专利名称：一种高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED,特别涉及一种高In组分多种 成分的InGaN/GaN量子阱结构的LED。
背景技术：
GaN基III-V族氮化物是重要的直接带隙的宽禁带半导体材料。GaN基材料具有优异的机 械和化学性能，优异的光电性质，室温下其带隙范围从0.7eV(InN)到6.2eV(AlN)，发光波长 涵盖了远红外，红外，可见光，紫外光，深紫外，GaN基材料在蓝光，绿光，紫光及白光二极 管等光电子器件领域有广泛的应用背景。
近几年GaN基蓝光LED的量子效率获得重大提高，但是GaN基绿光LED的量子效率相对 于GaN基蓝光LED低得多(参见:Appl. Phys. Lett. ， 86, 101903等)，制作上比蓝光LED困难的 多。GaN基绿光LED需要高质量高In组分的InxGal-xN/GaN量子阱(x》15W)，但高In组分的 InGaN材料及InGaN/GaN量子阱的质量通常较差.InN的晶格常数a为0. 3545nm和六方相GaN 间的晶格常数a为0. 3189nm,可见随着In组分的增加InGaN/GaN间的晶格失配增大，应力增 大,容易在InxGal-xN/GaN多量子阱的界面容易产生大量的V型缺陷；并且高In组分的InGaN 材料容易发生In的相分离，这些是GaN基绿光、黄光及红光等LED外量子效率低，电性差抗 静电能力差的主要原因。此外InN的带隙为0.7eV，GaN的带隙为3. 39eV,随着In组分的增 加，InGaN的带隙变小，导致LED的开启电压降低等。
为了改进上述问题，在申请号为200580025327.3，发明名称为"具有含铟结构的III族 氮化物基量子阱发光器件结构"的发明中，提出了一种在有源区上具有包含铟的III族氮化 物层及在包含铟的III族氮化物层上具有包含铝的p型III族氮化物层的结构，来改善结晶 质量，然而，其改善仍然有限。
为了克服现有技术中的上述问题，本发明的发明人在LED领域进行了广泛深入的研究， 终有本发明的产生。
发明内容
本发明的所要解决的技术方案是提供一种高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED。
3为解决上述技术方案，本发明提供一种高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED,在蓝宝石衬底上依次向上生长有GaN成核层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱有源层、p型ALGaN载流子阻挡层及p型GaN层，所述多量子阱有源层包括用于释放应力的多量子阱InxGai-xN/GaN层、在所述多量子阱InxGai-xN/GaN层上生长的且用于提高晶体质量改善电学性质的多量子阱InyGai-yN/GaN层、及在所述多量子阱InyGai.yN/GaN层上生长的多量子阱ItizGa^N/GaN发光层，其中0<x《0. 1, 0. Ky《0. 2, 0. 2〈z<l 。
较佳地，所述多量子阱InyGai-yN/GaN层由1至6个量子阱阱层厚度为1. 5-5ran的量子阱组成。
较佳地，所述多量子阱InyGai.yN/GaN层由4个量子阱阱层厚度为3nm的量子阱组成，其中y = 0. 15。
较佳地，所述多量子阱InxGai.xN/GaN层由1至6个量子阱阱层厚度为2-5咖的量子阱组成。
较佳地，所述多量子阱InxGai.xN/GaN层由5个量子阱阱层厚度为3咖的量子阱组成，其中，x=0.08。
较佳地，所述多量子阱InzGai-zN/GaN发光层由4至15个量子阱阱层厚度为1-5咖的量子阱组成。
较佳地，所述多量子阱InzGauN/GaN发光层由5个量子阱阱层厚度为2. 3nm的量子阱组成，其中z = 0. 25。
本发明的有益效果在于能够改善结晶质量，较好地减少InGaN和GaN间的V型缺陷，改善LED的电学性质,提高发光效率,本方法特别适用于高In组分的InGaN基LED。
图1为本发明提供的高In组分多InGaN/GaN量子阱结构LED的结构示意图。图2为InGaN/GaN量子阱有源层的导带示意图。
具体实施例方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
请参阅图1，本发明提供的高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED,包括在蓝宝石衬底1上依次向上生长的GaN成核层2、非掺杂GaN层3、 n型GaN层4、 InGaN/GaN量子阱有源层5、 p型ALGaN载流子阻挡层6及p型GaN层7。
InGaN/GaN量子阱有源层5包括多量子阱In,GanN/GaN层5a、多量子阱In,Ga,-yN/GaN层 5b及多量子阱InzGai—zN/GaN层5c。多量子阱InxGahN/GaN层5a由1至6个In,Ga^N/GaN 量子阱组成，其中，(Kx《0. 1， InXahN为阱层，厚度为2-5nm， GaN为垒层；多量子阱 InyGai-yN/GaN层5b由1至6个In,Ga卜,N/GaN量子阱组成，其中0. l<y《0. 2， InyGa,—yN为阱 层，厚度为1. 5-5nm， GaN为垒层；多量子阱InzGahN/GaN层5c由4至15个InzGai_zN/GaN 量子阱组成，其中O. 2<z〈l, InzGahN为阱层，厚度为1-5皿，GaN为垒层。
上述多量子阱InxGai—xN/GaN层5a的阱层厚度优选为3咖，多量子阱InyGai-,N/GaN层5b 的阱层厚度优选为3nm，多量子阱InzGai-zN/GaN层5c的阱层厚度优选为2. 3nm。
为了制造上述高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED,本发明采用MOCVD方法，利用 高纯NH3做N源，三甲基镓或三乙基镓做镓源，三甲基铟做铟源，三甲基铝做铝源，硅烷用作 n型掺杂剂，二茂镁用作p型掺杂剂。
实施例一
利用MOCVD设备外延生长高亮度的高In组分多量子阱的LED,所用的衬底为(001)面的蓝 宝石。首先在MOCVD反应室中将蓝宝石衬底1加热到1200°C，在H2下处理5min，然后温度降 低到50(T60(TC生长GaN成核层2，厚度约30nm;然后温度升至1160°C, &作载气，以3. 0 微米/小时的生长速率外延生长4微米厚的GaN缓冲层，其中包括0. 5微米厚的非掺杂GaN层 3和3. 5微米厚的掺Si的n型GaN层4, Si的掺杂浓度在5X 10'7011—3至5X 1019(^—3之间。
然后将温度降低到65(T75(TC间，载气切换为N2,在该缓冲层上生长1至6个InxGai—xN/GaN 量子阱，其中，0<x《0. 1，每层I"GahN阱层厚度为3nm，每层GaN垒层厚度为10nm;接着 生长1至6个InyGa卜第aN量子阱，其中0. l〈y《0. 2，每层In,Ga'—yN阱层厚度为3咖，每层 GaN垒层厚度为10nm;再生长4至15个InzGai—zN/GaN量子阱，其屮0. 2<z<l，每层In2Ga』 阱层厚度为2. 3nm，每层GaN垒层厚度为lOnm;在上述制造过程中，TEGa的摩尔流量为0. 1X l(T 摩尔/分钟至1.5Xl(T摩尔/分钟，TMIn的摩尔流量为1X10—5摩尔/分钟至10X10—5摩尔/分钟 之间，Nft的流量为12升/分钟。
最后，把温度升高至100(TllO(rC, H2做载气，生fe 25nm厚的p型Al。.15Gao.85N和200nm 厚的p型GaN层，Mg掺杂浓度在5X 10'9011—3至5X 10Mcm—3之间。
实施例二利用M0CVD设备外延生长高亮度的高In组分多量子阱的LED,所用的衬底为(001)面的蓝 宝石。首先在M0CVD反应室中将蓝宝石衬底1加热到1200°C，在&下处理5min，然后温度降 低到50(T600。C生长GaN成核层2，厚度约30nm;然后温度升至H6(TC, &作载气，以3. 0 微米/小时的生长速率外延生长4微米厚的GaN缓冲层，其中包括0. 5微米厚的非故意掺杂GaN 层3和3. 5微米厚的掺Si的n型GaN缓冲层4， Si的掺杂浓度在5X1017cm3至5乂1019^—3之 间。
然后将温度降低到65(T85(TC间，载气切换为N2，在该缓冲层上以80(TC生长5个 InxGa,—xN/GaIS.量子阱，其中x = 0. 08，每层工n,Ga卜,N阱层厚度为3nm，每层GaN垒层厚度为 lOntn;接着以750。C生长4个InyGai—yN/GaN量子阱，其中y = 0. 15，每层In,Ga卜yNN阱层厚度 为3nm，每层GaN垒层厚度为lOnm;再以72(TC生长5个In,Ga』/GaN量子阱，其中z二O. 25， 此时形成的LED为绿光LED，每层In,Ga卜zN阱层厚度为2. 3nm,每层GaN垒层厚度为IO咖； 在上述生长过程中，TEGa的摩尔流量为0. lX10—s摩尔/分钟至1. 5Xl()-s摩尔/分钟，TMIn的 摩尔流量为5X 10—5摩尔/分钟，朋3的流量为i2升/分钟。
最后，把温度升高至腦 110(TC， Hz做载气，生长25nm厚的p型Al。. 15Ga。.85N和200nm 厚的P型GaN层，Mg掺杂浓度在5 X 101 W至5 X 102。cm-3之间。
请参阅图2，在本实施例中的InGaN/GaN多量子阱有源层5的生长过程中，组成多量子阱 InxGai-xN/GaN层5a的InxGa,-xN/GaN量子阱，组成多量子阱InyGai-yN/GaN层5b的In,Ga卜yN/GaN 量子阱，组成多量子阱InzGai—zN/GaN层5c的In,Ga卜jVGaN量子阱，具有生长温度阶梯。 In、Ga^N/GaN量子阱、In,Ga卜yN/GaN量子阱及In7.Gai-zN/GaN量子阱的生长温度分别约为800 。C、 75(TC及72(TC。
本发明通过在外延生长发光层多量子阱InzGa,-zN/GaN层5c前引入一组In组分在0 0. 1 之间的多量子阱In,Ga卜xN/GaN层5a，及In组分在0.广O. 2之间的多量子阱In,Ga^N/GaN层 5b，在此基础上外延出出高质量的高In组分(In组分大于0. 2)的多量子阱IrO^—JS'/GaN发光 层5c，其中多量子阱In,GahN/GaN层5a可以释放n型GaN层4和有源区5之间的应力，多 量子阱In,Ga卜yN/GaN层5b的In组分比多量子阱InzGai-2N/GaN层5c中的要少很多，晶体质 量比多量子阱InzGa^NZGaN层5c好很多，能够较好地改善电学性质，多量子阱IruGaJ/GaN 层5c为发光层。此发明的多量子阱结构特别适应于高In组分的多InGaN/GaN量子阱结构的 LED,可减少InGaN和GaN间的V型缺陷，提高发光效率。
经测试，采用此发明的多量子阱结构的LED， 300微米X300微米的520nm的LED芯片的电致发光谱中是单峰，20mA下的亮度由200mcd升高至350mcd，芯片的正向工作电压不变， 芯片的开启电压由2.0V提高至2.4V，芯片的抗静电能力由人体模式1000V提高至人体模式 4000V。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的任何修 改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1、一种高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED，在蓝宝石衬底上依次向上生长有GaN成核层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱有源层、p型ALGaN载流子阻挡层及p型GaN层，其特征在于，所述多量子阱有源层包括用于释放应力的多量子阱InxGa1-xN/GaN层、在所述多量子阱InxGa1-xN/GaN层上生长的且用于提高晶体质量改善电学性质的多量子阱InyGa1-yN/GaN层、及在所述多量子阱InyGa1-yN/GaN层上生长的多量子阱InzGa1-zN/GaN发光层，其中0<x≤0.1，0.1<y≤0.2，0.2<z<1。
2、 如权利要求1所述的高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED,其特征在于所述 多量子阱InyGai-yN/GaN层由1至6个量子阱阱层厚度为1. 5-5nra的量子阱组成。
3、 如权利要求2所述的高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED,其特征在于所述 多量子阱InyG^yN/GaN层由4个量子阱阱层厚度为3nm的量子阱组成，其中y = 0. 15。
4、 如权利要求1所述的高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED,其特征在于所述 多量子阱InxGai.xN/GaN层由1至6个量子阱阱层厚度为2-5nm的量子阱组成。
5、 如权利要求4所述的高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED,其特征在于所述 多量子阱InxGakN/GaN层由5个量子阱阱层厚度为3nm的量子阱组成，其中，x = 0. 08。
6、 如权利要求1所述的高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED,其特征在于所述 多量子阱InzGai-zN/GaN发光层由4至15个量子阱阱层厚度为1-5 的量子阱组成。
7、 如权利要求6所述的高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED,其特征在于所述 多量子阱InzGai-zN/GaN发光层由5个量子阱阱层厚度为2. 3nm的量子阱组成，其中z = 0.25。
全文摘要
本发明揭示了一种高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED，在蓝宝石衬底上依次向上生长有GaN成核层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱有源层、p型ALGaN载流子阻挡层及p型GaN层，所述多量子阱有源层包括用于释放应力的多量子阱In<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>N/GaN层、在所述多量子阱In<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>N/GaN层上生长的且用于提高晶体质量改善电学性质的多量子阱In<sub>y</sub>Ga<sub>1-y</sub>N/GaN层、及在所述多量子阱In<sub>y</sub>Ga<sub>1-y</sub>N/GaN层上生长的多量子阱In<sub>z</sub>Ga<sub>1-z</sub>N/GaN发光层。本发明提供的高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED能够改善结晶质量，较好地减少InGaN和GaN间的V型缺陷，提高LED的开启电压。
文档编号H01L33/00GK101488548SQ20091004683
公开日2009年7月22日 申请日期2009年2月27日 优先权日2009年2月27日
发明者周健华, 张国义, 潘尧波, 郝茂盛, 颜建锋 申请人:上海蓝光科技有限公司;彩虹集团公司;北京大学