shí)施例1該新型的GaN基LED外延片的結(jié)構(gòu)如圖l所示，從下至上依次為襯底、 低溫緩沖層、未摻雜GaN層、n型GaN:Si層、InGaN:Si限制層、量子阱、未 摻雜InGaN限制層、p型GaN:Mg層。其制備方法為1) 采用MOCVD設(shè)備，升溫至IOO(TC在氫氣氛圍下烘烤襯底IO分鐘；2) 降溫至480°C ，在襯底上生長(zhǎng)厚度為30nm的GaN低溫度緩沖層；3) 升溫至105(TC，生長(zhǎng)厚度為l.Oiim的未摻雜GaN層；4) 在1050°C的溫度下生長(zhǎng)厚度為1.0 li m的n型GaN:Si層；5) 在800。C生長(zhǎng)Ino.o2Gao鄰N:Si層，厚度為0.02wm。6) 將溫度降至70(TC生長(zhǎng)Ino.16Ga,N/Ino.02Gao.98N多量子阱結(jié)構(gòu)， In0.i6Ga().84N阱層的厚度為3nm， Ina()2Gaa98N壘層的厚度為8nm，量子阱周期 數(shù)為5;7) 升溫80(TC生長(zhǎng)厚度0.02 " m的未摻雜Ino.02Gaa98N限制層；8) 升溫到1000。C生長(zhǎng)厚度為0.2 ym的p型GaN:Mg層。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在量子阱兩邊增加了限制層，能進(jìn)一步增大對(duì)電子和空穴 的束縛作用，明顯提高發(fā)光二極管發(fā)光效率。采用這種新型結(jié)構(gòu)，460nm藍(lán)光 LED的光功率由4毫瓦增加至6毫瓦以上。實(shí)施例2該新型的GaN基LED外延片的結(jié)構(gòu)如圖2所示，從下至上依次為襯底、 低溫緩沖層、未摻雜GaN層、n型GaN:Si層、InGaN:Si限制層、量子阱、 InGaN:Mg限制層、p型GaN:Mg層。其制備方法為1) 采用MOCVD設(shè)備，升溫至1000。C在氫氣氛圍下烘烤襯底10分鐘；2) 降溫至550°C ，在襯底上生長(zhǎng)厚度為30nrn的GaN低溫度緩沖層；3) 升溫至105(TC，生長(zhǎng)厚度為l.Oum的未摻雜GaN層；4) 在IOO(TC的溫度下生長(zhǎng)厚度為2.0y m的n型GaN:Si層； 5 )在900。C生長(zhǎng)Ino.02Gao.98N:Si層，厚度為0.1 u m。6) 將溫度降至70(TC生長(zhǎng)rno.16Gao.84N/In,Ga,N多量子阱結(jié)構(gòu)， rn0.16Gao.84N阱層的厚度為3nm， Ino.o5Gao.95N壘層的厚度為8nm，量子阱周期 數(shù)為5;7) 升溫80(TC生長(zhǎng)厚度0.05 u m的Ino.o2Ga固N(yùn):Mg限制層；8) 升溫到900'C生長(zhǎng)厚度為0.15 u m的P型GaN:Mg層。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在量子阱兩邊增加了一限制層，并且量子阱與p型層之間 的限制層為InGaN:Mg層，可適當(dāng)減少p型GaN:Mg層的厚度。采用這種新型 結(jié)構(gòu)，460nm藍(lán)LED的光功率由3毫瓦增加至5毫瓦以上。實(shí)施例3該新型的GaN基LED外延片的結(jié)構(gòu)如圖3所示，從下至上依次為襯底、 低溫緩沖層、未摻雜GaN層、n型GaN:Si層、InGaN:Si限制層、量子阱、InGaN:Si 限制層、p型GaN:Mg層其制備方法為1) 采用MOCVD設(shè)備，升溫至100(TC在氫氣氛圍下烘烤襯底10分鐘；2) 降溫至48(TC，在襯底上生長(zhǎng)厚度為30nm的GaN低溫度緩沖層；3) 升溫至105(TC，生長(zhǎng)厚度為l.Oiim的未摻雜GaN層；4) 在1100。C的溫度下生長(zhǎng)厚度為3.0y m的n型GaN:Si層； 5 )在900°C生長(zhǎng)Ino.02Gao.98N:Si層，厚度為0.05 u m。6) 將溫度降至70(TC生長(zhǎng)rno.16Gao.S4N/In,Ga,N多量子阱結(jié)構(gòu)， Ino.i6Gao.84N阱層的厚度為3nm， Ino.。5Ga,N壘層的厚度為8nm，量子阱周期 數(shù)為5;7) 升溫800。C生長(zhǎng)厚度0.02 u m的Ino.o2Gaa98N:Si限制層；8) 升溫到IIO(TC生長(zhǎng)厚度為0.2u m的P型GaN:Mg層。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在量子阱兩邊增加了一限制層，且在量子阱與p型GaN 之間采用InGaN:Si限制層，除增大對(duì)電子和空穴的束縛外，還可調(diào)節(jié)pn結(jié)空 間電荷區(qū)的位置，提高發(fā)光二極管發(fā)光效率。采用這種新型結(jié)構(gòu)，460nm藍(lán) LED的光功率由4毫瓦增加至6毫瓦以上。實(shí)施例4該新型的GaN基LED外延片的結(jié)構(gòu)如圖4所示，從下至上依次為襯底、 低溫緩沖層、未摻雜GaN層、n型GaN:Si層、未摻雜InGaN限制層、量子阱、 未摻雜InGaN限制層、p型GaN:Mg層。其制備方法為1) 采用MOCVD設(shè)備，升溫至IOO(TC在氫氣氛圍下烘烤襯底10分鐘；2) 降溫至48CTC，在襯底上生長(zhǎng)厚度為30nm的GaN低溫度緩沖層；3) 升溫至105(TC，生長(zhǎng)厚度為l.Opm的未摻雜GaN層；4) 在IOO(TC的溫度下生長(zhǎng)厚度為2.0ii m的n型GaN:Si層；5) 在700。C生長(zhǎng)未摻雜Iii().()5Gao.95N層，厚度為0.02um。6) 將溫度降至550。C生長(zhǎng)Ino.24Gao.76N/Ino.Q5Ga,N多量子阱結(jié)構(gòu)， Ina24Gao.76N阱層的厚度為3nm， Ino.。5Gao.95N壘層的厚度為8nm，量子阱周期 數(shù)為1;7) 升溫70(TC生長(zhǎng)厚度0.02 y m的Ino.o5Gao.95N限制層；8) 升溫到90(TC生長(zhǎng)厚度為0.2u m的P型GaN:Mg層。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在量子阱兩邊增加了一限制層，且在n型GaN與量子阱 之間采用未摻雜InGaN限制層、InGaN限制層晶體質(zhì)量相對(duì)于InGaN:Si提高， 除增大對(duì)電子和空穴的束縛作用外，還可改善量子阱質(zhì)量，提高發(fā)光二極管發(fā) 光效率。采用這種新型結(jié)構(gòu)，520nm綠光LED的光功率由1.0毫瓦增加至1.5毫瓦以上。實(shí)施例5該新型的GaN基LED外延片的結(jié)構(gòu)如圖5所示，從下至上依次為襯底、 低溫緩沖層、未摻雜GaN層、n型GaN:Si層、未摻雜InGaN限制層、量子阱、 InGaN:Mg限制層、p型GaN:Mg層。其制備方法為1) 采用MOCVD設(shè)備，升溫至100(TC在氫氣氛圍下烘烤襯底10分鐘；2) 降溫至480°C ，在襯底上生長(zhǎng)厚度為30nrn的GaN低溫度緩沖層；3) 升溫至100(TC，生長(zhǎng)厚度為l.Oum的未摻雜GaN層；4) 在100(TC的溫度下生長(zhǎng)厚度為1.5Pm的n型GaN:Si層；5) 在800。C生長(zhǎng)未摻雜In,Ga,N層，厚度為0.02 u m。6) 將溫度降至700'C生長(zhǎng)Ino.24Gao.76N/In,Ga,N多量子阱結(jié)構(gòu)， In().24Gao.76N阱層的厚度為3nm， Ino.o5Ga,N壘層的厚度為8歸，量子阱周期 數(shù)為10;7) 升溫90(TC生長(zhǎng)厚度0.1 y m的In。.Q5GaQ，95N:Mg限制層；8) 升溫到950。C生長(zhǎng)厚度為0.2 u m的P型GaN:Mg層。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在量子阱兩邊增加了一限制層，且在n型GaN與量子阱 之間采用未摻雜InGaN限制層、且在量子阱與p型層之間采用InGaN:Mg限制 層，除增大對(duì)電子和空穴的束縛作用外，還可改善量子阱質(zhì)量，并降低正向電壓， 提高發(fā)光二極管發(fā)光效率。采用這種新型結(jié)構(gòu)，520nm綠光LED的光功率由 1.0毫瓦增加至1.8毫瓦以上。實(shí)施例6該新型的GaN基LED外延片的結(jié)構(gòu)如圖6所示，從下至上依次為襯底、 低溫緩沖層、n型GaN:Si層、n型AlGaN:Si層、InGaN:Si限制層、量子阱、 InGaN:Mg限制層、p型GaN:Mg層。其制備方法為1) 采用MOCVD設(shè)備，升溫至IOO(TC在氫氣氛圍下烘烤襯底10分鐘；2) 降溫至480°C ，在襯底上生長(zhǎng)厚度為30nm的GaN低溫度緩沖層；3) 在105(TC的溫度下生長(zhǎng)厚度為2.0y m的n型GaN:Si層；4) 在在1050。C的溫度下生長(zhǎng)厚度為0.05um的n型AlGaN:Si層；5) 在9001:生長(zhǎng)1110.020&0.98汁51層，厚度為0.1um。6) 將溫度降至70(TC生長(zhǎng)Ino.16Ga,N/In,Ga,N多量子阱結(jié)構(gòu)，In0.i6Ga。.84N阱層的厚度為3nm， In。.Q5Ga,N壘層的厚度為8m，量子阱周期 數(shù)為5;7) 升溫80(TC生長(zhǎng)厚度0.05 ix m的Ino.02Gaa98N:Mg限制層；8) 升溫到90(TC生長(zhǎng)厚度為0.15 y m的P型GaN:Mg層。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在量子阱兩邊增加了一限制層，并且量子阱與p型層之間 的限制層為InGaN:Mg層，可適當(dāng)減少p型GaN:Mg層的厚度。同時(shí)在 Ino.02Ga().98N:Si限制層之前生長(zhǎng)了 n型AlGaN:Si層，可進(jìn)一歩增大量子阱對(duì)自 由電子和空穴的束縛作用。釆用這種新型結(jié)構(gòu)，460nm藍(lán)LED的光功率由3 毫瓦增加至6毫瓦以上。實(shí)施例7該新型的GaN基LED外延片的結(jié)構(gòu)如圖7所示，從下至上依次為襯底、 低溫緩沖層、未摻雜GaN層、n型GaN:Si層、InGaN:Si限制層、量子阱、 InGaN:Mg限制層、p型AlGaN:Mg層、p型GaN:Mg層。其制備方法為1) 采用MOCVD設(shè)備，升溫至IOO(TC在氫氣氛圍下烘烤襯底10分鐘；2) 降溫至48(TC，在襯底上生長(zhǎng)厚度為30nm的GaN低溫度緩沖層；3) 升溫至105(TC，生長(zhǎng)厚度為l.O"m的未摻雜GaN層；4) 在105(TC的溫度下生長(zhǎng)厚度為2.0P m的n型GaN:Si層；5) 在900。C生長(zhǎng)Ino.02Gaa98N:Si層，厚度為0.1 u m。6) 將溫度降至70(TC生長(zhǎng)InoMGao^N/Ino.osGao^N多量子阱結(jié)構(gòu)， Inai6GaQ.84N阱層的厚度為3nm， InQ.Q5Gaa95N壘層的厚度為8nm，量子阱周期 數(shù)為5;7) 升溫800。C生長(zhǎng)厚度0.05 u m的Ino.o2Gao鄰N:Mg限制層；8) 升溫900。C生長(zhǎng)厚度0.05 y m的P型AlGaN:Mg層；9) 在90(TC生長(zhǎng)厚度為0.15 y m的P型GaN:Mg層。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在量子阱兩邊增加了一限制層，并且量子阱與p型層之間 的限制層為InGaN:Mg層，可適當(dāng)減少p型GaN:Mg層的厚度。同時(shí)在 Inao2Ga,N:Mg限制層之后生長(zhǎng)了 P型AlGaN:Mg層，可進(jìn)一步增大量子阱對(duì) 自由電子和空穴的束縛作用。采用這種新型結(jié)構(gòu)，460nm藍(lán)LED的光功率由3 毫瓦增加至6毫瓦以上。
權(quán)利要求
1. 一種GaN基量子阱LED外延片，其結(jié)構(gòu)從下至上依次為襯底、低溫緩沖層、n型層、量子阱、p型層，其特征在于n型層與量子阱之間有一限制層，量子阱與p型層之間有一限制層，量子阱為InxGa1-xN/InyGa1-yN量子阱。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基量子阱LED外延片，其特征在于所述限 制層的禁帶寬度小于相鄰的n型層和p型層，并大于或等于量子阱勢(shì)壘層的禁 帶寬度。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基量子阱LED外延片，其特征在于n型層 為n型GaN，或n型GaN和n型AlGaN; p型層為p型GaN，或p型AlGaN 和p型GaN，所述p型層的受主為Mg。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基量子阱LED外延片，其特征在于n型層 與量子阱之間的限制層為n型InGaN層，厚度為0.02 w m 0.1 u m。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的的GaN基量子阱LED外延片，其特征在于所述 n型InGaN層的施主為Si，或者不摻雜。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基量子阱LED外延片，其特征在于量子阱 與p型層之間的限制層為n型InGaN層或p型InGaN層，厚度為0.02 u m 0.1 p m。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的GaN基量子阱LED外延片，其特征在于p型 InGaN層的摻雜受主為Mg， n型InGaN層的摻雜施主為Si或者不摻雜。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基量子阱LED外延片，其特征在于所述 I^GauN/InyGaLyN量子阱是單量子阱或多量子阱。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基量子阱LED外延片，其特征在于所述低 溫緩沖層與n型層之間設(shè)有未摻雜GaN層。
10、 一種如權(quán)利要求1所述的GaN基量子阱LED外延片的制備方法。1) 采用MOCVD設(shè)備，在480。C 550。C的溫度下，在襯底上生長(zhǎng)GaN 低溫緩沖層；2) 在100(TC 110(TC的溫度下，生長(zhǎng)n型層；3) 將溫度降至70(TC 90(rC，生長(zhǎng)n型InGaN層限制層，限制層的厚度 為0.02um 0.1 u m。4)在溫度為55(TC 80(TC生長(zhǎng)InxGakN/InyGaLyN量子阱，周期數(shù)為l 10。5) 在溫度70(TC 90(rC，生長(zhǎng)InGaN限制層，限制層的厚度為0.02um 0.1 ym。6) 在溫度9(XTC 1100。C，生長(zhǎng)p型層。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子器件領(lǐng)域，特別是一種新型結(jié)構(gòu)的GaN基LED外延片及其制備方法，其結(jié)構(gòu)從下至上依次為襯底、n型層、量子阱及p型層，其特征在于n型層與量子阱之間有一限制層，量子阱與p型層之間有一限制層，量子阱為In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN量子阱。該結(jié)構(gòu)在量子阱兩邊增加了一限制層，能增大對(duì)電子和空穴的束縛作用，明顯提高發(fā)光二極管發(fā)光效率。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101281940SQ200710027408
公開(kāi)日2008年10月8日 申請(qǐng)日期2007年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月4日
發(fā)明者李述體 申請(qǐng)人:華南師范大學(xué)