高发光效率的量子阱组合led外延结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能够提高出光效率的有源区LED(发光二极管)的外延结构及其制备方法，属于LED外延技术领域。
【背景技术】
[0002]二十世纪九十年代初，以氮化物为代表的第三代宽带隙半导体材料获得了历史性突破，科研人员在氮化镓材料上成功地制备出蓝绿光和紫外光LED，使得LED照明成为可能。1971年，第一只氮化镓LED管芯面世，1994年，氮化镓HEMT出现了高电子迀移率的蓝光GaN基二极管，氮化镓半导体材料发展十分迅速。
[0003]半导体发光二极管具有体积小、坚固耐用、发光波段可控性强、光效高、低热损耗、光衰小、节能、环保等优点，在全色显示、背光源、信号灯、光电计算机互联、短距离通信等领域有着广泛的应用，逐渐成为目前电子电力学领域研究的热点。氮化镓材料具有宽带隙、高电子迀移率、高热导率、高稳定性等一系列优点，因此在短波长发光器件、光探测器件以及大功率器件方面有着广泛的应用和巨大的市场前景。
[0004]半导体发光二极管因其具有节能、环保、绿色健康、长寿命等有着非常明显的优势，在指示、显示、背光领域逐渐得到广泛应用。随着LED在照明的应用领域的推进，人们需要开发高功率、高亮度LED的芯片，取代目前的其他光源。
[0005]LED被广泛应用在显示屏、传感器、通讯、照明等广泛领域。作为核心半导体器件的GaN基蓝光LED能与荧光粉结合制造白光，在照明方面有很大的吸引力。LED外延片要提高发光效率，最根本的方法就是要增强外延结构的内量子效率。目前，国内M0CVD生长GaN基LED外延片的内量子效率只能达到30%左右，还有较大的发展提高空间，而有源层MQW的生长对内量子效率的提高尤其重要。
[0006]现有传统方法制备的GaN基LED外延片的外延结构如图1所示，该外延结构自下至上依次为衬底1、缓冲层2、非掺杂GaN层3、n型AlGaN层4、n型GaN层5、有源层6、P型AlGaN层7、P型GaN层8和P型InGaN接触层9，其中有源层6是InGaN势阱层14和GaN势皇层15的组合。该外延结构是运用金属有机物化学气相沉积(M0CVD)设备以金属有机物化学气相沉积法在蓝宝石衬底上生长，采用高纯H2或高纯N2或高纯仏和化的混合气体作为载气，高纯见13作为N源，金属有机源三甲基镓或三乙基镓作为镓源，三甲基铟作为铟源，N型掺杂剂用硅烷，三甲基铝作为铝源，P型掺杂剂为二茂镁，反应室压力在100mabar-900mbar之间，具体包括以下步骤:
[0007]1、在1000-1100°C，反应腔压力维持在400-600torr的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底5-10分钟；
[0008]2、气氛为氢气和氮气的混合气体，降温至530_580°C下，反应腔压力维持在450-550torr，用2-6分钟氮化处理蓝宝石衬底1 ;然后通入TMGa，在蓝宝石衬底1上生长厚度为30-40nm的低温GaN缓冲层2 ；
[0009]3、气氛为氢气和氮气的混合气体，升高温度到1050_1250°C下，反应腔压力维持在100-250torr，通入TMGa,持续生长2.5-3.5 μ m的非掺杂GaN层3 ;
[0010]4、气氛为氮气，或气氛为氢气和氮气的混合气体，压力50-200torr，温度900-1100°C，通入TMGa、TMAl和SiH4，持续生长N型AlGaN层4，厚度为40_60nm，A1掺杂浓度 2E+20-6E+20atom/cm3，Si 掺杂浓度 5E+17_9E+17atom/cm3;
[0011]5、气氛为氢气和氮气的混合气体，反应腔压力为100-250torr，温度1050-1250°C，通入TEGa和SiH4，生长η型GaN层5，厚度在3.0-3.5um，Si的掺杂浓度为4E+18-8E+18atom/cm3；
[0012]6、(1)气氛为氮气或氮气混有少量氢气，压力为150-300torr，温度730_760°C，通入TEGa或TMGa以及TMIn，持续生长InxGai XN势阱层14，其中0〈χ〈1，且In的掺杂浓度保持不变，厚度 2.5-3.5nm，In 掺杂浓度 2E+20-3E+20atom/cm3; (2)温度升为 840-890°C，停止通入TMIn，持续生长GaN势皇层15，厚度10_13nm ； (1) (2)层循环生长周期数为10-13。
[0013]7、气氛为氢气和氮气的混合气体，再升高温度到850-1050°C°C，反应腔压力维持在 50-200torr，通入 TMGa、TMA1 和 Cp2Mg，持续生长 30_60nm 的 P 型 AlGaN 层 7，A1 的掺杂浓度 2E+20_6E+20atom/cm3，Mg 的惨杂浓度 5E+19_9E+19atom/cm3;
[0014]8、气氛为氢气和氮气的混合气体，温度为850-1000 °C，反应腔压力维持在100-250torr，通入TMGa和Cp2Mg，持续生长70_100nm的掺镁的P型GaN层8，Mg的掺杂浓度 2E+19_7E+19atom/cm3;
[0015]9、气氛为氢气和氮气的混合气体，压力100-250torr，温度850-1000°C，通入TMGa和Cp2Mg，持续生长p型接触层9，厚度2-4nm，Mg的掺杂浓度7E+19-2E+20atom/cm3;
[0016]10、气氛为氮气，压力为50-200torr，温度670-730°C，时间5_20min。接着炉内冷却至室温，即可得到如附图1所示外延结构的GaN基LED外延片，其能带结构如图3所示。
[0017]业内目前一般采用GaN/InGaN材料交替生长有源层。在注入电流后，η型GaN层中的电子因其高迀移率，会比较容易穿过发光层(有源层MQW)，迀移到有源层之上的p型GaN层中与空穴形成无效辐射复合，这样无形中降低了内量子效率。因此，有必要提供一种GaN基LED外延片的新有源层制备方法，来克服上述的技术。
[0018]中国专利文献CN104821352A公开的《一种InGaN/GaN量子阱界面中断生长结构及方法》，是在InGaN量子阱生长初期，周期性地通入/停止TMIn进入反应室，在增加In气相分压的同时，增加In扩散时间，更加有效地提高InGaN量子阱生长初期In组分，使得InGaN量子阱In组分更加均匀，InGaN/GaN界面更加陡峭，从而提高LED波长均匀性和量子阱发光效率。但是该方法较高的势皇不仅限制了电子的注入，同时限制了空穴的注入，导致多量子讲内量子效率低。所以InGaN量子讲中应力的调制成为提尚发光效率的关键因素之一。
【发明内容】
[0019]本发明针对现有多量子讲内量子存在的效率低、应力大的问题，提供一种尚发光效率的量子阱组合LED外延结构，该结构能够有效降低阱皇界面间的应力，缓解能带的弯曲，提高空穴和电子注入有源区效率和辐射复合效率。
[0020]本发明的高发光效率的量子阱组合LED外延结构，自下至上依次为衬底、缓冲层、非掺杂GaN层、η型AlGaN层、η型GaN层、有源层、P型AlGaN层、P型GaN层和P型InGaN接触层，有源层包括下层多量子阱结构、恒温多量子阱结构和上层多量子阱结构，下层多量子阱结构为InGaN势阱层和GaN势皇层周期性叠加构成；恒温多量子阱结构为恒温InGaN势阱层和恒温GaN势阱层周期性叠加构成；上层多量子阱结构为InGaN势阱层和GaN势皇层周期性叠加构成。
[0021]所述下层多量子阱结构中InGaN势阱层和GaN势皇层的循环周期数为3_5。
[0022]所述恒温多量子阱结构为恒温InGaN势阱层和恒温GaN势阱层的循环周期数为
8-15 个。
[0023]所述上层多量子阱结构为InGaN势阱层和GaN势皇层的循环周期数为5_15个。
[0024]所述下层多量子阱结构和上层多量子阱结构中的InGaN势阱层的In掺杂浓度为2E20-4E20atom/cm3；GaN 势皇层的硅掺杂浓度为 lE17_lE18atom/cm3。
[0025]所述恒温多量子阱结构中的恒温InGaN势阱层中的In掺杂浓度为2E20-4E20atom/cm3, GaN势皇层的硅掺杂浓度为硅掺杂浓度为lE17-lE18atom/cm3。
[0026]所述下层多量子阱结构和上层多量子阱结构中的InGaN势阱层的厚度为2_4nm，GaN势皇层的厚度