CN101488550A - 高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED的制造方法 - Google Patents

高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED的制造方法，包括一下步骤：步骤1.在MOCVD反应室中加热蓝宝石衬底，然后降温生长GaN成核层，接着在高温下生长GaN缓冲层；步骤2.降低温度，在所述缓冲层上生长1至6个InxGa1－xN/GaN量子阱，接着生长1至6个InyGa1－yN/GaN量子阱，再生长4至15个InzGa1－zN/GaN量子阱；步骤3.在高温下，再顺次生长p型AlGaN层和p型GaN层。本发明提供的高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED能够改善结晶质量，较好地减少InGaN和GaN间的V型缺陷，提高LED的开启电压。

Description

高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED的制造方法
技术领域
本发明涉及一种高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED的制造方法，特别涉及一种高In组分多种成分的InGaN/GaN量子阱结构的LED的制造方法。
背景技术
GaN基III-V族氮化物是重要的直接带隙的宽禁带半导体材料。GaN基材料具有优异的机械和化学性能，优异的光电性质，室温下其带隙范围从0.7eV(InN)到6.2eV(AlN)，发光波长涵盖了远红外，红外，可见光，紫外光，深紫外，GaN基材料在蓝光，绿光，紫光及白光二极管等光电子器件领域有广泛的应用背景。
近几年GaN基蓝光LED的量子效率获得重大提高，但是GaN基绿光LED的量子效率相对于GaN基蓝光LED低得多(参见：Appl.Phys.Lett.，86，101903等)，制造上比蓝光LED困难的多。GaN基绿光LED需要高质量高In组分的InxGa1-xN/GaN量子阱(x≥15％)，但高In组分的InGaN材料及InGaN/GaN量子阱的质量通常较差.InN的晶格常数a为0.3545nm和六方相GaN间的晶格常数a为0.3189nm，可见随着In组分的增加InGaN/GaN间的晶格失配增大，应力增大，容易在InxGa1-xN/GaN多量子阱的界面容易产生大量的V型缺陷；并且高In组分的InGaN材料容易发生In的相分离，这些是GaN基绿光、黄光及红光等LED外量子效率低，电性差抗静电能力差的主要原因。此外InN的带隙为0.7eV，GaN的带隙为3.39eV，随着In组分的增加，InGaN的带隙变小，导致LED的开启电压降低等。
为了改进上述问题，在申请号为200580025327.3，发明名称为“具有含铟结构的III族氮化物基量子阱发光器件结构”的发明中，提出了一种在有源区上具有包含铟的III族氮化物层及在包含铟的III族氮化物层上具有包含铝的p型III族氮化物层的结构，来改善结晶质量，然而，其改善仍然有限。
为了克服现有技术中的上述问题，本发明的发明人在LED领域进行了广泛深入的研究，终有本发明的产生。
发明内容
本发明的所要解决的技术方案是提供一种高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED的制造方法。
为解决上述技术方案，本发明提供一种高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED的制造方法，采用MOCVD方法，利用高纯NH3做N源，三甲基镓或三乙基镓做镓源，三甲基铟做铟源，三甲基铝做铝源，硅烷用作n型掺杂剂，二茂镁用作p型掺杂剂，其特征在于，包括一下步骤：
步骤1、在MOCVD反应室中加热蓝宝石衬底并用H2处理，然后降温生长GaN成核层，接着在高温下生长GaN缓冲层，所述GaN缓冲层包括非掺杂GaN层和掺Si的n型GaN层；
步骤2、将温度降低到650~850℃之间，载气切换为N2，在所述缓冲层上生长1至6个InxGa1-xN/GaN量子阱，其中，0<x≤0.1，每层InxGa1-xN阱层厚度为2-5nm；接着生长1至6个InyGa1-yN/GaN量子阱，其中0.1<y≤0.2，每层InyGa1-yN阱层厚度为1.5-5nm；再生长4至15个InzGa1-zN/GaN量子阱，其中0.2<z<1，每层InzGa1-zN阱层厚度为1-5nm；在上述制造过程中，TEGa的摩尔流量为0.1×10-5摩尔/分钟至1.5×10-5摩尔/分钟，TMIn的摩尔流量为1×10-5摩尔/分钟至10×10-5摩尔/分钟之间，NH3的流量为6升/分钟至30升/分钟；
步骤3、在高温下，以H2做载气，在所述InzGa1-zN/GaN量子阱上顺次生长p型AlGaN层和p型GaN层。
较佳地，步骤2中，所述InxGa1-xN/GaN量子阱个数为5个，量子阱阱层厚度为3nm，垒层厚度为10nm，x＝0.08。
较佳地，步骤2中，所述InyGa1-yN/GaN量子阱个数为4个，量子阱阱层厚度为3nm，垒层厚度为10nm，y＝0.15。
较佳地，所述InzGa1-zN/GaN量子阱个数为5个，量子阱阱层厚度为2.3nm，垒层厚度为10nm，z＝0.25。
本发明的有益效果在于：能够改善结晶质量，较好地减少InGaN和GaN间的V型缺陷，提高LED的开启电压，改善LED的电学性质，提高发光效率。
附图说明
图1为本发明提供的高In组分多InGaN/GaN量子阱结构LED的结构示意图。
图2为InGaN/GaN量子阱有源层的导带示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
请参阅图1，图1所示为一种高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED，包括在蓝宝石衬底1上依次向上生长的GaN成核层2、非掺杂GaN层3、n型GaN层4、InGaN/GaN量子阱有源层5、p型ALGaN载流子阻挡层6及p型GaN层7。
InGaN/GaN量子阱有源层5包括第一InGaN/GaN量子阱层5a、第二InGaN/GaN量子阱层5b及第三InGaN/GaN量子阱层5c。第一InGaN/GaN量子阱层5a由1至6个InxGa1-xN/GaN量子阱组成，其中，0<x≤0.1，InxGa1-xN为阱层，厚度为2-5nm，GaN为垒层；第二InGaN/GaN量子阱层5b由1至6个InyGa1-yN/GaN量子阱组成，其中0.1<y≤0.2，InyGa1-yN为阱层，厚度为1.5-5nm，GaN为垒层；第三InGaN/GaN量子阱层5c由4至15个InzGa1-zN/GaN量子阱组成，其中0.2<z<1，InzGa1-zN为阱层，厚度为1-5nm，GaN为垒层。
上述第一InGaN/GaN量子阱层5a的阱层厚度优选为3nm，第二InGaN/GaN量子阱层5b的阱层厚度优选为3nm，第三InGaN/GaN量子阱层5c的阱层厚度优选为2.3nm。
本发明提供制造上述高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED的方法，本发明采用MOCVD方法，利用高纯NH3做N源，三甲基镓或三乙基镓做镓源，三甲基铟做铟源，三甲基铝做铝源，硅烷用作n型掺杂剂，二茂镁用作p型掺杂剂。
实施例一
利用MOCVD设备外延生长高亮度的高In组分多量子阱的LED，所用的衬底为(001)面的蓝宝石。首先在MOCVD反应室中将蓝宝石衬底1加热到1200℃，在H2下处理5min，然后温度降低到500~600℃生长GaN成核层2，厚度约30nm；然后温度升至1160℃，H2作载气，以3.0微米/小时的生长速率外延生长4微米厚的GaN缓冲层，其中包括0.5微米厚的非掺杂GaN层3和3.5微米厚的掺Si的n型GaN层4，Si的掺杂浓度在5×1017cm-3至5×1019cm-3之间。
然后将温度降低到650~750℃间，载气切换为N2，在该缓冲层上生长1至6个InxGa1-xN/GaN量子阱，其中，0<x≤0.1，每层InxGa1-xN阱层厚度为3nm，每层GaN垒层厚度为10nm；接着生长1至6个InyGa1-yN/GaN量子阱，其中0.1<y≤0.2，每层InyGa1-yN阱层厚度为3nm，每层GaN垒层厚度为10nm；再生长4至15个InzGa1-zN/GaN量子阱，其中0.2<z<1，每层InzGa1-zN阱层厚度为2.3nm，每层GaN垒层厚度为10nm；在上述制造过程中，TEGa的摩尔流量为0.1×10-5摩尔/分钟至1.5×10-5摩尔/分钟，TMIn的摩尔流量为1×10-5摩尔/分钟至10×10-5摩尔/分钟之间，NH3的流量为6升/分钟至30升/分钟。
最后，把温度升高至1000~1100℃，H2做载气，生长25nm厚的p型Al0.15Ga0.85N和200nm厚的p型GaN层，Mg掺杂浓度在5×1019cm-3至5×1020cm-3之间。
实施例二
利用MOCVD设备外延生长高亮度的高In组分多量子阱的LED，所用的衬底为(001)面的蓝宝石。首先在MOCVD反应室中将蓝宝石衬底1加热到1200℃，在H2下处理5min，然后温度降低到500~600℃生长GaN成核层2，厚度约30nm；然后温度升至1160℃，H2作载气，以3.0微米/小时的生长速率外延生长4微米厚的GaN缓冲层，其中包括0.5微米厚的非故意掺杂GaN层3和3.5微米厚的掺Si的n型GaN缓冲层4，Si的掺杂浓度在5×1017cm-3至5×1019cm-3之间。
然后将温度降低到650~850℃间，载气切换为N2，在该缓冲层上以800℃生长5个InxGa1-xN/GaN量子阱，其中x＝0.08，每层InxGa1-xN阱层厚度为3nm，每层GaN垒层厚度为10nm；接着以750℃生长4个InyGa1-yN/GaN量子阱，其中y＝0.15，每层InyGa1-yNN阱层厚度为3nm，每层GaN垒层厚度为10nm；再以720℃生长5个InzGa1-zN/GaN量子阱，其中z＝0.25，每层InzGa1-zN阱层厚度为2.3nm，每层GaN垒层厚度为10nm；在上述生长过程中，TEGa的摩尔流量为0.1×10-5摩尔/分钟至1.5×10-5摩尔/分钟，TMIn的摩尔流量为5×10-5摩尔/分钟，NH3的流量为6升/分钟至30升/分钟。
最后，把温度升高至1000~1100℃，H2做载气，生长25nm厚的p型Al0.15Ga0.85N和200nm厚的p型GaN层，Mg掺杂浓度在5×1019cm-3至5×1020cm-3之间。
请参阅图2，在本实施例中的InGaN/GaN多量子阱有源层5的生长过程中，组成第一量子阱层5a的InxGa1-xN/GaN量子阱，组成第二量子阱层5b的InyGa1-yN/GaN量子阱，组成第三量子阱层5c的InzGa1-zN/GaN量子阱，具有生长温度阶梯。InxGa1-xN/GaN量子阱、InyGa1-yN/GaN量子阱及InzGa1-zN/GaN量子阱的生长温度分别约为800℃、750℃及720℃。
本发明通过在外延生长发光层第三InGaN/GaN量子阱层5c前引入一组In组分在0~0.1之间的第一InGaN/GaN量子阱层5a，及In组分在0.1~0.2之间的第二InGaN/GaN量子阱层5b，在此基础上外延出出高质量的高In组分(In组分大于0.2)的第三InGaN/GaN量子阱发光层5c，其中第一InGaN/GaN量子阱层5a可以释放n型GaN层4和有源区5之间的应力，第二InGaN/GaN量子阱层5b的In组分比第三InGaN/GaN量子阱层5c中的要少很多，晶体质量比第三InGaN/GaN量子阱层5c好很多，能够较好地改善电学性质，第三InGaN/GaN量子阱层5c为发光层。此发明的多量子阱结构特别适应于高In组分的多InGaN/GaN量子阱结构的LED，可减少InGaN和GaN间的V型缺陷，提高发光效率。
经测试，采用此发明的多量子阱结构的LED，300微米×300微米的520nm的LED芯片的电致发光谱中是单峰，20mA下的亮度由200mcd升高至350mcd，芯片的正向工作电压不变，芯片的开启电压由2.0V提高至2.4V，芯片的抗静电能力由人体模式1000V提高至人体模式4000V。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1、一种高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED的制造方法，采用MOCVD方法，利用高纯NH3做N源，三甲基镓或三乙基镓做镓源，三甲基铟做铟源，三甲基铝做铝源，硅烷用作n型掺杂剂，二茂镁用作p型掺杂剂，其特征在于，包括一下步骤：
步骤1、在MOCVD反应室中加热蓝宝石衬底并用H2处理，然后降温生长GaN成核层，接着在高温下生长GaN缓冲层，所述GaN缓冲层包括非掺杂GaN层和掺Si的n型GaN层；
步骤2、将温度降低到650~850℃之间，载气切换为N2，在所述缓冲层上生长1至6个InxGa1-xN/GaN量子阱，其中，0<x≤0.1，每层InxGa1-xN阱层厚度为2-5nm；接着生长1至6个InyGa1-yN/GaN量子阱，其中0.1<y≤0.2，每层InyGa1-yN阱层厚度为1.5-5nm；再生长4至15个InzGa1-zN/GaN量子阱，其中0.2<z<1，每层InzGa1-zN阱层厚度为1-5nm；在上述制造过程中，TEGa的摩尔流量为0.1×10-5摩尔/分钟至1.5×10-5摩尔/分钟，TMIn的摩尔流量为1×10-5摩尔/分钟至10×10-5摩尔/分钟之间，NH3的流量为6升/分钟至30升/分钟；
步骤3、在高温下，以H2做载气，在所述InzGa1-zN/GaN量子阱上顺次生长p型AlGaN层和p型GaN层。
2、如权利要求1所述的高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED的制造方法，其特征在于：步骤2中，所述InxGa1-xN/GaN量子阱个数为5个，量子阱阱层厚度为3nm，垒层厚度为10nm，x＝0.08。
3、如权利要求1所述的高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED的制造方法，其特征在于：步骤2中，所述InyGa1-yN/GaN量子阱个数为4个，量子阱阱层厚度为3nm，垒层厚度为10nm，y＝0.15。
4、如权利要求1所述的高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED的制造方法，其特征在于：所述InzGa1-zN/GaN量子阱个数为5个，量子阱阱层厚度为2.3nm，垒层厚度为10nm，z＝0.25。
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