本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)背景

近年來，氮化物基底LED被廣泛地應(yīng)用于顯示屏、背光、照明以及路燈等眾多領(lǐng)域，隨著較高功率LED的大規(guī)模應(yīng)用，市場對于LED的亮度、發(fā)光效率等提出更高的要求。

目前通過外延結(jié)構(gòu)提高LED發(fā)光效率主要是提高其內(nèi)量子效率：一是量子阱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，大多采用漸變In組分、漸變量子阱厚度、AlInGaN超晶格、Delta摻雜Si元素等，緩解有源區(qū)中的應(yīng)力、降低量子限制斯塔克效應(yīng)的影響，提高電子和空穴空間波函數(shù)的交疊；二是對P型GaN材料進(jìn)行優(yōu)化，通過調(diào)整生長壓力，Delta摻雜Al、In等元素提高有效空穴濃度，最終目的都是為了增加量子阱中電子和空穴輻射復(fù)合效率，提高亮度。本發(fā)明提出了一種在N型氮化鎵后插入N型AlN/GaN MQB的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)改善了載流子分布的均勻性，增加了載流子的橫向擴(kuò)展，使電子能夠在有源區(qū)充分復(fù)合，減少電子泄漏，該結(jié)構(gòu)易于實現(xiàn)，且適合大規(guī)模量產(chǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的第一目的在于提出一種高LED發(fā)光效率的外延片。

本發(fā)明在襯底的同一側(cè)依次設(shè)置緩沖層、非故意摻雜GaN層、N型摻雜GaN層、AlN/GaN疊層結(jié)構(gòu)MQB（Multi Quantum Barrier）層、多量子阱層、電子阻擋層和P型摻雜GaN層。

本發(fā)明在N型氮化鎵層和多量子阱層之間插入N型AlN/GaN MQB結(jié)構(gòu)。通過插入的N型AlN/GaN MQB結(jié)構(gòu)來增加電流的擴(kuò)展，可有效改善載流子進(jìn)入量子阱前的均勻性，使電子能夠在有源區(qū)充分復(fù)合，有源區(qū)量子阱能夠被充分利用，減少電子泄漏，大幅提高發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率，進(jìn)而提高發(fā)光二極管器件的光電特性，提高發(fā)光二極管的亮度。

另外，本發(fā)明所述AlN/GaN疊層結(jié)構(gòu)MQB 層由1～8對AlN/GaN層組成。AlN的禁帶寬度大于GaN的禁帶寬度，起到勢壘阻擋電子的作用，采用多層MQB結(jié)構(gòu)，能使載流子更好的擴(kuò)展。

所述AlN/GaN層至少兩對，每對AlN/GaN層的總厚度為1～10nm，每對AlN/GaN層中AlN與GaN的厚度比為0.2～5∶1，相鄰對的AlN與GaN的厚度比呈梯度變化。本發(fā)明通過變化AlN層厚度，可以調(diào)整勢壘寬度，優(yōu)化阻擋電子的效果，從而增強(qiáng)AlN/GaN MQB結(jié)構(gòu)的作用。

另外，本發(fā)明所述AlN/GaN疊層結(jié)構(gòu)MQB 層的總厚度控制在30±10nm。采用較薄的MQB層在增加電流擴(kuò)展的同時，也可提高電子向多量子阱的注入效率。

本發(fā)明的另一目的是提出以上產(chǎn)品的生產(chǎn)方法。

本發(fā)明在襯底的同一側(cè)依次外延生長緩沖層、非故意摻雜GaN層、N型摻雜GaN層、AlN/GaN疊層結(jié)構(gòu)MQB層、多量子阱層、電子阻擋層和P型摻雜GaN層，其特征在于在溫度為1100～1200℃、壓力為50～400mbar的條件下，在N型摻雜GaN層上生長形成AlN/GaN疊層結(jié)構(gòu)MQB層。

本發(fā)明生產(chǎn)方法簡單，在生長AlN/GaN MQB層時，穩(wěn)定反應(yīng)室的溫度和壓力，通過控制三甲基鎵（TMGa）和三甲基鋁（TMAl）注入反應(yīng)室的時間和流量就可以實現(xiàn)，能明顯改善電流擴(kuò)展，提高LED發(fā)光二極管的亮度，適合大規(guī)模量產(chǎn)。

在生長AlN/GaN疊層結(jié)構(gòu)MQB層時，對AlN或GaN中的至少一層進(jìn)行N型摻雜。采用N型摻雜可使AlN/GaN MQB層在發(fā)揮電流擴(kuò)展作用的同時增加載流子向量子阱中的注入效率。單對AlN進(jìn)行N型摻雜或者單對GaN進(jìn)行N型摻雜都可以起到增加載流子向量子阱注入的作用。

在生長AlN/GaN疊層結(jié)構(gòu)MQB層時，生長形成1～8對AlN/GaN層。

生長形成至少兩對AlN/GaN層，每對AlN/GaN層的總厚度為1～10nm，每對AlN/GaN層中AlN與GaN的生長厚度比為0.2～5∶1。通過調(diào)整每一對AlN/GaN層的厚度，可以控制電流擴(kuò)展的強(qiáng)度以及載流子向量子阱注入的效率。

生長形成的所述AlN/GaN疊層結(jié)構(gòu)MQB 層的總厚度為30±10nm。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的外延結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，L00：襯底；L01：緩沖層；L02：非故意摻雜GaN層；L03：N型摻雜GaN層；L04：AlN/GaN MQB層；L05：多量子阱層；L06：電子阻擋層；L07：P型摻雜GaN層。

圖2為AlN/GaN MQB層能帶示意圖（相鄰對AlN/GaN厚度比遞減）。

圖3為AlN/GaN MQB層能帶示意圖（相鄰對AlN/GaN厚度比遞增）。

圖4為不同的發(fā)光二極管的注入電流和相對光通量的關(guān)系對比圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步說明。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

一、生產(chǎn)工藝：

本發(fā)明外延結(jié)構(gòu)采用MOCVD生長，H₂、N₂作為有機(jī)金屬源的載氣，SiH₄提供N型摻雜，二茂鎂（Cp₂Mg）提供P型摻雜，NH₃作為Ⅴ族源，三甲基鎵（TMGa）、三乙基鎵（TEGa）、三甲基鋁（TMAl）、三甲基銦（TMIn）、作為Ⅲ族有機(jī)金屬源，如圖1所示，生長步驟如下：

步驟1： 在H₂環(huán)境下，將溫度升高到1150℃對襯底L00表面進(jìn)行高溫清潔處理，之后降溫到600℃，通NH₃進(jìn)行表面氮化處理，襯底L00可以選用藍(lán)寶石、Si、SiC、GaN等，本實例中優(yōu)選藍(lán)寶石襯底。

步驟2：通入三甲基鎵(TMGa)生長形成厚度為30nm的GaN緩沖層L01，生長壓力為600mbar。

步驟3：升溫到1180℃，降低生長壓力至300mbar，生長形成非故意摻雜GaN層L02，厚度為2.5μm。

步驟4：通入SiH₄進(jìn)行N型摻雜，在溫度為1180℃的條件下，形成N型摻雜GaN層L03，厚度為3μm。

步驟5：降溫到1100～1200℃（本例優(yōu)選1150℃），在N型摻雜GaN層L03上，采用50～400mbar （本例優(yōu)選150mbar）的壓力生長形成AlN/GaN MQB層L04。

AlN/GaN MQB層L04有多種形式，以下例舉兩例：

方式一：變化生長AlN/GaN MQB層中的AlN厚度，AlN厚度從厚到薄，如圖2所示能帶示意圖，每對中AlN與GaN的厚度比遞減，由5∶1漸變?yōu)?∶1，AlN/GaN MQB層L04的總厚度為30nm。

方式二：變化生長AlN/GaN MQB層中的AlN厚度，AlN厚度從薄到厚，如圖3所示能帶示意圖，每對中AlN與GaN的厚度比遞增，由1∶1漸變?yōu)?∶1，AlN/GaN MQB層L04的總厚度為30nm。

以上兩種方式中，AlN/GaN MQB層可以只對AlN進(jìn)行N型摻雜，或者只對GaN進(jìn)行N型摻雜，也可以同時對AlN和GaN分別進(jìn)行N型摻雜。每對AlN/GaN層的總厚度控制在1～10nm。

步驟6：降低生長溫度到740℃，生長多量子阱層L05，低溫通入三甲基銦（TMIn）生長InGaN量子阱，升高溫度到840℃生長GaN量子壘。

步驟7：溫度繼續(xù)升高到950℃，通入三甲基鋁（TMAl），生長形成AlGaN電子阻擋層L06。

步驟8：繼續(xù)升溫到1050℃，通入二茂鎂（Cp₂Mg），生長P型摻雜GaN層L07。

二、形成的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

如圖1所示，在襯底L00的同一側(cè)依次設(shè)置緩沖層L01、非故意摻雜GaN層L02、N型摻雜GaN層L03、AlN/GaN疊層結(jié)構(gòu)MQB層L04、多量子阱層L05、電子阻擋層L06和P型摻雜GaN層L07。

其中：

AlN/GaN疊層結(jié)構(gòu)MQB 層L04由2～8對AlN/GaN層構(gòu)成。

AlN/GaN疊層結(jié)構(gòu)MQB 層L04中每一對AlN/GaN層的厚度為1～10nm。

AlN/GaN疊層結(jié)構(gòu)MQB 層L04中每一對AlN與GaN的厚度不同，每對AlN/GaN層中AlN與GaN的厚度比控制在0.2～5∶1之間。

AlN/GaN疊層結(jié)構(gòu)MQB 層L04的總厚度控制在30±10nm。

為了說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征，圖2、3為能帶示意圖，從圖2、3可見在生長AlN/GaN MQB層時，通過控制每對中AlN的厚度來實現(xiàn)能帶變化。

三、產(chǎn)品測試：

將傳統(tǒng)工藝制作的外延片和本發(fā)明以上方法制作的外延片按相同的方法分別制成LED，經(jīng)測試，分別取得相應(yīng)的LED的注入電流和相對光通量的關(guān)系圖，見圖4所示。圖4中結(jié)構(gòu)1為使用本發(fā)明制作的外延片，結(jié)構(gòu)2為傳統(tǒng)工藝制作的外延片。

測試電流由0逐步增加到250mA，每間隔10mA測試一下相對光通量，由圖4可以看出，隨著電流逐步增加，采用本發(fā)明制作的外延片發(fā)光效率大幅提升，在250mA時，亮度較傳統(tǒng)工藝提升約10%。通過在N型摻雜GaN層上插入AlN/GaN MQB層，能夠明顯提高LED的發(fā)光亮度。