提升内量子效率的LED外延量子阱生长方法

技术领域

本发明属于LED技术领域，具体涉及一种提升内量子效率的LED外延量子阱生长方法。

背景技术

发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)是一种将电能转化为光能的半导体电子器件。当LED有电流流过时，LED中的电子与空穴在其多量子阱内复合而发出单色光。LED作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，具有低电压、低能耗、体积小、重量轻、寿命长、高可靠性和色彩丰富等优点。目前国内生产LED的规模正在逐步扩大，但是LED仍然存在性能低下的问题，影响LED的节能效果。

目前现有的LED多量子阱的生长方法制备的LED外延InGaN/GaN多量子阱内量子效率不高，严重阻碍了LED性能的提高，影响LED的节能效果。

综上所述，急需研发新的LED外延量子阱生长方法，解决现有LED多量子阱内量子效率不高的问题，从而提高LED的光电性能。

发明内容

本发明通过采用新的量子阱生长方法来提升量子阱的内量子效率，从而提高LED的光电性能。

本发明的提高量子阱质量的LED外延生长方法，依次包括：处理衬底、生长低温GaN缓冲层、生长非掺杂GaN层、生长掺杂Si的N型GaN层、生长多量子阱层、生长AlGaN电子阻挡层、生长掺杂Mg的P型GaN层和降温冷却；其中生长多量子阱层依次包括：生长InGaN阱层、生长GaN-1垒层、生长GaN-2垒层、周期性中断Al源生长AlGaN垒层、生长GaN-3垒层、生长GaN-4垒层，具体步骤为：

A、反应腔压力保持不变，升高反应腔温度至T

B、反应腔压力保持不变，通入NH

C、反应腔压力保持不变，降低反应腔温度至T

D、反应腔压力保持不变，通入NH

E、反应腔压力保持不变，通入NH

F、反应腔压力保持不变，升高反应腔温度至T

重复上述步骤A-F，周期性依次进行生长InGaN阱层、生长GaN-1垒层、生长GaN-2垒层、周期性中断Al源生长AlGaN垒层、生长GaN-3垒层以及生长GaN-4垒层的步骤，周期数为3-9个。

优选地，所述处理衬底的具体过程为：

在1000℃-1100℃的温度下，通入100-130L/min的H

优选地，所述生长低温GaN缓冲层的具体过程为：

降温至500-600℃，保持反应腔压力300-600mbar，通入流量为10000-20000sccm的NH

升高温度到1000-1100℃，保持反应腔压力300-600mbar，通入流量为30000-40000sccm的NH

优选地，所述生长非掺杂GaN层的具体过程为：

升高温度到1000-1200℃，保持反应腔压力300-600mbar，通入流量为30000-40000sccm的NH

优选地，所述生长掺杂Si的GaN层的具体过程为：

保持反应腔压力300-600mbar，保持温度1000-1200℃，通入流量为30000-60000sccm的NH

优选地，所述生长AlGaN电子阻挡层的具体过程为：

在温度为900-950℃，反应腔压力为200-400mbar，通入50000-70000sccm的NH

优选地，所述生长掺杂Mg的P型GaN层的具体过程为：

保持反应腔压力400-900mbar、温度950-1000℃，通入流量为50000-70000sccm的NH

优选地，所述降温冷却的具体过程为：

降温至650-680℃，保温20-30min，关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。

相比于传统的生长方法，本发明中的提高内量子效率的LED外延量子阱生长方法达到了如下效果：

本发明通过引入InGaN阱层/GaN-1垒层/GaN-2垒层/AlGaN垒层/GaN-3垒层/GaN-4垒层的新型量子阱结构，使得量子阱的电子和空穴浓度都有所增加，这个载流子浓度的增加可以归因于两个方面：一方面，AlGaN垒相较GaN垒，其对电子的有效势垒高度增加，对空穴的价带有效势垒高度降低，前者将使量子阱对电子限制能力增强，后者意味着改善的空穴注入效率；另一方面，应用AlGaN垒后，DPB(三角深势垒)处局限的电子浓度减少，这将增加量子阱中的电子浓度。同时，由于EPB(能带势垒)势垒高度的降低，量子阱的空穴注入效率改善，从而使空穴浓度增加。综上，本发明的量子阱结构在能够增强量子阱中电子-空穴重叠率的同时还能使载流子浓度增加，这是其能使LED的光输出功率及内量子效率提升的重要原因。

本发明量子阱结构中的GaN垒层的温度被分为两部分。与InGaN阱相邻的1nm采用和InGaN阱相同的生长温度以避免In的解析；与AlGaN垒相邻的1nm采用和AlGaN垒相同的生长温度以减少缺陷。两步温度控制的GaN垒层可以有效改善量子阱的晶体质量。

本发明量子阱结构中的AlGaN垒层采用周期性中断Al源的生长方式，可以减弱量子垒与EBL(电子阻挡层)的极化，使DPB的高度变得更高，EPB的高度降低，这意味着本发明的LED外延量子阱将具有更好的空穴注入效率和载流子传输性能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为实施例1制备的LED外延的结构示意图；

图2为对比例1制备的LED外延的结构示意图；

其中，1、蓝宝石衬底，2、低温GaN缓冲层，3、非掺杂GaN层，4、N型GaN层，5、多量子阱层，6、AlGaN电子阻挡层，7、P型GaN层，51、InGaN阱层，52、GaN-1垒层，53、GaN-2垒层，54、AlGaN垒层，55、GaN-3垒层，56、GaN-4垒层。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

另外，本说明书并没有将权利要求书公开的构件和方法步骤限定于实施方式的构件和方法步骤。特别是，在实施方式中记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其结构顺序和邻接顺序以及制造方法等只要没有具体的限定，就仅作为说明例，而不是将本发明的范围限定于此。附图中所示的结构部件的大小和位置关系是为了清楚地进行说明而放大示出。

以下结合附图对本申请作进一步详细说明，但不作为对本申请的限定。

实施例1

本实施例采用本发明提供的提高内量子效率的LED外延量子阱生长方法，采用MOCVD来生长GaN基LED外延片，采用高纯H

提高内量子效率的LED外延量子阱生长方法，依次包括：处理蓝宝石衬底1、生长低温GaN缓冲层2、生长非掺杂GaN层3、生长掺杂Si的N型GaN层4、生长多量子阱层5、生长AlGaN电子阻挡层6、生长掺杂Mg的P型GaN层7，降温冷却；其中，

步骤1：处理蓝宝石衬底1。

具体地，所述步骤1，进一步为：

在温度为1000-1100℃，反应腔压力为100-300mbar，通入100-130L/min的H

步骤2：生长低温GaN缓冲层2，并在所述低温GaN缓冲层2形成不规则小岛。

具体地，所述步骤2，进一步为：

在温度为500-600℃，反应腔压力为300-600mbar，通入10000-20000sccm的NH

在温度为1000-1100℃、反应腔压力为300-600mbar，通入30000-40000sccm的NH

步骤3：生长非掺杂GaN层3。

具体地，所述步骤3，进一步为：

在温度为1000-1200℃，反应腔压力为300-600mbar，通入30000-40000sccm的NH

步骤4：生长Si掺杂的N型GaN层4。

具体地，所述步骤4，进一步为：

保持反应腔压力300-600mbar，保持温度1000-1200℃，通入流量为30000-60000sccm的NH

步骤5：生长多量子阱层5。

所述生长多量子阱层5，进一步为：

A、反应腔压力保持不变，升高反应腔温度至T

B、反应腔压力保持不变，通入NH

C、反应腔压力保持不变，降低反应腔温度至T

D、反应腔压力保持不变，通入NH

E、反应腔压力保持不变，通入NH

F、反应腔压力保持不变，升高反应腔温度至T6，通入NH

重复上述步骤A-F，周期性依次进行生长InGaN阱层51、生长GaN-1垒层52、生长GaN-2垒层53、周期性中断Al源生长AlGaN垒层54、生长GaN-3垒层55以及生长GaN-4垒层56的步骤，周期数为3-9个。

步骤6：生长AlGaN电子阻挡层6。

具体地，所述步骤6，进一步为：

在温度为900-950℃，反应腔压力为200-400mbar，通入50000-70000sccm的NH

步骤7：生长掺杂Mg的P型GaN层7。

具体地，所述步骤7，进一步为：

在温度为950-1000℃，反应腔压力为400-900mbar，通入50000-70000sccm的NH

步骤8：在温度为650-680℃的条件下保温20-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。

对比例1

以下提供对比实施例，即传统LED外延结构的生长方法(外延结构请参考图2)。

步骤1：在温度为1000-1100℃，反应腔压力为100-300mbar，通入100-130L/min的H

步骤2：生长低温GaN缓冲层2，并在所述低温GaN缓冲层2形成不规则小岛。

具体地，所述步骤2，进一步为：

在温度为500-600℃，反应腔压力为300-600mbar，通入10000-20000sccm的NH

在温度为1000-1100℃、反应腔压力为300-600mbar，通入30000-40000sccm的NH

步骤3：生长非掺杂GaN层3。

具体地，所述步骤3，进一步为：

在温度为1000-1200℃，反应腔压力为300-600mbar，通入30000-40000sccm的NH

步骤4：生长Si掺杂的N型GaN层4。

具体地，所述步骤4，进一步为：

在温度为1000-1200℃，反应腔压力为300-600mbar，通入30000-60000sccm的NH

步骤5：生长InGaN/GaN多量子阱层5。

具体地，所述生长多量子阱层5，进一步为：

保持反应腔压力300-400mbar、保持温度720℃，通入流量为50000-70000sccm的NH

升高温度至800℃，保持反应腔压力300-400mbar，通入流量为50000-70000sccm的NH

重复交替生长InGaN阱层51和GaN垒层52，得到InGaN/GaN多量子阱发光层，其中，InGaN阱层51和GaN垒层52的交替生长周期数为7-13个。

步骤6：生长AlGaN电子阻挡层6。

具体地，所述步骤6，进一步为：

在温度为900-950℃，反应腔压力为200-400mbar，通入50000-70000sccm的NH

步骤7：生长掺杂Mg的P型GaN层7。

具体地，所述步骤7，进一步为：

在温度为950-1000℃，反应腔压力为400-900mbar，通入50000-70000sccm的NH

步骤8：在温度为650-680℃的条件下保温20-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。

根据上述实施例1和对比例1分别制得样品1和样品2，样品1和样品2在相同的前工艺条件下镀ITO层约150nm，相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极约1500nm，相同的条件下镀保护层SiO

表1样品1和样品2的电性参数比较结果

将积分球获得的数据进行分析对比，从表1中可以看出，本发明生长方法制备的LED(样品1)发光效率得到明显提升，并且电压、反向电压、漏电、抗静电能力等其它各项LED电性参数变好，是因为本专利技术方案提升了量子阱质量，提高了内量子效率，并改善了其它LED光电性能。

本发明中的提高内量子效率的LED外延量子阱生长方法达到了如下效果：

本发明通过引入InGaN阱层/GaN-1垒层/GaN-2垒层/AlGaN垒层/GaN-3垒层/GaN-4垒层的新型量子阱结构，使得量子阱的电子和空穴浓度都有所增加，这个载流子浓度的增加可以归因于两个方面：一方面，AlGaN垒相较GaN垒，其对电子的有效势垒高度增加，对空穴的价带有效势垒高度降低，前者将使量子阱对电子限制能力增强，后者意味着改善的空穴注入效率；另一方面，应用AlGaN垒后，DPB(三角深势垒)处局限的电子浓度减少，这将增加量子阱中的电子浓度。同时，由于EPB(能带势垒)势垒高度的降低，量子阱的空穴注入效率改善，从而使空穴浓度增加。综上，本发明的量子阱结构在能够增强量子阱中电子-空穴重叠率的同时还能使载流子浓度增加，这是其能使LED的光输出功率及内量子效率提升的重要原因。

本发明量子阱结构中的GaN垒层的温度被分为两部分。与InGaN阱相邻的1nm采用和InGaN阱相同的生长温度以避免In的解析；与AlGaN垒相邻的1nm采用和AlGaN垒相同的生长温度以减少缺陷。两步温度控制的GaN垒层可以有效改善量子阱的晶体质量。

本发明量子阱结构中的AlGaN垒层采用周期性中断Al源的生长方式，可以减弱量子垒与EBL(电子阻挡层)的极化，使DPB的高度变得更高，EPB的高度降低，这意味着本发明的LED外延量子阱将具有更好的空穴注入效率和载流子传输性能。

由于方法部分已经对本申请实施例进行了详细描述，这里对实施例中涉及的结构与方法对应部分的展开描述省略，不再赘述。对于结构中具体内容的描述可参考方法实施例的内容，这里不再具体限定。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。