一种高LED发光效率的外延片及其生长方法与流程

本发明属于半导体技术领域，具体涉及发光二极管外延结构的生产技术领域。

技术背景

近年来，氮化物基底LED被广泛地应用于显示屏、背光、照明以及路灯等众多领域，随着较高功率LED的大规模应用，市场对于LED的亮度、发光效率等提出更高的要求。

目前通过外延结构提高LED发光效率主要是提高其内量子效率：一是量子阱结构的优化，大多采用渐变In组分、渐变量子阱厚度、AlInGaN超晶格、Delta掺杂Si元素等，缓解有源区中的应力、降低量子限制斯塔克效应的影响，提高电子和空穴空间波函数的交叠；二是对P型GaN材料进行优化，通过调整生长压力，Delta掺杂Al、In等元素提高有效空穴浓度，最终目的都是为了增加量子阱中电子和空穴辐射复合效率，提高亮度。本发明提出了一种在N型氮化镓后插入N型AlN/GaN MQB的结构，该结构改善了载流子分布的均匀性，增加了载流子的横向扩展，使电子能够在有源区充分复合，减少电子泄漏，该结构易于实现，且适合大规模量产。

技术实现要素：

为了克服以上现有技术存在的缺陷，本发明的第一目的在于提出一种高LED发光效率的外延片。

本发明在衬底的同一侧依次设置缓冲层、非故意掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、AlN/GaN叠层结构MQB（Multi Quantum Barrier）层、多量子阱层、电子阻挡层和P型掺杂GaN层。

本发明在N型氮化镓层和多量子阱层之间插入N型AlN/GaN MQB结构。通过插入的N型AlN/GaN MQB结构来增加电流的扩展，可有效改善载流子进入量子阱前的均匀性，使电子能够在有源区充分复合，有源区量子阱能够被充分利用，减少电子泄漏，大幅提高发光二极管的内量子效率，进而提高发光二极管器件的光电特性，提高发光二极管的亮度。

另外，本发明所述AlN/GaN叠层结构MQB 层由1～8对AlN/GaN层组成。AlN的禁带宽度大于GaN的禁带宽度，起到势垒阻挡电子的作用，采用多层MQB结构，能使载流子更好的扩展。

所述AlN/GaN层至少两对，每对AlN/GaN层的总厚度为1～10nm，每对AlN/GaN层中AlN与GaN的厚度比为0.2～5∶1，相邻对的AlN与GaN的厚度比呈梯度变化。本发明通过变化AlN层厚度，可以调整势垒宽度，优化阻挡电子的效果，从而增强AlN/GaN MQB结构的作用。

另外，本发明所述AlN/GaN叠层结构MQB 层的总厚度控制在30±10nm。采用较薄的MQB层在增加电流扩展的同时，也可提高电子向多量子阱的注入效率。

本发明的另一目的是提出以上产品的生产方法。

本发明在衬底的同一侧依次外延生长缓冲层、非故意掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、AlN/GaN叠层结构MQB层、多量子阱层、电子阻挡层和P型掺杂GaN层，其特征在于在温度为1100～1200℃、压力为50～400mbar的条件下，在N型掺杂GaN层上生长形成AlN/GaN叠层结构MQB层。

本发明生产方法简单，在生长AlN/GaN MQB层时，稳定反应室的温度和压力，通过控制三甲基镓（TMGa）和三甲基铝（TMAl）注入反应室的时间和流量就可以实现，能明显改善电流扩展，提高LED发光二极管的亮度，适合大规模量产。

在生长AlN/GaN叠层结构MQB层时，对AlN或GaN中的至少一层进行N型掺杂。采用N型掺杂可使AlN/GaN MQB层在发挥电流扩展作用的同时增加载流子向量子阱中的注入效率。单对AlN进行N型掺杂或者单对GaN进行N型掺杂都可以起到增加载流子向量子阱注入的作用。

在生长AlN/GaN叠层结构MQB层时，生长形成1～8对AlN/GaN层。

生长形成至少两对AlN/GaN层，每对AlN/GaN层的总厚度为1～10nm，每对AlN/GaN层中AlN与GaN的生长厚度比为0.2～5∶1。通过调整每一对AlN/GaN层的厚度，可以控制电流扩展的强度以及载流子向量子阱注入的效率。

生长形成的所述AlN/GaN叠层结构MQB 层的总厚度为30±10nm。

附图说明

图1为本发明的外延结构示意图。

图中，L00：衬底；L01：缓冲层；L02：非故意掺杂GaN层；L03：N型掺杂GaN层；L04：AlN/GaN MQB层；L05：多量子阱层；L06：电子阻挡层；L07：P型掺杂GaN层。

图2为AlN/GaN MQB层能带示意图（相邻对AlN/GaN厚度比递减）。

图3为AlN/GaN MQB层能带示意图（相邻对AlN/GaN厚度比递增）。

图4为不同的发光二极管的注入电流和相对光通量的关系对比图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容做进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

一、生产工艺：

本发明外延结构采用MOCVD生长，H₂、N₂作为有机金属源的载气，SiH₄提供N型掺杂，二茂镁（Cp₂Mg）提供P型掺杂，NH₃作为Ⅴ族源，三甲基镓（TMGa）、三乙基镓（TEGa）、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）、作为Ⅲ族有机金属源，如图1所示，生长步骤如下：

步骤1： 在H₂环境下，将温度升高到1150℃对衬底L00表面进行高温清洁处理，之后降温到600℃，通NH₃进行表面氮化处理，衬底L00可以选用蓝宝石、Si、SiC、GaN等，本实例中优选蓝宝石衬底。

步骤2：通入三甲基镓(TMGa)生长形成厚度为30nm的GaN缓冲层L01，生长压力为600mbar。

步骤3：升温到1180℃，降低生长压力至300mbar，生长形成非故意掺杂GaN层L02，厚度为2.5μm。

步骤4：通入SiH₄进行N型掺杂，在温度为1180℃的条件下，形成N型掺杂GaN层L03，厚度为3μm。

步骤5：降温到1100～1200℃（本例优选1150℃），在N型掺杂GaN层L03上，采用50～400mbar （本例优选150mbar）的压力生长形成AlN/GaN MQB层L04。

AlN/GaN MQB层L04有多种形式，以下例举两例：

方式一：变化生长AlN/GaN MQB层中的AlN厚度，AlN厚度从厚到薄，如图2所示能带示意图，每对中AlN与GaN的厚度比递减，由5∶1渐变为1∶1，AlN/GaN MQB层L04的总厚度为30nm。

方式二：变化生长AlN/GaN MQB层中的AlN厚度，AlN厚度从薄到厚，如图3所示能带示意图，每对中AlN与GaN的厚度比递增，由1∶1渐变为5∶1，AlN/GaN MQB层L04的总厚度为30nm。

以上两种方式中，AlN/GaN MQB层可以只对AlN进行N型掺杂，或者只对GaN进行N型掺杂，也可以同时对AlN和GaN分别进行N型掺杂。每对AlN/GaN层的总厚度控制在1～10nm。

步骤6：降低生长温度到740℃，生长多量子阱层L05，低温通入三甲基铟（TMIn）生长InGaN量子阱，升高温度到840℃生长GaN量子垒。

步骤7：温度继续升高到950℃，通入三甲基铝（TMAl），生长形成AlGaN电子阻挡层L06。

步骤8：继续升温到1050℃，通入二茂镁（Cp₂Mg），生长P型掺杂GaN层L07。

二、形成的产品结构特点：

如图1所示，在衬底L00的同一侧依次设置缓冲层L01、非故意掺杂GaN层L02、N型掺杂GaN层L03、AlN/GaN叠层结构MQB层L04、多量子阱层L05、电子阻挡层L06和P型掺杂GaN层L07。

其中：

AlN/GaN叠层结构MQB 层L04由2～8对AlN/GaN层构成。

AlN/GaN叠层结构MQB 层L04中每一对AlN/GaN层的厚度为1～10nm。

AlN/GaN叠层结构MQB 层L04中每一对AlN与GaN的厚度不同，每对AlN/GaN层中AlN与GaN的厚度比控制在0.2～5∶1之间。

AlN/GaN叠层结构MQB 层L04的总厚度控制在30±10nm。

为了说明本发明的结构特征，图2、3为能带示意图，从图2、3可见在生长AlN/GaN MQB层时，通过控制每对中AlN的厚度来实现能带变化。

三、产品测试：

将传统工艺制作的外延片和本发明以上方法制作的外延片按相同的方法分别制成LED，经测试，分别取得相应的LED的注入电流和相对光通量的关系图，见图4所示。图4中结构1为使用本发明制作的外延片，结构2为传统工艺制作的外延片。

测试电流由0逐步增加到250mA，每间隔10mA测试一下相对光通量，由图4可以看出，随着电流逐步增加，采用本发明制作的外延片发光效率大幅提升，在250mA时，亮度较传统工艺提升约10%。通过在N型掺杂GaN层上插入AlN/GaN MQB层，能够明显提高LED的发光亮度。