具有組合勢壘多量子阱的led外延結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能夠提高出光效率的具有組合勢皇多量子阱的高亮度基LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬于LED外延設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]二十世紀九十年代初，以氮化物為代表的第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料獲得了歷史性突破，科研人員在氮化鎵材料上成功地制備出藍綠光和紫外光LED，使得LED照明成為可能。1971年，第一只氮化鎵LED管芯面世，1994年，氮化鎵HEMT出現(xiàn)了高電子迀移率的藍光GaN基二極管，氮化鎵半導(dǎo)體材料發(fā)展十分迅速。
[0003]半導(dǎo)體發(fā)光二極管具有體積小、堅固耐用、發(fā)光波段可控性強、光效高、低熱損耗、光衰小、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，在全色顯示、背光源、信號燈、光電計算機互聯(lián)、短距離通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，逐漸成為目前電子電力學(xué)領(lǐng)域研究的熱點。氮化鎵材料具有寬帶隙、高電子迀移率、高熱導(dǎo)率、高穩(wěn)定性等一系列優(yōu)點，因此在短波長發(fā)光器件、光探測器件以及大功率器件方面有著廣泛的應(yīng)用和巨大的市場前景。
[0004]通常，LED包含N型襯底、形成于該襯底上的N型外延區(qū)以及形成于N型外延區(qū)上的量子阱區(qū)、P型外延區(qū)。由于GaN在高溫生長時氮的離解壓很高，很難得到大尺寸的GaN體單晶材料，目前大部分GaN外延器件還只能在其他襯底上(如藍寶石襯底)進行異質(zhì)外延生長。
[0005]量子阱區(qū)是制造GaN基LED器件必不可少的重要環(huán)節(jié)，LED外延片要提高發(fā)光效率，最根本的辦法就是要增強外延結(jié)構(gòu)的內(nèi)量子效率。目前國內(nèi)MOCVD生長GaN基LED外延片的內(nèi)量子效率只能達到30%左右，還有較大的發(fā)展提高空間，而有源層MQW的生長對內(nèi)量子效應(yīng)的提高尤為重要。
[0006]業(yè)內(nèi)目前一般采用GaN/InGaN材料交替生長有源層。在注入電流后，N型GaN層中的電子因為其高迀移率，會很容易穿過發(fā)光層(有源層量子阱)，迀移至有源層之上的P型GaN層中，與空穴形成無效輻射復(fù)合，這樣無形之中降低了內(nèi)量子效率，并且由于GaN基材料固有的極化效應(yīng)，產(chǎn)生的極化電場導(dǎo)致多量子阱中產(chǎn)生彎曲，導(dǎo)致在P型一側(cè)較低，N型一側(cè)抬高，從而多量子阱的邊帶由長方形變成了三角形，導(dǎo)帶的基帶能量降低，價帶的基帶能量升高，使兩者之間的間隙寬度變窄，導(dǎo)致發(fā)光波長紅移，從而進一步影響了發(fā)光效率。
[0007]因此，有必要提供一種GaN基LED外延片的新有源層制作方法，以進一步提高內(nèi)量子效率。
[0008]對于提高內(nèi)量子效應(yīng)，國內(nèi)外有一些專利文獻。中國專利文獻CN104157746A公開的《新型量子阱勢皇層的LED外延生長方法及外延層》，是在傳統(tǒng)的有源層GaN勢皇層中插入生長一個AlGaN薄層。但是該方法較高的勢皇不僅限制了電子的注入，同時限制了空穴的注入。
[0009]CN104201262A公開的《一種InGaN/AlGaN-GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)及其制備方法》，以固定In組分的InGaN作為阱層，采用不同的AlGaN-GaN作為皇層，包含Al組分固定的AlGaN皇層、Al組分沿生長方向連續(xù)減少的AlGaN皇層和GaN皇層，緩解減小皇和阱界面處的應(yīng)力，緩解能帶的彎曲，但是效果不明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明針對現(xiàn)有多量子阱內(nèi)量子效率低、應(yīng)力大的問題，提供一種具有組合勢皇多量子阱的LED外延結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠有效降低阱皇界面間的應(yīng)力，緩解能帶的彎曲，提高空穴和電子注入有源區(qū)效率和輻射復(fù)合效率。同時提供一種該結(jié)構(gòu)的制備方法。
[0011]本發(fā)明的具有組合勢皇多量子阱的LED外延結(jié)構(gòu)，采用以下技術(shù)方案:
[0012]該LED外延結(jié)構(gòu)，自下而上依次設(shè)置有襯底層、GaN緩沖層、非摻雜GaN層、η型AlGaN層、η型GaN層、有源層、P型AlGaN層、P型GaN層和P型InGaN歐姆接觸層，有源層為組合勢皇多量子阱結(jié)構(gòu)，該組合勢皇多量子阱結(jié)構(gòu)是由InGaN勢阱層、InAlGaN勢皇層、GaN勢皇層和InAlGaN勢皇層周期性疊加構(gòu)成。
[0013]所述襯底為藍寶石。
[0014]所述GaN緩沖層的厚度為20_40nm。
[0015]所述非摻雜GaN層的厚度為2-3 μ m。
[0016]所述η型AlGaN層的厚度30_60nm。
[0017]所述η型GaN層的厚度2-3 μ m。
[0018]所述P型AlGaN層的厚度為50-100nm。
[0019]所述P型層的厚度為150-300nm。
[0020]所述P型InGaN歐姆接觸層的厚度為2_10nm。
[0021]所述組合勢皇多量子阱結(jié)構(gòu)中InGaN勢阱層的厚度為2_4nm，InAlGaN勢皇層厚度為10-20nm，GaN勢皇層厚度為10_20nm，InAlGaN勢皇層厚度為10_20nm。
[0022]所述組合勢皇多量子阱結(jié)構(gòu)中勢阱層和勢皇層的疊加周期為5-20個。
[0023]所述組合勢皇多量子阱結(jié)構(gòu)中的三個勢皇層為單循環(huán)或多循環(huán)，多循環(huán)周期為3-5個。單循環(huán)是指每個組合勢皇多量子阱周期中InAlGaN勢皇層、GaN勢皇層和InAlGaN勢皇層都只有一個；多循環(huán)是指每個組合勢皇多量子阱周期中的InAlGaN勢皇層、GaN勢皇層和InAlGaN勢皇層有3_5個周期。
[0024]上述具有組合勢皇多量子阱的LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟:
[0025](I)將藍寶石襯底放入金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備的反應(yīng)室中，在氫氣氣氛下加熱到1000-1350°C，壓力200mbar，處理5-10分鐘；升壓至600mbar，溫度為650 0C，通入氨氣，氮化處理2-3分鐘；
[0026](2)在氮化處理的藍寶石襯底上生長GaN緩沖層；
[0027](3)在GaN緩沖層上生長非摻雜GaN層；
[0028]生長溫度為1100°C，生長壓力600mbar，生長厚度為2-3 μ m，生長速率2-2.5 μ m/
ho
[0029](4)在非摻雜GaN層上生長η型AlGaN層；
[0030]娃滲雜濃度為5E18_lE19atom/cm3，Al 滲雜濃度 5E19-lE20atom/cm3，厚度為30_60歷，生長溫度約為1000°C，壓力I33Hibar0
[0031](5)在η型AlGaN層上生長η型GaN層；
[0032]硅摻雜濃度為8E19-1.3E19atom/cm3，厚度為2-3 μ m，生長溫度為1080 °C，生長壓力 600mbaro
[0033](6)在η型GaN層上生長組合勢皇多量子阱結(jié)構(gòu)(InGaN勢阱層、InAlGaN勢皇層、GaN勢皇層和InAlGaN勢皇層)，具體過程如下所述:
[0034](A)在氣氛為氮氣的反應(yīng)室內(nèi)，在生長溫度為730-760°C、壓力為200_400mbar的環(huán)境下，通入三乙基鎵和三甲基銦按1:2摩爾比的混合物或通入三甲基鎵和三甲基銦按1:2摩爾比的混合物，持續(xù)生長厚度為2-4nm的InxGa1 xN勢阱層，其中O < x < 1，In摻雜濃度為 2E20-4E20atom/cm3;
[0035](B)停止生長InxGa1 XN勢阱層后，溫度升高至880-920°C，生長InaAlbGa1 a bN層，其中0<&<0.3，0<13<0.7，生長厚度 10-20nm，Al 摻雜濃度 5E19_lE20atom/cm3，In摻雜濃度2E19-4E19atom/cm3，娃摻雜濃度為lE17-lE18atom/cm3;連續(xù)生長GaN勢皇層，生長厚度10_20nm，硅摻雜濃度為lE17-lE18atom/cm3;再連續(xù)生長In JlbGa1 a bN層，其中O
<a < 0.3，0 < b < 0.7，生長厚度 10_20nm，Al 摻雜濃度 5E19-lE20atom/cm3，In 摻雜濃度 2E19_4E19atom/cm3，娃慘雜濃度為 lE17_lE18atom/cm3;
[0036]上述步驟(A)和步驟(B)的循環(huán)周期數(shù)為5-20，步驟(B)單循環(huán)或周期3_5個的多循環(huán)；
[0037](7)在組合勢皇多量子阱層上依次生長P型AlGaN層、P型GaN層和P型InGaN歐姆接觸層。
[0038]P型AlGaN層的生長溫度為830°C，生長厚度50-100nm，Mg摻雜濃度5E19atom/cm3，Al摻雜濃度8E19atom/cm3，生長壓力為200mbar ；P型GaN層的生長溫度為1000°C，生長厚度150-300nm，Mg摻雜濃度lE20atom/cm3，生長壓力為200mbar ；P型PInGaN接觸層的生長溫度為750°C，壓力300-400mbar，生長厚度為2_10nm，Mg摻雜濃度為2E20atom/cm3，In摻雜濃度為 lE20atom/cm3。
[0039]本發(fā)明使LED外延結(jié)構(gòu)具有組合勢皇多量子阱結(jié)構(gòu)，由于其特殊能帶組合勢皇，能夠顯著阻擋和擴散N型電子的注入，增強量子阱束縛電子的能力，提高空穴和電子注入在有源區(qū)效率和輻射復(fù)合效率，調(diào)整極化電荷消除內(nèi)建的極化電場，有效降低阱皇界面間的應(yīng)力，緩解能帶的彎曲，從本質(zhì)上提高晶體質(zhì)量和內(nèi)量子效率，提高器件性能，提高出光效率10%左右。
【附圖說明】
[0040]圖1是本發(fā)明具有組合勢皇多量子阱的LED外延結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]圖2是本發(fā)明中組合勢皇多量子阱結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)圖。
[0042]圖1中，1、襯底，2、緩沖層，3、非摻雜GaN層，4、n型AlGaN層，5、n型GaN層，6、有源層，7、P 型 AlGaN 層，8、P 型 GaN 層，9、P 型 InGaN 接觸層，10、InGaN 勢阱層，11、InAlGaN勢皇層，12、GaN勢皇層，13、InAlGaN勢皇層。
【具體實施方式】
[0043]如圖1所示，本發(fā)明具有組合勢皇多量子阱的高亮度基LED外延結(jié)構(gòu)，自下而上依次設(shè)置有襯底層1、GaN緩沖層2、非摻雜GaN層3、η型AlGaN層4、η型GaN層5、多量子阱有源發(fā)光層6、P型AlGaN層7、P型GaN層8和P型InGaN歐姆接觸層9。襯底為藍寶石。GaN緩沖層的厚度為20-40nm。非摻雜GaN層的厚度為2_3 μ m。η型AlGaN層的厚度30-60nm。η型GaN層的厚度2-3 μ m。P型AlGaN層的厚度為50_100nm。P型層的厚度為150-300nm。P型歐姆接觸層的厚度為2-10nm。多量子阱有源發(fā)光層6為組合勢皇多量子阱層是由InGaN勢阱層10、InAlGaN勢皇層ll、GaN勢皇層12和InAlGaN勢皇層13周期性疊加構(gòu)成，周期數(shù)為5-20個，勢皇層單循環(huán)或多循環(huán)。InGaN勢阱層的厚度為2_4nm，InAlGaN勢皇層厚度為10_20nm，GaN勢皇層厚度為10_20nm，InAlGaN勢皇層厚度為10_20nmo
[0044]本發(fā)明的高亮度LED外延片，運用金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備以金屬有機物化學(xué)氣相沉積