CN102709414B - 一种gan基led量子阱有源区的外延生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种GAN基LED量子阱有源区的外延生长方法，该芯片包括衬底以及依次层叠于衬底上的缓冲层、u-GaN、n型GaN、量子阱有源区、p型GaN，量子阱有源区中的量子垒的生长方法步骤：在纯氮气氛下生长完量子阱后，先切换为纯氢气氛生长一层较厚的纯氢量子垒，然后切换为纯氮气氛，并在纯氮气氛下等待一段时间，之后再生长一层较薄的纯氮量子垒，即量子垒是通过纯氮纯氢气氛的切换分别生长一层较厚的纯氢垒和一层较薄的纯氮垒。该发明方法能有效地提高量子阱有源区的整体质量，进而提高发光效率；同时由于该方法生长的量子阱有源区较薄，相比于传统的外延生长方法，整体可节约30％的生长时间。
Description
技术领域
本发明涉及GaN基材料的外延生长，尤其涉及GaN基蓝绿光发光二极管的外延生长。
背景技术
发光二极管(LED,Light Emitting Diode)具有长寿、节能、环保、可靠性高等优点，并且近年来，LED在大屏幕彩色显示、交通信号灯和照明等领域发挥了越来越重要的作用。但要在全彩屏显示和照明领域应用更加广泛，LED的亮度有待进一步的提升，生长成本还有待于进一步降低。
目前绝大多数GaN基蓝绿光LED都是采用金属有机化合物气相沉积方法(MOCVD:Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)异质外延生长在蓝宝石(Al2O3)衬底上，但由于GaN和蓝宝石衬底间具有大的晶格常数和热膨胀系数失配，会在界面处产生强的应力作用，对于目前通用的蓝绿光LED外延结构，通常是采用生长很多周期的高低温量子阱来释放应力，而这种生长方法通常比较耗时，成本较高。
因此，采用特殊的外延方法降低GaN外延层中的应力，提高量子阱有源区材料的晶体质量，同时缩短量子阱有源区的生长时间，降低生产成本，是满足当下LED行业发展形势的基本要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GAN基LED量子阱有源区的外延生长方法，通过采用特殊的InGaN/GaN量子阱有源区外延生长方法来提高量子阱有源区的整体质量，进而提高发光效率；同时由于该方法生长的量子阱有源区较薄，相比于传统的外延生长方法，整体可节约30％的生长时间。
本发明的技术方案为：一种GAN基LED量子阱有源区的外延生长方法，该芯片包括衬底以及依次层叠于衬底上的缓冲层、u-GaN、n型GaN、量子阱有源区、p型GaN，其特征在于：量子阱有源区中的量子垒的生长方法步骤：在纯氮气氛下生长完量子阱后，先切换为纯氢气氛生长一段时间量子垒，然后再切换成纯氮气氛再生长一段时间量子垒，即量子垒的生长气氛是纯氮纯氢气氛切换；在量子阱长完后，先生长一层较厚的纯氢量子垒，然后在纯氮气氛下等待一段时间，之后再生长一层纯氮量子垒。量子垒的生长温度比量子阱的温度高0～35℃。纯氢量子垒35～45埃，纯氮量子垒5～10埃。所述的量子垒生长过程中纯氮气氛下的等待阶段，等待时间约1～5分钟。
本发明的优点在于：本发明外延方法生长的量子阱有源区结构，量子垒是在近乎量子阱的低温下生长的，有利于材料中应力的释放；另外由于量子垒相当厚的部分是在纯氢气氛下外延生长，而纯氢气氛有利于在低温下生长较高质量的GaN量子垒，所以量子垒的质量不受影响，为下一步生长高质量的量子阱奠定了良好的基础；纯氢量子垒生长完切换为纯氮气氛后等待一段时间再生长较薄的GaN量子垒以保证开始生长量子阱时不受残留氢气的影响，尤其是量子垒温度近乎同于量子阱生长温度，所以量子垒升温生长过程对量子阱造成的影响相对较小，所以相比于传统的生长方法，该发明方法更有利于生长高质量的量子阱有源区结构，进而提高发光效率；另外由于该发明方法生长的量子阱有源区较薄，相比于传统的外延生长方法，整体可节约30％的生长时间。
附图说明
图1是传统的GaN基蓝绿光LED外延结构；
图2是传统的GaN基LED量子阱有源区的外延生长方法；
图3是本发明的GaN基LED量子阱有源区的外延生长方法，图中黑色部分表示量子垒的生长温度在此区间均可。
图中：
衬底—100、缓冲层—101、u-GaN—102、n型GaN——103、有源区中的量子阱——104、有源区中的量子垒——105、整个有源区——106、p型GaN——107。
量子阱—200、氮气垒—201、三甲基铟—202、三乙基镓——203、氢气——204、氮气——205。
氢气垒—300、氮气垒—301、量子阱—302、三甲基铟—303、三乙基镓——304、氢气——305、氮气——306。
具体实施方式
一种GaN基LED量子阱有源区的外延生长方法，具体为：衬底上的缓冲层、u-GaN层、n-GaN、量子阱有源层、p GaN，如图1所示。
上述方案中，其特点在于量子阱有源区的外延生长方法。传统量子阱有源区生长方法为：在760℃纯氮气氛条件下外延生长完量子阱之后，温度升高120℃至880℃同时切换为氮氢混合气氛条件后开始生长量子垒，量子垒生长完成后再降温至760℃，同时将氮氢混合气氛切换为纯氮气氛开始生长新一周期的量子阱有源区结构，直至生长完量子阱有源区的整个周期，如图2所示。而该发明的新型量子阱有源区的生长方法为：在760℃纯氮气氛条件下外延生长完量子阱之后，温度升高，同时先将气氛切换为纯氢生长一段GaN量子垒，随后再将气氛切换为纯氮，切换为纯氮气氛后等待约1～5min后，再开始生长一段较薄量子垒完成一个周期的量子阱有源区结构，然后再将温度降低至量子阱生长温度760℃开始新一周期的量子阱有源区生长，根据需要生长完整个周期的量子阱有源区，如图3所示。即该发明与传统量子阱有源区生长不同之处主要在于量子垒的生长温度、气氛和方式：即传统的量子垒生长温度比量子阱高120℃，而该发明量子垒比量子阱高0～35℃；传统的量子垒为氮氢混合气氛生长，而该发明的量子垒为先在纯氢气氛下长一层较厚的纯氢垒再在纯氮气氛下生长一层较薄的纯氮垒，且在生长完纯氢垒将气氛切换为纯氮气氛后等待约1～5min驱赶氢气，之后再生长纯氮垒，以避免残留氢气对后续量子阱的生长造成影响。
本实施例以GaN基蓝光LED外延生长为例，具体说明本发明的LED外延生长方法的步骤。
以下生长过程均是采用MOCVD法在MOCVD反应腔中进行的。
实施例一：
1)将(0001)晶向的蓝宝石衬底放置石墨盘上并送入反应腔中，加热至1060℃对蓝宝石衬底进行5min的热处理。
2)降温至540℃生长约30～70nm厚的低温缓冲层。
3)升温至1080℃生长约1um厚的不掺杂的GaN层。
4)生长约1.7um厚的掺Si的n GaN层。
5)生长不掺杂的6个周期InGaN/GaN量子阱有源层，具体为：先降温至量子阱生长温度760℃同时气氛切换为纯氮气氛，生长约30埃的InGaN量子阱，随后保持温度760℃不变，将气氛切换为纯氢气氛，生长约35～45埃的GaN垒，然后再将气氛切换为纯氮气氛，等待约1～5min后再生长约5～10埃的GaN垒，至此一个周期的量子阱有源区已生长完，接下来继续从量子阱开始生长，重复生长5个量子阱有源区。
6)生长约150nm厚的掺Mg的p GaN层。
实施例二：
1)将(0001)晶向的蓝宝石衬底放置石墨盘上并送入反应腔中，加热至1060℃对蓝宝石衬底进行5min的热处理。
2)降温至540℃生长约30～70nm厚的低温缓冲层。
3)升温至1080℃生长约1um厚的不掺杂的GaN层。
4)生长约1.7um厚的掺Si的n GaN层。
5)生长不掺杂的6个周期InGaN/GaN量子阱有源层，具体为：先降温至量子阱生长温度760℃同时气氛切换为纯氮气氛，生长约30埃的InGaN量子阱，随后升温至780℃同时将气氛切换为纯氢气氛，生长约35～45埃的GaN垒，然后再将气氛切换为纯氮气氛，等待约1～5min后再生长约5～10埃的GaN垒，至此一个周期的量子阱有源区已生长完，接下来将温度降至760℃继续从量子阱开始生长，重复生长5个量子阱有源区。
6)生长约150nm厚的掺Mg的p GaN层。
实施例三：
1)将(0001)晶向的蓝宝石衬底放置石墨盘上并送入反应腔中，加热至1060℃对蓝宝石衬底进行5min的热处理。
2)降温至540℃生长约30～70nm厚的低温缓冲层。
3)升温至1080℃生长约1um厚的不掺杂的GaN层。
4)生长约1.7um厚的掺Si的n GaN层。
5)生长不掺杂的6个周期InGaN/GaN量子阱有源层，具体为：先降温至量子阱生长温度760℃同时气氛切换为纯氮气氛，生长约30埃的InGaN量子阱，随后升温至795℃同时将气氛切换为纯氢气氛，生长约35～45埃的GaN垒，然后再将气氛切换为纯氮气氛，等待约1～5min后再生长约5～10埃的GaN垒，至此一个周期的量子阱有源区已生长完，接下来将温度降至760℃继续从量子阱开始生长，重复生长5个量子阱有源区。
6)生长约150nm厚的掺Mg的p GaN层。
本发明的其它条件，同例可证，这里不再一一列举。
Claims (1)
1.一种GAN基LED量子阱有源区的外延生长方法，芯片包括衬底以及依次层叠于衬底上的缓冲层、u-GaN、n型GaN、量子阱有源区、p型GaN，其特征在于：量子阱有源区中的量子垒的生长温度、生长气氛和生长方式：在760℃在纯氮气氛下生长完量子阱后，将温度升温至760℃～780℃，同时切换为纯氢气氛生长一层35～45埃厚的纯氢量子垒，然后切换为纯氮气氛，并在纯氮气氛下等待1～5分钟，之后再生长一层5～10埃厚的纯氮量子垒，即量子垒是在760℃～780℃的低温下通过纯氮纯氢气氛的切换分别生长一层35～45埃厚的纯氢垒和一层5～10埃厚的纯氮垒。
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