CN103227251B - 一种GaN基发光二极管外延结构的生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种GaN基发光二极管外延结构的生长方法，该外延结构从下向上的顺序依次为：衬底、低温GaN缓冲层、GaN非掺杂层、N型GaN层、浅量子阱层、发光量子阱层、低温P型GaN层、PAlGaN电流阻挡层、高温P型GaN层和P型接触层，所述浅量子阱层包括多个依次交叠的量子阱结构，所述量子阱结构由In_xGa_1-xN势阱层，其中0<x<1和GaN势垒层依次生长而成，所述GaN势垒层采用渐变式生长速率进行生长，Ga源使用TMGa或TEGa进行外延生长。本发明所提供的生长方法，能够更好的改善晶体质量，改进发光效率，提高亮度。

Description

一种GaN基发光二极管外延结构的生长方法

技术领域

本发明涉及GaN基发光二极管(LED)材料制备技术领域，特别涉及一种GaN基发光二极管浅量子阱层的外延生长方法。

背景技术

氮化镓基InGaN/GaN多量子阱发光二极管外延层生长过程中，由于晶格失配及外延层薄膜沉积缺陷等原因，GaN基发光二极管材料在生长过程中会产生应力。有源层中的内应力会影响到外延片的内量子效率及外延片的亮度，同时还会影响到抗静电能力。

典型的外延层结构中，浅阱层介于N型氮化镓层与发光量子阱层之间，该层在外延生长中有很大作用。对于浅阱层，不同的生长方法会起到不同的作用，最重要的作用如释放结晶过程中的应力，改善晶体质量等。

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GaN基发光二极管外延结构的生长方法，更好的改善晶体质量，改进发光效率，提高亮度。

本专利通过在外延浅阱层中，采用渐变式生长速率进行外延生长浅阱层，主要方法为选择不同的镓源及选择使用不同的摩尔量。该生长方法可以改善多量子阱表面形貌，减少V型缺陷，改善晶体质量，减小漏电，改善Vz；同时该生长方法可以缓解外延生长过程中由于晶格失配产生的应力，大幅度提高外延片的亮度，改进LED发光效率。鉴于以上，本专利特别提供一种氮化镓基发光二极管浅阱层的外延生长方法，

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种GaN基发光二极管外延结构的生长方法，该外延结构从下向上的顺序依次为：衬底、低温GaN缓冲层、GaN非掺杂层、N型GaN层、浅量子阱层、发光量子阱层、低温P型GaN层、PAlGaN电流阻挡层、高温P型GaN层和P型接触

层，所述浅量子阱层包括多个依次交叠的量子阱结构，所述量子阱结构由In_xGa_1-xN势阱层，其中0<x<1和GaN势垒层依次生长而成，所述GaN势垒层采用渐变式生长速率进行生长，Ga源使用TMGa或TEGa进行外延生长。

所述GaN势垒层采用渐变式生长速率进行生长的方法是：在生长浅量子阱层的前面一个GaN势垒层A及后面一个GaN势垒层B，均采用较高生长速率进行生长，中间的GaN势垒层采用低于GaN势垒层A或GaN势垒层B的生长速率的2%-10%进行生长。

所述GaN势垒层采用渐变式生长速率进行生长的方法是：在生长浅量子阱层的前面一个GaN势垒层A及后面一个GaN势垒层B，均采用较高生长速率进行生长，中间的GaN势垒层采用高于GaN势垒层A或GaN势垒层B的生长速率的2%-6%进行生长，GaN势垒层A或GaN势垒层B或中间的GaN势垒层为GaN层或掺杂Si生长的GaN/Si层。

所述GaN势垒层采用渐变式生长速率进行生长的方法是：将浅量子阱层拆成两部分进行生长，第一部分浅量子阱层的前面一个GaN势垒层C及后面一个GaN势垒层D以及第二部分浅量子阱层的后面一个GaN势垒层E均采用较高生长速率进行生长，其余GaN势垒层均采用低于GaN势垒层C或GaN势垒层D或GaN势垒层E的生长速率的2%-10%进行生长，GaN势垒层C或GaN势垒层D或所述其余GaN势垒层为GaN层或掺杂Si生长的GaN/Si层。

所述GaN势垒层采用渐变式生长速率进行生长的方法是：将浅量子阱层拆成两部分进行生长，第一部分浅量子阱层的前面一个GaN势垒层C及后面一个GaN势垒层D以及第二部分浅量子阱层的后面一个GaN势垒层E均采用较高生长速率进行生长，其余GaN势垒层均采用高于GaN势垒层C或GaN势垒层D或GaN势垒层E的生长速率的2%-6%进行生长，GaN势垒层C或GaN势垒层D或所述其余GaN势垒层为GaN层或掺杂Si生长的GaN/Si层。

本发明所提供的浅量子阱层结构的生长方法，通过采用渐变式生长速率生长浅量子阱层，一方面可以改善多量子阱表面形貌，减少V型缺陷，改善晶体质量，减小漏电，改善Vz；同时，另一方面，该种生长方法可以减少GaN与蓝宝石之间失配而产生的穿透位错到达有源区的数量，从而减少有源区的非辐射复合中心，缓解外延生长过程中由于晶格失配产生的应力，提高外延片的亮度，改进

LED发光效率。

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中浅量子阱层结构生长示意图一；

图3是图1中浅量子阱层结构生长示意图二。

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所示的LED外延结构，从下向上的顺序依次包括：衬底1、低温GaN缓冲层2、GaN非掺杂层3、N型GaN层4、浅量子阱层5、发光量子阱层6、低温P型GaN层7、PAlGaN电流阻挡层8、高温P型GaN层9、P型接触层10。

上述LED外延结构的生长方法包括以下具体步骤：

步骤一，将衬底1在1000-1200℃氢气气氛里进行高温清洁处理5-20min，然后进行氮化处理，衬底1是适合GaN基半导体外延材料生长的材料，如蓝宝石、GaN和碳化硅（SiC）单晶等；

步骤二，将温度下降到500-650℃之间，生长厚度为20-30nm的低温GaN缓冲层2，生长压力控制在300-760Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为50-1000；

步骤三，所述低温GaN缓冲层2生长结束后，停止通入三甲基镓（TMGa），衬底温度升高至900-1200℃之间，对所述低温GaN缓冲层2进行原位热退火处理，退火时间在5-30min，退火之后，将温度调节至1000-1200℃之间，外延生长厚度为0.5-2μm的GaN非掺杂层3，生长压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为100-3000；

步骤四，所述GaN非掺杂层3生长结束后，生长掺杂浓度稳定的N型GaN层4，厚度为2.4-8.4μm，生长温度在1000-1200℃之间，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为100-3000；

步骤五，所述N型GaN层4生长结束后，生长浅量子阱层5，所述浅量子阱层5包括3-15个依次交叠的量子阱结构，所述量子阱结构由In_xGa_1-xN(0<x<1)势阱层和GaN势垒层依次生长而成。所述In_xGa_1-xN势阱层的生长温度在720-820℃之间，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为300-5000，厚度在2-5nm之间；所述浅阱中的GaN（或GaN/Si）势垒层，采用渐变式生长速率进行生长，Ga源使用TMGa或TEGa进行外延生长。生长温度在820-920℃之间，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为300-5000，厚度在8-15nm之间；

步骤六，所述浅量子阱层5生长结束后，生长发光层多量子阱层6，生长温度在700-850℃之间，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-5000之间，所述发光层多量子阱6由3-15个周期的In_yGa_1-yN(x<y<1)/GaN多量子阱组成，所述发光层多量子阱6的厚度在2-5nm之间；所述发光层多量子阱6中In的摩尔组分含量是不变的，在10%-50%之间；垒层厚度不变，厚度在10-15nm之间，生长温度在820-920℃之间，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-5000之间；

步骤七，所述发光层量子阱层6生长结束后，生长厚度为10-100nm的低温P型GaN层7，生长温度在620-820℃之间，生长时间为5-35min，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为300-5000；

步骤八，所述低温P型GaN层7生长结束后，生长厚度为10-200nm的PAlGaN电流阻挡层8，生长温度在800-1200℃之间，生长时间为2-18min，压力在50-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为10-1000，P型AlGaN层中Al的摩尔组分含量控制在5%～30%之间；

步骤九，所述PAlGaN电流阻挡层8生长结束后，生长厚度为100-800nm的高温P型GaN层9，生长温度在850-950℃之间，生长时间为5-30min，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为300-5000；

步骤十，所述高温P型GaN层9生长结束后，生长厚度在5-20nm之间的P型接触层10，生长温度在850-1050℃之间，生长时间为1-10min，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为1000-20000；

步骤十一，外延生长结束后，将反应室的温度降至650-800℃之间，采用纯氮气气氛进行退火处理2-15min，然后降至室温，即得如图1所示的LED外延结构。

随后，经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等后续加工工艺制成单颗小尺寸芯片。

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。

上述步骤五中浅量子阱层5采用渐变式生长速率进行生长的方法如下：

在生长浅量子阱（LOOP循环）层5的前面一个GaN势垒层A及后面一个GaN势垒层B，均采用较高生长速率进行生长，中间LOOP循环中的GaN势垒层（1…N）采用低于GaN势垒层A或GaN势垒层B的生长速率生长的2%-10%进行生长，Ga源使用TMGa或TEGa，以上GaN势垒层为GaN或GaN/Si。或者在生长浅量子阱（LOOP循环）层的前面一个GaN势垒层A及后面一个GaN势垒层B，均采用较高生长速率进行生长，中间LOOP循环中的GaN势垒层（1…N）采用高于GaN势垒层A或GaN势垒层B的生长速率生长的2%-6%进行生长，Ga源使用TMGa或TEGa，GaN势垒层A或GaN势垒层B或GaN势垒层（1…N）为GaN层或掺杂Si生长的GaN/Si层，如图2所示，图中：1为浅量子阱Loop数第一个势垒；2为浅量子阱Loop数第二个势垒；N为浅量子阱Loop数第N个势垒，N≥2。

或者将生长浅量子阱层的Loop循环数拆成两部分进行生长，第一部分浅量子阱Loop循环(1’—N’)层的前面一个GaN势垒层C及后面一个GaN势垒层D以及第二部分的浅量子阱Loop循环(1”—N”)后面一个GaN势垒层E均采用较高生长速率进行生长，Loop循环(1’—N’)层及Loop循环(1”—N”)GaN势垒层均采用低于GaN势垒层C或GaN势垒层D或GaN势垒层E的2%-10%生长速率进行生长，Ga源使用TMGa或TEGa，GaN势垒层C或GaN势垒层D或Loop循环量子垒(1’—N’)及Loop循环(1”—N”)的GaN势垒层为GaN层或掺杂Si生长的GaN/Si层。或者将生长浅量子阱层的Loop循环数拆成两部分进行生长，第一部分浅量子阱Loop循环(1’—N’)层的前面一个GaN势垒层C及后面一个GaN势垒层D以及第二部分的浅量子阱Loop循环(1”—N”)后的GaN势垒层E均采用较高生长速率进行生长，Loop循环(1’—N’)层及Loop循环(1”—N”)GaN势垒层均采用高于GaN势垒层C或GaN势垒层D或GaN势垒层E的生长速率的2%-6%进行生长，Ga源使用TMGa或TEGa，GaN势垒层C或GaN势垒层D或Loop循环量子垒(1’—N’)及Loop循环(1”—N”)的GaN势垒层为GaN层或掺杂Si生长的GaN/Si层，如图3所示，图中：1’为第一部分浅量子阱层Loop数第一个GaN势垒层；2’为第一部分浅量子阱层Loop数第二个GaN势垒层；N’为第一部分浅量子阱层Loop数第N个GaN势垒层，N’≥2。1”为第二部分浅量子阱层Loop数第一个GaN势垒层；2”为第二部分浅量子阱层Loop数第二个GaN势垒层；N”为第二部分浅量子阱层Loop数第N个GaN势垒层，N”≥2。以上势垒层为GaN或GaN/Si。

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 (4)

1.一种GaN基发光二极管外延结构的生长方法，该外延结构从下向上的顺序依次为：衬底、低温GaN缓冲层、GaN非掺杂层、N型GaN层、浅量子阱层、发光量子阱层、低温P型GaN层、PAlGaN电流阻挡层、高温P型GaN层和P型接触层，其特征在于，所述浅量子阱层包括多个依次交叠的量子阱结构，所述量子阱结构由In_xGa_1-xN势阱层，其中0<x<1和GaN势垒层依次生长而成，所述GaN势垒层采用渐变式生长速率进行生长，Ga源使用TMGa或TEGa进行外延生长；所述GaN势垒层采用渐变式生长速率进行生长的方法是：在生长浅量子阱层的前面一个GaN势垒层A及后面一个GaN势垒层B，均采用较高生长速率进行生长，中间的GaN势垒层采用低于GaN势垒层A或GaN势垒层B的生长速率的2％-10％进行生长。

2.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管外延结构的生长方法，其特征在于，所述GaN势垒层采用渐变式生长速率进行生长的方法是：在生长浅量子阱层的前面一个GaN势垒层A及后面一个GaN势垒层B，均采用较高生长速率进行生长，中间的GaN势垒层采用高于GaN势垒层A或GaN势垒层B的生长速率的2％-6％进行生长，GaN势垒层A或GaN势垒层B或中间的GaN势垒层为GaN层或掺杂Si生长的GaN/Si层。

3.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管外延结构的生长方法，其特征在于，所述GaN势垒层采用渐变式生长速率进行生长的方法是：将浅量子阱层拆成两部分进行生长，第一部分浅量子阱层的前面一个GaN势垒层C及后面一个GaN势垒层D以及第二部分浅量子阱层的后面一个GaN势垒层E均采用较高生长速率进行生长，其余GaN势垒层均采用低于GaN势垒层C或GaN势垒层D或GaN势垒层E的生长速率的2％-10％进行生长，GaN势垒层C或GaN势垒层D或所述其余GaN势垒层为GaN层或掺杂Si生长的GaN/Si层。

4.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管外延结构的生长方法，其特征在于，所述GaN势垒层采用渐变式生长速率进行生长的方法是：将浅量子阱层拆成两部分进行生长，第一部分浅量子阱层的前面一个GaN势垒层C及后面一个GaN势垒层D以及第二部分浅量子阱层的后面一个GaN势垒层E均采用较高生长速率进行生长，其余GaN势垒层均采用高于GaN势垒层C或GaN势垒层D或GaN势垒层E的生长速率的2％-6％进行生长，GaN势垒层C或GaN势垒层D或所述其余GaN势垒层为GaN层或掺杂Si生长的GaN/Si层。