LED外延结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种LED外延结构及其制备方法，所述LED外延结构从下至上依次包括：衬底、底部缓冲层、N型半导体层、有源层以及P型半导体层，其中有源层包括依次堆叠的第一多量子阱结构、第二多量子阱结构和第三多量子阱结构，且第一多量子阱结构、第二多量子阱结构和第三多量子阱结构均为阱层和垒层交替生长形成的周期性结构，第一多量子阱结构的垒层为含Al组分的结构层，第二多量子阱结构的垒层为氮化镓结构层，第三多量子阱结构的垒层为含In组分的结构层。本发明专利技术通过有源层的垒层设计不仅能增强有源层的载流子限制效应，减缓电子迁移速率，防止电子溢出，而且还能够增加有源层的空穴注入，提高辐射复合效率，进而提升光效。进而提升光效。进而提升光效。

【技术实现步骤摘要】
LED外延结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体
，特别涉及一种LED外延结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]由氮化镓(GaN)基发光二极管设计的蓝光、绿光、琥珀色(介于黄色和咖啡色之间，波长在579.3nm左右)甚至红光的应用和开发越来越受企业和研究工作者的关注。GaN基发光二极管多采用GaN/InGaN作为有源层，而有源层的InGaN中的高In组分与GaN的晶格失配大，会造成有源层中形成巨大的压电场，使极化效应增强，能带倾斜，电子和空穴空间分布分离，进而会产生量子斯塔克效应(QCSE)，使辐射复合效率降低，影响发光。另外，由于电子质量小，迁移速度快，容易溢出至P型半导体层，而空穴质量大，迁移速度慢，注入至有源层中的效率极低，影响发光二极管光效提升。
[0003]因此，有必要设计一种LED外延结构来提高辐射复合效率，进而提升光效。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种LED外延结构及其制备方法，以提高LED的辐射复合效率，进而提升光效。
[0005]为了实现上述目的以及其他相关目的，本专利技术提供了一种LED外延结构，从下至上依次包括：衬底、底部缓冲层、N型半导体层、有源层以及P型半导体层，其中所述有源层包括依次堆叠的第一多量子阱结构、第二多量子阱结构和第三多量子阱结构，且所述第一多量子阱结构、第二多量子阱结构和第三多量子阱结构均为阱层和垒层交替生长形成的周期性结构，所述第一多量子阱结构的垒层为含Al组分的结构层，所述第二多量子阱结构的垒层为氮化镓结构层，所述第三多量子阱结构的垒层为含In组分的结构层。
[0006]可选的，在所述的LED外延结构中，所述第一多量子阱结构的垒层的材料包括Al
x
Ga1‑
x
N，x的取值范围为0.02～0.05，且x沿着所述第一多量子阱结构的生长方向逐渐降低。
[0007]可选的，在所述的LED外延结构中，所述第三多量子阱结构的材料包括In
y
Ga1‑
y
N，y的取值范围为0.01～0.02，且y沿着所述第三多量子阱结构的生长方向逐渐增加。
[0008]可选的，在所述的LED外延结构中，所述第一多量子阱结构的周期数>所述第二多量子阱结构的周期数>所述第三多量子阱结构的周期数。
[0009]可选的，在所述的LED外延结构中，所述第一多量子阱结构、第二多量子阱结构和第三多量子阱结构的周期数的总和为介于6～20的整数。
[0010]可选的，在所述的LED外延结构中，所述第一多量子阱结构中的单层垒层的厚度>所述第二多量子阱结构中的单层垒层的厚度>所述第三多量子阱结构中的单层垒层的厚度。
[0011]可选的，在所述的LED外延结构中，所述第一多量子阱结构中的单层垒层的厚度为11nm～13nm，所述第二多量子阱结构中的单层垒层的厚度为10nm～11nm，所述第三多量子
阱结构中的单层垒层的厚度为8nm～10nm。
[0012]可选的，在所述的LED外延结构中，所述第一多量子阱结构中的垒层中掺杂Si，且Si的掺杂浓度为5E16cm
‑3～5E17cm
‑3，所述第三多量子阱结构中的垒层中掺杂Mg，且Mg的掺杂浓度为5E16cm
‑3～5E17cm
‑3。
[0013]可选的，在所述的LED外延结构中，所述有源层中的每层阱层均包括依次堆叠的量子阱准备层、中间量子阱层和量子阱层帽层，其中所述量子阱准备层为InN层，所述中间量子阱层和量子阱层帽层均为InGaN层，且所述中间量子阱层的In组分大于所述量子阱层帽层的In组分。
[0014]可选的，在所述的LED外延结构中，所述中间量子阱层的材料包括In
a
Ga1‑
a
N，且a的取值范围为0.08～0.15，所述量子阱层帽层的材料包括In
b
Ga1‑
b
N，且b的取值范围为0.05～0.07。
[0015]可选的，在所述的LED外延结构中，所述量子阱准备层的厚度为0.3nm～0.5nm，所述中间量子阱层的厚度为2nm～4nm，所述量子阱层帽层的厚度为0.3nm～0.5nm。
[0016]可选的，在所述的LED外延结构中，所述有源层还包括中间缓冲层，所述中间缓冲层位于所述N型半导体层与所述第一多量子阱结构之间，所述中间缓冲层包括前多量子阱结构或者氮化镓层与前多量子阱结构形成的组合结构。
[0017]可选的，在所述的LED外延结构中，所述有源层还包括最后垒层，所述最后垒层位于所述第三多量子阱结构与所述P型半导体层之间，所述最后垒层的材料包括AlN、AlGaN和AlGaInN中的至少一种。
[0018]可选的，在所述的LED外延结构中，所述LED外延结构还包括位于所述底部缓冲层与所述N型半导体层之间的非故意掺杂层，且所述非故意掺杂层的材料包括GaN。
[0019]可选的，在所述的LED外延结构中，所述P型半导体层包括依次堆叠的低温P型层、电子阻挡层、P型电流扩展层以及P型欧姆接触层。
[0020]为了实现上述目的以及其他相关目的，本专利技术还提供了一种LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
[0021]提供一衬底；
[0022]在所述衬底上依次生长底部缓冲层、N型半导体层和有源层，所述有源层包括依次堆叠的第一多量子阱结构、第二多量子阱结构和第三多量子阱结构，且所述第一多量子阱结构、第二多量子阱结构和第三多量子阱结构均为阱层和垒层交替生长形成的周期性结构，所述第一多量子阱结构的垒层为含Al组分的结构层，所述第二多量子阱结构的垒层为氮化镓结构层，所述第三多量子阱结构的垒层为含In组分的结构层；
[0023]在所述有源层上生长P型半导体层。
[0024]可选的，在所述的LED外延结构的制备方法中，所述第一多量子阱结构的垒层的材料包括Al
x
Ga1‑
x
N，x的取值范围为0.02～0.05，且x沿着所述第一多量子阱结构的生长方向逐渐降低。
[0025]可选的，在所述的LED外延结构的制备方法中，所述第三多量子阱结构的材料包括In
y
Ga1‑
y
N，y的取值范围为0.01～0.02，且y沿着所述第三多量子阱结构的生长方向逐渐增加。
[0026]可选的，在所述的LED外延结构的制备方法中，所述第一多量子阱结构的周期数>
所述第二多量子阱结构的周期数>所述第三多量子阱结构的周期数。
[0027]可选的，在所述的LED外延结构的制备方法中，所述第一多量子阱结构、第二多量子阱结构和第三多量子阱结构的周期数的总和为介于6～20的整数。
[0028]可选的，在所述的LED外延结构的制备方法中，所述第一多量子阱结构中的单层垒层的厚度&本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种LED外延结构，其特征在于，从下至上依次包括：衬底、底部缓冲层、N型半导体层、有源层以及P型半导体层，其中所述有源层包括依次堆叠的第一多量子阱结构、第二多量子阱结构和第三多量子阱结构，且所述第一多量子阱结构、第二多量子阱结构和第三多量子阱结构均为阱层和垒层交替生长形成的周期性结构，所述第一多量子阱结构的垒层为含Al组分的结构层，所述第二多量子阱结构的垒层为氮化镓结构层，所述第三多量子阱结构的垒层为含In组分的结构层。2.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一多量子阱结构的垒层的材料包括Al
x
Ga1‑
x
N，x的取值范围为0.02～0.05，且x沿着所述第一多量子阱结构的生长方向逐渐降低。3.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述第三多量子阱结构的材料包括In
y
Ga1‑
y
N，y的取值范围为0.01～0.02，且y沿着所述第三多量子阱结构的生长方向逐渐增加。4.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一多量子阱结构的周期数>所述第二多量子阱结构的周期数>所述第三多量子阱结构的周期数。5.如权利要求4所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一多量子阱结构、第二多量子阱结构和第三多量子阱结构的周期数的总和为介于6～20的整数。6.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一多量子阱结构中的单层垒层的厚度>所述第二多量子阱结构中的单层垒层的厚度>所述第三多量子阱结构中的单层垒层的厚度。7.如权利要求6所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一多量子阱结构中的单层垒层的厚度为11nm～13nm，所述第二多量子阱结构中的单层垒层的厚度为10nm～11nm，所述第三多量子阱结构中的单层垒层的厚度为8nm～10nm。8.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一多量子阱结构中的垒层中掺杂Si，且Si的掺杂浓度为5E16cm
‑3～5E17cm
‑3，所述第三多量子阱结构中的垒层中掺杂Mg，且Mg的掺杂浓度为5E16cm
‑3～5E17cm
‑3。9.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述有源层中的每层阱层均包括依次堆叠的量子阱准备层、中间量子阱层和量子阱层帽层，其中所述量子阱准备层为InN层，所述中间量子阱层和量子阱层帽层均为InGaN层，且所述中间量子阱层的In组分大于所述量子阱层帽层的In组分。10.如权利要求9所述的LED外延结构，其特征在于，所述中间量子阱层的材料包括In
a
Ga1‑
a
N，且a的取值范围为0.08～0.15，所述量子阱层帽层的材料包括In
b
Ga1‑
b
N，且b的取值范围为0.05～0.07。11.如权利要求9所述的LED外延结构，其特征在于，所述量子阱准备层的厚度为0.3nm～0.5nm，所述中间量子阱层的厚度为2nm～4nm，所述量子阱层帽层的厚度为0.3nm～0.5nm。12.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述有源层还包括中间缓冲层，所述中间缓冲层位于所述N型半导体层与所述第一多量子阱结构之间，所述中间缓冲层包括前多量子阱结构或者氮化镓层与前多量子阱结构形成的组合结构。13.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述有源层还包括最后垒层，所述
最后垒层位于所述第三多量子阱结构与所述P型半导体层之间，所述最后垒层的材料包括AlN、AlGaN和AlGaInN中的至少一种。14.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述LED外延结构还包括位于所述底部缓冲层与所述N型半导体层之间的非故意掺杂层，且所述非故意掺杂层的材料包括GaN。15.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述P型半导体层包括依次堆叠的低温P型层、电子阻挡层、P型电流扩展层以及P型欧姆接触层。16.一种LED外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：提供一衬底；在所述衬底上依次生长底部缓冲层、N型半导体层和有源层，所述有源...

【专利技术属性】
技术研发人员：董雪振，李森林，毕京锋，王亚宏，薛龙，赖玉财，谢岚驰，廖寅生，
申请(专利权)人：厦门士兰明镓化合物半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：