CN102903808A - 一种提高GaN基LED发光效率的浅量子阱生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高GaN基LED发光效率的浅量子阱生长方法，该LED外延片结构从下向上的顺序依次为：衬底层、低温GaN缓冲层、未掺杂的高温GaN缓冲层、Si掺杂的n型GaN层、发光层多量子阱、低温p型GaN层、p型AlGaN电子阻挡层、高温p型GaN层、p型GaN接触层；发光层多量子阱从下往上依次包括低温浅量子阱、低温多量子阱发光层结构；其中低温浅量子阱由三部分浅量子阱组成。本发明所提供的方法可以有效的获得高结晶质量、高发光效率的量子阱结构氮化镓基材料，获得高发光强度的氮化镓系发光二极管。

Description

一种提高GaN基LED发光效率的浅量子阱生长方法

 

技术领域

本发明属于GaN系材料制备技术领域，更具体地说，涉及一种通过改善GaN基LED量子阱中浅量子阱生长结构提高发光效率的方法。

 

背景技术

GaN基材料是离子晶体，由于正负电荷不重合，形成自发极化；另外由于InGaN和GaN材料之间的晶格适配，又会引起压电极化，进而形成压电极化场。极化场的存在，一方面使得量子阱的等效禁带宽度减小，发光波长红移；令一方面电子和空穴波函数的交叠会减小，降低其辐射复合几率。影响量子阱发光效率的另外一个原因：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，使得发光效率的降低，而空穴的有效质量较大，其迁移率和载流子浓度都较低，远离P区的空穴分布很少，整个阱区空穴分布很不均匀，造成辐射复合几率下降。对于电子浓度的优化，主要使用了电子扩展层，电子阻挡层以及电荷非对称共振隧穿结构等方法，在空穴的分布上使用了厚度较小的最后一层垒等方法。上述方法一定程度上提高了量子阱的辐射复合效率，但效果有限。

 

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提供一种提高GaN基LED发光效率的浅量子阱生长方法，可以有效的获得高结晶质量、高发光效率的量子阱结构氮化镓基材料，获得高发光强度的氮化镓系发光二极管。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种提高GaN基LED发光效率的浅量子阱生长方法，该LED发光二极管外延片结构从下向上的顺序依次为：衬底层、低温GaN缓冲层、未掺杂的高温GaN缓冲层、Si掺杂的n型GaN层、发光层多量子阱、低温p型GaN层、p型AlGaN电子阻挡层、高温p型GaN层、p型GaN接触层；发光层多量子阱从下往上依次包括低温浅量子阱、低温多量子阱发光层结构；其中低温浅量子阱分三部分，该三个部分全部采用高压大于200Torr进行生长，并且该三部分浅量子阱的阱层含铟量以逐渐减少的变化方式进行生长，同时第一部分浅量子阱垒层的生长厚度在原有基础上增加18%-22%，通过增加MO源的通入量来实现；第二部分浅量子阱的垒层厚度保持不变；第三部分浅量子阱的垒层厚度在第二部分的基础上减薄18%-22%，通过减少MO源的通入时间和通入量来共同实现。

所述生长厚度，其增加厚度为6nm～12nm。

所述生长厚度，其减薄厚度为4nm～8nm。

本发明所提供的LED发光二极管外延片结构，能够有效减少量子阱区的缺陷密度，调整PN结位置，提高电子和空穴在发光量子阱区的复合效率。另外使发光二级管使N区的电子通过浅量子阱的阻挡储蓄作用不至于移动到P区与P区空穴发生非辐射复合，P区的空穴能够尽多的移动到多量子阱发光区域，进而使多量子阱区可以与P～N结很好的重合，让电子和空穴主要在量子阱中通关带边辐射复合发光，可以提高发光二极管的发光效率；而且这种改进的发光二极管结构，对生长设备和工艺条件无特殊要求，不会使随后的生长及工艺步骤复杂化。

本发明所提供的各层结构的生长方式能够克服已有技术量子阱发光二极管中电子和空穴复合几率和发光强度低的缺陷；能够改善结晶质量，为发光量子阱层打好基础，较好的减少InGaN和GaN间的V型缺陷；优化调整PN结的位置，增加内量子阱效应提高发光效率；同时对N区的电子起到很好的截留储蓄作用，在一定的驱动电压下电子能够更多的顺利迁移到多量子阱发光区；进而获得更高发光强度的GaN基LED发光二极管。

 

附图说明

图1是本发明所提供的LED外延结构示意图；

图2是图1中浅量子阱的组成示意图。

 

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明提供的LED外延结构，包括：衬底层1、低温GaN缓冲层2、未掺杂的高温GaN缓冲层3、Si掺杂n型GaN层4、浅量子阱5、发光层多量子阱6、低温p 型GaN层7、p 型AlGaN电子阻挡层8、高温p 型GaN层9、p 型GaN接触层10。

本发明所提供的改善GaN基LED浅量子阱生长结构提高发光效率的方法具体实施步骤如下：

将衬底层1在氢气气氛里进行退火1～10分钟，清洁所述衬底表面，温度控制在1050～1080℃之间，然后进行氮化处理。所述衬底是适合GaN及其半导体外延材料生长的材料，如蓝宝石，GaN单晶，单晶硅、碳化硅单晶等。

将温度下降到450℃～650℃之间，生长15～35nm厚的低温GaN缓冲层2，此生长过程时，生长压力控制在4000～760 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在500～3200之间。

所述低温GaN缓冲层生长结束后，对其原位进行热退火处理，停止通入TMGa,将衬底温度升高至950～1200℃之间，退火时间在5分钟至10分钟之间。退火之后，将温度调节至1000～1200℃之间，生长厚度为0.8um～4um间的未掺杂的高温GaN缓冲层3，此生长过程时，生长压力在100Torr～600 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300～3300之间。

所述未掺杂的高温GaN缓冲层3生长结束后，生长一层Si掺杂浓度稳定的n型GaN层4，厚度在1.0～5.0um，生长温度在1000℃～1200℃之间，生长压力在50～550 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300～3300之间。

所述Si掺杂n层GaN层4生长结束后，生长由8～16个周期的In_PGa_1～PN(0.04<P<0.8)/GaN 组成的浅量子阱层5。该层分三部分进行生长：如图2所示，第一部分浅量子阱In_xGa_1～xN(0.4<x<0.8)/GaN层5a，由4至8个In_xGa_1～xN(0.4<x<0.8)/GaN层循环组成；第二部分浅量子阱In_yGa_1～yN(0.1<y<0.4)/GaN层5b，由2至4个In_yGa_1～yN(0.1<y<0.4)/GaN层循环组成；第三部分浅量子阱In_zGa_1～zN(0.04<z<0.1)/GaN层5c，由2至4个In_zGa_1～zN(0.1<z<0.4)/GaN层循环组成。且第一部分浅量子阱In_xGa_1～xN(0.4<x<0.8)/GaN层5a的垒层的生长厚度在现有基础上增加20%，通过增加MO（有机金属）源的通入量实现，现有程序垒层厚度5nm～10nm；第二部分浅量子阱的垒层厚度和现有垒层厚度相同；第三部分浅量子阱的垒层厚度在现有垒层厚度基础上减薄20%，通过减少MO源的通入时间和通入量共同实现。所有三部分浅量子阱结构中阱的厚度在3nm～7nm之间，浅量子阱层的生长温度在720℃～920℃之间，压力固定在250Torr，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在根据通入量的不同在300～5000之间变化。

所述低温浅量子阱层5生长结束后，开始生长低温发光层多量子阱6结构，低温发光层多量子阱6由3～15个周期的In_yGa_1～yN(x<y<1)/GaN 多量子阱组成。其中阱的生长方式是类梯形形式，In的组份保持不变，在10%～50%之间，阱的厚度在2nm～5nm之间，生长温度在720℃～820℃之间，生长压力在200Torr～500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在400～5300之间。垒层分三部分进行生长，且第一部分6a和第二部分6b的量子垒都采用MO源的渐进式方式生长。第一部分6a生长厚度在10nm～15nm之间，第二部分6b 生长厚度7nm～11.5nm之间，第三部分6c生长厚度8nm～12nm之间；其中第一部分6a和第二部分6b的量子垒生长时通入MO源气体种类相同厚度的减薄方式是通过减少MO源和气体的通入量来实现，时间保持不变；第三部分6c的量子垒与第一部分6a、第二部分6b通入的气体不同，厚度的减薄方式是通过减少MO源和气体的通入时间实现；所有量子垒的生长温度在820～920℃之间，压力在200Torr～500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在400～5300之间。

所述发光层多量子阱层6生长结束后，生长厚度10nm～100nm之间的低温p 型GaN层7，生长温度在500℃～800℃之间，生长时间在5分钟～20分钟之间，压力在100Torr～500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300～5300之间。在生长低温p 型GaN层7的过程中，N2作为载气，掺杂介质二茂镁。

所述低温p 型GaN层7结束后，将温度升至900℃～1100℃之间，生长压力在50Torr～400 Torr之间，生长时间在5分钟～15分钟之间，生长厚度10nm～100nm之间的p 型AlGaN电子阻挡层8，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在1000～20000之间，Al的组分控制在15%～40%之间，P型AlGaN电子阻挡层8禁带宽度大于最后一个量子垒的禁带宽度，P型AlGaN电子阻挡层8禁带宽度可控制在4ev与5.5ev之间。

所述p 型AlGaN电子阻挡层8生长结束后，生长一层厚度0.1 um ～0.9nm之间的高温p 型GaN层9，其生长温度在850～1090℃之间，生长压力在100Torr～450 Torr之间，生长时间在5～20min之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300～5000之间。

所述高温P型GaN层9生长结束后，生长一层厚度5nm～30nm之间的p 型GaN接触层10，其生长温度在850℃～1050℃之间，压力在100Torr～500 Torr之间，生长时间在1～10min之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在1000～20000之间。

外延生长结束后，将反应室的温度降至650℃～800℃之间，采用纯氮气氛围中退火处理5 min ～15min，然后降至室温，结束外延生长。

然后对生长的外延片进行清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制成单颗小尺寸芯片。

本实施例以高纯氢气或氮气作为载气，以三甲基镓（TMGa），三乙基镓(TEGa)、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）和二茂镁（Cp2Mg）分别作为n、p型掺杂剂。

本实施例改善浅量子阱的生长结构及方法，能够有效减少量子阱区的缺陷密度，调整PN结位置，提高电子和空穴在发光量子阱区的复合效率。另外使多量子阱区可以与P～N结很好的重合，让电子和空穴主要在量子阱中通关带边辐射复合发光，可以提高发光二极管的发光效率；而且这种改进的发光二极管结构，对生长设备和工艺条件无特殊要求，不会使随后的生长及工艺步骤复杂化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高GaN基LED发光效率的浅量子阱生长方法，其特征在于，该LED发光二极管外延片结构从下向上的顺序依次为：衬底层、低温GaN缓冲层、未掺杂的高温GaN缓冲层、Si掺杂的n型GaN层、发光层多量子阱、低温p型GaN层、p型AlGaN电子阻挡层、高温p型GaN层、p型GaN接触层；发光层多量子阱从下往上依次包括低温浅量子阱、低温多量子阱发光层结构；其中低温浅量子阱分三部分，该三个部分全部采用高压大于200Torr进行生长，并且该三部分浅量子阱的阱层含铟量以逐渐减少的变化方式进行生长，同时第一部分浅量子阱垒层的生长厚度在原有基础上增加18%-22%，通过增加MO源的通入量来实现；第二部分浅量子阱的垒层厚度保持不变；第三部分浅量子阱的垒层厚度在第二部分的基础上减薄18%-22%，通过减少MO源的通入时间和通入量来共同实现。

2.如权利要求1所述的提高GaN基LED发光效率的浅量子阱生长方法，其特征在于，所述衬底层的生长方法是：在氢气气氛里进行退火1～10分钟，清洁衬底表面，温度控制在1050～1080℃之间，然后进行氮化处理。

3.如权利要求2所述的提高GaN基LED发光效率的浅量子阱生长方法，其特征在于，所述低温GaN缓冲层的生长方法是：将温度下降到450℃～650℃之间，压力控制在4000～760 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在500～3200之间，生长15～35nm厚的GaN低温缓冲层。

4.如权利要求3所述的提高GaN基LED发光效率的浅量子阱生长方法，其特征在于，所述未掺杂的高温GaN缓冲层的生长方法是:在所述低温GaN缓冲层生长结束后，对其原位进行热退火处理，停止通入TMGa,将衬底温度升高至950～1200℃之间，退火时间在5～10min之间，退火之后，将温度调节至1000～1200℃之间，生长厚度为0.8um～4um间的高温不掺杂GaN缓冲层，此生长过程时，压力在100Torr～600 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300～3300之间。

5.如权利要求4所述的提高GaN基LED发光效率的浅量子阱生长方法，其特征在于，所述Si掺杂的n型GaN层的生长方法是：在所述未掺杂的高温GaN缓冲层生长结束后，在生长温度1000℃～1200℃之间，生长压力在50～550 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300～3300之间，生长一层掺杂浓度稳定的n型GaN层，厚度在1.0～5.0um。

6.如权利要求5所述的提高GaN基LED发光效率的浅量子阱生长方法，其特征在于，所述发光层多量子阱的生长方法是：包括从下往上依次生长的低温浅量子阱和低温多量子阱发光层结构；其中：

所述低温浅量子阱包括三个部分，其生长方法是：第一部分浅量子阱In_xGa_1～xN/GaN层，由4至8个In_xGa_1～xN/GaN层循环组成，其中0.4<x<0.8；第二部分浅量子阱In_yGa_1～yN/GaN层，由2至4个In_yGa_1～yN/GaN层循环组成，其中0.1<y<0.4，第三部分浅量子阱In_zGa_1～zN/GaN层，由2至4个In_zGa_1～zN/GaN层循环组成，其中0.1<z<0.4，该三部分浅量子阱结构中阱的厚度在3nm～7nm之间，浅量子阱层的生长温度在720℃～920℃之间，压力固定在250Torr，Ⅴ /Ⅲ摩尔比根据MO源的通入量的不同在300～5000之间变化；

所述低温多量子阱发光层结构的生长方法是：在所述低温浅量子阱生长结束后，开始生长低温多量子阱发光层结构，低温多量子阱发光层由3～15个周期的In_qGa_1～qN/GaN 多量子阱组成，其中0.1<q<1，其中阱的生长方式是类梯形形式，In的组份保持不变，在10%～50%之间，阱的厚度在2nm～5nm之间，生长温度在720℃～820℃之间，生长压力在200Torr～500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在400～5300之间；垒层分三部分进行生长，第一部分和第二部分的量子垒都采用MO源渐进式方式生长，其中第一部分生长厚度在10nm～15nm之间，第二部分生长厚度7nm～11.5nm之间，第三部分生长厚度8nm～12nm之间；其中第一部分和第二部分的量子垒生长时通入MO源气体种类相同厚度的减薄方式是通过减少MO源和气体的通入量来实现，时间保持不变；第三部分的量子垒与第一、第二部分通入的气体不同，厚度的减薄方式是通过减少MO源通入时间实现；所有量子垒的生长温度在820～920℃之间，压力在200Torr～500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在400～5300之间。

7.如权利要求6所述的提高GaN基LED发光效率的浅量子阱生长方法，其特征在于，所述低温p 型GaN层的生长方法是：在低温多量子阱发光层结构生长结束后，生长厚度10nm～100nm之间的低温p 型GaN层，生长温度在500℃～800℃之间，生长时间在5分钟～20分钟之间，压力在100Torr～500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300～5300之间。

8.如权利要求7所述的提高GaN基LED发光效率的浅量子阱生长方法，其特征在于，所述低温p 型AlGaN电子阻挡层的生长方法是：在所述低温p 型GaN层生长结束后，将温度升至900℃～1100℃之间，生长压力在50Torr～400 Torr之间，生长时间在5分钟～15分钟之间，生长厚度在10nm～100nm之间的p 型AlGaN电子阻挡层，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在1000～20000之间，Al的组分控制在15%～40%之间。

9.如权利要求8所述的提高GaN基LED发光效率的浅量子阱生长方法，其特征在于，所述高温p型GaN层的生长方法是：在所述低温p 型AlGaN层生长结束后，生长一层厚度0.1 um ～0.9nm之间的高温p 型GaN层，其生长温度在850～1090℃之间，生长压力在100Torr～450 Torr之间，生长时间在5～20min之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300～5000之间。

10.如权利要求9所述的提高GaN基LED发光效率的浅量子阱生长方法，其特征在于，所述p型GaN接触层的生长方法是：在所述高温p型GaN层生长结束后，生长一层厚度5nm～30nm之间的p 型GaN接触层，其生长温度在850℃～1050℃之间，压力在100Torr～500 Torr之间，生长时间在1～10min之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在1000～20000之间。

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