CN101593804B - GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管及其制备方法，涉及发光二极管。发光二极管从下到上依次为衬底、低温缓冲层、n型掺杂的GaN层、3～5个InGaN/GaN多量子阱、p型掺杂的AlGaN层、p型掺杂的GaN层、5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层、p型欧姆接触层、在n型掺杂的GaN层上制备n型欧姆接触层。将衬底装入反应室热处理，依次生长GaN缓冲层、n型掺硅GaN层、3～5个周期的渐变组分InGaN/GaN多量子阱、p型掺Mg的AlGaN层、p型掺Mg的GaN层和5个周期掺Mg的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层，外延生长完退火，刻蚀出n型GaN层，再制备n型和p型欧姆接触层。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管，尤其是涉及一种GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管(LED)。
背景技术
宽禁带III族氮化物是最近研究比较活跃的半导体材料系。由III族氮化物及由其组成的连续变化固溶体合金所构成的半导体微结构材料，具有禁带宽度大、电子漂移饱和速度高、击穿场强大、介电常数小、导热性能好、耐高温、抗腐蚀等优点([1]S Nakamura，M Senoh，N Iwasaand S Nagahama，1995Appl.Phys.Lett.67，1868)，使其在制作短波长发光器件等方面拥有极其光明的应用前景。特别是以高亮度GaN基LED为代表的半导体照明光源具有体积小、环保、节能、耐候性好、安全性高以及寿命长等优点([2]M Koike，N Shibata，H Karo and Y Takahashi，2002IEEE Joural ofSelected Topics in Quantum Electronics，Vol.8，No.2，271)。它一出现就引起人们的广泛关注，并以惊人的速度实现了商品化。它的发展必将引起照明技术的一场革命，最终将取代传统照明光源([3]N.Savage 2000Technology Review，103(5)，38)。目前，以InGaN/GaN多量子阱结构为有源区的蓝光LED与黄色(YAG)荧光粉结合而成的白光LED已经成功研制并被广泛使用。但是，商品化的白光LED的发光效率(25lm/W)仍然低于荧光灯(75lm/W)。因此，如何提高LED的量子发射效率就显得极其重要。
最近研究表明，InGaN/GaN发射机制的一个重要特征是InGaN有源层的光学特性的微观不均匀性对发射效率影响很大。而这种光学特性的微观空间不均匀性是由于InGaN层中In组分空间分布涨落引起的。因此，由电注入或者光激发产生的载流子就被局限在InGaN层中纳米尺度准量子点结构的富In区，对载流子起到三维限制作用，使载流子更难迁移到非辐射复合中心，从而大大提高辐射复合发光效率。InGaN/GaN发射机制的另一个重要特征是InGaN应变多量子阱中由于强烈的压电极化场(≈MV/cm)引起的量子限制斯塔克效应(QCSE)。内建电场会使InGaN能带发生倾斜，导致电子和空穴的波函数被局限在量子阱两侧。电子和空穴空间分离会导致两个结果：一是带间跃迁能量相对量子限制平带情况发生红移(＞200meV)；二是电子和空穴波函数重叠程度减小，降低发射效率。进而，载流子的辐射复合时间延长，被非辐射复合中心俘获的几率增大。而且，随着InGaN多量子阱区In组分的增加和势阱层厚度的增加，QCSE也会逐渐增强。因此，尽量避免QCSE对于提高LED的性能至关重要([4]K Okamoto，A Kaneta，Y Kawakami，S Fujita，J Choi，M Terazima and T Mukai，2005J.Appl.Phys.98，064503)。
现在较为常见的GaN基LED的结构为，首先在(0001)面蓝宝石衬底上沉积GaN缓冲层，接着生长n型掺杂的GaN层，随后生长InGaN/GaN多量子阱结构，然后再生长p型掺杂的AlGaN层和p型掺杂的GaN层，最后用常规技术制作p型欧姆接触和n型欧姆接触。在生长InGaN/GaN多量子阱时，势阱层是传统的In组分固定的方形结构，这种结构存在以下明显缺点：由于纤锌矿结构的GaN、InGaN等材料总是沿着[0001]或者[000-1]方向垂直于衬底生长，而这两个方向恰恰是极性轴方向，因此GaN基材料会表现出强烈的晶格极化，导致InGaN/GaN多量子阱区强烈的极化效应(包括压电极化和自发极化)。QCSE极大地限制了电子和空穴的辐射复合几率，成为内量子效率降低的重要原因([5]N.F.Gardner，J.C.Kim，J.J.Wierer，Y.C.Shen and M.R.Krames，2005Appl.Phys.Lett.86，111101)。
针对如何减小量子阱中极化效应以提高发射效率的问题，国内外已经做了许多研究，并提出了一些方法。比如，一种是在蓝宝石衬底非极性m面(1-100)或a面(11-20)上进行外延生长。此时，沿生长方向无极化场分量，量子阱中电子和空穴波函数几乎完全重叠，辐射复合效率大大提高([6]K.C.Kim，M.C.Schmidt，H Sato，F Wu，N Fellows，Z.Y.Jia，M Saito，SNakamura，S.P.DenBaars，J.S.Speck and K Fujito，2007Appl.Phys.Lett.91，181120；[7]T.Koida，S.F.Chichibu，T.Sota，M.D.Craven，B.A.Haskell，J.S.Speck，S.P.DenBaars and S.Nakamura，2004Appl.Phys.Lett.84，19)。还有一种是在原极性c面(0001)上外延生长，通过综合考虑载流子的限制和分离因素以优化量子阱的结构，如插入InGaN下层，沉积超薄InGaN势阱层，选用四元AlInGaN势垒层，掩埋一AlGaNδ层或采用错列类阶梯状势阱层等([8]ZYang，R Li，Q Wei，T Yu，Y Zhang，W Chen，X Hu，2009Appl.Phys.Lett.94，061120)，以减小电子和空穴波函数的分离程度。
上述方法都是为了尽量减小甚至消除量子阱中的极化场，进而达到提高LED发光效率的目的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术制作的GaN基发光二极管量子阱中电子和空穴辐射复合几率小而引起发光强度低的缺陷，提供一种GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管及其制备方法。
本发明所述GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管从下到上依次为：(0001)面蓝宝石衬底、低温缓冲层、n型掺杂的GaN层、3～5个InGaN/GaN多量子阱、p型掺杂的AlGaN层、p型掺杂的GaN层、5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层、p型欧姆接触层、在n型掺杂的GaN层上通过刻蚀和光刻技术制作n型欧姆接触层。
所述量子阱由不掺杂的势垒层和其上不掺杂的势阱层组成，且势阱层的带隙小于势垒层的带隙，所述势阱层为渐变组分的InGaN，其厚度为2～5nm；势垒层为GaN，其厚度为5～20nm；所述p型AlGaN层的厚度为100～200nm，p型GaN层的厚度为200～300nm；所述5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层的p-InGaN层的厚度为2～5nm，p-AlGaN层的厚度为2～7nm。
本发明所述GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管的制备方法包括以下步骤：
1)将(0001)面蓝宝石衬底装入反应室，对衬底进行热处理，接着生长GaN缓冲层；
2)生长n型掺硅GaN层，再生长3～5个周期的渐变组分InGaN/GaN多量子阱，然后生长p型掺Mg的AlGaN层和p型掺Mg的GaN层，最后生长5个周期掺Mg的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层，整个外延生长完毕后，将外延片退火，得GaN基多量子阱结构的发光二极管外延片；
3)样品清洗后，采用传统工艺刻蚀出n型GaN层，分别在n型GaN层上和5个周期的掺Mg的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层顶部制作n型欧姆接触层和p型欧姆接触层，得GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管。
在步骤1)中，所述热处理最好在H2气氛下加热至1050～1200℃对衬底进行热处理10～20min；所述生长GaN缓冲层最好对热处理后的衬底降温至500～600℃下生长GaN缓冲层，GaN缓冲层的厚度最好为10～40nm；生长GaN缓冲层的压力最好为500～600Torr，载气流量最好为10～30L/min，TMGa流量最好为20～80μmol/min，NH3流量最好为80～220mol/min。
在步骤2)中，所述生长n型掺硅GaN层的温度最好为950～1100℃，生长n型掺硅GaN层的压力最好为100～300Torr，载气流量最好为5～20L/min，TMGa流量最好为50～200μmol/min，NH3流量最好为120～500mol/min，SiH4流量最好为0.2～2nmol/min，n型掺硅GaN层的厚度最好为2～3μm；
所述生长3～5个周期的渐变组分InGaN/GaN多量子阱最好在N2气氛下生长，生长InGaN/GaN多量子阱的压力最好为50～500Torr，载气流量最好为5～20L/min，NH3流量最好为120～500mol/min，势阱层的厚度最好为2～5nm，生长温度的线性变化范围最好为700～850℃，TMGa流量最好为1～4μmol/min，TMIn流量的线性变化范围最好为10～40μmol/min，势垒层的厚度最好为5～20nm，生长温度最好为700～900℃，TMGa流量最好为10～40μmol/min；
所述生长p型掺Mg的AlGaN层的厚度最好为100～200nm，所述p型掺Mg的GaN层的厚度最好为200～300nm，所述5个周期掺Mg的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层的每个周期的厚度最好为4～12nm；所述退火最好在700～850℃的N2气氛下退火，退火的时间最好为10～20min。生长p型掺Mg的AlGaN层和p型掺Mg的GaN层的压力最好为76～200Torr，载气流量最好为5～20L/min，生长温度最好为1000～1100℃，TMGa的流量最好为20～50μmol/min，TMA1流量最好为2～5μmol/min，Cp2Mg的流量最好为0.5～5μmol/min，NH3流量最好为120～500mol/min；
所述生长5个周期的掺Mg的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层的压力最好为300～400Torr，载气流量最好为5～20L/min，NH3流量最好为120～500mol/min，p-InGaN的TMGa的流量最好为5～8μmol/min，TMIn的流量最好为100～200μmol/min，Cp2Mg的流量最好为160nmol/min，生长温度最好为730～770℃；p-AlGaN的TMGa的流量最好为15～35μmol/min，TMA1流量最好为5～10μmol/min，Cp2Mg的流量最好为260nm/min，生长温度最好为760℃；
所述退火最好在700～850℃、N2流量为2L/min的气氛中退火10～20min；
Ga、In、Mg、N、Si源分别为三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)、二茂镁(Cp2Mg)、氨气(NH3)和硅烷(SiH4)。
本发明通过改变生长过程中的生长温度或TMIn源的流量以调节势阱层中的In组分来控制量子阱的能带形状。本发明采用LP-MOCVD(低压金属有机化学气相沉积系统)设备，利用H2、N2作为载气，进行发光二极管的外延生长，整个生长过程中生长压力控制在50～600Torr之间。
本发明提供的GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管的优异之处在于：与传统的GaN基发光二极管结构相比，量子阱区不需掺杂，而是通过合理调节势阱层中的In组分来合理有效地改变能带形状，使电子和空穴波函数的空间交叠程度增大，且电子和空穴在量子阱中主要通过带边辐射复合发光，从而大大提高了LED的发光效率、波长稳定性等工作性能。
本发明所述GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管的多量子阱区采用渐变组份结构，增强了对电子和空穴的限制作用，有效提高了发光二极管的发光效率；该多量子阱结构通过对势阱层In组分的调制而合理控制能带形状，明显提高了电子和空穴波函数的空间交叠程度，从而大大提高了电子和空穴的辐射复合几率，并有效抑制了波长漂移；且该发光二极管的制备，对生长设备和工艺条件无特殊要求，不会使制作工艺复杂化。
附图说明
图1为本发明实施例的GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管的结构示意图。其中标号4所示为5个周期的渐变组分多量子阱。
图2为本发明实施例1的渐变组分量子阱的示意图和相应的能带图。在图2中，a为渐变组分量子阱，b为相应的能带图。
图3为本发明实施例2的渐变组分量子阱的示意图和相应的能带图。在图3中，a为渐变组分量子阱，b为相应的能带图。
图4为本发明实施例3的渐变组分量子阱的示意图和相应的能带图。在图4中，a为渐变组分量子阱，b为相应的能带图。
图5为本发明实施例4的渐变组分量子阱的示意图和相应的能带图。在图5中，a为渐变组分量子阱，b为相应的能带图。
图6为本发明实施例5的渐变组分量子阱的示意图和相应的能带图。在图6中，a为渐变组分量子阱，b为相应的能带图。
图7为本发明实施例6的渐变组分量子阱的示意图和相应的能带图。在图7中，a为渐变组分量子阱，b为相应的能带图。
图8为本发明实施例的GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管与传统发光二极管的I-V特性比较图。在图8中，横坐标为电压Voltage(V)，纵坐标为电流Current(A)；1为GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管，2为传统发光二极管。
图9为本发明实施例的GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管与传统发光二极管的峰值波长随注入电流变化比较图。在图9中，横坐标为注入电流Injection Curent(mA)，纵坐标为峰值波长Peak Wavelength(nm)；曲线1为GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管，曲线为传统发光二极管。
图10为本发明实施例的GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管与传统发光二极管的半高宽随注入电流变化比较图。在图10中，横坐标为注入电流Injection Curent(mA)，纵坐标为半高宽FWHM(nm)；曲线1为GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管，曲线2为传统发光二极管。
图11为本发明实施例的GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管与传统发光二极管的EL积分强度随注入电流变化比较图。在图11中，横坐标为注入电流Injection Curent(mA)，纵坐标为积分强度Integrated Intensity(a.u.)；曲线1为GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管，曲线2为传统发光二极管。
具体实施方式
以下实施例均采用3*2CCS LP-MOCVD设备进行外延片生长。
参见图1，本发明所述GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管从下到上依次为：(0001)面蓝宝石衬底1、低温缓冲层2、n型掺杂的GaN层3、5个InGaN/GaN多量子阱4、p型掺杂的AlGaN层5、p型掺杂的GaN层6、5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层7、p型欧姆接触层8、在n型掺杂的GaN层上通过刻蚀和光刻技术制作n型欧姆接触层9。
所述量子阱由不掺杂的势垒层和其上不掺杂的势阱层组成，且势阱层的带隙小于势垒层的带隙，所述势阱层41为渐变组分的InGaN，其厚度为2～5nm；势垒层42为GaN，其厚度为5～20nm；所述p型AlGaN层的厚度为100～200nm，p型GaN层的厚度为200～300nm；所述5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层的p-InGaN层71的厚度为2～5nm，p-AlGaN层72的厚度为2～7nm。
以下给出本发明所述GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管的制备方法实施例。
实施例1
1、将免清洗的(0001)面蓝宝石衬底装入反应室，在H2气氛下加热至1050℃烘烤10min，反应室压力为50Torr。
2、在500℃下生长厚度为10nm的GaN缓冲层，生长压力为500Torr，载气流量为10L/min，TMGa流量为20μmol/min，NH3流量为80mol/min。
3、在950℃下生长厚度为2μm的n型掺硅GaN层，生长压力为100Torr，载气流量为5L/min，TMGa流量为50μmol/min，NH3流量为120mol/min，SiH4流量为0.2nmol/min。
4、接着在N2气氛下生长3个周期的InGaN/GaN量子阱，生长压力为50Torr。阱层为InGaN，厚度为2nm，TMGa流量为1μmol/min，TMIn流量为10μmol/min，NH3流量为120mol/min，生长温度从750℃以62.4℃/min的速率线性降低至700℃；垒层为GaN，厚度为5nm，TMGa流量为10μmol/min，NH3流量为150mol/min，生长温度为700℃(如图2所示)。
5、然后在950℃下生长掺Mg的AlGaN层和掺Mg的GaN层，生长压力为76Torr，载气流量为5L/min，TMGa的流量为20μmol/min，TMAl流量为2μmol/min，NH3流量为120mol/min，Cp2Mg的流量为0.5μmol/min。
6、再降温生长5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层，生长压力为300Torr，载气流量为5L/min，其中p-InGaN层的TMGa的流量为5μmol/min，TMIn的流量为100μmol/min，Cp2Mg的流量为160nmol/min，NH3流量为200mol/min，生长温度为730℃，而p-AlGaN层的TMGa的流量为15μmol/min，TMAl的流量为5μmol/min，Cp2Mg的流量为260nmol/min，NH3流量为120mol/min，生长温度为760℃。
7、最后将外延生长得到的样品在700℃N2气氛下退火10min，N2的流量为2L/min，得GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管外延片，划片，清洗后，采用传统工艺刻蚀出n型GaN层，分别在n型GaN层上和5个周期的掺Mg的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层顶部制作n型欧姆接触层和p型欧姆接触层，得GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管。
图8给出实施例1的GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管与传统发光二极管的I-V特性比较图。
图9～11分别给出实施例1的GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管与传统发光二极管的峰值波长、半高宽和积分强度随注入电流变化比较图。
实施例2
1.将免清洗的(0001)面蓝宝石衬底装入反应室，在H2气氛下加热至1080℃烘烤12min，反应室压力为50Torr。
2.在530℃下生长厚度为15nm的GaN缓冲层，生长压力为520Torr，载气流量为15L/min，TMGa流量为30μmol/min，NH3流量为100mol/min。
3.在980℃下生长厚度为2.3μm的n型掺硅GaN层，生长压力为150Torr，载气流量为8L/min，TMGa流量为100μmol/min，NH3流量为250mol/min，SiH4流量为0.5nmol/min。
4.接着在N2气氛下生长4个周期的InGaN/GaN量子阱，生长压力为100Torr。阱层为InGaN，厚度为3nm，TMGa流量为2μmol/min，TMIn流量为15μmol/min，NH3流量为250mol/min，生长温度从800℃以83.2℃/min的速率线性降低至700℃；垒层为GaN，厚度为8nm，TMGa流量为20μmol/min，NH3流量为250mol/min，生长温度为730℃(如图3所示)。
5.然后在1000℃下生长掺Mg的AlGaN层和掺Mg的GaN层，生长压力为100Torr，载气流量为8L/min，TMGa的流量为25μmol/min，TMAl流量为2.5μmol/min，NH3流量为200mol/min，Cp2Mg的流量为1.5μmol/min。
6.再降温生长5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层，生长压力为320Torr，载气流量为8L/min，其中p-InGaN层的TMGa的流量为5.5μmol/min，TMIn的流量为120μmol/min，Cp2Mg的流量为160nmol/min，NH3流量为250mol/min，生长温度为740℃，而p-AlGaN层的TMGa的流量为20μmol/min，TMAl的流量为6μmol/min，Cp2Mg的流量为260nmol/min，NH3流量为130mol/min，生长温度为760℃。
7.最后将外延生长得到的样品在730℃N2气氛下退火12min，N2的流量为2L/min，得GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管外延片，划片，清洗后，采用传统工艺刻蚀出n型GaN层，分别在n型GaN层上和5个周期的掺Mg的p-InGaN/p-AlGaN超品格层顶部制作n型欧姆接触层和p型欧姆接触层，得GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管。
实施例3
1.将免清洗的(0001)面蓝宝石衬底装入反应室，在H2气氛下加热至1100℃烘烤15min，反应室压力为50Torr。
2.在550℃下生长厚度为20nm的GaN缓冲层，生长压力为530Torr，载气流量为18L/min，TMGa流量为40μmol/min，NH3流量为120mol/min。
3.在1000℃下生长厚度为2.5μm的n型掺硅GaN层，生长压力为200Torr，载气流量为10L/min，TMGa流量为120μmol/min，NH3流量为280mol/min，SiH4流量为1nmol/min。
4.接着在N2气氛下生长5个周期的InGaN/GaN量子阱，生长压力为200Torr。阱层为InGaN，厚度为4nm，TMGa流量为3μmol/min，TMIn流量为20μmol/min，NH3流量为350mol/min，生长温度从850℃以93.6℃/min的速率线性降低至700℃；垒层为GaN，厚度为10nm，TMGa流量为25μmol/min，NH3流量为300mol/min，生长温度为780℃(如图4所示)。
5.然后在1030℃下生长掺Mg的AlGaN层和掺Mg的GaN层，生长压力为150Torr，载气流量为10L/min，TMGa的流量为30μmol/min，TMAl流量为3μmol/min，NH3流量为300mol/min，Cp2Mg的流量为2μmol/min。
6.再降温生长5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层，生长压力为350Torr，载气流量为10L/min，其中p-InGaN层的TMGa的流量为6μmol/min，TMIn的流量为150μmol/min，Cp2Mg的流量为160nmol/min，NH3流量为300mol/min，生长温度为750℃，而p-AlGaN层的TMGa的流量为25μmol/min，TMAl的流量为7μmol/min，Cp2Mg的流量为260nmol/min，NH3流量为140mol/min，生长温度为760℃。
7.最后将外延生长得到的样品在750℃N2气氛下退火15min，N2的流量为2L/min，得GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管外延片，划片，清洗后，采用传统工艺刻蚀出n型GaN层，分别在n型GaN层上和5个周期的掺Mg的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层顶部制作n型欧姆接触层和p型欧姆接触层，得GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管。
实施例4
1.将免清洗的(0001)面蓝宝石衬底装入反应室，在H2气氛下加热至1150℃烘烤16min，反应室压力为50Torr。
2.在560℃下生长厚度为25nm的GaN缓冲层，生长压力为550Torr，载气流量为20L/min，TMGa流量为50μmol/min，NH3流量为150mol/min。
3.在1050℃下生长厚度为2.6μm的n型掺硅GaN层，生长压力为250Torr，载气流量为15L/min，TMGa流量为150μmol/min，NH3流量为350mol/min，SiH4流量为1.2nmol/min。
4.接着在N2气氛下生长3个周期的InGaN/GaN量子阱，生长压力为300Torr。阱层为InGaN，厚度为5nm，TMGa流量为4μmol/min，TMIn流量从25μmol以4.1μmol/min的速率线性降低至16.7μmol/min，NH3流量为400mol/min，生长温度为700℃；垒层为GaN，厚度为13nm，TMGa流量为30μmol/min，NH3流量为420mol/min，生长温度为800℃(如图5所示)。
5.然后在1050℃下生长掺Mg的AlGaN层和掺Mg的GaN层，生长压力为160Torr，载气流量为15L/min，TMGa的流量为35μmol/min，TMAl流量为3.5μmol/min，NH3流量为350mol/min，Cp2Mg的流量为3μmol/min。
6.再降温生长5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层，生长压力为360Torr，载气流量为12L/min，其中p-InGaN层的TMGa的流量为6.5μmol/min，TMIn的流量为160μmol/min，Cp2Mg的流量为160nmol/min，NH3流量为350mol/min，生长温度为760℃，而p-AlGaN层的TMGa的流量为30μmol/min，TMAl的流量为8μmol/min，Cp2Mg的流量为260nmol/min，NH3流量为150mol/min，生长温度为760℃。
7.最后将外延生长得到的样品在780℃N2气氛下退火16min，N2的流量为2L/min，得GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管外延片，划片，清洗后，采用传统工艺刻蚀出n型GaN层，分别在n型GaN层上和5个周期的掺Mg的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层顶部制作n型欧姆接触层和p型欧姆接触层，得GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管。
实施例5
1.将免清洗的(0001)面蓝宝石衬底装入反应室，在H2气氛下加热至1180℃烘烤18min，反应室压力为50Torr。
2.在580℃下生长厚度为30nm的GaN缓冲层，生长压力为580Torr，载气流量为25L/min，TMGa流量为65μmol/min，NH3流量为180mol/min。
3.在1080℃下生长厚度为2.8μm的n型掺硅GaN层，生长压力为280Torr，载气流量为18L/min，TMGa流量为160μmol/min，NH3流量为380mol/min，SiH4流量为1.5nmol/min。
4.接着在N2气氛下生长4个周期的InGaN/GaN量子阱，生长压力为400Torr。阱层为InGaN，厚度为2mn，TMGa流量为1μmol/min，TMIn流量从30μmol以25μmol/min的速率线性降低至10μmol，NH3流量为450mol/min，生长温度为800℃；垒层为GaN，厚度为15nm，TMGa流量为35μmol/min，NH3流量为450mol/min，生长温度为850℃(如图6所示)。
5.然后在1080℃下生长掺Mg的AlGaN层和掺Mg的GaN层，生长压力为180Torr，载气流量为18L/min，TMGa的流量为40μmol/min，TMAl的流量为4μmol/min，NH3流量为400mol/min，Cp2Mg的流量为4μmol/min。
6.再降温生长5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层，生长压力为380Torr，载气流量为15L/min，其中p-InGaN层的TMGa的流量为7μmol/min，TMIn的流量为180μmol/min，Cp2Mg的流量为160nmol/min，NH3流量为400mol/min，生长温度为765℃，而p-AlGaN层的TMGa的流量为33μmol/min，TMAl的流量为9μmol/min，Cp2Mg的流量为260nmol/min，NH3流量为160mol/min，生长温度为760℃。
7.最后将外延生长得到的样品在800℃N2气氛下退火18min，N2的流量为2L/min，得GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管外延片，划片，清洗后，采用传统工艺刻蚀出n型GaN层，分别在n型GaN层上和5个周期的掺Mg的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层顶部制作n型欧姆接触层和p型欧姆接触层，得GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管。
实施例6
1.将免清洗的(0001)面蓝宝石衬底装入反应室，在H2气氛下加热至1200℃烘烤20min，反应室压力为50Torr。
2.在600℃下生长厚度为40nm的GaN缓冲层，生长压力为600Torr，载气流量为30L/min，TMGa流量为80μmol/min，NH3流量为220mol/min。
3.在1100℃下生长厚度为3nm的n型掺硅GaN层，生长压力为300Torr，载气流量为20L/min，TMGa流量为200μmol/min，NH3流量为500mol/min，SiH4流量为2nmol/min。
4.接着在N2气氛下生长5个周期的InGaN/GaN量子阱，生长压力为300Torr。阱层为InGaN，厚度为3nm，TMGa流量为2μmol/min，TMIn流量从40μmol以33.3μmol/min的速率线性降低至零，NH3流量为500mol/min，生长温度为850℃；垒层为GaN，厚度为20nm，TMGa流量为40μmol/min，NH3流量为480mol/min，生长温度为900℃(如图7所示)。
5.然后在1100℃下生长掺Mg的AlGaN层和掺Mg的GaN层，生长压力为200Torr，载气流量为20L/min，TMGa的流量为50μmol/min，TMAl流量为5μmol/min，NH3流量为500mol/min，Cp2Mg的流量为5μmol/min。
6.再降温生长5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层，生长压力为400Torr，载气流量为20L/min，其中p-InGaN层的TMGa的流量为8μmol/min，TMIn的流量为200μmol/min，Cp2Mg的流量为160nmol/min，NH3流量为500mol/min，生长温度为770℃，而p-AlGaN层的TMGa的流量为35μmol/min，TMAl的流量为10μmol/min，Cp2Mg的流量为260nmol/min，NH3流量为180mol/min，生长温度为760℃。
7.最后将外延生长得到的样品在850℃N2气氛下退火20min，N2的流量为2L/min，得GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管外延片，划片，清洗后，采用传统工艺刻蚀出n型GaN层，分别在n型GaN层上和5个周期的掺Mg的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层顶部制作n型欧姆接触层和p型欧姆接触层，得GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管。
Claims (9)
1.GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管，其特征在于其从下到上依次为：(0001)面蓝宝石衬底、低温缓冲层、n型掺杂的GaN层、3～5个InGaN/GaN多量子阱、p型掺杂的AlGaN层、p型掺杂的GaN层、5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层、p型欧姆接触层、在n型掺杂的GaN层上通过刻蚀和光刻技术制作n型欧姆接触层；
所述量子阱由不掺杂的势垒层和其上不掺杂的势阱层组成，且势阱层的带隙小于势垒层的带隙，所述势阱层为渐变组分的InGaN，其厚度为2～5nm；势垒层为GaN，其厚度为5～20nm。
2.如权利要求1所述GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管，其特征在于所述p型AlGaN层的厚度为100～200nm，p型GaN层的厚度为200～300nm；所述5个周期的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层的p-InGaN层的厚度为2～5nm，p-AlGaN层的厚度为2～7nm。
3.如权利要求1所述GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将(0001)面蓝宝石衬底装入反应室，对衬底进行热处理，接着生长GaN缓冲层；
2)生长n型掺硅GaN层，再生长3～5个周期的渐变组分InGaN/GaN多量子阱，然后生长p型掺Mg的AlGaN层和p型掺Mg的GaN层，最后生长5个周期掺Mg的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层，整个外延生长完毕后，将外延片退火，得GaN基多量子阱结构的发光二极管外延片；
3)样品清洗后，采用传统工艺刻蚀出n型GaN层，分别在n型GaN层上和5个周期的掺Mg的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层顶部制作n型欧姆接触层和p型欧姆接触层，得GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管。
4.如权利要求3所述GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述热处理是在H2气氛下加热至1050～1200℃对衬底进行热处理10～20min；所述生长GaN缓冲层是对热处理后的衬底降温至500～600℃下生长GaN缓冲层，GaN缓冲层的厚度为10～40nm；生长GaN缓冲层的压力为500～600Torr，载气流量为10～30L/min，TMGa流量为20～80μmol/min，NH3流量为80～220mol/min。
5.如权利要求3所述GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述生长n型掺硅GaN层的温度为950～1100℃，生长n型掺硅GaN层的压力为100～300Torr，载气流量为5～20L/min，TMGa流量为50～200μmol/min，NH3流量为120～500mol/min，SiH4流量为0.2～2nmol/min，n型掺硅GaN层的厚度为2～3μm。
6.如权利要求3所述GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述生长3～5个周期的渐变组分InGaN/GaN多量子阱是在N2气氛下生长，生长InGaN/GaN多量子阱的压力为50～500Torr，载气流量为5～20L/min，NH3流量为120～500mol/min，势阱层的厚度为2～5nm，生长温度的线性变化范围为700～850℃，TMGa流量为1～4μmol/min，TMIn流量的线性变化范围为10～40μmol/min，势垒层的厚度为5～20nm，生长温度为700～900℃，TMGa流量为10～40μmol/min。
7.如权利要求3所述GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述生长p型掺Mg的AlGaN层的厚度为100～200nm，所述p型掺Mg的GaN层的厚度为200～300nm，所述5个周期掺Mg的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层的每个周期的厚度为4～12nm；所述退火是在700～850℃的N2气氛下退火，退火的时间为10～20min；生长p型掺Mg的AlGaN层和p型掺Mg的GaN层的压力为76～200Torr，载气流量为5～20L/min，生长温度为1000～1100℃，TMGa的流量为20～50μmol/min，TMAl流量为2～5μmol/min，Cp2Mg的流量为0.5～5μmol/min，NH3流量为120～500mol/min。
8.如权利要求3所述GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述生长5个周期的掺Mg的p-InGaN/p-AlGaN超晶格层的压力为300～400Torr，载气流量为5～20L/min，NH3流量为120～500mol/min，p-InGaN的TMGa的流量为5～8μmol/min，TMIn的流量为100～200μmol/min，Cp2Mg的流量为160nmol/min，生长温度为730～770℃；p-AlGaN的TMGa的流量为15～35μmol/min，TMAl流量为5～10μmol/min，Cp2Mg的流量为260nm/min，生长温度为760℃；
9.如权利要求3所述GaN基多量子阱结构的高亮度发光二极管的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述退火是在700～850℃、N2流量为2L/min的气氛中退火10～20min。
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