【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体器件领域，具体涉及一种长波长ingan基发光二极管的外延结构及其制备方法。
技术介绍
1、高效率的铟镓氮(ingan)基发光二极管(light-emitting diode,led)在照明、显示、可见光通讯和生物健康等领域发挥出重要作用。目前，基于ingan基led的全彩色显示是新型显示领域的重要需求。然而，蓝光和绿光ingan基led的效率相对较高，红光ingan基led还处于效率比较低的水平。
2、导致红色ingan led效率低下的原因主要有两方面。一方面的原因是红光量子阱的生长温度低。对于高铟组分的红光ingan led，为了保持in的并入，采用金属有机气相外延(metalorganic vapor phase epitaxy,movpe)时量子阱的生长温度一般低于700℃，而低温生长的多量子阱通常含有高密度缺陷，这显著降低了红色ingan基led的辐射复合效率。另一方面是红光量子阱中由晶格失配引入的过大压应力。压应力会在ingan量子阱层中诱发强极化电场，导致量子限制斯塔克效应。同时，根据能量最小化原理，当in-n成键所需的应变能较大时，压应变会抑制铟的并入。
3、由于v型坑结构的缺陷屏蔽和应力释放效果，多量子阱中的v型坑(v-pits)结构能够被用于红光量子阱中的缺陷、极化电场和铟并入等问题。在ingan/gan多量子阱中，v-pits主要有两种来源：一种是由穿透位错诱导出的单个v型坑结构，另一种是由量子垒中层错诱导出的环状v型坑结构，即沟槽结构。在过去，由穿透位错诱导出的
4、在过去的研究中，沟槽结构显著降低了蓝光和绿光ingan led的整体发光效率(appl.phys.lett.105,112110(2014))。然而，在部分沟槽结构内部的量子阱中观察到了局部的发光增强和波长红移的现象(appl.phys.lett.98,141908(2011))。这种局部区域的强度增强主要归因于沟槽结构内部的屏蔽缺陷和应力弛豫作用，而波长红移则归因于增加的铟并入(nanoscale,14,402(2022))。因此，沟槽结构具备提升红光ingan led效率的潜力。然而，目前还缺乏合理的调控手段，将沟槽结构的屏蔽缺陷和应力弛豫的效果用于提升红光ingan led整体的发光效率。
技术实现思路
1、针对以上现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种长波长ingan基发光二极管的外延结构及其制备方法，通过在量子阱中引入沟槽，利用沟槽对量子阱的发光增强和波长红移的效果，实现制备高效率长波长ingan基发光二极管的外延结构。
2、本专利技术的一个目的在于提出一种长波长ingan基发光二极管的外延结构。
3、本专利技术的长波长ingan基发光二极管的外延结构包括：衬底、非故意掺杂的氮化镓层、n型掺杂的氮化镓层、沟槽型多量子阱、修复层、发光多量子阱和p型掺杂的氮化镓层；在衬底上依次形成非故意掺杂的氮化镓层和n型掺杂的氮化镓层；在n型掺杂的氮化镓层上外延生长沟槽型多量子阱，通过控制生长条件，在外延生长沟槽型多量子阱的过程中同时在表面形成高密度的沟槽，沟槽型多量子阱的材料为inxga1-xn/gan，其中，x为沟槽型多量子阱中的铟组分，沟槽型多量子阱的沟槽作为空间隔离，避免沟槽内部的量子阱中的载流子受到外部缺陷的影响；在沟槽型多量子阱上形成修复层，修复层用于修复沟槽型多量子阱的粗糙表面，为后续生长的发光多量子阱提供平整的生长表面，并且修复层作为空穴阻挡层，阻挡来自p型掺杂的氮化镓层的空穴进入到沟槽型多量子阱中，使得空穴集中于发光多量子阱中用于辐射复合；在修复层上外延生长发光多量子阱，发光多量子阱作为电流注入时的发光量子阱，用于发射长设定波长的光，发光多量子阱的材料采用inzga1-zn/gan，其中，z为发光多量子阱中的铟组分，发光多量子阱中的铟组分z大于沟槽型多量子阱中的铟组分x；沟槽型多量子阱中的沟槽为修复层提供应力弛豫，使得修复层的晶格得到扩张，从而提高发光多量子阱中的铟并入，发光多量子阱中增加的铟并入使得发光多量子阱的阱层的禁带宽度减小，从而实现长波长发光；在发光多量子阱上形成p型掺杂的氮化镓层，得到长波长ingan基发光二极管的外延结构。
4、衬底的材料采用蓝宝石(al2o3)、硅(si)或者碳化硅(sic)。
5、非故意掺杂的氮化镓层的厚度为1μm～5μm，n型掺杂的氮化镓层的厚度为1μm～10μm；n型掺杂的氮化镓层的掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1020cm-3。
6、沟槽型多量子阱中的inxga1-xn的铟组分满足0.1≤x≤0.4。沟槽型多量子阱表面产生的沟槽的密度为1×107cm-2～1×1010cm-2之间；单个沟槽的横向尺寸为10nm～1μm，深度在10nm～300nm。
7、修复层的厚度小于500nm；修复层的材料采用inyga1-yn厚膜，inyga1-yn/gan超晶格或氮化镓层，其中，y为修复层中inyga1-yn中的铟组分，0.01≤y≤0.2，修复层的铟组分低于沟槽型多量子阱的铟组分。
8、发光多量子阱中的inzga1-zn的铟组分满足0.2≤z≤0.5，发光多量子阱的铟组分高于沟槽型多量子阱的铟组分。
9、本专利技术的另一个目的在于提出一种长波长ingan基发光二极管的外延结构的制备方法。
10、本专利技术的长波长ingan基发光二极管的外延结构的制备方法，包括以下步骤：
11、1)提供能够生长氮化镓的衬底；
12、2)在衬底上依次外延生长非故意掺杂的氮化镓层和n型掺杂的氮化镓层；
13、3)在n型掺杂的氮化镓层上外延生长沟槽型多量子阱，通过控制生长条件，在外延生长沟槽型多量子阱的过程中同时在表面产生高密度的沟槽，产生高密度的沟槽的生长条件为降低阱层和/或垒层的生长温度、采用三甲基镓(tmga)作为金属源、降低氨气(nh3)与金属源的流量比例或者提高三甲基铟(tmin)与三乙基镓(tega)的流量比例；沟槽型多量子阱包括多个相互交叠的阱层和垒层，沟槽型多量子阱的阱层的材料为inxga1-xn，其中，x为沟槽型多量子阱中的铟组分，沟槽型多量子阱的垒层的材料为gan；沟槽型多量子阱的沟槽作为空间隔离，避免沟槽内部的量子阱中的载流子受到外部缺陷的影响；
14、4)在沟槽型多量子阱上外延生长修复层，修复层的生长温度高于沟槽型多量子阱的生长温度；修复层用于修复沟槽型多量子阱的粗糙表面，为后续生长的发光多量子阱提供平整的生长表面，并且修复层作为空穴阻挡层，阻挡来自p型掺杂的氮化镓层的空穴进入到沟槽型多量子阱中，使得空穴集中于发光多量子本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种长波长InGaN基发光二极管的外延结构，其特征在于，所述外延结构包括：衬底、非故意掺杂的氮化镓层、n型掺杂的氮化镓层、沟槽型多量子阱、修复层、发光多量子阱和p型掺杂的氮化镓层；在衬底上依次形成非故意掺杂的氮化镓层和n型掺杂的氮化镓层；在n型掺杂的氮化镓层上外延生长沟槽型多量子阱，通过控制生长条件，在外延生长沟槽型多量子阱的过程中同时在表面形成高密度的沟槽，沟槽型多量子阱的材料为InxGa1-xN/GaN，其中，x为沟槽型多量子阱中的铟组分，沟槽型多量子阱的沟槽作为空间隔离，避免沟槽内部的量子阱中的载流子受到外部缺陷的影响；在沟槽型多量子阱上形成修复层，修复层用于修复沟槽型多量子阱的粗糙表面，为后续生长的发光多量子阱提供平整的生长表面，并且修复层作为空穴阻挡层，阻挡来自p型掺杂的氮化镓层的空穴进入到沟槽型多量子阱中，使得空穴集中于发光多量子阱中用于辐射复合；在修复层上外延生长发光多量子阱，发光多量子阱作为电流注入时的发光量子阱，用于发射长设定波长的光，发光多量子阱的材料采用InzGa1-zN/GaN，其中，z为发光多量子阱中的铟组分，发光多量子阱中的铟组分z大于沟槽型多量子
2.如权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述沟槽型多量子阱中的InxGa1-xN的铟组分满足0.1≤x≤0.4；沟槽型多量子阱表面产生的沟槽的密度为1×107cm-2～1×1010cm-2之间；
3.如权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述修复层的厚度小于500nm；修复层的材料采用InyGa1-yN厚膜，InyGa1-yN/GaN超晶格或氮化镓层，其中，y为修复层中InyGa1-yN中的铟组分，0.01≤y≤0.2，修复层的铟组分低于沟槽型多量子阱的铟组分。
4.如权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述发光多量子阱中的铟组分z满足0.2≤z≤0.5，发光多量子阱的铟组分高于沟槽型多量子阱的铟组分。
5.一种如权利要求1所述的长波长InGaN基发光二极管的外延结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，沟槽型多量子阱中的铟组分x满足0.1≤x≤0.4；沟槽型多量子阱表面产生的沟槽的密度为1×107cm-2～1×1010cm-2之间；单个沟槽的横向尺寸为10nm～1μm，深度在10nm～300nm；。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，产生沟槽的生长条件为：阱层生长的温度为500℃～750℃，垒层的温度为600℃～850℃；三甲基铟与三乙基镓的流量比例为5～50；或者，氨气与金属源的流量比例为50～500。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤4)中，修复层的厚度小于500nm；修复层的材料采用InyGa1-yN厚膜，InyGa1-yN/GaN超晶格或氮化镓层，其中，y为修复层中InyGa1-yN中的铟组分，0.01≤y≤0.2；修复层的生长温度为750℃～1000℃。
9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤5)中，发光多量子阱中的铟组分z满足0.2≤z≤0.5。
10.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤5)中，发光多量子阱的阱层的生长温度为600℃～750℃，垒层的生长温度为700℃～900℃，并且采用三乙基镓作为金属源，三甲基铟与三乙基镓的流量比例为1～20。
...【技术特征摘要】
1.一种长波长ingan基发光二极管的外延结构，其特征在于，所述外延结构包括：衬底、非故意掺杂的氮化镓层、n型掺杂的氮化镓层、沟槽型多量子阱、修复层、发光多量子阱和p型掺杂的氮化镓层；在衬底上依次形成非故意掺杂的氮化镓层和n型掺杂的氮化镓层；在n型掺杂的氮化镓层上外延生长沟槽型多量子阱，通过控制生长条件，在外延生长沟槽型多量子阱的过程中同时在表面形成高密度的沟槽，沟槽型多量子阱的材料为inxga1-xn/gan，其中，x为沟槽型多量子阱中的铟组分，沟槽型多量子阱的沟槽作为空间隔离，避免沟槽内部的量子阱中的载流子受到外部缺陷的影响；在沟槽型多量子阱上形成修复层，修复层用于修复沟槽型多量子阱的粗糙表面，为后续生长的发光多量子阱提供平整的生长表面，并且修复层作为空穴阻挡层，阻挡来自p型掺杂的氮化镓层的空穴进入到沟槽型多量子阱中，使得空穴集中于发光多量子阱中用于辐射复合；在修复层上外延生长发光多量子阱，发光多量子阱作为电流注入时的发光量子阱，用于发射长设定波长的光，发光多量子阱的材料采用inzga1-zn/gan，其中，z为发光多量子阱中的铟组分，发光多量子阱中的铟组分z大于沟槽型多量子阱中的铟组分x；沟槽型多量子阱中的沟槽为修复层提供应力弛豫，使得修复层的晶格得到扩张，从而提高发光多量子阱中的铟并入，发光多量子阱中增加的铟并入使得发光多量子阱的阱层的禁带宽度减小，从而实现长波长发光；在发光多量子阱上形成p型掺杂的氮化镓层，得到长波长ingan基发光二极管的外延结构。
2.如权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述沟槽型多量子阱中的inxga1-xn的铟组分满足0.1≤x≤0.4；沟槽型多量子阱表面产生的沟槽的密度为1×107cm-2～1×1010cm-2之间；
3.如权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述修复层的厚度小于500nm；修复层的材料采用inyga1-...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈志忠，潘祚坚，张浩东，胡凌，黄飞，邓楚涵，陈怡安，董勃言，王大奇，李俞辰，陈伟华，焦飞，康香宁，沈波，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：
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