低极化效应的氮化镓基发光二极管芯片用外延材料及制法制造技术

一种低极化效应ＧａＮ发光二极管外延用材料及制法：在蓝宝石或ＳｉＣ衬底上用半导体器件沉积技术依次生长由ＧａＮ缓冲层和ｎ型ＧａＮ层组成的ｎ型ＩｎＧａＡｌＮ层、由ＩｎＡｌＧａＮ多量子阱结构极化调控层和ＩｎＡｌＧａＮ多量子结构发光层组成的低极化效应有源层和ｐ型ＩｎＧａＡｌＮ层；该方法保留单色光发光二极管器件制做工艺，仅对氮化镓基发光材料的生长过程改进，增加ＩｎＡｌＧａＮ多量子阱结构极化调控层，使量子阱有源区的能带弯曲产生反方向弯曲，降低量子阱有源区极化效应，不增加器件复杂性，又增加ＧａＮ基发光二极管内量子效率，克服常规ＧａＮ基发光二极管的强极化效应导致低内量子效率缺点，发光二极管整体性能得以提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及氮化镓基发光二极管用外延材料及制备方法，特别涉及一种采用量 子阱调制技术来减弱极化效应的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料及 制法。
技术介绍
以GaN为代表的宽禁带材料，是继Si和GaAs之后的第三代半导体。由于外 延技术的突破，在上个世纪九十年代期间有快速的发展。在不到十年的时间内，GaN已 变成全球性研究发展课题，而GaN市场中发光二极管又占了主要份额，目前蓝宝石衬 底有C面和A面用于GaN基发光二极管已经产业化.我们目前通常在C面蓝宝石衬底上 外延GaN基LED,得到的是c面GaN, III-V族氮化物材料的空间结构不具有空间中心 反演对称，并且V族元素的原子和N原子的电负性相差很大，因此沿GaN的〈0001〉方 向具有很强的极性.这一极化效应将产生强度较高的内建电场，并且使正负载流子在空 间上分离，这样导致发光波长红移,更严重的后果是电子和空穴波函数交叠变少,材料 的发光效率大大降低。目前，国际上GaN基蓝光LEl)的内量子效率最高才达到3(m， 一般仅到20%.而对 于无极化效应的GaAs系LED,其最高内量子效率可以达到100%，常规产品的内量子 效率也可以达到70%左右。因此,研究生长非极性面的G我消除电子、空穴的空间分 离，对于提高发光二极管的发光效率，提供了重要途径。GaN晶体质量差，位错密度髙达108-107cnf2，极化效应强，严重的制约了发光二极 管的发光效率。实验表明量子阱中掺In会有效的提高发光效率，当前主流理论认为In 组分的存在导致局域化效应，因此提高了量子阱的发光效率。但由于极化效应存在，使局域化效应对提高发光效率的作用被很大程度抵消.分析表明，无极化效应的GaN 基LED材料可以大幅度提高量子阱发光效率，从根本上解决GaN基LED高效率的问题。 生长无极化效应的GaN基量子阱目前有两种方案 一种是选取非极性面衬底上生 长出无极化效应的材料；另一种是生长AlInGaN四元合金材料，选取合适的组分配比， 抵消掉极化效应。第一种方案有两个方向， 一是在Y—LiA102的(001)衬底上利用 MBE技术生长(I一IOO) M面GaN,其主要困难是Y—LiA102的热稳定性差，并且生长 的GaN材料背底掺杂浓度高；二是在蓝宝石的r面衬底上生长a面非极性GaN材料， 其主要困难是a面GaN外延材料表现出严重的不对称性，外延材料难以实现二维层状 生长。第二种方案的困难在于很难生长出将极化效应完全抵消的材料。
技术实现思路
本专利技术目的在于针对以上问题而提供一种低极化效应的GaN基发光二极管外延 材料及其制备方法，即采用调控量子阱结构和量子阱有源区结构结合，通过能带工 程，使量子阱有源区的能带弯曲产生反方向弯曲，实际降低量子阱有源区的极化效 应，实现了量子阱有源区的低极化效应，增大了电子或空穴波函数的交叠，并且由 于调控量子阱区的电子隧穿进入有源区量子阱，提高了电子浓度，进一步提高了发 光二极管的内量子发光效率；解决常规GaN基LED量子阱有源区由于强极化效应产 生强度较高的内建电场，并且使正负载流子在空间上分离而导致发光波长红移，更 严重的后果是电子或空穴波函数交叠变少,材料发光效率低的问题。本专利技术的技术方案如下本专利技术提供的低极化效应的GaN发光二极管用外延材料的制备方法，其特征在 于，在GaN基极性LED用外延材料的制备过程中，将具有较低能带的长波长量子阱 的电子或空穴隧穿到具有较高能带的短波长量子阱中，以提高的量子阱发光效率；同时，在GaN基极性LED用外延材料的制备过程中，利用不同极化效应引起的量 子阱界面电荷不同，用极化效应高界面电荷大的量子阱来减少极化效应低的量子阱的 极化效应，以提高量子阱电子或空穴交叠，提高GaN基LED用外延材料的发光强度；所述的具有较低能带的长波长量子阱是指设计光荧光波长为200nm至600nm 的量子阱；所述的具有较高能带的短波长量子阱是指设计光荧光波长为200nm至600nm的 量子阱；所述具有较低能带的长波长量子阱的设计光荧光峰位相比所述的具有较高能带的 短波长量子阱的设计光荧光峰位向长波长方向移动的范围在5nm 100nra之间。所述极化效应高界面电荷大的量子阱是指界面电荷为1E13 C/cm2至5E14 C/cm2 的量子阱；所述极化效应低的量子阱是指界面电荷为5E11 C/cm2至1E14 C/cm2的量子阱； 本专利技术采用调控量子阱结构和量子阱有源区结构结合，通过能带工程，使量子 阱有源区的能带弯曲产生反方向弯曲，实现了量子阱有源区的低极化效应，增大了 电子和空穴波函数的交叠，并且由于调控量子阱区的电子或空缺隧穿进入有源区量 子阱，提高了电子或空缺浓度，进一步提高发光二极管的内量子发光效率。本专利技术的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料的制备方法，其具体步骤如下以蓝宝石或者SiC作为衬底，用常规半导体器件沉积技术在所述衬底上依次生 长n型InGaAlN层、低极化效应有源层和p型InGaAlN层，得到低极化效应高内量 子效率的GaN发光二极管用外延材料；所述n型InGaAlN层由依次包覆在衬底之上的GaN缓冲层和n型GaN层组成；所述GaN缓冲层为GaN层、A1N层、AlGaN层、InGaN层、InAlN层、InAlGaN层或 者上述合金组合而成的在异质衬底上外延的过渡层；所述GaN缓冲层厚为10nm 3iim;所述n型GaN层为GaN层、A1N层、AlGaN层、InGaN层、InAlN层、InAlGaN层或 者上述合金组合的n型欧姆接触的接触层；所述的n型GaN层厚度为20nm 5 u m;所述低极化效应有源层由依次包覆在所述n型GaN层的InAlGaN多量子阱结构极 化调控层和InAlGaN多量子结构发光层组成；所述InAlGaN极化调控层为由第一势垒层IrvAL,Ga卜y,—z,N和第一量子阱层 Inx氛,Ga卜xl-mlN组成的多量子阱结构;其中，yl〈xl， 0. l〈xl〈0. 3， 0〈yl〈0.15, 0〈zl〈0.5， 0〈ml〈0.5;所述第一势垒层InylAlzlGa,—yl-zlN厚度为5 30nm;第一量子阱层 InxlAl mlGai—xlnN厚度为l 15nm;所述第一势垒层InylAlzlGai—力,N和第一量子阱层 InxlAl mlGa,—xl—ralN的掺杂浓度均为0 5X 10'Vcm'，其量子阱结构的周期数为1 20;所述InAlGaN多量子阱结构发光层为由第二势垒层IriyALGa^N和第二量子阱 层InxAl Ga,—XiN组成的多量子阱结构发光二极管有源层，其中y〈x， 0. Kx〈0. 3, 0<y<0. 15， 0〈z〈0. 5， 0<m<0. 5;所述第二势垒层IriyALGa卜y，N厚度为5 30咖，第二量 子阱层InxAl ,Gai—XiN厚度为1 12nm;所述第二势垒层InyAlzGai—y—zN和第二量子阱 层InxAlmGa,—XiN层的掺杂浓度均为0 5X 107cm3,其量子阱结构的周期数为1 20;所述InAlGaN多量子结构发光层的为光荧光峰位相比所述InAlGaN多量子阱结构 极化调控层的光荧光峰位向长波长方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低极化效应的ＧａＮ发光二极管芯片用外延材料的制法，其特征在于，在ＧａＮ基极性ＬＥＤ用外延材料的制备过程中，将具有较低能带的长波长量子阱的电子或空穴隧穿到具有较高能带的短波长量子阱中，以提高ＬＥＤ外延材料的量子阱发光效率；同时，在 ＧａＮ基极性ＬＥＤ用外延材料的制备过程中，利用不同极化效应引起的量子阱界面电荷不同，用极化效应高界面电荷大的量子阱来减少极化效应低的量子阱的极化效应，以提高量子阱电子或空穴交叠，提高ＧａＮ基ＬＥＤ用外延材料的发光强度；所述的具有较低 能带的长波长量子阱是指设计光荧光波长为２００ｎｍ至６００ｎｍ的量子阱；所述的具有较高能带的短波长量子阱是指设计光荧光波长为２００ｎｍ至６００ｎｍ的量子阱；所述具有较低能带的长波长量子阱的设计光荧光峰位相比所述的具有较高能带的 短波长量子阱的设计光荧光峰位向长波长方向移动的范围在５ｎｍ～１００ｎｍ之间；所述极化效应高界面电荷大的量子阱是指界面电荷为１Ｅ１３Ｃ／ｃｍ↑［２］至５Ｅ１４Ｃ／ｃｍ↑［２］的量子阱；所述极化效应低的量子阱是指界面电荷 为５Ｅ１１Ｃ／ｃｍ↑［２］至１Ｅ１４Ｃ／ｃｍ↑［２］的量子阱。...

【技术特征摘要】
1、一种低极化效应的GaN发光二极管芯片用外延材料的制法，其特征在于，在GaN基极性LED用外延材料的制备过程中，将具有较低能带的长波长量子阱的电子或空穴隧穿到具有较高能带的短波长量子阱中，以提高LED外延材料的量子阱发光效率；同时，在GaN基极性LED用外延材料的制备过程中，利用不同极化效应引起的量子阱界面电荷不同，用极化效应高界面电荷大的量子阱来减少极化效应低的量子阱的极化效应，以提高量子阱电子或空穴交叠，提高GaN基LED用外延材料的发光强度；所述的具有较低能带的长波长量子阱是指设计光荧光波长为200nm至600nm的量子阱；所述的具有较高能带的短波长量子阱是指设计光荧光波长为200nm至600nm的量子阱；所述具有较低能带的长波长量子阱的设计光荧光峰位相比所述的具有较高能带的短波长量子阱的设计光荧光峰位向长波长方向移动的范围在5nm～100nm之间；所述极化效应高界面电荷大的量子阱是指界面电荷为1E13C/cm2至5E14C/cm2的量子阱；所述极化效应低的量子阱是指界面电荷为5E11C/cm2至1E14C/cm2的量子阱。2、 按权利要求1所述的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料的制法，其 特征在于，具体制做步骤如下以蓝宝石或者SiC作为衬底，用常规半导体器件沉积技术在所述衬底上依次生 长n型InGaAlN层、低极化效应有源层和p型InGaAlN层，得到低极化效应高内量 子效率的GaN发光二极管用外延材料；所述n型InGaAlN层由依次包覆在衬底之上的GaN缓冲层和n型GaN层组成； 所述GaN缓冲层为GaN层、A1N层、AlGaN层、InGaN层、InAIN层、InAlGaN层或 者上述合金组合而成的在异质衬底上外延的过渡层；所述n型GaN层为GaN层、A1N层、AlGaN层、InGaN层、InAlN层、InAlGaN层或 者上述合金组合的n型欧姆接触的接触层；所述低极化效应有源层由依次包覆在所述n型GaN层的InAlGaN多量子阱结构极 化调控层和InAlGaN多量子结构发光层组成；所述InAlGaN极化调控层为由第一势垒层InylAlzlGa,—yl-zlN和第一量子阱层 Ir^ALGa, —xl—mlN组成的多量子阱结构；其中，yl〈xl， 0. l<xl<0. 3 ， 0<yl<0.15， 0〈zl〈0.5， 0〈ml<0, 5;所述InAlGaN多量子阱结构发光层为由第二势垒层InyAl,Ga卜yiN和第二量子阱 层InxAlmGai-x— N组成的多量子阱结构形成的发光二极管有源层，其中y<x, 0. l〈x<0.3， 0<y<0. 15, 0<z〈0. 5, 0<m〈0. 5;所述的p型GaN层为GaN层、InAlN层、AlGaN层、InAlGaN层或上述合金组合的 制备p型欧姆接触的接触层。3、 按权利要求1所述的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料的制法，其 特征在于，所述GaN缓冲层厚为I0nm 3 y rn。4、 按权利要求1所述的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料的制法，其 特征在于，所述的n型GaN层厚度为20nm 5m。5、 按权利要求1所述的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料的制法，其 特征在于，所述第一势垒层Iny,AL,Ga,—,h,N厚度为5 30nrn;第一量子阱层Ir^Al^Ga, -wnN厚度为1 15nm;所述第一势垒层Iny,AlzlGai—『,N和第一量子阱层InxlAl mlGa,— nN的掺杂浓度均为0 5X10'Vcm:i,其量子阱的周期数为1 20。6、 按权利要求1所述的低极化效应的氮化镓基发光二极管用外延材料的制法，其 特征在于，所述第二势垒层InyAlzGai，N厚度为5 30nm，第二量子阱层InxAlBGai—XJ 厚度为1 12咖；所述第二势垒层InyAlzGai-y—zN和第二量子阱层InxAl G...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈弘，贾海强，郭丽伟，王文新，周均铭，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]