[發(fā)明專利]一種提高發(fā)光效率的外延結(jié)構(gòu)及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210424140.2
• 申請日: 2012-10-30
• 公開（公告）號: CN102916096A
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭麗彬;王耀國;鐘伊泰
• 申請（專利權(quán)）人: 合肥彩虹藍光科技有限公司
• 主分類號: H01L33/02
• 分類號: H01L33/02;H01L33/06
• 代理公司: 上海光華專利事務(wù)所 31219
• 代理人: 李儀萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氮化鎵系材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種氮化鎵基發(fā)光二極管提高多量子阱發(fā)光效率的方法。

背景技術(shù)

以氮化鎵為代表的Ⅲ族氮化物為直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體材料，其具有電子飄移飽和速度高，熱導(dǎo)率好，并且能夠抗輻射耐高溫以及很好的化學(xué)穩(wěn)定性和物理穩(wěn)定性。其三元合金銦鎵氮（InGaN）帶隙從0.7eV銦氮（InN）到3.4?eV氮化鎵（GaN）連續(xù)可調(diào)，發(fā)光波長覆蓋了可見光和近紫外光的整個區(qū)域。以InGaN/GaN多量子阱為有源層的發(fā)光二極管具有高效、環(huán)保、節(jié)能、壽命長等顯著特點，被公認為最有潛力進入普通照明領(lǐng)域的一種新型固態(tài)冷光源。

InGaN/GaN多量子阱生長過程中，由于InGaN和GaN材料之間的失配，會產(chǎn)生應(yīng)力，也會引起壓電極化效應(yīng)，形成壓電極化場。極化場的存在會降低其輻射復(fù)合的效率，引起很強的量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSE）。InGaN/GaN多量子阱能夠加強對載流子的限制作用，提高輻射復(fù)合效率，量子阱中富In的生長條件所形成的In量子點，對載流子有很好的限制作用，使得載流子很難被非輻射復(fù)合中心俘獲，從而提高輻射復(fù)合的效率。

對于以上問題，國內(nèi)外進行很多研究，并提出一些生長方法。如，為避免量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSE）影響，提出了材料的生長方向和極化方向完全重合，但無法避免量子限制斯塔克效應(yīng)。還有人采用InGaN或者光子晶體作為下埋層或者采用InGaN/GaN超晶格來緩釋應(yīng)力。對于電子濃度的分布優(yōu)化，主要使用電子擴展層，電子阻擋層以及電荷非對稱共振遂穿結(jié)構(gòu)等方法。

上述方法都在一定程度上提高了量子阱的輻射復(fù)合效率，但效果有限。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種提高發(fā)光效率的外延結(jié)構(gòu)及其制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中氮化鎵基發(fā)光二極管中存在的巨大內(nèi)建電場以及載流子分布不均勻所導(dǎo)致的量子阱發(fā)光效率減小的問題。

為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種提高發(fā)光效率的外延結(jié)構(gòu)，所述外延結(jié)構(gòu)從下向上依次包括：

襯底；

位于所述襯底上的第一GaN緩沖層；

位于所述第一GaN緩沖層上的第二GaN緩沖層；

位于所述第二GaN緩沖層上的N型GaN層；

位于所述N型GaN層上的多量子阱結(jié)構(gòu)MQW?；

位于所述多量子阱結(jié)構(gòu)MQW上的發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)MQW；

位于所述發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)MQW上的p?型GaN層；

位于所述p?型GaN層上的p?型AlGaN層；

位于所述p?型AlGaN層上的p?型GaN層；

以及位于所述p?型GaN層上的p?型接觸層；

所述多量子阱結(jié)構(gòu)MQW由n層In_xGa_1-XN/GaN?多量子阱組成，所述n層多量子阱中阱的寬度、深度以及壘的高度逐層遞增；壘的寬度逐層遞減；阱的寬度逐層遞增與壘寬度逐層遞減呈規(guī)律的對應(yīng)關(guān)系，其中n為整數(shù)，取值范圍為2-12。

優(yōu)選地，所述阱的寬度為2-5nm；所述壘的寬度為10-25nm。

優(yōu)選地，所述襯底為藍寶石、GaN單晶、單晶硅以及碳化硅單晶。

優(yōu)選地，所述發(fā)光層多量子阱由3-15個周期的In_yGa_1-yN(x<y<1)/GaN?多量子阱組成，所述發(fā)光層多量子阱的厚度在2-5nm之間。

本發(fā)明還提供一種提高發(fā)光效率的外延結(jié)構(gòu)的制備方法，該方法包括以下步驟：

步驟一，提供一襯底，并對其進行預(yù)處理；

步驟二，在襯底溫度為500-650℃之間，生長的低溫GaN緩沖層；

步驟三，將襯底溫度升高至900-1200℃之間，對所述低溫GaN緩沖層原位進行熱退火處理，退火之后將溫度調(diào)節(jié)至1000-1200℃之間，外延生長高溫GaN緩沖層；

步驟四，繼續(xù)生長N型GaN層；

步驟五，生長多量子阱結(jié)構(gòu)MQW，生長溫度在650-900℃之間，生長壓力在100-600?Torr之間，Ⅴ?/Ⅲ摩爾比在300-5000之間；所述多量子阱MQW由n層In_xGa_1-XN/GaN?多量子阱組成，其中每層中阱的生長方式為In組分X逐漸增加，阱生長溫度逐層遞減；壘的寬度逐層遞減；阱的寬度逐層遞增與壘寬度逐層遞減呈規(guī)律的對應(yīng)關(guān)系，其中n為整數(shù)，取值范圍為2-12；