高發(fā)光效率的量子阱組合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有源區(qū)LED(發(fā)光二極管)的外延結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬于LED外延技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]二十世紀(jì)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(lán)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(lán)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(jiān)固耐用、發(fā)光波段可控性強(qiáng)、光效高、低熱損耗、光衰小、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在全色顯示、背光源、信號(hào)燈、光電計(jì)算機(jī)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(diǎn)。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(diǎn)，因此在短波長發(fā)光器件、光探測(cè)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(chǎng)前景。
[0004]半導(dǎo)體發(fā)光二極管因其具有節(jié)能、環(huán)保、綠色健康、長壽命等有著非常明顯的優(yōu)勢(shì)，在指示、顯示、背光領(lǐng)域逐漸得到廣泛應(yīng)用。隨著LED在照明的應(yīng)用領(lǐng)域的推進(jìn)，人們需要開發(fā)高功率、高亮度LED的芯片，取代目前的其他光源。
[0005]LED被廣泛應(yīng)用在顯示屏、傳感器、通訊、照明等廣泛領(lǐng)域。作為核心半導(dǎo)體器件的GaN基藍(lán)光LED能與熒光粉結(jié)合制造白光，在照明方面有很大的吸引力。LED外延片要提高發(fā)光效率，最根本的方法就是要增強(qiáng)外延結(jié)構(gòu)的內(nèi)量子效率。目前，國內(nèi)M0CVD生長GaN基LED外延片的內(nèi)量子效率只能達(dá)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(duì)內(nèi)量子效率的提高尤其重要。
[0006]現(xiàn)有傳統(tǒng)方法制備的GaN基LED外延片的外延結(jié)構(gòu)如圖1所示，該外延結(jié)構(gòu)自下至上依次為襯底1、緩沖層2、非摻雜GaN層3、n型AlGaN層4、n型GaN層5、有源層6、P型AlGaN層7、P型GaN層8和P型InGaN接觸層9，其中有源層6是InGaN勢(shì)阱層14和GaN勢(shì)皇層15的組合。該外延結(jié)構(gòu)是運(yùn)用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(M0CVD)設(shè)備以金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法在藍(lán)寶石襯底上生長，采用高純H2或高純N2或高純仏和化的混合氣體作為載氣，高純見13作為N源，金屬有機(jī)源三甲基鎵或三乙基鎵作為鎵源，三甲基銦作為銦源，N型摻雜劑用硅烷，三甲基鋁作為鋁源，P型摻雜劑為二茂鎂，反應(yīng)室壓力在100mabar-900mbar之間，具體包括以下步驟:
[0007]1、在1000-1100°C，反應(yīng)腔壓力維持在400-600torr的氫氣氣氛下高溫處理藍(lán)寶石襯底5-10分鐘；
[0008]2、氣氛為氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，降溫至530_580°C下，反應(yīng)腔壓力維持在450-550torr，用2-6分鐘氮化處理藍(lán)寶石襯底1 ;然后通入TMGa，在藍(lán)寶石襯底1上生長厚度為30-40nm的低溫GaN緩沖層2 ；
[0009]3、氣氛為氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，升高溫度到1050_1250°C下，反應(yīng)腔壓力維持在100-250torr，通入TMGa,持續(xù)生長2.5-3.5 μ m的非摻雜GaN層3 ;
[0010]4、氣氛為氮?dú)?，或氣氛為氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，壓力50-200torr，溫度900-1100°C，通入TMGa、TMAl和SiH4，持續(xù)生長N型AlGaN層4，厚度為40_60nm，A1摻雜濃度 2E+20-6E+20atom/cm3，Si 摻雜濃度 5E+17_9E+17atom/cm3;
[0011]5、氣氛為氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，反應(yīng)腔壓力為100-250torr，溫度1050-1250°C，通入TEGa和SiH4，生長η型GaN層5，厚度在3.0-3.5um，Si的摻雜濃度為4E+18-8E+18atom/cm3；
[0012]6、(1)氣氛為氮?dú)饣虻獨(dú)饣煊猩倭繗錃?，壓力?50-300torr，溫度730_760°C，通入TEGa或TMGa以及TMIn，持續(xù)生長InxGai XN勢(shì)阱層14，其中0〈χ〈1，且In的摻雜濃度保持不變，厚度 2.5-3.5nm，In 摻雜濃度 2E+20-3E+20atom/cm3; (2)溫度升為 840-890°C，停止通入TMIn，持續(xù)生長GaN勢(shì)皇層15，厚度10_13nm ； (1) (2)層循環(huán)生長周期數(shù)為10-13。
[0013]7、氣氛為氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，再升高溫度到850-1050°C°C，反應(yīng)腔壓力維持在 50-200torr，通入 TMGa、TMA1 和 Cp2Mg，持續(xù)生長 30_60nm 的 P 型 AlGaN 層 7，A1 的摻雜濃度 2E+20_6E+20atom/cm3，Mg 的慘雜濃度 5E+19_9E+19atom/cm3;
[0014]8、氣氛為氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，溫度為850-1000 °C，反應(yīng)腔壓力維持在100-250torr，通入TMGa和Cp2Mg，持續(xù)生長70_100nm的摻鎂的P型GaN層8，Mg的摻雜濃度 2E+19_7E+19atom/cm3;
[0015]9、氣氛為氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，壓力100-250torr，溫度850-1000°C，通入TMGa和Cp2Mg，持續(xù)生長p型接觸層9，厚度2-4nm，Mg的摻雜濃度7E+19-2E+20atom/cm3;
[0016]10、氣氛為氮?dú)?，壓力?0-200torr，溫度670-730°C，時(shí)間5_20min。接著爐內(nèi)冷卻至室溫，即可得到如附圖1所示外延結(jié)構(gòu)的GaN基LED外延片，其能帶結(jié)構(gòu)如圖3所示。
[0017]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，η型GaN層中的電子因其高迀移率，會(huì)比較容易穿過發(fā)光層(有源層MQW)，迀移到有源層之上的p型GaN層中與空穴形成無效輻射復(fù)合，這樣無形中降低了內(nèi)量子效率。因此，有必要提供一種GaN基LED外延片的新有源層制備方法，來克服上述的技術(shù)。
[0018]中國專利文獻(xiàn)CN104821352A公開的《一種InGaN/GaN量子阱界面中斷生長結(jié)構(gòu)及方法》，是在InGaN量子阱生長初期，周期性地通入/停止TMIn進(jìn)入反應(yīng)室，在增加In氣相分壓的同時(shí)，增加In擴(kuò)散時(shí)間，更加有效地提高InGaN量子阱生長初期In組分，使得InGaN量子阱In組分更加均勻，InGaN/GaN界面更加陡峭，從而提高LED波長均勻性和量子阱發(fā)光效率。但是該方法較高的勢(shì)皇不僅限制了電子的注入，同時(shí)限制了空穴的注入，導(dǎo)致多量子講內(nèi)量子效率低。所以InGaN量子講中應(yīng)力的調(diào)制成為提尚發(fā)光效率的關(guān)鍵因素之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有多量子講內(nèi)量子存在的效率低、應(yīng)力大的問題，提供一種尚發(fā)光效率的量子阱組合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。
[0020]本發(fā)明的高發(fā)光效率的量子阱組合LED外延結(jié)構(gòu)，自下至上依次為襯底、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接觸層，有源層包括下層多量子阱結(jié)構(gòu)、恒溫多量子阱結(jié)構(gòu)和上層多量子阱結(jié)構(gòu)，下層多量子阱結(jié)構(gòu)為InGaN勢(shì)阱層和GaN勢(shì)皇層周期性疊加構(gòu)成；恒溫多量子阱結(jié)構(gòu)為恒溫InGaN勢(shì)阱層和恒溫GaN勢(shì)阱層周期性疊加構(gòu)成；上層多量子阱結(jié)構(gòu)為InGaN勢(shì)阱層和GaN勢(shì)皇層周期性疊加構(gòu)成。
[0021]所述下層多量子阱結(jié)構(gòu)中InGaN勢(shì)阱層和GaN勢(shì)皇層的循環(huán)周期數(shù)為3_5。
[0022]所述恒溫多量子阱結(jié)構(gòu)為恒溫InGaN勢(shì)阱層和恒溫GaN勢(shì)阱層的循環(huán)周期數(shù)為
8-15 個(gè)。
[0023]所述上層多量子阱結(jié)構(gòu)為InGaN勢(shì)阱層和GaN勢(shì)皇層的循環(huán)周期數(shù)為5_15個(gè)。
[0024]所述下層多量子阱結(jié)構(gòu)和上層多量子阱結(jié)構(gòu)中的InGaN勢(shì)阱層的In摻雜濃度為2E20-4E20atom/cm3；GaN 勢(shì)皇層的硅摻雜濃度為 lE17_lE18atom/cm3。
[0025]所述恒溫多量子阱結(jié)構(gòu)中的恒溫InGaN勢(shì)阱層中的In摻雜濃度為2E20-4E20atom/cm3, GaN勢(shì)皇層的硅摻雜濃度為硅摻雜濃度為lE17-lE18atom/cm3。
[0026]所述下層多量子阱結(jié)構(gòu)和上層多量子阱結(jié)構(gòu)中的InGaN勢(shì)阱層的厚度為2_4nm，GaN勢(shì)皇層的厚度