一种GaN基绿光LED外延结构及其制备方法
【专利摘要】本发明属于光电子器件领域，具体是一种GaN基绿光LED外延结构及其制备方法。本发明所述GaN基绿光LED外延结构，创新的采用若干对从下向上交替堆叠组成的InGaN/AlN/GaN作为多量子阱发光层，重点是多量子阱发光层中采用0.3?1nm厚度的AlN插入层。由于超薄AlN薄膜（0.3?1nm）的引入，钝化了发光区域的位错、V形坑等缺陷，降低缺陷中心捕获载流子的能力，改善了晶体质量，减小了反向漏电流，提高了绿光LED器件的亮度和性能。
【专利说明】
一种GaN基绿光LED外延结构及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于光电子器件领域，具体是一种GaN基绿光LED外延结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]氮化镓基发光二极管(Light Emitting D1de，LED)具有高亮度、低能耗、长寿命、响应速度快及环保等特点，广泛地应用于室内及路灯照明、交通信号以及户外显示、汽车车灯照明、液晶背光源等多个领域。因此，大功率白光LED被认为是21世纪的照明光源。直接将红、绿、蓝光(RGB)混合成白光是获得白光LED的一种方法，即将蓝光LED、绿光LED以及红光LED按照发光强度为红:绿:蓝=2:7:1的比例合成白光。
[0003]目前蓝光GaN基LED的内量子效率可达80%以上，但绿光LED的内量子效率仅为40%。外延生长工艺中，绿光LED的阱层材料是具有更高In组分(20%?35%)的InGaN材料，这比蓝光阱层InGaN材料中的In组分(10%?20%)要高得多。在绿光LED外延工艺中为了提高In原子的并入效率，往往需要降低量子阱层的生长温度，皇层的生长温度也随之下降，这严重降低了晶体质量。另外高In组分的InGaN层与GaN层之间具有更大的晶格差异，导致更严重的晶格失配。这都使得位错等缺陷更易产生，位错等缺陷中心具有俘获载流子的能力，容易形成漏电通道，使得绿光LED的内量子效率下降。而较大的晶格失配产生了更严重的极化效应，加剧了电子空穴波函数在空间上的分离，降低了辐射复合几率，也使得绿光LED的亮度及性能下降。绿光LED的发光效率较差，直接限制了 RGB白光在通用照明领域的推广和应用。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决绿光LED的发光效率较差的问题，提供了一种GaN基绿光LED外延结构及其制备方法。
[0005]本发明是通过以下技术方案实现的:一种GaN基绿光LED外延结构，包括衬底，所述衬底上表面从下到上依次为GaN成核层、GaN缓冲层、非故意掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱发光层、P型GaN层以及P型GaN接触层，所述多量子阱发光层为若干对InGaN/AlN/GaN依次从下向上交替堆叠组成的，所述多量子阱发光层中InGaN阱层的厚度为2-5nm，AlN插入层的厚度为0.3_lnm，GaN皇层的厚度为8_20nm。
[0006]本发明所述GaN基绿光LED外延结构，创新的采用若干对从下向上交替堆叠组成的InGaN/AlN/GaN作为多量子阱发光层，重点是多量子阱发光层中采用0.3-lnm厚度的AlN插入层。由于超薄AlN薄膜(0.3-lnm)的引入，钝化了发光区域的位错、V形坑等缺陷，降低缺陷中心捕获载流子的能力，改善了晶体质量，减小了反向漏电流，提高了绿光LED器件的亮度和性能。
[0007]具体实施时，所述多量子阱发光层的InGaN/AlN/GaN周期数为1-20对。
[0008]优选的，所述InGaN阱层中In组分以质量百分数计为20-35%。
[0009]进一步，本发明提供了一种GaN基绿光LED外延结构的制备方法，该方法用于制备上述的GaN基绿光LED外延结构，该方法是采用如下步骤实现的:
提供一衬底；
在衬底上生长GaN成核层；
在GaN成核层上生长GaN缓冲层；
在GaN缓冲层上生长非故意掺杂GaN层；
在非故意掺杂GaN层上生长N型GaN层；
在N型GaN层上生长多量子阱发光层，所述多量子阱发光层为若干对InGaN/AlN/GaN依次从下向上交替堆叠组成；
在多量子阱发光层上生长P型GaN层；
在P型GaN层上生长P型GaN接触层。
[0010]具体应用时，所述多量子阱发光层的一个生长周期里先通NH3气体、In源、Ga源，生长InGaN阱层，讲层生长完后，继续通入In源(例如三甲基铟)而关闭NH3气体和Ga源，保持1-3min，使得生长表面上吸附一定的In原子;然后关闭In源同时通入Al源(例如三甲基铝)，并稳定2-5min，使得Al原子有足够的时间迀移到生长表面的位错等缺陷处，再然后通入NH3气体，在生长表面的缺陷处形成AlN薄膜;最后通入Ga源和NH3气体，生长GaN皇层。其中，生长表面上吸附的In原子有表面活性剂的作用有助于提高Al原子的迀移率，使Al原子能够迀移到生长表面的位错、V形坑等缺陷处，实现在生长表面的缺陷处优先形成AlN薄膜的目的，从而钝化缺陷，提高绿光LED器件的亮度及性能，并且制备方法简单。
【附图说明】
[0011 ]图1为现有技术中GaN基绿光LED外延结构的结构示意图。
[0012]图2为本发明的一种GaN基绿光LED外延结构的结构示意图。本发明结构中采用蓝宝石衬底，当然具体实施时也可采用其他衬底材料，如S1、SiC等。
[0013]图3为分别采用现有技术方法和本发明所述方法生长的外延片制成的芯片反向漏电流的对比图，图中方块代表现有技术，圆圈代表本发明。由图可见，采用本发明所述方法生长的具有AlN缺陷钝化层的外延片制成的芯片反向漏电流要低于现有技术生长的外延片制成的芯片。
[0014]图4为分别采用现有技术方法和本发明所述方法生长的外延片制成的芯片发光强度的对比图，图中方块代表现有技术，圆圈代表本发明。由图可见，采用本发明所述方法生长的具有AlN缺陷钝化层的外延片制成的芯片发光强度要高于现有技术生长的外延片制成的芯片。
【具体实施方式】
[0015]实施例1
一种GaN基绿光LED外延结构的制备方法，该方法是采用如下步骤实现的:
提供一蓝宝石衬底；
在衬底上生长GaN成核层；
在GaN成核层上生长GaN缓冲层；
在GaN缓冲层上生长非故意掺杂GaN层； 在非故意掺杂GaN层上生长N型GaN层；
在N型GaN层上生长多量子阱发光层，所述多量子阱发光层为I对InGaN/AlN/GaN依次从下向上交替堆叠组成;所述多量子阱发光层的一个生长周期里先通NH3气体、In源、Ga源，生长InGaN阱层(20%的In)，2nm厚的InGaN阱层生长完后，继续通入In源而关闭NH3气体和Ga源，保持2min，使得生长表面上吸附一定的In原子;然后关闭NH3和Ga源并通入Al源，并稳定5min，使得Al原子有足够的时间迀移到生长表面的位错等缺陷处，然后再通入NH3气体，在生长表面的缺陷处形成Inm的AlN薄膜;最后通入Mfe和Ga源生长15nm厚的GaN皇层；
在多量子阱发光层上生长P型GaN层；
在P型GaN层上生长P型GaN接触层。
[0016]实施例2
一种GaN基绿光LED外延结构的制备方法，该方法是采用如下步骤实现的:
提供一蓝宝石衬底；
在衬底上生长GaN成核层；
在GaN成核层上生长GaN缓冲层；
在GaN缓冲层上生长非故意掺杂GaN层；
在非故意掺杂GaN层上生长N型GaN层；
在N型GaN层上生长多量子阱发光层，所述多量子阱发光层为20对InGaN/AlN/GaN依次从下向上交替堆叠组成；所述多量子阱发光层的一个生长周期里先通NH3气体、In源和Ga源，生长3nm厚的InGaN阱层(30%的In)，阱层生长完后，继续通入In源而关闭NH3气体和Ga源，保持3min，使得生长表面上吸附一定的In原子;然后关闭In源并通入Al源，并稳定2min，使得Al原子有足够的时间迀移到生长表面的位错等缺陷处，然后再通入NH3气体，在生长表面的缺陷处形成0.3nm的AlN薄膜;最后通入NH3和Ga源生长20nm厚的GaN皇层；
在多量子阱发光层上生长P型GaN层；
在P型GaN层上生长P型GaN接触层。
[0017]实施例3
一种GaN基绿光LED外延结构的制备方法，该方法是采用如下步骤实现的:
提供一蓝宝石衬底；
在衬底上生长GaN成核层；
在GaN成核层上生长GaN缓冲层；
在GaN缓冲层上生长非故意掺杂GaN层；
在非故意掺杂GaN层上生长N型GaN层；
在N型GaN层上生长多量子阱发光层，所述多量子阱发光层为10对InGaN/AlN/GaN依次从下向上交替堆叠组成；所述多量子阱发光层的一个生长周期里先通NH3气体、In源和Ga源，生长5nm厚的InGaN阱层(35%的In)，阱层生长完后，继续通入In源而关闭NH3气体和Ga源，保持lmin，使得生长表面上吸附一定的In原子;然后关闭In源并通入Al源，并稳定4min，使得Al原子有足够的时间迀移到生长表面的位错等缺陷处，再然后通入NH3气体，在生长表面的缺陷处形成0.7nm的AlN薄膜;最后通入NH3和Ga源生长8nm厚的GaN皇层；
在多量子阱发光层上生长P型GaN层；
在P型GaN层上生长P型GaN接触层。
【主权项】
1.一种GaN基绿光LED外延结构，包括衬底，所述衬底上表面从下到上依次为GaN成核层、GaN缓冲层、非故意掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱发光层、P型GaN层以及P型GaN接触层，其特征在于，所述多量子阱发光层为若干对InGaN/AlN/GaN依次从下向上交替堆叠组成的，所述多量子阱发光层中InGaN阱层的厚度为2-5nm，AlN插入层的厚度为0.3-lnm，GaN皇层的厚度为8_20nmo2.根据权利要求1所述的一种GaN基绿光LED外延结构，其特征在于，所述多量子阱发光层的InGaN/AlN/GaN周期数为1-20对。3.根据权利要求2所述的一种GaN基绿光LED外延结构，其特征在于，所述InGaN讲层中In组分以质量百分数计为20-35%。4.一种GaN基绿光LED外延结构的制备方法，该方法用于制备如权利要求1至3任一权利要求所述的GaN基绿光LED外延结构，其特征在于，该方法是采用如下步骤实现的: 提供一衬底； 在衬底上生长GaN成核层； 在GaN成核层上生长GaN缓冲层； 在GaN缓冲层上生长非故意掺杂GaN层； 在非故意掺杂GaN层上生长N型GaN层； 在N型GaN层上生长多量子阱发光层，所述多量子阱发光层为若干对InGaN/AlN/GaN依次从下向上交替堆叠组成； 在多量子阱发光层上生长P型GaN层； 在P型GaN层上生长P型GaN接触层。5.根据权利要求4所述的一种GaN基绿光LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述多量子阱发光层的一个生长周期里先通NH3气体、In源和Ga源，生长InGaN阱层，讲层生长完后，继续通入In源而关闭Mfe气体和Ga源，保持l-3min，使得生长表面上吸附一定的In原子；然后关闭In源并通入Al源，并稳定2-5min，使得Al原子有足够的时间迀移到生长表面的位错等缺陷处，然后再通入NH3气体，在生长表面的缺陷处形成AlN薄膜;最后通入NH3和Ga源，然后生长GaN皇层。
【文档编号】H01L33/00GK105932125SQ201610324298
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】卢太平, 朱亚丹, 许并社
【申请人】太原理工大学