一种LED外延结构及其生长方法技术

本发明专利技术的第一目的在于提供一种LED外延结构，依次包括蓝宝石衬底、低温缓冲层层、GaN层、掺杂Si的N型GaN层、发光层、P型AlGaN层和掺Mg的P型GaN层，发光层包括多个发光单层，每个发光单层由上至下依次包括低铟组分层、铟渐变层、高铟组分层和GaN垒层，其中：低铟组分层和高铟组分层中铟的含量固定不变；铟渐变层铟的含量渐变。本发明专利技术将发光层设计为四个部分组合，通过各层中铟含量的分布起伏，调节发光层的能带，提高电子和空穴波函数的交叠积分，提高电子和空穴的复合效率，从而提高LED内量子效率。本发明专利技术的第二目的在于提供一种LED外延结构的生长方法，工艺步骤精简，操作方便，便于工业化生产。

LED epitaxial structure and growth method thereof

The first object of the invention is to provide a LED epitaxial structure, which comprises a sapphire substrate, low temperature buffer layer, GaN layer, Si doped N type GaN layer, a light-emitting layer, P AlGaN layer and Mg doped P type GaN layer, the light-emitting layer includes a plurality of light emitting layer, each of the light emitting layer from top to bottom includes low indium and indium group layered graded layer and high indium group layered and GaN barrier layer, including: low content of indium and indium group layered high group layered indium fixed; indium indium content gradient gradient layer. The light emitting layer design into four parts, through the distribution of indium content in each layer, can with adjusting the light emitting layer, improve the electron and hole wave function overlap integral, improve the efficiency of recombination of electrons and holes, thereby improving the internal quantum efficiency of LED. The second purpose of the invention is to provide a method for growing a LED epitaxial structure, which has the advantages of simple process steps, convenient operation and convenient industrial production.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及LED
，具体涉及一种LED外延结构及其生长方法。
技术介绍
LED市场上现在要求LED芯片驱动电压低，特别是大电流下驱动电压越小越好、光效越高越好；LED市场价值的体现为光效与单价的比值，光效越好，价格越高，所以，LED高光效一直是LED厂家和院校LED研究所所追求的目标。LED的光效很大程度和发光层材料特性相关，所以，制作优良的发光层成为提高LED光效的关键。目前，国内GaN基LED蓝绿光发光器件的制作涉及到发光层大多是采用氮化铟镓/氮化镓(InGaN/GaN)超晶格形成的多量子阱层组成。由于氮化铟(InN)和氮化镓(GaN)晶格常数不同，所形成的InGaN阱与GaN垒之间存在较大的晶格失配，当晶格发生弛豫时，就会使得量子阱中的In组分产生波动，并形成失配位错，对材料的质量造成破坏；此外要获得高质量的GaN就需要较高的生长温度，这样会对阱中的In组分分布造成破坏。此外，由于GaN系材料晶体结构的非反演对称性，当存在应力时，就会在材料内部产生压电电场，对整个结构内部的势能曲线产生影响，造成势能曲线的倾斜，使得同一量子阱中电子和空穴的空间分离，形成所谓的量子限制斯塔克效应(QCSE)，降低器件的发光效率。此外，随电流增大，会使得发光波长蓝移。由于晶格失配形成的压电电场使得能带弯曲，造成载流子过冲，形成效应。由此可见，改善垒与阱的失配对提高材料质量和器件的发光特性十分重要。现有技术中生产的LED结构达不到亮度要求。综上所述，急需一种结构精简、能大大提高光效以及便于工业化生产的LED外延结构及其生产方法以解决现有技术中存在的问题。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种结构精简且具有高光效的LED外延结构，具体技术方案如下：一种LED外延结构，由下至上依次包括蓝宝石衬底、低温缓冲层、GaN层、掺杂Si的N型GaN层、发光层、P型AlGaN层以及掺Mg的P型GaN层；所述发光层包括周期数为6-16个发光单层，每个所述发光单层由上至下依次包括低铟组分层、铟渐变层、高铟组分层以及GaN垒层，其中：所述低铟组分层中铟的含量固定不变，其含量为3％-10％；所述高铟组分层中铟的含量保持不变，其含量为20％-30％；由上至下，所述铟渐变层内铟的含量由所述低铟组分层中铟的含量渐变到所述高铟组分层中铟的含量。以上技术方案中优选的，所述低温缓冲层的厚度为20-30nm；所述GaN层的厚度为3-4μm；所述掺杂Si的N型GaN层的厚度为3-4μm；所述发光单层中：所述低铟组分层以及铟渐变层的厚度均为0.2-0.6nm；所述高铟组分层的厚度为1.5-3nm；所述GaN垒层的厚度为11-12nm；所述P型AlGaN层的厚度为20-30nm；所述掺Mg的P型GaN层的厚度为100-150nm。应用本专利技术的LED外延结构，将传统的发光层结构改进设计为低铟组分层、铟渐变层、高铟组分层以及GaN垒层四个部分的组合，发光层含有6-16个周期的势阱InGaN和势磊GaN，参与发光的是靠近P型AlGaN层的4-6个周期的势阱InGaN和势磊GaN，靠近N型GaN层由于空穴浓度非常低，电子和空穴不产生发光复合，因此，本专利技术通过各层中铟含量的分布起伏，调节发光层的能带，提高电子和空穴波函数的交叠积分，提高电子和空穴的复合效率，从而提高LED内量子效率，实现提高LED的光效，与现有技术相比本发明的产品比现有技术产品光效提高8％-13％。本专利技术的第二目的在于提供一种LED外延结构的生长方法，具体包括以下步骤：一种LED外延的生长方法，包括生长发光层，所述发光层的生长过程具体是：生长周期数为多个的发光单层，所述发光单层的生长过程具体是：先在700℃-750℃温度下生长掺杂铟的厚度为0.2-0.6nm的Inx1Ga(1-x1)N低铟组分层，其中x1＝0.03-0.10且该层铟含量固定不变；其次继续生长掺杂铟的厚度为0.2-0.6nm的Inx2Ga(1-x2)N铟渐变层；再生长掺杂铟的厚度为1.5-3nm的Inx3Ga(1-x3)N高铟组分层，其中x3＝0.20-0.30且该层铟含量固定不变；最后在温度为800-850℃条件下生长GaN垒层；所述铟渐变层由上至下其内部铟的含量由所述低铟组分层中铟的含量渐变到所述高铟组分层中铟的含量。以上技术方案中优选的，还包括：蓝宝石衬底的预处理，具体是：在1000℃-1200℃的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底3-5分钟；生长低温缓冲层，具体是：将经过第一步处理后的蓝宝石衬底降温至530℃-560℃；在蓝宝石衬底上生长厚度为20-30nm的低温缓冲层；生长GaN层，具体是：升高温度至1000℃-1100℃，在所述低温缓冲层上持续生长厚度为3-4μm的GaN层；生长掺杂Si的N型GaN层，具体是：在所述GaN层上生长厚度为3-4μm持续掺杂Si的N型GaN层，其中，所述Si的掺杂浓度为1E19-2E19atoms/cm3；生长P型AlGaN层，具体是：升高温度至900℃-930℃，在所述发光层上持续生长厚度为20-30nm的P型AlGaN层，其中：Al的掺杂浓度为1E20-2E20atoms/cm3，Mg的掺杂浓度为8E18-1E19atoms/cm3；生长掺Mg的P型GaN层，具体是：温度升至930℃-1000℃，在所述P型AlGaN层上持续生长厚度为100-150nm的掺Mg的P型GaN层，其中，Mg的掺杂浓度为5E18-1E19atoms/cm3。以上技术方案中优选的，还包括后处理，所述后处理具体是：生长完成P型GaN层后降温至700℃-750℃，保温20-30min，冷却后即得LED外延结构。以上技术方案中优选的，所述发光单层的生长周期数为6-16个。应用本专利技术的LED生长方法，工艺步骤精简，采用对三甲基铟的流量调节来控制发光层中铟的含量变化，操作方便，便于工业化生产。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是对比实施例的具有10个发光单层的LED外延结构的示意图；图2是图1中单个发光单层的结构示意图；图3是图1中LED外延结构的能带示意图；图4是本专利技术优选实施例1具有10个发光单层的LED外延结构的示意图；图5是图4中单个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种LED外延结构，其特征在于：由下至上依次包括蓝宝石衬底(1)、低温缓冲层(2)、GaN层(3)、掺杂Si的N型GaN层(4)、发光层(5)、P型AlGaN层(6)以及掺Mg的P型GaN层(7)；所述发光层(5)包括周期数为6‑16个发光单层(51)，每个所述发光单层(51)由上至下依次包括低铟组分层(511)、铟渐变层(512)、高铟组分层(513)以及GaN垒层(514)，其中：所述低铟组分层(511)中铟的含量保持不变，其含量为3％‑10％；所述高铟组分层(513)中铟的含量固定不变，其含量为20％‑30％；由上至下，所述铟渐变层(512)内铟的含量由所述低铟组分层(511)中铟的含量渐变到所述高铟组分层(513)中铟的含量。

【技术特征摘要】
1.一种LED外延结构，其特征在于：由下至上依次包括蓝宝石衬底(1)、低温缓冲
层(2)、GaN层(3)、掺杂Si的N型GaN层(4)、发光层(5)、P型AlGaN层(6)以
及掺Mg的P型GaN层(7)；
所述发光层(5)包括周期数为6-16个发光单层(51)，每个所述发光单层(51)由上
至下依次包括低铟组分层(511)、铟渐变层(512)、高铟组分层(513)以及GaN垒层(514)，
其中：所述低铟组分层(511)中铟的含量保持不变，其含量为3％-10％；所述高铟组分层
(513)中铟的含量固定不变，其含量为20％-30％；由上至下，所述铟渐变层(512)内铟
的含量由所述低铟组分层(511)中铟的含量渐变到所述高铟组分层(513)中铟的含量。
2.根据权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于：
所述低温缓冲层(2)的厚度为20-30nm；
所述GaN层(3)的厚度为3-4μm；
所述掺杂Si的N型GaN层(4)的厚度为3-4μm；
所述发光单层(51)中：所述低铟组分层(511)以及铟渐变层(512)的厚度均为
0.2-0.6nm；所述高铟组分层(513)的厚度为1.5-3nm；所述GaN垒层(514)的厚度为11-12nm；
所述P型AlGaN层(6)的厚度为20-30nm；
所述掺Mg的P型GaN层(7)的厚度为100-150nm。
3.一种LED外延的生长方法，其特征在于，包括生长发光层(5)，所述发光层(5)
的生长过程具体是：生长周期数为6-16个的发光单层(51)，所述发光单层(51)的生长
过程具体是：先在700℃-750℃温度下生长掺杂铟的厚度为0.2-0.6nm的Inx1Ga(1-x1)N低铟
组分层(511)，其中x1＝0.03-0.10且该层铟含量固定不变；其次继续生长掺杂铟的厚度为
0.2-0.6nm的Inx2Ga(1-x2)N铟渐变层(512)；再生长掺杂铟的厚度为1.5-3nm的
Inx3Ga(1-x3)N高铟组分层(513)，其中x3＝0.20-...

【专利技术属性】
技术研发人员：林传强，周佐华，卢国军，
申请(专利权)人：湘能华磊光电股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43