本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)及其制備方法，特別是涉及一種具有漸變in組分pingan導(dǎo)電層的gan基綠光led外延結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

發(fā)光二極管(簡(jiǎn)稱“l(fā)ed”)是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件，它利用半導(dǎo)體材料內(nèi)部的導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴發(fā)生輻射復(fù)合，是以光子形式釋放能量而直接發(fā)光的。通過設(shè)計(jì)不同的半導(dǎo)體材料禁帶寬度，發(fā)光二極管可以發(fā)射從紅外到紫外不同波段的光。

氮化物發(fā)光二極管以其具有高效、節(jié)能、長(zhǎng)壽命以及體積小等優(yōu)點(diǎn)在世界范圍內(nèi)得到廣泛發(fā)展。發(fā)光波長(zhǎng)在210～365nm的紫外發(fā)光二極管，因其調(diào)制頻率高、體積小、無汞環(huán)保以及高殺菌潛力等優(yōu)點(diǎn)，在殺菌消毒、生物醫(yī)藥、照明、存儲(chǔ)和通信等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景；發(fā)光波長(zhǎng)在440～470nm的藍(lán)光發(fā)光二極管因其能耗低、壽命長(zhǎng)以及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在照明、亮化以及顯示領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景；發(fā)光波長(zhǎng)在500～550nm的綠光發(fā)光二極管，在亮化和顯示以及rgb三基色照明領(lǐng)域也有非常好的應(yīng)用前景。

目前gan基綠光led的內(nèi)量子效率很低，不到藍(lán)光led效率的一半，這大大限制了rgb白光led在通用照明和可見光通信領(lǐng)域的應(yīng)用。導(dǎo)致綠光led量子效率低的主要原因有ingan量子阱晶體質(zhì)量差、極化效應(yīng)造成的電子‐空穴波函數(shù)分離嚴(yán)重等。世界各國科學(xué)家為了提高綠光led的量子效率投入了大量精力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有g(shù)an基綠光led空穴注入效率低、發(fā)光效率差的問題，提出一種具有漸變in組分pingan導(dǎo)電層的gan基綠光led外延結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明還提供一種上述gan基綠光led外延結(jié)構(gòu)的制備方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

具有漸變in組分p型ingan導(dǎo)電層的gan基綠光led外延結(jié)構(gòu)，包括自下而上依次連接的襯底、gan成核層、gan緩沖層、n型gan導(dǎo)電層、多量子阱有源區(qū)和漸變in組分p型ingan導(dǎo)電層；所述多量子阱有源區(qū)由5‐15對(duì)ingan量子阱和gan量子壘交替疊加組成；所述漸變in組分p型ingan導(dǎo)電層的厚度為200‐400nm；所述漸變in組分p型ingan導(dǎo)電層的in原子百分比沿著生長(zhǎng)方向由15％漸變降低到0。

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，優(yōu)選地，所述襯底的厚度為300‐500um。

優(yōu)選地，所述gan成核層2的厚度為20‐50nm。

優(yōu)選地，所述gan緩沖層3的厚度為2‐4um。

優(yōu)選地，所述n型gan導(dǎo)電層4的厚度為2‐4um。

優(yōu)選地，所述ingan量子阱5的厚度為2.5‐3.5nm。

優(yōu)選地，所述gan量子壘6的厚度為5‐15nm。

優(yōu)選地，所述多量子阱有源區(qū)的厚度為100‐500nm。

所述具有漸變in組分p型ingan導(dǎo)電層的gan基綠光led外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，包括以下步驟：

1)將襯底放入金屬有機(jī)化學(xué)氣相化學(xué)沉積設(shè)備中，在高溫、氫氣氣氛中對(duì)襯底片進(jìn)行清洗，去除襯底表面的污染物；

2)將溫度降低到550℃，在步驟1)所述的襯底片上生長(zhǎng)gan成核層；

3)將反應(yīng)室溫度提高到1100℃，在步驟2)所述的成核層上生長(zhǎng)gan緩沖層；

4)在步驟3)所述的gan層上生長(zhǎng)n型gan導(dǎo)電層，控制摻雜濃度為8×10¹⁸cm^‐3；

5)反應(yīng)室溫度降低到850℃，在步驟4)所述的n型gan導(dǎo)電層上生長(zhǎng)gan量子壘；

6)循環(huán)重復(fù)如下步驟a)和步驟b)5‐10次，得到ingan/gan多量子阱有源區(qū)：

a)反應(yīng)室溫度降低到750℃，在步驟a)所述的ingan量子壘上生長(zhǎng)ingan量子阱；

b)將反應(yīng)室溫度升至850℃，繼續(xù)生長(zhǎng)gan量子壘層；

7)反應(yīng)室通入二茂鎂、氨氣、氮?dú)狻⑷谆壓腿谆?，其中二茂鎂、氨氣、氮?dú)夂腿谆壛髁糠謩e是300cc、16000cc、21000cc、11cc，反應(yīng)室溫度保持850℃，生長(zhǎng)過程通入反應(yīng)室的三甲基銦流量由500cc線性降低到0cc，在步驟6)所述的有源區(qū)上生長(zhǎng)p型ingan導(dǎo)電層，控制所述漸變in組分p型ingan導(dǎo)電層的厚度為200‐400nm。

優(yōu)選地，步驟7)控制摻雜濃度為5×10¹⁹cm^‐3。

所述多量子阱有源區(qū)包括ingan量子阱和gan量子壘。所述ingan量子阱的in組分由led預(yù)期的發(fā)光波長(zhǎng)決定。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果：

1)本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有g(shù)an基綠光led空穴注入效率差，量子阱有源區(qū)質(zhì)量差等問題，提出一種采用漸變in組分p型ingan導(dǎo)電層的gan基綠光led外延結(jié)構(gòu)，其p型ingan導(dǎo)電層的生長(zhǎng)溫度比傳統(tǒng)pgan低100℃左右，可以降低p型層生長(zhǎng)過程對(duì)量子阱的損傷。

2)本發(fā)明采用漸變in組分的pingan導(dǎo)電層可以避免異質(zhì)結(jié)界面勢(shì)壘對(duì)空穴的阻擋作用，同時(shí)降低歐姆接觸勢(shì)壘高度，減小電壓，最終提高gan基綠光led器件的光電轉(zhuǎn)換效率。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)led的gan外延結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明具有漸變in組分p型ingan導(dǎo)電層的gan基綠光led外延結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖3為本發(fā)明led和傳統(tǒng)led在不同注入電流密度下的光功率曲線；在圖中，縱坐標(biāo)為相對(duì)光強(qiáng)，單位是mcd，橫坐標(biāo)是注入電流，單位是ma；

圖中示出：襯底1、gan成核層2、gan緩沖層3、n型gan導(dǎo)電層4、ingan量子阱5、gan量子壘6、漸變in組分p型ingan導(dǎo)電層7、多量子阱有源區(qū)8、p型algan電子阻擋層9、p型gan導(dǎo)電層10。

具體實(shí)施方式

為更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例1

如圖2所示，具有漸變in組分p型ingan導(dǎo)電層的gan基綠光led外延結(jié)構(gòu)，自下而上依次為襯底1、gan成核層2、gan緩沖層3、n型gan導(dǎo)電層4、多量子阱有源區(qū)8和漸變in組分p型ingan導(dǎo)電層7；其中，多量子阱有源區(qū)8由10對(duì)ingan量子阱5和gan量子壘6交替層疊組成。襯底1為藍(lán)寶石襯底，漸變in組分p型ingan導(dǎo)電層7的銦組分由10％逐漸下降到0。

具有漸變in組分p型ingan導(dǎo)電層的gan基綠光led外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)步驟如下：

(1).將藍(lán)寶石襯底放入金屬有機(jī)化學(xué)氣相化學(xué)沉積設(shè)備中，通入氫氣，反應(yīng)室溫度升高到1300攝氏度，對(duì)襯底片進(jìn)行高溫清洗。

(2).將溫度降低到550攝氏度，反應(yīng)室通入氨氣、氫氣和三甲基鎵，在步驟(1)所述的襯底1上生長(zhǎng)30nm的gan成核層2。

(3).將反應(yīng)室溫度提高到1100度，通入氨氣、氫氣和三甲基鎵，在步驟(2)所述的gan成核層2上生長(zhǎng)3um的gan緩沖層3。

(4).反應(yīng)室通入硅烷、氨氣、氫氣和三甲基鎵，在步驟(3)所述的gan層3上生長(zhǎng)n型gan導(dǎo)電層4，厚度為3um，摻雜濃度為8×10¹⁸cm^‐3。

(5).反應(yīng)室通入氨氣、氮?dú)?、三甲基鎵和三甲基銦，反?yīng)室溫度降低到750℃，在步驟(4)所述的n型gan導(dǎo)電層4上生長(zhǎng)ingan量子阱5，為ingan勢(shì)阱層，厚度是3nm。

(6).反應(yīng)室通入硅烷、氨氣、氮?dú)?、三甲基鎵，反?yīng)室溫度降低到850℃，在步驟(5)所述的ingan勢(shì)阱5上生長(zhǎng)gan量子壘6，為gan勢(shì)壘層，厚度是10nm。

(7).依次重復(fù)步驟(5)和(6)共9次，得到共計(jì)10對(duì)ingan量子阱5和gan量子壘6交替層疊組成的多量子阱有源區(qū)8，為ingan/ingan多量子阱有源區(qū)，厚度是130nm。

(8).反應(yīng)室通入二茂鎂、氨氣、氮?dú)?、三甲基鎵和三甲基銦，其中二茂鎂、氨氣、氮?dú)夂腿谆壛髁糠謩e是300cc、16000cc、21000cc、11cc，生長(zhǎng)過程通入反應(yīng)室的三甲基鎵流量由500cc線性降低到0cc，反應(yīng)室溫度保持850攝氏度，在步驟(7)所述的多量子阱有源區(qū)8上生長(zhǎng)漸變in組分pingan導(dǎo)電層7，厚度300nm，控制摻雜濃度為5×10¹⁹cm^‐3。

圖1即為傳統(tǒng)led的外延結(jié)構(gòu)，自下而上依次為襯底1、gan成核層2、gan緩沖層3、n型gan導(dǎo)電層4、ingan量子阱5、gan量子壘6、多量子阱有源區(qū)8、p型algan電子阻擋層9、p型gan導(dǎo)電層10；漸變in組分p型ingan導(dǎo)電層7；p型algan電子阻擋層9、p型gan導(dǎo)電層10以及gan成核層2、gan緩沖層3、n型gan導(dǎo)電層4、ingan量子阱5、gan量子壘6、多量子阱有源區(qū)8都是通過mocvd生長(zhǎng)的，p型algan電子阻擋層9作用是阻擋電子泄漏，p型gan導(dǎo)電層10作用是提供空穴。

本實(shí)施例具有漸變in組分p型ingan的gan基綠光led外延結(jié)構(gòu)通過改變in流量實(shí)現(xiàn)漸變in組分p型ingan導(dǎo)電層，生長(zhǎng)過程in流量由500cc降低到cc。

把直徑為1mm的銦球壓在圖1和圖2兩種樣品的中心和邊緣，中心的銦球?yàn)檎龢O，邊緣的銦球?yàn)樨?fù)極，在電致發(fā)光光譜儀設(shè)備上測(cè)試其電流‐亮度曲線，即為圖3，電致發(fā)光光譜儀設(shè)備即為測(cè)試設(shè)備，設(shè)備可以直接給出亮度數(shù)據(jù)；圖3為本發(fā)明led和傳統(tǒng)led在不同注入電流密度下的光強(qiáng)曲線，在圖中，縱坐標(biāo)為相對(duì)光強(qiáng)，單位是mcd，橫坐標(biāo)是注入電流，單位是ma；從圖3可以看出，本發(fā)明的led的光強(qiáng)明顯高于傳統(tǒng)led。

具有漸變in組分p型ingan導(dǎo)電層的綠光led外延結(jié)構(gòu)，空穴注入到多量子阱有源區(qū)上不需要越過palgan勢(shì)壘層，同時(shí)漸變in組分可以產(chǎn)生極化電荷，進(jìn)一步改善綠光led的空穴注入效率，因此可以提高綠光led的發(fā)光效率，圖3的測(cè)試結(jié)果也顯示本發(fā)明的具有漸變in組分p型ingan導(dǎo)電層的綠光led發(fā)光強(qiáng)度比傳統(tǒng)led更高。本發(fā)明空穴注入到多量子阱有源區(qū)上不需要越過palgan勢(shì)壘層，同時(shí)漸變in組分可以產(chǎn)生極化電荷，進(jìn)一步改善綠光led的空穴注入效率。從圖3可以看出，采用本發(fā)明的綠光led外延結(jié)構(gòu)，發(fā)光強(qiáng)度比傳統(tǒng)led外延結(jié)構(gòu)亮度提升12％，這對(duì)于降低led全彩顯示屏及rgb白光led照明的能耗有重要意義。

實(shí)施例2

如圖2所示，具有漸變in組分p型ingan導(dǎo)電層的gan基綠光led外延結(jié)構(gòu)，自下而上依次為襯底1、gan成核層2、gan緩沖層3、n型gan導(dǎo)電層4、多量子阱有源區(qū)8和漸變in組分p型ingan導(dǎo)電層7；其中，多量子阱有源區(qū)8由5個(gè)ingan量子阱5和gan量子壘6交替層疊組成。襯底1為藍(lán)寶石襯底，漸變in組分p型ingan導(dǎo)電層7的銦組分由5％逐漸下降到0。

外延生長(zhǎng)步驟如下：

(1).將藍(lán)寶石襯底放入金屬有機(jī)化學(xué)氣相化學(xué)沉積設(shè)備中，通入氫氣，反應(yīng)室溫度升高到1300攝氏度，對(duì)襯底片進(jìn)行高溫清洗。

(2).將溫度降低到550攝氏度，反應(yīng)室通入氨氣、氫氣和三甲基鎵，在步驟(1)所述的襯底1上生長(zhǎng)20nm的gan成核層2。

(3).將反應(yīng)室溫度提高到1100度，通入氨氣、氫氣和三甲基鎵，在步驟(2)所述的成核層2上生長(zhǎng)2um的gan緩沖層3。

(4).反應(yīng)室通入硅烷、氨氣、氫氣和三甲基鎵，在步驟(3)所述的gan層3上生長(zhǎng)n型gan導(dǎo)電層4，厚度為2um，摻雜濃度8×10¹⁸cm^‐3。

(5).反應(yīng)室通入氨氣、氮?dú)?、三甲基鎵和三甲基銦，反?yīng)室溫度降低到750攝氏度度，在步驟(4)所述的n型gan導(dǎo)電層4上生長(zhǎng)ingan量子阱5，為ingan勢(shì)阱層，厚度是2.5nm。

(6).反應(yīng)室通入硅烷、氨氣、氮?dú)狻⑷谆?，反?yīng)室溫度降低到850攝氏度度，在步驟(5)所述的ingan勢(shì)阱層上生長(zhǎng)gan量子壘6，為gan勢(shì)壘層，厚度是5nm。

(7).依次重復(fù)步驟(5)和(6)共14次，得到15個(gè)ingan量子阱5和gan量子壘6交替層疊組成的多量子阱有源區(qū)8，為ingan/ingan多量子阱有源區(qū)，厚度是112.5nm。

(8).反應(yīng)室通入二茂鎂、氨氣、氮?dú)狻⑷谆壓腿谆?，其中二茂鎂、氨氣、氮?dú)夂腿谆壛髁糠謩e是300cc、16000cc、21000cc、11cc，反應(yīng)室溫度保持850攝氏度，在步驟(7)所述的多量子阱有源區(qū)8上生長(zhǎng)漸變in組分pingan導(dǎo)電層7，生長(zhǎng)過程通入反應(yīng)室的三甲基銦流量由500cc線性降低到0cc，厚度200nm，控制摻雜濃度為5×10¹⁹cm^‐3。

本實(shí)施例與實(shí)施例1相比，主要區(qū)別是各層厚度略微減薄，對(duì)led性能沒有明顯影響，亮度仍然高于傳統(tǒng)led。

實(shí)施例3

如圖2所示，具有漸變in組分p型ingan導(dǎo)電層的gan基綠光led外延結(jié)構(gòu)自下而上依次為襯底1、gan成核層2、gan緩沖層3、n型gan導(dǎo)電層4、多量子阱有源區(qū)8和漸變in組分p型ingan導(dǎo)電層7；其中，多量子阱有源區(qū)8由5個(gè)ingan量子阱5和gan量子壘6交替層疊組成。襯底1為藍(lán)寶石襯底，漸變in組分p型ingan導(dǎo)電層7的銦組分由5％逐漸下降到0。

外延生長(zhǎng)步驟如下：

(1).將藍(lán)寶石襯底放入金屬有機(jī)化學(xué)氣相化學(xué)沉積設(shè)備中，通入氫氣，反應(yīng)室溫度升高到1300攝氏度，對(duì)襯底片進(jìn)行高溫清洗。

(2).將溫度降低到550攝氏度，反應(yīng)室通入氨氣、氫氣和三甲基鎵，在步驟(1)所述的襯底1上生長(zhǎng)50nm的gan成核層2。

(3).將反應(yīng)室溫度提高到1100度，通入氨氣、氫氣和三甲基鎵，在步驟(2)所述的成核層2上生長(zhǎng)4um的gan緩沖層3。

(4).反應(yīng)室通入硅烷、氨氣、氫氣和三甲基鎵，在步驟(3)所述的gan層3上生長(zhǎng)n型gan導(dǎo)電層4，厚度為4um，摻雜濃度8×10¹⁸cm^‐3。

(5).反應(yīng)室通入氨氣、氮?dú)狻⑷谆壓腿谆?，反?yīng)室溫度降低到750攝氏度度，在步驟(4)所述的n型gan導(dǎo)電層4上生長(zhǎng)ingan量子阱5，為ingan勢(shì)阱層，厚度是3.5nm。

(6).反應(yīng)室通入硅烷、氨氣、氮?dú)?、三甲基鎵，反?yīng)室溫度降低到850攝氏度度，在步驟(5)所述的ingan勢(shì)阱層上生長(zhǎng)gan量子壘6，為gan勢(shì)壘層，厚度是15nm。

(7).依次重復(fù)步驟(5)和(6)共4次，得到5個(gè)ingan量子阱5和gan量子壘6交替層疊組成的多量子阱有源區(qū)8，為ingan/ingan多量子阱有源區(qū)，厚度是92.5nm。

(8).反應(yīng)室通入二茂鎂、氨氣、氮?dú)?、三甲基鎵和三甲基銦，其中二茂鎂、氨氣、氮?dú)夂腿谆壛髁糠謩e是300cc、16000cc、21000cc、11cc，生長(zhǎng)過程通入反應(yīng)室的三甲基銦流量由500cc線性降低到0cc，反應(yīng)室溫度保持850攝氏度，在步驟(7)所述的多量子阱有源區(qū)8上生長(zhǎng)漸變in組分pingan導(dǎo)電層7，厚度400nm，控制摻雜濃度為5×10¹⁹cm^‐3。

本實(shí)施例與實(shí)施例1相比，主要區(qū)別是各層厚度略微加厚，對(duì)led性能沒有明顯影響，亮度仍然高于傳統(tǒng)led。