专利名称：低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料及制法的制作方法
技术领域：
本发明涉及氮化镓基发光二极管用外延材料及制备方法，特别涉及一种采用量 子阱调制技术来减弱极化效应的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料及 制法。
背景技术：
以GaN为代表的宽禁带材料，是继Si和GaAs之后的第三代半导体。由于外 延技术的突破，在上个世纪九十年代期间有快速的发展。在不到十年的时间内，GaN已 变成全球性研究发展课题，而GaN市场中发光二极管又占了主要份额，目前蓝宝石衬 底有C面和A面用于GaN基发光二极管已经产业化.我们目前通常在C面蓝宝石衬底上 外延GaN基LED,得到的是c面GaN, III-V族氮化物材料的空间结构不具有空间中心 反演对称，并且V族元素的原子和N原子的电负性相差很大，因此沿GaN的〈0001〉方 向具有很强的极性.这一极化效应将产生强度较高的内建电场，并且使正负载流子在空 间上分离，这样导致发光波长红移,更严重的后果是电子和空穴波函数交叠变少,材料 的发光效率大大降低。目前，国际上GaN基蓝光LEl)的内量子效率最高才达到3(m， 一般仅到20%.而对 于无极化效应的GaAs系LED,其最高内量子效率可以达到100%，常规产品的内量子 效率也可以达到70%左右。因此,研究生长非极性面的G我消除电子、空穴的空间分 离，对于提高发光二极管的发光效率，提供了重要途径。GaN晶体质量差，位错密度髙达108-107cnf2，极化效应强，严重的制约了发光二极 管的发光效率。实验表明量子阱中掺In会有效的提高发光效率，当前主流理论认为In 组分的存在导致局域化效应，因此提高了量子阱的发光效率。但由于极化效应存在，
使局域化效应对提高发光效率的作用被很大程度抵消.分析表明，无极化效应的GaN 基LED材料可以大幅度提高量子阱发光效率，从根本上解决GaN基LED高效率的问题。 生长无极化效应的GaN基量子阱目前有两种方案 一种是选取非极性面衬底上生 长出无极化效应的材料；另一种是生长AlInGaN四元合金材料，选取合适的组分配比， 抵消掉极化效应。第一种方案有两个方向， 一是在Y—LiA102的(001)衬底上利用 MBE技术生长(I一IOO) M面GaN,其主要困难是Y—LiA102的热稳定性差，并且生长 的GaN材料背底掺杂浓度高；二是在蓝宝石的r面衬底上生长a面非极性GaN材料， 其主要困难是a面GaN外延材料表现出严重的不对称性，外延材料难以实现二维层状 生长。第二种方案的困难在于很难生长出将极化效应完全抵消的材料。发明内容本发明目的在于针对以上问题而提供一种低极化效应的GaN基发光二极管外延 材料及其制备方法，即采用调控量子阱结构和量子阱有源区结构结合，通过能带工 程，使量子阱有源区的能带弯曲产生反方向弯曲，实际降低量子阱有源区的极化效 应，实现了量子阱有源区的低极化效应，增大了电子或空穴波函数的交叠，并且由 于调控量子阱区的电子隧穿进入有源区量子阱，提高了电子浓度，进一步提高了发 光二极管的内量子发光效率；解决常规GaN基LED量子阱有源区由于强极化效应产 生强度较高的内建电场，并且使正负载流子在空间上分离而导致发光波长红移，更 严重的后果是电子或空穴波函数交叠变少,材料发光效率低的问题。本发明的技术方案如下本发明提供的低极化效应的GaN发光二极管用外延材料的制备方法，其特征在 于，在GaN基极性LED用外延材料的制备过程中，将具有较低能带的长波长量子阱 的电子或空穴隧穿到具有较高能带的短波长量子阱中，以提高的量子阱发光效率；同时，在GaN基极性LED用外延材料的制备过程中，利用不同极化效应引起的量 子阱界面电荷不同，用极化效应高界面电荷大的量子阱来减少极化效应低的量子阱的 极化效应，以提高量子阱电子或空穴交叠，提高GaN基LED用外延材料的发光强度；
所述的具有较低能带的长波长量子阱是指设计光荧光波长为200nm至600nm 的量子阱；所述的具有较高能带的短波长量子阱是指设计光荧光波长为200nm至600nm的 量子阱；所述具有较低能带的长波长量子阱的设计光荧光峰位相比所述的具有较高能带的 短波长量子阱的设计光荧光峰位向长波长方向移动的范围在5nm 100nra之间。所述极化效应高界面电荷大的量子阱是指界面电荷为1E13 C/cm2至5E14 C/cm2 的量子阱；所述极化效应低的量子阱是指界面电荷为5E11 C/cm2至1E14 C/cm2的量子阱； 本发明采用调控量子阱结构和量子阱有源区结构结合，通过能带工程，使量子 阱有源区的能带弯曲产生反方向弯曲，实现了量子阱有源区的低极化效应，增大了 电子和空穴波函数的交叠，并且由于调控量子阱区的电子或空缺隧穿进入有源区量 子阱，提高了电子或空缺浓度，进一步提高发光二极管的内量子发光效率。本发明的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料的制备方法，其具体步骤如下以蓝宝石或者SiC作为衬底，用常规半导体器件沉积技术在所述衬底上依次生 长n型InGaAlN层、低极化效应有源层和p型InGaAlN层，得到低极化效应高内量 子效率的GaN发光二极管用外延材料；所述n型InGaAlN层由依次包覆在衬底之上的GaN缓冲层和n型GaN层组成；所述GaN缓冲层为GaN层、A1N层、AlGaN层、InGaN层、InAlN层、InAlGaN层或 者上述合金组合而成的在异质衬底上外延的过渡层；所述GaN缓冲层厚为10nm 3iim;所述n型GaN层为GaN层、A1N层、AlGaN层、InGaN层、InAlN层、InAlGaN层或 者上述合金组合的n型欧姆接触的接触层；所述的n型GaN层厚度为20nm 5 u m;所述低极化效应有源层由依次包覆在所述n型GaN层的InAlGaN多量子阱结构极 化调控层和InAlGaN多量子结构发光层组成；所述InAlGaN极化调控层为由第一势垒层IrvAL,Ga卜y,—z,N和第一量子阱层 Inx氛,Ga卜xl-mlN组成的多量子阱结构;其中，yl〈xl， 0. l〈xl〈0. 3， 0〈yl〈0.15, 0〈zl〈0.5， 0〈ml〈0.5;所述第一势垒层InylAlzlGa,—yl-zlN厚度为5 30nm;第一量子阱层 InxlAl mlGai—xlnN厚度为l 15nm;所述第一势垒层InylAlzlGai—力,N和第一量子阱层 InxlAl mlGa,—xl—ralN的掺杂浓度均为0 5X 10'Vcm'，其量子阱结构的周期数为1 20;所述InAlGaN多量子阱结构发光层为由第二势垒层IriyALGa^N和第二量子阱 层InxAl Ga,—XiN组成的多量子阱结构发光二极管有源层，其中y〈x， 0. Kx〈0. 3, 0<y<0. 15， 0〈z〈0. 5， 0<m<0. 5;所述第二势垒层IriyALGa卜y，N厚度为5 30咖，第二量 子阱层InxAl ,Gai—XiN厚度为1 12nm;所述第二势垒层InyAlzGai—y—zN和第二量子阱 层InxAlmGa,—XiN层的掺杂浓度均为0 5X 107cm3,其量子阱结构的周期数为1 20;所述InAlGaN多量子结构发光层的为光荧光峰位相比所述InAlGaN多量子阱结构 极化调控层的光荧光峰位向长波长方向移动的范围在5nm 100nm之间；所述的p型GaN层为GaN层、InAIN层、AlGaN层、InAlGaN层或上述合金组合的 制备P型欧姆接触的接触层；所述p型GaN层的厚度为20nm l u m。本发明上述方法制备的低极化效应的GaN发光二极管用外延材料，包括 一衬底，以及依次覆于衬底表面之上的n型InGaAIN层、低极化效应有源层和p 型InGaAIN层；所述衬底为蓝宝石或者SiC衬底；所述n型InGaAIN层由依次包覆在所述衬底之上的GaN缓冲层和n型GaN层组成； 所述GaN缓冲层为GaN层、A1N层、AlGaN层、InGaN层、InAIN层、InAlGaN层或者上述合金组合而成的在异质衬底上外延的过渡层；所述GaN缓冲层厚度为10nm 3 u m。所述n型GaN层为GaN层、A1N层、AlGaN层、InGaN层、InAIN层、InAlGaN层或 者上述合金组合的n型欧姆接触的接触层；所述n型GaN层厚度为20nm 6 ii m。所述低极化效应有源层由依次包覆于所述n型GaN层之上的InAlGaN多量子阱结 构极化调控层、InAlGaN多量子结构发光层组成；所述InAlGaN极化调控层为由第一势垒层Iriy,AL,Ga卜yh,N和第一量子阱层 Ir^AL,Ga卜xli,N组成的多量子阱结构层；其中yl〈xl， 0. l〈xl〈0. 3， 0〈yl〈0.15, 0<zl〈0. 5， 0〈ml〈0. 5;所述第一势垒层InylAl zlGa,—yHzlN厚度为5 30nm，第一量 子阱层InxlAlmlGa,—xl—mlN厚度为1 15nm;所述第一势垒层Iny,AL，Ga,—yl—zlN和第 一量子阱层InxlAl niGai—xlnN的掺杂浓度均为0 5X 107cm',其量子阱结构层的 周期数为1 20;所述InAlGaN多量子阱结构发光层为由第二势垒层InyALGa卜pN和第二量子 阱层InjU^Ga,iiN组成的多量子阱结构发光二极管有源层,其中y<x, 0. l<x〈0. 3， 0<y<0. 15, 0〈z<0. 5， 0<m<0. 5;所述第二势垒层IriyALGa卜y—ZN厚度为5 30nm， 第二量子阱层InxALGa!—XiN厚度为1 12nm;所述第二势垒层InyAlzGai—y—ZN和 第二量子阱层InxAl工a卜X- N的掺杂浓度为0 1Xl(y7cm ；其量子阱结构层的周 期数为1 20;所述InAlGaN多量子结构发光层的为光荧光峰位相比所述InAlGaN多量子阱结构 极化调控层的光荧光峰位向长波长方向移动的范围在5nm 100nm之间；所述的p型GaN层为GaN层、InAIN层、AlGaN层、InAlGaN层或上述合金组合的 制备p型欧姆接触的接触层；所述p型GaN层的厚度为20nm l u m。本发明采用调控量子阱结构和量子阱有源区结构相结合，通过能带工程，使量子 阱有源区的能带弯曲产生反方向弯曲，实际降低量子阱有源区的极化效应，实现了量 子阱有源区的低极化效应，增大了电子或空穴波函数的交叠，并且由于调控量子阱区 的电子或空缺隧穿进入有源区量子阱，提高了电子或空缺浓度，进一步提高了发光二 极管的内量子发光效率。常规GaN基LED量子阱有源区由于强极化效应产生强度较高的内建电场,并且 使正负载流子在空间上分离，这样导致发光波长红移，更严重的后果是电子和空穴 波函数交叠变少,材料的发光效率大大降低.本发明提供的低极化效应GaN基LED外 延材料制备方法，克服了这一问题。本发明提供的低极化效应GaN发光二极管外延材料，通过调节InAlGaN多量子 阱结构极化调控层的厚度、In组分，以及调节InAlGaN多量子结构发光层的势垒和 势阱层的厚度以及In组分，使所述InAlGaN多量子结构发光层的低温(10K下)光荧 光峰位相比所述InAlGaN多量子阱结构极化调控层的光荧光峰位向长波长方向移动 范围在5nm 100咖之间。最终使量子阱有源区的能带弯曲产生反方向弯曲，实际 降低量子阱有源区的极化效应。本发明的机理是，在GaN基极性LED外延材料上利用不同波长的量子阱的电子或 空穴由长波长的量子阱隧穿到短波长量子阱提高发光强度的方法，即利用具有较低能 带的量子阱电子或空穴隧穿到较高能带的量子阱提高较高能带的量子阱发光效率的方 法。这种隧穿效应完全不同于非极性量子阱的隧穿效应，非极性量子阱的隧穿效应是 具有较高能带的量子阱电子或空穴隧穿到较低能带的量子阱。本发明同时涉及在GaN基极性LED外延材料上，利用不同极化效应引起的量子 阱界面电荷不同，由极化效应高即量子阱的界面电荷大的量子阱来减少极化效应低 的量子阱的极化效应，提高电子空穴交叠以提高发光强度的方法。本发明的方法及使用本发明方法制备的低极化效应GaN发光二极管用外延材料 与现有GaN非极性材料生长技术相比，优点在于1、 本发明方法采用了常规发光二极管外延工艺流程，采用了独特的能带工程 设计，实现了GaN基低极化效应外延材料的制备。2、 本发明避开了现有几种实现非极性GaN材料生长的问题，例如y—LiA102 的热稳定性差与所生长的GaN材料背底掺杂浓度高的问题；在蓝宝石的r面衬底上 生长a面非极性GaN材料，出现的a面GaN外延材料表现出严重的不对称性，外延 材料难以实现二维层状生长等问题。
图1为低极化效应的GaN发光二极管用外延材料的结构示意图。
具体实施方式
实施例1使用本发明方法制备低极化效应GaN发光二极管用外延材料，其具体步骤如下
采用0.43隱厚的蓝宝石作为衬底1，使用金属有机物化学汽相沉积技术(MOCVD) 在其上依次生长10nm厚GaN缓冲层2(由GaN组成)、2500nm厚的n型GaN层3(由 GaN组成)、InGaN多量子结构极化调控层4 (由势垒层GaN和量子阱层In^Ga^N 组成的2个周期的多量子阱结构，其中势垒层GaN的厚度为10nm,量子阱层 In0.。8Ga。.92N的厚度为3. 5mn，所述势垒层GaN的掺杂浓度为0，量子阱层In().。8Gafl.92N 层的掺杂浓度为1X10'7cm3,理论设计光荧光对应峰位在470nm) 、 InGaN多量子 结构发光层5 (由势垒层In。.。5Ga。.95N和量子阱层In(, lsGa(,85N组成的5个周期的多 量子阱结构,其中势垒层In。.(,5Ga().95N的厚度为IO醒，量子阱层In。.15GaQ.85N的厚度 为3nm,所述势垒层InyGa卜yN的掺杂浓度为0，量子阱层InxGai-xN层的掺杂浓度 为1X 10'7cm1,理论设计光荧光对应峰位在520nm) 、 p型InGaAlN层6由200nm厚 p型AlQ.2Ga。.8N和p型GaN层组合而成，得到低极化效应的绿光GaN发光二极管外 延材料，如附图所示；
实施例2
使用本发明方法制备低极化效应GaN发光二极管用外延材料，其步骤如下 采用0.4mm厚的SiC作为衬底1，使用金属有机物化学汽相沉积技术(MOCVD) 在其上依次生长200nm厚GaN缓冲层2 (由AIN组成)、1 u m厚的n型GaN层3、InGaN 多量子结构极化调控层4 (由势垒层GaN和量子阱层In。.。8Gao.92N组成的1个周期 的量子阱结构,其中势垒层GaN的厚度为10nm,量子阱层In(,,Gaa92N的厚度为4nm, 所述势垒层GaN的掺杂浓度为0，量子阱层In。.。8Ga。.92N层的掺杂浓度为1X 107cm3, 理论设计光荧光对应峰位在430nm) 、 InGaN多量子结构发光层5 (由势垒层GaN和 量子阱层In。.12Ga。.88N组成的4个周期的多量子阱结构,其中势垒层GaN的厚度为 12nm,量子阱层In .12Gaa88N的厚度为5nm，所述势垒层In,Ga卜yN的掺杂浓度为1 X10'7cm3，量子阱层IruGahN层的掺杂浓度为0，理论设计光荧光对应峰位在 470nm) 、 300ntn厚P型InGaAlN层6(由InAlN组成)，得到低极化效应的GaN蓝光 发光二极管外延材料，如附图所示。
实施例3
使用本发明方法制备低极化效应GaN发光二极管用外延材料，其步骤如下 采用0. 43mm厚的蓝宝石作为衬底1 ，使用金属有机物化学汽相沉积技术(M0CVD) 在其上依次生长lOOnm厚GaN缓冲层2 (由A1N组成)、1 u m厚的n型GaN层3、 InGaN 多量子结构极化调控层4 (由势垒层In^GaaJ和量子阱层In().inGa。.9()N组成的5 个周期的多量子阱结构，其中势垒层In。.。5Gan.95N的厚度为10nm,量子阱层 Ino.wGauoN的厚度为4咖，所述势垒层GaN的掺杂浓度为0，量子阱层In(,. 1(,Ga .90N 层的掺杂浓度为5X 107cm3，理论设计光荧光对应峰位在440nm) 、 InGaN多量子结 构发光层5 (由势垒层GaN和量子阱层In .12Ga。.88N组成的4个周期的多量子阱结 构，其中势垒层GaN的厚度为12nm，量子阱层In。. l2Ga。.88N的厚度为4nm，所述势垒 层In,Ga卜yN的掺杂浓度为1 X l()7cm3，量子阱层In,GanN层的掺杂浓度为0，理论 设计光荧光对应峰位在470nm) 、 300nm厚P型InGaAIN层6(由InAIN组成)，得 到低极化效应的GaN蓝光发光二极管外延材料，如附图所示。
实施例4
使用本发明方法制备低极化效应的GaN发光二极管用外延材料，其步骤如下-采用0. 43mm厚的蓝宝石作为衬底1，使用金属有机物化学汽相沉积技术 (MOCVD)在其上依次生长200nm厚的GaN缓冲层2(由InAIN组成)、5y m厚的n 型GaN层3(由InGaN组成)、InGaN多量子结构极化调控层4 (由势垒层In。.。2Ga().98N 和量子阱层In(U5Gaa85N组成的IO个周期的多量子阱结构,其中势垒层In。.Q2Ga。.98N 的厚度为10nm,量子阱层In。.15Gao.85N的厚度为5nm，所述势垒层Ina。2Gao.98N的掺 杂浓度为O，量子阱层In。.15Ga。.85N层的掺杂浓度为5X107cm3,理论设计光荧光 对应峰位在450nm) 、 InGaN多量子结构发光层5 (由势垒层In(,. l5Ga。.85N和量子阱 层In。.3Ga。.7N组成的20个周期的多量子阱结构，其中势垒层GaN的厚度为12nm,量 子阱层In。.3Ga()7N的厚度为l咖，所述势垒层InyGai—yN的掺杂浓度为2X10'7cm3, 量子阱层InxGa,-xN层的掺杂浓度为lxi07cm1,理论设计光荧光对应峰位在 525nm) 、 1 u m厚P型InAlGaN层6，得到低极化效应的GaN发光二极管外延材料，
如附图所示。 实施例5
使用本发明方法制备低极化效应的GaN发光二极管用外延材料，其步骤如下 采用0. 43mm厚的蓝宝石作为衬底1,使用金属有机物化学汽相沉积技术(M0CVD) 在其上依次生长ra厚的GaN缓冲层2(由InAlGaN组成)、200nm厚的n型GaN层 3(由InAIN组成)、InGaN多量子结构极化调控层4 (由势垒层In。.fl2Ga(,,N和量子 阱层In(,.15Ga。.teN组成的10个周期的多量子阱结构，其中势垒层Ina 2Ga。.9RN的厚 度为IO咖,量子阱层InQ.lsGa。.85N的厚度为5线所述势垒层In。. 2Ga .98N的掺杂浓 度为0，量子阱层Ina15Ga。.85N层的掺杂浓度为5X107cm3,理论设计光荧光对应 峰位在450nm) 、 InGaN多量子结构发光层5 (由势垒层GaN和量子阱层In。.2。Gafl.80N 组成的1个周期的量子阱结构，其中势垒层GaN的厚度为12mn，量子阱层 In0.2QGa。.8。N的厚度为5nm，所述势垒层IrvGa卜yN的掺杂浓度为lX107cm3，量子 阱层InxGahN层的掺杂浓度为2X107cm'，理论设计光荧光对应峰位在510nm)、 P型InGaAIN层6由700nm厚p型GaN层组成，得到低极化效应的GaN发光二极管 外延材料，如附图所示。
实施例6
使用本发明方法制备低极化效应的GaN发光二极管用外延材料，其步骤如下 采用0. 3mm厚的蓝宝石作为衬底1，使用金属有机物化学汽相沉积技术 (MOCVD)在其上依次生长20nm厚的GaN缓冲层2、2 y m厚的n型GaN层3、 InGaN 多量子结构极化调控层4 (由势垒层In。.Q1GaQ.99N和量子阱层In .21Ga。.79N组成的2 个周期的多量子阱结构，其中势垒层In。.。,Ga。，N的厚度为10nm，量子阱层 In0.21Ga .79N的厚度为5咖，所述势垒层In ., Ga .99N的掺杂浓度为0，量子阱层 In0.21Ga。.79N层的掺杂浓度为5X10'7cm 理论设计光荧光对应峰位在480nm)、 InGaN多量子结构发光层5 (由势垒层GaN和量子阱层In . 18Ga。.82N组成的4个周期 的多量子阱结构,其中势垒层GaN的厚度为12nm,量子阱层In。. l8Ga。.82N的厚度为
5nm，所述势垒层In,Ga卜yN的掺杂浓度为0,量子阱层InxGai—xN层的掺杂浓度为 2X 107cm3,理论设计光荧光对应峰位在515nm) 、 P型InGaAlN层6由200nm厚p 型AlGaN层和100nm P型GaN层组合而成，得到低极化效应的GaN发光二极管外延 材料，如附图所示。
实施例7
使用本发明方法制备低极化效应的GaN发光二极管用外延材料，其步骤如下 采用0. 43,厚的蓝宝石作为衬底1,使用金属有机物化学汽相沉积技术 (MOCVD)在其上依次生长500nm厚的GaN缓冲层2(由InAlN组成)、m厚的n 型GaN层3(由GaN组成)、]nGaN多量子结构极化调控层4 (由势垒层In0.02 Al0.5Ga。.48N和量子阱层In。.,。 Al(MGa .5。N组成的3个周期的多量子阱结构，其中势 垒层In。.。2 Al0.5Ga0.48N的厚度为30nm,量子阱层In0.l0 A1(,U的厚度为15nm， 所述势垒层In(u,2 Al().5Gat).48N的掺杂浓度为0，量子阱层In(,.川Al(MGafl.SoN层的 掺杂浓度为5X10'7cnf,理论设计光荧光对应峰位在370nm) 、 InGaN多量子结构 发光层5 (由势垒层In。.。2 Al。.5Ga("8N和量子阱层In^ Al。.4GaQ.45N组成的3个 周期的多量子阱结构,其中势垒层InQ.。2 Al。.5Ga。.48N的厚度为20nm,量子阱层In0.15 Al0.4Ga(, N的厚度为IO腦，所述势垒层In。.(,2 Ala5Gaa N的掺杂浓度为2X 107cm3，量子阱层In。.15 Alo.^a^N层的掺杂浓度为lX107cm 理论设计光荧 光对应峰位在400nm) 、 lym厚P型InGaAlN层6,得到低极化效应的GaN发光二 极管外延材料，如附图所示。
实施例8
使用本发明方法制备低极化效应的GaN发光二极管用外延材料，其步骤如下 采用0. 43rnra厚的蓝宝石作为衬底1，使用金属有机物化学汽相沉积技术 (MOCVD)在其上依次生长700nm厚的本征GaN层2(由InAlN组成)、3 u m厚的n 型GaN层3(由GaN组成)、InGaN多量子结构极化调控层4 (由势垒层 In。.。2Al。.5Ga。..wN和量子阱层Iii。.i。Al。.4GaQ.5(,N组成的3个周期的多量子阱结构以
及势垒层In。.。2Al。.:!Ga。.B8N和量子阱层In。. uAl。.:,Ga。.6。N组成的2个周期的量子阱 结构复合组成,其中势垒层In。.,)2Al。.5Ga。.《N的厚度为30nm，掺杂浓度为0，量子阱 层In . u)Al("Ga。.5。N的厚度为15nm ,掺杂浓度为5 X 107cm:'，势垒层 In0.02Al0.3Ga』的厚度为20nm，掺杂浓度为0，量子阱层In0.l0Al().3Ga0.60N的厚 度为15nm，掺杂浓度为5X107cm3,理论设计光荧光对应峰位在390nm) 、 InGaN 多量子结构发光层5 (由势垒层In。.。2AlQ.5GaQ.48N和量子阱层InQ.15Al。.4Ga。.45N组 成的3个周期的多量子阱结构,其中势垒层InQ.fl2Ala5GaQ.48N的厚度为20nm,量子阱 层In0.15Al0.4Ga0.45N的厚度为10nm，所述势垒层In0.02Al0.5Ga0.48N的掺杂浓度为2 X107cm3，量子阱层In。.15Al。.4Ga。.45N层的掺杂浓度为1X 10'7cm3，理论设计光荧 光对应峰位在400nm) 、 1 u m厚P型InGaAlN层6，得到低极化效应的GaN发光二 极管外延材料，如图l所示。
权利要求
1、一种低极化效应的GaN发光二极管芯片用外延材料的制法，其特征在于，在GaN基极性LED用外延材料的制备过程中，将具有较低能带的长波长量子阱的电子或空穴隧穿到具有较高能带的短波长量子阱中，以提高LED外延材料的量子阱发光效率；同时，在GaN基极性LED用外延材料的制备过程中，利用不同极化效应引起的量子阱界面电荷不同，用极化效应高界面电荷大的量子阱来减少极化效应低的量子阱的极化效应，以提高量子阱电子或空穴交叠，提高GaN基LED用外延材料的发光强度；所述的具有较低能带的长波长量子阱是指设计光荧光波长为200nm至600nm的量子阱；所述的具有较高能带的短波长量子阱是指设计光荧光波长为200nm至600nm的量子阱；所述具有较低能带的长波长量子阱的设计光荧光峰位相比所述的具有较高能带的短波长量子阱的设计光荧光峰位向长波长方向移动的范围在5nm～100nm之间；所述极化效应高界面电荷大的量子阱是指界面电荷为1E13C/cm2至5E14C/cm2的量子阱；所述极化效应低的量子阱是指界面电荷为5E11C/cm2至1E14C/cm2的量子阱。
2、 按权利要求1所述的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料的制法，其 特征在于，具体制做步骤如下以蓝宝石或者SiC作为衬底，用常规半导体器件沉积技术在所述衬底上依次生 长n型InGaAlN层、低极化效应有源层和p型InGaAlN层，得到低极化效应高内量 子效率的GaN发光二极管用外延材料；所述n型InGaAlN层由依次包覆在衬底之上的GaN缓冲层和n型GaN层组成； 所述GaN缓冲层为GaN层、A1N层、AlGaN层、InGaN层、InAIN层、InAlGaN层或 者上述合金组合而成的在异质衬底上外延的过渡层；所述n型GaN层为GaN层、A1N层、AlGaN层、InGaN层、InAlN层、InAlGaN层或 者上述合金组合的n型欧姆接触的接触层；所述低极化效应有源层由依次包覆在所述n型GaN层的InAlGaN多量子阱结构极 化调控层和InAlGaN多量子结构发光层组成；所述InAlGaN极化调控层为由第一势垒层InylAlzlGa,—yl-zlN和第一量子阱层 Ir^ALGa, —xl—mlN组成的多量子阱结构；其中，yl〈xl， 0. l<xl<0. 3 ， 0<yl<0.15， 0〈zl〈0.5， 0〈ml<0, 5;所述InAlGaN多量子阱结构发光层为由第二势垒层InyAl,Ga卜yiN和第二量子阱 层InxAlmGai-x— N组成的多量子阱结构形成的发光二极管有源层，其中y<x, 0. l〈x<0.3， 0<y<0. 15, 0<z〈0. 5, 0<m〈0. 5;所述的p型GaN层为GaN层、InAlN层、AlGaN层、InAlGaN层或上述合金组合的 制备p型欧姆接触的接触层。
3、 按权利要求1所述的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料的制法，其 特征在于，所述GaN缓冲层厚为I0nm 3 y rn。
4、 按权利要求1所述的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料的制法，其 特征在于，所述的n型GaN层厚度为20nm 5"m。
5、 按权利要求1所述的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料的制法，其 特征在于，所述第一势垒层Iny,AL,Ga,—,h,N厚度为5 30nrn;第一量子阱层Ir^Al^Ga, -wnN厚度为1 15nm;所述第一势垒层Iny,AlzlGai—『,N和第一量子阱层InxlAl mlGa,— "nN的掺杂浓度均为0 5X10'Vcm:i,其量子阱的周期数为1 20。
6、 按权利要求1所述的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料的制法，其 特征在于，所述第二势垒层InyAlzGai，N厚度为5 30nm，第二量子阱层InxAlBGai—XJ 厚度为1 12咖；所述第二势垒层InyAlzGai-y—zN和第二量子阱层InxAl Gai—x— N层的 掺杂浓度均为0 5X107cm3，其量子阱的周期数为1 20。
7、 按权利要求1所述的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料的制法，其 特征在于，所述InAlGaN多量子结构发光层的为光荧光峰位相比所述InAlGaN多量子 阱结构极化调控层的光荧光峰位冋长波长方向移动的范围在5nm 100nm之间。
8、 按权利要求1所述的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料的制法，其 特征在于，所述p型GaN层的厚度为20nm lum。
9、 一种权利要求1所述方法制备的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料 包括一衬底，其特征在于，还包括以及依次覆于衬底表面之上的n型InGaAlN层、低极化效应有源层和p型InGaAlN层； 所述衬底为蓝宝石或者SiC衬底；所述n型InGaAlN层由依次包覆在所述衬底之上的GaN缓冲层和n型GaN层组成；所述GaN缓冲层为GaN层、A1N层、AlGaN层、InGaN层、InAlN层、InAlGaN层或 者上述合金组合而成的在异质衬底上外延的过渡层；所述n型GaN层为GaN层、A1N层、AlGaN层、InGaN层、InAlN层、InAlGaN层或 者上述合金组合的n型欧姆接触的接触层；所述低极化效应有源层由依次包覆于所述n型GaN层之上的InAlGaN多量子阱结 构极化调控层、InAlGaN多量子结构发光层组成；所述InAlGaN极化调控层为由第一势垒层InylAlzlGai—yl—zlN和第一量子阱层 In美Ga卜xl—mlN组成的多量子阱结构层；其中yl〈xl， 0. KxKO. 3， 0〈yKO. 15, 0〈zl〈0. 5， 0〈ml〈0.5;所述InAlGaN多量子阱结构发光层为由第二势垒层InyAlzGai-yiN和第二量子阱 层Irai工a卜X- N组成的多量子阱结构发光二极管有源层，其中y<x, 0. Kx〈0. 3， 0〈y<0.15， 0〈z<0.5， 0<m<0. 5;所述InAlGaN多量子结构发光层的为光荧光峰位相比所述InAlGaN多量子阱结构 极化调控层的光荧光峰位向长波长方向移动的范围在5nm 100nm之间；所述的p型GaN层为GaN层、InAlN层、AlGaN层、InAlGaN层或上述合金组合的 制备P型欧姆接触的接触层。
10、 按权利要求9所述的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料的制法， 其特征在于，所述GaN缓冲层厚为10nm 3 u m。
11、 按权利要求9所述的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料的制法， 其特征在于，所述的n型GaN层厚度为20nm 5 u m。
12、 按权利要求9所述的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料的制法， 其特征在于，所述第一势垒层IrvALGa卜yl—,,N厚度为5 30nm;第一量子阱层InxlAl wGa卜xli,N厚度为1 15nm;所述第一势垒层InylAlzlGai^'N和第一量子阱层InxlAl m,Ga卜x,nN的掺杂浓度均为0 5 X 107cm3,其量子阱的周期数为1 20。
13、 按权利要求9所述的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料的制法， 其特征在于，所述第二势垒层IrWUzGa卜y—ZN厚度为5 30 ，第二量子阱层InxAl Gai -x—W厚度为1 12nm;所述第二势垒层InyAlzGa,-y-zN和第二量子阱层InxAlmGa,—x— N 层的掺杂浓度均为0 5X 107cm',其量子阱的周期数为1 20。
14、 按权利要求9所述的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料的制法， 其特征在于，所述InAlGaN多量子结构发光层的为光荧光峰位相比所述InAlGaN多量 子阱结构极化调控层的光荧光峰位向长波长方向移动的范围在5nm 100nm之间。
15、 按权利要求9所述的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料的制法， 其特征在于，所述p型GaN层的厚度为20nm lym。
全文摘要
一种低极化效应GaN发光二极管外延用材料及制法在蓝宝石或SiC衬底上用半导体器件沉积技术依次生长由GaN缓冲层和n型GaN层组成的n型InGaAlN层、由InAlGaN多量子阱结构极化调控层和InAlGaN多量子结构发光层组成的低极化效应有源层和p型InGaAlN层；该方法保留单色光发光二极管器件制做工艺，仅对氮化镓基发光材料的生长过程改进，增加InAlGaN多量子阱结构极化调控层，使量子阱有源区的能带弯曲产生反方向弯曲，降低量子阱有源区极化效应，不增加器件复杂性，又增加GaN基发光二极管内量子效率，克服常规GaN基发光二极管的强极化效应导致低内量子效率缺点，发光二极管整体性能得以提高。
文档编号H01L33/00GK101127376SQ200610089289
公开日2008年2月20日 申请日期2006年8月15日 优先权日2006年8月15日
发明者周均铭, 王文新, 贾海强, 郭丽伟, 弘 陈 申请人:中国科学院物理研究所