本發(fā)明涉及發(fā)光二極管技術(shù)領(lǐng)域，特別是具有發(fā)光層多量子阱過渡層的LED外延結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體二極管具有體積小、高效、節(jié)能、使用壽命長等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于顯示屏、背光源、傳感器、通訊及照明等領(lǐng)域。GaN基材料的外延生長是發(fā)展GaN基高亮度LED和全固態(tài)半導(dǎo)體白光照明光源的核心技術(shù), 但發(fā)光區(qū)其發(fā)光層量子阱（MQW）的品質(zhì)難以成長的原因是MQW的位錯(cuò)密度比較大，壘和阱之間存在晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力和極化電場(chǎng)，導(dǎo)致輻射復(fù)合效率比較低。因此，如何減少量子阱發(fā)光層中晶格缺陷，以提高量子阱發(fā)光層的晶體質(zhì)量；以及如何降低量子阱發(fā)光層和GaN壘層和n型GaN層之間由于晶格失配產(chǎn)生的極化效應(yīng)和電子空穴波函數(shù)空間分離現(xiàn)象，以提高電子和空穴的復(fù)合效率，進(jìn)而提高LED的發(fā)光效率，成為LED領(lǐng)域中亟需攻克的目標(biāo)之一。

影響有源區(qū)發(fā)光效率的因素主要有以下幾個(gè)方面：

1.InGaN/GaN多量子阱層結(jié)構(gòu)的一個(gè)特征是：GaN基材料是離子晶體，由于正負(fù)電荷不重合，使得材料沿著c軸方向存在著很強(qiáng)的自發(fā)極化效應(yīng)，形成自發(fā)極化場(chǎng)；由于InGaN和GaN材料之間的失配所引起的應(yīng)力，也會(huì)引起壓電極化效應(yīng)，形成壓電極化場(chǎng)。極化場(chǎng)的存在會(huì)使量子阱能帶發(fā)生傾斜或彎曲，使得阱區(qū)的電子和空穴限制在量子阱的兩端，一方面會(huì)使得量子阱的有效帶隙寬度減小使激發(fā)峰紅移，另一方面導(dǎo)致電子和空穴的波函數(shù)在空間分布上分離，降低其輻射復(fù)合的幾率，引起很強(qiáng)的量子限制斯塔克效應(yīng)（Quantum Confined Stark Effect）。隨著應(yīng)變的增強(qiáng)，極化效應(yīng)引起的極化電場(chǎng)同時(shí)增強(qiáng)，因此，在晶向的In_xGa_1-xN/GaN量子阱中隨著In組分x的增加， In_xGa_1-xN與GaN之間的晶格失配增加，極化效應(yīng)增強(qiáng)，這也是In_xGa_1-xN/GaN量子阱LED中隨In組分增加時(shí)LED的發(fā)光效率顯著減小的原因之一。

2.N區(qū)注入的電子有很大的載流子遷移率和濃度，在大電流的驅(qū)動(dòng)下會(huì)越過量子阱區(qū)和P區(qū)的空穴復(fù)合，引起非輻射復(fù)合，使得發(fā)光效率的下降，而空穴的有效質(zhì)量較大，其遷移率和載流子濃度都很低，這樣就造成了在遠(yuǎn)離P區(qū)的空穴分布很少，整個(gè)阱區(qū)空穴的分布很不均勻，造成輻射復(fù)合幾率的下降。

3.GaN基LED主要利用InGaN/GaN量子阱外延層發(fā)光，InGaN量子阱和GaN量子壘因晶格失配會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。因量子阱InGaN和量子壘GaN交替生長，這樣隨著阱壘周期的不斷增多，材料中的應(yīng)力也不斷的積聚。隨著應(yīng)力的累積，在GaN外延層存在的部分線性位錯(cuò)便會(huì)在量子阱的生長過程中被發(fā)展放大，形成V型缺陷；對(duì)V型缺陷的深度和密度必須進(jìn)行有效控制，如果V型缺陷深度過深或密度過大，會(huì)導(dǎo)致空穴載流子通過V型缺陷側(cè)壁進(jìn)入發(fā)光量子阱進(jìn)行輻射發(fā)光的效率降低，而通過V型缺陷頂端及連接的線性位錯(cuò)形成的漏電通道，直接與電子形成非輻射復(fù)合，降低器件內(nèi)量子效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種具有發(fā)光層多量子阱過渡層的LED外延結(jié)構(gòu)。它是在發(fā)光層多量子阱中引入In組分降低的過渡層，發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)中阱層In組份的依次減小可以緩解由高In組份InGaN突然轉(zhuǎn)到GaN的生長過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，減小極化效應(yīng)，提高量子阱的晶體質(zhì)量，增加復(fù)合幾率。

為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案以如下方式實(shí)現(xiàn)：

一種具有發(fā)光層多量子阱過渡層的LED外延結(jié)構(gòu)，它從下至上依次包括圖形化襯底、GaN緩沖層、U型GaN層、N型GaN層、有源區(qū)、電子阻擋層和P型GaN層。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，所述有源區(qū)包括多量子阱層和生長在多量子阱層上的發(fā)光層多量子阱層。所述多量子阱層包括In_XGa_1-XN阱層和生長在In_XGa_1-XN阱層上的GaN壘層。所述發(fā)光層多量子阱層包括發(fā)光層阱層和生長在發(fā)光層阱層上的發(fā)光層壘層。所述發(fā)光層阱層和發(fā)光層壘層交替生長，生長周期為5-20個(gè)周期。所述發(fā)光層阱層包括從下至上依次生長的In組分不同的In_XGa_1-XN層且 0<x<1、In_yGa_1-yN過渡層且0< y<x和GaN過渡層。

在上述LED外延結(jié)構(gòu)中，所述多量子阱層由2至10個(gè)周期的In_XGa_1-XN阱層和GaN壘層組成，其中In的組份是不變的,x值介于0.15至0.45之間。In_XGa_1-XN阱層的厚度在1-5nm之間，生長溫度在730-830℃之間，生長壓力在100Torr至500Torr之間。GaN壘層厚度不變，其厚度在5-7.5 nm之間，生長溫度在820至1000℃之間，生長壓力在100Torr 至500Torr 之間。

在上述LED外延結(jié)構(gòu)中，所述多量子阱層的生長溫度高于發(fā)光層多量子阱層，厚度小于發(fā)光層多量子阱層。

在上述LED外延結(jié)構(gòu)中，在發(fā)光層阱層的2/5~4/5處生長一層In的組分由x遞減到0的In_yGa_1-yN過渡層，在發(fā)光層阱層的4/5~1處生長一層GaN過渡層。

在上述LED外延結(jié)構(gòu)中，所述In_XGa_1-XN層的生長溫度為710-810℃，In組分為0.15<x<0.45，厚度為2-5nm，生長壓力100-500Torr；In_yGa_1-yN層的生長溫度為710-810℃，生長厚度為2-5nm，In組分由x遞減到0,生長壓力為100-500Torr；GaN過渡層的生長溫度為710-810℃,生長厚度為1-2.5nm,生長壓力100-500Torr。

在上述LED外延結(jié)構(gòu)中，所述發(fā)光層壘層為GaN壘層，在周期生長中，所述發(fā)光層壘層的厚度不變且大于多量子阱層中GaN壘層的厚度，所述發(fā)光層壘層的厚度在10-15nm之間，生長溫度在820-1000℃之間，生長壓力在100-500Torr之間。

本發(fā)明由于采用了上述結(jié)構(gòu)，在發(fā)光層多量子阱層的發(fā)光層阱層中引入過渡層，過渡層中In的組份依次減小可以緩解由高In組份InGaN突然轉(zhuǎn)到GaN的生長過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，減小極化效應(yīng)，提高量子阱的晶體質(zhì)量，增加復(fù)合幾率。并且，有源區(qū)分為多量子阱和發(fā)光層多量子阱兩個(gè)部分，前幾個(gè)周期的多量子阱用高溫生長，后幾個(gè)周期的發(fā)光層多量子阱用低溫生長，高溫生長的窄量子阱結(jié)構(gòu)可以減緩電子的穿越速率，低溫生長的寬量子阱結(jié)構(gòu)可以提高空穴的穿越速率，使得電子和空穴的分布比較均勻，減少了非輻射復(fù)合，在一定程度上提高了波函數(shù)的復(fù)合幾率，防止在大電流注入下效率下降。解決了現(xiàn)有技術(shù)制作的GaN基發(fā)光二極管中存在的巨大內(nèi)建電場(chǎng)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。

另外，發(fā)光層多量子阱層中由于富In的生長條件或者In組分的不均勻所形成的富In量子點(diǎn)，對(duì)載流子也有很好的限制作用，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。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中多量子阱層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明中發(fā)光層多量子阱層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明中發(fā)光層多量子阱層中發(fā)光層阱層的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

參看圖1至圖4，本發(fā)明具有發(fā)光層多量子阱過渡層的LED外延結(jié)構(gòu)從下至上依次包括圖形化襯底1、GaN緩沖層2、U型GaN層3、N型GaN層4、有源區(qū)、電子阻擋層7和P型GaN層8。有源區(qū)包括多量子阱層5和生長在多量子阱層5上的發(fā)光層多量子阱層6。發(fā)光層多量子阱層6包括發(fā)光層阱層61和生長在所述發(fā)光層阱層61上的發(fā)光層壘層62。發(fā)光層阱層61和發(fā)光層壘層62交替生長，生長周期為5-20個(gè)周期。發(fā)光層阱層61包括從下至上依次生長的In組分不同的In_XGa_1-XN層611且 0<x<1、In_yGa_1-yN過渡層612且0< y<x和GaN過渡層613。 多量子阱層5的生長溫度高于發(fā)光層多量子阱層6，厚度小于發(fā)光層多量子阱層6。發(fā)光層阱層61的2/5~4/5處生長一層In的組分由x遞減到0的In_yGa_1-yN過渡層612，在發(fā)光層阱層61的4/5~1處生長一層GaN過渡層613。In_XGa_1-XN層611的生長溫度為710-810℃，In組分為0.15<x<0.45，厚度為2-5nm，生長壓力100-500Torr。In_yGa_1-yN層612的生長溫度為710-810℃，生長厚度為2-5nm，In組分由x遞減到0,生長壓力為100-500Torr。GaN過渡層613的生長溫度為710-810℃,生長厚度為1-2.5nm,生長壓力100-500Torr。多量子阱層5由2至10個(gè)周期的In_XGa_1-XN阱層51和GaN壘層52組成，其中In的組份是不變的,x值介于0.15至0.45之間。GaN壘層52生長于In_XGa_1-XN阱層51上，In_XGa_1-XN阱層51的厚度在1-5nm之間，生長溫度在730-830℃之間，生長壓力在100Torr至500Torr之間。GaN壘層52厚度不變，其厚度在5-7.5 nm之間，生長溫度在820至1000℃之間，生長壓力在100Torr 至500Torr 之間。發(fā)光層壘層62為GaN壘層，在周期生長中，所述發(fā)光層壘層62的厚度不變且大于多量子阱層5中GaN壘層52的厚度。發(fā)光層壘層62的厚度在10-15nm之間，生長溫度在820-1000℃之間，生長壓力在100-500Torr之間。

本發(fā)明以高純氫氣（H2）或氮?dú)猓∟2）或高純氫氣和高純氮?dú)獾幕旌蠚怏w作為載氣，以三甲基鎵（TMGa）、三乙基鎵(TEGa)、三甲基鋁（TMAl）、三甲基銦（TMIn）和氨氣（NH3）分別作為Ga、Al、In 和N源，用硅烷（SiH4）、二茂鎂（Cp2Mg）分別作為n、p 型摻雜劑。

實(shí)施例一

本發(fā)明的生長方法為：

1）在MOCVD反應(yīng)爐里進(jìn)行高溫烘烤，去除藍(lán)寶石圖形化襯底1表面的殘余雜質(zhì)。

　 2）緩慢降溫在500-800℃之間，生長一層GaN緩沖層2。

　 3）迅速升溫，在1000-1200℃生長U型GaN層3，生長10-70min，厚度為0.5-6um。

　 4）生長N型GaN層4，生長溫度在1000-1200℃，生長厚度在0.5-5um。

5）生長多量子阱層5：

多量子阱層 5：由10個(gè)周期的In_XGa_1-XN/GaN多量子阱組成，其中0.15<x<0.45。In_XGa_1-XN阱層51中In 的組份是0.15，In_XGa_1-XN阱層51的厚度為1nm，生長溫度在830℃，生長壓力在100Torr；GaN壘層52的厚度為5nm，生長溫度在1000℃，生長壓力在100Torr。

6）發(fā)光層多量子阱6：

發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)MQW 6：由20個(gè)周期的In_XGa_1-XN/ In_yGa_1-yN/ GaN阱層/GaN壘層多量子阱組成，其中0.15<x<0.45，0<y<x。所述In_XGa_1-XN層611的生長溫度為810℃，In組分為0.15，厚度為2nm，生長壓力100Torr；In_yGa_1-yN層612的生長溫度為810℃，生長厚度為2nm，In組分為由0.15遞減到0,生長壓力為100Torr。GaN阱層613的生長溫度為810℃,生長厚度為1nm,生長壓力100Torr。發(fā)光層壘層62的厚度為10 nm，生長溫度在1000℃，生長壓力在100 Torr。

7）在800-1000℃下生長P型AlGaN電子阻擋層7,厚度為50-1000埃。

8)生長P型GaN層8，生長溫度在800-1000℃下生長，厚度為200-700埃，Mg的濃度為5x10¹⁷ ~1x10²³cm³。

實(shí)施例二

本發(fā)明的生長方法為：

1）在MOCVD反應(yīng)爐里進(jìn)行高溫烘烤，去除藍(lán)寶石圖形化襯底1表面的殘余雜質(zhì)。

　 2）緩慢降溫在500-800℃之間，生長一層GaN緩沖層2。

　 3）迅速升溫，在1000-1200℃生長U型GaN層3，生長10-70min，厚度為0.5-6um。

　 4）生長N型GaN層4，生長溫度在1000-1200℃，生長厚度在0.5-5um。

5）生長多量子阱層5：

多量子阱層 5：由5個(gè)周期的In_XGa_1-XN/ GaN多量子阱組成。In_XGa_1-XN阱層51中In的組份是0.3，In_XGa_1-XN阱層51的厚度為3nm，生長溫度在780℃，生長壓力在300Torr；GaN壘層52的厚度為6.25 nm，生長溫度在920℃，生長壓力在300Torr。

6）發(fā)光層多量子阱6：

發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)MQW 6：由10個(gè)周期的In_XGa_1-XN/ In_yGa_1-yN/GaN阱層/GaN壘層多量子阱組成。所述In_XGa_1-XN層611的生長溫度為760℃，In組分為0.3，厚度為3.5nm，生長壓力300Torr；In_yGa_1-yN層612的生長溫度為760℃，生長厚度為3.5nm，In組分為由0.3遞減到0,生長壓力為300Torr；GaN阱層613的生長溫度為760℃,生長厚度為1.75nm,生長壓力300Torr；發(fā)光層壘層62的厚度為12.5 nm，生長溫度在920℃，生長壓力在300 Torr。

7）在800-1000℃下生長P型AlGaN電子阻擋層7,厚度為50-1000埃。

8)生長P型GaN層8，生長溫度在800-1000℃下生長，厚度為200-700埃，Mg的濃度為5x10¹⁷ ~1x10²³cm³。

實(shí)施例三

本發(fā)明的生長方法為：

1）在MOCVD反應(yīng)爐里進(jìn)行高溫烘烤，去除藍(lán)寶石圖形化襯底1表面的殘余雜質(zhì)。

　 2）緩慢降溫在500-800℃之間，生長一層GaN緩沖層2。

　 3）迅速升溫，在1000-1200℃生長U型GaN層3，生長10-70min，厚度為0.5-6um。

　 4）生長N型GaN層4，生長溫度在1000-1200℃，生長厚度在0.5-5um。

5）生長多量子阱層5：

多量子阱層 5：由2個(gè)周期的In_XGa_1-XN/GaN多量子阱組成。In_XGa_1-XN阱層51中In的組份是0.45，In_XGa_1-XN阱層51的厚度為5nm，生長溫度在730℃，生長壓力在500Torr；GaN壘層52的厚度為7.5 nm，生長溫度在820℃，生長壓力在500Torr。

6）發(fā)光層多量子阱6：

發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)MQW 6：由5個(gè)周期的In_XGa_1-XN/ In_yGa_1-yN/ GaN阱層/GaN壘層多量子阱組成。所述In_XGa_1-XN層611的生長溫度為710℃，In組分為0.45，厚度為5nm，生長壓力500Torr；In_yGa_1-yN層612的生長溫度為710℃，生長厚度為5nm，In組分為由0.45遞減到0,生長壓力為500Torr；GaN阱層613的生長溫度為710℃,生長厚度為2.5nm,生長壓力500Torr；發(fā)光層壘層62的厚度不變，其厚度在15 nm，生長溫度在820℃，生長壓力在500 Torr。

7）在800-1000℃下生長P型AlGaN電子阻擋層7,厚度為50-1000埃。

8)生長P型GaN層8，生長溫度在800-1000℃下生長，厚度為200-700埃，Mg的濃度為5x10¹⁷ ~1x10²³cm³。

　　以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，并不限于本發(fā)明的其它實(shí)施方式，凡屬本發(fā)明的技術(shù)路線原則之內(nèi)，所做的任何顯而易見的修改、替換或改進(jìn)，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。