CN103219438A - 改善应力释放和载流子存储的发光二极管浅阱生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善应力释放和载流子存储的发光二极管浅阱生长方法，在Si掺N型GaN层上生长由5～12个周期的InxGa1-XN(0.04<x<0.4)/GaN多量子阱组成的低温浅量子阱，所述多量子阱的生长方式为类漏斗形式，多量子阱中In的摩尔组分含量为5%～15%；在低温浅量子阱上生长由3～15个周期的InyGa1-yN(x<y<1)/GaN多量子阱组成的低温多量子阱发光层，所述多量子阱中In的摩尔组分含量为10%～50%。本发明在浅阱的阱里采用漏斗状结构，通过不同In浓度的掺杂和不同的生长时间形成梯度变化可以有效缓释压力和临时存储浅阱（SW）里的载流子，可以缓释电子的注入发光区速率，避免因N区掺杂的载子浓度相对P区较高且迁移率较快，尤其在能带发生变化时注入MQW前避免产生电子溢流。

Description

改善应力释放和载流子存储的发光二极管浅阱生长方法

技术领域

本发明涉及氮化镓系半导体材料制造技术领域，具体涉及一种改善应力释放和载流子存储的发光二极管浅阱生长方法。

背景技术

目前现有制造GaN基发光二极管中，在五三族氮化物材料多量子阱发光二极管结构中由于GaN晶体正负电荷间偶极距引起自发极化，此外InGaN与GaN之间的晶格失配应力又会引起压电极化，这种极化效应产生的极化电场致使多量子阱(Multiple Quantum Wells, MQWs)结构的能带发生形变,进而产生量子限制斯塔克效应(Quantum Confined Stark Effect, QCSE)，改变了量子阱禁带宽度，造成电子溢流（Electron Overflow）；尤其在大功率驱动电流下,器件内部漏电流变得严重,导致内量子效率降低,严重阻碍了氮化镓LED在大电流密度注入下的应用；影响发光效率的另一个重要原因为：N极的掺杂后的载流子（电子）迁移率和浓度均较P极掺杂的载流子（空穴）的迁移率和浓度大，尤其在大功率大电流驱动下会较快越过量子阱区到P极复合，电子溢出有源区形成无效的电流注入,产生非辐射复合，造成光效迅速下降。

针对异质结外延层与衬底间的晶格失配和热失配产生的应力，人们在氮化镓薄膜和衬底间生长低温缓冲层来缓释失配应力，在N层氮化镓中插入铝组分的电子阻挡层(Electron Blocking Layer, EBL)来减弱其与空间层(Space Layer)之间的极化效应；而在InGaN/GaN超晶格区产生的应力和极化效应没有很好的释放，因而浅阱区作为N区与超晶格之间的缓释区，对于这种应力的释放区和载子（电子）存储缓释具有一定作用，目前浅阱是固定的阱宽里循环生长且前后浅垒生长时间过长而致密对多量子阱的应力释放和载子的注入、储存和输出效果有限。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术上存在的缺点提供一种在GaN基LED多量子阱结构中改善应力释放和载子存储的发光二极管浅阱生长方法。本发明采用在浅阱的阱里首次采用漏斗状结构，一方面通过不同In浓度的掺杂和不同的生长时间形成梯度变化可以有效缓释压力和临时存储浅阱（SW）里的载流子，可以缓释电子的注入发光区速率，避免因N区掺杂的载子浓度相对P区较高且迁移率较快，尤其在能带发生变化时注入MQW前避免产生电子溢流。同时，采用不同硅掺杂比例生长浅阱的浅垒，得到的非致密氮化镓垒可以很好的起到压力释放区的作用，从而有效减弱垒晶应力，减弱由此产生的内建压电场和极化效应，并且对载流子的迁移起到很好的通道作用。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明涉及一种改善应力释放和载流子存储的发光二极管外延片，所述外延片的结构自下而上依次为衬底、低温GaN缓冲层、未掺杂的高温GaN缓冲层、Si掺N型GaN层、低温浅量子阱、低温多量子阱发光层、低温P型GaN层、P型AlGaN电子阻挡层、高温P型GaN层和P型接触层；所述浅量子阱由5～12个周期的InxGa1-XN(0.04<x<0.4)/GaN 多量子阱组成，所述多量子阱的生长方式是类漏斗形式。

优选地，所述衬底为蓝宝石、GaN单晶、单晶硅或碳化硅单晶。

本发明还涉及一种前述的改善应力释放和载流子存储的发光二极管外延片的浅阱生长方法，包括以下步骤：

A、衬底清洁后氮化处理，依次生长低温GaN缓冲层、未掺杂的高温GaN缓冲层、掺杂浓度稳定的Si掺N型GaN层；

B、在所述Si掺N型GaN层上生长低温浅量子阱，所述低温浅量子阱由5～12个周期的InxGa1-xN(0.04<x<0.4)/GaN 多量子阱组成，所述多量子阱的生长方式为类漏斗形式，所类漏斗形式生长是通过In掺杂浓度和时间形成的梯度变化来实现的，所述In掺杂浓度为In在多量子阱中的摩尔组分含量为5%～15%；所述浅量子阱层里的势垒层采用掺杂硅的工艺进行生长，硅掺杂的比例为5～15%；

C、所述低温浅量子阱生长结束后，生长低温多量子阱发光层；所述低温多量子阱发光层由3～15个周期的InyGa1-yN(x<y<1)/GaN 多量子阱组成，所述多量子阱中In的摩尔组分含量为10%～50%；

D、自所述低温多量子阱发光层起，依次生长低温P型GaN层、P型AlGaN电子阻挡层、高温P型GaN层、P型接触层；

E、降温至650℃～800℃，纯氮气氛围中退火处理5～15min，降至室温，制得具有改善应力释放和载流子存储的发光二极管浅阱的LED外延片。

优选地，步骤B中，所述低温浅量子阱的厚度为2.5nm～6.5nm，生长温度为720℃～900℃，压力为100Torr～600 Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300～5000。

优选地，步骤C中，所述多量子阱的厚度为2nm～5nm，生长温度为720℃～820℃，生长压力为200Torr～500 Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为350～5000。

优选地，所述低温多量子阱发光层由量子垒a、b和c组成，所述量子垒a生长厚度为10nm～15nm，所述量子垒b 生长厚度为7nm～11.5nm，所述量子垒c生长厚度为8nm～12nm。

优选地，所述量子垒a和b生长时通入的MO源气体种类相同，所述量子垒a和b的厚度的减薄方式是在MO源的通入时间保持不变时，通过减少MO源和气体的通入量来实现的。

优选地，所述量子垒c与所述量子垒a和b生长时通入的MO源气体不同，所述量子垒c厚度的减薄是通过减少MO源的通入时间来实现的。

优选地，所述P型AlGaN电子阻挡层中的Al的摩尔组分含量为15%～40%，所述P型AlGaN电子阻挡层的禁带宽度大于所述量子垒c的禁带宽度。

优选地，所述P型AlGaN电子阻挡层的禁带宽度为4ev～5.5ev。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明在浅阱的阱区创新的漏斗形浅阱结构既能很好存储载流子（电子）又可以避免因N区载子掺杂浓度和迁移率过大造成溢流，具体为采用铟掺杂梯度交替和超晶格相结合的生长结构，其中阱层采用Ramp生长方式，该生长方式能有效的减少多量子阱中的压电效应，一方面有利于应力释放，一方面为浅阱作载子注入量子阱前的临时储存器提供更可靠的存储功能避免电子溢流，且在高速成长的浅垒中会存在较大的晶格间隙，这种间隙既能很好的释放内应力，又更易让载子在需要的时候传输提供途径；浅阱的垒区采用不同硅掺杂比例生长浅阱的浅垒，生长的的这种垒晶不致密垒层也成为异质结外延垒晶应力很好释放区，尤其对于InGaN与GaN超晶格的晶格失配应力起到很好的缓释作用；

本发明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。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的LED外延片结构示意图；

图2为浅量子阱和发光层的能带示意图；

其中，1为衬底、2为低温GaN缓冲层、3为未掺杂的高温GaN缓冲层、4为Si掺杂的N型GaN层、5为浅量子阱、6a为多量子阱发光层、6b为多量子阱发光层、6c为多量子阱发光层、7为低温P 型GaN层、8为P型铝镓氮电子阻挡层、9为高温P 型GaN层、10为P 型GaN接触层。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例利用Vecco K465系列MOCVD 系统实施。

本实施例以高纯氢气（H2）或氮气（N2）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。

本实施例的改善应力释放和载流子存储的发光二极管外延片如图1所示，从下向上的顺序依次包括：衬底1、低温GaN缓冲层2、未掺杂的高温GaN缓冲层3、Si掺杂的N型GaN层4、浅量子阱5、多量子阱发光层6a、多量子阱发光层6b、多量子阱发光层6c、低温P 型GaN层7、P型铝镓氮电子阻挡层8、高温P 型GaN层9、P 型GaN接触层10。

所述衬底为蓝宝石、GaN单晶、单晶硅或碳化硅单晶，以适合GaN垒晶外延材料生长。

本实施例的LED外延片结构的生长方法如下：

步骤一，将衬底1在氢气气氛里进行退火5～10分钟，清洁所述衬底1表面，温度控制在1050～1200℃之间，然后进行氮化处理；

步骤二，将温度下降到550℃～650℃之间，生长15～30nm厚的低温GaN缓冲层2，生长压力控制在350～760 Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在500～3200之间；

步骤三，所述低温GaN缓冲层2生长结束后，停止通入TMGa，对其原位进行热退火处理，

将所述衬底1的温度升高至900～1200℃之间，退火时间在5min至15min之间，退火之后，将温度调节至1000～1200℃之间，生长厚度为0.5μm～3μm间的未掺杂的高温GaN缓冲层3，生长压力在100Torr～500 Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比（第五族元素和第三族元素的摩尔比，在此为N、Ga的摩尔比）在300～3300之间；

步骤四，所述未掺杂的高温GaN缓冲层3生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的Si掺N型GaN层4，厚度在1.5～5.0μm之间，生长温度在1000℃～1200℃之间，生长压力在100～500 Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300～3300之间；

步骤五，上述Si掺杂的N型GaN层4生长结束后，开始生长低温浅量子阱5，所述浅量子阱5由5～12个周期的InxGa1-XN(0.04<x<0.4)/GaN 多量子阱组成，所述多量子阱的生长方式是类漏斗形形式，所述多量子阱中In的摩尔组分含量在5%～15%之间，所述浅量子阱5的厚度在4nm～9nm之间，生长温度在720℃～900℃之间，压力在100Torr～600 Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300～5000之间；所述类漏斗形生长具体为：通入TEGa并掺入TMIn（掺入比1.5%）生长浅阱的第一个阱层，阱层生长通过TMIn流量增大使In掺入量由1.5%渐变式方式（ Ramp）生长到3%，随后的阱层生长按先后顺序依次将阱层掺入的In比例提高（1.5%→3%→6%→9%→6%→3%→1.5%）其中掺入比最高的中间阱层生长时间相比较其余阱层长20秒；其浅阱的浅垒层（SB）生长时TEGa流量和生长时间保持不变，生长温度在720℃-900℃之间，生长压力在100Torr-600 Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-5000之间；生长浅量子阱势垒层采用掺杂硅的工艺进行生长，硅掺杂的比例为5-20%。

步骤六，所述浅量子阱5生长结束后，开始生长低温多量子阱发光层6，所述多量子阱发光层6由3～15个周期的InyGa1-yN(x<y<1)/GaN 多量子阱组成，所述多量子阱中In的摩尔组分含量在10%～50%之间保持不变，所述发光层多量子阱的厚度在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350～5000之间；垒层厚度不变，所述厚度在10～15nm之间，生长温度在820～920℃之间，压力在100～500 Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300～5000之间；其中，量子垒6a生长厚度为10nm～15nm，量子垒6b 生长厚度为7nm～11.5nm，量子垒6c生长厚度为8nm～12nm；所述量子垒6a和6b生长时通入的MO源气体种类相同，所述量子垒6a和6b的厚度的减薄方式是在MO源的通入时间保持不变时，通过减少MO源和气体的通入量来实现的；所述量子垒6c与所述量子垒6a和6b生长时通入的MO源气体不同，所述量子垒6c厚度的减薄是通过减少MO源的通入时间来实现的；

步骤七，所述多量子阱发光层6生长结束后，生长厚度100nm～500nm之间的低温P型GaN层7，生长温度在500℃～800℃之间，生长时间在5min～25min之间，压力在100Torr～500 Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300～5000之间，在所述生长低温P型GaN层7为掺杂二茂镁的空穴区；

步骤八，所述低温P 型GaN层7生长结束后，将温度升至900℃～1200℃之间，生长厚度50nm～100nm之间的P型AlGaN电子阻挡层8，生长压力在50Torr～300Torr之间，生长时间在5～10分钟之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在1500～20000之间，所述P型AlGaN电子阻挡层8中的Al的摩尔组分含量控制在10%～35%之间，所述P型AlGaN的禁带宽度会大于最后一个量子垒的禁带宽度；

步骤九，所述P型AlGaN电子阻挡层8生长结束后，生长一层厚度0.1um～1.0 um之间的高温P型GaN层9，其生长温度在800～1100℃之间，生长压力在100Torr～500 Torr之间，生长时间在5～15min之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300～5000之间；

步骤十，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型接触层10，其生长温度在850℃～1100℃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；

步骤十一，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5～15min，然后降至室温，即得。

由图1的全结构示意图可知：本发明所述的浅量子阱5生长在N型GaN与发光层6之间。由图2的浅量子阱5和发光层6的能带示意图可知：在N型掺杂GaN生长后，由于基于蓝宝石衬底生长异质结晶格失配应力和N型掺杂带来的内应力会进一步扩散到多量子阱发光层，造成能带弯曲和和电子溢流；并且N型掺杂的载流子（电子）会较快移过发光层不利于与空穴的复合，所以考虑在浅阱区生长时一方面将浅阱的阱设计成漏斗型，通过不同的In掺杂浓度和时间形成的梯度变化可以有效释放这些应力，本发明通过在浅阱区所创新的漏斗形浅阱结构既能很好存储载流子（电子）又可以避免因N区载子掺杂浓度和迁移率过大造成溢流；同时，生长浅量子阱势垒层采用掺杂硅的工艺进行生长，通过该方法生长的不致密的垒层可以为载流子的传输提供更有利的通道和应力更好的释放区，提高在有源区的载子更充分在量子阱里复合几率，也有利于载流子的迁移和应力的缓释。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种改善应力释放和载流子存储的发光二极管外延片，其特征在于，所述外延片的结构自下而上依次为衬底、低温GaN缓冲层、未掺杂的高温GaN缓冲层、Si掺N型GaN层、低温浅量子阱、低温多量子阱发光层、低温P型GaN层、P型AlGaN电子阻挡层、高温P型GaN层和P型接触层；所述浅量子阱由5～12个周期的InxGa1-XN(0.04<x<0.4)/GaN 多量子阱组成，所述多量子阱的生长方式是类漏斗形式。

2.根据权利要求1所述的改善应力释放和载流子存储的发光二极管外延片，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、GaN单晶、单晶硅或碳化硅单晶。

3.一种根据权利要求1所述的改善应力释放和载流子存储的发光二极管外延片的浅阱生长方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、衬底清洁后氮化处理，依次生长低温GaN缓冲层、未掺杂的高温GaN缓冲层、掺杂浓度稳定的Si掺N型GaN层；

B、在所述Si掺N型GaN层上生长低温浅量子阱，所述低温浅量子阱由5～12个周期的InxGa1-XN(0.04<x<0.4)/GaN 多量子阱组成，所述多量子阱的生长方式为类漏斗形式，所述类漏斗形式生长是通过In掺杂浓度和时间形成的梯度变化来实现的，所述In掺杂浓度为In在多量子阱中的摩尔组分含量为5%～15%；

C、所述低温浅量子阱生长结束后，生长低温多量子阱发光层；所述低温多量子阱发光层由3～15个周期的InyGa1-yN(x<y<1)/GaN 多量子阱组成，所述多量子阱中In的摩尔组分含量为10%～50%；

D、自所述低温多量子阱发光层起，依次生长低温P型GaN层、P型AlGaN电子阻挡层、高温P型GaN层、P型接触层；

E、降温至650℃～800℃，纯氮气氛围中退火处理5～15min，降至室温，制得具有改善应力释放和载流子存储的发光二极管浅阱的LED外延片。

4.根据权利要求3所述的改善应力释放和载流子存储的发光二极管外延片的浅阱生长方法，其特征在于，步骤B中，所述低温浅量子阱的厚度为2.5nm～6.5nm，生长温度为720℃～900℃，压力为100Torr～600 Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300～5000。

5.根据权利要求3所述的改善应力释放和载流子存储的发光二极管外延片的浅阱生长方法，其特征在于，步骤C中，所述多量子阱的厚度为2nm～5nm，生长温度为720℃～820℃，生长压力为200Torr～500 Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为350～5000。

6.根据权利要求5所述的改善应力释放和载流子存储的发光二极管外延片的浅阱生长方法，其特征在于，所述低温多量子阱发光层由量子垒a、b和c组成，所述量子垒a生长厚度为10nm～15nm，所述量子垒b 生长厚度为7nm～11.5nm，所述量子垒c生长厚度为8nm～12nm。

7.根据权利要求6所述的改善应力释放和载流子存储的发光二极管外延片的浅阱生长方法，其特征在于，所述量子垒a和b生长时通入的MO源气体种类相同，所述量子垒a和b的厚度的减薄方式是在MO源的通入时间保持不变时，通过减少MO源和气体的通入量来实现的。

8.根据权利要求7所述的改善应力释放和载流子存储的发光二极管外延片的浅阱生长方法，其特征在于，所述量子垒c与所述量子垒a和b生长时通入的MO源气体不同，所述量子垒c厚度的减薄是通过减少MO源的通入时间来实现的。

9.根据权利要求6所述的改善应力释放和载流子存储的发光二极管外延片的浅阱生长方法，其特征在于，所述P型AlGaN电子阻挡层中的Al的摩尔组分含量为15%～40%，所述P型AlGaN电子阻挡层的禁带宽度大于所述量子垒c的禁带宽度。

10.根据权利要求9所述的改善应力释放和载流子存储的发光二极管外延片的浅阱生长方法，其特征在于，所述P型AlGaN电子阻挡层的禁带宽度为4ev～5.5ev。

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