CN101937954A - 提高氮化镓基发光二极管内量子效率的外延生长方法 - Google Patents

Abstract

提高氮化镓基发光二极管内量子效率的外延生长方法，属于半导体技术领域，在生长氮化镓基蓝光/绿光发光二极管有源区的铟镓氮量子阱层期间，使氨气和Ⅲ族金属有机源材料镓和铟交替脉冲地输入生长反应室。在设定的持续时间、间隔和脉冲周期下，该调制生长过程会形成高发光效率的铟镓氮量子阱发光层。该方法可减弱铟镓氮/氮化镓量子阱的内建电场，提高量子局域化效应，增强辐射复合几率，增加发光的内量子效率，从而提高发光二极管的发光效率和亮度。该方法适用于高亮度、高发光效率的氮化基蓝光/绿光发光二极管外延材料的金属有机化学气相沉积(MOCVD)外延生长。

Description

提高氮化镓基发光二极管内量子效率的外延生长方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是指一种提高氮化镓基蓝光/绿光发光二极管内量子效率的外延生长方法。

背景技术

氮化镓(GaN)是第三代直接能隙宽禁带半导体，其禁带宽度为3.39eV。GaN基绿、蓝发光二极管(LEDs)器件具有高亮度、低能耗、长寿命、响应速度快等优点，在全色显示、信号指示、景观照明等领域都有广泛的应用。特别是以GaN基蓝光LED混合荧光粉后制作的白光LEDs研发进展迅速，白光LEDs的发光波长只在可见光区，避免了白炽灯强烈的红外辐射，可以大量节约能源。同时白光LEDs体积小、寿命长、安全、高效、不存在汞等有害物质，被称为新一代绿色环保型照明光源，使其有望取代传统的白炽灯和荧光灯，带来人类照明光源的革命。

目前GaN基绿、蓝发光二极管材料通常异质外延生长在蓝宝石衬底上。因为氮化物和蓝宝石衬底衬底间通常存在很大的晶格常数失配和热膨胀系数差异，所以利用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)外延技术生长的氮化物外延层中存在很多晶体缺陷如位错等，材料的晶体质量因此受到很大影响。特别的由于晶格不匹配导致应力引起的极化效应使得量子阱内存在很大的电场，导致电子和空穴波函数空间上的分离，使辐射复合效率下降，发光的内量子效率和亮度低下。量子阱有源层一般由几个周期InGaN/GaN量子阱组成。阱层厚度一般为2-3nm，垒层厚度为6-20nm。发光波长由In组分决定，阱层厚度也有影响。

为了提高发光二极管的亮度和发光效率，高内量子效率的有源区的生长设计是很重要的。内建电场的减弱，量子限制作用的增强将使辐射复合几率增加，发光内量子效率大大提高。同时，In组分载流子的局域化增强也会避免非辐射复合，提升发光二极管的内量子效率。

因此，为了提高GaN基蓝光/绿光二极管的亮度，提高内量子效率，发展新的外延生长技术来生长量子阱有源区是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种提高氮化镓基发光二极管内量子效率的外延生长方法。

本发明包括如下步骤：

1)在蓝宝石衬底上依次生长低温氮化镓缓冲层、氮化镓成核层、n型氮化镓层；

2)在生长铟镓氮量子阱层期间，在氮化镓基蓝光/绿光发光二极管有源区的铟镓氮量子阱层生长温度环境下，于N₂或H₂保护下，使NH₃和Ⅲ族金属有机源材料镓和铟交替地脉冲输入生长反应室，形成铟镓氮量子阱层；所述反应室压强为300Torr；

3)在铟镓氮量子阱层上再生长氮化镓量子势垒层；

4)循环重复以上步骤2)和3)至少两次；

5)最后生长p型氮化镓层。

本发明可减弱铟镓氮/氮化镓量子阱的内建电场，提高量子局域化效应，增强辐射复合几率，增加发光的内量子效率，从而提高二极管的发光效率和亮度。该方法可用于高亮度、高发光效率的氮化镓基蓝光/绿光发光二极管外延材料的金属有机化学气相沉积(MOCVD)外延生长。

本发明所述氨气和Ⅲ族金属有机源材料镓和铟的通入持续时间和间隔时间分别为1-200秒，脉冲周期为1-100周期。

所述Ⅲ族金属有机源材料镓和铟为三甲基镓和三甲基铟。

所述NH₃、三甲基镓和三甲基铟的流量分别为30标准升/分钟、260微摩尔/分钟和300微摩尔/分钟。

附图说明

图1是本发明生长铟镓氮量子阱层的脉冲单元的结构示意图。

具体实施方式

本实施例所用的外延设备为德国AIXTRON公司生产的商用机，型号为Thomsaswan31x2’。

所用V族源为氨气(NH₃)，Ⅲ族金属有机源材料为三甲基镓(TMGa)和三甲基铟(TMIn)。

载气为N₂或H₂。

NH₃、三甲基镓(TMGa)和三甲基铟(TMIn)的流量分别为30标准升/分钟(sl/m)，260微摩尔/分钟(μmol/m)和300微摩尔/分钟(μmol/m)。

反应室压强为300Torr。

操作步骤：

将2英寸的蓝宝石衬底上装入MOCVD生长设备后，依次经过高温烘烤，生长低温氮化镓缓冲层、氮化镓成核层、n型氮化镓层。

接着生长铟镓氮/氮化镓发光有源区。首先将蓝宝石衬底的温度降到740℃，在流动的N₂或H₂气氛保护下，反应室压强为300Torr。在铟镓氮量子阱层的生长期间，氨气(NH₃)和三甲基镓(TMGa)和三甲基铟(TMIn)的气流按图1所示交替脉冲通入生长反应室。图1示意了Ga源、In源和N源输入/关闭的脉冲时间序列。在一个脉冲单元，Ga源、In源和N源的交替通入时间和间隔为2s。脉冲周期为30。该过程会形成3nm左右厚度的高发光效率的铟镓氮量子阱发光层。

接着再将衬底的温度升高到820℃生长20nm厚度的氮化镓势垒层，形成单量子阱结构。

上述调制生长过程(即高发光效率的铟镓氮量子阱发光层和氮化镓势垒层)重复进行至少三次，可形成多量子阱结构，从而形成发光有源区。

最后生长p型氮化镓层，即完成氮化镓基蓝光二极管结构材料的生长。

该调制生长铟镓氮量子阱层方法能减弱铟镓氮/氮化镓量子阱的内建电场，提高铟镓氮量子阱的量子局域化效应，增强辐射复合几率，增加发光的内量子效率，从而提高发光二极管的发光效率和亮度。

Claims (4)

1.提高氮化镓基发光二极管内量子效率的外延生长方法，其特征在于包括如下步骤：

1)在蓝宝石衬底上依次生长低温氮化镓缓冲层、氮化镓成核层、n型氮化镓层；

2)在生长铟镓氮量子阱层期间，在氮化镓基蓝光/绿光发光二极管有源区的铟镓氮量子阱层生长温度环境下，于N₂或H₂保护下，使NH₃和Ⅲ族金属有机源材料镓和铟交替地脉冲输入生长反应室，形成铟镓氮量子阱层；所述反应室压强为300Torr；

3)在铟镓氮量子阱层上再生长氮化镓量子势垒层；

4)循环重复以上步骤2)和3)至少两次；

5)最后生长p型氮化镓层。

2.根据权利要求1所述提高氮化镓基发光二极管内量子效率的外延生长方法，其特征在于所述氨气和Ⅲ族金属有机源材料镓和铟的通入持续时间和间隔时间分别为1-200秒，脉冲周期为1-100周期。

3.根据权利要求1或2所述提高氮化镓基发光二极管内量子效率的外延生长方法，其特征在于所述Ⅲ族金属有机源材料镓和铟为三甲基镓和三甲基铟。

4.根据权利要求3所述提高氮化镓基发光二极管内量子效率的外延生长方法，其特征在于所述NH₃、三甲基镓和三甲基铟的流量分别为30标准升/分钟、260微摩尔/分钟和300微摩尔/分钟。

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