一种具有应力补偿效应垒层的LED外延结构的制作方法

本发明涉及发光二极管技术领域，特别是具有应力补偿效应垒层的LED外延结构。

背景技术：

随着蓝光GaN基LED应用越来越广泛，人们对蓝光GaN基LED的亮度更加关注。

现有技术中的蓝光GaN基LED外延结构如图1所示，从下到上依次为：图形化衬底1、AlN缓冲层2、U型GaN层3、N型GaN层4、浅量子阱层5、有源层6、电子阻挡层7、P型GaN层8。传统蓝光GaN基LED外延结构中由于GaN材料背景浓度较高，大量电子溢出量子阱进入P型导电层，降低电动注入效率。同时，由于电子阻挡层对电子的限制，也抑制电动的注入，降低复合效率。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种具有应力补偿效应垒层的LED外延结构。它通过增加垒层，可以提高电子阻挡效益、增加电动注入、减少效率衰减从而提高辐射复合几率，以达到增强LED内量子效率的目的。

为了达到上述发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现：

一种具有应力补偿效应垒层的LED外延结构，它从下至上依次包括图形化衬底、AlN缓冲层、U型GaN层、N型GaN层、浅量子阱层、有源区、电子阻挡层和P型GaN层。其结构特点是，所述有源区与电子阻挡层之间设有应力补偿效应垒层。所述应力补偿效应垒层从下至上依次包括本征半导体层、N型半导体层和P型半导体层。所述本征半导体层从下至上依次包括U-GaN层、U-AlGaN层和U-InGaN层，或者从下至上依次包括U-AlGaN层、U-InGaN层和U-GaN层。所述N型半导体层从下至上依次包括N-AlGaN层和N-InGaN层，或者从下至上依次包括N-InGaN层和N-AlGaN层。所述P型半导体层从下至上依次包括P-AlGaN层和P-InGaN层，或者从下至上依次包括P-InGaN层和P-AlGaN层。

在上述LED外延结构中，所述应力补偿效应垒层在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长。

在上述LED外延结构中，所述应力补偿效应垒层中U-GaN层的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm。U-AlGaN层的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，其中Al组分为0.1-0.4 。U-InGaN层的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，其中In组分为0.02-0.2 。N-AlGaN层的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，其中Al组分为0.1-0.4 ，Si的参杂浓度为5×10¹⁷-1×10¹⁹。N-InGaN层的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，其中In组分为0.02-0.2 ，Si的参杂浓度为5×10¹⁷-1×10¹⁹。P-AlGaN层的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，其中Al组分为0.1-0.4，Mg的参杂浓度为5×10¹⁷-1×10²⁰。P-InGaN层的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，其中In组分为0.02-0.2 ，Mg的参杂浓度为5×10¹⁷-1×10²⁰。

在上述LED外延结构中，所述图形化衬底使用图形化蓝宝石衬底、Si衬底或者SiC衬底任一种。

本发明由于采用了上述结构，通过本征半导体层中三层结构的生长，增加阻挡电子的势垒高度，抑制了电子的溢流现象；通过N型半导体层和P型半导体层中共四层结构的生长增加电动的注入效率，增加电动的均匀注入，从而提高了电子与电动的复合效率。同时N型半导体层的结构能降低对电动的阻挡，使电动更容易遂穿。本发明在一定程度上避免了波函数的空间分离，提高了电子空穴复合几率，从而有效提高内量子效率。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为现有技术中LED外延结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3是本发明实施例中应力补偿效应垒层的结构示意图。

具体实施方式

参看图2至图3，本发明具有应力补偿效应垒层的LED外延结构从下至上依次包括衬底1、AlN缓冲层2、U型GaN层3、N型GaN层4、浅量子阱层5、有源区6、应力补偿效应垒层601、电子阻挡层7和P型GaN层8。应力补偿效应垒层601从下至上依次包括本征半导体层611、N型半导体层612和P型半导体层613。应力补偿效应垒层601在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长。

本征半导体层611从下至上依次包括U-GaN层10、U-AlGaN层11和U-InGaN层12，或者从下至上依次包括U-AlGaN层11、U-InGaN层12和U-GaN层10。U-GaN层10的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm；U-AlGaN层11的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，Al组分为0.1-0.4 ；U-InGaN层12的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，In组分为0.02-0.2 。

N型半导体层612从下至上依次包括N-AlGaN层13和N-InGaN层14，或者从下至上依次包括N-InGaN层14和N-AlGaN层13。N-AlGaN层13的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，Al组分为0.1-0.4 ，Si的参杂浓度为5×10¹⁷-1×10¹⁹；N-InGaN层14的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm、In组分为0.02-0.2 ，Si的参杂浓度为5×10¹⁷-1×10¹⁹。

P型半导体层613从下至上依次包括P-AlGaN层15和P-InGaN层16，或者从下至上依次包括P-InGaN层16、P-AlGaN层15。P-AlGaN层15的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，Al组分为0.1-0.4 ，Mg的参杂浓度为5×10¹⁷-1×10²⁰；P-InGaN层16的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，In组分为0.02-0.2 ，Mg的参杂浓度为5×10¹⁷-1×10²⁰。

本发明结构的制备方法是在MOCVD反应炉里进行高温烘烤，去除图形化衬底1表面的残余杂质，缓慢降温在500-900℃之间，生长一层AlN缓冲层2。然后迅速升温，在900-1200℃生长U型GaN层3，生长大约10-80min，厚度为1-10um。之后生长N型GaN层4，生长温度在800-1200℃，生长时间为10-80min,生长总厚度在10-10000nm。生长浅量子阱5，生长温度在680-880℃，生长总厚度10nm-2000nm。生长有源区6，生长温度在680-880℃，生长总厚度10nm-2000nm。生长应力补偿层601。生长电子阻挡层7，在800-1000℃下，厚度为50-1000埃。再生长P型GaN层8，在800-1200℃温度下生长，厚度为1000-5000埃，Mg的浓度为5x10¹⁷ ~1x10²³ cm³。

本发明结构中应力补偿效应垒层601的具体生长方式包括以下步骤：

实施例一：

① 首先生长U-GaN层10，生长温度为700℃,生长压200mbar,

生长厚度为1nm；U-AlGaN层11生长温度为700℃,生长压力为200mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.1；U-InGaN层12生长温度为700℃,生长压力为200mbar,生长厚度为1nm、In组分为0.02 。

②其次，生长N-AlGaN层13，生长温度为700℃,生长压力为200mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.1，Si的参杂浓度为5×10¹⁷；N-InGaN层14生长温度为700℃,生长压力为200mbar,生长厚度为1nm，In组分为0.02，Si的参杂浓度为5×10¹⁷。

②最后，生长P-AlGaN层15生长温度为700℃,生长压力为

200mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.1，Mg的参杂浓度为5×10¹⁷；P-InGaN层16生长温度为700℃,生长压力为200mbar,生长厚度为1nm，In组分为0.02 ，Mg的参杂浓度为5×10¹⁷。

实施例二：

① 首先生长U-GaN层10生长温度为800℃,生长压400mbar,

生长厚度为1nm；U-AlGaN层11生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.2 ；U-InGaN层12生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm，In组分为0.05 。

③其次，生长N-AlGaN层13生长温度为800℃,生长压力为

400mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.2，Si的参杂浓度为5×10¹⁷；N-InGaN层14生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm，In组分为0.05，Si的参杂浓度1×10¹⁸。

④最后，生长P-AlGaN层15生长温度为800℃,生长压力为

400mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.2，Mg的参杂浓度为1×10¹⁸；P-InGaN层16生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm，In组分为0.05 ，Mg的参杂浓度为1×10¹⁸。

实施例三：

①首先生长U-GaN层10生长温度为800℃,生长压400mbar,生长

厚度为1nm；U-AlGaN层11生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为2nm，Al组分为0.2 ；U-InGaN层12生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为3nm，In组分为0.05 。

②其次，生长N-AlGaN层13生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为2nm，Al组分为0.2，Si的参杂浓度为5×10¹⁷；N-InGaN层14生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为4nm，In组分为0.05，Si的参杂浓度为1×10¹⁸。

③最后，生长P-AlGaN层15生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为2nm，Al组分为0.2，Mg的参杂浓度为1×10¹⁸；P-InGaN层16生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为4nm，In组分为0.05 ，Mg的参杂浓度为1×10¹⁸。

实施例四：

①首先生长U-GaN层10生长温度为900℃,生长压400mbar,

生长厚度为1nm；U-AlGaN层11生长温度为900℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.2 ；U-InGaN层12生长温度为900℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm，In组分为0.05 。

②其次，生长N-AlGaN层13生长温度为900℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.2，Si的参杂浓度为5×10¹⁷；N-InGaN层14生长温度为900℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm，In组分为0.05，Si的参杂浓度为1×10¹⁸。

③最后，生长P-AlGaN层15生长温度为900℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.2，Mg的参杂浓度为1×10¹⁸；P-InGaN层16生长温度为900℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm，In组分为0.05 ，Mg的参杂浓度为1×10¹⁸。

实施例五：

①首先生长U-GaN层10生长温度为900℃,生长压600mbar,生长

厚度为1nm；U-AlGaN层11生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.2 ；U-InGaN层12生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为1nm，In组分为0.05 。

②其次，生长N-AlGaN层13生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.2，Si的参杂浓度为5×10¹⁷；N-InGaN层14生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为1nm，In组分为0.05，Si的参杂浓度为1×10¹⁸。

③最后，生长P-AlGaN层15生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.2，Mg的参杂浓度为1×10¹⁸；P-InGaN层16生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为1nm，In组分为0.05 ，Mg的参杂浓度为1×10¹⁸。

实施例六：

①首先生长U-GaN层10生长温度为900℃,生长压600mbar,

生长厚度为10nm；U-AlGaN层11生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为10nm，Al组分为0.2 ；U-InGaN层12生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为10nm，In组分为0.05 。

②其次，生长N-AlGaN层13生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为10nm，Al组分为0.2，Si的参杂浓度为1×10¹⁸；N-InGaN层14生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为10nm，In组分为0.05，Si的参杂浓度为1×10¹⁸。

③最后，生长P-AlGaN层15生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为10nm，Al组分为0.2，Mg的参杂浓度为1×10¹⁹；P-InGaN层16生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为10nm，In组分为0.05 ，Mg的参杂浓度为1×10¹⁹。

实施例七：

①首先生长U-GaN层10生长温度为900℃,生长压力为600mbar,

生长厚度为20nm；U-AlGaN层11生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为20nm，Al组分为0.4 ；U-InGaN层12生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为20nm，In组分为0.2 。

②其次，生长N-AlGaN层13生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为20nm，Al组分为0.4 ，Si的参杂浓度为1×10¹⁹；N-InGaN层14生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为20nm，In组分为0.2 ，Si的参杂浓度为1×10¹⁹。

③最后，生长P-AlGaN层15生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为20nm，Al组分为0.4 ，Mg的参杂浓度为1×10²⁰；P-InGaN层16生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为20nm，In组分为0.2 ，Mg的参杂浓度为1×10²⁰。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，并不限于本发明的其它实施方式，凡属本发明的技术路线原则之内，所做的任何显而易见的修改、替换或改进，均应属于本发明的保护范围之内。