CN102368519B - 一种提高半导体二极管多量子阱发光效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高半导体二极管多量子阱发光效率的方法，发光二极管外延片结构中多量子阱的生长方式采用了一种新颖的渐变生长方法：多量子阱结构中前几个周期InGaN组份是逐渐增加的，这样可以缓解由GaN突然转到高铟组份InGaN生长过程中产生的应力，从而减小极化效应，提高量子阱的晶体质量，增加复合几率。并且，前几个周期中势垒层的厚度是逐渐减小的，厚度较大的垒层可以降低电子的速度，减小电子的穿越几率，厚度较小的可以提高空穴的穿越几率，使得电子和空穴的分布比较均匀，防止在大电流注入下效率下降的问题，从而提高多量子阱发光效率。

Description

一种提高半导体二极管多量子阱发光效率的方法
技术领域
本发明涉及一种能够应用于半导体发光二极管，特别是氮化镓基蓝绿光发光二极管，能有效提高其多量子阱发光效率的一种新方法。
背景技术
以氮化镓（GaN）为代表的族氮化物是直接带隙的宽禁带半导体材料，具有电子漂移饱和速度高、热导率好，能够抗辐射、耐高温以及很好的化学稳定性和物理稳定性。其三元合金铟镓氮（InGaN）带隙从0.7eV铟氮(InN)到3.4eVGaN连续可调，这样它的发光波长覆盖了可见光和近紫外光的整个区域。以InGaN/GaN多量子阱为有源层的蓝绿光发光二极管（LED）具有高效、环保、节能、使用寿命长、易于维护等显著特点，被认为是最有可能进入普通照明领域的一种新型固态冷光源。
InGaN/GaN多量子阱能够加强对载流子的限制作用，提高其辐射复合效率，另外量子阱中由于富In的生长条件或者In组分的不均匀所形成的富In量子点，对载流子也有很好的限制作用，使得载流子很难被非辐射复合中心俘获，从而提高辐射复合的效率。InGaN/GaN多量子阱结构的另外一个特征是：GaN基材料是离子晶体，由于正负电荷不重合，使得材料沿着c轴方向存在着很强的自发极化效应，形成自发极化场；由于InGaN和GaN材料之间的失配所引起的应力，也会引起压电极化效应，形成压电极化场。极化场的存在会使量子阱能带发生倾斜，使得阱区的电子和空穴限制在量子阱的两端，一方面会使得量子阱的等效禁带宽度减小，发光波长红移，另一方面电子和空穴波函数的交叠会减小，降低其辐射复合的几率，引起很强的量子限制斯塔克效应（QuantumConfinedStarkEffect）。
影响多量子阱发光效率的另外一个方面是：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，使得发光效率的下降，而空穴的有效质量较大，其迁移率和载流子浓度都很低，这样就造成了在远离P区的空穴分布很少，整个阱区空穴的分布很不均匀，造成辐射复合几率的下降。
目前商业化的GaN基LED在（0001）面的蓝宝石衬底上外延生长，材料的生长方向和极化方向完全重合，无法避免量子限制斯塔克效应的影响，以及电子和空穴在阱区分布不均匀的问题都会影响InGaN/GaN多量子阱辐射复合效率的提高。
针对以上问题，国内外已经做了很多的研究，并提出了一些生长的方法。比如在半极性或者非极性的蓝宝石衬底上生长GaN材料，减小或者避免极化场的影响，但是其晶体质量还较低，其内量子效率以及成本相对传统商业化的极性面生长的LED而言，并没有优势。还有就是选用四元合金铟铝镓氮（InAlGaN）作为垒层，但是InN和GaN结合能的巨大差异，使得生长高质量的InAlGaN比较困难。还有人使用InGaN或者光子晶体作为下埋层或者采用InGaN/GaN短周期超晶格以及使用渐变InGaN来来缓释应力。对于电子浓度的分布优化，主要是使用了电子扩散层，电子阻挡层以及电荷非对称共振隧穿（chargeasymmetricresonancetunneling）结构等方法，在空穴的分布上使用了厚度减小的最后一层垒等方法。
上述方法都在一定程度上提高了量子阱的辐射符合效率，但是效果有限。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术制作的GaN基发光二极管中存在的巨大内建电场以及载流子分布不均匀所导致的量子阱发光效率减小的问题，提供一种基于GaN的多量子阱结构蓝绿光发光二极管的制作方法。
本发明的技术方案为：一种提高半导体二极管多量子阱发光效率的方法，该二极管外延片结构从下向上的顺序依次为：衬底，低温缓冲层，高温缓冲层，复合N型层，复合多量子阱发光层，复合P型层。其特征在于多量子阱层的特殊生长工艺。本发明中，多量子阱为复合结构。多量子阱为InaGa1-aN(0＜a＜1)/GaN渐变多量子阱组成。其中In的组份a是逐渐增加的，多量子阱为同周期的InbGa1-bN(a＜b＜1)/GaN。多量子阱结构MQW8中阱层的厚度在2nm到3nm之间，垒层的厚度在12nm到30nm之间；发光层多量子阱结构MQW9中阱层的厚度在2nm到3nm之间，垒层的厚度在10nm到15nm之间且厚度小于MQW中垒的厚度。
本发明以高纯氢气（H2）或氮气（N2）作为载气，以三甲基镓（TMGa）、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）和氨气（NH3）分别作为Ga、Al、In和N源，用硅烷（SiH4）、二茂镁（Cp2Mg）分别作为n、p型掺杂剂。
外延结构如图1所示：
衬底1：在本发明所述衬底1是适合氮化镓及其它半导体外延材料生长的材料，如：氮化镓单晶、蓝宝石、单晶硅、碳化硅单晶等等。
首先将衬底材料在氢气气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度控制在1050℃与1200℃之间，然后进行氮化处理；
低温缓冲层2：将温度下降到500℃与650℃之间,生长20至30nm厚的低温GaN缓冲层，此生长过程中，生长压力在300Torr至760Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在600至3000之间。
高温缓冲层3：低温缓冲层2生长结束后，停止通入TMGa，将衬底温度升高到1000℃至1200℃之间，对低温缓冲层2原位进行热退火处理，退火时间在5分钟至10分钟之间；退火之后，将温度调节到1000℃至1200℃之间，在较低的Ⅴ/Ⅲ摩尔比条件下外延生长厚度在0.8μm至2μm之间的高温不掺杂GaN，此生长过程中，生长压力在100Torr至600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300至3000之间。
N型层4：未掺杂GaN3生长结束后，生长一层掺杂浓度梯度增加的的N型层4，厚度在0.2μm至1μm之间，生长温度在1000℃至1200℃之间,生长压力在100Torr至600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300至3000之间。
N型层5：N型层4生长结束后,生长掺杂浓度稳定的N型层5，厚度在1.2μm至3.5μm之间，生长温度在1000℃至1200℃之间,生长压力在100Torr至600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300至3000之间。
N型层6：N型层5生长结束后,生长N型层6，厚度在10nm至100nm之间，生长温度在1000℃至1200℃之间,生长压力在100Torr至600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300至3000之间。
N型层7：N型层6生长结束后,生长N型层7，厚度在10nm至50nm之间，掺杂浓度稳定，生长温度在1000℃至1200℃之间,生长压力在100Torr至600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300至3000之间；
多量子阱结构MQW8：由2至10个周期的InaGa1-aN(0.04＜a＜0.4/GaN多量子阱组成。阱中In的组份是逐渐增加的，阱的厚度在2nm至3nm之间，生长温度在720至900℃之间，生长压力在100Torr至500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300至5000之间；垒层的厚度是逐渐减小的，其厚度在12至30nm之间，生长温度在820至1000℃之间，生长压力在100Torr至500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300至5000之间。
发光层多量子阱结构MQW9：由3至10个周期的InbGa1-bN(a＜b＜1)/GaN多量子阱组成。阱中In的组份是不变的,介于15%至45%之间，阱的厚度在2nm至3nm之间，生长温度在720至820℃之间，生长压力在100Torr至500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300至5000之间；垒层厚度不变且小于MQW8中垒层的厚度，其厚度在10至15nm之间，生长温度在820至920℃之间，生长压力在100Torr至500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300至5000之间。
P型层10：多量子阱发光层9生长结束后，升高温，温度控制在950℃至1080℃之间，生长压力50Torr至500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比1000至20000之间，生长厚度10nm至30nm之间的P型AlxGa1-xN(0＜x＜1)，Al的组份可以控制在10％至30％之间，该层Mg掺杂浓度Mg/Ga摩尔比介于1/60至1/4之间。
P型层11：P型层10生长结束后，生长厚度为100nm至800nm之间的P型GaN层，即P型层10，该层Mg掺杂浓度Mg/Ga摩尔比介于1/100至1/4之间，其生长温度850℃至1050℃之间。
P型层12：P型层11生长结束后，生长P型接触层，其生长温度850℃至1050℃之间，生长压力100Torr至760Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比介于1000至20000之间，该层Mg掺杂浓度Mg/Ga摩尔比介于1/100至1/4之间，生长厚度介于5nm至20nm之间。
外延生长结束后，将反应腔的温度降至650至850℃之间，纯氮气氛围进行退火处理5至15min，然后降至室温，结束外延生长。
随后，经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制成单颗小尺寸芯片。
本发明的优点在于，多量子阱结构中阱层组份逐渐增加可以缓解由GaN突然转到高In组份InGaN生长过程中产生的应力，减小极化效应，提高量子阱的晶体质量，增加复合几率。并且，垒层的厚度是逐渐减小的，厚度较大的可以阻挡电子的穿越几率，厚度较小的可以提高空穴的穿越几率，使得电子和空穴的分布比较均匀，防止在大电流注入下效率下降的问题。
附图说明
图1为本发明一种提高半导体二极管多量子阱发光效率的方法的芯片结构图；
图2为本发明一种提高半导体二极管多量子阱发光效率的方法中量子阱的能带结构图。
其中：
1为衬底、2为低温缓冲层、3为高温缓冲层、4、5、6、7为复合N型层、8为多量子阱结构MQW、9为发光层多量子阱结构MQW、10、11、12为复合P型层、13为透明导电层（Ni/Au或者ITO）、14为P电极、15为N电极、a为GaN、b为InGaN。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明，本发明所有的实施例均利用ThomasSwan（AIXTRON子公司）CCSMOCVD系统实施。
实施例1
如图1所示：
（1）衬底1：首先将蓝宝石衬底在温度为1200℃，纯氢气气氛里进行退火，然后降温到600℃进行氮化处理；
（2）低温缓冲层2：在600℃下,生长20nm厚的低温GaN成核层，此生长过程时，生长压力为420Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为900；
（3）高温缓冲层3：低温缓冲层2生长结束后，停止通入TMGa，将衬底温度升高1220℃，对低温缓冲层2在原位进行退火处理，退火时间为8分钟；退火之后，将温度调节到1220℃，在较低的Ⅴ/Ⅲ摩尔比条件下外延生长厚度为1.2μm的高温不掺杂的GaN，此生长过程中，生长压力在200Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1500；
（4）N型层4：高温缓冲层3生长结束后,生长一层掺杂浓度梯度增加的的N型层,掺杂浓度从1×1017/cm3变化到5×1018/cm3，厚度为0.8μm，生长温度为1220℃，生长压力为150Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1800；
（5）N型层5：N型层4生长结束后,生长掺杂浓度稳定的N型层5，厚度为3.5μm，生长温度为1220℃,生长压力为150Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为1800；
（6）N型层6：N型层5生长结束后,生长N型层6，厚度为20nm，掺杂浓度稳定，浓度低于N型层4的平均浓度，低于N型层5的掺杂浓度，远低于N型层7的掺杂浓度，其目的是为了提高载流子的迁移率；生长温度为1220℃,生长压力为150Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为2800；
（7）N型层7：N型层6生长结束后，生长N型层7，厚度为10nm，掺杂浓度稳定，浓度高于N型层5，该层是整个N型区域浓度最高的区域，其目的是为了获得更高的载流子浓度。生长温度为1220℃,生长压力为150Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为2800；
（8）多量子阱结构MQW8：MQW8由5个周期的InaGa1-aN/GaN多量子阱组成，其中a的值依次为0.10、0.14、0.18、0.22、0.26，阱的厚度为2.5nm，生长温度为780℃，生长压力为200Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为4500；垒的厚度依次为30、26、22、18、14nm，生长温度为900℃，生长压力为200Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为4500，其能带图如图2所示；
（9）发光层多量子阱结构MQW9：发光层9由4个周期的In0.3Ga0.7N/GaN多量子阱组成，其阱的厚度为2.5nm，生长温度为780℃，生长压力为200Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为4500；垒的厚度依次为12nm，生长温度为900℃，生长压力为200Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为4500；
（10）P型层10：In0.3Ga0.7N/GaN发光层多量子阱结构MQW9生长结束后，升高温，温度控制在1020℃，生长压力为300Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为12000，生长厚度为100nm的P型Al0.15Ga0.85N宽禁带电子阻挡层。该层Mg掺杂浓度较高，摩尔比为：Mg/Ga=1/4。
（11）P型层11：P型层10生长结束后，生长0.4μm厚的P型层11，即：P型GaN。其生长温度1000℃，生长压力200Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比8000，P型层Mg的掺杂浓度Mg/Ga摩尔比为：1/80。
（12）P型层12：P型层11生长结束后，生长P型接触层，即P型层12，生长温度为1050℃，生长压力为200Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比10000，P型掺杂浓度为1×1020/cm3，生长厚度为15nm。
所有外延生长结束后，将反应腔的温度降至800℃，纯氮气氛围进行退火处理10min，然后降至室温，结束外延生长。
（13）ITO透明导电层13
（14）P电极14
（14）N电极15
实施例1，经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制程后，分割成尺寸大小为10×8mil的LED芯片。经LED芯片测试，测试电流20mA，单颗小芯片光输出功率为5.6mW，工作电压3.20V，可抗静电：人体模式5000V。而传统的外延生长方式，相同芯片制程的单颗小芯片光的输出功率为5mW。
实施例2
实施例2，外延层1、2、3、4、5、6、7、9、10、11、12层的生长方式均与实施例1相同。不同之处在于多量子阱层8的生长方法：MQW（8）中阱区的生长温度依次为880℃、860℃、840℃、820℃、800℃，通过改变阱区的生长温度来改变In组份，生长过程中In的流量保持不变，In的组份依次为0.04、0.08、0.12、0.16、0.20；
经过同样条件的芯片制程与测试,10×8mil单颗小芯片光输出功率为5.4mW，工作电压3.18V，可抗静电：人体模式5000V。
实施例3
实施例3，外延层1、2、3、4、5、6、7、9、10、11、12层的生长方式均与实施例1相同。不同之处在于多量子阱层8的生长方法：MQW（8）中垒区的生长温度依次为950℃、940℃、930℃、920℃、910℃，保持阱区的In流量不变，通过垒区温度的变化改变阱区的In组份，In的组份依次为0.06、0.12、0.18、0.24、0.3；
经过同样条件的芯片制程与测试,10×8mil单颗小芯片光输出功率为5.5mW，工作电压3.23V，可抗静电：人体模式5000V。

Claims (7)

1.一种提高半导体二极管多量子阱发光效率的方法，该半导体二极管外延片结构从下向上的顺序依次为衬底（1），低温缓冲层（2），高温缓冲层（3），N型层（4），N型层（5），N型层（6），N型层（7），多量子阱结构MQW（8），发光层多量子阱结构MQW（9），P型层（10），P型层（11），P型层（12）；其特征在于：多量子阱结构MQW（8）中每层阱区铟组份是一个固定值，且这些多层阱区中各阱之间铟的组份从N型层方向到P型层方向是逐渐增加的，厚度不变，并且垒区的厚度从N型层方向到P型层方向是逐渐减小的，周期数选择从2到10；发光层量子阱结构MQW（9）中阱区铟的组份，以及阱区和垒区的厚度是不变的，周期数选择从3到10。
2.如权利要求1所述提高半导体二极管多量子阱发光效率的方法，其特征在于：多量子阱结构MQW（8）中阱层的厚度在2nm到3nm之间，垒层的厚度在12nm到30nm之间。
3.如权利要求1所述提高半导体二极管多量子阱发光效率的方法，其特征在于：发光层多量子阱结构MQW（9）中阱层的厚度在2nm到3nm之间，垒层的厚度在10nm到15nm之间且厚度小于MQW（8）中垒的厚度。
4.如权利要求1或2所述提高半导体二极管多量子阱发光效率的方法，其特征在于：多量子阱结构MQW（8）中阱区铟的组份在4%至40%之间。
5.如权利要求1或3所述提高半导体二极管多量子阱发光效率的方法，其特征在于：发光层多量子阱结构MQW（9）中阱区铟的组份在15%至45%之间，且组份大于多量子阱结构MQW（8）中阱区铟的组份。
6.如权利要求1或2所述提高半导体二极管多量子阱发光效率的方法，其特征在于：多量子阱结构MQW（8）中阱的生长温度在720至900℃之间，生长压力在100Torr至500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300至5000之间；垒生长温度在820至1000℃之间，生长压力在100Torr至500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300至5000之间。
7.如权利要求1或3所述提高半导体二极管多量子阱发光效率的方法，其特征在于：发光层多量子阱结构MQW（9）中阱的生长温度在720至820℃之间，生长压力在100Torr至500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300至5000之间；垒的生长温度在820至920℃之间，生长压力在100Torr至500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300至5000之间。
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