專利名稱：低極化效應(yīng)的氮化鎵基發(fā)光二極管用外延材料及制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氮化鎵基發(fā)光二極管用外延材料及制備方法，特別涉及一種采用量 子阱調(diào)制技術(shù)來減弱極化效應(yīng)的低極化效應(yīng)的氮化鎵基發(fā)光二極管用外延材料及 制法。
背景技術(shù)：
以GaN為代表的寬禁帶材料，是繼Si和GaAs之后的第三代半導(dǎo)體。由于外 延技術(shù)的突破，在上個(gè)世紀(jì)九十年代期間有快速的發(fā)展。在不到十年的時(shí)間內(nèi)，GaN已 變成全球性研究發(fā)展課題，而GaN市場(chǎng)中發(fā)光二極管又占了主要份額，目前藍(lán)寶石襯 底有C面和A面用于GaN基發(fā)光二極管已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化.我們目前通常在C面藍(lán)寶石襯底上 外延GaN基LED,得到的是c面GaN, III-V族氮化物材料的空間結(jié)構(gòu)不具有空間中心 反演對(duì)稱，并且V族元素的原子和N原子的電負(fù)性相差很大，因此沿GaN的〈0001〉方 向具有很強(qiáng)的極性.這一極化效應(yīng)將產(chǎn)生強(qiáng)度較高的內(nèi)建電場(chǎng)，并且使正負(fù)載流子在空 間上分離，這樣導(dǎo)致發(fā)光波長(zhǎng)紅移,更嚴(yán)重的后果是電子和空穴波函數(shù)交疊變少,材料 的發(fā)光效率大大降低。目前，國(guó)際上GaN基藍(lán)光LEl)的內(nèi)量子效率最高才達(dá)到3(m， 一般僅到20%.而對(duì) 于無極化效應(yīng)的GaAs系LED,其最高內(nèi)量子效率可以達(dá)到100%，常規(guī)產(chǎn)品的內(nèi)量子 效率也可以達(dá)到70%左右。因此,研究生長(zhǎng)非極性面的G我消除電子、空穴的空間分 離，對(duì)于提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率，提供了重要途徑。GaN晶體質(zhì)量差，位錯(cuò)密度髙達(dá)108-107cnf2，極化效應(yīng)強(qiáng)，嚴(yán)重的制約了發(fā)光二極 管的發(fā)光效率。實(shí)驗(yàn)表明量子阱中摻In會(huì)有效的提高發(fā)光效率，當(dāng)前主流理論認(rèn)為In 組分的存在導(dǎo)致局域化效應(yīng)，因此提高了量子阱的發(fā)光效率。但由于極化效應(yīng)存在，
使局域化效應(yīng)對(duì)提高發(fā)光效率的作用被很大程度抵消.分析表明，無極化效應(yīng)的GaN 基LED材料可以大幅度提高量子阱發(fā)光效率，從根本上解決GaN基LED高效率的問題。 生長(zhǎng)無極化效應(yīng)的GaN基量子阱目前有兩種方案 一種是選取非極性面襯底上生 長(zhǎng)出無極化效應(yīng)的材料；另一種是生長(zhǎng)AlInGaN四元合金材料，選取合適的組分配比， 抵消掉極化效應(yīng)。第一種方案有兩個(gè)方向， 一是在Y—LiA102的(001)襯底上利用 MBE技術(shù)生長(zhǎng)(I一IOO) M面GaN,其主要困難是Y—LiA102的熱穩(wěn)定性差，并且生長(zhǎng) 的GaN材料背底摻雜濃度高；二是在藍(lán)寶石的r面襯底上生長(zhǎng)a面非極性GaN材料， 其主要困難是a面GaN外延材料表現(xiàn)出嚴(yán)重的不對(duì)稱性，外延材料難以實(shí)現(xiàn)二維層狀 生長(zhǎng)。第二種方案的困難在于很難生長(zhǎng)出將極化效應(yīng)完全抵消的材料。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于針對(duì)以上問題而提供一種低極化效應(yīng)的GaN基發(fā)光二極管外延 材料及其制備方法，即采用調(diào)控量子阱結(jié)構(gòu)和量子阱有源區(qū)結(jié)構(gòu)結(jié)合，通過能帶工 程，使量子阱有源區(qū)的能帶彎曲產(chǎn)生反方向彎曲，實(shí)際降低量子阱有源區(qū)的極化效 應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了量子阱有源區(qū)的低極化效應(yīng)，增大了電子或空穴波函數(shù)的交疊，并且由 于調(diào)控量子阱區(qū)的電子隧穿進(jìn)入有源區(qū)量子阱，提高了電子濃度，進(jìn)一步提高了發(fā) 光二極管的內(nèi)量子發(fā)光效率；解決常規(guī)GaN基LED量子阱有源區(qū)由于強(qiáng)極化效應(yīng)產(chǎn) 生強(qiáng)度較高的內(nèi)建電場(chǎng)，并且使正負(fù)載流子在空間上分離而導(dǎo)致發(fā)光波長(zhǎng)紅移，更 嚴(yán)重的后果是電子或空穴波函數(shù)交疊變少,材料發(fā)光效率低的問題。本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的低極化效應(yīng)的GaN發(fā)光二極管用外延材料的制備方法，其特征在 于，在GaN基極性LED用外延材料的制備過程中，將具有較低能帶的長(zhǎng)波長(zhǎng)量子阱 的電子或空穴隧穿到具有較高能帶的短波長(zhǎng)量子阱中，以提高的量子阱發(fā)光效率；同時(shí)，在GaN基極性LED用外延材料的制備過程中，利用不同極化效應(yīng)引起的量 子阱界面電荷不同，用極化效應(yīng)高界面電荷大的量子阱來減少極化效應(yīng)低的量子阱的 極化效應(yīng)，以提高量子阱電子或空穴交疊，提高GaN基LED用外延材料的發(fā)光強(qiáng)度；
所述的具有較低能帶的長(zhǎng)波長(zhǎng)量子阱是指設(shè)計(jì)光熒光波長(zhǎng)為200nm至600nm 的量子阱；所述的具有較高能帶的短波長(zhǎng)量子阱是指設(shè)計(jì)光熒光波長(zhǎng)為200nm至600nm的 量子阱；所述具有較低能帶的長(zhǎng)波長(zhǎng)量子阱的設(shè)計(jì)光熒光峰位相比所述的具有較高能帶的 短波長(zhǎng)量子阱的設(shè)計(jì)光熒光峰位向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)的范圍在5nm 100nra之間。所述極化效應(yīng)高界面電荷大的量子阱是指界面電荷為1E13 C/cm2至5E14 C/cm2 的量子阱；所述極化效應(yīng)低的量子阱是指界面電荷為5E11 C/cm2至1E14 C/cm2的量子阱； 本發(fā)明采用調(diào)控量子阱結(jié)構(gòu)和量子阱有源區(qū)結(jié)構(gòu)結(jié)合，通過能帶工程，使量子 阱有源區(qū)的能帶彎曲產(chǎn)生反方向彎曲，實(shí)現(xiàn)了量子阱有源區(qū)的低極化效應(yīng)，增大了 電子和空穴波函數(shù)的交疊，并且由于調(diào)控量子阱區(qū)的電子或空缺隧穿進(jìn)入有源區(qū)量 子阱，提高了電子或空缺濃度，進(jìn)一步提高發(fā)光二極管的內(nèi)量子發(fā)光效率。本發(fā)明的低極化效應(yīng)的氮化鎵基發(fā)光二極管用外延材料的制備方法，其具體步驟如下以藍(lán)寶石或者SiC作為襯底，用常規(guī)半導(dǎo)體器件沉積技術(shù)在所述襯底上依次生 長(zhǎng)n型InGaAlN層、低極化效應(yīng)有源層和p型InGaAlN層，得到低極化效應(yīng)高內(nèi)量 子效率的GaN發(fā)光二極管用外延材料；所述n型InGaAlN層由依次包覆在襯底之上的GaN緩沖層和n型GaN層組成；所述GaN緩沖層為GaN層、A1N層、AlGaN層、InGaN層、InAlN層、InAlGaN層或 者上述合金組合而成的在異質(zhì)襯底上外延的過渡層；所述GaN緩沖層厚為10nm 3iim;所述n型GaN層為GaN層、A1N層、AlGaN層、InGaN層、InAlN層、InAlGaN層或 者上述合金組合的n型歐姆接觸的接觸層；所述的n型GaN層厚度為20nm 5 u m;所述低極化效應(yīng)有源層由依次包覆在所述n型GaN層的InAlGaN多量子阱結(jié)構(gòu)極 化調(diào)控層和InAlGaN多量子結(jié)構(gòu)發(fā)光層組成；所述InAlGaN極化調(diào)控層為由第一勢(shì)壘層IrvAL,Ga卜y,—z,N和第一量子阱層 Inx氛,Ga卜xl-mlN組成的多量子阱結(jié)構(gòu);其中，yl〈xl， 0. l〈xl〈0. 3， 0〈yl〈0.15, 0〈zl〈0.5， 0〈ml〈0.5;所述第一勢(shì)壘層InylAlzlGa,—yl-zlN厚度為5 30nm;第一量子阱層 InxlAl mlGai—xlnN厚度為l 15nm;所述第一勢(shì)壘層InylAlzlGai—力,N和第一量子阱層 InxlAl mlGa,—xl—ralN的摻雜濃度均為0 5X 10'Vcm'，其量子阱結(jié)構(gòu)的周期數(shù)為1 20;所述InAlGaN多量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光層為由第二勢(shì)壘層IriyALGa^N和第二量子阱 層InxAl Ga,—XiN組成的多量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管有源層，其中y〈x， 0. Kx〈0. 3, 0<y<0. 15， 0〈z〈0. 5， 0<m<0. 5;所述第二勢(shì)壘層IriyALGa卜y，N厚度為5 30咖，第二量 子阱層InxAl ,Gai—XiN厚度為1 12nm;所述第二勢(shì)壘層InyAlzGai—y—zN和第二量子阱 層InxAlmGa,—XiN層的摻雜濃度均為0 5X 107cm3,其量子阱結(jié)構(gòu)的周期數(shù)為1 20;所述InAlGaN多量子結(jié)構(gòu)發(fā)光層的為光熒光峰位相比所述InAlGaN多量子阱結(jié)構(gòu) 極化調(diào)控層的光熒光峰位向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)的范圍在5nm 100nm之間；所述的p型GaN層為GaN層、InAIN層、AlGaN層、InAlGaN層或上述合金組合的 制備P型歐姆接觸的接觸層；所述p型GaN層的厚度為20nm l u m。本發(fā)明上述方法制備的低極化效應(yīng)的GaN發(fā)光二極管用外延材料，包括 一襯底，以及依次覆于襯底表面之上的n型InGaAIN層、低極化效應(yīng)有源層和p 型InGaAIN層；所述襯底為藍(lán)寶石或者SiC襯底；所述n型InGaAIN層由依次包覆在所述襯底之上的GaN緩沖層和n型GaN層組成； 所述GaN緩沖層為GaN層、A1N層、AlGaN層、InGaN層、InAIN層、InAlGaN層或者上述合金組合而成的在異質(zhì)襯底上外延的過渡層；所述GaN緩沖層厚度為10nm 3 u m。所述n型GaN層為GaN層、A1N層、AlGaN層、InGaN層、InAIN層、InAlGaN層或 者上述合金組合的n型歐姆接觸的接觸層；所述n型GaN層厚度為20nm 6 ii m。所述低極化效應(yīng)有源層由依次包覆于所述n型GaN層之上的InAlGaN多量子阱結(jié) 構(gòu)極化調(diào)控層、InAlGaN多量子結(jié)構(gòu)發(fā)光層組成；所述InAlGaN極化調(diào)控層為由第一勢(shì)壘層Iriy,AL,Ga卜yh,N和第一量子阱層 Ir^AL,Ga卜xli,N組成的多量子阱結(jié)構(gòu)層；其中yl〈xl， 0. l〈xl〈0. 3， 0〈yl〈0.15, 0<zl〈0. 5， 0〈ml〈0. 5;所述第一勢(shì)壘層InylAl zlGa,—yHzlN厚度為5 30nm，第一量 子阱層InxlAlmlGa,—xl—mlN厚度為1 15nm;所述第一勢(shì)壘層Iny,AL，Ga,—yl—zlN和第 一量子阱層InxlAl niGai—xlnN的摻雜濃度均為0 5X 107cm',其量子阱結(jié)構(gòu)層的 周期數(shù)為1 20;所述InAlGaN多量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光層為由第二勢(shì)壘層InyALGa卜pN和第二量子 阱層InjU^Ga,iiN組成的多量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管有源層,其中y<x, 0. l<x〈0. 3， 0<y<0. 15, 0〈z<0. 5， 0<m<0. 5;所述第二勢(shì)壘層IriyALGa卜y—ZN厚度為5 30nm， 第二量子阱層InxALGa!—XiN厚度為1 12nm;所述第二勢(shì)壘層InyAlzGai—y—ZN和 第二量子阱層InxAl工a卜X- N的摻雜濃度為0 1Xl(y7cm ；其量子阱結(jié)構(gòu)層的周 期數(shù)為1 20;所述InAlGaN多量子結(jié)構(gòu)發(fā)光層的為光熒光峰位相比所述InAlGaN多量子阱結(jié)構(gòu) 極化調(diào)控層的光熒光峰位向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)的范圍在5nm 100nm之間；所述的p型GaN層為GaN層、InAIN層、AlGaN層、InAlGaN層或上述合金組合的 制備p型歐姆接觸的接觸層；所述p型GaN層的厚度為20nm l u m。本發(fā)明采用調(diào)控量子阱結(jié)構(gòu)和量子阱有源區(qū)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，通過能帶工程，使量子 阱有源區(qū)的能帶彎曲產(chǎn)生反方向彎曲，實(shí)際降低量子阱有源區(qū)的極化效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了量 子阱有源區(qū)的低極化效應(yīng)，增大了電子或空穴波函數(shù)的交疊，并且由于調(diào)控量子阱區(qū) 的電子或空缺隧穿進(jìn)入有源區(qū)量子阱，提高了電子或空缺濃度，進(jìn)一步提高了發(fā)光二 極管的內(nèi)量子發(fā)光效率。常規(guī)GaN基LED量子阱有源區(qū)由于強(qiáng)極化效應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)度較高的內(nèi)建電場(chǎng),并且 使正負(fù)載流子在空間上分離，這樣導(dǎo)致發(fā)光波長(zhǎng)紅移，更嚴(yán)重的后果是電子和空穴 波函數(shù)交疊變少,材料的發(fā)光效率大大降低.本發(fā)明提供的低極化效應(yīng)GaN基LED外 延材料制備方法，克服了這一問題。本發(fā)明提供的低極化效應(yīng)GaN發(fā)光二極管外延材料，通過調(diào)節(jié)InAlGaN多量子 阱結(jié)構(gòu)極化調(diào)控層的厚度、In組分，以及調(diào)節(jié)InAlGaN多量子結(jié)構(gòu)發(fā)光層的勢(shì)壘和 勢(shì)阱層的厚度以及In組分，使所述InAlGaN多量子結(jié)構(gòu)發(fā)光層的低溫(10K下)光熒 光峰位相比所述InAlGaN多量子阱結(jié)構(gòu)極化調(diào)控層的光熒光峰位向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng) 范圍在5nm 100咖之間。最終使量子阱有源區(qū)的能帶彎曲產(chǎn)生反方向彎曲，實(shí)際 降低量子阱有源區(qū)的極化效應(yīng)。本發(fā)明的機(jī)理是，在GaN基極性LED外延材料上利用不同波長(zhǎng)的量子阱的電子或 空穴由長(zhǎng)波長(zhǎng)的量子阱隧穿到短波長(zhǎng)量子阱提高發(fā)光強(qiáng)度的方法，即利用具有較低能 帶的量子阱電子或空穴隧穿到較高能帶的量子阱提高較高能帶的量子阱發(fā)光效率的方 法。這種隧穿效應(yīng)完全不同于非極性量子阱的隧穿效應(yīng)，非極性量子阱的隧穿效應(yīng)是 具有較高能帶的量子阱電子或空穴隧穿到較低能帶的量子阱。本發(fā)明同時(shí)涉及在GaN基極性LED外延材料上，利用不同極化效應(yīng)引起的量子 阱界面電荷不同，由極化效應(yīng)高即量子阱的界面電荷大的量子阱來減少極化效應(yīng)低 的量子阱的極化效應(yīng)，提高電子空穴交疊以提高發(fā)光強(qiáng)度的方法。本發(fā)明的方法及使用本發(fā)明方法制備的低極化效應(yīng)GaN發(fā)光二極管用外延材料 與現(xiàn)有GaN非極性材料生長(zhǎng)技術(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)在于1、 本發(fā)明方法采用了常規(guī)發(fā)光二極管外延工藝流程，采用了獨(dú)特的能帶工程 設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了GaN基低極化效應(yīng)外延材料的制備。2、 本發(fā)明避開了現(xiàn)有幾種實(shí)現(xiàn)非極性GaN材料生長(zhǎng)的問題，例如y—LiA102 的熱穩(wěn)定性差與所生長(zhǎng)的GaN材料背底摻雜濃度高的問題；在藍(lán)寶石的r面襯底上 生長(zhǎng)a面非極性GaN材料，出現(xiàn)的a面GaN外延材料表現(xiàn)出嚴(yán)重的不對(duì)稱性，外延 材料難以實(shí)現(xiàn)二維層狀生長(zhǎng)等問題。


圖1為低極化效應(yīng)的GaN發(fā)光二極管用外延材料的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1使用本發(fā)明方法制備低極化效應(yīng)GaN發(fā)光二極管用外延材料，其具體步驟如下
采用0.43隱厚的藍(lán)寶石作為襯底1，使用金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積技術(shù)(MOCVD) 在其上依次生長(zhǎng)10nm厚GaN緩沖層2(由GaN組成)、2500nm厚的n型GaN層3(由 GaN組成)、InGaN多量子結(jié)構(gòu)極化調(diào)控層4 (由勢(shì)壘層GaN和量子阱層In^Ga^N 組成的2個(gè)周期的多量子阱結(jié)構(gòu)，其中勢(shì)壘層GaN的厚度為10nm,量子阱層 In0.。8Ga。.92N的厚度為3. 5mn，所述勢(shì)壘層GaN的摻雜濃度為0，量子阱層In().。8Gafl.92N 層的摻雜濃度為1X10'7cm3,理論設(shè)計(jì)光熒光對(duì)應(yīng)峰位在470nm) 、 InGaN多量子 結(jié)構(gòu)發(fā)光層5 (由勢(shì)壘層In。.。5Ga。.95N和量子阱層In(, lsGa(,85N組成的5個(gè)周期的多 量子阱結(jié)構(gòu),其中勢(shì)壘層In。.(,5Ga().95N的厚度為IO醒，量子阱層In。.15GaQ.85N的厚度 為3nm,所述勢(shì)壘層InyGa卜yN的摻雜濃度為0，量子阱層InxGai-xN層的摻雜濃度 為1X 10'7cm1,理論設(shè)計(jì)光熒光對(duì)應(yīng)峰位在520nm) 、 p型InGaAlN層6由200nm厚 p型AlQ.2Ga。.8N和p型GaN層組合而成，得到低極化效應(yīng)的綠光GaN發(fā)光二極管外 延材料，如附圖所示；
實(shí)施例2
使用本發(fā)明方法制備低極化效應(yīng)GaN發(fā)光二極管用外延材料，其步驟如下 采用0.4mm厚的SiC作為襯底1，使用金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積技術(shù)(MOCVD) 在其上依次生長(zhǎng)200nm厚GaN緩沖層2 (由AIN組成)、1 u m厚的n型GaN層3、InGaN 多量子結(jié)構(gòu)極化調(diào)控層4 (由勢(shì)壘層GaN和量子阱層In。.。8Gao.92N組成的1個(gè)周期 的量子阱結(jié)構(gòu),其中勢(shì)壘層GaN的厚度為10nm,量子阱層In(,,Gaa92N的厚度為4nm, 所述勢(shì)壘層GaN的摻雜濃度為0，量子阱層In。.。8Ga。.92N層的摻雜濃度為1X 107cm3, 理論設(shè)計(jì)光熒光對(duì)應(yīng)峰位在430nm) 、 InGaN多量子結(jié)構(gòu)發(fā)光層5 (由勢(shì)壘層GaN和 量子阱層In。.12Ga。.88N組成的4個(gè)周期的多量子阱結(jié)構(gòu),其中勢(shì)壘層GaN的厚度為 12nm,量子阱層In .12Gaa88N的厚度為5nm，所述勢(shì)壘層In,Ga卜yN的摻雜濃度為1 X10'7cm3，量子阱層IruGahN層的摻雜濃度為0，理論設(shè)計(jì)光熒光對(duì)應(yīng)峰位在 470nm) 、 300ntn厚P型InGaAlN層6(由InAlN組成)，得到低極化效應(yīng)的GaN藍(lán)光 發(fā)光二極管外延材料，如附圖所示。
實(shí)施例3
使用本發(fā)明方法制備低極化效應(yīng)GaN發(fā)光二極管用外延材料，其步驟如下 采用0. 43mm厚的藍(lán)寶石作為襯底1 ，使用金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積技術(shù)(M0CVD) 在其上依次生長(zhǎng)lOOnm厚GaN緩沖層2 (由A1N組成)、1 u m厚的n型GaN層3、 InGaN 多量子結(jié)構(gòu)極化調(diào)控層4 (由勢(shì)壘層In^GaaJ和量子阱層In().inGa。.9()N組成的5 個(gè)周期的多量子阱結(jié)構(gòu)，其中勢(shì)壘層In。.。5Gan.95N的厚度為10nm,量子阱層 Ino.wGauoN的厚度為4咖，所述勢(shì)壘層GaN的摻雜濃度為0，量子阱層In(,. 1(,Ga .90N 層的摻雜濃度為5X 107cm3，理論設(shè)計(jì)光熒光對(duì)應(yīng)峰位在440nm) 、 InGaN多量子結(jié) 構(gòu)發(fā)光層5 (由勢(shì)壘層GaN和量子阱層In .12Ga。.88N組成的4個(gè)周期的多量子阱結(jié) 構(gòu)，其中勢(shì)壘層GaN的厚度為12nm，量子阱層In。. l2Ga。.88N的厚度為4nm，所述勢(shì)壘 層In,Ga卜yN的摻雜濃度為1 X l()7cm3，量子阱層In,GanN層的摻雜濃度為0，理論 設(shè)計(jì)光熒光對(duì)應(yīng)峰位在470nm) 、 300nm厚P型InGaAIN層6(由InAIN組成)，得 到低極化效應(yīng)的GaN藍(lán)光發(fā)光二極管外延材料，如附圖所示。
實(shí)施例4
使用本發(fā)明方法制備低極化效應(yīng)的GaN發(fā)光二極管用外延材料，其步驟如下-采用0. 43mm厚的藍(lán)寶石作為襯底1，使用金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積技術(shù) (MOCVD)在其上依次生長(zhǎng)200nm厚的GaN緩沖層2(由InAIN組成)、5y m厚的n 型GaN層3(由InGaN組成)、InGaN多量子結(jié)構(gòu)極化調(diào)控層4 (由勢(shì)壘層In。.。2Ga().98N 和量子阱層In(U5Gaa85N組成的IO個(gè)周期的多量子阱結(jié)構(gòu),其中勢(shì)壘層In。.Q2Ga。.98N 的厚度為10nm,量子阱層In。.15Gao.85N的厚度為5nm，所述勢(shì)壘層Ina。2Gao.98N的摻 雜濃度為O，量子阱層In。.15Ga。.85N層的摻雜濃度為5X107cm3,理論設(shè)計(jì)光熒光 對(duì)應(yīng)峰位在450nm) 、 InGaN多量子結(jié)構(gòu)發(fā)光層5 (由勢(shì)壘層In(,. l5Ga。.85N和量子阱 層In。.3Ga。.7N組成的20個(gè)周期的多量子阱結(jié)構(gòu)，其中勢(shì)壘層GaN的厚度為12nm,量 子阱層In。.3Ga()7N的厚度為l咖，所述勢(shì)壘層InyGai—yN的摻雜濃度為2X10'7cm3, 量子阱層InxGa,-xN層的摻雜濃度為lxi07cm1,理論設(shè)計(jì)光熒光對(duì)應(yīng)峰位在 525nm) 、 1 u m厚P型InAlGaN層6，得到低極化效應(yīng)的GaN發(fā)光二極管外延材料，
如附圖所示。 實(shí)施例5
使用本發(fā)明方法制備低極化效應(yīng)的GaN發(fā)光二極管用外延材料，其步驟如下 采用0. 43mm厚的藍(lán)寶石作為襯底1,使用金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積技術(shù)(M0CVD) 在其上依次生長(zhǎng)ra厚的GaN緩沖層2(由InAlGaN組成)、200nm厚的n型GaN層 3(由InAIN組成)、InGaN多量子結(jié)構(gòu)極化調(diào)控層4 (由勢(shì)壘層In。.fl2Ga(,,N和量子 阱層In(,.15Ga。.teN組成的10個(gè)周期的多量子阱結(jié)構(gòu)，其中勢(shì)壘層Ina 2Ga。.9RN的厚 度為IO咖,量子阱層InQ.lsGa。.85N的厚度為5線所述勢(shì)壘層In。. 2Ga .98N的摻雜濃 度為0，量子阱層Ina15Ga。.85N層的摻雜濃度為5X107cm3,理論設(shè)計(jì)光熒光對(duì)應(yīng) 峰位在450nm) 、 InGaN多量子結(jié)構(gòu)發(fā)光層5 (由勢(shì)壘層GaN和量子阱層In。.2。Gafl.80N 組成的1個(gè)周期的量子阱結(jié)構(gòu)，其中勢(shì)壘層GaN的厚度為12mn，量子阱層 In0.2QGa。.8。N的厚度為5nm，所述勢(shì)壘層IrvGa卜yN的摻雜濃度為lX107cm3，量子 阱層InxGahN層的摻雜濃度為2X107cm'，理論設(shè)計(jì)光熒光對(duì)應(yīng)峰位在510nm)、 P型InGaAIN層6由700nm厚p型GaN層組成，得到低極化效應(yīng)的GaN發(fā)光二極管 外延材料，如附圖所示。
實(shí)施例6
使用本發(fā)明方法制備低極化效應(yīng)的GaN發(fā)光二極管用外延材料，其步驟如下 采用0. 3mm厚的藍(lán)寶石作為襯底1，使用金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積技術(shù) (MOCVD)在其上依次生長(zhǎng)20nm厚的GaN緩沖層2、2 y m厚的n型GaN層3、 InGaN 多量子結(jié)構(gòu)極化調(diào)控層4 (由勢(shì)壘層In。.Q1GaQ.99N和量子阱層In .21Ga。.79N組成的2 個(gè)周期的多量子阱結(jié)構(gòu)，其中勢(shì)壘層In。.。,Ga。，N的厚度為10nm，量子阱層 In0.21Ga .79N的厚度為5咖，所述勢(shì)壘層In ., Ga .99N的摻雜濃度為0，量子阱層 In0.21Ga。.79N層的摻雜濃度為5X10'7cm 理論設(shè)計(jì)光熒光對(duì)應(yīng)峰位在480nm)、 InGaN多量子結(jié)構(gòu)發(fā)光層5 (由勢(shì)壘層GaN和量子阱層In . 18Ga。.82N組成的4個(gè)周期 的多量子阱結(jié)構(gòu),其中勢(shì)壘層GaN的厚度為12nm,量子阱層In。. l8Ga。.82N的厚度為
5nm，所述勢(shì)壘層In,Ga卜yN的摻雜濃度為0,量子阱層InxGai—xN層的摻雜濃度為 2X 107cm3,理論設(shè)計(jì)光熒光對(duì)應(yīng)峰位在515nm) 、 P型InGaAlN層6由200nm厚p 型AlGaN層和100nm P型GaN層組合而成，得到低極化效應(yīng)的GaN發(fā)光二極管外延 材料，如附圖所示。
實(shí)施例7
使用本發(fā)明方法制備低極化效應(yīng)的GaN發(fā)光二極管用外延材料，其步驟如下 采用0. 43,厚的藍(lán)寶石作為襯底1,使用金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積技術(shù) (MOCVD)在其上依次生長(zhǎng)500nm厚的GaN緩沖層2(由InAlN組成)、m厚的n 型GaN層3(由GaN組成)、]nGaN多量子結(jié)構(gòu)極化調(diào)控層4 (由勢(shì)壘層In0.02 Al0.5Ga。.48N和量子阱層In。.,。 Al(MGa .5。N組成的3個(gè)周期的多量子阱結(jié)構(gòu)，其中勢(shì) 壘層In。.。2 Al0.5Ga0.48N的厚度為30nm,量子阱層In0.l0 A1(,U的厚度為15nm， 所述勢(shì)壘層In(u,2 Al().5Gat).48N的摻雜濃度為0，量子阱層In(,.川Al(MGafl.SoN層的 摻雜濃度為5X10'7cnf,理論設(shè)計(jì)光熒光對(duì)應(yīng)峰位在370nm) 、 InGaN多量子結(jié)構(gòu) 發(fā)光層5 (由勢(shì)壘層In。.。2 Al。.5Ga("8N和量子阱層In^ Al。.4GaQ.45N組成的3個(gè) 周期的多量子阱結(jié)構(gòu),其中勢(shì)壘層InQ.。2 Al。.5Ga。.48N的厚度為20nm,量子阱層In0.15 Al0.4Ga(, N的厚度為IO腦，所述勢(shì)壘層In。.(,2 Ala5Gaa N的摻雜濃度為2X 107cm3，量子阱層In。.15 Alo.^a^N層的摻雜濃度為lX107cm 理論設(shè)計(jì)光熒 光對(duì)應(yīng)峰位在400nm) 、 lym厚P型InGaAlN層6,得到低極化效應(yīng)的GaN發(fā)光二 極管外延材料，如附圖所示。
實(shí)施例8
使用本發(fā)明方法制備低極化效應(yīng)的GaN發(fā)光二極管用外延材料，其步驟如下 采用0. 43rnra厚的藍(lán)寶石作為襯底1，使用金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積技術(shù) (MOCVD)在其上依次生長(zhǎng)700nm厚的本征GaN層2(由InAlN組成)、3 u m厚的n 型GaN層3(由GaN組成)、InGaN多量子結(jié)構(gòu)極化調(diào)控層4 (由勢(shì)壘層 In。.。2Al。.5Ga。..wN和量子阱層Iii。.i。Al。.4GaQ.5(,N組成的3個(gè)周期的多量子阱結(jié)構(gòu)以
及勢(shì)壘層In。.。2Al。.:!Ga。.B8N和量子阱層In。. uAl。.:,Ga。.6。N組成的2個(gè)周期的量子阱 結(jié)構(gòu)復(fù)合組成,其中勢(shì)壘層In。.,)2Al。.5Ga。.《N的厚度為30nm，摻雜濃度為0，量子阱 層In . u)Al("Ga。.5。N的厚度為15nm ,摻雜濃度為5 X 107cm:'，勢(shì)壘層 In0.02Al0.3Ga』的厚度為20nm，摻雜濃度為0，量子阱層In0.l0Al().3Ga0.60N的厚 度為15nm，摻雜濃度為5X107cm3,理論設(shè)計(jì)光熒光對(duì)應(yīng)峰位在390nm) 、 InGaN 多量子結(jié)構(gòu)發(fā)光層5 (由勢(shì)壘層In。.。2AlQ.5GaQ.48N和量子阱層InQ.15Al。.4Ga。.45N組 成的3個(gè)周期的多量子阱結(jié)構(gòu),其中勢(shì)壘層InQ.fl2Ala5GaQ.48N的厚度為20nm,量子阱 層In0.15Al0.4Ga0.45N的厚度為10nm，所述勢(shì)壘層In0.02Al0.5Ga0.48N的摻雜濃度為2 X107cm3，量子阱層In。.15Al。.4Ga。.45N層的摻雜濃度為1X 10'7cm3，理論設(shè)計(jì)光熒 光對(duì)應(yīng)峰位在400nm) 、 1 u m厚P型InGaAlN層6，得到低極化效應(yīng)的GaN發(fā)光二 極管外延材料，如圖l所示。
權(quán)利要求
1、一種低極化效應(yīng)的GaN發(fā)光二極管芯片用外延材料的制法，其特征在于，在GaN基極性LED用外延材料的制備過程中，將具有較低能帶的長(zhǎng)波長(zhǎng)量子阱的電子或空穴隧穿到具有較高能帶的短波長(zhǎng)量子阱中，以提高LED外延材料的量子阱發(fā)光效率；同時(shí)，在GaN基極性LED用外延材料的制備過程中，利用不同極化效應(yīng)引起的量子阱界面電荷不同，用極化效應(yīng)高界面電荷大的量子阱來減少極化效應(yīng)低的量子阱的極化效應(yīng)，以提高量子阱電子或空穴交疊，提高GaN基LED用外延材料的發(fā)光強(qiáng)度；所述的具有較低能帶的長(zhǎng)波長(zhǎng)量子阱是指設(shè)計(jì)光熒光波長(zhǎng)為200nm至600nm的量子阱；所述的具有較高能帶的短波長(zhǎng)量子阱是指設(shè)計(jì)光熒光波長(zhǎng)為200nm至600nm的量子阱；所述具有較低能帶的長(zhǎng)波長(zhǎng)量子阱的設(shè)計(jì)光熒光峰位相比所述的具有較高能帶的短波長(zhǎng)量子阱的設(shè)計(jì)光熒光峰位向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)的范圍在5nm～100nm之間；所述極化效應(yīng)高界面電荷大的量子阱是指界面電荷為1E13C/cm2至5E14C/cm2的量子阱；所述極化效應(yīng)低的量子阱是指界面電荷為5E11C/cm2至1E14C/cm2的量子阱。
2、 按權(quán)利要求1所述的低極化效應(yīng)的氮化鎵基發(fā)光二極管用外延材料的制法，其 特征在于，具體制做步驟如下以藍(lán)寶石或者SiC作為襯底，用常規(guī)半導(dǎo)體器件沉積技術(shù)在所述襯底上依次生 長(zhǎng)n型InGaAlN層、低極化效應(yīng)有源層和p型InGaAlN層，得到低極化效應(yīng)高內(nèi)量 子效率的GaN發(fā)光二極管用外延材料；所述n型InGaAlN層由依次包覆在襯底之上的GaN緩沖層和n型GaN層組成； 所述GaN緩沖層為GaN層、A1N層、AlGaN層、InGaN層、InAIN層、InAlGaN層或 者上述合金組合而成的在異質(zhì)襯底上外延的過渡層；所述n型GaN層為GaN層、A1N層、AlGaN層、InGaN層、InAlN層、InAlGaN層或 者上述合金組合的n型歐姆接觸的接觸層；所述低極化效應(yīng)有源層由依次包覆在所述n型GaN層的InAlGaN多量子阱結(jié)構(gòu)極 化調(diào)控層和InAlGaN多量子結(jié)構(gòu)發(fā)光層組成；所述InAlGaN極化調(diào)控層為由第一勢(shì)壘層InylAlzlGa,—yl-zlN和第一量子阱層 Ir^ALGa, —xl—mlN組成的多量子阱結(jié)構(gòu)；其中，yl〈xl， 0. l<xl<0. 3 ， 0<yl<0.15， 0〈zl〈0.5， 0〈ml<0, 5;所述InAlGaN多量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光層為由第二勢(shì)壘層InyAl,Ga卜yiN和第二量子阱 層InxAlmGai-x— N組成的多量子阱結(jié)構(gòu)形成的發(fā)光二極管有源層，其中y<x, 0. l〈x<0.3， 0<y<0. 15, 0<z〈0. 5, 0<m〈0. 5;所述的p型GaN層為GaN層、InAlN層、AlGaN層、InAlGaN層或上述合金組合的 制備p型歐姆接觸的接觸層。
3、 按權(quán)利要求1所述的低極化效應(yīng)的氮化鎵基發(fā)光二極管用外延材料的制法，其 特征在于，所述GaN緩沖層厚為I0nm 3 y rn。
4、 按權(quán)利要求1所述的低極化效應(yīng)的氮化鎵基發(fā)光二極管用外延材料的制法，其 特征在于，所述的n型GaN層厚度為20nm 5"m。
5、 按權(quán)利要求1所述的低極化效應(yīng)的氮化鎵基發(fā)光二極管用外延材料的制法，其 特征在于，所述第一勢(shì)壘層Iny,AL,Ga,—,h,N厚度為5 30nrn;第一量子阱層Ir^Al^Ga, -wnN厚度為1 15nm;所述第一勢(shì)壘層Iny,AlzlGai—『,N和第一量子阱層InxlAl mlGa,— "nN的摻雜濃度均為0 5X10'Vcm:i,其量子阱的周期數(shù)為1 20。
6、 按權(quán)利要求1所述的低極化效應(yīng)的氮化鎵基發(fā)光二極管用外延材料的制法，其 特征在于，所述第二勢(shì)壘層InyAlzGai，N厚度為5 30nm，第二量子阱層InxAlBGai—XJ 厚度為1 12咖；所述第二勢(shì)壘層InyAlzGai-y—zN和第二量子阱層InxAl Gai—x— N層的 摻雜濃度均為0 5X107cm3，其量子阱的周期數(shù)為1 20。
7、 按權(quán)利要求1所述的低極化效應(yīng)的氮化鎵基發(fā)光二極管用外延材料的制法，其 特征在于，所述InAlGaN多量子結(jié)構(gòu)發(fā)光層的為光熒光峰位相比所述InAlGaN多量子 阱結(jié)構(gòu)極化調(diào)控層的光熒光峰位冋長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)的范圍在5nm 100nm之間。
8、 按權(quán)利要求1所述的低極化效應(yīng)的氮化鎵基發(fā)光二極管用外延材料的制法，其 特征在于，所述p型GaN層的厚度為20nm lum。
9、 一種權(quán)利要求1所述方法制備的低極化效應(yīng)的氮化鎵基發(fā)光二極管用外延材料 包括一襯底，其特征在于，還包括以及依次覆于襯底表面之上的n型InGaAlN層、低極化效應(yīng)有源層和p型InGaAlN層； 所述襯底為藍(lán)寶石或者SiC襯底；所述n型InGaAlN層由依次包覆在所述襯底之上的GaN緩沖層和n型GaN層組成；所述GaN緩沖層為GaN層、A1N層、AlGaN層、InGaN層、InAlN層、InAlGaN層或 者上述合金組合而成的在異質(zhì)襯底上外延的過渡層；所述n型GaN層為GaN層、A1N層、AlGaN層、InGaN層、InAlN層、InAlGaN層或 者上述合金組合的n型歐姆接觸的接觸層；所述低極化效應(yīng)有源層由依次包覆于所述n型GaN層之上的InAlGaN多量子阱結(jié) 構(gòu)極化調(diào)控層、InAlGaN多量子結(jié)構(gòu)發(fā)光層組成；所述InAlGaN極化調(diào)控層為由第一勢(shì)壘層InylAlzlGai—yl—zlN和第一量子阱層 In美Ga卜xl—mlN組成的多量子阱結(jié)構(gòu)層；其中yl〈xl， 0. KxKO. 3， 0〈yKO. 15, 0〈zl〈0. 5， 0〈ml〈0.5;所述InAlGaN多量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光層為由第二勢(shì)壘層InyAlzGai-yiN和第二量子阱 層Irai工a卜X- N組成的多量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管有源層，其中y<x, 0. Kx〈0. 3， 0〈y<0.15， 0〈z<0.5， 0<m<0. 5;所述InAlGaN多量子結(jié)構(gòu)發(fā)光層的為光熒光峰位相比所述InAlGaN多量子阱結(jié)構(gòu) 極化調(diào)控層的光熒光峰位向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)的范圍在5nm 100nm之間；所述的p型GaN層為GaN層、InAlN層、AlGaN層、InAlGaN層或上述合金組合的 制備P型歐姆接觸的接觸層。
10、 按權(quán)利要求9所述的低極化效應(yīng)的氮化鎵基發(fā)光二極管用外延材料的制法， 其特征在于，所述GaN緩沖層厚為10nm 3 u m。
11、 按權(quán)利要求9所述的低極化效應(yīng)的氮化鎵基發(fā)光二極管用外延材料的制法， 其特征在于，所述的n型GaN層厚度為20nm 5 u m。
12、 按權(quán)利要求9所述的低極化效應(yīng)的氮化鎵基發(fā)光二極管用外延材料的制法， 其特征在于，所述第一勢(shì)壘層IrvALGa卜yl—,,N厚度為5 30nm;第一量子阱層InxlAl wGa卜xli,N厚度為1 15nm;所述第一勢(shì)壘層InylAlzlGai^'N和第一量子阱層InxlAl m,Ga卜x,nN的摻雜濃度均為0 5 X 107cm3,其量子阱的周期數(shù)為1 20。
13、 按權(quán)利要求9所述的低極化效應(yīng)的氮化鎵基發(fā)光二極管用外延材料的制法， 其特征在于，所述第二勢(shì)壘層IrWUzGa卜y—ZN厚度為5 30 ，第二量子阱層InxAl Gai -x—W厚度為1 12nm;所述第二勢(shì)壘層InyAlzGa,-y-zN和第二量子阱層InxAlmGa,—x— N 層的摻雜濃度均為0 5X 107cm',其量子阱的周期數(shù)為1 20。
14、 按權(quán)利要求9所述的低極化效應(yīng)的氮化鎵基發(fā)光二極管用外延材料的制法， 其特征在于，所述InAlGaN多量子結(jié)構(gòu)發(fā)光層的為光熒光峰位相比所述InAlGaN多量 子阱結(jié)構(gòu)極化調(diào)控層的光熒光峰位向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)的范圍在5nm 100nm之間。
15、 按權(quán)利要求9所述的低極化效應(yīng)的氮化鎵基發(fā)光二極管用外延材料的制法， 其特征在于，所述p型GaN層的厚度為20nm lym。
全文摘要
一種低極化效應(yīng)GaN發(fā)光二極管外延用材料及制法在藍(lán)寶石或SiC襯底上用半導(dǎo)體器件沉積技術(shù)依次生長(zhǎng)由GaN緩沖層和n型GaN層組成的n型InGaAlN層、由InAlGaN多量子阱結(jié)構(gòu)極化調(diào)控層和InAlGaN多量子結(jié)構(gòu)發(fā)光層組成的低極化效應(yīng)有源層和p型InGaAlN層；該方法保留單色光發(fā)光二極管器件制做工藝，僅對(duì)氮化鎵基發(fā)光材料的生長(zhǎng)過程改進(jìn)，增加InAlGaN多量子阱結(jié)構(gòu)極化調(diào)控層，使量子阱有源區(qū)的能帶彎曲產(chǎn)生反方向彎曲，降低量子阱有源區(qū)極化效應(yīng)，不增加器件復(fù)雜性，又增加GaN基發(fā)光二極管內(nèi)量子效率，克服常規(guī)GaN基發(fā)光二極管的強(qiáng)極化效應(yīng)導(dǎo)致低內(nèi)量子效率缺點(diǎn)，發(fā)光二極管整體性能得以提高。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101127376SQ200610089289
公開日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2006年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月15日
發(fā)明者周均銘, 王文新, 賈海強(qiáng), 郭麗偉, 弘 陳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所