一種具有發光層多量子阱過渡層的LED外延結構的製作方法

2023-05-04 06:56:06

本發明涉及發光二極體技術領域，特別是具有發光層多量子阱過渡層的LED外延結構。

背景技術：

半導體二極體具有體積小、高效、節能、使用壽命長等特點而廣泛應用於顯示屏、背光源、傳感器、通訊及照明等領域。GaN基材料的外延生長是發展GaN基高亮度LED和全固態半導體白光照明光源的核心技術, 但發光區其發光層量子阱（MQW）的品質難以成長的原因是MQW的位錯密度比較大，壘和阱之間存在晶格失配產生的應力和極化電場，導致輻射複合效率比較低。因此，如何減少量子阱發光層中晶格缺陷，以提高量子阱發光層的晶體質量；以及如何降低量子阱發光層和GaN壘層和n型GaN層之間由於晶格失配產生的極化效應和電子空穴波函數空間分離現象，以提高電子和空穴的複合效率，進而提高LED的發光效率，成為LED領域中亟需攻克的目標之一。

影響有源區發光效率的因素主要有以下幾個方面：

1.InGaN/GaN多量子阱層結構的一個特徵是：GaN基材料是離子晶體，由於正負電荷不重合，使得材料沿著c軸方向存在著很強的自發極化效應，形成自發極化場；由於InGaN和GaN材料之間的失配所引起的應力，也會引起壓電極化效應，形成壓電極化場。極化場的存在會使量子阱能帶發生傾斜或彎曲，使得阱區的電子和空穴限制在量子阱的兩端，一方面會使得量子阱的有效帶隙寬度減小使激發峰紅移，另一方面導致電子和空穴的波函數在空間分布上分離，降低其輻射複合的機率，引起很強的量子限制斯塔克效應（Quantum Confined Stark Effect）。隨著應變的增強，極化效應引起的極化電場同時增強，因此，在晶向的InxGa1-xN/GaN量子阱中隨著In組分x的增加， InxGa1-xN與GaN之間的晶格失配增加，極化效應增強，這也是InxGa1-xN/GaN量子阱LED中隨In組分增加時LED的發光效率顯著減小的原因之一。

2.N區注入的電子有很大的載流子遷移率和濃度，在大電流的驅動下會越過量子阱區和P區的空穴複合，引起非輻射複合，使得發光效率的下降，而空穴的有效質量較大，其遷移率和載流子濃度都很低，這樣就造成了在遠離P區的空穴分布很少，整個阱區空穴的分布很不均勻，造成輻射複合機率的下降。

3.GaN基LED主要利用InGaN/GaN量子阱外延層發光，InGaN量子阱和GaN量子壘因晶格失配會產生應力。因量子阱InGaN和量子壘GaN交替生長，這樣隨著阱壘周期的不斷增多，材料中的應力也不斷的積聚。隨著應力的累積，在GaN外延層存在的部分線性位錯便會在量子阱的生長過程中被發展放大，形成V型缺陷；對V型缺陷的深度和密度必須進行有效控制，如果V型缺陷深度過深或密度過大，會導致空穴載流子通過V型缺陷側壁進入發光量子阱進行輻射發光的效率降低，而通過V型缺陷頂端及連接的線性位錯形成的漏電通道，直接與電子形成非輻射複合，降低器件內量子效率。

技術實現要素：

針對上述現有技術中存在的不足，本發明的目的是提供一種具有發光層多量子阱過渡層的LED外延結構。它是在發光層多量子阱中引入In組分降低的過渡層，發光層多量子阱結構中阱層In組份的依次減小可以緩解由高In組份InGaN突然轉到GaN的生長過程中產生的應力，減小極化效應，提高量子阱的晶體質量，增加複合機率。

為了達到上述發明目的，本發明的技術方案以如下方式實現：

一種具有發光層多量子阱過渡層的LED外延結構，它從下至上依次包括圖形化襯底、GaN緩衝層、U型GaN層、N型GaN層、有源區、電子阻擋層和P型GaN層。其結構特點是，所述有源區包括多量子阱層和生長在多量子阱層上的發光層多量子阱層。所述多量子阱層包括InXGa1-XN阱層和生長在InXGa1-XN阱層上的GaN壘層。所述發光層多量子阱層包括發光層阱層和生長在發光層阱層上的發光層壘層。所述發光層阱層和發光層壘層交替生長，生長周期為5-20個周期。所述發光層阱層包括從下至上依次生長的In組分不同的InXGa1-XN層且 0<x<1、InyGa1-yN過渡層且0< y<x和GaN過渡層。

在上述LED外延結構中，所述多量子阱層由2至10個周期的InXGa1-XN阱層和GaN壘層組成，其中In的組份是不變的,x值介於0.15至0.45之間。InXGa1-XN阱層的厚度在1-5nm之間，生長溫度在730-830℃之間，生長壓力在100Torr至500Torr之間。GaN壘層厚度不變，其厚度在5-7.5 nm之間，生長溫度在820至1000℃之間，生長壓力在100Torr 至500Torr 之間。

在上述LED外延結構中，所述多量子阱層的生長溫度高於發光層多量子阱層，厚度小於發光層多量子阱層。

在上述LED外延結構中，在發光層阱層的2/5~4/5處生長一層In的組分由x遞減到0的InyGa1-yN過渡層，在發光層阱層的4/5~1處生長一層GaN過渡層。

在上述LED外延結構中，所述InXGa1-XN層的生長溫度為710-810℃，In組分為0.15<x<0.45，厚度為2-5nm，生長壓力100-500Torr；InyGa1-yN層的生長溫度為710-810℃，生長厚度為2-5nm，In組分由x遞減到0,生長壓力為100-500Torr；GaN過渡層的生長溫度為710-810℃,生長厚度為1-2.5nm,生長壓力100-500Torr。

在上述LED外延結構中，所述發光層壘層為GaN壘層，在周期生長中，所述發光層壘層的厚度不變且大於多量子阱層中GaN壘層的厚度，所述發光層壘層的厚度在10-15nm之間，生長溫度在820-1000℃之間，生長壓力在100-500Torr之間。

本發明由於採用了上述結構，在發光層多量子阱層的發光層阱層中引入過渡層，過渡層中In的組份依次減小可以緩解由高In組份InGaN突然轉到GaN的生長過程中產生的應力，減小極化效應，提高量子阱的晶體質量，增加複合機率。並且，有源區分為多量子阱和發光層多量子阱兩個部分，前幾個周期的多量子阱用高溫生長，後幾個周期的發光層多量子阱用低溫生長，高溫生長的窄量子阱結構可以減緩電子的穿越速率，低溫生長的寬量子阱結構可以提高空穴的穿越速率，使得電子和空穴的分布比較均勻，減少了非輻射複合，在一定程度上提高了波函數的複合機率，防止在大電流注入下效率下降。解決了現有技術製作的GaN基發光二極體中存在的巨大內建電場以及載流子分布不均勻所導致的量子阱發光效率減小的問題。

另外，發光層多量子阱層中由於富In的生長條件或者In組分的不均勻所形成的富In量子點，對載流子也有很好的限制作用，使得載流子很難被非輻射複合中心俘獲，從而提高輻射複合的效率。

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步說明。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為本發明中多量子阱層的結構示意圖；

圖3為本發明中發光層多量子阱層的結構示意圖；

圖4為本發明中發光層多量子阱層中發光層阱層的結構示意圖。

具體實施方式

參看圖1至圖4，本發明具有發光層多量子阱過渡層的LED外延結構從下至上依次包括圖形化襯底1、GaN緩衝層2、U型GaN層3、N型GaN層4、有源區、電子阻擋層7和P型GaN層8。有源區包括多量子阱層5和生長在多量子阱層5上的發光層多量子阱層6。發光層多量子阱層6包括發光層阱層61和生長在所述發光層阱層61上的發光層壘層62。發光層阱層61和發光層壘層62交替生長，生長周期為5-20個周期。發光層阱層61包括從下至上依次生長的In組分不同的InXGa1-XN層611且 0<x<1、InyGa1-yN過渡層612且0< y<x和GaN過渡層613。 多量子阱層5的生長溫度高於發光層多量子阱層6，厚度小於發光層多量子阱層6。發光層阱層61的2/5~4/5處生長一層In的組分由x遞減到0的InyGa1-yN過渡層612，在發光層阱層61的4/5~1處生長一層GaN過渡層613。InXGa1-XN層611的生長溫度為710-810℃，In組分為0.15<x<0.45，厚度為2-5nm，生長壓力100-500Torr。InyGa1-yN層612的生長溫度為710-810℃，生長厚度為2-5nm，In組分由x遞減到0,生長壓力為100-500Torr。GaN過渡層613的生長溫度為710-810℃,生長厚度為1-2.5nm,生長壓力100-500Torr。多量子阱層5由2至10個周期的InXGa1-XN阱層51和GaN壘層52組成，其中In的組份是不變的,x值介於0.15至0.45之間。GaN壘層52生長於InXGa1-XN阱層51上，InXGa1-XN阱層51的厚度在1-5nm之間，生長溫度在730-830℃之間，生長壓力在100Torr至500Torr之間。GaN壘層52厚度不變，其厚度在5-7.5 nm之間，生長溫度在820至1000℃之間，生長壓力在100Torr 至500Torr 之間。發光層壘層62為GaN壘層，在周期生長中，所述發光層壘層62的厚度不變且大於多量子阱層5中GaN壘層52的厚度。發光層壘層62的厚度在10-15nm之間，生長溫度在820-1000℃之間，生長壓力在100-500Torr之間。

本發明以高純氫氣（H2）或氮氣（N2）或高純氫氣和高純氮氣的混合氣體作為載氣，以三甲基鎵（TMGa）、三乙基鎵(TEGa)、三甲基鋁（TMAl）、三甲基銦（TMIn）和氨氣（NH3）分別作為Ga、Al、In 和N源，用矽烷（SiH4）、二茂鎂（Cp2Mg）分別作為n、p 型摻雜劑。

實施例一

本發明的生長方法為：

1）在MOCVD反應爐裡進行高溫烘烤，去除藍寶石圖形化襯底1表面的殘餘雜質。

　 2）緩慢降溫在500-800℃之間，生長一層GaN緩衝層2。

　 3）迅速升溫，在1000-1200℃生長U型GaN層3，生長10-70min，厚度為0.5-6um。

　 4）生長N型GaN層4，生長溫度在1000-1200℃，生長厚度在0.5-5um。

5）生長多量子阱層5：

多量子阱層 5：由10個周期的InXGa1-XN/GaN多量子阱組成，其中0.15<x<0.45。InXGa1-XN阱層51中In 的組份是0.15，InXGa1-XN阱層51的厚度為1nm，生長溫度在830℃，生長壓力在100Torr；GaN壘層52的厚度為5nm，生長溫度在1000℃，生長壓力在100Torr。

6）發光層多量子阱6：

發光層多量子阱結構MQW 6：由20個周期的InXGa1-XN/ InyGa1-yN/ GaN阱層/GaN壘層多量子阱組成，其中0.15<x<0.45，0<y<x。所述InXGa1-XN層611的生長溫度為810℃，In組分為0.15，厚度為2nm，生長壓力100Torr；InyGa1-yN層612的生長溫度為810℃，生長厚度為2nm，In組分為由0.15遞減到0,生長壓力為100Torr。GaN阱層613的生長溫度為810℃,生長厚度為1nm,生長壓力100Torr。發光層壘層62的厚度為10 nm，生長溫度在1000℃，生長壓力在100 Torr。

7）在800-1000℃下生長P型AlGaN電子阻擋層7,厚度為50-1000埃。

8)生長P型GaN層8，生長溫度在800-1000℃下生長，厚度為200-700埃，Mg的濃度為5x1017 ~1x1023cm3。

實施例二

本發明的生長方法為：

1）在MOCVD反應爐裡進行高溫烘烤，去除藍寶石圖形化襯底1表面的殘餘雜質。

　 2）緩慢降溫在500-800℃之間，生長一層GaN緩衝層2。

　 3）迅速升溫，在1000-1200℃生長U型GaN層3，生長10-70min，厚度為0.5-6um。

　 4）生長N型GaN層4，生長溫度在1000-1200℃，生長厚度在0.5-5um。

5）生長多量子阱層5：

多量子阱層 5：由5個周期的InXGa1-XN/ GaN多量子阱組成。InXGa1-XN阱層51中In的組份是0.3，InXGa1-XN阱層51的厚度為3nm，生長溫度在780℃，生長壓力在300Torr；GaN壘層52的厚度為6.25 nm，生長溫度在920℃，生長壓力在300Torr。

6）發光層多量子阱6：

發光層多量子阱結構MQW 6：由10個周期的InXGa1-XN/ InyGa1-yN/GaN阱層/GaN壘層多量子阱組成。所述InXGa1-XN層611的生長溫度為760℃，In組分為0.3，厚度為3.5nm，生長壓力300Torr；InyGa1-yN層612的生長溫度為760℃，生長厚度為3.5nm，In組分為由0.3遞減到0,生長壓力為300Torr；GaN阱層613的生長溫度為760℃,生長厚度為1.75nm,生長壓力300Torr；發光層壘層62的厚度為12.5 nm，生長溫度在920℃，生長壓力在300 Torr。

7）在800-1000℃下生長P型AlGaN電子阻擋層7,厚度為50-1000埃。

8)生長P型GaN層8，生長溫度在800-1000℃下生長，厚度為200-700埃，Mg的濃度為5x1017 ~1x1023cm3。

實施例三

本發明的生長方法為：

1）在MOCVD反應爐裡進行高溫烘烤，去除藍寶石圖形化襯底1表面的殘餘雜質。

　 2）緩慢降溫在500-800℃之間，生長一層GaN緩衝層2。

　 3）迅速升溫，在1000-1200℃生長U型GaN層3，生長10-70min，厚度為0.5-6um。

　 4）生長N型GaN層4，生長溫度在1000-1200℃，生長厚度在0.5-5um。

5）生長多量子阱層5：

多量子阱層 5：由2個周期的InXGa1-XN/GaN多量子阱組成。InXGa1-XN阱層51中In的組份是0.45，InXGa1-XN阱層51的厚度為5nm，生長溫度在730℃，生長壓力在500Torr；GaN壘層52的厚度為7.5 nm，生長溫度在820℃，生長壓力在500Torr。

6）發光層多量子阱6：

發光層多量子阱結構MQW 6：由5個周期的InXGa1-XN/ InyGa1-yN/ GaN阱層/GaN壘層多量子阱組成。所述InXGa1-XN層611的生長溫度為710℃，In組分為0.45，厚度為5nm，生長壓力500Torr；InyGa1-yN層612的生長溫度為710℃，生長厚度為5nm，In組分為由0.45遞減到0,生長壓力為500Torr；GaN阱層613的生長溫度為710℃,生長厚度為2.5nm,生長壓力500Torr；發光層壘層62的厚度不變，其厚度在15 nm，生長溫度在820℃，生長壓力在500 Torr。

7）在800-1000℃下生長P型AlGaN電子阻擋層7,厚度為50-1000埃。

8)生長P型GaN層8，生長溫度在800-1000℃下生長，厚度為200-700埃，Mg的濃度為5x1017 ~1x1023cm3。

　　以上所述，僅為本發明的具體實施例，並不限於本發明的其它實施方式，凡屬本發明的技術路線原則之內，所做的任何顯而易見的修改、替換或改進，均應屬於本發明的保護範圍之內。