提高载流子注入效率的GaN基LED外延结构及其生长方法

摘要

本发明公开了一种提高载流子注入效率的GaN基LED外延结构及其生长方法，该发光层由势垒层和量子阱层交替构成，其中按生长顺序，最后一层势垒层采用Al组分即x值从0至0.15渐变的AlxGa1‑xN势垒层，其它势垒层为GaN势垒层，子阱层采用InyGa1‑yN量子阱层，y为0.1~0.3。本发明去除生长AlGaN电子阻挡层，能够减少p型Mg掺杂AlGaN带来的空穴势垒的提高，同时减少生长AlGaN时带来的严重的晶格缺陷和较大应力，以及其高温生长条件对发光层结构的高温损伤，提高芯片质量，采用Al组分渐变的AlxGa1‑xN最后一层势垒层，依然能实现有效提高电子势垒的作用，同时还能有效地降低空穴势垒，不但抑制了电子泄漏还进一步提高了空穴注入能力，从而提高了发光层中有效辐射复合速率，提高了GaN基LED的发光效率。

权利要求

1.一种GaN基LED外延结构，其特征在于，该外延结构不包含AlGaN电子阻挡层，该外延结构从下向上的顺序依次包含:低温成核层GaN、非掺杂u‑GaN层、掺杂Si的n‑GaN层、发光层和p‑GaN层，其中，该发光层由势垒层和量子阱层交替构成，量子阱层采用InyGa1‑yN量子阱层，y为0.1 0.3，其中按生长顺序，最后一层势垒层采用Al组分即x值从0至0.15渐变的~AlxGa1‑xN 势垒层，其它势垒层为GaN势垒层，AlxGa1‑xN 势垒层的厚度为8nm~15nm。

2.如权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，量子阱层的层数至少为2层，每一层量子阱层的厚度为2nm。

3. 如权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于， GaN势垒层的厚度为8nm~

15nm。

4.一种如权利要求1‑3任一项所述的GaN基LED外延结构的生长方法，其特征在于，其中发光层由如下步骤制备：（1）在反应腔压力100 Torr 500 Torr，温度为800 ℃ 950 ℃，使用MO源为TEGa，TMIn~ ~和SiH4，生长GaN势垒层；

（2）在反应腔压力为100 Torr~500 Torr，温度为700 ℃~800 ℃，使用TEGa,TMIn和SiH4作为MO源，生长掺杂In的InyGa1‑yN量子阱层；

（3）步骤（1）和步骤（2）交替进行，交替生长InyGa1‑yN/GaN发光层；

（4）保持反应腔的压力为200 Torr~500 Torr，温度为900 ℃~1100 ℃，N2气氛下，通入MO源为TMAl，TMGa和NH4，在InyGa1‑yN/GaN发光层的InyGa1‑yN量子阱层上生长x沿生长方向为

0至0.15渐变的AlxGa1‑xN 势垒层。

说明书

提高载流子注入效率的GaN基LED外延结构及其生长方法

技术领域

[0001] 本发明涉及LED设计应用领域，特别涉及一种空穴注入层和发光层结构改进的LED外延层结构及其生长方法。

背景技术

[0002] GaN基LED是目前主要的形成白光的光源之一，其具有寿命长，能耗低的优势，但是随着工作环境的要求，GaN基LED越来越被要求在大电流下进行工作，随之而来的是GaN基LED在大电流下产生了较大的效率衰减。目前的研究中电子泄漏是造成效率衰减的一个重要原因，这是由于空穴相对于电子具有较高的有效质量，使得从p型层到有源区的空穴注入比从n型层的电子注入效率低很多，因而大量载流子在p型层附近的最后一个量子阱中积聚，导致大部分电子泄漏到p型层造成的。

[0003] 对此，目前的GaN基LED外延生长方法中采用生长AlGaN电子阻挡层的方法，来有效地提高发光层p侧能带的有效势垒的高度，通过能带工程这能够有效地抑制电子泄漏，但是同时，AlGaN电子阻挡层带来的空穴势垒也一定程度上降低了空穴从p电极向发光层的注入，这限制了GaN基LED的发光效率的提高；另一方面，AlGaN电子阻挡层中p型Mg掺杂激活率较低，且随着Al组分的提高出现的严重晶格缺陷和较大的应力会使得发光层能带发生畸变，进一步地限制空穴注入发光层的能力。

[0004] 但是面对GaN基LED工作时的高光电效率的要求，业内仍然在外延生长中生长AlGaN电子阻挡层，避免由于没有p‑AlGaN层而导致发光层能带中出现较低的电子势垒，这将进一步导致大量的电子泄漏，从而产生严重的光电效率衰减。

发明内容

[0005] 为了有效降低GaN基LED的效率下降问题，本发明提供了一种提高载流子注入效率的GaN基LED外延结构及其生长方法。

[0006] 实现本发明目的的技术解决方案是：一种提高载流子注入效率的GaN基LED外延结构的发光层，该发光层由势垒层和量子阱层交替构成，其中按生长顺序，最后一层的势垒层采用Al组分即x值从0至0.15渐变的AlxGa1‑xN 势垒层。

[0007] 较佳的，AlxGa1‑xN 势垒层的厚度为8nm~15nm。

[0008] 较佳的，量子阱层采用InyGa1‑yN量子阱层，y为0.1~0.3，每一层量子阱层的厚度为2nm。

[0009] 较佳的，除最后一层势垒层外的其它势垒层为GaN势垒层，GaN势垒层的厚度为8nm15nm。
~

[0010] 一种提高载流子注入效率的GaN基LED外延结构，该外延结构从下向上的顺序依次包括:衬底、低温成核层GaN、非掺杂u‑GaN层、掺杂Si的n‑GaN层、上述改进的发光层和p‑GaN层。

[0011] 一种提高载流子注入效率的GaN基LED外延结构的发光层的生长方法，包括如下步骤：

[0012] （1）在反应腔压力100 Torr 500 Torr，温度为800 ℃ 950 ℃，使用MO源为TEGa，~ ~TMIn和SiH4，生长GaN势垒层；

[0013] （2）在反应腔压力为100 Torr 500 Torr，温度为700 ℃ 800 ℃，使用TEGa,TMIn~ ~和SiH4作为MO源，生长掺杂In的InyGa1‑yN量子阱层；

[0014] （3）步骤（1）和步骤（2）交替进行，交替生长InyGa1‑yN/GaN发光层；

[0015] （4）保持反应腔的压力为200 Torr~500 Torr，温度为900 ℃~1100 ℃，N2气氛下，通入MO源为TMAl，TMGa和NH4，在InyGa1‑yN量子阱层上生长x沿生长方向为0至0.15渐变的AlxGa1‑xN 势垒层。

[0016] 本发明中将发光层中的最后一层GaN势垒层替换成相同厚度的Al组分沿生长方向为0至0.15渐变的AlxGa1‑xN势垒层，并去除生长AlGaN电子阻挡层，具有如下优点：

[0017] （1）去除生长AlGaN电子阻挡层，能够减少p型Mg掺杂AlGaN带来的空穴势垒的提高，同时减少生长AlGaN时带来的严重的晶格缺陷和较大应力，以及其高温生长条件对发光层结构的高温损伤，提高芯片质量。

[0018] （2）采用Al组分渐变的AlxGa1‑xN最后一层势垒层，依然能实现有效提高电子势垒的作用，同时还能有效地降低空穴势垒，不但抑制了电子泄漏还进一步提高了空穴注入能力，从而提高了发光层中有效辐射复合速率，提高了GaN基LED的发光效率。

附图说明

[0019] 图1为一般GaN基LED的能带图。

[0020] 图2 为没有去除电子阻挡层的Al组分从0至0.15渐变的AlxGa1‑xN 势垒层的GaN基LED的能带图。

[0021] 图3 为本发明去除电子阻挡层的Al组分从0至0.15渐变的AlxGa1‑xN 势垒层的GaN基LED能带图。

[0022] 图4为本发明提出的GaN基LED的外延生长方法的制备流程示意图。

[0023] 图5为本发明实施例中提出的AlxGa1‑xN /InyGa1‑yN /……/InyGa1‑yN/GaN发光层的结构示意图。

具体实施方式

[0024] 本发明将传统发光层中的最后一层GaN势垒层替换为Al组分从0到0.15渐变的AlxGa1‑xN 势垒层，并且在外延结构后去掉传统外延结构中的AlGaN电子阻挡层。

[0025] 本发明将发光层中的最后一层势垒层设计为Al组分从0到0.15渐变的AlxGa1‑xN 势垒层，这样一方面去除AlGaN电子阻挡层可以有效减少生长高掺AlGaN层时对发光层的损坏，另一方面，采用Al组分渐变的AlxGa1‑xN 势垒层能够极大优化能带高度，在极大地抑制电子泄漏的同时，还能有效提高空穴从p电极向发光层的注入。从而有效地提高GaN基LED的光电性能。

[0026] 由图1，图2和图3我们可以看出，采用Al组分渐变的AlxGa1‑xN势垒层作为最后一层势垒层，依然能实现有效提高电子势垒的作用，同时还能有效地降低空穴势垒，不但抑制了电子泄漏还进一步提高了空穴注入能力，从而提高了发光层中有效辐射复合速率，提高了GaN基LED的发光效率。

[0027] 结合图4，本发明提出的GaN基LED的外延结构的生长方法如下：

[0028] 运用VEECO MOCVD来生长高亮度GaN基LED外延片。采用高纯度的H2或者高纯度N2或高纯度H2与高纯度N2的混合气体作为载气，高纯度NH（3 NH3纯度为99.999%）为N源，金属有机源三甲基镓（TMGa）和金属有机源三乙基镓（TEGa），三甲基铟（TMIn）作为铟源，N型掺杂剂为硅烷（SiH4），三甲基铝（TMAl）作为铝源，P型掺杂剂为二茂镁（CP2Mg），衬底为（0001）面蓝宝石，反应压力在100 Torr到1000 Torr之间，具体生长过程如下：

[0029] 101，在氢气气氛，温度为1050 ℃ 1150 ℃将蓝宝石衬底进行退火，清洁衬底表~面。

[0030] 102，在500 ℃ 610 ℃，反应腔压力为400 Torr 650 Torr，通入氨气和TMGa，在蓝~ ~宝石衬底上生长厚度为20 nm 40 nm的低温成核层GaN；
~

[0031] 103，在1050 ℃ 1200 ℃，保持反应腔压力为100 Torr 500 Torr，通入氨气和~ ~TMGa，在低温成核层GaN上持续生长厚度为1 μm 3 μm的非掺杂u‑GaN层。
~

[0032] 104，在1050 ℃ 1200 ℃，保持反应腔压力为100 Torr 600 Torr，通入氨气，TMGa~ ~和SiH4，在非掺杂u‑GaN层上持续生长一层Si掺杂浓度稳定的，厚度为2 μm~4 μm掺杂Si的
18 3 19 3
n‑GaN层，其中，Si掺杂浓度为8×10  atoms/cm 2×10 atoms/cm。
~

[0033] 105，结合图5，在反应腔温度为800 ℃ 950 ℃，保持反应腔压力100 Torr 500 ~ ~Torr，使用MO源为TEGa，TMIn和SiH4，在掺杂Si的n‑GaN层上生长厚度为8nm至15 nm的GaN势垒层61；在反应腔温度为100 Torr 500 Torr，温度为700 ℃ 800 ℃，使用TEGa,TMIn和~ ~
SiH4作为MO源，在GaN势垒层61上生长厚度为2 nm的掺杂In的InyGa1‑yN量子阱层60，y为0.1~
0.3；重复生长GaN势垒层，然后重复生长InyGa1‑yN量子阱层，交替生长InyGa1‑yN/GaN发光层，控制InyGa1‑yN量子阱层的生长周期为5个，直至得到部分发光层。

[0034] 106，结合图5，保持反应腔的压力为200 Torr 500 Torr，温度为900 ℃ 1100 ℃，~ ~N2气氛下，通入MO源为TMAl，TMGa和NH4，在最后一层InyGa1‑yN量子阱层上持续生长厚度为
8nm~15 nm的P型Al组分即x沿生长方向为0至0.15渐变的AlxGa1‑xN势垒层62；

[0035] 107，保持反应腔压力100 Torr 500 Torr，温度850 ℃ 1050 ℃，通入MO源为TEGa~ ~和CP2Mg，在AlxGa1‑xN势垒层62上持续生长厚度200 nm的掺杂Mg的P型GaN接触层（P型GaN
19  3 22  3
层），Mg掺杂浓度1×10 atoms/cm 1×10 atoms/cm；
~

[0036] 108，外延生长结束后，将反应的温度降低到650 ℃ 800 ℃，采用纯氮气氛围进行~退火处理5 min 10 min，然后降至室温，结束生长。
~

[0037] 以下分别说明采用实施例1所述方法即本发明的生长方法制备的样品1，和采用实施例2所述方法生长的样品2，采用实施例3所述方法生长的样品3。

[0038] 实施例1

[0039] 该实施例的外延结构中的发光层参见图5，生长方法参见图4。具体生长方式如下：

[0040] 步骤101、处理衬底：

[0041] 在氢气气氛中，温度为1100 ℃将蓝宝石衬底进行退火，清洁衬底表面。

[0042] 步骤102、生长低温成核层GaN：

[0043] 在550℃，反应腔压力为500 Torr，通入氨气和TMGa，在蓝宝石衬底上生长厚度为30nm的低温成核层GaN。

[0044] 步骤103、生长非掺杂n‑GaN层：

[0045] 在1100℃，保持反应腔压力为500Torr，通入氨气和TMGa，持续生长厚度为2μm的非掺杂u‑GaN层。

[0046] 步骤104、生长掺杂Si的n‑GaN层：

[0047] 在1100℃，保持反应腔压力为500 Torr，通入氨气，TMGa和SiH4，持续生长一层掺19 3
杂浓度稳定的，厚度为3 μm掺杂Si的n‑GaN层，其中，Si掺杂浓度为1×10 atoms/cm。

[0048] 步骤105、生长部分发光层：

[0049] 在温度为900 ℃，保持反应腔压力300 Torr，使用MO源为TEGa，TMIn和SiH4，生长厚度为15 nm的GaN势垒层；

[0050] 在反应腔压力为300 Torr，温度为750℃，使用TEGa,TMIn和SiH4作为MO源，生长掺杂In的厚度为2 nm的InyGa1‑yN量子阱层，y为0.2；

[0051] 重复生长GaN势垒层，然后重复InyGa1‑yN量子阱层的生长，交替生长InyGa1‑yN/GaN部分发光层，控制InyGa1‑yN量子阱层的生长周期为6个。

[0052] 步骤106、生长Al组分渐变的AlxGa1‑xN最后一层势垒层：

[0053] 保持反应腔的压力为200 Torr，温度为 1100 ℃，N2气氛下，通入MO源为TMAl，TMGa和NH4，在InyGa1‑yN/GaN部分发光层的最后一层InyGa1‑yN量子阱层上持续生长厚度为12nm的P型Al组分渐变的AlxGa1‑xN势垒层作为发光层的最后一层势垒层，其中x沿生长方向为0至0.15渐变。

[0054] 步骤107、生长P型GaN接触层：

[0055] 保持反应腔压力500 Torr，温度1000 ℃，通入MO源为TEGa和CP2Mg，在最后一层势垒层Al组分渐变的AlxGa1‑xN势垒层上即持续生长厚度200 nm的掺杂Mg的P型GaN接触层，Mg21  3
掺杂浓度1×10 atoms/cm；

[0056] 步骤108、降温冷却：

[0057] 外延生长结束后，将反应的温度降低到750 ℃，采用纯氮气氛围进行退火处理10 min，然后降至室温，结束生长，得到样品1。

[0058] 本发明采用Al组分渐变的AlxGa1‑xN势垒层最后一层势垒层，有效地提高了空穴注入几率和减少电子泄漏概率，因此降低了效率下降的问题。

[0059] 实施例2

[0060] 具体生长方式如下：

[0061] 步骤201、处理衬底：

[0062] 在氢气气氛中，温度为1100 ℃将蓝宝石衬底进行退火，清洁衬底表面。

[0063] 步骤202、生长低温成核层GaN：

[0064] 在550℃，反应腔压力为500 Torr，通入氨气和TMGa，在蓝宝石衬底上生长厚度为30nm的低温成核层GaN。

[0065] 步骤203、生长非掺杂n‑GaN层：

[0066] 在1100℃，保持反应腔压力为500Torr，通入氨气和TMGa，持续生长厚度为2μm的非掺杂u‑GaN层。

[0067] 步骤204、生长掺杂Si的n‑GaN层：

[0068] 在1100℃，保持反应腔压力为500 Torr，通入氨气，TMGa和SiH4，持续生长一层掺19 3
杂浓度稳定的，厚度为3 μm掺杂Si的n‑GaN层，其中，Si掺杂浓度为1×10 atoms/cm。

[0069] 步骤205、生长部分发光层：

[0070] 在温度为900 ℃，保持反应腔压力300 Torr，使用MO源为TEGa，TMIn和SiH4，生长厚度为15 nm的GaN势垒层；

[0071] 在反应腔压力为300 Torr，温度为750℃，使用TEGa,TMIn和SiH4作为MO源，生长掺杂In的厚度为2 nm的InyGa1‑yN量子阱层，y为0.2；

[0072] 重复生长GaN势垒层，然后重复InyGa1‑yN量子阱层的生长，交替生长InyGa1‑yN/GaN部分发光层，控制InyGa1‑yN量子阱层的生长周期为6个。

[0073] 步骤206、生长Al组分渐变的AlxGa1‑xN最后一层势垒层：

[0074] 保持反应腔的压力为200 Torr，温度为 1100 ℃，N2气氛下，通入MO源为TMAl，TMGa和NH4，在InyGa1‑yN/GaN部分发光层的最后一层InyGa1‑yN量子阱层上持续生长厚度为12nm的P型Al组分渐变的AlxGa1‑xN势垒层作为发光层的最后一层势垒层，其中x沿生长方向为0至0.15渐变。

[0075] 步骤207、生长P型AlGaN电子阻挡层：

[0076] 保持反应腔压力为200 Torr、1100℃，通入MO源为TMA1，TMGa和CP2Mg，在最后一层势垒层即Al组分渐变的AlxGa1‑xN势垒层上持续生长厚度为200 nm的P型AlGaN电子阻挡层，21  3
生长时间为100 min，Al的摩尔组分为20%，Mg掺杂浓度1×10 atoms/cm。

[0077] 步骤208、生长P型GaN接触层：

[0078] 保持反应腔压力500 Torr，温度1000 ℃，通入MO源为TEGa和CP2Mg，在P型AlGaN电21 
子阻挡层上即持续生长厚度200 nm的掺杂Mg的P型GaN接触层，Mg掺杂浓度1×10 atoms/
3
cm；

[0079] 步骤209、降温冷却：

[0080] 外延生长结束后，将反应的温度降低到750 ℃，采用纯氮气氛围进行退火处理10 min，然后降至室温，结束生长，得到样品2。

[0081] 实施例3

[0082] 该实施例采用传统的GaN基LED的外延生长方法，具体如下：

[0083] 步骤301、处理衬底：

[0084] 在氢气气氛中，温度为1100 ℃将蓝宝石衬底进行退火，清洁衬底表面。

[0085] 步骤302、生长低温成核层GaN：

[0086] 在550℃，反应腔压力为500 Torr，通入氨气和TMGa，在蓝宝石衬底上生长厚度为30nm的低温成核层GaN。

[0087] 步骤303、生长非掺杂n‑GaN层：

[0088] 在1100℃，保持反应腔压力为500Torr，通入氨气和TMGa，持续生长厚度为2μm的非掺杂u‑GaN层。

[0089] 步骤304、生长掺杂Si的n‑GaN层：

[0090] 在1100℃，保持反应腔压力为500 Torr，通入氨气，TMGa和SiH4，持续生长一层掺19 3
杂浓度稳定的，厚度为3 μm掺杂Si的n‑GaN层，其中，Si掺杂浓度为1×10 atoms/cm。

[0091] 步骤305、生长传统发光层：

[0092] 在温度为900 ℃，保持反应腔压力300 Torr，使用MO源为TEGa，TMIn和SiH4，生长厚度为15 nm的GaN势垒层；

[0093] 在反应腔压力为300 Torr，温度为750℃，使用TEGa,TMIn和SiH4作为MO源，生长掺杂In的厚度为2 nm的InyGa1‑yN量子阱层，y为0.2；

[0094] 重复生长GaN势垒层，然后重复InyGa1‑yN量子阱层的生长，交替生长传统InyGa1‑yN/GaN发光层，控制InyGa1‑yN量子阱层的生长周期为6个，以GaN势垒层作为传统InyGa1‑yN/GaN发光层的最后一层势垒层。

[0095] 步骤306、生长P型AlGaN电子阻挡层：

[0096] 保持反应腔压力为200 Torr、1100℃，通入MO源为TMA1，TMGa和CP2Mg，在InyGa1‑yN/GaN发光层的GaN势垒层上持续生长厚度为200 nm的P型AlGaN电子阻挡层，生长时间为100 21  3
min，Al的摩尔组分为20%，Mg掺杂浓度1×10 atoms/cm。

[0097] 步骤307、生长P型GaN接触层：

[0098] 保持反应腔压力500 Torr，温度1000 ℃，通入MO源为TEGa和CP2Mg，在P型AlGaN电21 
子阻挡层上即持续生长厚度200 nm的掺杂Mg的P型GaN接触层，Mg掺杂浓度1×10 atoms/
3
cm；

[0099] 步骤308、降温冷却：

[0100] 外延生长结束后，将反应的温度降低到750 ℃，采用纯氮气氛围进行退火处理10 min，然后降至室温，结束生长，得到样品3。

[0101] 样品1与样品2 的区别在于：样品2比样品1多了一层P型AlGaN电子阻挡层，样品2与样品3的区别在于：样品2的发光层中的最后一层势垒层采用Al组分渐变的AlxGa1‑xN势垒层，而样品3的发光层中的最后一层势垒层为传统的GaN势垒层。

[0102] 对样品1，样品2，样品3进行测量后，根据效率衰减定义，效率衰减为最大IQE减去当前工作电流下IQE的值与最大IQE的比值，传统LED样品3的效率衰减为57.1%，样品2为44.9%，而发明所设计的样品1 的效率衰减仅为25.6%。

[0103] 这表明本发明所提出的一种含Al组分渐变材料的GaN基LED外延生长方法能够有效地降低GaN基LED的效率衰减，且0至0.15是较佳的Al组分分布情况。