一种具有发光层多量子阱过渡层的LED外延结构的制作方法

本发明涉及发光二极管技术领域，特别是具有发光层多量子阱过渡层的LED外延结构。

背景技术：

半导体二极管具有体积小、高效、节能、使用寿命长等特点而广泛应用于显示屏、背光源、传感器、通讯及照明等领域。GaN基材料的外延生长是发展GaN基高亮度LED和全固态半导体白光照明光源的核心技术, 但发光区其发光层量子阱（MQW）的品质难以成长的原因是MQW的位错密度比较大，垒和阱之间存在晶格失配产生的应力和极化电场，导致辐射复合效率比较低。因此，如何减少量子阱发光层中晶格缺陷，以提高量子阱发光层的晶体质量；以及如何降低量子阱发光层和GaN垒层和n型GaN层之间由于晶格失配产生的极化效应和电子空穴波函数空间分离现象，以提高电子和空穴的复合效率，进而提高LED的发光效率，成为LED领域中亟需攻克的目标之一。

影响有源区发光效率的因素主要有以下几个方面：

1.InGaN/GaN多量子阱层结构的一个特征是：GaN基材料是离子晶体，由于正负电荷不重合，使得材料沿着c轴方向存在着很强的自发极化效应，形成自发极化场；由于InGaN和GaN材料之间的失配所引起的应力，也会引起压电极化效应，形成压电极化场。极化场的存在会使量子阱能带发生倾斜或弯曲，使得阱区的电子和空穴限制在量子阱的两端，一方面会使得量子阱的有效带隙宽度减小使激发峰红移，另一方面导致电子和空穴的波函数在空间分布上分离，降低其辐射复合的几率，引起很强的量子限制斯塔克效应（Quantum Confined Stark Effect）。随着应变的增强，极化效应引起的极化电场同时增强，因此，在晶向的In_xGa_1-xN/GaN量子阱中随着In组分x的增加， In_xGa_1-xN与GaN之间的晶格失配增加，极化效应增强，这也是In_xGa_1-xN/GaN量子阱LED中随In组分增加时LED的发光效率显著减小的原因之一。

2.N区注入的电子有很大的载流子迁移率和浓度，在大电流的驱动下会越过量子阱区和P区的空穴复合，引起非辐射复合，使得发光效率的下降，而空穴的有效质量较大，其迁移率和载流子浓度都很低，这样就造成了在远离P区的空穴分布很少，整个阱区空穴的分布很不均匀，造成辐射复合几率的下降。

3.GaN基LED主要利用InGaN/GaN量子阱外延层发光，InGaN量子阱和GaN量子垒因晶格失配会产生应力。因量子阱InGaN和量子垒GaN交替生长，这样随着阱垒周期的不断增多，材料中的应力也不断的积聚。随着应力的累积，在GaN外延层存在的部分线性位错便会在量子阱的生长过程中被发展放大，形成V型缺陷；对V型缺陷的深度和密度必须进行有效控制，如果V型缺陷深度过深或密度过大，会导致空穴载流子通过V型缺陷侧壁进入发光量子阱进行辐射发光的效率降低，而通过V型缺陷顶端及连接的线性位错形成的漏电通道，直接与电子形成非辐射复合，降低器件内量子效率。

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具有发光层多量子阱过渡层的LED外延结构。它是在发光层多量子阱中引入In组分降低的过渡层，发光层多量子阱结构中阱层In组份的依次减小可以缓解由高In组份InGaN突然转到GaN的生长过程中产生的应力，减小极化效应，提高量子阱的晶体质量，增加复合几率。

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：

一种具有发光层多量子阱过渡层的LED外延结构，它从下至上依次包括图形化衬底、GaN缓冲层、U型GaN层、N型GaN层、有源区、电子阻挡层和P型GaN层。其结构特点是，所述有源区包括多量子阱层和生长在多量子阱层上的发光层多量子阱层。所述多量子阱层包括In_XGa_1-XN阱层和生长在In_XGa_1-XN阱层上的GaN垒层。所述发光层多量子阱层包括发光层阱层和生长在发光层阱层上的发光层垒层。所述发光层阱层和发光层垒层交替生长，生长周期为5-20个周期。所述发光层阱层包括从下至上依次生长的In组分不同的In_XGa_1-XN层且 0<x<1、In_yGa_1-yN过渡层且0< y<x和GaN过渡层。

在上述LED外延结构中，所述多量子阱层由2至10个周期的In_XGa_1-XN阱层和GaN垒层组成，其中In的组份是不变的,x值介于0.15至0.45之间。In_XGa_1-XN阱层的厚度在1-5nm之间，生长温度在730-830℃之间，生长压力在100Torr至500Torr之间。GaN垒层厚度不变，其厚度在5-7.5 nm之间，生长温度在820至1000℃之间，生长压力在100Torr 至500Torr 之间。

在上述LED外延结构中，所述多量子阱层的生长温度高于发光层多量子阱层，厚度小于发光层多量子阱层。

在上述LED外延结构中，在发光层阱层的2/5~4/5处生长一层In的组分由x递减到0的In_yGa_1-yN过渡层，在发光层阱层的4/5~1处生长一层GaN过渡层。

在上述LED外延结构中，所述In_XGa_1-XN层的生长温度为710-810℃，In组分为0.15<x<0.45，厚度为2-5nm，生长压力100-500Torr；In_yGa_1-yN层的生长温度为710-810℃，生长厚度为2-5nm，In组分由x递减到0,生长压力为100-500Torr；GaN过渡层的生长温度为710-810℃,生长厚度为1-2.5nm,生长压力100-500Torr。

在上述LED外延结构中，所述发光层垒层为GaN垒层，在周期生长中，所述发光层垒层的厚度不变且大于多量子阱层中GaN垒层的厚度，所述发光层垒层的厚度在10-15nm之间，生长温度在820-1000℃之间，生长压力在100-500Torr之间。

本发明由于采用了上述结构，在发光层多量子阱层的发光层阱层中引入过渡层，过渡层中In的组份依次减小可以缓解由高In组份InGaN突然转到GaN的生长过程中产生的应力，减小极化效应，提高量子阱的晶体质量，增加复合几率。并且，有源区分为多量子阱和发光层多量子阱两个部分，前几个周期的多量子阱用高温生长，后几个周期的发光层多量子阱用低温生长，高温生长的窄量子阱结构可以减缓电子的穿越速率，低温生长的宽量子阱结构可以提高空穴的穿越速率，使得电子和空穴的分布比较均匀，减少了非辐射复合，在一定程度上提高了波函数的复合几率，防止在大电流注入下效率下降。解决了现有技术制作的GaN基发光二极管中存在的巨大内建电场以及载流子分布不均匀所导致的量子阱发光效率减小的问题。

另外，发光层多量子阱层中由于富In的生长条件或者In组分的不均匀所形成的富In量子点，对载流子也有很好的限制作用，使得载流子很难被非辐射复合中心俘获，从而提高辐射复合的效率。

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为本发明的结构示意图；

图2为本发明中多量子阱层的结构示意图；

图3为本发明中发光层多量子阱层的结构示意图；

图4为本发明中发光层多量子阱层中发光层阱层的结构示意图。

具体实施方式

参看图1至图4，本发明具有发光层多量子阱过渡层的LED外延结构从下至上依次包括图形化衬底1、GaN缓冲层2、U型GaN层3、N型GaN层4、有源区、电子阻挡层7和P型GaN层8。有源区包括多量子阱层5和生长在多量子阱层5上的发光层多量子阱层6。发光层多量子阱层6包括发光层阱层61和生长在所述发光层阱层61上的发光层垒层62。发光层阱层61和发光层垒层62交替生长，生长周期为5-20个周期。发光层阱层61包括从下至上依次生长的In组分不同的In_XGa_1-XN层611且 0<x<1、In_yGa_1-yN过渡层612且0< y<x和GaN过渡层613。 多量子阱层5的生长温度高于发光层多量子阱层6，厚度小于发光层多量子阱层6。发光层阱层61的2/5~4/5处生长一层In的组分由x递减到0的In_yGa_1-yN过渡层612，在发光层阱层61的4/5~1处生长一层GaN过渡层613。In_XGa_1-XN层611的生长温度为710-810℃，In组分为0.15<x<0.45，厚度为2-5nm，生长压力100-500Torr。In_yGa_1-yN层612的生长温度为710-810℃，生长厚度为2-5nm，In组分由x递减到0,生长压力为100-500Torr。GaN过渡层613的生长温度为710-810℃,生长厚度为1-2.5nm,生长压力100-500Torr。多量子阱层5由2至10个周期的In_XGa_1-XN阱层51和GaN垒层52组成，其中In的组份是不变的,x值介于0.15至0.45之间。GaN垒层52生长于In_XGa_1-XN阱层51上，In_XGa_1-XN阱层51的厚度在1-5nm之间，生长温度在730-830℃之间，生长压力在100Torr至500Torr之间。GaN垒层52厚度不变，其厚度在5-7.5 nm之间，生长温度在820至1000℃之间，生长压力在100Torr 至500Torr 之间。发光层垒层62为GaN垒层，在周期生长中，所述发光层垒层62的厚度不变且大于多量子阱层5中GaN垒层52的厚度。发光层垒层62的厚度在10-15nm之间，生长温度在820-1000℃之间，生长压力在100-500Torr之间。

本发明以高纯氢气（H2）或氮气（N2）或高纯氢气和高纯氮气的混合气体作为载气，以三甲基镓（TMGa）、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）和氨气（NH3）分别作为Ga、Al、In 和N源，用硅烷（SiH4）、二茂镁（Cp2Mg）分别作为n、p 型掺杂剂。

实施例一

本发明的生长方法为：

1）在MOCVD反应炉里进行高温烘烤，去除蓝宝石图形化衬底1表面的残余杂质。

　 2）缓慢降温在500-800℃之间，生长一层GaN缓冲层2。

　 3）迅速升温，在1000-1200℃生长U型GaN层3，生长10-70min，厚度为0.5-6um。

　 4）生长N型GaN层4，生长温度在1000-1200℃，生长厚度在0.5-5um。

5）生长多量子阱层5：

多量子阱层 5：由10个周期的In_XGa_1-XN/GaN多量子阱组成，其中0.15<x<0.45。In_XGa_1-XN阱层51中In 的组份是0.15，In_XGa_1-XN阱层51的厚度为1nm，生长温度在830℃，生长压力在100Torr；GaN垒层52的厚度为5nm，生长温度在1000℃，生长压力在100Torr。

6）发光层多量子阱6：

发光层多量子阱结构MQW 6：由20个周期的In_XGa_1-XN/ In_yGa_1-yN/ GaN阱层/GaN垒层多量子阱组成，其中0.15<x<0.45，0<y<x。所述In_XGa_1-XN层611的生长温度为810℃，In组分为0.15，厚度为2nm，生长压力100Torr；In_yGa_1-yN层612的生长温度为810℃，生长厚度为2nm，In组分为由0.15递减到0,生长压力为100Torr。GaN阱层613的生长温度为810℃,生长厚度为1nm,生长压力100Torr。发光层垒层62的厚度为10 nm，生长温度在1000℃，生长压力在100 Torr。

7）在800-1000℃下生长P型AlGaN电子阻挡层7,厚度为50-1000埃。

8)生长P型GaN层8，生长温度在800-1000℃下生长，厚度为200-700埃，Mg的浓度为5x10¹⁷ ~1x10²³cm³。

实施例二

本发明的生长方法为：

1）在MOCVD反应炉里进行高温烘烤，去除蓝宝石图形化衬底1表面的残余杂质。

　 2）缓慢降温在500-800℃之间，生长一层GaN缓冲层2。

　 3）迅速升温，在1000-1200℃生长U型GaN层3，生长10-70min，厚度为0.5-6um。

　 4）生长N型GaN层4，生长温度在1000-1200℃，生长厚度在0.5-5um。

5）生长多量子阱层5：

多量子阱层 5：由5个周期的In_XGa_1-XN/ GaN多量子阱组成。In_XGa_1-XN阱层51中In的组份是0.3，In_XGa_1-XN阱层51的厚度为3nm，生长温度在780℃，生长压力在300Torr；GaN垒层52的厚度为6.25 nm，生长温度在920℃，生长压力在300Torr。

6）发光层多量子阱6：

发光层多量子阱结构MQW 6：由10个周期的In_XGa_1-XN/ In_yGa_1-yN/GaN阱层/GaN垒层多量子阱组成。所述In_XGa_1-XN层611的生长温度为760℃，In组分为0.3，厚度为3.5nm，生长压力300Torr；In_yGa_1-yN层612的生长温度为760℃，生长厚度为3.5nm，In组分为由0.3递减到0,生长压力为300Torr；GaN阱层613的生长温度为760℃,生长厚度为1.75nm,生长压力300Torr；发光层垒层62的厚度为12.5 nm，生长温度在920℃，生长压力在300 Torr。

7）在800-1000℃下生长P型AlGaN电子阻挡层7,厚度为50-1000埃。

8)生长P型GaN层8，生长温度在800-1000℃下生长，厚度为200-700埃，Mg的浓度为5x10¹⁷ ~1x10²³cm³。

实施例三

本发明的生长方法为：

1）在MOCVD反应炉里进行高温烘烤，去除蓝宝石图形化衬底1表面的残余杂质。

　 2）缓慢降温在500-800℃之间，生长一层GaN缓冲层2。

　 3）迅速升温，在1000-1200℃生长U型GaN层3，生长10-70min，厚度为0.5-6um。

　 4）生长N型GaN层4，生长温度在1000-1200℃，生长厚度在0.5-5um。

5）生长多量子阱层5：

多量子阱层 5：由2个周期的In_XGa_1-XN/GaN多量子阱组成。In_XGa_1-XN阱层51中In的组份是0.45，In_XGa_1-XN阱层51的厚度为5nm，生长温度在730℃，生长压力在500Torr；GaN垒层52的厚度为7.5 nm，生长温度在820℃，生长压力在500Torr。

6）发光层多量子阱6：

发光层多量子阱结构MQW 6：由5个周期的In_XGa_1-XN/ In_yGa_1-yN/ GaN阱层/GaN垒层多量子阱组成。所述In_XGa_1-XN层611的生长温度为710℃，In组分为0.45，厚度为5nm，生长压力500Torr；In_yGa_1-yN层612的生长温度为710℃，生长厚度为5nm，In组分为由0.45递减到0,生长压力为500Torr；GaN阱层613的生长温度为710℃,生长厚度为2.5nm,生长压力500Torr；发光层垒层62的厚度不变，其厚度在15 nm，生长温度在820℃，生长压力在500 Torr。

7）在800-1000℃下生长P型AlGaN电子阻挡层7,厚度为50-1000埃。

8)生长P型GaN层8，生长温度在800-1000℃下生长，厚度为200-700埃，Mg的浓度为5x10¹⁷ ~1x10²³cm³。

　　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。