具有非对称垒层的蓝光led外延结构的制作方法
【专利摘要】具有非对称垒层的蓝光LED外延结构，涉及发光二极管外延【技术领域】。本实用新型结构从下至上依次包括蓝宝石衬底、AlN缓冲层、U型GaN层、N型GaN层、有源区、电子阻挡层和P型GaN层，有源区包括阱层和垒层，所述有源区的生长周期数为3m个周期，有源区包括三个部分，每个部分生长m个周期，垒层由AlxGa1-xN层、AlyIn1-yN层和InzGa1-zN层组成，其中，1≤m≤5。同现有技术相比，本实用新型能减缓溢流现象和降低能带的弯曲，提高内量子效率，从而有效提高出光效率。
【专利说明】具有非对称垒层的蓝光LED外延结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及发光二极管外延【技术领域】，特别是一种具有非对称垒层的蓝光LED外延结构。
【背景技术】
[0002]目前，随着全球对新能源的重视程度不断提高，LED行业也随之快速的发展。很多专家学者，研发出很多有助于提高亮度的新材料和新结构。其中，蓝光LED中有源区是十分
重要的一层。
[0003]现有技术中，蓝光LED外延结构包括蓝宝石衬底1、AlN缓冲层2、U型GaN层3、N型GaN层4、有源区5、电子阻挡层6和P型GaN层7，如图1所示。有源区5包括阱层8和垒层9，如图2所示。但是上述结构的有源区5存在以下缺点:首先，由于阱层与垒层之间存在较大的晶格失配，会产生较强的内建电场，促使能带弯曲；其次，由于电子的有效质量比较轻，会出现溢流的现象；然后是最后一个垒层与P型电子阻挡层之间有较大的能级差，限制部分电洞有效复合几率。
【发明内容】
[0004]针对上述现有技术中存在的不足，本实用新型的目的是提供一种具有非对称垒层的蓝光LED外延结构。它能减缓溢流现象和降低能带的弯曲，提高内量子效率，从而有效提高出光效率。
[0005]为了达到上述发明目的，本实用新型的技术方案以如下方式实现:
[0006]具有非对称垒层的蓝光LED外延结构，它从下至上依次包括蓝宝石衬底、AlN缓冲层、U型GaN层、N型GaN层、有源区、电子阻挡层和P型GaN层，有源区包括阱层和垒层，所述有源区的生长周期数为3m个周期，有源区包括三个部分，每个部分生长m个周期，垒层由AIxGa1-χΝ 层、Alylnl-yN 层和 InzGal-zN 层组成，其中，I ^ m ^ 50
[0007]在上述蓝光LED外延结构中，有源区第一部分是阱层和AlxGal-xN层交替生长；有源区第二部分是阱层和Alylnl-yN层交替生长；有源区第三部分是阱层和InzGal-zN层交替生长。
[0008]在上述蓝光LED外延结构中，所述AlxGal-xN层的生长温度为650_1200°C，Al组分为0〈χ〈1，生长厚度为l-500nm，生长压力为50-800 mbar, AlxGal-xN生长厚度随着周期数量的增加逐渐增加或者逐渐变薄，Al组分随着周期的增加逐渐增加或逐渐减小。Alylnl-yN层的生长温度为650-1000°C，Al组分为0〈y〈l，生长厚度为l-lOOnm，生长压力为50-800 mbar ;所述InzGal-zN层的生长温度为650-1000°C，In组分为0〈Z〈1，生长厚度为l-500nm，生长压力为50-800 mbar, InzGal-zN生长厚度随着周期数量的增加逐渐增加或者逐渐变薄，In组分随着周期的增加逐渐增加或逐渐减小。
[0009]在上述蓝光LED外延结构中，所述AlxGal-xN层生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为IxlO17 cm3~5x102° cm3 ;所述Alylnl-yN层生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为IxlO17cm3~5x102Q cm3 ;所述InzGal-zN层生长N型，掺杂兀素为Si，掺杂浓度为IxlO17 cm3~5xl02Qcm3.[0010]在上述蓝光LED外延结构中，所述AlxGal-xN层生长P型，掺杂元素为Mg或者Zn，掺杂浓度为IxlO17~IxlO23 cm3 ;所述Alylnl-yN层生长P型，掺杂元素为Mg或者Zn，掺杂浓度为IxlO17~IxlO23 cm3 ;所述InzGal-zN层生长P型,掺杂元素为Mg或者Zn,掺杂浓度为IxlO17 ~IxlO23 cm3。
[0011]在上述蓝光LED外延结构中，所述生长AlxGal-xN层的能带大于生长Alylnl-yN层的能带，生长Alylnl-yN层的能带大于生长InzGal-zN层的能带。
[0012]在上述蓝光LED外延结构中，所述有源区在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长。
[0013]本实用新型由于采用了上述结构，将有源区的垒层分成三个部分且与阱层交替生长，第一部分AlGaN主要是释放应力，第二部分AlInN作用是降低与InGaN阱层之间的失配，第三部分InGaN作用是调节与EBL之间的能带差，更有利于电洞的跃迁。同现有技术相t匕，本实用新型通过提高垒势的高度，抑制了电子溢流现象的产生；通过降低晶格失配，提高有源区的晶体质量；通过降低最后一个垒层与EBL之间的能带差，促使电洞更容易跃迁到有源区，从而从整体上提高了内量子效率、有源区的晶体质量以及出光效率。
[0014]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型做进一步说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是现有技术中LED外延结构示意图；
[0016]图2是现有技术中LED有源区结构示意图；
[0017]图3是本实用新型LED外延结构示意图；
[0018]图4是本实用新型鱼层能带示意图。
【具体实施方式】
[0019]参看图3，本实用新型从下至上依次包括蓝宝石衬底1、AlN缓冲层2、U型GaN层
3、N型GaN层4、有源区5、电子阻挡层6和P型GaN层7。有源区5包括阱层8和垒层9。有源区5在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长3m个周期，有源区5包括三个部分，每个部分生长m个周期,鱼层由AlxGal-xN层10、Alylnl-yN层11和InzGal-zN层12组成,其中，I≤m≤5。有源区5第一部分是阱层8和AlxGal-xN层10交替生长；有源区5第二部分是阱层8和Alylnl-yN层11交替生长；有源区5第三部分是阱层8和InzGal-zN层12交替生长。
[0020]上述AlxGal-xN层10的生长温度为650-1200°C，Al组分为0〈χ〈1，生长厚度为l-500nm，生长压力为50-800 mbar, AlxGal-xN层10生长厚度随着周期数量的增加逐渐增加或者逐渐变薄，Al组分随着周期的增加逐渐增加或逐渐减小。Alylnl-yN层11的生长温度为650-1000°C，Al组分为0〈y〈l，生长厚度为1-lOOnm，生长压力为50-800 mbar ;所述InzGal-zN层12的生长温度为650-1000°C，In组分为0〈Z〈1，生长厚度为l_500nm，生长压力为50-800 mbar, InzGal-zN12生长厚度随着周期数量的增加逐渐增加或者逐渐变薄，In组分随着周期的增加逐渐增加或逐渐减小。
[0021]AlxGal-xN层10生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1x1017 cm3~5x1020 cm3。Alylnl-yN层11生长N型，掺杂元素为Si,掺杂浓度为1x1017 cm3?5x1020 cm3。InzGal-zN层12生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1x1017 cm3?5x1020 cm3。AlxGal-xN层10生长P型，掺杂元素为Mg或者Zn，掺杂浓度为1x1017?1x1023 cm3。Alylnl-yN层11生长P型，掺杂元素为Mg或者Zn，掺杂浓度为1x1017?1x1023 cm3。InzGal-zN层12生长P型，掺杂元素为Mg或者Zn，掺杂浓度为1x1017?1x1023 cm3。生长AlxGal-xN层10的能带大于生长Alylnl-yN层11的能带,生长Alylnl-yN层11的能带大于生长InzGal-zN层12的能带。
[0022]参看图4,讲层 8 与鱼层 9 交替生长,AlxGal-xN层 10、AlyInl_yN层 ll、InzGal_zN层12的能带成台阶形逐渐降低或逐渐升高，AlxGal-xN层10的生长厚度随着周期数量的增加逐渐增加或者逐渐变薄，Al组分随着周期的增加逐渐增加或逐渐减小；InzGal-zN层12生长厚度随着周期数量的增加逐渐增加或者逐渐变薄，In组分随着周期的增加逐渐增加或逐渐减小。
[0023]外延结构的制备方法是在MOCVD反应炉里进行高温烘烤，去除蓝宝石衬底I表面的残余杂质，在缓慢降温在500-900°C之间，生长一层AlN缓冲层2，然后迅速升温，在900-1200°C生长U型GaN层3，生长大约10_80min，厚度为1-lOum。之后生长N型GaN层4，生长温度在900-1200°C，生长厚度在l-10um。生长有源区5，在800-1000°C下生长P-AlGaN6，厚度为50-1000埃。再生长P-GaN 7，生长温度在800-1200°C下生长，厚度为1000-5000埃，Mg 的浓度为 5xl017 ?IxlO23 cm3。
[0024]本实用新型有源区的具体生长方式包括以下步骤:
[0025]实施例一:
[0026]有源区5在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长3个周期，有源区5包括三个部分，每个部分生长I个周期，垒层由AlxGal-xN层10、Alylnl-yN层11和InzGal-zN层12组成，有源区5第一部分是阱层8和AlxGal-xN层10交替生长；有源区5第二部分是阱层8和Alylnl-yN层11交替生长；有源区5第三部分是阱层8和InzGal-zN层12交替生长。第一部分AlxGal-xN层10的生长温度为650°C，Al组分为0〈χ〈1，生长厚度为lnm，生长压力为50mbar, AlxGal-xN层10生长N型,掺杂兀素为Si,掺杂浓度为IxlO17 cm3 ;第二部分Alylnl-yN层11的生长温度为650°C，Al组分为0〈y〈l，生长厚度为lnm，生长压力为50mbar, Alylnl-yN层11生长N型,掺杂元素为Si,掺杂浓度为IxlO17 cm3 ;第三部分InzGal-zN层12的生长温度为650°C，In组分为0〈Z〈1，生长厚度为lnm，生长压力为5Ombar, InzGal-zN层12生长N型,掺杂兀素为Si,掺杂浓度为IxlO17 cm3。
[0027]实施例二:
[0028]有源区5在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长6个周期，有源区5包括三个部分，每个部分生长2个周期，垒层由AlxGal-xN层10、Alylnl-yN层11和InzGal-zN层12组成，有源区5第一部分是阱层8和AlxGal-xN层10交替生长；有源区5第二部分是阱层8和Alylnl-yN层11交替生长；有源区5第三部分是阱层8和InzGal-zN层12交替生长。第一部分AlxGal-xN层10的生长温度为850°C，Al组分为0〈χ〈1，生长厚度为17nm，生长压力为400mbar, AlxGal-xN层10生长N型,掺杂兀素为Si,掺杂浓度为5xl018 cm3 ;第二部分Alylnl-yN层11的生长温度为800°C，Al组分为0〈y〈l，生长厚度为17nm，生长压力为400mbar, Alylnl-yN层11生长N型,掺杂元素为Si,掺杂浓度为5xl018 cm3 ;第三部分InzGal-zN层12的生长温度为800°C，In组分为0〈Z〈1，生长厚度为17nm，生长压力为400mbar, InzGal-zN层12生长N型，掺杂兀素为Si,掺杂浓度为5xl018 cm3。
[0029]实施例三:
[0030]有源区5在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长15个周期，有源区5包括三个部分，每个部分生长5个周期,鱼层由AlxGal-xN层10、Alylnl-yN层11和InzGal-zN层12组成，有源区5第一部分是阱层8和AlxGal-xN层10交替生长；有源区5第二部分是阱层8和Alylnl-yN层11交替生长；有源区5第三部分是阱层8和InzGal-zN层12交替生长。第一部分AlxGal-xN层10的生长温度为1200°C，Al组分为0〈χ〈1，生长厚度为500nm，生长压力为800mbar, AlxGal-xN层10生长N型,掺杂兀素为Si,掺杂浓度为5xl02° cm3 ;第二部分Alylnl-yN层11的生长温度为1000°C，Al组分为0〈y〈l，生长厚度为lOOnm，生长压力为800mbar, Alylnl-yN层11生长N型,掺杂元素为Si,掺杂浓度为5xl020 cm3 ;第三部分InzGal-zN层12的生长温度为1000°C，In组分为0〈Z〈1，生长厚度为500nm，生长压力为800mbar, InzGal-zN层12生长N型，掺杂兀素为Si,掺杂浓度为5xl02° cm3。
[0031]实施例四:
[0032]有源区5在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长3个周期，有源区5包括三个部分，每个部分生长I个周期，垒层由AlxGal-xN层10、Alylnl-yN层11和InzGal-zN层12组成，有源区5第一部分是阱层8和AlxGal-xN层10交替生长；有源区5第二部分是阱层8和Alylnl-yN层11交替生长；有源区5第三部分是阱层8和InzGal-zN层12交替生长。第一部分AlxGal-xN层10的生长温度为650°C，Al组分为0〈χ〈1，生长厚度为lnm，生长压力为50mbar，AlxGal-xN层10生长P型，掺杂元素为Mg或者Zn，掺杂浓度为IxlO17 cm3 ;第二部分Alylnl-yN层11的生长温度为650°C，Al组分为0〈y〈l，生长厚度为lnm，生长压力为50mbar，Alylnl-yN层11生长P型，掺杂元素为Mg或者Zn，掺杂浓度为IxlO17 cm3 ;第三部分InzGal-zN层12的生长温度为650°C，In组分为0〈Z〈1，生长厚度为lnm，生长压力为50mbar，InzGal-zN层12生长P型，掺杂元素为Mg或者Zn，掺杂浓度为IxlO17 cm3。
[0033]实施例五:
[0034]有源区5在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长6个周期，有源区5包括三个部分，每个部分生长2个周期，垒层由AlxGal-xN层10、Alylnl-yN层11和InzGal-zN层12组成，有源区5第一部分是阱层8和AlxGal-xN层10交替生长；有源区5第二部分是阱层8和Alylnl-yN层11交替生长；有源区5第三部分是阱层8和InzGal-zN层12交替生长。第一部分AlxGal-xN层10的生长温度为850°C，A1组分为0〈χ〈1，生长厚度为17nm，生长压力为400mbar，AlxGal-xN层10生长P型，掺杂元素为Mg或者Zn，掺杂浓度为IxlO18 cm3 ；第二部分Alylnl-yN层11的生长温度为800°C，Al组分为0〈y〈l，生长厚度为17nm，生长压力为400mbar，Alylnl-yN层11生长P型，掺杂元素为Mg或者Zn，掺杂浓度为IxlO18 cm3 ；第三部分InzGal-zN层12的生长温度为800°C，In组分为0〈Z〈1，生长厚度为17nm，生长压力为400mbar，InzGal-zN层12生长P型，掺杂元素为Mg或者Zn，掺杂浓度为IxlO18 cm3。
[0035]实施例六:
[0036]有源区5在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长15个周期，有源区5包括三个部分，每个部分生长5个周期,鱼层由AlxGal-xN层10、Alylnl-yN层11和InzGal-zN层12组成，有源区5第一部分是阱层8和AlxGal-xN层10交替生长；有源区5第二部分是阱层8和Alylnl-yN层11交替生长；有源区5第三部分是阱层8和InzGal-zN层12交替生长。第一部分AlxGal-xN层10的生长温度为1200°C，A1组分为0〈χ〈1，生长厚度为500nm，生长压力为800mbar，AlxGal-xN层10生长P型，掺杂元素为Mg或者Zn，掺杂浓度为IxlO23 cm3 ；第二部分Alylnl-yN层11的生长温度为1000°C，Al组分为0〈y〈l，生长厚度为lOOnm，生长压力为800mbar，Alylnl-yN层11生长P型，掺杂元素为Mg或者Zn，掺杂浓度为IxlO23cm3 ;第三部分InzGal-zN层12的生长温度为1000°C，In组分为0〈Z〈1，生长厚度为500nm，生长压力为800mbar，InzGal-zN层12生长P型，掺杂元素为Mg或者Zn，掺杂浓度为IxlO23
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【权利要求】
1.具有非对称垒层的蓝光LED外延结构，它从下至上依次包括蓝宝石衬底(I)、AlN缓冲层(2)、U型GaN层(3)、N型GaN层(4)、有源区(5)、电子阻挡层(6)和P型GaN层(7)，有源区(5)包括阱层(8)和垒层(9)，其特征在于:所述有源区(5)的生长周期数为3m个周期，有源区(5)包括三个部分，每个部分生长m个周期，垒层由AlxGal-xN层(10)、AlyInl_yN层(11)和InzGal-zN层(12)组成，其中，1≤m≤5。
2.根据权利要求1所述的具有非对称垒层的蓝光LED外延结构，其特征在于:有源区(5)第一部分是阱层(8)和AlxGal-xN层(10)交替生长；有源区(5)第二部分是阱层(8)和Alylnl-yN层(11)交替生长；有源区(5)第三部分是阱层(8)和InzGal-zN层(12)交替生长。
3.根据权利要求1或2所述的具有非对称垒层的蓝光LED外延结构，其特征在于:所述AlxGal-xN层(10)的生长温度为650-1200°C，Al组分为0〈χ〈1，生长厚度为l_500nm，生长压力为50-800 mbar, AlxGal-xN层(10)生长厚度随着周期数量的增加逐渐增加或者逐渐变薄，Al组分随着周期的增加逐渐增加或逐渐减小；所述Alylnl-yN层(11)的生长温度为650-1000°C，Al组分为0〈y〈l，生长厚度为1-lOOnm，生长压力为50-800 mbar ;所述InzGal-zN层(12)的生长温度为650-1000°C，In组分为0〈Z〈1，生长厚度为l_500nm，生长压力为50-800 mbar, InzGal-zN层(12)生长厚度随着周期数量的增加逐渐增加或者逐渐变薄，In组分随着周期的增加逐渐增加或逐渐减小。
4.根据权利要求3所述的具有非对称垒层的蓝光LED外延结构，其特征在于:所述生长AlxGal-xN层(10)的能带大于生长Alylnl-yN层(11)的能带，生长Alylnl-yN层(11)的能带大于生长InzGal-zN层(12)的能带。
【文档编号】H01L33/06GK203445142SQ201320369872
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年6月26日 优先权日:2013年6月26日
【发明者】田宇, 郑建钦, 曾颀尧, 赖志豪, 郭廷瑞, 黄绣云, 黄信智, 张志刚, 吴东海, 童敬文, 林政志, 李鹏飞 申请人:南通同方半导体有限公司, 同方股份有限公司