专利名称：一种GaN基量子阱LED外延片及制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体光电子器件领域，特别是一种新型结构的GaN基LED 外延片及其制备方法。
技术背景GaN基高亮度发光二极管(LED)是目前全球光电子领域研究和产业的前 沿和热点。由于发光二极管具有体积小、重量轻、能耗低、无污染等特点，广 泛应用于大屏幕显示、交通信号灯、液晶背光源等领域。随着发光二极管亮度 不断提高、成本不断下降、甚至可进入照明领域。因此超高亮度发光二极管成 为世界各国争相研制的热点。GaN基LED制备要经过LED外延片生长，LED 芯片制备和LED封装三个主要环节。其中LED外延片制备是LED的核心技术， 它对LED的性能水平起主要作用。发光二极管的亮度取决于发光效率。现有的GaN基LED外延片的结构一 般包括衬底、n型层、量子阱、p型层，发光区一般采用量子阱结构，以增大对 电子和空穴的束缚作用，提高发光效率。然而，尽管量子阱对电子和空穴有束 缚作用，但在一定的外加电压下，仍然有一部分电子和空穴泄露出去，不利于 进一步提高发光二极管的发光效率。 发明内容本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，根据量子阱对电子和空穴的 束缚机理，设计出一种带有限制层的GaN基量子阱LED外延片，该结构在量 子阱两边增加了一限制层，能增大对电子和空穴的束缚作用，明显提高发光二极管发光效率。本发明的有益效果是通过下述方案实现的其结构从下至上依次为衬底、n型层、量子阱及p型层，其特征在于n型层与量子阱之间有一限制层，量子阱与p型层之间有一限制层，量子阱为InxG^xN/InyGaLyN量子阱。所述限制层的禁带宽度小于相邻的n型层和p型层，并大于或等于量子阱 势垒层的禁带宽度，采用这种结构，能进一步增大对电子和空穴的束缚作用， 明显提高发光二极管发光效率。所述n型层为n型GaN，或n型GaN和n型AlGaN; p型层为p型GaN， 或p型AlGaN和p型GaN。所述n型层与量子阱之间的限制层为n型InGaN层，厚度为0.02u m 0.1 y m。所述n型InGaN限制层的施主为Si，或者不掺杂。所述量子阱与p型层之间的限制层为n型InGaN层或p型InGaN层，厚 度为0.02tim 0.1"m。所述量子阱与p型层之间的p型InGaN限制层的掺杂受主为Mg。 所述量子阱与p型层之间的n型InGaN限制层的掺杂施主为Si或者不掺杂。所述InxG^xN/InyGaLyN量子阱是单量子阱或多量子阱，周期数为1 10。 该GaN基量子阱LED外延片的制备方法如下1) 采用MOCVD设备，在100(TC 110(TC的温度下，在衬底上生长n型fe。2) 将温度降至700。C 90(TC，生长n型InGaN层限制层，限制层的厚度为0.02y m 0.1um。3)在温度为55(TC 80(TC生长InxGakN/InyGaLyN量子阱，周期数为l 10。4) 在温度700。C 9(XrC，生长InGaN限制层，限制层的厚度为0.02 u m 0.1 um。5) 在温度900。C 110(TC生长p型层。与现有技术相比，本发明的优点是该GaN基量子阱LED外延片在量子阱两边增加了一限制层，限制层的禁 带宽度小于相邻的n型层和p型层，并大于或等于量子阱势垒层的禁带宽度， 采用这种结构，能进一步增大对电子和空穴的束缚作用，明显提高发光二极管 发光效率。
图1为实施例1的GaN基LED外延片结构示意图； 图2为实施例2的GaN基LED外延片结构示意图； 图3为实施例3的GaN基LED外延片结构示意图； 图4为实施例4的GaN基LED外延片结构示意图； 图5为实施例5的GaN基LED外延片结构示意图； 图6为实施例6的GaN基LED外延片结构示意图； 图7为实施例7的GaN基LED外延片结构示意图； 图8为现有GaN基LED外延片结构示意图。
具体实施方式
现有GaN基LED外延片结构示意图见图8。其中，衬底材料可采用蓝宝 石、SiC、 Si、 GaN等。低温缓冲层可采用低温GaN层、低温A1N层等。在采用GaN为衬底时可以不生长低温缓冲层和未掺杂GaN层。量子阱可采用单量 子阱，也可采用多量子阱，量子阱结构有InGaN/GaN结构、KGakN/InyGaLyN 结构等。外延片结构中可以不生长n型AlGaN层或p型AlGaN层，或n型AlGaN 层和p型AlGaN层均不生长。实施例1该新型的GaN基LED外延片的结构如图l所示，从下至上依次为衬底、 低温缓冲层、未掺杂GaN层、n型GaN:Si层、InGaN:Si限制层、量子阱、未 掺杂InGaN限制层、p型GaN:Mg层。其制备方法为1) 采用MOCVD设备，升温至IOO(TC在氢气氛围下烘烤衬底IO分钟；2) 降温至480°C ，在衬底上生长厚度为30nm的GaN低温度缓冲层；3) 升温至105(TC，生长厚度为l.Oiim的未掺杂GaN层；4) 在1050°C的温度下生长厚度为1.0 li m的n型GaN:Si层；5) 在800。C生长Ino.o2Gao邻N:Si层，厚度为0.02wm。6) 将温度降至70(TC生长Ino.16Ga,N/Ino.02Gao.98N多量子阱结构， In0.i6Ga().84N阱层的厚度为3nm， Ina()2Gaa98N垒层的厚度为8nm，量子阱周期 数为5;7) 升温80(TC生长厚度0.02 " m的未掺杂Ino.02Gaa98N限制层；8) 升温到1000。C生长厚度为0.2 ym的p型GaN:Mg层。这种结构特点是在量子阱两边增加了限制层，能进一步增大对电子和空穴 的束缚作用，明显提高发光二极管发光效率。采用这种新型结构，460nm蓝光 LED的光功率由4毫瓦增加至6毫瓦以上。实施例2该新型的GaN基LED外延片的结构如图2所示，从下至上依次为衬底、 低温缓冲层、未掺杂GaN层、n型GaN:Si层、InGaN:Si限制层、量子阱、 InGaN:Mg限制层、p型GaN:Mg层。其制备方法为1) 采用MOCVD设备，升温至1000。C在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；2) 降温至550°C ，在衬底上生长厚度为30nrn的GaN低温度缓冲层；3) 升温至105(TC，生长厚度为l.Oum的未掺杂GaN层；4) 在IOO(TC的温度下生长厚度为2.0y m的n型GaN:Si层； 5 )在900。C生长Ino.02Gao.98N:Si层，厚度为0.1 u m。6) 将温度降至70(TC生长rno.16Gao.84N/In,Ga,N多量子阱结构， rn0.16Gao.84N阱层的厚度为3nm， Ino.o5Gao.95N垒层的厚度为8nm，量子阱周期 数为5;7) 升温80(TC生长厚度0.05 u m的Ino.o2Ga固N:Mg限制层；8) 升温到900'C生长厚度为0.15 u m的P型GaN:Mg层。这种结构特点是在量子阱两边增加了一限制层，并且量子阱与p型层之间 的限制层为InGaN:Mg层，可适当减少p型GaN:Mg层的厚度。采用这种新型 结构，460nm蓝LED的光功率由3毫瓦增加至5毫瓦以上。实施例3该新型的GaN基LED外延片的结构如图3所示，从下至上依次为衬底、 低温缓冲层、未掺杂GaN层、n型GaN:Si层、InGaN:Si限制层、量子阱、InGaN:Si 限制层、p型GaN:Mg层其制备方法为1) 采用MOCVD设备，升温至100(TC在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；2) 降温至48(TC，在衬底上生长厚度为30nm的GaN低温度缓冲层；3) 升温至105(TC，生长厚度为l.Oiim的未掺杂GaN层；4) 在1100。C的温度下生长厚度为3.0y m的n型GaN:Si层； 5 )在900°C生长Ino.02Gao.98N:Si层，厚度为0.05 u m。6) 将温度降至70(TC生长rno.16Gao.S4N/In,Ga,N多量子阱结构， Ino.i6Gao.84N阱层的厚度为3nm， Ino.。5Ga,N垒层的厚度为8nm，量子阱周期 数为5;7) 升温800。C生长厚度0.02 u m的Ino.o2Gaa98N:Si限制层；8) 升温到IIO(TC生长厚度为0.2u m的P型GaN:Mg层。这种结构特点是在量子阱两边增加了一限制层，且在量子阱与p型GaN 之间采用InGaN:Si限制层，除增大对电子和空穴的束缚外，还可调节pn结空 间电荷区的位置，提高发光二极管发光效率。采用这种新型结构，460nm蓝 LED的光功率由4毫瓦增加至6毫瓦以上。实施例4该新型的GaN基LED外延片的结构如图4所示，从下至上依次为衬底、 低温缓冲层、未掺杂GaN层、n型GaN:Si层、未掺杂InGaN限制层、量子阱、 未掺杂InGaN限制层、p型GaN:Mg层。其制备方法为1) 采用MOCVD设备，升温至IOO(TC在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；2) 降温至48CTC，在衬底上生长厚度为30nm的GaN低温度缓冲层；3) 升温至105(TC，生长厚度为l.Opm的未掺杂GaN层；4) 在IOO(TC的温度下生长厚度为2.0ii m的n型GaN:Si层；5) 在700。C生长未掺杂Iii().()5Gao.95N层，厚度为0.02um。6) 将温度降至550。C生长Ino.24Gao.76N/Ino.Q5Ga,N多量子阱结构， Ina24Gao.76N阱层的厚度为3nm， Ino.。5Gao.95N垒层的厚度为8nm，量子阱周期 数为1;7) 升温70(TC生长厚度0.02 y m的Ino.o5Gao.95N限制层；8) 升温到90(TC生长厚度为0.2u m的P型GaN:Mg层。这种结构特点是在量子阱两边增加了一限制层，且在n型GaN与量子阱 之间采用未掺杂InGaN限制层、InGaN限制层晶体质量相对于InGaN:Si提高， 除增大对电子和空穴的束缚作用外，还可改善量子阱质量，提高发光二极管发 光效率。采用这种新型结构，520nm绿光LED的光功率由1.0毫瓦增加至1.5毫瓦以上。实施例5该新型的GaN基LED外延片的结构如图5所示，从下至上依次为衬底、 低温缓冲层、未掺杂GaN层、n型GaN:Si层、未掺杂InGaN限制层、量子阱、 InGaN:Mg限制层、p型GaN:Mg层。其制备方法为1) 采用MOCVD设备，升温至100(TC在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；2) 降温至480°C ，在衬底上生长厚度为30nrn的GaN低温度缓冲层；3) 升温至100(TC，生长厚度为l.Oum的未掺杂GaN层；4) 在100(TC的温度下生长厚度为1.5Pm的n型GaN:Si层；5) 在800。C生长未掺杂In,Ga,N层，厚度为0.02 u m。6) 将温度降至700'C生长Ino.24Gao.76N/In,Ga,N多量子阱结构， In().24Gao.76N阱层的厚度为3nm， Ino.o5Ga,N垒层的厚度为8歸，量子阱周期 数为10;7) 升温90(TC生长厚度0.1 y m的In。.Q5GaQ，95N:Mg限制层；8) 升温到950。C生长厚度为0.2 u m的P型GaN:Mg层。这种结构特点是在量子阱两边增加了一限制层，且在n型GaN与量子阱 之间采用未掺杂InGaN限制层、且在量子阱与p型层之间采用InGaN:Mg限制 层，除增大对电子和空穴的束缚作用外，还可改善量子阱质量，并降低正向电压， 提高发光二极管发光效率。采用这种新型结构，520nm绿光LED的光功率由 1.0毫瓦增加至1.8毫瓦以上。实施例6该新型的GaN基LED外延片的结构如图6所示，从下至上依次为衬底、 低温缓冲层、n型GaN:Si层、n型AlGaN:Si层、InGaN:Si限制层、量子阱、 InGaN:Mg限制层、p型GaN:Mg层。其制备方法为1) 采用MOCVD设备，升温至IOO(TC在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；2) 降温至480°C ，在衬底上生长厚度为30nm的GaN低温度缓冲层；3) 在105(TC的温度下生长厚度为2.0y m的n型GaN:Si层；4) 在在1050。C的温度下生长厚度为0.05um的n型AlGaN:Si层；5) 在9001:生长1110.020&0.98汁51层，厚度为0.1um。6) 将温度降至70(TC生长Ino.16Ga,N/In,Ga,N多量子阱结构，In0.i6Ga。.84N阱层的厚度为3nm， In。.Q5Ga,N垒层的厚度为8m，量子阱周期 数为5;7) 升温80(TC生长厚度0.05 ix m的Ino.02Gaa98N:Mg限制层；8) 升温到90(TC生长厚度为0.15 y m的P型GaN:Mg层。这种结构特点是在量子阱两边增加了一限制层，并且量子阱与p型层之间 的限制层为InGaN:Mg层，可适当减少p型GaN:Mg层的厚度。同时在 Ino.02Ga().98N:Si限制层之前生长了 n型AlGaN:Si层，可进一歩增大量子阱对自 由电子和空穴的束缚作用。釆用这种新型结构，460nm蓝LED的光功率由3 毫瓦增加至6毫瓦以上。实施例7该新型的GaN基LED外延片的结构如图7所示，从下至上依次为衬底、 低温缓冲层、未掺杂GaN层、n型GaN:Si层、InGaN:Si限制层、量子阱、 InGaN:Mg限制层、p型AlGaN:Mg层、p型GaN:Mg层。其制备方法为1) 采用MOCVD设备，升温至IOO(TC在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；2) 降温至48(TC，在衬底上生长厚度为30nm的GaN低温度缓冲层；3) 升温至105(TC，生长厚度为l.O"m的未掺杂GaN层；4) 在105(TC的温度下生长厚度为2.0P m的n型GaN:Si层；5) 在900。C生长Ino.02Gaa98N:Si层，厚度为0.1 u m。6) 将温度降至70(TC生长InoMGao^N/Ino.osGao^N多量子阱结构， Inai6GaQ.84N阱层的厚度为3nm， InQ.Q5Gaa95N垒层的厚度为8nm，量子阱周期 数为5;7) 升温800。C生长厚度0.05 u m的Ino.o2Gao邻N:Mg限制层；8) 升温900。C生长厚度0.05 y m的P型AlGaN:Mg层；9) 在90(TC生长厚度为0.15 y m的P型GaN:Mg层。这种结构特点是在量子阱两边增加了一限制层，并且量子阱与p型层之间 的限制层为InGaN:Mg层，可适当减少p型GaN:Mg层的厚度。同时在 Inao2Ga,N:Mg限制层之后生长了 P型AlGaN:Mg层，可进一步增大量子阱对 自由电子和空穴的束缚作用。采用这种新型结构，460nm蓝LED的光功率由3 毫瓦增加至6毫瓦以上。
权利要求
1. 一种GaN基量子阱LED外延片，其结构从下至上依次为衬底、低温缓冲层、n型层、量子阱、p型层，其特征在于n型层与量子阱之间有一限制层，量子阱与p型层之间有一限制层，量子阱为InxGa1-xN/InyGa1-yN量子阱。
2、 根据权利要求1所述的GaN基量子阱LED外延片，其特征在于所述限 制层的禁带宽度小于相邻的n型层和p型层，并大于或等于量子阱势垒层的禁 带宽度。
3、 根据权利要求1所述的GaN基量子阱LED外延片，其特征在于n型层 为n型GaN，或n型GaN和n型AlGaN; p型层为p型GaN，或p型AlGaN 和p型GaN，所述p型层的受主为Mg。
4、 根据权利要求1所述的GaN基量子阱LED外延片，其特征在于n型层 与量子阱之间的限制层为n型InGaN层，厚度为0.02 w m 0.1 u m。
5、 根据权利要求4所述的的GaN基量子阱LED外延片，其特征在于所述 n型InGaN层的施主为Si，或者不掺杂。
6、 根据权利要求1所述的GaN基量子阱LED外延片，其特征在于量子阱 与p型层之间的限制层为n型InGaN层或p型InGaN层，厚度为0.02 u m 0.1 p m。
7、 根据权利要求6所述的GaN基量子阱LED外延片，其特征在于p型 InGaN层的掺杂受主为Mg， n型InGaN层的掺杂施主为Si或者不掺杂。
8、 根据权利要求1所述的GaN基量子阱LED外延片，其特征在于所述 I^GauN/InyGaLyN量子阱是单量子阱或多量子阱。
9、 根据权利要求1所述的GaN基量子阱LED外延片，其特征在于所述低 温缓冲层与n型层之间设有未掺杂GaN层。
10、 一种如权利要求1所述的GaN基量子阱LED外延片的制备方法。1) 采用MOCVD设备，在480。C 550。C的温度下，在衬底上生长GaN 低温缓冲层；2) 在100(TC 110(TC的温度下，生长n型层；3) 将温度降至70(TC 90(rC，生长n型InGaN层限制层，限制层的厚度 为0.02um 0.1 u m。4)在温度为55(TC 80(TC生长InxGakN/InyGaLyN量子阱，周期数为l 10。5) 在温度70(TC 90(rC，生长InGaN限制层，限制层的厚度为0.02um 0.1 ym。6) 在温度9(XTC 1100。C，生长p型层。
全文摘要
本发明涉及半导体光电子器件领域，特别是一种新型结构的GaN基LED外延片及其制备方法，其结构从下至上依次为衬底、n型层、量子阱及p型层，其特征在于n型层与量子阱之间有一限制层，量子阱与p型层之间有一限制层，量子阱为In<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>N/In<sub>y</sub>Ga<sub>1-y</sub>N量子阱。该结构在量子阱两边增加了一限制层，能增大对电子和空穴的束缚作用，明显提高发光二极管发光效率。
文档编号H01L33/00GK101281940SQ200710027408
公开日2008年10月8日 申请日期2007年4月4日 优先权日2007年4月4日
发明者李述体 申请人:华南师范大学