CN110335923A - 一种多量子阱结构、led外延片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种多量子阱结构，为9层的上下层叠加结构，9层按照从下往上的顺序依次为GaN势垒层、AlGaN势垒层、GaN势垒层、InGaN势阱层、低温InGaN势阱层、InGaN势阱层、GaN势垒层、AlGaN势垒层、GaN势垒层；本申请还提供了一种LED外延片；本申请还提供了一种LED外延片的制备方法；本发明能够有效降低阱垒界面间的应力，缓解能带的弯曲，AlGaN势垒层能有效加强对电子的阻挡，低温InGaN势阱层能够提高空穴和电子注入有源区效率和辐射复合效率，从根本上提高晶体质量和内量子效率，从而提高器件性能，将有源区的出光效率提高了37％左右。

Description

一种多量子阱结构、LED外延片及其制备方法
技术领域
本发明涉及LED外延设计技术领域，尤其是涉及一种多量子阱结构、LED外延片及其制备方法。
背景技术
二十世纪九十年代初，以氮化物为代表的第三代宽带隙半导体材料获得了历史性突破，科研人员在氮化镓材料上成功地制备出蓝绿光和紫外光LED，使得LED照明成为可能。1971年，第一只氮化镓LED管芯面世，1994年，氮化镓HEMT出现了高电子迁移率的蓝光GaN基二极管，氮化镓半导体材料发展十分迅速。
半导体发光二极管具有体积小、坚固耐用、发光波段可控性强、光效高、低热损耗、光衰小、节能、环保等优点，在全色显示、背光源、信号灯、光电计算机互联、短距离通信等领域有着广泛的应用，逐渐成为目前电子电力学领域研究的热点。氮化镓材料具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高稳定性等一系列优点，因此在短波长发光器件、光探测器件以及大功率器件方面有着广泛的应用和巨大的市场前景。
LED被广泛应用在显示屏、传感器、通讯、照明等广泛领域。作为核心半导体器件的GaN基蓝光LED能与荧光粉结合制造白光，在照明方面有很大的吸引力。LED外延片要提高发光效率，最根本的方法就是要增强外延结构的内量子效率。目前，国内MOCVD生长GaN基LED外延片的内量子效率只能达到30％左右，还有较大的发展提高空间，而有源层MQW的生长对内量子效率的提高尤其重要。业内目前一般采用GaN/InGaN材料交替生长有源层。在注入电流后，n型GaN层中的电子因其高迁移率，会比较容易穿过发光层(有源层MQW)，迁移到有源层之上的p型GaN层中与空穴形成无效辐射复合，这样无形中降低了内量子效率。
因此，有必要提供一种GaN基LED外延片的新有源层制备方法，来克服上述的技术问题。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种多量子阱结构。本发明实施例的另外一个目的是提供一种LED外延片。本发明实施例的另外一个目的是提供一种LED外延片的制备方法。
为解决上述的技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种多量子阱结构，为9层的上下层叠加结构，9层按照从下往上的顺序依次生长；
第一层为GaN势垒层，第二层为AlGaN势垒层，第三层为GaN势垒层，第四层为InGaN势阱层，第五层为低温InGaN势阱层，第六层为InGaN势阱层，第七层为GaN势垒层，第八层为AlGaN势垒层，第九层为GaN势垒层；
第一层、第二层、第三层、第四层、第五层、第六层、第七层、第八层、第九层按照从下到上的顺序依次层叠布置。
一种LED外延片，包括衬底、N型层、5～9个多量子阱结构以及P型层，5～9个多量子阱结构中的每一个多量子阱结构均为上述的多量子阱结构；
5～9个多量子阱结构按照从下到上的顺序依次层叠布置；
所述衬底、N型层、5～9个多量子阱结构、P型层按照从下到上的顺序依次层叠布置。
一种上述的LED外延片的制备方法，包括以下依次进行的步骤：
1)在衬底上生长N型层结构；
2)在N型层的上表面上，生长多量子阱结构；
所述多量子阱结构的制备方法包括以下依次进行的步骤：
a)在N型层的上表面上生长第一层，第一层为GaN势垒层；
b)在第一层的上表面上生长第二层，第二层为AlGaN势垒层；
c)在第二层的上表面上生长第三层，第三层为GaN势垒层；
d)在第三层的上表面上生长第四层，第四层为InGaN势阱层；
e)在第四层的上表面上生长第五层，第五层为低温InGaN势阱层；
f)在第五层的上表面上生长第六层，第六层为InGaN势阱层；
g)在第六层的上表面上生长第七层，第七层为GaN势垒层；
h)在第七层的上表面上生长第八层，第八层为AlGaN势垒层；
i)在第八层的上表面上生长第九层，第九层为GaN势垒层；
3)继续重复生长步骤2)制得的多量子阱结构，重复生长直至多量子阱结构的总个数为5-9个；
4)在步骤3)制得的最上层的多量子阱结构的上表面上生长P型层，完成后制得LED外延片。
优选的，步骤1)中，所述N型层为N型GaN层；步骤4)中，所述P型层为P型GaN层。
优选的，GaN势垒层的制备方法为：在气氛为氮气的反应室内、生长温度为750-850℃、压力为200-300mbar的环境下，使用三乙基镓与硅烷，生长厚度为2.5-4.5nm的GaN势垒层，其中硅掺杂浓度为5E17-5E18atom/cm3。
本申请提供了一种多量子阱结构，为9层的上下层叠加结构，9层按照从下往上的顺序依次为GaN势垒层、AlGaN势垒层、GaN势垒层、InGaN势阱层、低温InGaN势阱层、InGaN势阱层、GaN势垒层、AlGaN势垒层、GaN势垒层；本申请还提供了一种LED外延片；本申请还提供了一种LED外延片的制备方法；本发明能够有效降低阱垒界面间的应力，缓解能带的弯曲，AlGaN势垒层能有效加强对电子的阻挡，低温InGaN势阱层能够提高空穴和电子注入有源区效率和辐射复合效率，从根本上提高晶体质量和内量子效率，从而提高器件性能，将有源区的出光效率提高了37％左右。本发明针对现有多量子阱内量子效率低、应力大的问题，提供一种新组合阱垒多量子阱的LED外延结构，该结构能够有效降低阱垒界面间的应力，缓解能带的弯曲，提高空穴和电子注入有源区效率和辐射复合效率。
附图说明
图1为现有技术中的LED外延片的结构示意图；
图2为图1中的LED外延片中的多量子阱结构的能带示意图；
图3为本发明的实施例提供的多量子阱结构的结构示意图；
图4为图3中的多量子阱结构的能带示意图；
图5为本发明的实施例提供的LED外延片的结构示意图(图5中画出了5个重复排列的多量子阱结构)。
图中：其中，1衬底，2 N型层；
3 GaN势垒层，4 AlGaN势垒层，5 InGaN势阱层，6低温InGaN势阱层；
7 P型层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“轴向”、“径向”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”，可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征的正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征的正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
参照图1-5，图1为现有技术中的LED外延片的结构示意图；图2为图1中的LED外延片中的多量子阱结构的能带示意图；图3为本发明的实施例提供的多量子阱结构的结构示意图；图4为图3中的多量子阱结构的能带示意图；图5为本发明的实施例提供的LED外延片的结构示意图(图5中画出了5个重复排列的多量子阱结构)；图1-5中包括：衬底1，N型层2；GaN势垒层3，AlGaN势垒层4，InGaN势阱层5，低温InGaN势阱层6；P型层7。
实施例1，一种多量子阱结构，为9层的上下层叠加结构，9层按照从下往上的顺序依次生长；
第一层为GaN势垒层3，第二层为AlGaN势垒层4，第三层为GaN势垒层3，第四层为InGaN势阱层5，第五层为低温InGaN势阱层6，第六层为InGaN势阱层5，第七层为GaN势垒层3，第八层为AlGaN势垒层4，第九层为GaN势垒层3；
第一层、第二层、第三层、第四层、第五层、第六层、第七层、第八层、第九层按照从下到上的顺序依次层叠布置。
实施例2，一种LED外延片，包括衬底1、N型层2、5～9个多量子阱结构以及P型层7，5～9个多量子阱结构中的每一个多量子阱结构均为上述实施例1中的多量子阱结构；
5～9个多量子阱结构按照从下到上的顺序依次层叠布置；
所述衬底1、N型层2、5～9个多量子阱结构、P型层7按照从下到上的顺序依次层叠布置。
实施例3，一种上述的LED外延片的制备方法，包括以下依次进行的步骤：
1)在衬底1上生长N型层2结构；
2)在N型层2的上表面上，生长多量子阱结构；
所述多量子阱结构的制备方法包括以下依次进行的步骤：
a)在N型层2的上表面上生长第一层，第一层为GaN势垒层3；
b)在第一层的上表面上生长第二层，第二层为AlGaN势垒层4；
c)在第二层的上表面上生长第三层，第三层为GaN势垒层3；
d)在第三层的上表面上生长第四层，第四层为InGaN势阱层5；
e)在第四层的上表面上生长第五层，第五层为低温InGaN势阱层6；
f)在第五层的上表面上生长第六层，第六层为InGaN势阱层5；
g)在第六层的上表面上生长第七层，第七层为GaN势垒层3；
h)在第七层的上表面上生长第八层，第八层为AlGaN势垒层4；
i)在第八层的上表面上生长第九层，第九层为GaN势垒层3；
3)继续重复生长步骤2)制得的多量子阱结构，重复生长直至多量子阱结构的总个数为5-9个；
4)在步骤3)制得的最上层的多量子阱结构的上表面上生长P型层7，完成后制得LED外延片。
实施例4，在实施例3的技术方案的基础上，进一步优选的，步骤1)中，所述N型层2为N型GaN层。
实施例5，在实施例3的技术方案的基础上，进一步优选的，步骤4)中，所述P型层7为P型GaN层。
实施例6，在实施例3的技术方案的基础上，进一步优选的，本申请提供了一种LED外延片的制备方法，该制备方法运用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备以金属有机物化学气相沉积法在蓝宝石衬底1上生长，采用高纯H2、高纯N2或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源，金属有机源三甲基镓或三乙基镓作为镓源，三甲基铟作为铟源，N型掺杂剂用硅烷，三甲基铝作为铝源，P型掺杂剂为二茂镁，具体包括以下依次进行的步骤：
1)将蓝宝石材质的衬底1放入金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备的反应室中，利用高纯H2和N2的混合气体作为载气在氮化处理的蓝宝石材质的衬底1上生长厚度为34-70nm、Al掺杂浓度为7E19-6.5E20atom/cm3、硅掺杂浓度为4E19-5E20atom/cm3的N型层2；
2)在N型层2的上表面上，生长多量子阱结构；
所述多量子阱结构的制备方法包括以下依次进行的步骤：
a)在N型层2的上表面上，且在气氛为氮气的反应室内、生长温度为750-850℃、压力为200-300mbar的环境下，使用三乙基镓与硅烷，生长厚度为2.5-4.5nm的GaN势垒层3作为第一层，其中硅掺杂浓度为5E17-5E18atom/cm3；
b)在第一层的上表面上，且在生长温度为750-850℃、压力为200-300mbar的环境下，使用三乙基镓与三甲基铝，生长厚度为1-2.5nm的AlGaN势垒层4作为第二层，其中Al掺杂浓度为1E16-5E17atom/cm3；
c)在第二层的上表面上，且在生长温度为750-850℃、压力为200-300mbar的环境下，使用三乙基镓与硅烷，生长厚度为2.5-4.5nm的GaN势垒层3作为第三层，其中硅掺杂浓度为5E17-5E18atom/cm3；
d)在第三层的上表面上，且在生长温度为700-800℃、压力为200-300mbar的环境下，使用三乙基镓和三甲基铟按1:2.3摩尔比的混合物，或通入三甲基镓和三甲基铟按1:2.3摩尔比的混合物，持续生长厚度为2-4nm的InGaN势阱层5作为第四层，其中In掺杂浓度为2E20-4E20atom/cm3；
e)在第四层的上表面上，且在生长温度为650-750℃、压力为200-300mbar的环境下，使用三乙基镓和三甲基铟按1:2摩尔比的混合物，或通入三甲基镓和三甲基铟按1:2摩尔比的混合物，持续生长厚度为2-3nm的低温InGaN势阱层6作为第五层，其中In掺杂浓度为2E20-4E20atom/cm3；
f)在第五层的上表面上，且在生长温度为700-800℃、压力为200-300mbar的环境下，使用三乙基镓和三甲基铟按1:2.3摩尔比的混合物，或通入三甲基镓和三甲基铟按1:2.3摩尔比的混合物，持续生长厚度为2-4nm的InGaN势阱层5作为第六层，其中In掺杂浓度为2E20-4E20atom/cm3；
g)在第六层的上表面上，且在生长温度为750-850℃、压力为200-300mbar的环境下，使用三乙基镓与硅烷，生长厚度为2.5-4.5nm的GaN势垒层3作为第七层，其中硅掺杂浓度为5E17-5E18atom/cm3；
h)在第七层的上表面上，且在生长温度为750-850℃、压力为200-300mbar的环境下，使用三乙基镓与三甲基铝，生长厚度为1-2.5nm的AlGaN势垒层4作为第八层，其中Al掺杂浓度为1E16-5E17atom/cm3；
i)在第八层的上表面上，且在生长温度为750-850℃、压力为200-300mbar的环境下，使用三乙基镓与硅烷，生长厚度为2.5-4.5nm的GaN势垒层3作为第九层，其中硅掺杂浓度为5E17-5E18atom/cm3；
3)继续重复生长步骤2)制得的多量子阱结构，重复生长直至多量子阱结构的总个数为5-9个；
4)在步骤3)制得的最上层的多量子阱结构的上表面上且在生长温度为700-1000℃下生长厚度25-40nm、Mg掺杂浓度为8E19atom/cm3、Al掺杂浓度为2E19atom/cm3的P型层7，完成后制得LED外延片。
本申请提供了一种多量子阱结构，为9层的上下层叠加结构，9层按照从下往上的顺序依次为GaN势垒层3、AlGaN势垒层4、GaN势垒层3、InGaN势阱层5、低温InGaN势阱层6、InGaN势阱层5、GaN势垒层3、AlGaN势垒层4、GaN势垒层3；本申请还提供了一种LED外延片；本申请还提供了一种LED外延片的制备方法；本发明能够有效降低阱垒界面间的应力，缓解能带的弯曲，AlGaN势垒层4能有效加强对电子的阻挡，低温InGaN势阱层6能够提高空穴和电子注入有源区效率和辐射复合效率，从根本上提高晶体质量和内量子效率，从而提高器件性能，将有源区的出光效率提高了37％左右。本发明针对现有多量子阱内量子效率低、应力大的问题，提供一种新组合阱垒多量子阱的LED外延结构，该结构能够有效降低阱垒界面间的应力，缓解能带的弯曲，提高空穴和电子注入有源区效率和辐射复合效率。
本发明未详尽描述的方法和装置均为现有技术，不再赘述。
本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种多量子阱结构，其特征在于，为9层的上下层叠加结构，9层按照从下往上的顺序依次生长；
第一层为GaN势垒层，第二层为AlGaN势垒层，第三层为GaN势垒层，第四层为InGaN势阱层，第五层为低温InGaN势阱层，第六层为InGaN势阱层，第七层为GaN势垒层，第八层为AlGaN势垒层，第九层为GaN势垒层；
第一层、第二层、第三层、第四层、第五层、第六层、第七层、第八层、第九层按照从下到上的顺序依次层叠布置。
2.一种LED外延片，其特征在于，包括衬底、N型层、5～9个多量子阱结构以及P型层，5～9个多量子阱结构中的每一个多量子阱结构均为权利要求1所述的多量子阱结构；
5～9个多量子阱结构按照从下到上的顺序依次层叠布置；
所述衬底、N型层、5～9个多量子阱结构、P型层按照从下到上的顺序依次层叠布置。
3.一种权利要求2所述的LED外延片的制备方法，其特征在于，包括以下依次进行的步骤：
1)在衬底上生长N型层结构；
2)在N型层的上表面上，生长多量子阱结构；
所述多量子阱结构的制备方法包括以下依次进行的步骤：
a)在N型层的上表面上生长第一层，第一层为GaN势垒层；
b)在第一层的上表面上生长第二层，第二层为AlGaN势垒层；
c)在第二层的上表面上生长第三层，第三层为GaN势垒层；
d)在第三层的上表面上生长第四层，第四层为InGaN势阱层；
e)在第四层的上表面上生长第五层，第五层为低温InGaN势阱层；
f)在第五层的上表面上生长第六层，第六层为InGaN势阱层；
g)在第六层的上表面上生长第七层，第七层为GaN势垒层；
h)在第七层的上表面上生长第八层，第八层为AlGaN势垒层；
i)在第八层的上表面上生长第九层，第九层为GaN势垒层；
3)继续重复生长步骤2)制得的多量子阱结构，重复生长直至多量子阱结构的总个数为5-9个；
4)在步骤3)制得的最上层的多量子阱结构的上表面上生长P型层，完成后制得LED外延片。
4.根据权利要求3所述的LED外延片的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述N型层为N型GaN层；步骤4)中，所述P型层为P型GaN层。
5.根据权利要求3所述的LED外延片的制备方法，其特征在于，GaN势垒层的制备方法为：在气氛为氮气的反应室内、生长温度为750-850℃、压力为200-300mbar的环境下，使用三乙基镓与硅烷，生长厚度为2.5-4.5nm的GaN势垒层，其中硅掺杂浓度为5E17-5E18atom/cm3。
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