具有发光层多量子阱过渡层的led外延结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及发光二极管技术领域，特别是具有发光层多量子阱过渡层的LED外延结构。
【背景技术】
[0002]半导体二极管具有体积小、高效、节能、使用寿命长等特点而广泛应用于显示屏、背光源、传感器、通讯及照明等领域。GaN基材料的外延生长是发展GaN基高亮度LED和全固态半导体白光照明光源的核心技术，但发光区其发光层量子阱(MQW)的品质难以成长的原因是MQW的位错密度比较大，皇和阱之间存在晶格失配产生的应力和极化电场，导致辐射复合效率比较低。因此，如何减少量子阱发光层中晶格缺陷，以提高量子阱发光层的晶体质量；以及如何降低量子阱发光层和GaN皇层和η型GaN层之间由于晶格失配产生的极化效应和电子空穴波函数空间分离现象，以提高电子和空穴的复合效率，进而提高LED的发光效率，成为LED领域中亟需攻克的目标之一。
[0003]影响有源区发光效率的因素主要有以下几个方面:
[0004]1.1nGaN/GaN多量子阱层结构的一个特征是:GaN基材料是离子晶体，由于正负电荷不重合，使得材料沿着c轴方向存在着很强的自发极化效应，形成自发极化场；由于InGaN和GaN材料之间的失配所引起的应力，也会引起压电极化效应，形成压电极化场。极化场的存在会使量子阱能带发生倾斜或弯曲，使得阱区的电子和空穴限制在量子阱的两端，一方面会使得量子阱的有效带隙宽度减小使激发峰红移，另一方面导致电子和空穴的波函数在空间分布上分离，降低其辐射复合的几率，引起很强的量子限制斯塔克效应(Quantum Confined Stark Effect)。随着应变的增强，极化效应引起的极化电场同时增强，因此，在
[0001]晶向的InxGa1 xN/GaN量子阱中随着In组分X的增加，InxGa1 XN与GaN之间的晶格失配增加，极化效应增强，这也是InxGa1 xN/GaN量子阱LED中随In组分增加时LED的发光效率显著减小的原因之一。
[0005]2.N区注入的电子有很大的载流子迀移率和浓度，在大电流的驱动下会越过量子阱区和P区的空穴复合，引起非辐射复合，使得发光效率的下降，而空穴的有效质量较大，其迀移率和载流子浓度都很低，这样就造成了在远离P区的空穴分布很少，整个阱区空穴的分布很不均匀，造成辐射复合几率的下降。
[0006]3.GaN基LED主要利用InGaN/GaN量子阱外延层发光，InGaN量子阱和GaN量子皇因晶格失配会产生应力。因量子阱InGaN和量子皇GaN交替生长，这样随着阱皇周期的不断增多，材料中的应力也不断的积聚。随着应力的累积，在GaN外延层存在的部分线性位错便会在量子阱的生长过程中被发展放大，形成V型缺陷；对￥型缺陷的深度和密度必须进行有效控制，如果V型缺陷深度过深或密度过大，会导致空穴载流子通过V型缺陷侧壁进入发光量子阱进行辐射发光的效率降低，而通过V型缺陷顶端及连接的线性位错形成的漏电通道，直接与电子形成非辐射复合，降低器件内量子效率。
【发明内容】
[0007]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发光层多量子阱过渡层的LED外延结构。它是在发光层多量子阱中引入In组分降低的过渡层，发光层多量子阱结构中阱层In组份的依次减小可以缓解由高In组份InGaN突然转到GaN的生长过程中产生的应力，减小极化效应，提高量子阱的晶体质量，增加复合几率。
[0008]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:
[0009]具有发光层多量子阱过渡层的LED外延结构，它从下至上依次包括图形化衬底、GaN缓冲层、U型GaN层、N型GaN层、有源区、电子阻挡层和P型GaN层。其结构特点是，所述有源区包括多量子阱层和生长在多量子阱层上的发光层多量子阱层。所述多量子阱层包括InxGa1 XN阱层和生长在InxGa1 XN阱层上的GaN皇层。所述发光层多量子阱层包括发光层阱层和生长在发光层阱层上的发光层皇层。所述发光层阱层和发光层皇层交替生长，生长周期为5-20个周期。所述发光层阱层包括从下至上依次生长的In组分不同的InxGa1 XN层且0〈x〈l、InyGa1 yN过渡层且(K y<x和GaN过渡层。
[0010]在上述LED外延结构中，所述多量子阱层由2至10个周期的InxGa1 XN阱层和GaN皇层组成，其中In的组份是不变的，X值介于0.15至0.45之间。InxGa1 XN讲层的厚度在l-5nm之间，生长温度在730-830°C之间，生长压力在10Torr至500Torr之间。GaN皇层厚度不变，其厚度在5-7.5 nm之间，生长温度在820至1000°C之间，生长压力在10Torr至500Torr 之间。
[0011]在上述LED外延结构中，所述多量子阱层的生长温度高于发光层多量子阱层，厚度小于发光层多量子阱层。
[0012]在上述LED外延结构中，在发光层阱层的2/5~4/5处生长一层In的组分由x递减到O的InyGa1 yN过渡层，在发光层阱层的4/5~1处生长一层GaN过渡层。
[0013]在上述LED外延结构中，所述InxGa1 XN层的生长温度为710-810°C，In组分为0.15<x<0.45，厚度为 2-5nm，生长压力 100-500Torr ;InyGa1 0层的生长温度为 710_810°C，生长厚度为2-5nm，In组分由x递减到0，生长压力为100_500Torr ;GaN过渡层的生长温度为710-8100C，生长厚度为1-2.5nm,生长压力100-500Torro
[0014]在上述LED外延结构中，所述发光层皇层为GaN皇层，在周期生长中，所述发光层皇层的厚度不变且大于多量子阱层中GaN皇层的厚度，所述发光层皇层的厚度在10-15nm之间，生长温度在820-1000°C之间，生长压力在100-500Torr之间。
[0015]本实用新型由于采用了上述结构，在发光层多量子阱层的发光层阱层中引入过渡层，过渡层中In的组份依次减小可以缓解由高In组份InGaN突然转到GaN的生长过程中产生的应力，减小极化效应，提高量子阱的晶体质量，增加复合几率。并且，有源区分为多量子阱和发光层多量子阱两个部分，前几个周期的多量子阱用高温生长，后几个周期的发光层多量子阱用低温生长，高温生长的窄量子阱结构可以减缓电子的穿越速率，低温生长的宽量子阱结构可以提高空穴的穿越速率，使得电子和空穴的分布比较均匀，减少了非辐射复合，在一定程度上提高了波函数的复合几率，防止在大电流注入下效率下降。解决了现有技术制作的GaN基发光二极管中存在的巨大内建电场以及载流子分布不均匀所导致的量子阱发光效率减小的问题。
[0016]另外，发光层多量子阱层中由于富In的生长条件或者In组分的不均匀所形成的富In量子点，对载流子也有很好的限制作用，使得载流子很难被非辐射复合中心俘获，从而提高辐射复合的效率。
[0017]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。
【附图说明】
[0018]图1为本实用新型的结构示意图；
[0019]图2为本实用新型中多量子阱层的结构示意图；
[0020]图3为本实用新型中发光层多量子阱层的结构示意图；
[0021]图4为本实用新型中发光层多量子阱层中发光层阱层的结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]参看图1至图4，本实用新型具有发光层多量子阱过渡层的LED外延结构从下至上依次包括图形化衬底1、GaN缓冲层2、U型GaN层3、N型GaN层4、有源区、电子阻挡层7和P型GaN层8。有源区包括多量子阱层5和生长在多量子阱层5上的发光层多量子阱层6。发光层多量子阱层6包括发光层阱层61和生长在所述发光层阱层61上的发光层皇层62。发光层阱层61和发光层皇层62交替生长，生长周期为5-20个周期。发光层阱层61包括从下至上依次生长的In组分不同的InxGa1 #层611且(KxfUInyGa1 yN过渡层612且0〈 y〈x和GaN过渡层613。多量子阱层5的生长温度高于发光层多量子阱层6，厚度小于发光层多量子阱层6。发光层阱层61的2/5~4/5处生长一层In的组分由x递减到O的InyGa1 yN过渡层612，在发光层阱层61的4/5~1处生长一层GaN过渡层613。InxGa1 #层611的生长温度为710-810°C，In组分为(λ 15<x<0.45，厚度为2_5nm，生长压力100-500Torr。InyGa1 0层612的生长温度为710_810°C，生长厚度为2_5nm，In组分由x递减到0，生长压力为100-500Torr。GaN过渡层613的生长温度为710_810°C，生长厚度为1_2.5nm,生长压力100-500Torr。多量子阱层5由2至10个周期的InxGa1 XN阱层51和GaN皇层52组成，其中In的组份是不变的，X值介于0.15至0.45之间。GaN皇层52生长于InxGa1 XN讲层51上，InxGa1 XN阱层51的厚度在l_5nm之间，生长温度在730-830°C之间，生长压力在10Torr至500Torr之间。GaN皇层52厚度不变，其厚度在5-7.5 nm之间，生长温度在820至1000°C之间，生长压力在10Torr至500Torr之间。发光层皇层62为GaN皇层，在周期生长中，所述发光层皇层62的厚度不变且大于多量子阱层5中GaN皇层52的厚度。发光层皇层62的厚度在10-15nm之间，生长温度在820-1000°C之间，生长压力在100_500Torr之间。
[0023]本实用新型以高纯氢气(H2)或氮气(N2)或高纯氢气和高纯氮气的混合气体作为载气，以三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMA1)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)、二茂镁(Cp2Mg)分别作为n、p型掺杂剂。
[0024]实施例一
[0025]本实用新型的生长方法为: