一种具有梯度组分和厚度应力释放层的发光二极管结构制造技术

技术编号:15569047 阅读:182 留言:0更新日期:2017-06-10 02:52
本实用新型专利技术公开了一种具有梯度组分和厚度应力释放层的发光二极管结构;该发光二极管结构自下而上依次为蓝宝石衬底、GaN成核层、非故意掺杂GaN层、N型GaN导电层、应力释放层、InGaN/GaN多量子阱有源层和P型GaN导电层;其中,应力释放层由InGaN势阱层和GaN势垒层交替组成;应力释放层的InGaN势阱层的单层厚度为3.4‑2.6nm;从下到上厚度逐渐降低;应力释放层的GaN势垒层的单层厚度为10‑16nm。本实用新型专利技术采用组分和厚度渐变应力释放层来减小多量子阱有源区的应力和缺陷密度,提高多量子阱的内量子效率和发光二极管的发光强度。

【技术实现步骤摘要】
一种具有梯度组分和厚度应力释放层的发光二极管结构
本技术涉及发光二极管
,具体涉及一种具有组分和厚度渐变应力释放层的发光二极管外延结构及其制备方法。
技术介绍
发光二极管(简称“LED”)是一种半导体固体发光器件,它利用半导体材料内部的导带电子和价带空穴发生辐射复合,是以光子形式释放能量而直接发光的。通过设计不同的半导体材料禁带宽度,发光二极管可以发射从红外到紫外不同波段的光。氮化物发光二极管以其具有高效、节能、长寿命以及体积小等优点,在世界范围内得到广泛发展。发光波长在210~365nm的紫外发光二极管,因其调制频率高、体积小、无汞环保以及高杀菌潜力等优点,在杀菌消毒、生物医药、照明、存储和通信等领域有广泛的应用前景;发光波长在440~470nm的蓝光发光二极管因其能耗低、寿命长以及环保等优点,在照明、亮化以及显示领域有巨大的应用前景;发光波长在500~550nm的绿光发光二极管,在亮化和显示以及RGB三基色照明领域也有非常好的应用前景。目前GaN基LED的内量子效率很低,特别是绿光LED的内量子效率不到蓝光LED效率的一半,这大大限制了RGB白光LED在通用照明和可见光通信领域的应用。现有技术LED外延结构如图1所示,由衬底1、GaN成核层2、非故意掺杂GaN层3、N型GaN导电层4、多量子阱有源层5和P型GaN导电层6依次连接组成;所述多量子阱有源层5由InGaN势阱层和GaN势垒层重复交替组成。InGaN势阱层与GaN势垒层晶格失配度大,存在较大的应力,导致绿光LED量子效率低的主要原因有InGaN量子阱晶体质量差、极化电场等造成的电子-空穴波函数分离严重等。世界各国科学家为了提高LED的量子效率投入了大量精力。
技术实现思路
本技术针对现有GaN基发光二极管外延片InGaN阱与GaN晶格失配度大,InGaN量子阱能带倾斜,电子-空穴波函数分离严重导致的内量子效率低的问题,提提供一种可以有效释放量子阱的应力,提高内量子效率,保证阱层厚度小于其临界层,降低缺陷密度,提高发光二极管的内量子效率的一种具有梯度组分和厚度应力释放层的发光二极管结构。本技术目的通过如下技术方案实现:一种具有梯度组分和厚度应力释放层的发光二极管结构,自下而上依次为蓝宝石衬底、GaN成核层、非故意掺杂GaN层、N型GaN导电层、应力释放层、InGaN/GaN多量子阱有源层和P型GaN导电层;其中,应力释放层由InGaN势阱层和GaN势垒层交替组成;多量子阱有源层由InGaN势阱层和GaN势垒层交替组成,其InGaN势阱层的厚度保持不变;应力释放层的InGaN势阱层的单层厚度为3.4-2.6nm;从下到上厚度逐渐降低;应力释放层的GaN势垒层的单层厚度为10-16nm。为进一步实现本技术目的,优选地,所述GaN成核层的厚度为25-40nm。优选地,所述非故意掺杂GaN层的厚度为2-3um。优选地,所述N型GaN导电层的厚度为2-3um。优选地,所述多量子阱有源层的InGaN势阱层的单层厚度为2.4-2.6nm;所述多量子阱有源层的GaN势垒层的单层厚度为10-16nm。所述P型GaN导电层的厚度为100-200nm。所述一种具有梯度组分和厚度应力释放层的发光二极管结构的制备方法,包括如下步骤:(1).将蓝宝石衬底放入金属有机化学气相化学沉积设备中,通入氢气,反应室温度升高到1100-1200℃,对衬底片进行高温清洗;(2).将温度降低到500-600℃,反应室通入氨气、氢气和三甲基镓,在步骤(1)所述的衬底片上生长GaN成核层;(3).将反应室温度提高到1050-1150℃,通入氨气、氢气和三甲基镓,在步骤(2)所述的成核层上生长非故意掺杂GaN层;(4).反应室通入硅烷、氨气、氢气和三甲基镓,在步骤(3)所述的非故意掺杂GaN层上生长N型GaN导电层,硅的掺杂浓度5×1018-9×1018cm-3;(5).重复依次进行的步骤(5a)和(5b)多次,得到多周期组分和厚度渐变的应力释放层:(5a)反应室温度降低到750-710℃,通入氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟,流量分别是20-30升/分钟、15-20升/分钟、4-5cc和400-600cc,生长InGaN势阱层,重复一次温度降低一次;每次生长的InGaN势阱层厚度控制为3.4-2.6nm;重复一次厚度降低一次;(5b).反应室温度提高到830-870℃,通入氨气、氮气和三甲基镓,流量分别为20-30升/分钟、15-20升/分钟和10-15cc,在步骤(5a)所述的InGaN势阱层上生长GaN势垒层,控制厚度为10-16nm;(6).重复依次进行的步骤(6a)和步骤(6b)多次,得到InGaN/GaN多量子阱有源层:(6a).反应室温度降低到700-710℃,通入氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟,生长InGaN势阱层;(6b).反应室温度提高到830-870℃,通入氨气、氮气、三甲基镓,生长GaN势垒层;(7)反应室通入二茂镁、氨气、氮气三甲基镓,温度提高到930-980℃,在步骤(6)所述的InGaN/GaN多量子阱有源层上生长P型GaN导电层,镁的掺杂浓度为3×1019-7×1019cm-3。优选地,步骤(2)反应室通入氨气、氢气和三甲基镓的流量分别是3-4升/分钟、20-25升/分钟和25-35cc;步骤(3)通入氨气、氢气和三甲基镓的流量分别是12-14升/分钟、25-35升/分钟和120-150cc;步骤(4)通入硅烷、氨气、氢气和三甲基镓的流量分别是6cc-12cc、12-14升/分钟、25-35升/分钟和120-150cc。优选地,步骤(6a)通入氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟的流量分别是20-30升/分钟、15-20升/分钟、4-5cc和400-600cc;步骤(6b)通入氨气、氮气、三甲基镓的流量分别为20-30升/分钟、15-20升/分钟和10-15cc。优选地,步骤(7)通入二茂镁、氨气、氮气三甲基镓的流量分别是700-750cc、15-25升/分钟、20-30升/分钟和55-65cc;步骤(5)依次进行的步骤(5a)和(5b)重复2-20次。与现有技术相比,本技术具有如下优点和技术效果:本技术针对现有GaN基发光二极管外延片InGaN量子阱与GaN量子垒的晶格失配度大,阱层缺陷密度高导致的内量子效率低等问题,提出一种具有组分厚度渐变应力释放层的发光二极管结构,本技术应力释放层组分逐渐提高到与发光量子阱铟组分一致,使应力释放层的阱层晶格常数逐渐提高到与发光量子阱层的晶格常数一致,可以有效释放量子阱的应力,提高内量子效率,同时所述应力释放层的厚度逐渐减小,保证阱层厚度小于其临界层,降低缺陷密度,提高发光二极管的内量子效率。附图说明图1为现有技术发光二极管外延结构示意图。图2为本技术发光二极管外延结构示意图。图3为本技术应力释放层和多量子阱有源区示意图,在图3中,横坐标是时间,左侧纵坐标为温度,右侧纵坐标为铟组分,图中实线是生长温度,虚线为铟组分。图4是本技术发光二极管和传统发光二极管的光致发光光谱图,在图4中,纵坐标为相对光强,横坐标是波长,单位是nm,图中实线为常规发光二极管的光谱图,虚线为本实用本文档来自技高网
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一种具有梯度组分和厚度应力释放层的发光二极管结构

【技术保护点】
一种具有梯度组分和厚度应力释放层的发光二极管结构,其特征在于,自下而上依次为蓝宝石衬底、GaN成核层、非故意掺杂GaN层、N型GaN导电层、应力释放层、InGaN/GaN多量子阱有源层和P型GaN导电层;其中,应力释放层由InGaN势阱层和GaN势垒层交替组成;多量子阱有源层由InGaN势阱层和GaN势垒层交替组成,其InGaN势阱层的厚度保持不变;应力释放层的InGaN势阱层的单层厚度为3.4‑2.6nm;从下到上厚度逐渐降低;应力释放层的GaN势垒层的单层厚度为10‑16nm。

【技术特征摘要】
1.一种具有梯度组分和厚度应力释放层的发光二极管结构,其特征在于,自下而上依次为蓝宝石衬底、GaN成核层、非故意掺杂GaN层、N型GaN导电层、应力释放层、InGaN/GaN多量子阱有源层和P型GaN导电层;其中,应力释放层由InGaN势阱层和GaN势垒层交替组成;多量子阱有源层由InGaN势阱层和GaN势垒层交替组成,其InGaN势阱层的厚度保持不变;应力释放层的InGaN势阱层的单层厚度为3.4-2.6nm;从下到上厚度逐渐降低;应力释放层的GaN势垒层的单层厚度为10-16nm。2.根据权利要求1所述的具有梯度组分和厚度应力释放层的发光二极管结构,其特征在于,所述GaN成核层的厚度为25...

【专利技术属性】
技术研发人员:周泉斌徐明升王洪
申请(专利权)人:华南理工大学
类型:新型
国别省市:广东,44

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