[发明专利]一种改善GaN基LED量子阱结构提高载子复合效率的外延生长方法

说明书

技术领域

本发明属于氮化镓系材料制备技术领域，特别涉及一种改善GaN基LED量子阱结构提高载子复合效率的外延生长方法。

背景技术

GaN基材料是离子晶体，由于正负电荷不重合，形成自发极化；另外由于InGaN和GaN材料之间的晶格适配，又会引起压电极化，进而形成压电极化场。极化场的存在，一方面使得量子阱的等效禁带宽度减小，发光波长红移；令一方面电子和空穴波函数的交叠会减小，降低其辐射复合几率。影响量子阱发光效率的另外一个原因：N区注入的电子有很大的载流子迁移率和浓度，在大电流的驱动下会越过量子阱区和P区的空穴复合，引起非辐射复合，使得发光效率的降低，而空穴的有效质量较大，其迁移率和载流子浓度都较低，远离P区的空穴分布很少，整个阱区空穴分布很不均匀，造成辐射复合几率下降。

对于电子浓度的优化，目前主要使用了电子扩展层，电子阻挡层以及电荷非对称共振隧穿结构等方法，在空穴的分布上使用了厚度较小的最后一层垒等方法。上述方法一定程度上提高了量子阱的辐射复合效率，但效果有限。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺点和不足，本发明提供了一种改善GaN基LED量子阱结构提高载子复合效率的外延生长方法，本发明能够获得高质量、高载子复合效率的量子阱结构氮化镓基材料，从而获得高发光强度的氮化镓系发光二极管。

本发明通过以下技术方案实现：

一种改善GaN基LED量子阱结构提高载子复合效率的外延生长方法，包括以下步骤：

步骤一，将衬底1在氢气气氛里进行退火1-10分钟，清洁所述衬底1表面，温度控制在1050-1080℃之间，然后进行氮化处理；

步骤二，将温度下降到450℃-650℃之间，生长15-35nm厚的低温GaN缓冲层2，生长压力控制在4000-760 Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在500-3200之间；

步骤三，所述低温GaN缓冲层2生长结束后，对其原位进行热退火处理，停止通入TMGa，将所述衬底1的温度升高至950-1200℃之间，退火时间在5min至10min之间，退火之后，将温度调节至1000-1200℃之间，生长厚度为0.8μm-4μm间的未掺杂的高温GaN缓冲层3，生长压力在100Torr-600 Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-3300之间；

步骤四，所述未掺杂的高温GaN缓冲层3生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的Si掺杂的N型GaN层4，厚度在1.0-5.0μm之间，生长温度在1000℃-1200℃之间，生长压力在50-550 Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-3300之间；

步骤五，所述Si掺杂的N型GaN层4生长结束后，生长低温浅量子阱5，所述浅量子阱5由5-15个周期的In_xGa_1-XN(0.04<x<0.4)/GaN 多量子阱组成，所述浅量子阱5的厚度在3nm-5nm之间，生长温度在720℃-920℃之间，压力在100Torr-600 Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-5000之间；

步骤六，所述浅量子阱5生长结束后，开始生长低温多量子阱发光层6，所述多量子阱发光层6由3-15个周期的In_yGa_1-yN(x<y<1)/GaN 多量子阱组成，所述多量子阱的生长方式是类梯形形式，所述多量子阱中In的摩尔组分含量在10%-50%之间保持不变，所述多量子阱的厚度在2nm-5nm之间，生长温度在720℃-820℃之间，生长压力在200Torr-500 Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在400-5300之间；垒层分三部分进行生长，按先后顺序依次为量子垒6a、量子垒6b和量子垒6c，且所述量子垒6a和量子垒6b均采用MO源渐进式方式生长，所有量子垒的的生长温度在820-920℃之间，压力在200Torr-500 Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在400-5300之间；

步骤七，所述多量子阱发光层6生长结束后，生长厚度10nm-100nm之间的低温P型GaN层7，生长温度在500℃-800℃之间，生长时间在5分钟-20分钟之间，压力在100Torr-500 Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-5300之间，在所述生长低温P型GaN层7的过程中，以N₂作为载气，并掺杂介质二茂镁；