專利名稱：具有四元InAlGaN的LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域,特別地,涉及ー種具有四元InAlGaN的LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
LED照明光源與傳統(tǒng)照明光源相比具有節(jié)約能源、體積小、發(fā)光效率高、壽命長、無污染以及色彩豐富等優(yōu)點(diǎn)。作為照明光源，白光LED的能耗是白熾燈的1/8、熒光燈的1/2，且其壽命長達(dá)10萬個(gè)小時(shí)，并可實(shí)現(xiàn)無汞，對(duì)能源節(jié)約以及環(huán)境保護(hù)均具有重要意義。
雖然GaN基大功率型LED已經(jīng)取得很大的進(jìn)步(cree公司已經(jīng)報(bào)道大功率白光LED的光效實(shí)驗(yàn)研發(fā)水平達(dá)到2311m/w、日亞也有報(bào)道達(dá)到1501m/w、國內(nèi)三安小功率也報(bào)道研發(fā)最聞水平在1801m/w),但是尚通論值還是有一段距尚，主要原因是由于InGaN、GaN、AlGaN三者之間存在較大的晶格匹配和極化應(yīng)力，產(chǎn)生很強(qiáng)的壓電場，引起電子和空穴波函數(shù)分離，降低了量子效率。為了提高電子和空穴復(fù)合概率，提高內(nèi)部量子效率，人們在外延結(jié)構(gòu)上也作出許多方案，比如Polarization-matched InGaN/InGaN量子講，即InGaN代替GaN作為量子講的壘 層；不對(duì)稱量子講；Polarization_matched InAIGaN/InGaN 量子講，即 InAlGaN 代替 GaN作為量子阱的壘層等。目前未見有在多量子阱之前插入InAlGaN應(yīng)カ釋放層以提高量子效率的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種能降低量子阱中的壓電場、提高內(nèi)部量子效率的具有四元InAlGaN的LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法。以解決由于LED外延結(jié)構(gòu)各層之間產(chǎn)生的壓電場引起電子和空穴波函數(shù)分離，降低了量子效率的技術(shù)問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了ー種具有四元InAlGaN的LED外延結(jié)構(gòu)，包括襯底，所述襯底上，由下至上依次設(shè)置有GaN緩沖層、未摻雜的GaN層、n型摻雜的GaN層、多量子阱發(fā)光層、P型摻雜的InAlGaN電子阻擋層和p型摻雜的GaN層，所述n型摻雜的GaN層及所述多量子阱發(fā)光層之間設(shè)置有InAlGaN應(yīng)カ釋放層。作為本發(fā)明的LED外延結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)選地，所述InAlGaN應(yīng)カ釋放層由自下而上依次分布的第一 InAlGaN層和第二InAlGaN層組成,所述第一 InAlGaN層的分子式為InaAl 15-a)GaQ. 75N,所述第二 InAlGaN層的分子式為InbAl((l.15_b)Gaa75N，其中，所述a的取值范圍為0. 03 0. 05，所述b的取值范圍為 0. 10 0. 12。優(yōu)選地,所述GaN緩沖層的厚度為20nm 30nm ；所述未摻雜的GaN層的厚度為2iim 所述n型摻雜的GaN層的厚度為2iim 2. 5iim;所述InAlGaN應(yīng)カ釋放層的厚度為40nm 50nm ；
所述多量子阱發(fā)光層的厚度為230nm 250nm ；所述p型摻雜的InAlGaN電子阻擋層的厚度為50nm 60nm ；所述p型摻雜的GaN層的厚度為200nm 250nm。優(yōu)選地，所述第一 InAlGaN層的厚度為20nm 25nm ;所述第二 InAlGaN層的厚度為 20nm 25nm。優(yōu)選地，所述n型摻雜的GaN層與所述InAlGaN應(yīng)カ釋放層之間設(shè)置有組分為未摻雜的GaN的量子阱壘層，所述量子阱壘層的厚度為60nm 80nm。優(yōu)選地，所述多量子阱發(fā)光層由15 16個(gè)周期的間隔布置的InGaN阱層和InAlGaN壘層疊加組成；所述多量子阱發(fā)光層中單個(gè)周期的所述InGaN阱層的厚度為
2.8nm 3nm ;單個(gè)周期的所述InAlGaN魚層的厚度為12nm 13nm。作為ー個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供了ー種LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟S1:選擇襯底；S2 =H2氣氛條件下，以TMGa為Ga源，以NH3為N源，利用MOCVD方法在所述襯底上生長厚度為20nm 30nm的GaN緩沖層；再使所述GaN緩沖層重結(jié)晶；S3 =H2氣氛條件下，以TMGa為Ga源，以NH3為N源，利用MOCVD方法在所述GaN緩沖層上生長厚度為2 ii m 2. 5 ii m的未摻雜的GaN層；S4 =H2氣氛條件下，以TMGa為Ga源，以NH3為N源，以SiH4為n型摻雜劑，利用MOCVD方法在所述未摻雜的GaN層上生長厚度為2 y m 2. 5 y m的n型摻雜的GaN層；制得GaN模板；S5 =N2氣氛條件下，以TMGa為Ga源，以TMIn為In源，以TMAl為Al源，以NH3為N源，利用MOCVD方法在所述GaN模板上生長厚度為40nm 50nm的InAlGaN應(yīng)カ釋放層；S6 以TMGa為Ga源，以TMIn為In源，以TMAl為Al源，以NH3為N源，利用MOCVD方法在所述InAlGaN應(yīng)カ釋放層上生長厚度為230nm 250nm的多量子阱發(fā)光層；S7 以TMGa為Ga源，以TMIn為In源，以TMAl為Al源，以NH3為N源，以Cp2Mg為P型摻雜劑，在所述多量子阱發(fā)光層上生長厚度為50nm 60nm的p型摻雜的InAlGaN電子阻擋層；S8 以TMGa為Ga源，以NH3為N源，以Cp2Mg為p型摻雜劑，在所述P型摻雜的InAlGaN電子阻擋層上生長厚度為200nm 250nm的p型摻雜的GaN層。作為本發(fā)明的方法進(jìn)ー步改進(jìn)優(yōu)選地，所述步驟S5包括以下步驟S501 :N2氣氛、反應(yīng)室壓カ為250mbar 350mbar條件下，以TMGa為Ga源，以TMIn為In源，以TMAl為Al源，以NH3為N源，利用MOCVD方法在所述GaN模板上生長厚度為20nm 25nm的第一 InAlGaN層；所述第一 InAlGaN層的分子式為InaAl(Q. ^i0Gaa75N,其中，所述a的取值范圍為0. 03 0. 05 ;S502 :N2氣氛、反應(yīng)室壓カ為250mbar 350mbar條件下，以TMGa為Ga源，以TMIn為In源，以TMAl為Al源，以NH3為N源，利用MOCVD方法在所述第一 InAlGaN層上生長厚度為20nm 25nm的第二 InAlGaN層；所述第二 InAlGaN層的分子式為InbAl (Q.15_b)Gaa75N,其中，所述b的取值范圍為0. 10 0. 12。
優(yōu)選地，所述步驟S6包括以下步驟在所述InAlGaN應(yīng)カ釋放層上進(jìn)行15 16個(gè)周期的以下操作S601 :在N2氣氛條件下，以TMGa為Ga源，以TMIn為In源，以NH3為N源，利用MOCVD方法外延生長厚度為2. 8nm 3nm的InGaN阱層；S602 :在N2氣氛條件下，以TMGa為Ga源，以TMIn為In源，以TMAl為Al源，以NH3為N源，在所述InGaN阱層上利用MOCVD方法外延生長厚度為12nm 13nm的InAlGaN壘層。優(yōu)選地，所述制備方法各步驟的エ藝參數(shù)如下所述步驟S2中，在溫度為530°C 570°C，所述TMGa的流量為55mL/min 65mL/min,所述NH3的流量為1.1 X 104mL/min 1. 3 X 104mL/min的エ藝條件下生長厚度為 20nm 30nm的GaN緩沖層；然后升溫至1030°C 1100°C，并保持180s 210s，使所述GaN
緩沖層重結(jié)晶；所述步驟S3中，溫度為1000°C 1250°C，所述TMGa的流量為180mL/min 200mL/min,所述 NH3 的流量為 2 X 104mL/min 2. 4 X 104mL/min ；所述步驟S4中，溫度為1000°C 1250°C，所述TMGa的流量為200mL/min 250mL/min,所述 NH3 的流量為 2. 5X 104mL/min 3X 104mL/min,所述 SiH4 的流量為 14mL/min 18mL/min ；所述步驟S501中，溫度為820°C 840°C，所述TMGa的流量為10mL/min 20mL/min,所述 TMIn 的流量為 10OmT,/mi n 1 50mT,/min,所述 TMAl 的流量為 80mT,/mi n 10OmT,/min，所述 NH3 的流量為 3X104mL/min 3. 3X104mL/min ;持續(xù)時(shí)長 30s 60s ；所述步驟S502中，溫度為780°C 820°C，所述TMGa的流量為10mL/min 20mL/min,所述 TMIn 的流量為 350mL/min 450mL/min,所述 TMAl 的流量為 30mL/min 40mT,/min,所述 NH3 的流量為 3 X 104mL/min 3. 3 X 104mL/min ；所述步驟S601中，溫度為730°C 800°C，所述TMGa的流量為10mL/min 15mL/min,所述TMIn的流量為650mL/min 750mL/min,所述NH3的流量為3X 104mT,/min 3. 3 XlOWmin ;持續(xù)時(shí)長 30s 60s ；所述步驟S602中，溫度為730°C 800°C，所述TMGa的流量為10mL/min 20mL/min,所述 TMIn 的流量為 30mL/min 50mL/min,所述 TMAl 的流量為 20mL/min 30mL/min,所述 NH3 的流量為 3X 104mL/min 3. 3X 104mL/min ；所述步驟S7中，溫度為950°C 1050°C，所述TMGa的流量為30mL/min 45mL/min,所述 TMIn 的流量為 1 50mT,/mi n 250mL/min,所述 TMAl 的流量為 50mT,/mi n 70mL/min,所述 NH3 的流量為 3 X 104mL/min 3. 3 X 104mT,/min,所述 Cp2Mg 的流量為 BOOmT,/mi n 800mT ,/mi n ；所述步驟S8中，溫度為950°C 1050°C，所述TMGa的流量為30mL/min 45mL/min,所述 NH3 的流量為 3 X 104mL/min 3. 3 X 104mT,/min,所述 Cp2Mg 的流量為 BOOmT,/mi n 800mT ,/mi n。優(yōu)選地，所述步驟S4完成后，所述方法還包括步驟S4A 以TMGa為Ga源，以NH3為N源，利用MOCVD方法在所述n型摻雜的GaN層上生長厚度為2 ii m 2. 5 ii m的組分為未摻雜的GaN的量子阱壘層；
完成步驟S4A后，制得所述GaN模板。優(yōu)選地，所述步驟S4A的エ藝參數(shù)如下溫度為1000°C 1250°C，所述 TMGa 的流量為 180mL/min 200mL/min，所述 NH3的流量為 2 X 104mT ,/mi n 2. 4 X 104mL/min。優(yōu)選地，所述步驟SI還包括步驟將所述襯底置于H2氣氛下，加熱到1050°C 1150°C并保持300s 600s，以去除所述襯底表面的H2O和O2 ;再降溫到500°C 700°C，并通入NH3對(duì)襯底進(jìn)行IOOs 200s的氮化處理。優(yōu)選地，所述步驟S8完成后，所述方法還包括以下步驟S9 :將所述步驟S8獲得的產(chǎn)物置于650°C 700°C的N2氣氛下退火15min 20mino本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明的具有四元InAlGaN的LED外延結(jié)構(gòu)，在n型摻雜的GaN層及多量子阱發(fā)光層之間插入InAlGaN應(yīng)カ釋放層，可以釋放多量子阱的應(yīng)力，提高內(nèi)部量子效率，使得単位面積的多量子阱發(fā)光層的發(fā)光效率更高。2、本發(fā)明的具有四元InAlGaN的LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，エ藝步驟簡單、通過在n型摻雜的GaN層上生長InAlGaN應(yīng)カ釋放層，然后再生長多量子阱發(fā)光層，可制備出本發(fā)明的具有四元InAlGaN的LED外延結(jié)構(gòu)，且生產(chǎn)方便，適于エ業(yè)化生產(chǎn)。
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除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。下面將參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步詳細(xì)的說明。


構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)ー步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例1的LED外延結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例1的LED外延結(jié)構(gòu)的InAlGaN應(yīng)カ釋放層的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例1的LED外延結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)LED外延結(jié)構(gòu)制成的芯片的光效測試對(duì)比示意圖；圖4是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例2的LED外延結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖例說明1、襯底；2、GaN緩沖層；3、未摻雜的GaN層；4、n型摻雜的GaN層；5、InAlGaN應(yīng)カ釋放層；6、多量子阱發(fā)光層；7、p型摻雜的InAlGaN電子阻擋層；8、p型摻雜的GaN層；9、量子阱壘層。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明可以由權(quán)利要求限定和覆蓋的多種不同方式實(shí)施。實(shí)施例1 :參見圖1，本發(fā)明的具有四元InAlGaN的LED外延結(jié)構(gòu)，包括襯底I，襯底I上，由下至上依次設(shè)置有GaN緩沖層2、未摻雜的GaN層3、n型摻雜的GaN層4、InAlGaN應(yīng)カ釋放層5、多量子阱發(fā)光層6、p型摻雜的InAlGaN電子阻擋層7和p型摻雜的GaN層8。其中，GaN緩沖層2的厚度為25nm ;未摻雜的GaN層3的厚度為2. 2 y m ;n型摻雜的GaN層4的厚度為2. 3 ii m ； InAlGaN應(yīng)カ釋放層5的厚度為50nm ;多量子阱發(fā)光層6的厚度為240nm ；p型摻雜的InAlGaN電子阻擋層7的厚度為50nm ；p型摻雜的GaN層8的厚度為250nm。上述的LED外延結(jié)構(gòu)，是通過以下的LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法制備得到的，該制備方法，包括以下步驟S1:選擇藍(lán)寶石襯底I (實(shí)際應(yīng)用時(shí)，也可選用SiC襯底或Si襯底)；將藍(lán)寶石襯底I置于H2氣氛下，加熱到1100°C并保持400s，以去除襯底I表面的H2O和02。再降溫到5000C，并通入NH3對(duì)襯底I進(jìn)行200s的氮化處理。
S2 :于H2氣氛條件下,將溫度降至550°C,通入流量為60mL/min (sccm,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下毫升每分)的TMGa為Ga源，通入流量為1. 2 X 104mL/min的NH3為N源，利用MOCVD方法在襯底I上生長厚度為25nm的GaN緩沖層2 ;然后升溫至1070°C，并保持200s，使所述GaN
緩沖層2重結(jié)晶。S3 =H2氣氛條件下，控制溫度為1100°C，通入流量為190mL/min的TMGa為Ga源，通入流量為2. 2 X IOWmin的NH3為N源，利用MOCVD方法在GaN緩沖層2上生長厚度為
2.2 iim的未摻雜的GaN層3。S4 =H2氣氛條件下，保持溫度為1150°C，通入流量為220mL/min的TMGa為Ga源，通入流量為2. 7 XlOWmin的NH3為N源，通入流量為16mL/min6的SiH4為n型摻雜劑，利用MOCVD方法在未摻雜的GaN層3上生長厚度為2. 3 y m的n型摻雜的GaN層4。n型摻雜的GaN層4中Si的摻雜濃度為8. OX 1018atom(原子個(gè)數(shù))/cm3。制得GaN模板；S5 =N2氣氛條件下，以TMGa為Ga源，以TMIn為In源，以TMAl為Al源，以NH3為N源，利用MOCVD方法在GaN模板上生長厚度為50nm的InAlGaN應(yīng)カ釋放層5。本實(shí)施例中，步驟S5優(yōu)選采用以下方式制備S501 =N2氣氛、反應(yīng)室壓カ為250mbar (毫巴)條件下，降低溫度至840°C，通入流量為15mL/min的TMGa為Ga源，通入流量為125mL/min的TMIn為In源，通入流量為90mL/min的TMAl為Al源，通入流量為3.1 X 104mL/min的NH3為N源，持續(xù)時(shí)長50s ;利用MOCVD方法在步驟S4制得的GaN模板上生長厚度為25nm的第一 InAlGaN層 ，第一 InAlGaN層的分子式為 In。. mAI。.1(|GaQ. 75N。S502 =N2氣氛、反應(yīng)室壓カ為250mbar條件下，升高溫度至820°C，通入流量為20mL/min 的 TMGa 為 Ga 源，通入 400mL/min 的 TMIn 為 In 源，通入流量為 35mL/min 的 TMAl為Al源，通入流量為3. 2 XlOWmin的NH3為N源，利用MOCVD方法在第一 InAlGaN層上生長厚度為25nm的第二 InAlGaN層；第二 InAlGaN層的分子式為In。. ^Alaci5Gaa 75N。S6 以TMGa為Ga源，以TMIn為In源，以TMAl為Al源，以NH3為N源，利用MOCVD方法在InAlGaN應(yīng)カ釋放層5上生長厚度為240nm的多量子阱發(fā)光層6。本實(shí)施例中，步驟S6優(yōu)選采用以下方式制備在InAlGaN應(yīng)カ釋放層5上進(jìn)行15個(gè)周期的以下操作
S601 :在N2氣氛條件下，保持溫度為760°C，通入流量為12mL/min的TMGa為Ga源，通入流量為700mL/min的TMIn為In源，通入流量為3. 2 X 104mL/min的NH3為N源，持續(xù)時(shí)長50s ;利用MOCVD方法外延生長厚度為3nm的InGaN阱層。S602 :在N2氣氛條件下，溫度為760°C，通入流量為13mL/min的TMGa為Ga源，通入流量為40mL/min的TMIn為In源，通入流量為25mL/min的TMAl為Al源，通入流量為
3.2XlOWmin的NH3為N源，在InGaN阱層上利用MOCVD方法外延生長厚度為13nm的InAlGaN 魚層。S7 :保持溫度為1000°C，通入流量為40mL/min的TMGa為Ga源，通入流量為200mL/min的TMIn為In源，通入流量為60mL/min的TMAl為Al源，通入流量為3X 104mL/min的NH3為N源，通入流量為800mL/min的Cp2Mg為p型摻雜劑，在多量子阱發(fā)光層6上生長厚度為60nm的p型摻雜的InAlGaN電子阻擋層7。 S8 :保持溫度為1000°C，通入流量為40mL/min的TMGa為Ga源，通入流量為3X IOWmin的NH3為N源，通入流量為700mL/min的Cp2Mg為p型摻雜劑，在p型摻雜的InAlGaN電子阻擋層7上生長厚度為200nm 250nm的p型摻雜的GaN層8。該p型摻雜的GaN層8中Mg的摻雜濃度為4. OX 1018atom(原子個(gè)數(shù))/cm3。S9 :將步驟S8獲得的產(chǎn)物置于700°C的N2氣氛下退火15min，制得本發(fā)明的LED外
延結(jié)構(gòu)。上述步驟完成后，如圖2所示，制得的LED外延結(jié)構(gòu)中，InAlGaN應(yīng)カ釋放層5由自下而上依次分布的第一 InAlGaN層和第二 InAlGaN層組成,第一 InAlGaN層的分子式為Inatl5AlaitlGaa75N,第二 InAlGaN 層的分子式為 In0.10AIa05Ga0.75N。第一 InAlGaN 層和第二InAlGaN層的厚度均為20nm。多量子阱發(fā)光層6由15個(gè)周期的間隔布置的InGaN阱層和InAlGaN壘層疊加組成；多量子阱發(fā)光層6中單個(gè)周期的InGaN阱層的厚度為3nm ;單個(gè)周期的InAlGaN壘層的厚度為13nm。第一 InAlGaN層為低In高Al的四元結(jié)構(gòu)，能起到電子擴(kuò)散和晶格過渡作用，其晶格較接近GaN，并位于GaN與第二 InAlGaN層的晶格之間，對(duì)第二 InAlGaN層的生長能起到緩沖作用；第二 InAlGaN層為高In低Al的四元結(jié)構(gòu)，主要起到釋放量子阱應(yīng)力作用，其晶格較接近多量子阱發(fā)光層6的InGaN。采用這種ニ層結(jié)構(gòu)的InAlGaN應(yīng)カ釋放層5代替?zhèn)鹘y(tǒng)的淺量子阱層(SW層)，能使得應(yīng)カ大大的釋放，能降低量子阱中的壓電場，井能提高內(nèi)部量子效率；同時(shí)結(jié)合多量子阱發(fā)光層6中的壘層也設(shè)置為與阱層極化匹配的四元InAlGaN層，通過這兩者可大大的提高亮度，可降低大電流密度注入下發(fā)光效率降低的現(xiàn)象。由上可知，本發(fā)明的具有四元InAlGaN的LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，エ藝步驟簡單、通過在n型摻雜的GaN層4上生長應(yīng)カ釋放層InAlGaN層，然后再生長多量子阱發(fā)光層6，可制備出本發(fā)明的具有四元InAlGaN的LED外延結(jié)構(gòu)，且生產(chǎn)方便，適于エ業(yè)化生產(chǎn)。且本發(fā)明的具有四元InAlGaN的LED外延結(jié)構(gòu)，在n型摻雜的GaN層4及多量子阱發(fā)光層6之間插入InAlGaN應(yīng)カ釋放層5，可以釋放多量子阱的應(yīng)力，提高內(nèi)部量子效率，使得單位面積的多量子阱發(fā)光層6的發(fā)光效率更高。將本實(shí)施例中的制得的LED外延結(jié)構(gòu)(樣品2)與傳統(tǒng)的LED生長法制備的LED樣品(樣品I)在同樣的條件下蒸渡ITO，蒸渡Cr/Al/Pt電極，SiO2保護(hù)層，將樣品制備成1102 u m*1102 u m (45mil*45mil)的芯片，各自選取150顆相同位置的芯片在相同條件下通過封裝エ藝固晶打金線，在350mA的條件下，用遠(yuǎn)方積分球測試機(jī)點(diǎn)測光效，測試結(jié)果如圖3所示(圖3中“▲”為樣品I的光效，“■”為樣品2的光效)。由圖3可見通過樣品比較，運(yùn)用本專利方法生長LED結(jié)構(gòu)，在光效上比傳統(tǒng)LED結(jié)構(gòu)光效提高4-11%，并且光效達(dá)到越大提高的難度越大。符合量子阱效率符合理論，本測試證明了，本發(fā)明提供的LED外延結(jié)構(gòu)有利于提高LED內(nèi)部量子效率，至少提高4-11%。實(shí)施例2:參見圖4，本發(fā)明的具有四元InAlGaN的LED外延結(jié)構(gòu)，包括襯底I，襯底I上，由下至上依次設(shè)置有GaN緩沖層2、未摻雜的GaN層3、n型摻雜的GaN層4、未摻雜的GaN的量子阱壘層9、InAlGaN應(yīng)カ釋放層5、多量子阱發(fā)光層6、p型摻雜的InAlGaN電子阻擋層7和p型摻雜的GaN層8。其中，GaN緩沖層2的厚度為20nm ;未摻雜的GaN層3的厚度為2 y m ;n型摻雜的 GaN層4的厚度為2 u m ;未摻雜的GaN的量子阱壘層9的厚度為2. 5 y m ; InAlGaN應(yīng)カ釋放層5的厚度為40nm ;多量子阱發(fā)光層6的厚度為245nm ；p型摻雜的InAlGaN電子阻擋層7的厚度為60nm ；p型摻雜的GaN層8的厚度為200nm。上述的LED外延結(jié)構(gòu)，是通過以下的LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法制備得到的，該制備方法，包括以下步驟S1:選擇藍(lán)寶石襯底I (實(shí)際應(yīng)用時(shí)，也可選用SiC襯底或Si襯底)；將藍(lán)寶石襯底I置于H2氣氛下，加熱到1150°C并保持300s，以去除襯底I表面的H2O和02。再降溫到7000C，并通入NH3對(duì)襯底I進(jìn)行IOOs的氮化處理。S2 :于H2氣氛條件下，將溫度降至530°C，通入流量為65mL/min (sccm)的TMGa為Ga源，通入流量為1. 3 XlOWmin的NH3為N源，利用MOCVD方法在襯底I上生長厚度為20nm的GaN緩沖層2 ;然后升溫至1100°C，并保持180s，使所述GaN緩沖層2重結(jié)晶。S3 =H2氣氛條件下，控制溫度為1250°C，通入流量為180mL/min的TMGa為Ga源，通入流量為2. 4XlOWmin的NH3為N源，利用MOCVD方法在GaN緩沖層2上生長厚度為2 u m的未摻雜的GaN層3。S4 =H2氣氛條件下，保持溫度為1250°C，通入流量為200mL/min的TMGa為Ga源，通入流量為3X IOWmin的NH3為N源，通入流量為18mL/min的SiH4為n型摻雜劑，利用MOCVD方法在未摻雜的GaN層3上生長厚度為2 y m的n型摻雜的GaN層4。n型摻雜的GaN層4中Si的摻雜濃度為8. OX 1018atom(原子個(gè)數(shù))/cm3。S4A :保持溫度為1250°C，通入流量為200mL/min的TMGa為Ga源，通入流量為
2.4X IOWmin的NH3為N源，利用MOCVD方法在n型摻雜的GaN層4上生長厚度為2. 5 y m的組分為未摻雜的GaN的量子阱壘層9。在此處制備未摻雜的GaN的量子阱壘層9，有利于后續(xù)InAlGaN應(yīng)カ釋放層5的生長，n型摻雜GaN層4在高溫下生長，長速較快，得到的表面較粗糙，于是通過降溫控制長速生長表面非常平整的量子阱壘層9，量子阱壘層9的表面平整利于后續(xù)InAlGaN應(yīng)カ釋放層5的生長，原子堆垛更有序才能體現(xiàn)釋放應(yīng)カ的功能，且量子阱壘層9能提高InAlGaN應(yīng)カ釋放層5的晶體質(zhì)量，并為這ー層提供好的生長表面。完成步驟S4A后，制得GaN模板。S5 =N2氣氛條件下，以TMGa為Ga源，以TMIn為In源，以TMAl為Al源，以NH3為N源，利用MOCVD方法在GaN模板上生長厚度為40nm的InAlGaN應(yīng)カ釋放層5。
本實(shí)施例中，步驟S5優(yōu)選采用以下方式制備S501 :N2氣氛、反應(yīng)室壓カ為350mbar條件下，降低溫度至820 °C，通入流量為lOmL/min的TMGa為Ga源，通入流量為100mL/min的TMIn為In源，通入流量為80mL/min的TMAl為Al源，通入流量為3X 104mL/min的NH3為N源，持續(xù)時(shí)長60s ;利用MOCVD方法在步驟S4制得的GaN模板上生長厚度為20nm的第一 InAlGaN層；第一 InAlGaN層的分子
式為 InO. 03-^^0. 12^3-0. 75^0S502 =N2氣氛、反應(yīng)室壓カ為350mbar條件下，升高溫度至780°C，通入流量為10mL/min 的 TMGa 為 Ga 源，通入 350mL/min 的 TMIn 為 In 源，通入流量為 30mL/min 的 TMAl為Al源，通入流量為3X 104mL/min的NH3為N源，利用MOCVD方法在第一 InAlGaN層上生長厚度為20nm的第二 InAlGaN層；第二 InAlGaN層的分子式為Inai2Alaci3Gaa75NcS6 以TMGa為Ga源，以TMIn為In源，以TMAl為Al源，以NH3為N源，利用MOCVD 方法在InAlGaN應(yīng)カ釋放層5上生長厚度為245nm的多量子阱發(fā)光層6。本實(shí)施例中，步驟S6優(yōu)選采用以下方式制備在InAlGaN應(yīng)カ釋放層5上進(jìn)行16個(gè)周期的以下操作S601 :在N2氣氛條件下，保持溫度為800°C，通入流量為15mL/min的TMGa為Ga源，通入流量為750mL/min的TMIn為In源，通入流量為3. 3X104mL/min的NH3為N源，持續(xù)時(shí)長30s ;利用MOCVD方法外延生長厚度為2. 8nm的InGaN阱層。S602 :在N2氣氛條件下，溫度為800°C，通入流量為20mL/min的TMGa為Ga源，通入流量為40mL/min的TMIn為In源，通入流量為30mL/min的TMAl為Al源，通入流量為
3.3 X IOWmin的NH3為N源，在InGaN阱層上利用MOCVD方法外延生長厚度為12. 5nm的InAlGaN 魚層。S7 :保持溫度為1050°C，通入流量為45mL/min的TMGa為Ga源，通入流量為250mL/min的TMIn為In源，通入流量為70mL/min的TMAl為Al源，通入流量為3. 3X104mL/min的NH3為N源，通入流量為800mL/min的Cp2Mg為p型摻雜劑，在多量子阱發(fā)光層6上生長厚度為60nm的p型摻雜的InAlGaN電子阻擋層7。S8 :保持溫度為1050°C，通入流量為45mL/min的TMGa為Ga源，通入流量為
3.3X IOWmin的NH3為N源，通入流量為800mL/min的Cp2Mg為p型摻雜劑，在p型摻雜的InAlGaN電子阻擋層7上生長厚度為200nm的p型摻雜的GaN層8。該p型摻雜的GaN層8中Mg的摻雜濃度為4. OX 1018atom(原子個(gè)數(shù))/cm3。S9 :將步驟S8獲得的產(chǎn)物置于650°C的N2氣氛下退火20min，制得本發(fā)明的LED外
延結(jié)構(gòu)。上述步驟完成后，如圖2所示，制得的LED外延結(jié)構(gòu)中，InAlGaN應(yīng)カ釋放層5由自下而上依次分布的第一 InAlGaN層和第二 InAlGaN層組成,第一 InAlGaN層的分子式為Inatl3Alai2Gaa75N,第二 InAlGaN 層的分子式為 In0.12Al0.03Ga0.75N。第一 InAlGaN 層和第二InAlGaN層的厚度均為20nm。本實(shí)施例中，多量子阱發(fā)光層6由15個(gè)周期的間隔布置的InGaN阱層和InAlGaN壘層疊加組成；多量子阱發(fā)光層6中單個(gè)周期的InGaN阱層的厚度為2. 8nm ;單個(gè)周期的InAlGaN壘層的厚度為12. 5nm。第一 InAlGaN層為低In高Al的四元結(jié)構(gòu)，能起到電子擴(kuò)散和晶格過渡作用，其晶格較接近GaN;第二 InAlGaN層為高In低Al的四元結(jié)構(gòu)，主要起到釋放量子阱應(yīng)力作用，其晶格較接近多量子阱發(fā)光層6的InGaN。采用這種ニ層結(jié)構(gòu)的InAlGaN應(yīng)カ釋放層5代替?zhèn)鹘y(tǒng)的淺量子阱層(SW層)，能使得應(yīng)カ大大的釋放，能降低量子阱中的壓電場，能提高內(nèi)部量子效率；同時(shí)結(jié)合多量子阱發(fā)光層6中的壘層也設(shè)置為與阱層極化匹配的四元InAlGaN層，通過這兩者大大的提高亮度，可降低大電流密度注入下發(fā)光效率降低的現(xiàn)象。由上可知，本發(fā)明的具有四元InAlGaN的LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，エ藝步驟簡單、通過在n型摻雜的GaN層4上生長InAlGaN應(yīng)カ釋放層5，然后再生長多量子阱發(fā)光層6，可制備出本發(fā)明的具有四元InAlGaN的LED外延結(jié)構(gòu)，且生產(chǎn)方便，適于エ業(yè)化生產(chǎn)。且本發(fā)明的具有四元InAlGaN的LED外延結(jié)構(gòu)，在n型摻雜的GaN層4及多量子阱發(fā)光層6之間插入應(yīng)カ釋放層InAlGaN層，可以釋放多量子阱的應(yīng)力，提高內(nèi)部量子效率，使得單位面積的多量子阱發(fā)光層6的發(fā)光效率更高。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修 改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有四元InAlGaN的LED外延結(jié)構(gòu),包括襯底,所述襯底上，由下至上依次設(shè)置有GaN緩沖層、未摻雜的GaN層、η型摻雜的GaN層、多量子阱發(fā)光層、ρ型摻雜的InAlGaN電子阻擋層和P型摻雜的GaN層，其特征在于，所述η型摻雜的GaN層及所述多量子阱發(fā)光層之間設(shè)置有InAlGaN應(yīng)力釋放層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述InAlGaN應(yīng)力釋放層由自下而上依次分布的第一 InAlGaN層和第二 InAlGaN層組成,所述第一 InAlGaN層的分子式為 InaAl (Q.15-a)Gaa75N,所述第二 InAlGaN 層的分子式為 InbAl (Q. 15_b)GaQ.75N,其中，所述 a 的取值范圍為O. 03 O. 05，所述b的取值范圍為O. 10 O. 12。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述GaN緩沖層的厚度為20nm 30nm ；所述未摻雜的GaN層的厚度為2μηι 2. 5μηι;所述η型摻雜的GaN層的厚度為2μηι 2. 5μηι;所述InAlGaN應(yīng)力釋放層的厚度為40nm 50nm ；所述多量子阱發(fā)光層的厚度為230nm 250nm ；所述P型摻雜的InAlGaN電子阻擋層的厚度為50nm 60nm ；所述P型摻雜的GaN層的厚度為200nm 250nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一 InAlGaN層的厚度為20nm 25nm ；所述第二 InAlGaN層的厚度為20nm 25nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述η型摻雜的GaN層與所述InAlGaN應(yīng)力釋放層之間設(shè)置有組分為未摻雜的GaN的量子阱壘層，所述量子阱壘層的厚度為60nm 80nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多量子阱發(fā)光層由15 16個(gè)周期的間隔布置的InGaN阱層和InAlGaN壘層疊加組成；所述多量子阱發(fā)光層中單個(gè)周期的所述InGaN阱層的厚度為2. Snm 3nm ;單個(gè)周期的所述InAlGaN魚層的厚度為12nm 13nm。
7.一種LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟51:選擇襯底；52=H2氣氛條件下，以TMGa為Ga源，以NH3為N源，利用MOCVD方法在所述襯底上生長厚度為20nm 30nm的GaN緩沖層；再使所述GaN緩沖層重結(jié)晶；53=H2氣氛條件下，以TMGa為Ga源，以NH3為N源，利用MOCVD方法在所述GaN緩沖層上生長厚度為2 μ m 2. 5 μ m的未摻雜的GaN層；54=H2氣氛條件下，以TMGa為Ga源，以NH3為N源，以SiH4為η型摻雜劑，利用MOCVD方法在所述未摻雜的GaN層上生長厚度為2 μ m 2. 5 μ m的η型摻雜的GaN層；制得GaN模板；其特征在于，所述方法還包括以下步驟55=N2氣氛條件下，以TMGa為Ga源，以TMIn為In源，以TMAl為Al源，以NH3為N源，利用MOCVD方法在所述GaN模板上生長厚度為40nm 50nm的InAlGaN應(yīng)力釋放層；56以TMGa為Ga源，以TMIn為In源，以TMAl為Al源，以NH3為N源，利用MOCVD方法在所述InAlGaN應(yīng)力釋放層上生長厚度為230nm 250nm的多量子阱發(fā)光層； 57以TMGa為Ga源，以TMIn為In源，以TMAl為Al源，以NH3為N源，以Cp2Mg為p型摻雜劑，在所述多量子阱發(fā)光層上生長厚度為50nm 60nm的p型摻雜的InAlGaN電子阻擋層； 58以TMGa為Ga源，以NH3為N源，以Cp2Mg為p型摻雜劑，在所述P型摻雜的InAlGaN電子阻擋層上生長厚度為200nm 250nm的p型摻雜的GaN層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述步驟S5包括以下步驟 5501:N2氣氛、反應(yīng)室壓力為250mbar 350mbar條件下，以TMGa為Ga源，以TMIn為In源，以TMAl為Al源，以NH3為N源，利用MOCVD方法在所述GaN模板上生長厚度為20nm 25nm的第一 InAlGaN層；所述第一 InAlGaN層的分子式為InaAl (Q. 15_a)GaQ. 75N,其中，所述a的取值范圍為O. 03 O. 05 ； 5502=N2氣氛、反應(yīng)室壓力為250mbar 350mbar條件下，以TMGa為Ga源，以TMIn為In源，以TMAl為Al源，以NH3為N源，利用MOCVD方法在所述第一 InAlGaN層上生長厚度為20nm 25nm的第二 InAlGaN層；所述第二 InAlGaN層的分子式為InbAl (Q.15_b)Gaa75N,其中，所述b的取值范圍為O. 10 O. 12。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述步驟S6包括以下步驟 在所述InAlGaN應(yīng)力釋放層上進(jìn)行15 16個(gè)周期的以下操作 5601:在N2氣氛條件下，以TMGa為Ga源，以TMIn為In源，以NH3為N源，利用MOCVD方法外延生長厚度為2. 8nm 3nm的InGaN講層； 5602:在N2氣氛條件下，以TMGa為Ga源，以TMIn為In源，以TMAl為Al源，以NH3為N源，在所述InGaN阱層上利用MOCVD方法外延生長厚度為12nm 13nm的InAlGaN壘層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述制備方法各步驟的工藝參數(shù)如下 所述步驟S2中，在溫度為530°C 570°C，所述TMGa的流量為55mL/min 65mL/min，所述NH3的流量為1.1 X 104mL/min 1. 3X 104mL/min的工藝條件下生長厚度為20nm 30nm的GaN緩沖層；然后升溫至1030°C 1100°C，并保持180s 210s，使所述GaN緩沖層重結(jié)晶; 所述步驟S3中，溫度為1000°C 1250°C，所述TMGa的流量為180mL/min 200mL/min，所述 NH3 的流量為 2X 104mL/min 2· 4X 104mL/min ； 所述步驟S4中，溫度為1000°C 1250°C，所述TMGa的流量為200mL/min 250mL/min，所述NH3 的流量為 2. 5X 104mT,/miη 3Χ 104mL/min,所述 SiH4 的流量為 14mT,/miη 18mT,/min ； 所述步驟S501中，溫度為820°C 840°C，所述TMGa的流量為10mL/min 20mL/min，所述 TMIn 的流量為 10OmT,/mi η 1 50mT,/mi η ,所述 TMAl 的流量為 80mT,/mi η 10OmT,/mi η ,所述NH3的流量為3Χ 104mL/min 3. 3X104mL/min ;持續(xù)時(shí)長30s 60s ； 所述步驟S502中，溫度為780°C 820°C，所述TMGa的流量為10mL/min 20 mL/min,所述 TMIn 的流量為 350mL/min 450mT,/min,所述 TMAl 的流量為 30mL/min 40mT,/min ,所述 NH3 的流量為 3 XlOWmin 3. 3X 104mL/min ；所述步驟S601中，溫度為730°C 800°C，所述TMGa的流量為10mL/min 15mL/min，所述 TMIn 的流量為 650mL/min 750mL/min，所述 NH3 的流量為 3 X 104mL/min 3. 3 X IO4HiL/min ;持續(xù)時(shí)長30s 60s ；所述步驟S602中，溫度為730°C 800°C，所述TMGa的流量為10mL/min 20mL/min，所述TMIn的流量為30mL/min 50mL/min,所述TMAl的流量為20mT,/mi η 30mL/min,所述 NH3 的流量為 3 XlOWmin 3. 3X 104mL/min ；所述步驟S7中 ，溫度為950°C 1050°C的流量為30mL/min 45mL/min，所述 TMIn 的流量為 1 50mT ,/mi η 250mL/min,所述 TMAl 的流量為 50mT ,/mi η 70mT,/min,所述NH3 的流量為 3X 104mL/min 3. 3X104mL/min,所述 Cp2Mg 的流量為 600mL/min 800mL/min ；所述步驟S8中，溫度為950°C 1050°C，所述TMGa的流量為30mL/min 45mL/min，所述NH3 的流量為 3 X 104mT,/mi η 3. 3 X 104mL/min,所述 Cp2Mg 的流量為 BOOmT,/mi η 800mT,/min。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至10中任一項(xiàng)所述的LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述步驟S4完成后，所述方法還包括步驟S4A 以TMGa為Ga源，以NH3為N源，利用MOCVD方法在所述η型摻雜的GaN層上生長厚度為2 μ m 2. 5 μ m的組分為未摻雜的GaN的量子阱壘層；完成步驟S4A后，制得所述GaN模板。
12.根據(jù)權(quán)利要求11中任一項(xiàng)所述的LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述步驟S4A的工藝參數(shù)如下溫度為1000°C 1250°C，所述TMGa的流量為180mL/min 200mL/min，所述NH3的流量為 2 XlOWmin 2. 4 X 104mL/mino
13.根據(jù)權(quán)利要求7至10中任一項(xiàng)所述的LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述步驟SI還包括步驟將所述襯底置于H2氣氛下，加熱到1050°C 1150°C并保持300s 600s，以去除所述襯底表面的H2O和O2 ;再降溫到500°C 700°C，并通入NH3對(duì)襯底進(jìn)行IOOs 200s的氮化處理。
14.根據(jù)權(quán)利要求7所述的LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述步驟S8完成后，所述方法還包括以下步驟S9 :將所述步驟S8獲得的產(chǎn)物置于650°C 700°C的N2氣氛下退火15min 20min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有四元InAlGaN的LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法，該LED外延結(jié)構(gòu)包括襯底，襯底上，由下至上依次設(shè)置有GaN緩沖層、未摻雜的GaN層、n型摻雜的GaN層、多量子阱發(fā)光層、p型摻雜的InAlGaN電子阻擋層和p型摻雜的GaN層，n型摻雜的GaN層及多量子阱發(fā)光層之間設(shè)置有InAlGaN應(yīng)力釋放層。本發(fā)明在n型摻雜的GaN層及多量子阱發(fā)光層之間插入InAlGaN應(yīng)力釋放層，可以釋放多量子阱的應(yīng)力，提高內(nèi)部量子效率，使得單位面積的多量子阱發(fā)光層的發(fā)光效率更高，且其生產(chǎn)方便，適于工業(yè)化應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01L33/00GK103022290SQ20121055479
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月19日
發(fā)明者張宇, 余小明, 周佐華, 農(nóng)明濤 申請人:湘能華磊光電股份有限公司