一种带电流扩展层的蓝光LED外延结构的制作方法

本发明涉及发光二极管外延技术领域，特别是带电流扩展层的蓝光LED外延结构。

背景技术：

随着蓝光GaN LED应用越来越广泛，人们对蓝光GaN LED的光效要求越来越高，近几年LED业界学者通过优化PSS衬底规格、改善晶体质量、抑制极化效应、提高注入电流、提高空穴掺杂浓度等来获得高光效的外延片。

目前，在提高注入电流均匀性方面，研究者做了大量的工作，例如生长P-InGaN空穴扩展层新型结构的提出，很大程度上提高了P极空穴注入的均匀性，从而一定程度上提高内量子效率，但是由于LED正装芯片N电极的结构局限性，电子由N-GaN进入有源区时无法均匀注入，从而影响有源区中电子空穴的复合，同时，由于GaN材料中电子迁移率远远高于空穴，从而造成电子和空穴不能够均匀复合，最终降低内量子效率。

现有技术中，传统的蓝光GaN LED外延结构，从下到上依次为：蓝宝石衬底、AlN缓冲层、U型GaN层、N型GaN层、有源区、电子阻挡层、P型GaN层和P-InGaN层。为了克服电子注入均匀性问题，很多研究学者研发出很多结构以提高电流扩展层的注入均匀性。例如：减薄量子阱中阱和垒层厚度，有助于提高大电流注入均匀性，从而提高光效，但在小电流注入下光效并没有提高；还有增加量子阱数量、量子阱垒层掺杂，在一定程度上提高了电流注入均匀性，但会造成晶体质量下降，从而降低光效。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种带电流扩展层的蓝光LED外延结构。它是通过在现有外延结构中插入电流扩展层，以提高电子注入均匀性、阻挡底层位错缺陷的延伸，从而提高辐射复合几率，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：

一种带电流扩展层的蓝光LED外延结构，它从下至上依次包括蓝宝石衬底、AlN缓冲层、U型GaN层、N型GaN层、有源区、电子阻挡层、P型GaN层和P-InGaN层。其结构特点是，所述N型GaN层和有源区之间置有电流扩展层，电流扩展层包括掺杂Si的Al_xGa_1-xN层和InGaN层。Al_xGa_1-xN层和InGaN层交替生长且交替生长周期为3-6个周期。

在上述蓝光LED外延结构中，所述Al_xGa_1-xN层中0≤x＜1，Si掺杂浓度为1×10¹⁸ cm³，且x随着周期数的增加而递减。

在上述蓝光LED外延结构中，所述Al_xGa_1-xN层的生长温度为680-980℃，生长压力为300-600mbar，生长厚度为60-100nm。所述InGaN层的生长温度为680-980℃，生长压力为300-600mbar，生长厚度为10-30nm。Al_xGa_1-xN层和InGaN层的厚度均随着周期数的增加而增加，Al_xGa_1-xN层的能带宽度逐渐靠近InGaN层。

在上述蓝光LED外延结构中，所述电流扩展层在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长。

在上述蓝光LED外延结构中，所述电流扩展层采用AlGaN/GaN Sls、Sls InGaN/GaN或Sls AlGaInN/GaN材料中的一种。

本发明由于采用了上述结构，通过掺杂Si的Al_xGa_1-xN层与InGaN层交替生长，而InGaN层有助于电子扩展，使注入电子均匀性更好。Al_xGa_1-xN层因其势垒高于GaN材料，有助于控制从N型GaN进入有源区的电子分布，同时有助于阻挡底层延伸出来的位错缺陷，以提高电子和空穴的复合效率，从而提高内量子效率。此外，Al_xGa_1-xN层与InGaN层交替生长模式形成超晶格结构，更有利于提高电子注入有源区的均匀性。同现有技术相比，本发明在很大程度上提高了注入电子的均匀性，降低了有源区位错缺陷，提高了电子空穴复合几率，以达到增强了LED内量子效率的目的。

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是本发明的结构示意图；

图2是本发明实施例中电流扩展层生长3个周期的结构示意图；

图3是本发明实施例中电流扩展层的能带示意图。

具体实施方式

参看图1至图3，本发明带电流扩展层的蓝光LED外延结构从下至上依次包括蓝宝石衬底1、AlN缓冲层2、U型GaN层3、N型GaN层4、电流扩展层5、有源区6、电子阻挡层7、P型GaN层8和P-InGaN层9。电流扩展层5包括掺杂Si的Al_xGa_1-xN层51和InGaN层52，Al_xGa_1-xN层51和InGaN层52交替生长且交替生长周期为3-6个周期。

Al_xGa_1-xN层51中0≤x＜1，Si掺杂浓度为1×10¹⁸ cm³，且x随着周期数的增加而递减。Al_xGa_1-xN层51的生长温度为680-980℃，生长压力为300-600mbar，生长厚度为60-100nm。InGaN层52的生长温度为680-980℃，生长压力为300-600mbar，生长厚度为10-30nm。Al_xGa_1-xN层51和InGaN层52的厚度均随着周期数的增加而增加，Al_xGa_1-xN层51的能带宽度逐渐靠近InGaN层52。电流扩展层5在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长。电流扩展层5采用AlGaN/GaN Sls、Sls InGaN/GaN或Sls AlGaInN/GaN材料中的一种。

本发明外延结构的制备方法是在MOCVD反应炉里进行高温烘烤，去除蓝宝石衬底1表面的残余杂质，在缓慢降温在500-900℃之间，生长一层 AlN 缓冲层2，然后迅速升温，在900-1200℃生长GaN层3，生长大约10-80min，厚度为1-5μm。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1-5μm。生长电流扩展层5，生长温度在680-980℃，生长总厚度10nm-200nm。生长有源区6，总厚度在200-300nm。在800-1000℃下生长P-AlGaN 层7，厚度为5-100埃。再生长P-GaN层8，生长温度在800-1200℃下生长，厚度为1000-5000埃，Mg的浓度为5×10¹⁷ ~1×10²³ cm³ 。在600-800℃下生长P-InGaN,层9厚度为10-100nm。

本发明中的电流扩展层5的具体生长方式包括以下步骤：

实施例一，电流扩展层5在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长3个周期：

1）生长掺杂Si的Al_xGa_1-xN层51,其中，x为0.8，Si掺杂浓度为1×10¹⁸，生长温度为680℃，生长压力300mbar,厚度60nm；再生长InGaN层52,生长温度为680℃，生长压力300mbar,厚度10nm。

2）生长掺杂Si的Al_xGa_1-xN层51, 其中，x为0.4，Si掺杂浓度为1*10¹⁸，生长温度为680℃，生长压力300mbar,厚度80nm；再生长InGaN层52,生长温度为680℃，生长压力300mbar,厚度20nm。

3）生长掺杂Si的Al_xGa_1-xN层51, 其中，x为0，Si掺杂浓度为1×10¹⁸，生长温度为680℃，生长压力300mbar,厚度100nm；再生长InGaN层52,生长温度为680℃，生长压力300mbar,厚度30nm。

实施例二，电流扩展层5在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长3个周期：

1）生长掺杂Si的Al_xGa_1-xN层51,其中，x为0.8，Si掺杂浓度为1×10¹⁸，生长温度为680℃，生长压力400mbar,厚度60nm；再生长InGaN层52,生长温度为680℃，生长压力400mbar,厚度10nm。

2）生长掺杂Si的Al_xGa_1-xN层51, 其中，x为0.4，Si掺杂浓度为1×10¹⁸，生长温度为680℃，生长压力400mbar,厚度80nm；再生长InGaN层52,生长温度为680℃，生长压力400mbar,厚度20nm。

3）生长掺杂Si的Al_xGa_1-xN层51, 其中，x为0，Si掺杂浓度为1×10¹⁸，生长温度为680℃，生长压力400mbar,厚度100nm；再生长InGaN层52,生长温度为680℃，生长压力400mbar,厚度30nm。

实施例三，电流扩展层5在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长5个周期：

1)生长掺杂Si的Al_xGa_1-xN层51,其中，x为0.8，Si掺杂浓度为1×10¹⁸，生长温度为880℃，生长压力300mbar,厚度60nm；再生长InGaN层52,生长温度为880℃，生长压力300mbar,厚度10nm。

2)生长掺杂Si的Al_xGa_1-xN层51, 其中，x为0.6，Si掺杂浓度为1×10¹⁸，生长温度为880℃，生长压力300mbar,厚度70nm；再生长InGaN层52,生长温度为880℃，生长压力300mbar,厚度15nm。

3)生长掺杂Si的Al_xGa_1-xN层51, 其中，x为0.4，Si掺杂浓度为1×10¹⁸，生长温度为880℃，生长压力300mbar,厚度80nm；再生长InGaN层52,生长温度为880℃，生长压力300mbar,厚度20nm。

4)生长掺杂Si的Al_xGa_1-xN层51, 其中，x为0.2，Si掺杂浓度为1×10¹⁸，生长温度为880℃，生长压力300mbar,厚度90nm；再生长InGaN层52,生长温度为880℃，生长压力300mbar,厚度25nm。

5)生长掺杂Si的Al_xGa_1-xN层51, 其中，x为0，Si掺杂浓度为1×10¹⁸，生长温度为880℃，生长压力300mbar,厚度100nm；再生长InGaN层52,生长温度为880℃，生长压力300mbar,厚度30nm。

实施例四，电流扩展层5在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长5个周期：

1)生长掺杂Si的Al_xGa_1-xN层51,其中，x为0.8，Si掺杂浓度为1×10¹⁸，生长温度为880℃，生长压力600mbar,厚度60nm；再生长InGaN层52,生长温度为880℃，生长压力600mbar,厚度10nm。

2)生长掺杂Si的Al_xGa_1-xN层51, 其中，x为0.6，Si掺杂浓度为1×10¹⁸，生长温度为880℃，生长压力600mbar,厚度70nm；再生长InGaN层52,生长温度为880℃，生长压力600mbar,厚度15nm。

3)生长掺杂Si的Al_xGa_1-xN层51, 其中，x为0.4，Si掺杂浓度为1×10¹⁸，生长温度为880℃，生长压力600mbar,厚度80nm；再生长InGaN层52,生长温度为880℃，生长压力600mbar,厚度20nm。

4)生长掺杂Si的Al_xGa_1-xN层51, 其中，x为0.2，Si掺杂浓度为1×10¹⁸，生长温度为880℃，生长压力600mbar,厚度90nm；再生长InGaN层52,生长温度为880℃，生长压力600mbar,厚度25nm。

5)生长掺杂Si的Al_xGa_1-xN层51, 其中，x为0，Si掺杂浓度为1×10¹⁸，生长温度为880℃，生长压力600mbar,厚度100nm；再生长InGaN层52,生长温度为880℃，生长压力600mbar,厚度30nm。

实施例五，电流扩展层5在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长6个周期：

1)生长掺杂Si的Al_xGa_1-xN层51,其中，x为0.9，Si掺杂浓度为1×10¹⁸，生长温度为980℃，生长压力300mbar,厚度60nm；再生长InGaN层52,生长温度为980℃，生长压力300mbar,厚度10nm。

2)生长掺杂Si的Al_xGa_1-xN层51, 其中，x为0.75，Si掺杂浓度为1×10¹⁸，生长温度为980℃，生长压力300mbar,厚度70nm；再生长InGaN层52,生长温度为980℃，生长压力300mbar,厚度20nm。

3)生长掺杂Si的Al_xGa_1-xN层51, 其中，x为0.6，Si掺杂浓度为1×10¹⁸，生长温度为980℃，生长压力300mbar,厚度80nm；再生长InGaN层52,生长温度为980℃，生长压力300mbar,厚度30nm。

4)生长掺杂Si的Al_xGa_1-xN层51, 其中，x为0.45，Si掺杂浓度为1×10¹⁸，生长温度为980℃，生长压力300mbar,厚度90nm；再生长InGaN层52,生长温度为980℃，生长压力300mbar,厚度40nm。

5)生长掺杂Si的Al_xGa_1-xN层51, 其中，x为0.3，Si掺杂浓度为1×10¹⁸，生长温度为980℃，生长压力300mbar,厚度100nm；再生长InGaN层52,生长温度为980℃，生长压力300mbar,厚度50nm。

6)生长掺杂Si的Al_xGa_1-xN层51, 其中，x为0.15，Si掺杂浓度为1×10¹⁸，生长温度为980℃，生长压力300mbar,厚度110nm；再生长InGaN层52,生长温度为980℃，生长压力300mbar,厚度60nm。

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。