一种GaN基发光二极管以及制作方法

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一种GaN基发光二极管以及制作方法
技术领域
[0001] 本发明属于发光二极管领域，具体涉及一种GaN基发光二极管，本发明还包括该发光二极管的制作方法。
背景技术
[0002] 发光二极管(Light-emitting diode，LED)是一种注入电致发光器件。由于LED在节能和智能控制方面的优势，所以受到广泛关注。特别是基于GaN基材料(AlN、InN、GaN和其化合物)的LED，由于其波长可调范围理论上覆盖了整个可见光波段和紫外波段，因此成为目前LED发展的主流方向。进入21世纪以来，以GaN基蓝光LED为代表的LED技术无论在研究上和商业化生产应用上都取得了巨大进步，其应用领域越来越开阔。但是，目前LED的发光效率相对较低，从外延结构方面来说，如何进一步挺高LED有源区中的电子空穴注入效率和复合效率，如何进一步降低LED的工作电压等问题制约着LED的应用发展，有待解决。
[0003] 传统LED的外延结构如图1所示，其中的发光有源层为多量子阱结构。传统有源层区的In组份和其能带结构如示意图2所示。电子和空穴分别从有有源层两端的电子注入层和空穴注入层直接输入到多量子阱有源层区中。由于载流子的输入主要靠其本身的输运特性，传统LED结构中存在载流子注入效率低的问题。为进一步提高LED有源区的电子注入效率，相关科学人员提出了通过在有源区前插入一电子发射层的方法。例如美国专利《LIGHT EMITTING DIODES WITH ASYMMETRIC RESONANCE TUNNELLING》(专利号US 6614060B1)公布了一种具有单层InGaN或AlGaInP电子发射层的发光二极管结构。通过该电子发射层，更多的电子在此层积累并注入到真正的发光有源层中，提高了LED的发光效率(可参考文献Soon Il Jung et al，“Photoluminescence study of InGaN/GaN multiple-quantum-well with Si-doped InGaN electron-emitting Layer”Current Applied Physics，vol.9，pp.943-945，2009)。
[0004] 另一方面，由于目前GaN基LED外延一般是沿着极性方向生长，存在极化效应，LED的有源层区的能带会被拉升变形为三角形，从而增加了电子传输的势垒，增加了LED的工作电压。通过在InGaN/GaN量子阱中采用In组份渐变的三角形量子阱结构，能缓解极性效应，降低势垒和LED的工作电压(可参考R.J.Choi et al，″Efficient blue light-emitting diodes with InGaN/GaN triangular shaped multiple quantum wells″，Applied Physics Letters，vol.82，pp.2764-2766，2003.)。另外，美国专利《LIGHT EMITTING DIODES WITH GRADED COMPOSITION ACTIVE REGIONS》(专 利 号 US
6955933 B2)也公开了一种利用In组份渐变的三角形量子阱作为发光有源层的LED结构。
但是，由于目前MOCVD等沉积技术和相关仪器设备的性能限制，对In组份渐变的三角形量子阱的控制十分困难，而LED的发光性能对有源层中的结构却十分敏感，所以该结构的LED器件的稳定性和可重复性有待提高。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，设计一种提高电子到有源区的注入效率，降低工作电压的GaN基发光二极管。本发明同时给出了该发光二极管的制作方法，该方法对生长设备和工艺条件没有特殊要求，也不会对后续的生长和工艺步骤产生较大改动，且又能提升二极管的发光效率。
[0006] 为了实现上述目的，本发明涉及的发光二极管包括如下技术特征：在外延衬底上利用半导体沉淀技术依次生长有初始生长层、缓冲层、n型电子注入层、量子阱结构电子发射层、量子阱结构发光有源层、p型电子阻挡层和p型空穴注入层；
[0007] 所述量子阱结构发光有源层为AliInjGa1-i-jN势垒层和AlxInyGa1-x-yN量子阱层交错堆叠的量子阱或多量子阱结构，且0≤i≤1，0≤j≤1，0≤i+j≤1，0≤x≤1，0≤y≤1，
0≤x+y≤1，所述AliInjGa1-i-jN势垒层的禁带宽度大于AlxInyGa1-x-yN量子阱层的禁带宽度；
[0008] 所述量子阱结构电子发射层为AlkInLGa1-k-LN势垒层和AlmInnGa1-m-nN量子阱层交错堆叠的量子阱或多量子阱结构，且0≤k≤1，0≤L≤1，0≤k+L≤1，0≤m≤1，0≤n≤1，
0≤m+n≤1，所述AlkInLGa1-k-LN势垒层的禁带宽度总大于AlmInnGa1-m-nN量子阱层的禁带宽度，所述AlmInnGa1-m-nN量子阱层的禁带宽度大于量子阱结构发光有源层中的AlxInyGa1-x-yN量子阱层的禁带宽度；
[0009] 所述AlkInLGa1-k-LN势垒层和AlmInnGa1-m-nN量子阱层的Al组份或In组份在垂直于外延衬底生长面方向上逐渐变化，从而使AlkInLGa1-k-LN势垒层和AlmInnGa1-m-nN量子阱层在能带结构上各自具有或组合后具有三角型特征。
[0010] 更进一步的，所述量子阱结构电子发射层的AlkInLGa1-k-LN势垒层的厚度为5nm～
20nm，AlmInnGa1-m-nN量子阱层的厚度为1nm～5nm；所述AlkInLGa1-k-LN势垒层和AlmInnGa1-m-nN量子阱层的In组份或Al组份在垂直于外延衬底生长面方向上逐渐变化；所述势垒层和量
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子阱层为非掺、n型掺杂或p型掺杂，其掺杂浓度为0～1×10 /cm ；所述量子阱结构电子发射层的堆叠量子阱的周期数为1～20。
[0011] 所述量子阱结构发光有源层的AliInjGa1-i-jN势垒层厚度为5nm～20nm，AlxInyGa1-x-yN量子阱层的厚度为1nm～5nm；所述AliInjGa1-i-jN势垒层和AlxInyGa1-x-yN量子
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阱层为非掺、n型掺杂或p型掺杂，其掺杂浓度为0～1×10 /cm ；所述量子阱结构发光有源层的堆叠量子阱的周期数为1～20。
[0012] 所述外延衬底为蓝宝石衬底、硅衬底或SiC衬底；所述初始生长层为GaN层或AlN层；所述缓冲层为GaN层、AlN层、InGaN层、AlGaN层、InAlN层、InGaAlN层中的任一种或几种化合物组合而形成的过渡层；所述n型电子注入层为GaN层、AlN层、InGaN层、AlGaN层、InAlN层、InGaAlN层中的任一中或几种化合物组合形成的制备n型欧姆接触的n型掺杂层；所述p型电子阻挡层为AlaInbGa1-a-bN层，其中0≤a≤1，0≤b≤1，0≤a+b≤1；
所述p型空穴注入层为GaN层、InGaN层、AlGaN层、InGaAlN层中的任一种或由几种化合物组合而形成的制备p型欧姆接触层的p型掺杂层。所述初始生长层的厚度为1～500nm；
所述的缓冲层的厚度为20nm～3μm；所述的n型电子注入层的厚度为100nm～6μm，掺杂
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浓度为1×10 /cm ～1×10 /cm ；所述的p型电子阻挡层的厚度为0nm～100nm，掺杂浓
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度为1×10 /cm ～1×10 /cm ；所述的p型空穴注入层厚度为10nm～1μm，掺杂浓度为
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1×10 /cm ～1×10 /cm。
[0013] 本发明还包括该GaN基发光二极管的制作方法，包括如下步骤：
[0014] 步骤1、采用半导体沉淀技术在外延衬底上依次生长GaN初始生长层、缓冲层和n型电子注入层；
[0015] 步骤2、在步骤1的基础上，生长量子阱结构电子发射层，所述量子阱结构电子发射层为AlkInLGa1-k-LN势垒层和AlmInnGa1-m-nN量子阱层交错堆叠形成的量子阱或多量子阱结构；
[0016] 所述AlkInLGa1-k-LN势垒层的禁带宽度总大于AlmInnGa1-m-nN量子阱层的禁带宽度；
[0017] 所述AlkInLGa1-k-LN势垒层和AlmInnGa1-m-nN量子阱层的Al组份或In组份在垂直于衬底生长面方向上逐渐变化，从而使AlkInLGa1-k-LN势垒层和AlmInnGa1-m-nN量子阱层在能带结构上各自具有或组合后具有三角型特征；
[0018] 步骤3、在步骤2的基础上，生长量子阱结构发光有源层；所述量子阱结构发光有源层为由AliInjGa1-i-jN势垒层和由AlxInyGa1-x-yN量子阱层交错堆叠形成的量子阱或多量子阱结构，所述AliInjGa1-i-jN势垒层禁带宽度大于AlxInyGa1-x-yN量子阱层的禁带宽度；所述AlxInyGa1-x-yN量子阱层的禁带宽度小于电子发射层中AlmInnGa1-m-nN量子阱层的禁带宽度。
[0019] 步骤4、在步骤3的基础上，依次生长p型AlGaN电子阻挡层和p型空穴注入层。
[0020] 其中，步骤2中Al组份或In组份的逐渐变化通过以下一种或者任意几种方式的结合来实现：
[0021] a、逐渐提高或降低In或Al生长源气体的流量；
[0022] b、逐渐降低或提高AlInGaN材料的生长温度；
[0023] c、逐渐降低或升高AlInGaN材料的生长气压。
[0024] 与现有技术相比，本发明的GaN基发光二极管有益效果在于：
[0025] 1、电子发射层中势垒层的禁带宽度总大于量子阱层的禁带宽度，量子阱层的禁带宽度总大于有源层中的量子阱层的禁带宽度，即电子发射层具有浅量子阱结构。与传统的发光二极管结构相比，浅量子阱结构的电子发射层能有效储蓄电子并发射到有源层区，增加电子的注入效率，从而提高发光二极管的发光效率。同时，量子阱结构电子发射层的多层结构比一般的单层电子发射层在电子储蓄和发射上更有优势。
[0026] 2、所述量子阱结构电子发射层在垂直于衬底表面的方向上形成In组份或Al组份渐变的区域，从而使势垒层和量子阱层在能带结构上具有三角型特征。该三角形的势垒层和量子阱层可以缓解外延结构的极化效应，进一步降低发光二极管的工作电压。同时该三角形特征只在电子发射层，不改变后续有源层区的生长和结构，从而提高LED的出光可靠性和可重复性。
附图说明
[0027] 图1是现有技术中发光二极管的截面图；
[0028] 图2是现有技术中发光二极管量子阱结构发光有源层6的In组份分布示意图和其能带结构示意图；
[0029] 图3是本发明的发光二极管的截面图；
[0030] 图4是本发明的发光二极管一种实施例的量子阱结构电子发射层5和量子阱结构发光有源层6的In组份分布示意图和其能带结构示意图；
[0031] 图5是实施案例1中的发光二极管的示意图及其量子阱结构电子发射层5和量子阱结构发光有源层6的结构图。
[0032] 图6是实施案例4中的发光二极管的示意图及其量子阱结构电子发射层5和量子阱结构发光有源层6的结构图。
[0033] 图7是根据本发明制备的发光二极管与普通发射层结构的发光二极管的I-V曲线图
[0034] 图8是根据本发明制备的发光二极管与普通发射层结构的发光二极管的出光特性对比图。
具体实施方式
[0035] 为使本发明的目的和技术方案更清楚，以下给出本发明的部分具体实施示例，以对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于以下示例：
[0036] 本发明为一种具有量子阱结构的GaN基发光二极管，以图形化或非图形化的蓝宝石衬底或硅衬底或SiC衬底为外延衬底1，用MOCVD、MBE、HVPE半导体沉积技术在所述衬底上依次沉积初始生长层2、缓冲层3、n型电子注入层4、浅量子阱结构电子发射层5、量子阱结构发光有缘层6、p型AlGaN电子阻挡层7和p型空穴注入层8，得到具有GaN基浅量子阱结构的发光二极管，如图3所示；
[0037] 所述初始生长层2为GaN层或AlN层，厚度为20nm～2μm；
[0038] 所述缓冲层3为GaN层、AlN层、InGaN层、AlGaN层、InAlN层、InGaAlN层或由以上几种化合物组合形成的过渡层，厚度为20nm～2μm；
[0039] 所述n型电子注入层4为GaN层、AlN层、InGaN层、AlGaN层、InAlN层、InGaAlN层或由以上几种化合物组合形成的制备n型欧姆接触的n型掺杂层，厚度为100nm～5μm，
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掺杂浓度为1×10 /cm ～1×10 /cm ；
[0040] 所述量子阱发光有源层6为由势垒层AliInjGa1-i-jN 61和量子阱层AlxInyGa1-x-yN
62交错堆叠形成的量子阱或多量子阱结构的发光二极管的有源层，其中0≤i≤1，
0≤j≤1，0≤i+j≤1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1且所述势垒层61禁带宽度大于所述量子阱层62的禁带宽度；所述AliInjGa1-i-jN势垒层61的厚度为5nm～20nm，AlxInyGa1-x-yN量子阱层62的厚度为1nm～5nm。所述AliInjGa1-i-jN势垒层和AlxInyGa1-x-yN
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量子阱层可以为非掺、n型掺杂或p型掺杂，其掺杂浓度为0～1×10 /cm。所述发光有源层的堆叠量子阱的周期数为1～20。
[0041] 所述量子阱结构电子发射层5为由AlkInLGa1-k-LN材料组成的势垒层51和由AlmInnGa1-m-nN材料组成的量子阱层52交错堆叠形成的量子阱或多量子阱结构的电子发射层，其中0≤k≤1，0≤L≤1，0≤k+L≤1，0≤m≤1，0≤n≤1，0≤m+n≤1且所述势垒层51的禁带宽度总大于所述量子阱层52的禁带宽度，所述量子阱层52的禁带宽度大于所述有源层6中的量子阱层62的禁带宽度。所述电子发射层的AlkInLGa1-k-LN势垒层和AlmInnGa1-m-nN量子阱层Al组份或In组份在垂直于衬底生长面方向上逐渐变化，从而使垒和阱在能带结构上各自具有或组合后具有三角型特征。所述量子阱结构电子发射层
5的AlkInLGa1-k-LN势垒层51的厚度为5nm～20nm，AlmInnGa1-m-nN浅量子阱层52的厚度为
1nm～5nm。所述势垒层和浅量子阱层可以为非掺、n型掺杂或p型掺杂，其掺杂浓度为0～
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1×10 /cm。所述电子发射层的堆叠量子阱的周期数为1～20。
[0042] 在实际情况中，所述电子发射层5中势垒层51和量子阱层52是通过控制AlInGaN材料的生长条件，使其在垂直于衬底生长面方向上形成渐变的In组份和Al组份，从而使其在能带结构上具有三角型特征的。具体控制方法包括：1)通过逐渐提高或降低In生长源气体的流量或逐渐提高或降低Al生长源气体的流量，实现In组份和Al组份的渐变控制；
2)通过逐渐降低或提高AlInGaN材料的生长温度，实现In组份和Al组份的渐变控制；3)通过逐渐降低或升高AlInGaN材料的生长气压，实现In组份和Al组份的渐变控制；4)通过以上三种方法的任意组合，实现In组份和Al组份的渐变控制。
[0043] 所述p型AlGaN电子阻挡层7为AlaInbGa1-a-bN层，其中0≤a≤1，0≤b≤1，
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0≤a+b≤1，厚度为0nm～100nm，掺杂浓度为1×10 /cm ～1×10 /cm ；
[0044] 所述p型空穴注入层8为GaN层、InGaN层、AlGaN层、InGaAlN层或由以上几种化合物组合形成的制备p型欧姆接触层的p型掺杂层，厚度为10nm～1μm，掺杂浓度为
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1×10 /cm ～1×10 /cm。
[0045] 以下是制作上述GaN基发光二极管的方法：
[0046] 实施例1：
[0047] 1、采用普通的金属氧化物气相沉积(MOCVD)设备，衬底材料1为蓝宝石非图形化(0001)面衬底；在高温下加热，清洁衬底；然后把温度降低，生长GaN初始生长层2，厚度为
20nm；
[0048] 2、在步骤1基础上，把温度升高，对GaN层进行重结晶，然后依次生长：
[0049] GaN缓冲层3，该层为非掺的GaN层，厚度为1μm；
[0050] n型电子注入层4，该层为掺Si的GaN层，厚度为2.3μm；
[0051] 3、在步骤2的基础上，把温度降低生长浅量子阱结构电子发射层5，一共生长3个周期的势垒层51和浅量子阱层52；其中：
[0052] 势垒层51是Si掺杂的GaN材料，厚度为7nm；
[0053] 浅量子阱层52是三角形结构的InGaN，即为In组份从下往上逐渐变大的非掺杂InGaN，其中In组份从开始的0％(即GaN材料)逐渐增大到最大的10％，厚度为2.5nm；
[0054] 4、在步骤3的基础上，生长量子阱结构发光有源层6，一共生长3个周期的势垒层
61和量子阱层62；其中：
[0055] 势垒层61是非掺杂的GaN材料，厚度为7nm；
[0056] 量子阱层62是非掺杂的InGaN材料，厚度为2.5nm；
[0057] 5、在步骤4的基础上，把温度升高，生长p型空穴注入层8，该层为Mg掺杂的GaN层，厚度为150nm。
[0058] 根据本实施例制备的发光二极管的I-V曲线图和出光特性如图7、8所示。
[0059] 实施例2
[0060] 1、采用普通的金属氧化物气相沉积(MOCVD)设备，衬底材料1为非图形化的硅(0001)面衬底；在高温下加热，清洁衬底；然后把温度低，生长A1N初始生长层2，厚度为
50nm；
[0061] 2、在步骤1基础上，升温并依次生长：
[0062] GaN缓冲层3，该层为非掺的GaN层，厚度为1μm；
[0063] n型电子注入层4，该层为掺Si的GaN层，厚度为2.3μm；
[0064] 3、在步骤2的基础上，把温度降低生长浅量子阱结构电子发射层5，一共生长3个周期的，势垒层51和浅量子阱层52；其中：
[0065] 势垒层51是Si掺杂的AlInGaN材料，厚度为7nm；
[0066] 浅量子阱层52是三角形结构的InGaN，即为In组份从下往上逐渐变大的非掺杂InGaN，其中In组份从开始的0％(即GaN材料)逐渐增大到最大的10％，厚度为2.5nm；
[0067] 4、在步骤3的基础上，生长量子阱结构发光有源层6，一共生长8个周期的势垒层
61和量子阱层62；其中：
[0068] 势垒层61是非掺杂的GaN材料，厚度为7nm；
[0069] 量子阱层62是非掺杂的InGaN材料，厚度为2.5nm；
[0070] 5、在步骤4的基础上，把温度升高并依次生长：
[0071] p型AlGaN电子阻挡层7，该层为Mg掺杂的Al0.2Ga0.8N层，厚度为20nm；
[0072] p型空穴注入层8，该层为Mg掺杂的GaN层，厚度为150nm。
[0073] 实施例3
[0074] 1、采用普通的金属氧化物气相沉积(MOCVD)设备，衬底材料1为图形化的蓝宝石衬底，图形为规则排列的半圆球形，生长面为(0001)面；高温清洁衬底；然后把温度降低生长GaN初始生长层2，厚度为20nm；
[0075] 2、在步骤1基础上，把温度升高对GaN层进行重结晶，然后依次生长：
[0076] GaN缓冲层3，该层为非掺的GaN层，厚度为3μm；
[0077] n型电子注入层4，该层为掺Si的GaN层，厚度为2μm；
[0078] 3、在步骤2的基础上，把温度降低生长浅量子阱结构电子发射层5，一共生长3个周期的，势垒层51和浅量子阱层52；
[0079] 其中：势垒层51是Si掺杂的GaN材料，厚度为7nm；
[0080] 浅量子阱层52是三角形结构的InGaN，即为In组份从下往上逐渐变大的非掺杂InGaN，其中In组份m从开始的0％(即GaN材料)逐渐增大到最大的10％，厚度为2.5nm；
[0081] 4、在步骤3的基础上，生长量子阱结构发光有源层6，一共生长5个周期的势垒层
61和量子阱层62；
[0082] 其中：势垒层61是非掺杂的AlInGaN材料，厚度为7nm；
[0083] 量子阱层62是非掺杂的AlInGaN材料，厚度为2.5nm；
[0084] 5、在步骤4的基础上，升温并依次生长：
[0085] p型AlGaN电子阻挡层7，该层为Mg掺杂的Al0.2Ga0.8N层，厚度为20nm；
[0086] p型空穴注入层8，该层为Mg掺杂的GaN层，厚度为150nm。
[0087] 实施例4：
[0088] 1、采用普通的金属氧化物气相沉积(MOCVD)设备，衬底材料1为蓝宝石非图形化(0001)面衬底；高温清洁衬底；然后把温度降到生长GaN初始生长层2，厚度为20nm；
[0089] 2、在步骤1基础上，把温度升高对GaN层进行重结晶，然后依次生长：
[0090] GaN缓冲层3，该层为非掺的GaN层，厚度为1μm；
[0091] n型电子注入层4，该层为掺Si的GaN层，厚度为2.3μm；
[0092] 3、在步骤2的基础上，把温度降低生长浅量子阱结构电子发射层5，一共生长3个周期的势垒层51和浅量子阱层52；其中：
[0093] 势垒层51是非掺杂的In组份渐变的InGaN，从下往上In组份逐渐变大，其中In组份从开始的0％逐渐增大到最大的10％；厚度为5nm；
[0094] 浅量子阱层52是非掺杂的In组份渐变的InGaN，从下往上In组份逐渐变小，其中In组份从开始的10％逐渐减小到最后的0％；厚度为5nm；
[0095] 4、在步骤3的基础上，生长量子阱结构发光有源层6，一共生长5个周期的势垒层
61和量子阱层62；其中：
[0096] 势垒层61是非掺杂的GaN材料，厚度为7nm；
[0097] 量子阱层62是非掺杂的InGaN材料，厚度为2.5nm；
[0098] 5、在步骤4的基础上，把温度升高，依次生长：
[0099] p型AlGaN电子阻挡层7，该层为Mg掺杂的Al0.2Ga0.8N层，厚度为20nm；
[0100] p型空穴注入层8，该层为Mg掺杂的GaN层，厚度为150nm。