一種提高光取出率的氮化鎵基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光電器件領(lǐng)域，具體涉及一種提高光取出率的氮化鎵基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)及其制備方法。解決了目前LED結(jié)構(gòu)P型區(qū)載流子濃度不高、電流分布不均勻性以及出光效率低技術(shù)問題。一種提高光取出率的氮化鎵基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，該發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)包括：襯底；生長在該襯底上的GaN緩沖層；生長在該GaN緩沖層上的非摻雜GaN層；生長在該非摻雜GaN層上的Si摻雜GaN層；生長在該Si摻雜GaN層上的6個周期的多量子阱結(jié)構(gòu)；生長在多量子阱結(jié)構(gòu)上的p-AlGaN電子阻擋層；生長在p-AlGaN電子阻擋層上的Mg摻雜p型GaN層；生長在Mg摻雜p型GaN層上的重?fù)诫sp型GaN層；生長在重?fù)诫sp型GaN層上的n型InGaN層。本發(fā)明電流分布均勻，出光效率高，且制備工藝簡單。
【專利說明】一種提高光取出率的氮化鎵基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)及制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光電器件領(lǐng)域，具體涉及一種提高光取出率的氮化鎵基發(fā)光二極管結(jié) 構(gòu)及制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] LED(Light Emitting Diode,發(fā)光二極管）是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的電子元件。 它具有高亮度、低能耗、長壽命和響應(yīng)速度快能特點，是一種綠色環(huán)保型的固體光源，在照 明、顯示等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，尤其是現(xiàn)在，隨著LED的成本的降低和效率的提高， LED相對于其它傳統(tǒng)光源的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來，尤其在照明領(lǐng)域所占的比重越來越大，市場 前景也越來越好。雖然LED的發(fā)展和應(yīng)用充分的得到了業(yè)界的認(rèn)可，但同樣也面臨著很多 問題。例如，由于P型GaN中低的載流子濃度和低的空穴遷移率，造成電流在P型GaN中 分布不均勻，引起在電極附近處電流密度較高，而遠(yuǎn)離電極處電流密度較低。在大電流密度 下，LED的內(nèi)量子效率會出現(xiàn)明顯的下降（即效率驟降現(xiàn)象），造成輻射復(fù)合效率的降低。如 現(xiàn)有技術(shù)中Mg的激活能較高（150m eV-250meV)，激活效率低，一般激活效率只有1%左右， P型摻雜濃度只有1017cnT3的數(shù)量級。P型區(qū)低的載流子濃度會造成電流的分布不均勻，導(dǎo) 致靠近電極處電流密度較高，遠(yuǎn)離電極處電流密度逐漸降低。高的電流密度下會出現(xiàn)明顯 的效率驟降現(xiàn)象，大電流處結(jié)溫升高，導(dǎo)致內(nèi)量子效率的降低。另外，由于GaN和空氣折射 率的不同，GaN的折射系數(shù)η =2. 5,與空氣折射系數(shù)η = 1相差較大，造成出光角度只有 23°，使大部分光不能逃逸到空氣中去，出光效率比較低，造成外量子效率的低下。
[0003] 綜上所述，目前需要一種能夠有效提高Ρ型區(qū)載流子濃度、提高電流分布均勻性 的LED結(jié)構(gòu)且出光效率高的LED結(jié)構(gòu)以及制備方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為解決目前LED結(jié)構(gòu)P型區(qū)載流子濃度不高、電流分布不均勻以及出光效 率低技術(shù)問題，提供一種提高光取出率的氮化鎵基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)及制備方法。
[0005] 本發(fā)明所述的一種提高光取出率的氮化鎵基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)是采用以下技術(shù)方 案實現(xiàn)的：一種提高光取出率的氮化鎵基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，該發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)包括：襯底； 生長在該襯底上的GaN緩沖層；生長在該GaN緩沖層上的非摻雜GaN層；生長在該非摻雜 GaN層上的Si摻雜GaN層；生長在該Si摻雜GaN層上的6個周期的多量子阱結(jié)構(gòu)，其中阱 層厚2. 7nm，前五個魚層厚13nm，最后一個魚層厚17nm ;生長在多量子講結(jié)構(gòu)上的p-AlGaN 電子阻擋層；生長在p-AlGaN電子阻擋層上的Mg摻雜ρ型GaN層；生長在Mg摻雜ρ型GaN 層上的重?fù)诫sP型GaN層；生長在重?fù)诫sρ型GaN層上的n型InGaN層。
[0006] 本發(fā)明所述的氮化鎵基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)的外延結(jié)構(gòu)表面多生長一層Si摻 雜的InGaN層，因為Si的活化能較低，一般摻雜的Si都能夠激活，因此N型摻雜中載流子 濃度較高，能達(dá)到10 18cnT3-1019CnT3的數(shù)量級，明顯高于現(xiàn)有技術(shù)。通過提高電極接觸表面 的載流子濃度，來改善電流擴(kuò)展性，使電流在P型區(qū)得到更均勻的分布，從而提高整體的內(nèi) 量子效率。另外通過在InGaN表面自組裝形成的V型坑，可以粗化表面，使出光角度增大， 提高外量子效率。由于同時采用N型InGaN層來做歐姆接觸層，因為其能顯著提高半導(dǎo)體 內(nèi)的載流子濃度，因此還可以實現(xiàn)低接觸電阻的歐姆接。
[0007] 表1為P-GaN和N-InGaN中的載流子濃度和遷移率的對比結(jié)果。如表1所示，上 欄為P型GaN層，下欄為N型InGaN層的室溫霍爾測量結(jié)果，P型GaN層的載流子濃度為 1. 99 X 1017/cnT3,遷移率為 10. 15cm2/Vs ;N 型 InGaN 層的載流子濃度為 2. 28 X 1019/cnT3,遷 移率為245. 5cm2/Vs。可見插入N型InGaN層能有效提高載流子濃度和遷移率，有利于電流 在P型區(qū)的橫向傳輸，改善電流分布的均勻性。
[0008] 表 1
[0009]

【權(quán)利要求】
1. 一種提高光取出率的氮化鎵基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，該發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)包 括：襯底⑴；生長在該襯底⑴上的GaN緩沖層⑵；生長在該GaN緩沖層⑵上的非摻雜 GaN層（3);生長在該非摻雜GaN層（3)上的Si摻雜GaN層（4);生長在該Si摻雜GaN層 (4)上的6個周期的多量子阱結(jié)構(gòu)（5)，其中阱層厚2. 7nm，前五個壘層厚13nm，最后一個壘 層厚17nm;生長在多量子阱結(jié)構(gòu)（5)上的p-AlGaN電子阻擋層（6);生長在p-AlGaN電子阻 擋層（6)上的Mg摻雜p型GaN層（7);生長在Mg摻雜p型GaN層（7)上的重?fù)诫sp型GaN 層（8);生長在重?fù)诫sp型GaN層⑶上的η型InGaN層（9)。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種提高光取出率的氮化鎵基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述襯底（1)為藍(lán)寶石襯底。
3. -種制備如權(quán)利要求2所述提高光取出率的氮化鎵基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的方法，其特 征在于，包括以下步驟： (1) 將藍(lán)寶石襯底在氫氣氣氛里進(jìn)行退火，清潔襯底表面，溫度為1060°C，然后降溫到 570°C通入氨氣對襯底進(jìn)行氮化處理，氨化時間為6分鐘； (2) 氨化結(jié)束后，通入TMGa，在襯底上方生長25nm厚的低溫GaN緩沖層，生長壓力為 600mbar ； (3) 低溫GaN緩沖層生長結(jié)束后關(guān)閉TMGa，對GaN緩沖層進(jìn)行退火處理，將溫度升至 1070°C，保溫2min，退火后通入TMGa，將壓強(qiáng)降至150mbar，生長1. 6 μ m厚的非摻雜GaN層； (4) 生長完非摻雜GaN層后生長一層摻雜濃度穩(wěn)定的Si摻雜GaN層，該層載流子濃度 為7X1018cnT 3,厚度為2.6um，生長溫度為1080°C，生長壓力為150mbar ; (5) Si摻雜GaN層生長結(jié)束后生長6個周期的多量子阱結(jié)構(gòu)，其中壘層為GaN，阱層為 InGaN，In組分以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計為14. 2%，其中前四個周期壘層為Si摻雜，后兩個周期壘層為 非摻雜，生長溫度為840°C，阱層厚度為2. 7nm，溫度為740nm ;前五個壘層厚度均為13nm，最 后一個壘層厚度為17nm，整個生長過程中壓強(qiáng)為400mbar ; (6) 多量子阱結(jié)構(gòu)生長結(jié)束后生長25nm厚的p-AlGaN電子阻擋層，該層中A1組分以質(zhì) 量分?jǐn)?shù)計為17%，空穴濃度為lX10 17cm_3,生長溫度為960°C，壓強(qiáng)為150mbar ; (7) 生長完p-AlGaN電子阻擋層后生長200nm厚的Mg摻雜p型GaN層，該層空穴濃度 為2 X 1017cnT3,生長溫度為960°C，壓強(qiáng)為150mbar ; (8) 生長完Mg摻雜p型GaN層后生長20nm厚的重?fù)诫sp型GaN層，生長溫度為960°C， 壓強(qiáng)為150mbar ; (9) 生長完重?fù)诫sp型GaN層后生長10nm厚的η型InGaN層，In組分以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計為 14. 2%，該層電子濃度為4X1018cm_3,生長溫度為740°C，壓強(qiáng)為400mbar ; (10) 反應(yīng)結(jié)束后將溫度降至750°C，在純氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行退火，退火時間為15min，然 后降至室溫，結(jié)束生長； 所述氮化鎵基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)生長過程中以三甲基鎵-TMGa、三乙基鎵-TEGa、三甲基 鋁-TMGA1、三甲基銦-TMIn和氨氣-NH3分別為Ga、Al、In和N源； 所述LED外延片生長過程中以硅烷-SiH4和二茂鎂-CP2Mg為N、P型摻雜劑。
【文檔編號】H01L33/00GK104157761SQ201410436399
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月30日
【發(fā)明者】許并社, 尚林, 翟光美, 賈偉, 馬淑芳, 梁建, 李天保, 梅伏洪, 賈志剛 申請人:太原理工大學(xué)