一种多量子阱层、LED外延结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多量子阱层，由x个InGaN量子阱层与(x+1)个GaN量子垒层交替层叠组成，x≥1；InGaN量子阱层的In组分所占摩尔比例为10％‑20％；第1个GaN量子垒层的硅掺杂浓度为5×1017‑1×1019cm‑3，第2个GaN量子垒层的硅掺杂浓度为第1个GaN量子垒层的硅掺杂浓度的y倍，第i个GaN量子垒层的硅掺杂浓度为第1个GaN量子垒层硅掺杂浓度的yi‑1倍，0.5＜y＜1，1＜i≤x，第(x+1)个GaN量子垒层的硅掺杂浓度为0。本发明专利技术还公开了LED外延结构及其制备方法。本发明专利技术的多量子阱层具有渐变硅掺杂量子垒，在不使材料质量进一步恶化的前提下，能够增大量子阱内电子浓度以及调控量子阱内发光区域，从而提升LED的发光强度并改善发光波长均匀性。

【技术实现步骤摘要】
一种多量子阱层、LED外延结构及其制备方法
本专利技术属于半导体
，涉及一种LED外延结构，尤其涉及一种具有渐变硅掺杂量子垒的InGaN/GaN多量子阱层、LED外延结构及其制备方法。
技术介绍
发光二极管(LED)具有高效、节能、安全、环保、寿命长等特点，已被广泛应用于诸多领域，以其为代表的半导体照明技术引领了第三代照明革命。然而，面对半导体照明市场对高性能发光器件的需求，LED技术目前仍面临两个亟待解决的问题：第一，发光有源区中的极化电场产生的量子束缚斯塔克效应，影响了载流子在量子阱内的辐射复合，降低了LED的发光强度；第二，LED的传统结构存在量子阱内多阱发光现象，导致器件发光波长不一致，波长均匀性较差。以上两点限制了LED在特殊领域如通信、军工等的应用，也限制了高性能、大功率LED器件性能的进一步提升。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的之一在于提供一种多量子阱层，它具有渐变硅掺杂量子垒，在不使材料质量进一步恶化的前提下，能够增大量子阱内电子浓度以及调控量子阱内发光区域，从而提升LED的发光强度并改善发光波长均匀性。本专利技术的目的之二在于提供一种包括上述多量子阱层的LED外延结构。本专利技术的目的之三在于提供一种包括上述LED外延结构的制备方法。本专利技术的目的之一采用如下技术方案实现：一种多量子阱层，其特征在于，由x个InGaN量子阱层与(x+1)个GaN量子垒层交替层叠组成，x≥1；InGaN量子阱层的In组分所占摩尔比例为10％-20％；第1个GaN量子垒层的硅掺杂浓度为5×1017-1×1019cm-3，第2个GaN量子垒层的硅掺杂浓度为第1个GaN量子垒层的硅掺杂浓度的y倍，第i个GaN量子垒层的硅掺杂浓度为第1个GaN量子垒层硅掺杂浓度的yi-1倍，0.5＜y＜1，1＜i≤x，第(x+1)个GaN量子垒层的硅掺杂浓度为0。进一步地，所述InGaN量子阱层的厚度为3-5nm，所述GaN量子垒层的厚度为10-15nm。本专利技术的目的之二采用如下技术方案实现：一种LED外延结构，其特征在于，其包括Si衬底，在Si衬底上依次生长出AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、u-GaN层、n-GaN层、本专利技术的目的之一所述的多量子阱层、电子阻挡层及p-GaN层。进一步地，所述AlN缓冲层厚度为1-200nm，所述AlGaN缓冲层的厚度为500-700nm，所述u-GaN层的厚度为600-800nm。进一步地，所述n-GaN层的厚度为2.0-2.5μm，Si掺杂浓度为5×1018-1×1020cm-3。进一步地，所述电子阻挡层的材料为AlGaN、InAlN或AlInGaN，厚度为20-50nm，Mg掺杂浓度为5×1017-1×1020cm-3。进一步地，p-GaN层的厚度为200-300nm，Mg掺杂浓度为5×1017-1×1020cm-3。本专利技术的目的之三采用如下技术方案实现：一种LED外延结构的制作方法，其特征在于，包括：1)衬底选取步骤：选用Si衬底；2)AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、u-GaN层、n-GaN层的生长步骤：采用金属有机化学气相沉积工艺在Si衬底上依次生长AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、u-GaN层、n-GaN层；3)多量子阱层生长步骤：采用金属有机化学气相沉积工艺在n-GaN层生长多量子阱层；4)电子阻挡层、p-GaN层的生长步骤：采用金属有机化学气相沉积工艺在多量子阱层上依次生长电子阻挡层、p-GaN层。进一步地，步骤2)中，具体工艺条件如下：AlN缓冲层的工艺条件为：反应室温度为1100℃，反应室压力为70Torr；AlGaN缓冲层的工艺条件为：反应室温度为1100℃，反应室压力为70Torr；u-GaN层的工艺条件为：反应室温度为1000℃，反应室压力为200Torr；n-GaN层的工艺条件为：反应室温度为1000℃，反应室压力为200Torr。进一步地，步骤3)中，反应室温度保持800-1000℃，气压保持为200Torr，多量子阱层按以下步骤依次生长x个InGaN量子阱层与(x+1)个GaN量子垒层；3-1)分别通入氮气、氨气、三甲基镓和硅烷，氮气、氨气、三甲基镓和硅烷的流量分别为50-70sccm、30-50sccm、100-150sccm、10-20sccm，生长第1个硅掺杂的GaN量子垒层，硅掺杂浓度为5×1017-1×1019cm-3；3-2)分别通入氮气、氨气、三甲基镓和三甲基铟，氮气、氨气、三甲基镓和三甲基铟的流量分别为50-70sccm、30-50sccm、450-500sccm、100-150sccm，生长InGaN量子阱层；3-3)分别通入氮气、氨气、三甲基镓和硅烷，氮气、氨气、三甲基镓和硅烷的流量分别为50-70sccm、30-50sccm、100-150sccm、5-20sccm，生长第2个硅掺杂的GaN量子垒层，硅掺杂浓度为第1个GaN量子垒层的硅掺杂浓度的y倍，0.5＜y＜1；重复子步骤3-2)；3-i)分别通入氮气、氨气、三甲基镓和硅烷，氮气、氨气、三甲基镓和硅烷的流量分别为50-70sccm、30-50sccm、100-150sccm、1-20sccm，生长第i个硅掺杂的GaN量子垒层，硅掺杂浓度为第1个GaN量子垒层的硅掺杂浓度的yi-1倍，1＜i≤x；重复子步骤3-2)；3-X+1)分别通入氮气、氨气、三甲基镓，氮气、氨气、三甲基镓的流量分别为50-70sccm、30-50sccm、100-150sccm，生长第(x+1)个硅掺杂的GaN量子垒层，硅掺杂浓度为0。进一步地，步骤4)中，具体工艺条件如下：电子阻挡层的工艺条件为：反应室温度为950℃，反应室压力为200Torr；p-GaN层的工艺条件为：反应室温度为950℃，反应室压力为200Torr。相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：本专利技术所生长的具有渐变硅掺杂量子垒的InGaN/GaN多量子阱层采用了渐变硅掺杂的量子垒，有利于提高电子向量子阱的注入，使量子阱内的电子浓度保持在较高的水平，利于提高发光强度；同时，又因为采用渐变降低掺杂浓度的方式，使得在保证量子阱的晶体质量不恶化的同时，调控量子阱内发光区域，从而提升LED的发光波长均匀性。附图说明图1为实施例1中的LED外延结构示意图；图1中：1、衬底；2、AlN缓冲层；3、AlGaN缓冲层；4、u-GaN层；5、n-GaN层；6、多量子阱层；61、量子垒层；62、量子阱层；7、电子阻挡层；8、p-GaN层。图2为实施例1中的新结构LED与传统结构LED的光输出功率曲线。图2中，实线为本专利技术新结构LED，虚线为传统结构LED。图3为实施例1中的新结构LED与传统结构LED的发光波长Mapping图。图3中，(a)本专利技术新结构LED，(b)传统结构LED。具体实施例方式下面，结合附图以及具体实施例方式，对本专利技术做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。除特殊说明的之外，本实施例中所采用到的材料及设备均可从市场购得。一种多量子阱层，由x个InGaN量子阱层与(x+1)个GaN量子垒层交替层叠组成，x≥1；InGaN量子阱层的In组分所占摩尔比例为10％-2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多量子阱层，其特征在于，由x个InGaN量子阱层与(x+1)个GaN量子垒层交替层叠组成，x≥1；InGaN量子阱层的In组分所占摩尔比例为10％‑20％；第1个GaN量子垒层的硅掺杂浓度为5×1017‑1×1019cm‑3，第2个GaN量子垒层的硅掺杂浓度为第1个GaN量子垒层的硅掺杂浓度的y倍，第i个GaN量子垒层的硅掺杂浓度为第1个GaN量子垒层硅掺杂浓度的yi‑1倍，0.5＜y＜1，1＜i≤x，第(x+1)个GaN量子垒层的硅掺杂浓度为0。

【技术特征摘要】
1.一种多量子阱层，其特征在于，由x个InGaN量子阱层与(x+1)个GaN量子垒层交替层叠组成，x≥1；InGaN量子阱层的In组分所占摩尔比例为10％-20％；第1个GaN量子垒层的硅掺杂浓度为5×1017-1×1019cm-3，第2个GaN量子垒层的硅掺杂浓度为第1个GaN量子垒层的硅掺杂浓度的y倍，第i个GaN量子垒层的硅掺杂浓度为第1个GaN量子垒层硅掺杂浓度的yi-1倍，0.5＜y＜1，1＜i≤x，第(x+1)个GaN量子垒层的硅掺杂浓度为0。2.如权利要求1所述的多量子阱层，其特征在于，所述InGaN量子阱层的厚度为3-5nm，所述GaN量子垒层的厚度为10-15nm。3.一种LED外延结构，其特征在于，其包括Si衬底，在Si衬底上依次生长出AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、u-GaN层、n-GaN层、如权利要求1-2任意一项所述的多量子阱层、电子阻挡层及p-GaN层。4.如权利要求3所述的LED外延结构，其特征在于，所述AlN缓冲层厚度为1-200nm，所述AlGaN缓冲层的厚度为500-700nm，所述u-GaN层的厚度为600-800nm，所述n-GaN层的厚度为2.0-2.5μm，Si掺杂浓度为5×1018-1×1020cm-3。5.如权利要求2所述的LED外延结构，其特征在于，所述电子阻挡层的材料为AlGaN、InAlN或AlInGaN，厚度为20-50nm，Mg掺杂浓度为5×1017-1×1020cm-3。6.如权利要求2所述的LED外延结构，其特征在于，p-GaN层的厚度为200-300nm，Mg掺杂浓度为5×1017-1×1020cm-3。7.如权利要求3-6任意一项所述的LED外延结构的制作方法，其特征在于，包括：1)衬底选取步骤：选用Si衬底；2)AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、u-GaN层、n-GaN层的生长步骤：采用金属有机化学气相沉积工艺在Si衬底上依次生长AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、u-GaN层、n-GaN层；3)多量子阱层生长步骤：采用金属有机化学气相沉积工艺在n-GaN层生长多量子阱层；4)电子阻挡层、p-GaN层的生长步骤：采用金属有机化学气相沉积工艺在多量子阱层上依次生长电子阻挡层、p-GaN层。8.如权利要求7所述的LED外延结构的制作方法，其特征在于，步骤2)中，具体工艺条件如下：AlN缓...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，
申请(专利权)人：河源市众拓光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44