复合多量子阱有源层、高光效LED外延片及其制备方法与流程

本发明涉及半导体，特别涉及一种复合多量子阱有源层、高光效led外延片及其制备方法。

背景技术：

1、随着外延芯片技术的进步以及设备的更新，基于gan基发光二极管已可以应用于显示、照明、医疗等领域，并且不断朝着高光效、微型化、集成化的方向发展，吸引着研究者们的广泛关注。

2、多量子阱有源区作为led外延结构的核心区，也被作为重点研究。gan基发光二极管的多量子阱有源区一般是由低温的ingan量子阱与高温的gan量子垒层交替生长获得的周期性结构。由于量子垒gan层的生长温度较高(800℃～900℃)，会对此前低温生长(700℃～750℃)的ingan量子阱层造成破坏，造成in偏析损失，通常做法是在生长量子垒层之前生长低温gan作为保护层，此保护层也称为帽层。然而，较低的温度会造成生长帽层时氮源(nh3)的分解不够充分，会形成n空位等缺陷，因此，也会引起in的偏析，造成阱垒界面不清晰，从而造成发光二极管的光效降低。并且，在gan基发光二极管中，由于电子具有比空穴更小的有效质量和更高的迁移速率，因此注入到多量子阱有源区的电子浓度远大于空穴浓度，导致能够实际发光的量子阱主要集中靠近p型半导体层的最后几个阱中，尤其在大电流密度下，这种现象更为明显；常见的做法是采用高势垒的algan阻挡电子的溢出，此法会同时造成空穴注入受阻，引起正向工作电压升高。

3、现有技术中，普遍使用的量子阱有源区的低温gan帽层，低温使得氮源的分解不够充分，形成n空位等缺陷，会向阱垒区域蔓延，造成阱垒界面模糊，降低了发光二极管的发光效率。此外，采用高势垒的algan电子阻挡层结构虽然可以阻碍量子阱有源区电子溢流，但是同时会抑制空穴的注入，造成电子空穴复合效率降低，使得发光二极管工作电压增大。

技术实现思路

1、基于此，本发明的目的是提供一种复合多量子阱有源层、高光效led外延片及其制备方法，用于解决现有技术中发光二极管的发光效率低的技术问题。

2、本发明一方面提供一种复合多量子阱有源层，包括复合有源区以及设于所述复合有源区上的末阱有源区，所述复合有源区包括多个有源区，所述有源区包括周期性依次层叠设置的量子阱层、帽层以及量子垒层，所述量子阱层包括量子阱ingan层，所述帽层包括依次设置于所述量子阱层上的低温gan层、中温烘烤层以及中温alxga1-xn层，所述量子垒层包括掺si高温gan层；

3、所述末阱有源区包括依次设置的末量子阱层、末帽层以及末量子垒层，所述末量子阱层设于所述复合有源区的上方，所述末量子阱层包括末量子阱ingan层，所述末帽层包括依次设置于所述末量子阱层上的低温gan层、中温烘烤层以及中温gan层，所述末量子垒层包括掺mg高温gan层。

4、另外，根据本发明上述的复合多量子阱有源层，还可以具有如下附加的技术特征：

5、进一步地，多个有源区包括依次层叠设置的前阱有源区、中阱有源区以及后阱有源区，在所述前阱有源区中，量子阱层、帽层以及量子垒层的周期数为2～4，量子阱ingan层的厚度为2nm～3.5nm，低温gan层的厚度为0.3nm～0.5nm，中温alxga1-xn层的厚度在0.2nm～0.4nm，x的取值在0.15～0.3，掺si高温gan层的厚度10nm～18nm，si掺杂浓度为3×1016cm-3～6×1017cm-3。

6、进一步地，在所述中阱有源区中，量子阱层、帽层以及量子垒层的周期数为2～4，量子阱ingan层的厚度为2nm～3.5nm，低温gan层的厚度为0.3nm～0.5nm，中温alxga1-xn层的厚度在0.2nm～0.4nm，x的取值在0.2～0.35，掺si高温gan层的厚度10nm～18nm，si掺杂浓度为2×1016cm-3～4×1017cm-3。

7、进一步地，在所述后阱有源区中，量子阱层、帽层以及量子垒层的周期数为1～3，量子阱ingan层的厚度为2nm～3.5nm，低温gan层的厚度为0.3nm～0.5nm，中温alxga1-xn层的厚度在0.2nm～0.4nm，x的取值在0.1～0.2，掺si高温gan层的厚度10nm～18nm，si掺杂浓度为1×1016cm-3～3×1017cm-3。

8、进一步地，所述前阱有源区、所述中阱有源区以及所述后阱有源区中，量子垒层的si掺杂浓度依次递减。

9、进一步地，所述后阱有源区、所述前阱有源区、以及所述中阱有源区中，帽层的al掺杂浓度依次递增。

10、进一步地，所述末量子阱ingan层的厚度为2nm～3.5nm，所述末帽层的厚度为0.5nm～0.8nm，所述掺mg高温gan层的厚度为10nm～18nm，mg掺杂浓度为3×1017cm-3～1×1018cm-3。

11、本发明一方面还提供一种高光效led外延片，包括衬底、以及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、本征gan层，n型半导体外延层、应力释放层、复合多量子阱有源层、电子阻挡层、p型半导体外延层，其中，所述复合多量子阱有源层采用上述的复合多量子阱有源层。

12、本发明另一方面提供一种高光效led外延片制备方法，用于制备上述的高光效led外延片，包括：

13、获取一衬底；

14、在所述衬底上依次生长缓冲层、本征gan层，n型半导体外延层、应力释放层、复合多量子阱有源层、电子阻挡层、p型半导体外延层；

15、其中，所述复合多量子阱有源层的生长方法包括：

16、在所述应力释放层上依次生长复合有源区以及末阱有源区以形成所述复合多量子阱有源层；

17、其中，所述复合有源区的生长方法包括：

18、在所述所述应力释放层上周期性依次生长多个量子阱层、帽层以及量子垒层以形成所述复合有源区，所述量子阱层包括量子阱ingan层，帽层包括依次设置于所述量子阱层上的低温gan层、中温烘烤层以及中温alxga1-xn层，所述量子垒层包括掺si高温gan层。

19、另外，根据本发明上述的高光效led外延片制备方法，还可以具有如下附加的技术特征：

20、进一步地，在所述所述应力释放层上周期性依次生长多个量子阱层、帽层以及量子垒层以形成所述复合有源区的步骤中：

21、量子阱ingan层的生长温度为700℃～800℃，生长压力为100torr～150torr；

22、所述低温gan层的生长温度为720℃～740℃，所述中温烘烤层的生长温度为730℃～750℃，所述中温alxga1-xn层的生长温度为750℃～780℃；

23、所述掺si高温gan层的生长温度为850℃～900℃。

24、上述复合多量子阱有源层、高光效led外延片及其制备方法，通过设置复合有源区以及末阱有源区形成复合多量子阱有源层，增加电子和空穴在有源区的复合浓度和效率，有效提升了发光二极管的光效；

25、具体的，复合有源区包括多个有源区，每一有源区均包括周期性依次层叠设置的量子阱层、帽层以及量子垒层，其中，帽层包括低温gan层、中温烘烤层以及中温alxga1-xn层，首先，中温烘烤层的实质上是生长暂停层，是对腔体中反应残留的in进行清洗，可以提高复合多量子阱有源层的阱垒界面的晶体质量，提升对应发光二极管的抗静电能力；其次，二次覆盖的中温alxga1-xn层与低温gan层的搭配，不仅可以保护量子阱中的in组分，同时可以形成高导带势垒，对流经量子阱的电子具有阻挡作用，而且其相对较薄，对空穴的限制作用较小，因此可以极大地提高阱中空穴与电子的复合机率；再者，量子垒层包括掺si高温gan层，为电子的注入提供通道，降低工作电压；为了避免过多的si掺杂会造成价带向下弯曲、空穴阻挡势垒的高度增加，采用了量子垒梯度掺si以及末量子垒掺mg的技术调整载流子在多量子阱区的分布，可以有效提高量子阱中空穴的注入效率，从而提高发光二极管的发光效率。