本發(fā)明涉及半導(dǎo)體LED發(fā)光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用V型缺陷改善LED光電特性的方法。

背景技術(shù)：

LED(Light Emitting Diode，發(fā)光二極管)是利用電能轉(zhuǎn)化為光能的發(fā)光器件，自90年代美國(guó)和日本的科學(xué)家發(fā)明LED以來(lái)，發(fā)光二極管一直是被認(rèn)為是綠色能源，被廣泛應(yīng)用于指示、顯示、裝飾等諸多領(lǐng)域。

隨著LED在照明領(lǐng)域需求的擴(kuò)大化，對(duì)LED的亮度和可靠性的要求不斷提高。目前商業(yè)上普遍采用藍(lán)寶石做襯底的異質(zhì)外延，因晶格失配較大，GaN(氮化鎵)基外延層的位錯(cuò)密度非常大，容易出現(xiàn)空位、替位原子、間隙原子等點(diǎn)缺陷，刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)等穿透位錯(cuò)，堆垛層錯(cuò)、反向界面等面位錯(cuò)。上述缺陷會(huì)隨著外延層的生長(zhǎng)一直延伸至器件的有源區(qū)及P型帽層。Suski等人的研究表明，這些缺陷不僅充當(dāng)非輻射復(fù)合中心，并且會(huì)在禁帶中引入能級(jí)，減少少子壽命。Rosnert等人的研究進(jìn)一步指出，雜質(zhì)沿著線缺陷的擴(kuò)散速度很快，這會(huì)造成雜質(zhì)分布不均勻，降低PN結(jié)的陡峭度；同時(shí)由于GaN有較大的壓電常數(shù)，缺陷周圍高的局部應(yīng)力，可以造成亞微米范圍內(nèi)電勢(shì)與電場(chǎng)的變化。此外，由于缺陷的不均勻分布，還會(huì)造成電熒光與光熒光強(qiáng)度的不均勻分布。同時(shí)這些缺陷還會(huì)充當(dāng)載流子的通路，增加器件閾值電壓和反向漏電流，嚴(yán)重影響器件的性能與可靠性?？梢?jiàn)，要進(jìn)一步提高器件的性能，就必須降低GaN基外延層的缺陷密度。

在所有GaN基LED外延結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的缺陷中，V型缺陷(V-pits或V-defects)是最常見(jiàn)的一種。V型缺陷主要來(lái)源于晶格失配等因素，所以在LED外延結(jié)構(gòu)制備過(guò)程中，不可避免會(huì)產(chǎn)生V型缺陷。研究表明，發(fā)光層中的V型缺陷，已經(jīng)成為了LED器件最主要的漏電通道，導(dǎo)致了LED器件光電性能惡化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種利用V型缺陷改善LED的光電特性的方法，通過(guò)控制LED外延結(jié)構(gòu)中V型缺陷的數(shù)量和密度，利用V型缺陷提高LED的發(fā)光效率，減少漏電，從而改善了LED的光電特性。本發(fā)明還提供了一種LED外延結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明首先提供一種利用V型缺陷改善LED光電特性的方法，包括：

在襯底上依次生長(zhǎng)氮化鎵緩沖層、非摻雜氮化鎵層、V型缺陷層、第一N型氮化鎵層、MQW發(fā)光層、P型氮化鎵層，

其中，V型缺陷層具有超晶格結(jié)構(gòu)。

超晶格是由一組兩層以上的納米級(jí)的薄膜周期重復(fù)排列而成的單晶。對(duì)于本發(fā)明中的V型缺陷層，為達(dá)到超晶格結(jié)構(gòu)，在本發(fā)明具體實(shí)施過(guò)程中，V型缺陷層是由3～15個(gè)V型缺陷單層層疊構(gòu)成，每個(gè)V型缺陷單層由依次生長(zhǎng)的淺阱層(shallow well)和淺壘層(shallow barrier)構(gòu)成，

淺阱層的材料為In_xGa_1-xN，其中，0<x<1；

淺壘層由第二N型氮化鎵層和N型氮化鎵鋁層層疊構(gòu)成，其中，第二N型氮化鎵層生長(zhǎng)在淺阱層表面。

上述V型缺陷單層中，淺阱層(In_xGa_1-xN)與第二N型氮化鎵層(N-GaN)由于晶格失配較大產(chǎn)生V型缺陷；N型氮化鎵鋁層(N-AlGaN)可防止其它有害缺陷縱向延伸擴(kuò)大。因此，通過(guò)上述In_xGa_1-xN/N-GaN/N-AlGaN薄膜交替周期生長(zhǎng)，得到了具有超晶格結(jié)構(gòu)的V型缺陷層，并避免了其它有害缺陷的延伸擴(kuò)大。

發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，V型缺陷的存在，雖然能夠?qū)е翷ED光電性能的惡化，但是通過(guò)在LED外延結(jié)構(gòu)的非摻雜氮化鎵層和第一N型氮化鎵層之間設(shè)置上述具有超晶格結(jié)構(gòu)的V型缺陷層，能夠在非極性面(1-101方向)上得到量子阱和P型層，如圖1所示。首先，非極性面上的量子阱相對(duì)于C面(0001方向)上的量子阱具有高能量態(tài)，它具有量子限制效應(yīng)。在LED工作時(shí)，會(huì)減少載流子從C面上的量子阱進(jìn)入位錯(cuò)當(dāng)中，減少非輻射復(fù)合的發(fā)生，進(jìn)而增加C面上量子阱的發(fā)光效率。其次，生長(zhǎng)在非極性面上的量子阱增加了LED的發(fā)光面積和發(fā)光亮度。最后，由于在非極性面上Mg的摻雜效率變低，因此在非極性面上生長(zhǎng)的P型層電阻率較高，結(jié)果導(dǎo)致位錯(cuò)電力鈍化，減少載流子進(jìn)入位錯(cuò)當(dāng)中，可以有效減少漏電。因此，合理利用LED外延結(jié)構(gòu)中的V型缺陷，能夠有效提高LED的發(fā)光效率，減少漏電，從而改善LED的光電特性。

可以理解，通過(guò)改變V型缺陷單層的循環(huán)數(shù)量，能夠調(diào)節(jié)LED外延結(jié)構(gòu)中V型缺陷的濃度和大小，進(jìn)而有利于提高LED光電性能。具體的，通常V型缺陷層由3～15個(gè)V型缺陷單層組成，在本發(fā)明具體實(shí)施過(guò)程中，一般控制V型缺陷單層的數(shù)量為10個(gè)。

在V型缺陷單層中，淺阱層一般是在GaN中摻雜In得到，通過(guò)改變In的含量，能夠調(diào)節(jié)淺阱層與第二N型氮化鎵層之間的晶格失配程度，所以淺阱層中In的含量，也能夠改變V型缺陷的濃度和大小。發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，在淺阱層(In_xGa_1-xN)的材料中，通?？刂苮的值為0.1～0.5，且淺阱層的厚度為能夠有利于改善LED的光電特性，避免漏電等問(wèn)題的發(fā)生。

本發(fā)明對(duì)于上述淺阱層的制備工藝不做特別限定，在本發(fā)明一具體實(shí)施方式中，采用有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)淺阱層，有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法的條件為：壓力150～300torr，溫度780～850℃。

本發(fā)明對(duì)于上述淺壘層的制備工藝不做特別限定，在本發(fā)明一具體實(shí)施方式中，采用有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)淺壘層，有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法的條件為：壓力100～600torr，溫度800～850℃。發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變淺壘層的生長(zhǎng)工藝，比如改變有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積過(guò)程中的壓力，可以改變淺壘層表面的平整度，控制V型缺陷的大小。

具體的，第二N型氮化鎵層是通過(guò)在氮化鎵中摻雜硅(Si)得到，Si的摻雜濃度為1×10¹⁷～9×10¹⁸/cm³，第二N型氮化鎵層的厚度為

具體的，N型氮化鎵鋁層是通過(guò)在氮化鎵鋁中摻雜硅(Si)得到，Si的摻雜濃度為1×10¹⁷～9×10¹⁸/cm³，N型氮化鎵鋁層的厚度為

如上所述，在超晶格結(jié)構(gòu)中摻入高勢(shì)壘的Al可以使抑制一些有害缺陷的縱向延伸，也可以起到提高LED光電性能的作用。因此，在本發(fā)明優(yōu)選方案中，在N型氮化鎵鋁層中，Al原子與Ga原子的摩爾比值為0.01～0.2。

本發(fā)明對(duì)于上述襯底的材料不做嚴(yán)格限定，可采用LED外延結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域常用的襯底材料，比如可選擇較為常見(jiàn)的藍(lán)寶石襯底。

本發(fā)明對(duì)于上述氮化鎵緩沖層、非摻雜氮化鎵層、V型缺陷層、第一N型氮化鎵層、MQW發(fā)光層和P型氮化鎵層的生長(zhǎng)方式不做特別限定，可采用本領(lǐng)域常規(guī)的方法進(jìn)行制備，在本發(fā)明具體實(shí)施過(guò)程中，通常采用有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)。

本發(fā)明還提供一種LED外延結(jié)構(gòu)，包括襯底，以及依次層疊在襯底上的氮化鎵緩沖層、非摻雜氮化鎵層、V型缺陷層、第一N型氮化鎵層、MQW發(fā)光層和P型氮化鎵層，

其中，V型缺陷層具有超晶格結(jié)構(gòu)。

該LED外延結(jié)構(gòu)可采用上述方法制備得到。

具體的，V型缺陷層由3～15個(gè)V型缺陷單層層疊構(gòu)成，每個(gè)V型缺陷單層由依次生長(zhǎng)的淺阱層和淺壘層構(gòu)成，

淺阱層的材料為In_xGa_1-xN，其中，0<x<1；

淺壘層由第二N型氮化鎵層和N型氮化鎵鋁層層疊構(gòu)成，其中，第二N型氮化鎵層生長(zhǎng)在淺阱層表面。

本發(fā)明提供了一種利用V型缺陷改善LED的光電特性的方法，在LED外延結(jié)構(gòu)中引入了具有超晶格結(jié)構(gòu)的V型缺陷層，并通過(guò)V型缺陷單層的循環(huán)數(shù)量、淺阱層中In的含量等因素，控制LED外延結(jié)構(gòu)中V型缺陷的數(shù)量和密度，因而提高了LED的發(fā)光效率，減少漏電，改善了LED的光電特性。并且，該方法簡(jiǎn)單可行，利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

本發(fā)明還提供一種LED外延結(jié)構(gòu)。由于該外延結(jié)構(gòu)包括了具有超晶格結(jié)構(gòu)的V型缺陷層，有效改善了LED器件的光電特性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明提供的V型缺陷層提高LED光電特性的原理示意圖；

圖2為本發(fā)明一具體實(shí)施方式提供的LED外延結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1提供的V型缺陷單層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例2提供的V型缺陷單層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例3提供的V型缺陷單層的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明：

1-襯底；2-氮化鎵緩沖層；3-非摻雜氮化鎵層；

4-V型缺陷層；41-淺阱層；42-第二N型氮化鎵層；

43-N型氮化鎵鋁層；5-第一N型氮化鎵層；6-MQW發(fā)光層；

7-P型氮化鎵層。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供一種利用V型缺陷改善LED的光電特性的方法，請(qǐng)參考圖2和圖3，具體包括：

1、在襯底1上依次生長(zhǎng)氮化鎵緩沖層2和非摻雜氮化鎵層3，其中，襯底1為藍(lán)寶石襯底。

2、在非摻雜氮化鎵層3表面生長(zhǎng)淺阱層41，淺阱層41的材料為In_0.2Ga_0.8N，厚度為生長(zhǎng)條件為：壓力約為200torr，溫度約為820℃。

3、在淺阱層41表面生長(zhǎng)第二N型氮化鎵層42，其厚度為Si的摻雜濃度為5×10¹⁸/cm³，生長(zhǎng)條件為：壓力約為200torr，溫度約為820℃。

4、在第二N型氮化鎵層42表面生長(zhǎng)一層N型氮化鎵鋁層43，其厚度為Si的摻雜濃度為5×10¹⁸/cm³，Al原子與Ga原子的摩爾比值為0.05，生長(zhǎng)條件為：壓力約為200torr，溫度約為820℃。

5、重復(fù)步驟2、3、4共計(jì)10個(gè)循環(huán)(即共計(jì)10個(gè)V型缺陷單層)，得到V型缺陷層4。

6、在V型缺陷層4表面依次生長(zhǎng)第一N型氮化鎵層5、MQW發(fā)光層6和P型氮化鎵層7，得到LED外延結(jié)構(gòu)。

上述氮化鎵緩沖層2、非摻雜氮化鎵層3、V型缺陷層4、第一N型氮化鎵層5、MQW發(fā)光層6和P型氮化鎵層7，均按照本領(lǐng)域的常規(guī)工藝，采用有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法制備得到。

本實(shí)施例還提供一種LED外延結(jié)構(gòu)，是采用上述方法制得，其結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示，包括襯底1，以及依次層疊在襯底1上的氮化鎵緩沖層2、非摻雜氮化鎵層3、V型缺陷層4、第一N型氮化鎵層5、MQW發(fā)光層6和P型氮化鎵層7。其中，V型缺陷層4包括10個(gè)V型缺陷單層，每個(gè)V型缺陷單層由淺阱層41、第二N型氮化鎵層42和N型氮化鎵鋁層43構(gòu)成。

并且，在第二N型氮化鎵層42和N型氮化鎵鋁層43生長(zhǎng)過(guò)程中，壓力相對(duì)較低，即在低壓條件下生長(zhǎng)淺壘層(第二N型氮化鎵層42和N型氮化鎵鋁層43)，使得到的淺壘層表面較為平整，因而可以控制V型缺陷的大小。

本實(shí)施例提供的LED外延結(jié)構(gòu)，由于該LED外延結(jié)構(gòu)包括了具有超晶格結(jié)構(gòu)的V型缺陷層4，并通過(guò)控制V型單層的循環(huán)數(shù)量、淺阱層41中In的摻雜量、淺壘層的生長(zhǎng)條件等，有效控制了LED外延結(jié)構(gòu)中V型缺陷的數(shù)量和密度，從而改善了LED器件的光電特性。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供一種利用V型缺陷改善LED的光電特性的方法，請(qǐng)參考圖2和圖4，具體包括：

1、在襯底1上依次生長(zhǎng)氮化鎵緩沖層2和非摻雜氮化鎵層3，其中，襯底1為藍(lán)寶石襯底。

2、在非摻雜氮化鎵層3表面生長(zhǎng)淺阱層41，淺阱層41的材料為In_0.2Ga_0.8N，厚度為壓力約為200torr，溫度約為820℃。

3、在淺阱層41表面生長(zhǎng)第二N型氮化鎵層42，其厚度為Si的摻雜為5×10¹⁸/cm³，壓力約為500torr，溫度約為820℃。

4、在第二N型氮化鎵層42表面生長(zhǎng)一層N型氮化鎵鋁層43，其厚度為Si的摻雜為5×10¹⁸/cm³，Al原子與Ga原子的摩爾比值為0.05，壓力約為500torr，溫度約為820℃。

5、重復(fù)步驟2、3、4共計(jì)10個(gè)循環(huán)(即共計(jì)10個(gè)V型缺陷單層)，得到V型缺陷層4。

6、在V型缺陷層4表面生長(zhǎng)第一N型氮化鎵層5、MQW發(fā)光層6和P型氮化鎵層7，得到LED外延結(jié)構(gòu)。

上述氮化鎵緩沖層2、非摻雜氮化鎵層3、V型缺陷層4、第一N型氮化鎵層5、MQW發(fā)光層6和P型氮化鎵層7，均按照本領(lǐng)域的常規(guī)工藝，采用有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法制得。

本實(shí)施例還提供一種LED外延結(jié)構(gòu)，是采用上述方法制得，其結(jié)構(gòu)如圖2和圖4所示，包括襯底1，以及依次層疊在襯底1上的氮化鎵緩沖層2、非摻雜氮化鎵層3、V型缺陷層4、第一N型氮化鎵層5、MQW發(fā)光層6和P型氮化鎵層7。其中，V型缺陷層4包括10個(gè)V型缺陷單層，每個(gè)V型缺陷單層由淺阱層41、第二N型氮化鎵層42和N型氮化鎵鋁層43構(gòu)成。

并且，在第二N型氮化鎵層42和N型氮化鎵鋁層43生長(zhǎng)過(guò)程中，壓力相對(duì)較高，即在高壓條件下生長(zhǎng)淺壘層，使得到的淺壘層表面起伏較大，因而可以控制V型缺陷的大小。

本實(shí)施例提供的LED外延結(jié)構(gòu)，由于該LED外延結(jié)構(gòu)包括了具有超晶格結(jié)構(gòu)的V型缺陷層4，并通過(guò)控制V型單層的循環(huán)數(shù)量、淺阱層41中In的摻雜量、淺壘層的生長(zhǎng)條件等，有效控制了LED外延結(jié)構(gòu)中V型缺陷的數(shù)量和密度，從而改善了LED器件的光電特性。

實(shí)施例3

本實(shí)施例提供一種利用V型缺陷改善LED的光電特性的方法，請(qǐng)參考圖2和圖5，具體包括：

1、在襯底1上依次生長(zhǎng)氮化鎵緩沖層2和非摻雜氮化鎵層3，其中，襯底1為藍(lán)寶石襯底。

2、在非摻雜氮化鎵層3表面生長(zhǎng)淺阱層41，淺阱層41的材料為In_0.2Ga_0.8N，厚度為壓力約為200torr，溫度約為820℃。

3、在淺阱層41表面生長(zhǎng)第二N型氮化鎵層42，其厚度為Si的摻雜濃度為5×10¹⁸/cm³，并且，在第二N型氮化鎵層42生長(zhǎng)過(guò)程中，溫度維持在820℃左右，壓力從200torr逐漸升高至500torr。

4、在第二N型氮化鎵層42表面生長(zhǎng)一層N型氮化鎵鋁層43，其厚度為Si的摻雜濃度為5×10¹⁸/cm³，Al原子與Ga原子的摩爾比值為0.05，并且，在N型氮化鎵鋁層43生長(zhǎng)過(guò)程中，溫度維持在820℃左右，壓力從500torr逐漸降低至200torr。

5、重復(fù)步驟2、3、4共計(jì)10個(gè)循環(huán)，得到V型缺陷層4。

6、在V型缺陷層4表面依次生長(zhǎng)第一N型氮化鎵層5、MQW發(fā)光層6和P型氮化鎵層7，得到LED外延結(jié)構(gòu)。

上述氮化鎵緩沖層2、非摻雜氮化鎵層3、V型缺陷層4、第一N型氮化鎵層5、MQW發(fā)光層6和P型氮化鎵層7，均按照本領(lǐng)域的常規(guī)工藝，采用有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法制備。

本實(shí)施例還提供一種LED外延結(jié)構(gòu)，是采用上述方法制得，其結(jié)構(gòu)如圖2和圖5所示，包括襯底1，以及依次層疊在襯底1上的氮化鎵緩沖層2、非摻雜氮化鎵層3、V型缺陷層4、第一N型氮化鎵層5、MQW發(fā)光層6和P型氮化鎵層7。其中，V型缺陷層4包括10個(gè)V型缺陷單層，每個(gè)V型缺陷單層由淺阱層41、第二N型氮化鎵層42和N型氮化鎵鋁層43構(gòu)成。

并且，在第二N型氮化鎵層42和N型氮化鎵鋁層43生長(zhǎng)過(guò)程中，壓力發(fā)生了變化，即在變壓條件下生長(zhǎng)淺壘層，使得到的淺壘層表面起伏不大，因而能夠控制V型缺陷的大小。

本實(shí)施例提供的LED外延結(jié)構(gòu)，由于該LED外延結(jié)構(gòu)包括了具有超晶格結(jié)構(gòu)的V型缺陷層4，并通過(guò)控制V型單層的循環(huán)數(shù)量、淺阱層41中In的摻雜量、淺壘層的生長(zhǎng)條件等，有效控制了LED外延結(jié)構(gòu)中V型缺陷的數(shù)量和密度，從而改善了LED器件的光電特性。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。