一种具有含铟导电层的发光二极管结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及发光二极管技术领域，具体涉及一种具有含铟导电层的发光二极管结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]发光二极管(简称“LED”)是一种半导体固体发光器件，它利用半导体材料内部的导带电子和价带空穴发生辐射复合，是以光子形式释放能量而直接发光的。通过设计不同的半导体材料禁带宽度，发光二极管可以发射从红外到紫外不同波段的光。
[0003]氮化物发光二极管以其具有高效、节能、长寿命以及体积小等优点在世界范围内得到广泛发展。发光波长在210~365nm的紫外发光二极管，因其调制频率高、体积小、无汞环保以及高杀菌潜力等优点，在杀菌消毒、生物医药、照明、存储和通信等领域有广泛的应用前景；发光波长在440~470nm的蓝光发光二极管因其能耗低、寿命长以及环保等优点，在照明、亮化以及显示领域有巨大的应用前景；发光波长在500~550nm的绿光发光二极管，在亮化和显示以及RGB三基色照明领域也有非常好的应用前景。
[0004]目前GaN基绿光LED的内量子效率很低，不到蓝光LED效率的一半，这大大限制了RGB白光LED在通用照明和可见光通信领域的应用。导致绿光LED量子效率低的主要原因有InGaN量子阱晶体质量差、极化效应造成的电子_空穴波函数分离严重等。世界各国科学家为了提高绿光LED的量子效率投入了大量精力。
[0005]中国专利CN201410307318公开了一种采用可调控能带量子阱结构及外延片生长方法，其主要技术方案是采用一个或者多个组分渐变的量子阱势阱层，实现对量子阱区域的能带调控，提高量子阱有源区电子-空穴波函数重叠，提高量子阱区域的辐射复合效率，进而提高LED的功率和发光效率。本方法的缺点是量子阱层与皇层的晶格失配度仍然很大，量子阱层的晶体质量较差。缺陷造成的自发辐射复合中心仍会明显降低LED的发光效率。
[0006]中国专利CN201210093564.5公开了一种利用金属核壳结构的等离子体增强绿光发光二极管内量子效率的方法。其技术方案是首先在衬底上生长LED结构，然后生长纳米金属耦合层，之后生长PGaN盖层和pGaN接触层，通过金属离子的等离子体提高发光二极管的内量子效率。本方法的缺点是需要二次外延，大大提高了成本，另外金属粒子与量子阱太近，容易造成漏电。
【发明内容】
[0007]本发明针对现有GaN基发光二极管外延片InGaN阱与GaN晶格失配度大，InGaN量子阱晶体质量差，电子-空穴波函数分离严重导致的内量子效率低的问题，提出一种采用N型InGaN作为N型导电层，非故意掺杂的InGaN作为多量子阱势皇层，P型InGaN作为P型导电层的具有含铟导电层的发光二极管结构及其制备方法。
[0008]本发明的技术方案如下。
[0009]一种具有含铟导电层的发光二极管结构，包括衬底、GaN缓冲层、N型导电层、多量子阱有源区和P型导电层，所述N型导电层、多量子阱有源区及P型导电层为含In的InGaN材料，多量子阱有源区包括周期交替排列的InGaN多量子阱势阱层和InGaN多量子阱势皇层，所述N型导电层为N型InGaN导电层。
[0010]进一步优化地，所述GaN缓冲层为GaN成核层，厚度为10-100 nm。
[0011]进一步优化地，所述GaN缓冲层是GaN成核层和非故意掺杂GaN层，其中GaN成核层厚度为10-100 nm，非故意掺杂GaN层厚度为100-4000 nm。
[0012]进一步优化地，所述N型InGaN导电层的硅掺杂浓度2 X 1018cnT3-2 X 1019cnT3。
[0013]进一步优化地，所述N型InGaN导电层，厚度为1000_4000nm #型InGaN导电层中的In组分大于0，且小于InGaN多量子阱势阱层的In组分。
[0014]进一步优化地，所述N型GaN导电层为N型GaN层、In组分渐变InGaN层和N型InGaN导电层；所述N型GaN层厚度100-2000 nm,所述In组分渐变InGaN层厚度50-1000nm，所述N型InGaN导电层厚度100-2000 nm ；N型InGaN导电层中的In组分大于0，且小于InGaN多量子阱势阱层的In组分；所述N型InGaN导电层的In组分与InGaN多量子阱势皇层的In组分相同。
[0015]进一步优化地，InGaN多量子阱势皇层的In组分大于0，且小于InGaN多量子阱势阱层的In组分。
[0016]进一步优化地，P型导电层为P型InGaN导电层，厚度为20-1000 nm ;P型InGaN导电层的In组分大于0，且小于InGaN多量子阱势阱层的In组分；所述P型InGaN导电层的In组分与InGaN多量子阱势皇层的In组分相同。
[0017]进一步优化地，P型InGaN导电层中镁的掺杂浓度2X 1018cnT3-2X 102°cnT3 所述InGaN多量子阱势阱层即InGaN势阱层的In组分由LED预期的发光波长决定。
[0018]所述InGaN多量子阱势皇层In的组分大于1% (原子数量百分比)，且小于InGaN多量子阱势皇层即InGaN势阱层的In组分。
[0019]所述N型渐变In组分InGaN过渡层的In组分沿着生长方向由O提高到与InGaN多量子阱势皇层的铟组分相同。
[0020]本发明还提供制备上述具有含铟导电层的发光二极管结构的方法，其包括以下步骤:
(1).将衬底放入金属有机化学气相化学沉积设备中，在高温、氢气气氛中对衬底片进行清洗，去除衬底表面的污染物；
(2).将温度降低到550摄氏度，反应室通入氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(I)所述的衬底片上生长30 nm的GaN成核层；
(3).将反应室温度提高到1100度，通入氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(2)所述的成核层上生长2um的非故意掺杂GaN层；
(4).反应室通入硅烷、氨气、氢气和三甲基镓，在步骤(3)所述的非故意掺杂GaN层上生长N型GaN导电层，厚度2 um，硅掺杂浓度8 X 11W3;
(5).反应室温度降低到900摄氏度后，通入硅烷、三甲基镓、三甲基铟，同时温度缓慢降低至800摄氏度，在步骤(4)所述N型GaN导电层上生长In组分渐变提高的N型掺杂InGaN 层； (6).反应室温度保持800摄氏度，通入硅烷、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在(5)所述的样品上，生长N型掺杂的InGaN导电层，厚度lum，掺杂浓度8X 1018cm_3;
(7).反应室温度保持800摄氏度，在步骤(6)所述的N型掺杂InGaN导电层上生长InGaN多量子阱势皇层，势皇层中的铟组分比势阱层低10% ;
(8).反应室温度降低到700摄氏度度，在步骤(7)所述的InGaN势皇层上生长InGaN多量子阱势阱层。
[0021](9).循环重复如下步骤(a)、步骤(b) 10次，得到InGaN/InGaN多量子阱有源区:
(a).将反应室温度升至800摄氏度，继续生长InGaN多量子阱势皇层，多量子阱势皇层中的铟组分比势阱层低10%;
(b).反应室温度降低到700摄氏度度，在步骤(a)所述的InGaN多量子阱势皇层上生长多量子阱InGaN势阱层；
(10).反应室通入二茂镁、氨气、氮气三甲基镓和三甲基铟，温度提高到800摄氏度，在步骤(9)所述的有源区上生长P型InGaN导电层，铟组分与势皇层的铟组分相同，厚度200nm，惨杂浓度 5 X 119Cm 3。
[0022]与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果:
本发明针对现有GaN基发光二极管外延片InGaN量子阱与GaN量子皇的晶格失配度大，InGaN量子阱晶体质量差，电子-空穴波函数分离严重导致的内量子效率低等问题，提出一种采用N型InGaN作为N型导电层，非故意掺杂的InGaN作为多量子阱势皇层，P型InGaN作为P型导电层的发光二极管外延结构。首先采用InGaN代替传统的GaN作为N型和P型导电层，可以大大减小金属-GaN接触势皇高度，降低GaN基LED的工作电压，提高其流明效率。其次采用InGaN作为N型导电层和量子阱势皇层，可以使势皇层的晶格常数更接近势阱层的晶格常数，晶格失配度减小，一方面可以改善量子阱的晶体质量，减少有源区的非辐射复合中心，提高辐射复合效率；另一方面可以减小量子阱两侧的极化电荷密度，降低量子阱的极化电场强度，提高电子-空穴波函数重叠几率，提高自发辐射复合速率。再次，本发明采用低温生长的P型InGaN作为P型导电层，能够减小P型层生长过程对量子阱热损伤，提高量子阱的晶体质量，进而改善其发光效率。
【附图说明】
[0023]图1为本发明一种实例的GaN外延结构示意图。
[0024]图2为本发明的另一种实例的GaN外延结构示意图。
[0025]图3为本发明和传统GaN LED的能带结构示意图。
[0026]图4是本发明LED和传统LED在不同注入电流密度下的光功率曲线，在图4中，纵坐标为光功率，单位是mW，横坐标是注入电流密度，单位是A/cm2。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术