专利名称：具有四元InAlGaN的LED外延结构及其制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域,特别地,涉及ー种具有四元InAlGaN的LED外延结构及其制备方法。
背景技术：
LED照明光源与传统照明光源相比具有节约能源、体积小、发光效率高、寿命长、无污染以及色彩丰富等优点。作为照明光源，白光LED的能耗是白炽灯的1/8、荧光灯的1/2，且其寿命长达10万个小时，并可实现无汞，对能源节约以及环境保护均具有重要意义。
虽然GaN基大功率型LED已经取得很大的进步(cree公司已经报道大功率白光LED的光效实验研发水平达到2311m/w、日亚也有报道达到1501m/w、国内三安小功率也报道研发最闻水平在1801m/w),但是尚通论值还是有一段距尚，主要原因是由于InGaN、GaN、AlGaN三者之间存在较大的晶格匹配和极化应力，产生很强的压电场，引起电子和空穴波函数分离，降低了量子效率。为了提高电子和空穴复合概率，提高内部量子效率，人们在外延结构上也作出许多方案，比如Polarization-matched InGaN/InGaN量子讲，即InGaN代替GaN作为量子讲的垒 层；不对称量子讲；Polarization_matched InAIGaN/InGaN 量子讲，即 InAlGaN 代替 GaN作为量子阱的垒层等。目前未见有在多量子阱之前插入InAlGaN应カ释放层以提高量子效率的报道。
发明内容
本发明目的在于提供一种能降低量子阱中的压电场、提高内部量子效率的具有四元InAlGaN的LED外延结构及其制备方法。以解决由于LED外延结构各层之间产生的压电场引起电子和空穴波函数分离，降低了量子效率的技术问题。为实现上述目的，本发明提供了ー种具有四元InAlGaN的LED外延结构，包括衬底，所述衬底上，由下至上依次设置有GaN缓冲层、未掺杂的GaN层、n型掺杂的GaN层、多量子阱发光层、P型掺杂的InAlGaN电子阻挡层和p型掺杂的GaN层，所述n型掺杂的GaN层及所述多量子阱发光层之间设置有InAlGaN应カ释放层。作为本发明的LED外延结构进一步改进优选地，所述InAlGaN应カ释放层由自下而上依次分布的第一 InAlGaN层和第二InAlGaN层组成,所述第一 InAlGaN层的分子式为InaAl 15-a)GaQ. 75N,所述第二 InAlGaN层的分子式为InbAl((l.15_b)Gaa75N，其中，所述a的取值范围为0. 03 0. 05，所述b的取值范围为 0. 10 0. 12。优选地,所述GaN缓冲层的厚度为20nm 30nm ；所述未掺杂的GaN层的厚度为2iim 所述n型掺杂的GaN层的厚度为2iim 2. 5iim;所述InAlGaN应カ释放层的厚度为40nm 50nm ；
所述多量子阱发光层的厚度为230nm 250nm ；所述p型掺杂的InAlGaN电子阻挡层的厚度为50nm 60nm ；所述p型掺杂的GaN层的厚度为200nm 250nm。优选地，所述第一 InAlGaN层的厚度为20nm 25nm ;所述第二 InAlGaN层的厚度为 20nm 25nm。优选地，所述n型掺杂的GaN层与所述InAlGaN应カ释放层之间设置有组分为未掺杂的GaN的量子阱垒层，所述量子阱垒层的厚度为60nm 80nm。优选地，所述多量子阱发光层由15 16个周期的间隔布置的InGaN阱层和InAlGaN垒层叠加组成；所述多量子阱发光层中单个周期的所述InGaN阱层的厚度为
2.8nm 3nm ;单个周期的所述InAlGaN鱼层的厚度为12nm 13nm。作为ー个总的技术构思，本发明还提供了ー种LED外延结构的制备方法，包括以下步骤S1:选择衬底；S2 =H2气氛条件下，以TMGa为Ga源，以NH3为N源，利用MOCVD方法在所述衬底上生长厚度为20nm 30nm的GaN缓冲层；再使所述GaN缓冲层重结晶；S3 =H2气氛条件下，以TMGa为Ga源，以NH3为N源，利用MOCVD方法在所述GaN缓冲层上生长厚度为2 ii m 2. 5 ii m的未掺杂的GaN层；S4 =H2气氛条件下，以TMGa为Ga源，以NH3为N源，以SiH4为n型掺杂剂，利用MOCVD方法在所述未掺杂的GaN层上生长厚度为2 y m 2. 5 y m的n型掺杂的GaN层；制得GaN模板；S5 =N2气氛条件下，以TMGa为Ga源，以TMIn为In源，以TMAl为Al源，以NH3为N源，利用MOCVD方法在所述GaN模板上生长厚度为40nm 50nm的InAlGaN应カ释放层；S6 以TMGa为Ga源，以TMIn为In源，以TMAl为Al源，以NH3为N源，利用MOCVD方法在所述InAlGaN应カ释放层上生长厚度为230nm 250nm的多量子阱发光层；S7 以TMGa为Ga源，以TMIn为In源，以TMAl为Al源，以NH3为N源，以Cp2Mg为P型掺杂剂，在所述多量子阱发光层上生长厚度为50nm 60nm的p型掺杂的InAlGaN电子阻挡层；S8 以TMGa为Ga源，以NH3为N源，以Cp2Mg为p型掺杂剂，在所述P型掺杂的InAlGaN电子阻挡层上生长厚度为200nm 250nm的p型掺杂的GaN层。作为本发明的方法进ー步改进优选地，所述步骤S5包括以下步骤S501 :N2气氛、反应室压カ为250mbar 350mbar条件下，以TMGa为Ga源，以TMIn为In源，以TMAl为Al源，以NH3为N源，利用MOCVD方法在所述GaN模板上生长厚度为20nm 25nm的第一 InAlGaN层；所述第一 InAlGaN层的分子式为InaAl(Q. ^i0Gaa75N,其中，所述a的取值范围为0. 03 0. 05 ;S502 :N2气氛、反应室压カ为250mbar 350mbar条件下，以TMGa为Ga源，以TMIn为In源，以TMAl为Al源，以NH3为N源，利用MOCVD方法在所述第一 InAlGaN层上生长厚度为20nm 25nm的第二 InAlGaN层；所述第二 InAlGaN层的分子式为InbAl (Q.15_b)Gaa75N,其中，所述b的取值范围为0. 10 0. 12。
优选地，所述步骤S6包括以下步骤在所述InAlGaN应カ释放层上进行15 16个周期的以下操作S601 :在N2气氛条件下，以TMGa为Ga源，以TMIn为In源，以NH3为N源，利用MOCVD方法外延生长厚度为2. 8nm 3nm的InGaN阱层；S602 :在N2气氛条件下，以TMGa为Ga源，以TMIn为In源，以TMAl为Al源，以NH3为N源，在所述InGaN阱层上利用MOCVD方法外延生长厚度为12nm 13nm的InAlGaN垒层。优选地，所述制备方法各步骤的エ艺參数如下所述步骤S2中，在温度为530°C 570°C，所述TMGa的流量为55mL/min 65mL/min,所述NH3的流量为1.1 X 104mL/min 1. 3 X 104mL/min的エ艺条件下生长厚度为 20nm 30nm的GaN缓冲层；然后升温至1030°C 1100°C，并保持180s 210s，使所述GaN
缓冲层重结晶；所述步骤S3中，温度为1000°C 1250°C，所述TMGa的流量为180mL/min 200mL/min,所述 NH3 的流量为 2 X 104mL/min 2. 4 X 104mL/min ；所述步骤S4中，温度为1000°C 1250°C，所述TMGa的流量为200mL/min 250mL/min,所述 NH3 的流量为 2. 5X 104mL/min 3X 104mL/min,所述 SiH4 的流量为 14mL/min 18mL/min ；所述步骤S501中，温度为820°C 840°C，所述TMGa的流量为10mL/min 20mL/min,所述 TMIn 的流量为 10OmT,/mi n 1 50mT,/min,所述 TMAl 的流量为 80mT,/mi n 10OmT,/min，所述 NH3 的流量为 3X104mL/min 3. 3X104mL/min ;持续时长 30s 60s ；所述步骤S502中，温度为780°C 820°C，所述TMGa的流量为10mL/min 20mL/min,所述 TMIn 的流量为 350mL/min 450mL/min,所述 TMAl 的流量为 30mL/min 40mT,/min,所述 NH3 的流量为 3 X 104mL/min 3. 3 X 104mL/min ；所述步骤S601中，温度为730°C 800°C，所述TMGa的流量为10mL/min 15mL/min,所述TMIn的流量为650mL/min 750mL/min,所述NH3的流量为3X 104mT,/min 3. 3 XlOWmin ;持续时长 30s 60s ；所述步骤S602中，温度为730°C 800°C，所述TMGa的流量为10mL/min 20mL/min,所述 TMIn 的流量为 30mL/min 50mL/min,所述 TMAl 的流量为 20mL/min 30mL/min,所述 NH3 的流量为 3X 104mL/min 3. 3X 104mL/min ；所述步骤S7中，温度为950°C 1050°C，所述TMGa的流量为30mL/min 45mL/min,所述 TMIn 的流量为 1 50mT,/mi n 250mL/min,所述 TMAl 的流量为 50mT,/mi n 70mL/min,所述 NH3 的流量为 3 X 104mL/min 3. 3 X 104mT,/min,所述 Cp2Mg 的流量为 BOOmT,/mi n 800mT ,/mi n ；所述步骤S8中，温度为950°C 1050°C，所述TMGa的流量为30mL/min 45mL/min,所述 NH3 的流量为 3 X 104mL/min 3. 3 X 104mT,/min,所述 Cp2Mg 的流量为 BOOmT,/mi n 800mT ,/mi n。优选地，所述步骤S4完成后，所述方法还包括步骤S4A 以TMGa为Ga源，以NH3为N源，利用MOCVD方法在所述n型掺杂的GaN层上生长厚度为2 ii m 2. 5 ii m的组分为未掺杂的GaN的量子阱垒层；
完成步骤S4A后，制得所述GaN模板。优选地，所述步骤S4A的エ艺參数如下温度为1000°C 1250°C，所述 TMGa 的流量为 180mL/min 200mL/min，所述 NH3的流量为 2 X 104mT ,/mi n 2. 4 X 104mL/min。优选地，所述步骤SI还包括步骤将所述衬底置于H2气氛下，加热到1050°C 1150°C并保持300s 600s，以去除所述衬底表面的H2O和O2 ;再降温到500°C 700°C，并通入NH3对衬底进行IOOs 200s的氮化处理。优选地，所述步骤S8完成后，所述方法还包括以下步骤S9 :将所述步骤S8获得的产物置于650°C 700°C的N2气氛下退火15min 20mino本发明具有以下有益效果1、本发明的具有四元InAlGaN的LED外延结构，在n型掺杂的GaN层及多量子阱发光层之间插入InAlGaN应カ释放层，可以释放多量子阱的应力，提高内部量子效率，使得単位面积的多量子阱发光层的发光效率更高。2、本发明的具有四元InAlGaN的LED外延结构的制备方法，エ艺步骤简单、通过在n型掺杂的GaN层上生长InAlGaN应カ释放层，然后再生长多量子阱发光层，可制备出本发明的具有四元InAlGaN的LED外延结构，且生产方便，适于エ业化生产。
·
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将參照附图，对本发明作进ー步详细的说明。
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进ー步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图1是本发明优选实施例1的LED外延结构的剖面结构示意图；图2是本发明优选实施例1的LED外延结构的InAlGaN应カ释放层的剖面结构示意图；图3是本发明优选实施例1的LED外延结构与传统LED外延结构制成的芯片的光效测试对比示意图；图4是本发明优选实施例2的LED外延结构的剖面结构示意图。图例说明1、衬底；2、GaN缓冲层；3、未掺杂的GaN层；4、n型掺杂的GaN层；5、InAlGaN应カ释放层；6、多量子阱发光层；7、p型掺杂的InAlGaN电子阻挡层；8、p型掺杂的GaN层；9、量子阱垒层。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。实施例1 :參见图1，本发明的具有四元InAlGaN的LED外延结构，包括衬底I，衬底I上，由下至上依次设置有GaN缓冲层2、未掺杂的GaN层3、n型掺杂的GaN层4、InAlGaN应カ释放层5、多量子阱发光层6、p型掺杂的InAlGaN电子阻挡层7和p型掺杂的GaN层8。其中，GaN缓冲层2的厚度为25nm ;未掺杂的GaN层3的厚度为2. 2 y m ;n型掺杂的GaN层4的厚度为2. 3 ii m ； InAlGaN应カ释放层5的厚度为50nm ;多量子阱发光层6的厚度为240nm ；p型掺杂的InAlGaN电子阻挡层7的厚度为50nm ；p型掺杂的GaN层8的厚度为250nm。上述的LED外延结构，是通过以下的LED外延结构的制备方法制备得到的，该制备方法，包括以下步骤S1:选择蓝宝石衬底I (实际应用时，也可选用SiC衬底或Si衬底)；将蓝宝石衬底I置于H2气氛下，加热到1100°C并保持400s，以去除衬底I表面的H2O和02。再降温到5000C，并通入NH3对衬底I进行200s的氮化处理。
S2 :于H2气氛条件下,将温度降至550°C,通入流量为60mL/min (sccm,标准状态下毫升每分)的TMGa为Ga源，通入流量为1. 2 X 104mL/min的NH3为N源，利用MOCVD方法在衬底I上生长厚度为25nm的GaN缓冲层2 ;然后升温至1070°C，并保持200s，使所述GaN
缓冲层2重結晶。S3 =H2气氛条件下，控制温度为1100°C，通入流量为190mL/min的TMGa为Ga源，通入流量为2. 2 X IOWmin的NH3为N源，利用MOCVD方法在GaN缓冲层2上生长厚度为
2.2 iim的未掺杂的GaN层3。S4 =H2气氛条件下，保持温度为1150°C，通入流量为220mL/min的TMGa为Ga源，通入流量为2. 7 XlOWmin的NH3为N源，通入流量为16mL/min6的SiH4为n型掺杂剂，利用MOCVD方法在未掺杂的GaN层3上生长厚度为2. 3 y m的n型掺杂的GaN层4。n型掺杂的GaN层4中Si的掺杂浓度为8. OX 1018atom(原子个数)/cm3。制得GaN模板；S5 =N2气氛条件下，以TMGa为Ga源，以TMIn为In源，以TMAl为Al源，以NH3为N源，利用MOCVD方法在GaN模板上生长厚度为50nm的InAlGaN应カ释放层5。本实施例中，步骤S5优选采用以下方式制备S501 =N2气氛、反应室压カ为250mbar (毫巴)条件下，降低温度至840°C，通入流量为15mL/min的TMGa为Ga源，通入流量为125mL/min的TMIn为In源，通入流量为90mL/min的TMAl为Al源，通入流量为3.1 X 104mL/min的NH3为N源，持续时长50s ;利用MOCVD方法在步骤S4制得的GaN模板上生长厚度为25nm的第一 InAlGaN层 ，第一 InAlGaN层的分子式为 In。. mAI。.1(|GaQ. 75N。S502 =N2气氛、反应室压カ为250mbar条件下，升高温度至820°C，通入流量为20mL/min 的 TMGa 为 Ga 源，通入 400mL/min 的 TMIn 为 In 源，通入流量为 35mL/min 的 TMAl为Al源，通入流量为3. 2 XlOWmin的NH3为N源，利用MOCVD方法在第一 InAlGaN层上生长厚度为25nm的第二 InAlGaN层；第二 InAlGaN层的分子式为In。. ^Alaci5Gaa 75N。S6 以TMGa为Ga源，以TMIn为In源，以TMAl为Al源，以NH3为N源，利用MOCVD方法在InAlGaN应カ释放层5上生长厚度为240nm的多量子阱发光层6。本实施例中，步骤S6优选采用以下方式制备在InAlGaN应カ释放层5上进行15个周期的以下操作
S601 :在N2气氛条件下，保持温度为760°C，通入流量为12mL/min的TMGa为Ga源，通入流量为700mL/min的TMIn为In源，通入流量为3. 2 X 104mL/min的NH3为N源，持续时长50s ;利用MOCVD方法外延生长厚度为3nm的InGaN阱层。S602 :在N2气氛条件下，温度为760°C，通入流量为13mL/min的TMGa为Ga源，通入流量为40mL/min的TMIn为In源，通入流量为25mL/min的TMAl为Al源，通入流量为
3.2XlOWmin的NH3为N源，在InGaN阱层上利用MOCVD方法外延生长厚度为13nm的InAlGaN 鱼层。S7 :保持温度为1000°C，通入流量为40mL/min的TMGa为Ga源，通入流量为200mL/min的TMIn为In源，通入流量为60mL/min的TMAl为Al源，通入流量为3X 104mL/min的NH3为N源，通入流量为800mL/min的Cp2Mg为p型掺杂剂，在多量子阱发光层6上生长厚度为60nm的p型掺杂的InAlGaN电子阻挡层7。 S8 :保持温度为1000°C，通入流量为40mL/min的TMGa为Ga源，通入流量为3X IOWmin的NH3为N源，通入流量为700mL/min的Cp2Mg为p型掺杂剂，在p型掺杂的InAlGaN电子阻挡层7上生长厚度为200nm 250nm的p型掺杂的GaN层8。该p型掺杂的GaN层8中Mg的掺杂浓度为4. OX 1018atom(原子个数)/cm3。S9 :将步骤S8获得的产物置于700°C的N2气氛下退火15min，制得本发明的LED外
延结构。上述步骤完成后，如图2所示，制得的LED外延结构中，InAlGaN应カ释放层5由自下而上依次分布的第一 InAlGaN层和第二 InAlGaN层组成,第一 InAlGaN层的分子式为Inatl5AlaitlGaa75N,第二 InAlGaN 层的分子式为 In0.10AIa05Ga0.75N。第一 InAlGaN 层和第二InAlGaN层的厚度均为20nm。多量子阱发光层6由15个周期的间隔布置的InGaN阱层和InAlGaN垒层叠加组成；多量子阱发光层6中单个周期的InGaN阱层的厚度为3nm ;单个周期的InAlGaN垒层的厚度为13nm。第一 InAlGaN层为低In高Al的四元结构，能起到电子扩散和晶格过渡作用，其晶格较接近GaN，并位于GaN与第二 InAlGaN层的晶格之间，对第二 InAlGaN层的生长能起到缓冲作用；第二 InAlGaN层为高In低Al的四元结构，主要起到释放量子阱应力作用，其晶格较接近多量子阱发光层6的InGaN。采用这种ニ层结构的InAlGaN应カ释放层5代替传统的浅量子阱层(SW层)，能使得应カ大大的释放，能降低量子阱中的压电场，井能提高内部量子效率；同时结合多量子阱发光层6中的垒层也设置为与阱层极化匹配的四元InAlGaN层，通过这两者可大大的提高亮度，可降低大电流密度注入下发光效率降低的现象。由上可知，本发明的具有四元InAlGaN的LED外延结构的制备方法，エ艺步骤简单、通过在n型掺杂的GaN层4上生长应カ释放层InAlGaN层，然后再生长多量子阱发光层6，可制备出本发明的具有四元InAlGaN的LED外延结构，且生产方便，适于エ业化生产。且本发明的具有四元InAlGaN的LED外延结构，在n型掺杂的GaN层4及多量子阱发光层6之间插入InAlGaN应カ释放层5，可以释放多量子阱的应力，提高内部量子效率，使得单位面积的多量子阱发光层6的发光效率更高。将本实施例中的制得的LED外延结构(样品2)与传统的LED生长法制备的LED样品(样品I)在同样的条件下蒸渡ITO，蒸渡Cr/Al/Pt电极，SiO2保护层，将样品制备成1102 u m*1102 u m (45mil*45mil)的芯片，各自选取150颗相同位置的芯片在相同条件下通过封装エ艺固晶打金线，在350mA的条件下，用远方积分球测试机点测光效，测试结果如图3所示(图3中“▲”为样品I的光效，“■”为样品2的光效)。由图3可见通过样品比较，运用本专利方法生长LED结构，在光效上比传统LED结构光效提高4-11%，并且光效达到越大提高的难度越大。符合量子阱效率符合理论，本测试证明了，本发明提供的LED外延结构有利于提高LED内部量子效率，至少提高4-11%。实施例2:參见图4，本发明的具有四元InAlGaN的LED外延结构，包括衬底I，衬底I上，由下至上依次设置有GaN缓冲层2、未掺杂的GaN层3、n型掺杂的GaN层4、未掺杂的GaN的量子阱垒层9、InAlGaN应カ释放层5、多量子阱发光层6、p型掺杂的InAlGaN电子阻挡层7和p型掺杂的GaN层8。其中，GaN缓冲层2的厚度为20nm ;未掺杂的GaN层3的厚度为2 y m ;n型掺杂的 GaN层4的厚度为2 u m ;未掺杂的GaN的量子阱垒层9的厚度为2. 5 y m ; InAlGaN应カ释放层5的厚度为40nm ;多量子阱发光层6的厚度为245nm ；p型掺杂的InAlGaN电子阻挡层7的厚度为60nm ；p型掺杂的GaN层8的厚度为200nm。上述的LED外延结构，是通过以下的LED外延结构的制备方法制备得到的，该制备方法，包括以下步骤S1:选择蓝宝石衬底I (实际应用时，也可选用SiC衬底或Si衬底)；将蓝宝石衬底I置于H2气氛下，加热到1150°C并保持300s，以去除衬底I表面的H2O和02。再降温到7000C，并通入NH3对衬底I进行IOOs的氮化处理。S2 :于H2气氛条件下，将温度降至530°C，通入流量为65mL/min (sccm)的TMGa为Ga源，通入流量为1. 3 XlOWmin的NH3为N源，利用MOCVD方法在衬底I上生长厚度为20nm的GaN缓冲层2 ;然后升温至1100°C，并保持180s，使所述GaN缓冲层2重結晶。S3 =H2气氛条件下，控制温度为1250°C，通入流量为180mL/min的TMGa为Ga源，通入流量为2. 4XlOWmin的NH3为N源，利用MOCVD方法在GaN缓冲层2上生长厚度为2 u m的未掺杂的GaN层3。S4 =H2气氛条件下，保持温度为1250°C，通入流量为200mL/min的TMGa为Ga源，通入流量为3X IOWmin的NH3为N源，通入流量为18mL/min的SiH4为n型掺杂剂，利用MOCVD方法在未掺杂的GaN层3上生长厚度为2 y m的n型掺杂的GaN层4。n型掺杂的GaN层4中Si的掺杂浓度为8. OX 1018atom(原子个数)/cm3。S4A :保持温度为1250°C，通入流量为200mL/min的TMGa为Ga源，通入流量为
2.4X IOWmin的NH3为N源，利用MOCVD方法在n型掺杂的GaN层4上生长厚度为2. 5 y m的组分为未掺杂的GaN的量子阱垒层9。在此处制备未掺杂的GaN的量子阱垒层9，有利于后续InAlGaN应カ释放层5的生长，n型掺杂GaN层4在高温下生长，长速较快，得到的表面较粗糙，于是通过降温控制长速生长表面非常平整的量子阱垒层9，量子阱垒层9的表面平整利于后续InAlGaN应カ释放层5的生长，原子堆垛更有序才能体现释放应カ的功能，且量子阱垒层9能提高InAlGaN应カ释放层5的晶体质量，并为这ー层提供好的生长表面。完成步骤S4A后，制得GaN模板。S5 =N2气氛条件下，以TMGa为Ga源，以TMIn为In源，以TMAl为Al源，以NH3为N源，利用MOCVD方法在GaN模板上生长厚度为40nm的InAlGaN应カ释放层5。
本实施例中，步骤S5优选采用以下方式制备S501 :N2气氛、反应室压カ为350mbar条件下，降低温度至820 °C，通入流量为lOmL/min的TMGa为Ga源，通入流量为100mL/min的TMIn为In源，通入流量为80mL/min的TMAl为Al源，通入流量为3X 104mL/min的NH3为N源，持续时长60s ;利用MOCVD方法在步骤S4制得的GaN模板上生长厚度为20nm的第一 InAlGaN层；第一 InAlGaN层的分子
式为 InO. 03-^^0. 12^3-0. 75^0S502 =N2气氛、反应室压カ为350mbar条件下，升高温度至780°C，通入流量为10mL/min 的 TMGa 为 Ga 源，通入 350mL/min 的 TMIn 为 In 源，通入流量为 30mL/min 的 TMAl为Al源，通入流量为3X 104mL/min的NH3为N源，利用MOCVD方法在第一 InAlGaN层上生长厚度为20nm的第二 InAlGaN层；第二 InAlGaN层的分子式为Inai2Alaci3Gaa75NcS6 以TMGa为Ga源，以TMIn为In源，以TMAl为Al源，以NH3为N源，利用MOCVD 方法在InAlGaN应カ释放层5上生长厚度为245nm的多量子阱发光层6。本实施例中，步骤S6优选采用以下方式制备在InAlGaN应カ释放层5上进行16个周期的以下操作S601 :在N2气氛条件下，保持温度为800°C，通入流量为15mL/min的TMGa为Ga源，通入流量为750mL/min的TMIn为In源，通入流量为3. 3X104mL/min的NH3为N源，持续时长30s ;利用MOCVD方法外延生长厚度为2. 8nm的InGaN阱层。S602 :在N2气氛条件下，温度为800°C，通入流量为20mL/min的TMGa为Ga源，通入流量为40mL/min的TMIn为In源，通入流量为30mL/min的TMAl为Al源，通入流量为
3.3 X IOWmin的NH3为N源，在InGaN阱层上利用MOCVD方法外延生长厚度为12. 5nm的InAlGaN 鱼层。S7 :保持温度为1050°C，通入流量为45mL/min的TMGa为Ga源，通入流量为250mL/min的TMIn为In源，通入流量为70mL/min的TMAl为Al源，通入流量为3. 3X104mL/min的NH3为N源，通入流量为800mL/min的Cp2Mg为p型掺杂剂，在多量子阱发光层6上生长厚度为60nm的p型掺杂的InAlGaN电子阻挡层7。S8 :保持温度为1050°C，通入流量为45mL/min的TMGa为Ga源，通入流量为
3.3X IOWmin的NH3为N源，通入流量为800mL/min的Cp2Mg为p型掺杂剂，在p型掺杂的InAlGaN电子阻挡层7上生长厚度为200nm的p型掺杂的GaN层8。该p型掺杂的GaN层8中Mg的掺杂浓度为4. OX 1018atom(原子个数)/cm3。S9 :将步骤S8获得的产物置于650°C的N2气氛下退火20min，制得本发明的LED外
延结构。上述步骤完成后，如图2所示，制得的LED外延结构中，InAlGaN应カ释放层5由自下而上依次分布的第一 InAlGaN层和第二 InAlGaN层组成,第一 InAlGaN层的分子式为Inatl3Alai2Gaa75N,第二 InAlGaN 层的分子式为 In0.12Al0.03Ga0.75N。第一 InAlGaN 层和第二InAlGaN层的厚度均为20nm。本实施例中，多量子阱发光层6由15个周期的间隔布置的InGaN阱层和InAlGaN垒层叠加组成；多量子阱发光层6中单个周期的InGaN阱层的厚度为2. 8nm ;单个周期的InAlGaN垒层的厚度为12. 5nm。第一 InAlGaN层为低In高Al的四元结构，能起到电子扩散和晶格过渡作用，其晶格较接近GaN;第二 InAlGaN层为高In低Al的四元结构，主要起到释放量子阱应力作用，其晶格较接近多量子阱发光层6的InGaN。采用这种ニ层结构的InAlGaN应カ释放层5代替传统的浅量子阱层(SW层)，能使得应カ大大的释放，能降低量子阱中的压电场，能提高内部量子效率；同时结合多量子阱发光层6中的垒层也设置为与阱层极化匹配的四元InAlGaN层，通过这两者大大的提高亮度，可降低大电流密度注入下发光效率降低的现象。由上可知，本发明的具有四元InAlGaN的LED外延结构的制备方法，エ艺步骤简单、通过在n型掺杂的GaN层4上生长InAlGaN应カ释放层5，然后再生长多量子阱发光层6，可制备出本发明的具有四元InAlGaN的LED外延结构，且生产方便，适于エ业化生产。且本发明的具有四元InAlGaN的LED外延结构，在n型掺杂的GaN层4及多量子阱发光层6之间插入应カ释放层InAlGaN层，可以释放多量子阱的应力，提高内部量子效率，使得单位面积的多量子阱发光层6的发光效率更高。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种具有四元InAlGaN的LED外延结构,包括衬底,所述衬底上，由下至上依次设置有GaN缓冲层、未掺杂的GaN层、η型掺杂的GaN层、多量子阱发光层、ρ型掺杂的InAlGaN电子阻挡层和P型掺杂的GaN层，其特征在于，所述η型掺杂的GaN层及所述多量子阱发光层之间设置有InAlGaN应力释放层。
2.根据权利要求1中所述的LED外延结构，其特征在于，所述InAlGaN应力释放层由自下而上依次分布的第一 InAlGaN层和第二 InAlGaN层组成,所述第一 InAlGaN层的分子式为 InaAl (Q.15-a)Gaa75N,所述第二 InAlGaN 层的分子式为 InbAl (Q. 15_b)GaQ.75N,其中，所述 a 的取值范围为O. 03 O. 05，所述b的取值范围为O. 10 O. 12。
3.根据权利要求1或2所述的LED外延结构，其特征在于，所述GaN缓冲层的厚度为20nm 30nm ；所述未掺杂的GaN层的厚度为2μηι 2. 5μηι;所述η型掺杂的GaN层的厚度为2μηι 2. 5μηι;所述InAlGaN应力释放层的厚度为40nm 50nm ；所述多量子阱发光层的厚度为230nm 250nm ；所述P型掺杂的InAlGaN电子阻挡层的厚度为50nm 60nm ；所述P型掺杂的GaN层的厚度为200nm 250nm。
4.根据权利要求3所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一 InAlGaN层的厚度为20nm 25nm ；所述第二 InAlGaN层的厚度为20nm 25nm。
5.根据权利要求4所述的LED外延结构，其特征在于，所述η型掺杂的GaN层与所述InAlGaN应力释放层之间设置有组分为未掺杂的GaN的量子阱垒层，所述量子阱垒层的厚度为60nm 80nm。
6.根据权利要求5所述的LED外延结构，其特征在于，所述多量子阱发光层由15 16个周期的间隔布置的InGaN阱层和InAlGaN垒层叠加组成；所述多量子阱发光层中单个周期的所述InGaN阱层的厚度为2. Snm 3nm ;单个周期的所述InAlGaN鱼层的厚度为12nm 13nm。
7.一种LED外延结构的制备方法，包括以下步骤51:选择衬底；52=H2气氛条件下，以TMGa为Ga源，以NH3为N源，利用MOCVD方法在所述衬底上生长厚度为20nm 30nm的GaN缓冲层；再使所述GaN缓冲层重结晶；53=H2气氛条件下，以TMGa为Ga源，以NH3为N源，利用MOCVD方法在所述GaN缓冲层上生长厚度为2 μ m 2. 5 μ m的未掺杂的GaN层；54=H2气氛条件下，以TMGa为Ga源，以NH3为N源，以SiH4为η型掺杂剂，利用MOCVD方法在所述未掺杂的GaN层上生长厚度为2 μ m 2. 5 μ m的η型掺杂的GaN层；制得GaN模板；其特征在于，所述方法还包括以下步骤55=N2气氛条件下，以TMGa为Ga源，以TMIn为In源，以TMAl为Al源，以NH3为N源，利用MOCVD方法在所述GaN模板上生长厚度为40nm 50nm的InAlGaN应力释放层；56以TMGa为Ga源，以TMIn为In源，以TMAl为Al源，以NH3为N源，利用MOCVD方法在所述InAlGaN应力释放层上生长厚度为230nm 250nm的多量子阱发光层； 57以TMGa为Ga源，以TMIn为In源，以TMAl为Al源，以NH3为N源，以Cp2Mg为p型掺杂剂，在所述多量子阱发光层上生长厚度为50nm 60nm的p型掺杂的InAlGaN电子阻挡层； 58以TMGa为Ga源，以NH3为N源，以Cp2Mg为p型掺杂剂，在所述P型掺杂的InAlGaN电子阻挡层上生长厚度为200nm 250nm的p型掺杂的GaN层。
8.根据权利要求7所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下步骤 5501:N2气氛、反应室压力为250mbar 350mbar条件下，以TMGa为Ga源，以TMIn为In源，以TMAl为Al源，以NH3为N源，利用MOCVD方法在所述GaN模板上生长厚度为20nm 25nm的第一 InAlGaN层；所述第一 InAlGaN层的分子式为InaAl (Q. 15_a)GaQ. 75N,其中，所述a的取值范围为O. 03 O. 05 ； 5502=N2气氛、反应室压力为250mbar 350mbar条件下，以TMGa为Ga源，以TMIn为In源，以TMAl为Al源，以NH3为N源，利用MOCVD方法在所述第一 InAlGaN层上生长厚度为20nm 25nm的第二 InAlGaN层；所述第二 InAlGaN层的分子式为InbAl (Q.15_b)Gaa75N,其中，所述b的取值范围为O. 10 O. 12。
9.根据权利要求8所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S6包括以下步骤 在所述InAlGaN应力释放层上进行15 16个周期的以下操作 5601:在N2气氛条件下，以TMGa为Ga源，以TMIn为In源，以NH3为N源，利用MOCVD方法外延生长厚度为2. 8nm 3nm的InGaN讲层； 5602:在N2气氛条件下，以TMGa为Ga源，以TMIn为In源，以TMAl为Al源，以NH3为N源，在所述InGaN阱层上利用MOCVD方法外延生长厚度为12nm 13nm的InAlGaN垒层。
10.根据权利要求9所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法各步骤的工艺参数如下 所述步骤S2中，在温度为530°C 570°C，所述TMGa的流量为55mL/min 65mL/min，所述NH3的流量为1.1 X 104mL/min 1. 3X 104mL/min的工艺条件下生长厚度为20nm 30nm的GaN缓冲层；然后升温至1030°C 1100°C，并保持180s 210s，使所述GaN缓冲层重结晶; 所述步骤S3中，温度为1000°C 1250°C，所述TMGa的流量为180mL/min 200mL/min，所述 NH3 的流量为 2X 104mL/min 2· 4X 104mL/min ； 所述步骤S4中，温度为1000°C 1250°C，所述TMGa的流量为200mL/min 250mL/min，所述NH3 的流量为 2. 5X 104mT,/miη 3Χ 104mL/min,所述 SiH4 的流量为 14mT,/miη 18mT,/min ； 所述步骤S501中，温度为820°C 840°C，所述TMGa的流量为10mL/min 20mL/min，所述 TMIn 的流量为 10OmT,/mi η 1 50mT,/mi η ,所述 TMAl 的流量为 80mT,/mi η 10OmT,/mi η ,所述NH3的流量为3Χ 104mL/min 3. 3X104mL/min ;持续时长30s 60s ； 所述步骤S502中，温度为780°C 820°C，所述TMGa的流量为10mL/min 20 mL/min,所述 TMIn 的流量为 350mL/min 450mT,/min,所述 TMAl 的流量为 30mL/min 40mT,/min ,所述 NH3 的流量为 3 XlOWmin 3. 3X 104mL/min ；所述步骤S601中，温度为730°C 800°C，所述TMGa的流量为10mL/min 15mL/min，所述 TMIn 的流量为 650mL/min 750mL/min，所述 NH3 的流量为 3 X 104mL/min 3. 3 X IO4HiL/min ;持续时长30s 60s ；所述步骤S602中，温度为730°C 800°C，所述TMGa的流量为10mL/min 20mL/min，所述TMIn的流量为30mL/min 50mL/min,所述TMAl的流量为20mT,/mi η 30mL/min,所述 NH3 的流量为 3 XlOWmin 3. 3X 104mL/min ；所述步骤S7中 ，温度为950°C 1050°C的流量为30mL/min 45mL/min，所述 TMIn 的流量为 1 50mT ,/mi η 250mL/min,所述 TMAl 的流量为 50mT ,/mi η 70mT,/min,所述NH3 的流量为 3X 104mL/min 3. 3X104mL/min,所述 Cp2Mg 的流量为 600mL/min 800mL/min ；所述步骤S8中，温度为950°C 1050°C，所述TMGa的流量为30mL/min 45mL/min，所述NH3 的流量为 3 X 104mT,/mi η 3. 3 X 104mL/min,所述 Cp2Mg 的流量为 BOOmT,/mi η 800mT,/min。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S4完成后，所述方法还包括步骤S4A 以TMGa为Ga源，以NH3为N源，利用MOCVD方法在所述η型掺杂的GaN层上生长厚度为2 μ m 2. 5 μ m的组分为未掺杂的GaN的量子阱垒层；完成步骤S4A后，制得所述GaN模板。
12.根据权利要求11中任一项所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S4A的工艺参数如下温度为1000°C 1250°C，所述TMGa的流量为180mL/min 200mL/min，所述NH3的流量为 2 XlOWmin 2. 4 X 104mL/mino
13.根据权利要求7至10中任一项所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述步骤SI还包括步骤将所述衬底置于H2气氛下，加热到1050°C 1150°C并保持300s 600s，以去除所述衬底表面的H2O和O2 ;再降温到500°C 700°C，并通入NH3对衬底进行IOOs 200s的氮化处理。
14.根据权利要求7所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S8完成后，所述方法还包括以下步骤S9 :将所述步骤S8获得的产物置于650°C 700°C的N2气氛下退火15min 20min。
全文摘要
本发明公开了一种具有四元InAlGaN的LED外延结构及其制备方法，该LED外延结构包括衬底，衬底上，由下至上依次设置有GaN缓冲层、未掺杂的GaN层、n型掺杂的GaN层、多量子阱发光层、p型掺杂的InAlGaN电子阻挡层和p型掺杂的GaN层，n型掺杂的GaN层及多量子阱发光层之间设置有InAlGaN应力释放层。本发明在n型掺杂的GaN层及多量子阱发光层之间插入InAlGaN应力释放层，可以释放多量子阱的应力，提高内部量子效率，使得单位面积的多量子阱发光层的发光效率更高，且其生产方便，适于工业化应用。
文档编号H01L33/00GK103022290SQ20121055479
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月19日 优先权日2012年12月19日
发明者张宇, 余小明, 周佐华, 农明涛 申请人:湘能华磊光电股份有限公司