專利名稱：一種提高發光效率的外延結構及其制備方法
CN 102916096 A書明說1/5頁一種提高發光效率的外延結構及其制備方法技術領域
本發明屬于氮化鎵系材料制備技術領域，特別涉及一種氮化鎵基發光二極管提高多量子阱發光效率的方法。
背景技術：
以氮化鎵為代表的III族氮化物為直接帶隙的寬禁帶半導體材料，其具有電子飄移飽和速度高，熱導率好，并且能夠抗輻射耐高溫以及很好的化學穩定性和物理穩定性。其三元合金銦鎵氮(InGaN)帶隙從O. 7eV銦氮(InN)到3.4 eV氮化鎵(GaN)連續可調，發光波長覆蓋了可見光和近紫外光的整個區域。以InGaN/GaN多量子阱為有源層的發光二極管具有高效、環保、節能、壽命長等顯著特點，被公認為最有潛力進入普通照明領域的一種新型固態冷光源。
InGaN/GaN多量子阱生長過程中，由于InGaN和GaN材料之間的失配，會產生應力， 也會引起壓電極化效應，形成壓電極化場。極化場的存在會降低其輻射復合的效率，引起很強的量子限制斯塔克效應(QCSE)。InGaN/GaN多量子阱能夠加強對載流子的限制作用，提高輻射復合效率，量子阱中富In的生長條件所形成的In量子點，對載流子有很好的限制作用，使得載流子很難被非輻射復合中心俘獲，從而提高輻射復合的效率。
對于以上問題，國內外進行很多研究，并提出一些生長方法。如，為避免量子限制斯塔克效應(QCSE)影響，提 出了材料的生長方向和極化方向完全重合，但無法避免量子限制斯塔克效應。還有人采用InGaN或者光子晶體作為下埋層或者采用InGaN/GaN超晶格來緩釋應力。對于電子濃度的分布優化，主要使用電子擴展層，電子阻擋層以及電荷非對稱共振遂穿結構等方法。
上述方法都在一定程度上提高了量子阱的輻射復合效率，但效果有限。發明內容
鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種提高發光效率的外延結構及其制備方法，用于解決現有技術中氮化鎵基發光二極管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。
為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種提高發光效率的外延結構，所述外延結構從下向上依次包括
襯底；
位于所述襯底上的第一 GaN緩沖層；
位于所述第一 GaN緩沖層上的第二 GaN緩沖層；
位于所述第二 GaN緩沖層上的N型GaN層；
位于所述N型GaN層上的多量子阱結構MQW ；
位于所述多量子阱結構MQW上的發光層多量子阱結構MQW ；
位于所述發光層多量子阱結構MQW上的P型GaN層；4
位于所述P型GaN層上的P型AlGaN層；
位于所述P型AlGaN層上的P型GaN層；
以及位于所述P型GaN層上的P型接觸層；
所述多量子阱結構MQW由η層InxGai_xN/GaN多量子阱組成，所述η層多量子阱中阱的寬度、深度以及壘的高度逐層遞增；壘的寬度逐層遞減；阱的寬度逐層遞增與壘寬度逐層遞減呈規律的對應關系，其中η為整數，取值范圍為2-12。
優選地，所述阱的寬度為2-5nm ;所述壘的寬度為10_25nm。
優選地，所述襯底為藍寶石、GaN單晶、單晶硅以及碳化硅單晶。
優選地，所述發光層多量子阱由3-15個周期的InyGahNOKyUVGaN多量子阱組成，所述發光層多量子阱的厚度在2-5nm之間。
本發明還提供一種提高發光效率的外延結構的制備方法，該方法包括以下步驟
步驟一，提供一襯底，并對其進行預處理；
步驟二，在襯底溫度為500_650°C之間，生長的低溫GaN緩沖層；
步驟三，將襯底溫度升高至900-1200°C之間，對所述低溫GaN緩沖層原位進行熱退火處理，退火之后將溫度調節至1000-120(TC之間，外延生長高溫GaN緩沖層；
步驟四，繼續生長N型GaN層；
步驟五，生長多量子阱結構MQW，生長溫度在650_900°C之間，生長壓力在100-600 Torr之間，V / III摩爾比在300-5000之間；所述多量子阱MQW由η層InxGa J/GaN多量子阱組成，其中每層中阱的生長方式為In組分X逐漸增加，阱生長溫度逐層遞減；壘的寬度逐層遞減；阱的寬度逐層遞增與壘寬度逐層遞減呈規律的對應關系，其中η為整數，取值范圍為2-12 ；
步驟六，繼續生長發光層多量子阱MQW ;所述發光層多量子阱中In的摩爾組分含量在10%-50%之間；
步驟七，以N2作為載氣生長P型GaN層；
步驟八，生長P型AlGaN層；
步驟九，生長P型GaN層；
步驟十，生長P接觸層。
優選地，本發明還包括步驟i^一 將反應室的溫度降至650-800°C之間，采用純氮氣氛圍進行退火處理2 15min，然后降至室溫獲得外延結構。
優選地,所述步驟十中的P接觸層厚度為5 20nm。
優選地，所述步驟二中低溫緩沖層的厚度為20-30 nm ;生長壓力控制在300-760 Torr之間，V / III摩爾比在500-3200之間。
優選地，所述步驟三中高溫緩沖層的厚度為O. 5-2um之間；生長壓力在100-500 Torr之間，V / III摩爾比在300-3000之間。
優選地，所述發光層多量子阱MQW的生長溫度在720-820°C之間，壓力在100-500 Torr之間，V / III摩爾比在300-5000之間，所述發光層多量子阱由3-15個周期的 InyGa1^yN(x<y<l)/GaN多量子阱組成，所述發光層多量子阱的厚度在2_5nm之間；其壘層寬度不變，在10-15nm之間；生長溫度在820-920°C之間，壓力在100-500 Torr之間，V /III 摩爾比在300-5000之間。CN 102916096 A書明說3/5頁
本發明的生產工藝可以優化電子的濃度分布，減小多量子阱生長過程中產生的應力，減小量子限制斯塔克效應(QCSE)，提高多量子阱發光效率。
圖I顯示為本發明多量子阱能帶示意圖。
其中，I-A :第一層阱；1-B :第二層阱；1_C :第三層阱……I-K :第十一層阱；1_L 第十二層講；2-A :第一層魚;2_B :第二層魚；2_C :第二層魚......2-K :第十一層魚;2_L :第十二層魚；
圖2顯示為本發明LED外延結構的結構示意圖。
其中，藍寶石襯底I、低溫GaN緩沖層2、高溫GaN緩沖層3、N型GaN層4、多量子阱結構MQW 5、發光層多量子阱結構MQW6、p型GaN層7、p型AlGaN層8、p型GaN層9、p 型接觸層10。
具體實施方式
以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
請參閱圖I至圖2所示。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變， 且其組件布局型態也可能更為復雜。
如圖2所示的LED外延結構,所述外延結構從下向上依次包括
襯底I ;
位于所述襯底上的第一 GaN緩沖層2 ；
位于所述第一 GaN緩沖層上的第二 GaN緩沖層3 ；
位于所述第二 GaN緩沖層上的N型GaN層4 ;
位于所述N型GaN層上的多量子阱結構MQW 5 ；
位于所述多量子阱結構MQW上的發光層多量子阱結構MQW 6 ；
位于所述發光層多量子阱結構MQW上的P型GaN層7 ;
位于所述P型GaN層上的P型AlGaN層8 ;
位于所述P型AlGaN層上的P型GaN層9 ;
以及位于所述P型GaN層上的p型接觸層10 ；
所述多量子阱結構MQW 5由η層InxGai_xN/GaN多量子阱組成，所述η層多量子阱中阱的寬度、深度以及壘的高度逐層遞增；壘的寬度逐層遞減；阱的寬度逐層遞增與壘寬度逐層遞減呈規律的對應關系，其中η為整數，取值范圍為2-12。
請參閱圖I所示的該量子阱能帶示意圖。本實施例中，多量子阱結構MQW 5由12 層InxGai_xN/GaN多量子阱組成·其中，1_A :第一層阱；I-B :第二層阱；I-C :第三層阱……I-K :第十一層阱；1_L :第十二層阱；2-A :第一層壘；2-B :第二層壘；2-C :第三層壘……62-K :第^ 層魚；2-L :第十二層魚。
其中，第二層阱I-B的寬度略大于第一層阱I-A的寬度，第二層阱I-B的深度略大于第一層阱I-A的深度，第三層阱I-C的寬度略大于第二層阱I-B的寬度，第三層阱I-C的深度略大于第二層阱ι-c的深度，以此類推。
阱的寬度逐層遞增與壘寬度逐層遞減呈規律的對應關系。阱的深度與壘的深度也呈規律的對應關系。
同樣的，第二層壘2-B的寬度略小于第一層壘2-A的寬度，第二層壘2-B的深度略大于第一層壘2-A的深度，第三層壘2-C的寬度略小于第二層壘2-B的寬度，第三層壘2-C 的深度略大于第二層壘2-B的深度，以此類推。
本實施例中，多量子阱中阱層和壘層的寬度通過控制生長時間、MO源流量及溫度等方式來實現。本實施例中采取的為阱層中每層層溫梯度變化結合控制生長時間來實現， MO源流量不變。
本實施例中壘層的厚度變化生長僅通過控制時間來實現，壘層的生長溫度各層均相同。阱、壘層的寬度或厚度范圍值在制備方法中具體說明。
本實施例中，多量子阱中的阱層溫度時逐漸降低的，低溫條件下有利于In組分的生長，在生長阱層時，通過拉長生長時間，即可讓阱層變寬，通過在阱層適當的降低溫度結合拉長阱層生長時間，可有效達到變寬阱層的目的，在適當的范圍內降低阱層溫度及拉長阱層·生長時間是變寬阱層的同一個方向。
具體的，本發明一種提高半導體多量子阱發光效率的方法包括以下具體步驟
步驟一，將襯底I在氫氣氣氛里進行退火，清潔所述襯底I表面，溫度控制在 1030-1200°C之間，然后進行氮化處理，襯底是適合GaN及其半導體外延材料生長的材料， 如監寶石，GaN單晶，單晶娃、碳化娃單晶等；
步驟二，將溫度下降到500_650°C之間，生長20-30 nm厚的低溫GaN緩沖層2，生長壓力控制在300-760 Torr之間，V / III摩爾比在500-3200之間；
步驟三，所述低溫GaN緩沖層2生長結束后，停止通入TMGa，襯底溫度升高至 900-1200°C之間，對所述低溫GaN緩沖層2原位進行熱退火處理，退火時間在5_30min之間，退火之后，將溫度調節至1000-1200°C之間，外延生長厚度為O. 5-2um間的高溫GaN緩沖層3，生長壓力在100-500 Torr之間，V / III摩爾比在300-3000之間；
步驟四，所述高溫GaN緩沖層3生長結束后，生長一層摻雜濃度穩定的N型GaN層 4，厚度在I. 2-4. 2um，生長溫度在1000-1200°C之間，壓力在100-600 Torr之間，V / III摩爾比在300-3000之間；
步驟五，所述N型GaN層4生長結束后，生長多量子阱結構MQW5，生長溫度在 650-900°C之間，生長壓力在100-600 Torr之間，V /III摩爾比在300-5000之間，所述多量子阱MQW5由1-12層InxGai_xN/GaN多量子阱組成，所述多量子阱的厚度在2_5nm之間，其中每層中阱的生長方式為In組分逐漸增加(InxGai_xN，In的組份X逐漸增加)，阱的寬度也在梯度變大，每層阱生長溫度不同，隨著層數增加，阱溫梯度變低；每層中壘的生長方式為采用四元合金InAlGaN,并且壘的厚度梯度變小，壘的厚度在10_25nm之間。上述中的阱寬度梯度變大與壘厚度梯度變小呈規律的對應關系。
步驟六，所述多量子阱MQW5生長結束后，生長發光層多量子阱MQW6，生長溫度在7720-820°C之間，壓力在100-500 Torr之間，V /III摩爾比在300-5000之間，所述發光層多量子阱6由3-15個周期的InyGahNOKyUVGaN多量子阱組成，所述發光層多量子阱6的厚度在2-5nm之間；所述發光層多量子阱6中In的摩爾組分含量是不變的，在10%_50%之間；壘層厚度不變，厚度在10-15nm之間，生長溫度在820-920°C之間，壓力在100-500 Torr 之間，V / III摩爾比在300-5000之間；
步驟七，所述發光層多量子阱6生長結束后，以N2作為載氣生長厚度IO-IOOnm之間的P型GaN層7，生長溫度在620-820°C之間，生長時間在5_35min之間，壓力在100-500 Torr之間，V / III摩爾比在300-5000之間；
步驟八，所述P型GaN層7生長結束后，生長厚度10_50nm之間的p型AlGaN層 8，生長溫度在900-1100°C之間，生長時間在5-15min之間，壓力在50-500 Torr之間，V /III摩爾比在1000-20000之間，P型AlGaN層8的Al的摩爾組分含量控制在10%_30%之間；
步驟九，所述P型AlGaN層8生長結束后，生長厚度100_800nm之間的P型GaN 層9，生長溫度在850-950°C之間，生長時間在5-30min之間，壓力在100-500 Torr之間，V / III摩爾比在300-5000之間；
步驟十，所述P型GaN層9生長結束后，生長厚度5_20nm之間的p接觸層10，生長溫度在850-1050°C之間，生長時間在I-IOmin之間，壓力在100-500 Torr之間，V / III摩爾比在1000-20000之間；
步驟i^一，外延生長結束后，將反應室的溫度降至650-800°C之間，采用純氮氣氛圍進行退火處理2 15min，然后降至室溫，即得如圖I所示的LED外延結構。
外延結構(外延片)經過清洗、沉積、光刻和刻蝕等后續加工工藝制成單科小尺寸-H-* I I心/T O
本實施例以高純氫氣或氮氣作為載氣，以三甲基鎵(TMGa)，三乙基鎵(TEGa)、三甲基鋁(TMA1 )、三甲基銦(TMIn)和氨氣(NH3)分別作為Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)和二茂鎂(Cp2Mg)分別作為η、P型摻雜劑。
本發明的生產工藝可以優化電子的濃度分布，減小多量子阱生長過程中產生的應力，減小量子限制斯塔克效應(QCSE)，提高多量子阱發光效率。
綜上所述，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種提高發光效率的外延結構，其特征在于，所述外延結構從下向上依次包括襯底；位于所述襯底上的第一 GaN緩沖層；位于所述第一 GaN緩沖層上的第二 GaN緩沖層；位于所述第二 GaN緩沖層上的N型GaN層；位于所述N型GaN層上的多量子阱結構MQW ；位于所述多量子阱結構MQW上的發光層多量子阱結構MQW ；位于所述發光層多量子阱結構MQW上的P型GaN層；位于所述P型GaN層上的P型AlGaN層；位于所述P型AlGaN層上的P型GaN層；以及位于所述P型GaN層上的P型接觸層；所述多量子阱結構MQW由η層InxGai_xN/GaN多量子阱組成，所述η層多量子阱中阱的寬度、深度以及壘的高度逐層遞增；壘的寬度逐層遞減；阱的寬度逐層遞增與壘寬度逐層遞減呈規律的對應關系，其中η為整數，取值范圍為2-12。
2.根據權利要求I所述的提高發光效率的外延結構，其特征在于所述阱的寬度為 2-5nm ;所述壘的寬度為10_25nm。
3.根據權利要求I所述的提高發光效率的外延結構，其特征在于所述襯底為藍寶石、 GaN單晶、單晶硅以及碳化硅單晶。
4.根據權利要求I所述的提高發光效率的外延結構，其特征在于所述發光層多量子阱由3-15個周期的InyGahNOKyUVGaN多量子阱組成，所述發光層多量子阱的厚度在 2-5nm之間。
5.一種提高發光效率的外延結構的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟 步驟一，提供一襯底，并對其進行預處理；步驟二，在襯底溫度為500-650°C之間，生長的低溫GaN緩沖層；步驟三，將襯底溫度升高至900-120(TC之間，對所述低溫GaN緩沖層原位進行熱退火處理，退火之后將溫度調節至1000-1200°C之間，外延生長高溫GaN緩沖層；步驟四，繼續生長N型GaN層；步驟五，生長多量子阱結構MQW，生長溫度在650-900°C之間，生長壓力在100-600 Torr之間，V / III摩爾比在300-5000之間；所述多量子阱MQW由η層InxGa J/GaN多量子阱組成，其中每層中阱的生長方式為In組分X逐漸增加，阱生長溫度逐層遞減；壘的寬度逐層遞減；阱的寬度逐層遞增與壘寬度逐層遞減呈規律的對應關系，其中η為整數，取值范圍為2-12 ；步驟六，繼續生長發光層多量子阱MQW ;所述發光層多量子阱中In的摩爾組分含量在 10%-50% 之間；步驟七，以N2作為載氣生長P型GaN層；步驟八，生長P型AlGaN層；步驟九，生長P型GaN層；步驟十，生長P接觸層。
6.根據權利要求5所述的提高發光效率的外延結構的制備方法，其特征在于還包括步驟i^一 將反應室的溫度降至650-800°C之間，采用純氮氣氛圍進行退火處理2 15min， 然后降至室溫獲得外延結構。
7.根據權利要求5所述的提高發光效率的外延結構的制備方法，其特征在于所述步驟十中的P接觸層厚度為5 20nm。
8.根據權利要求5所述的提高發光效率的外延結構的制備方法，其特征在于所述步驟二中低溫緩沖層的厚度為20-30 nm ;生長壓力控制在300-760 Torr之間，V /III摩爾比在500-3200之間。
9.根據權利要求5所述的提高發光效率的外延結構的制備方法，其特征在于所述步驟三中高溫緩沖層的厚度為O. 5-2um之間；生長壓力在100-500 Torr之 間，V /III摩爾比在300-3000之間。
10.根據權利要求5所述的提高發光效率的外延結構的制備方法，其特征在于所述發光層多量子阱MQW的生長溫度在720-820°C之間，壓力在100-500 Torr之間，V / III摩爾比在300-5000之間，所述發光層多量子阱由3-15個周期的InyGahNOKy(I)/GaN多量子阱組成，所述發光層多量子阱的厚度在2-5nm之間；其壘層寬度不變，在10_15nm之間；生長溫度在820-920°C之間，壓力在100-500 Torr之間，V / III摩爾比在300-5000之間。
全文摘要
本發明提供一種提高發光效率的外延結構，從下向上依次包括襯底、第一GaN緩沖層、第二GaN緩沖層、N型GaN層、多量子阱結構MQW、發光層多量子阱結構MQW、p 型GaN層、p 型AlGaN層、p 型GaN層、p 型接觸層；所述多量子阱結構MQW由n層InxGa1-XN/GaN 多量子阱組成，所述n層多量子阱中阱的寬度、深度以及壘的高度逐層遞增；壘的寬度逐層遞減；阱的寬度逐層遞增與壘寬度逐層遞減呈規律的對應關系，其中n為整數，取值范圍為2-12。本發明的生產工藝可以優化電子的濃度分布，減小多量子阱生長過程中產生的應力，減小量子限制斯塔克效應(QCSE)，提高多量子阱發光效率。
文檔編號H01L33/06GK102916096SQ201210424140
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月30日 優先權日2012年10月30日
發明者郭麗彬, 王耀國, 鐘伊泰 申請人:合肥彩虹藍光科技有限公司