CN102208500A - 一种led外延生长方法和led外延结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种LED外延生长方法和LED外延结构，所述方法包括：在衬底表面上依次生长过渡层、第一半导体层、第二半导体层、量子阱层和第三半导体层；其中，所述量子阱层的生长过程为：在第二半导体层上交替生长量子垒和量子阱，并且在量子垒和量子阱的交替生长过程中，量子垒的生长条件和量子阱的生长条件之间的转变，采用逐渐过渡的方式。所述外延结构中，量子垒的材料成分逐渐过渡到量子阱的材料成分，量子阱的材料成分逐渐过渡到量子垒的材料成分。本发明提供的LED外延生长方法和外延结构能降低量子阱层的缺陷密度，提高量子阱层的晶体质量，提高发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管领域，具体涉及一种LED外延生长方法和具有新型量子阱结构的发光二极管外延结构。
背景技术
外延结构的好坏是决定LED（Light Emitting Diode，发光二极管）芯片优劣的关键材料，而量子阱层又是外延层的最重要部分，其决定整个外延材料的发光波长与发光效率。目前传统的量子阱能级图如图1所示，图2为其生长温度图，图3为传统外延结构MQW（Multi Quantum-Well，多量子阱）区In（Indium，铟）流量设置示意图，量子垒和量子阱在一定时间内各自保持一定的生长条件。
由于量子垒和量子阱材料的差异，其晶格常数的失配会在量子阱层的界面产生非辐射缺陷，降低量子阱层的发光效率，影响LED器件的性能提升。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种LED外延生长方法和外延结构，以降低量子阱层的缺陷密度，提高发光二极管的发光效率。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种LED外延生长方法，包括：
在衬底表面上依次生长过渡层、第一半导体层、第二半导体层、量子阱层和第三半导体层；其中，所述量子阱层的生长过程为：
在第二半导体层上交替生长量子垒和量子阱，并且在量子垒和量子阱的交替生长过程中，量子垒的生长条件和量子阱的生长条件之间的转变采用逐渐过渡的方式。
上述LED外延生长方法的有益效果是：在量子阱层的生长过程中，量子垒和量子阱的生长条件采用逐渐过渡的方式，使得生长出来的量子垒和量子阱之间的材料成分产生了逐渐过渡的效果，减小了晶格常数的失配，避免了在量子阱层的界面上产生非辐射缺陷，提高了量子阱层的发光效率，提升了LED器件的性能。
在上述LED外延生长方法的基础上，本发明还可以进行以下优选的改进。
进一步，所述生长条件为温度条件和/或TMIn流量条件。
其中，TMIn为三甲基铟（分子式为In(CH3)3），其英文名为Trimethylindium，用于外延生长、有机合成、化学气相淀积等。
进一步，所述量子阱的组成为InxGa1-xN，其中0＜x≤1；所述量子垒的组成为InyGa1-yN，其中0≤y＜1；且x＜y。
进一步，所述量子阱层的生长过程为：
在第二半导体层上，先在750～850℃下生长10～100nm厚度的量子垒；再将温度在3～10分钟内下降到650～750℃；在650～750℃下生长1～5nm厚度的量子阱后，再将温度在3～10分钟后上升到750～850℃下生长10～100nm厚度的量子垒；如此进行1～100个周期。
进一步，在上述量子阱层的生长过程中，将温度在3～10分钟内下降到650～750℃的同时，TMIn流量可以在100～500sccm范围内固定不变，或者TMIn流量可以在100～500sccm范围内从低到高变化；将温度在3～10分钟后上升到750～850℃的同时，TMIn流量可以在100～500sccm范围内固定不变，或者TMIn流量可以在100～500sccm范围内从高到低变化。
进一步，所述量子阱层的生长过程还可以为：
在第二半导体层上，先在750～850℃下生长10～100nm厚度的量子垒；再将温度在3～10分钟内下降到650～750℃；再将温度在3～10分钟内上升到750～850℃下生长10～100nm厚度的量子垒；如此进行1～100个周期；最后，在750～850℃下生长10～100nm厚度的量子垒。
进一步，在上述量子阱层的生长过程中，将温度在3～10分钟内下降到650～750℃的同时，TMIn流量可以在100～500sccm范围内固定不变，或者TMIn流量可以在100～500sccm范围内从低到高变化；将温度在3～10分钟内上升到750～850℃的同时，TMIn流量可以在100～500sccm范围内固定不变，或者TMIn流量可以在100～500sccm范围内从高到低变化。
进一步，所述过渡层的组成为InxGa1-xN，其中0≤x＜1；所述第一半导体层为u型氮化镓层，所述u型氮化镓层为n型未掺杂InxGa1-xN，其中0≤x＜1；所述第二半导体层为n型掺杂InxGa1-xN半导体层，其中0≤x＜1，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1×1017/cm3～5×1020/cm3；所述第三半导体层为p型氮化镓层，所述p型氮化镓层为p型掺杂InxGa1-xN半导体层，其中0≤x＜1，掺杂元素为Be和/或Mg，掺杂浓度为5×1017/cm3～1×1022/cm3。
进一步，所述过渡层的生长温度为500～600℃，生长厚度为15～35nm；所述第一半导体层的生长温度为1000～1300℃，生长厚度为1～5μm；所述第二半导体层的生长温度为1000～1300℃，生长厚度为1～5μm；所述第三半导体层的生长温度为800～1000℃，生长厚度为80～500nm。
基于上述LED外延生长方法，本发明同时提供了一种LED外延结构，包括衬底及其表面上依次生长的过渡层、第一半导体层、第二半导体层、量子阱层和第三半导体层；其中，所述量子阱层由交替生长的量子垒和量子阱组成，并且所述量子垒和量子阱之间，量子垒的材料成分逐渐过渡到量子阱的材料成分，量子阱的材料成分逐渐过渡到量子垒的材料成分。
上述LED外延结构中，由于所述量子垒和量子阱之间，量子垒的材料成分逐渐过渡到量子阱的材料成分，量子阱的材料成分逐渐过渡到量子垒的材料成分，使得量子垒和量子阱之间的晶格失配大大减小，降低了量子阱层的缺陷密度，提高了发光二极管的发光效率。
附图说明
图1为传统外延结构能级图；
图2为传统外延结构生长温度示意图；
图3为传统外延结构MQW区In流量设置示意图；
图4为本发明实施例1的生长温度示意图；
图5为本发明实施例1结构MQW区In流量设置示意图；
图6为本发明实施例1结构能级图；
图7为本发明实施例2生长温度示意图；
图8为本发明实施例2结构MQW区In流量设置示意图；
图9为本发明实施例2结构能级图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
图4为实施例1外延生长温度示意图。如图4所示，先在MOCVD（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积）反应炉中将衬底在1200℃进行烘烤，以除去衬底表面异物。之后，在500～600℃（优选550℃）下，生长15～35nm（优选25nm）厚度的过渡层InxGa1-xN（0≤x＜1）（Buffer层）；再将温度升高到1000～1300℃（优选1100℃），依次进行1～5μm（优选2.5μm）厚度的u型层InxGa1-xN（0≤x＜1）（u-GaN层）、1～5μm（优选2.5μm）厚度的n型层InxGa1-xN:Si（0≤x＜1）（n-GaN层）的制备，其中n型层掺杂的Si浓度为1×1017/cm3～5×1020/cm3。
之后进行量子阱层的制备：在750～850℃下，优选810℃，生长15～20nm厚度的量子垒（Barrier），再将温度在3～10分钟内，优选3分钟后，下降到650～750℃，优选为720℃，同时TMIn流量在100～500sccm（标准毫升/分钟）范围内固定不变，或者TMIn流量在100～500sccm范围内从低到高变化；在650～750℃下，优选720℃，生长完1～5nm（优选1～2.5nm）厚度的量子阱后，再将温度在3～10分钟后上升到750～850℃，优选为810℃，同时TMIn流量在100～500sccm范围内固定不变，或者TMIn流量在100～500sccm范围内从高到低变化。如此进行1～100个周期，优选5个周期，如图5所示，完成量子阱层的制备。其中，量子阱的组成为InxGa1-xN（0＜x≤1），量子垒的组成为InyGa1-yN（0≤y＜1），并且x＜y。
之后，在800～1000℃（优选900℃）下，沉积80～500nm（优选250nm）的Mg掺杂p型层（也可以选用Be进行掺杂），p型层组成为InxGa1-xN，掺杂浓度为5×1017/cm3～1×1022/cm3。
图6是实施例1的外延层的结构能级图。这样的结构能降低量子阱层的缺陷密度，提高量子阱层的晶体质量，提高发光二极管的发光效率。
实施例2
图7为实施例2外延生长温度示意图。如图7所示，先在MOCVD反应炉中将衬底在1200℃进行烘烤，以除去衬底表面异物。之后，在500～600℃（优选550℃）下，生长15～35nm（优选25nm）厚度的过渡层InxGa1-xN（0≤x＜1）（Buffer层）；再将温度升高到1000～1300℃（优选1100℃），依次进行1～5μm（优选2.5μm）厚度的u型层InxGa1-xN（0≤x＜1）（u-GaN层）、1～5μm（优选2.5μm）厚度的n型层InxGa1-xN:Si（0≤x＜1）（n-GaN层，）的制备，其中n型层掺杂的Si浓度为1×1017/cm3～5×1020/cm3。
之后进行量子阱层的制备：在750～850℃下，优选810℃，生长10～100nm厚度的量子垒（Barrier）；再将温度在3～10分钟内，优选8分钟内，缓慢下降到650～750℃，优选为720℃，同时TMIn流量在100～500sccm范围内固定不变，或者TMIn流量在100～500sccm范围内从低到高变化；再将温度在3～10分钟内，优选8分钟内，缓慢上升到750～850℃（优选为810℃）下生长10～100nm厚度的量子垒，同时TMIn流量在100～500sccm范围内固定不变，或者TMIn流量在100～500sccm范围内从高到低变化。如此进行1～100个周期，优选5个周期，如图8所示，最后在在750～850℃下，优选810℃下，生长10～100nm（优选20nm）厚度的量子垒（Barrier），完成量子阱层的制备。其中，量子阱的组成为InxGa1-xN（0＜x≤1），量子垒的组成为InyGa1-yN，（0≤y＜1），并且x＜y。
之后，在800～1000℃（优选900℃）下，沉积80～500nm（优选250nm）的Mg掺杂p型层（也可以选用Be进行掺杂），p型层组成为InxGa1-xN，掺杂浓度为5×1017/cm3～1×1022/cm3。
图9是实施例2外延层的结构能级图。这样的结构能降低量子阱层的缺陷密度，提高量子阱层的晶体质量，提高发光二极管的发光效率。
按照上述方法制成的LED外延结构，包括衬底及其表面上依次生长的过渡层InxGa1-xN（0≤x＜1）、u型层InxGa1-xN（0≤x＜1）、n型层InxGa1-xN:Si（0≤x＜1）、量子阱层和p型层InxGa1-xN；其中，所述量子阱层由交替生长的量子垒InyGa1-yN（0≤y＜1）和量子阱InxGa1-xN（0＜x≤1）组成，且x＜y，且所述量子垒和量子阱之间，量子垒的材料成分逐渐过渡到量子阱的材料成分，量子阱的材料成分逐渐过渡到量子垒的材料成分。该结构能降低量子阱层的缺陷密度，提高量子阱层的晶体质量，提高发光二极管的发光效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种LED外延生长方法，包括：
在衬底表面上依次生长过渡层、第一半导体层、第二半导体层、量子阱层和第三半导体层；其中，所述量子阱层的生长过程为：
在第二半导体层上交替生长量子垒和量子阱，并且在量子垒和量子阱的交替生长过程中，量子垒的生长条件和量子阱的生长条件之间的转变采用逐渐过渡的方式。
2.根据权利要求1所述的LED外延生长方法，其特征在于：所述生长条件为温度条件和/或TMIn流量条件。
3.根据权利要求1所述的LED外延生长方法，其特征在于：所述量子阱的组成为InxGa1-xN，其中0＜x≤1；所述量子垒的组成为InyGa1-yN，其中0≤y＜1；且x＜y。
4.根据权利要求1至3任一项所述的LED外延生长方法，其特征在于，所述量子阱层的生长过程为：
在第二半导体层上，先在750～850℃下生长10～100nm厚度的量子垒；再将温度在3～10分钟内下降到650～750℃；在650～750℃下生长1～5nm厚度的量子阱后，再将温度在3～10分钟后上升到750～850℃下生长10～100nm厚度的量子垒；如此进行1～100个周期。
5.根据权利要求4所述的LED外延生长方法，其特征在于，将温度在3～10分钟内下降到650～750℃的同时，TMIn流量在100～500sccm范围内固定不变，或者TMIn流量在100～500sccm范围内从低到高变化；将温度在3～10分钟后上升到750～850℃的同时，TMIn流量在100～500sccm范围内固定不变，或者TMIn流量在100～500sccm范围内从高到低变化。
6.根据权利要求1至3任一项所述的LED外延生长方法，其特征在于，所述量子阱层的生长过程为：
在第二半导体层上，先在750～850℃下生长10～100nm厚度的量子垒；再将温度在3～10分钟内下降到650～750℃；再将温度在3～10分钟内上升到750～850℃下生长10～100nm厚度的量子垒；如此进行1～100个周期；最后，在750～850℃下生长10～100nm厚度的量子垒。
7.根据权利要求6所述的LED外延生长方法，其特征在于，将温度在3～10分钟内下降到650～750℃的同时，TMIn流量在100～500sccm范围内固定不变，或者TMIn流量在100～500sccm范围内从低到高变化；将温度在3～10分钟内上升到750～850℃的同时，TMIn流量在100～500sccm范围内固定不变，或者TMIn流量在100～500sccm范围内从高到低变化。
8.根据权利要求1所述的LED外延生长方法，其特征在于：所述过渡层的组成为InxGa1-xN，其中0≤x＜1；所述第一半导体层为u型氮化镓层，所述u型氮化镓层为n型未掺杂InxGa1-xN，其中0≤x＜1；所述第二半导体层为n型掺杂InxGa1-xN半导体层，其中0≤x＜1，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1×1017/cm3～5×1020/cm3；所述第三半导体层为p型氮化镓层，所述p型氮化镓层为p型掺杂InxGa1-xN半导体层，其中0≤x＜1，掺杂元素为Be和/或Mg，掺杂浓度为5×1017/cm3～1×1022/cm3。
9.根据权利要求1至3或8任一项所述的LED外延生长方法，其特征在于：所述过渡层的生长温度为500～600℃，生长厚度为15～35nm；所述第一半导体层的生长温度为1000～1300℃，生长厚度为1～5μm；所述第二半导体层的生长温度为1000～1300℃，生长厚度为1～5μm；所述第三半导体层的生长温度为800～1000℃，生长厚度为80～500nm。
10.一种LED外延结构，包括衬底及其表面上依次生长的过渡层、第一半导体层、第二半导体层、量子阱层和第三半导体层，其特征在于：所述量子阱层由交替生长的量子垒和量子阱组成，并且所述量子垒和量子阱之间，量子垒的材料成分逐渐过渡到量子阱的材料成分，量子阱的材料成分逐渐过渡到量子垒的材料成分。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20111005 |