CN103325896A - 一种提高发光效率的氮化镓基led外延生长方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高发光效率的氮化镓基LED外延生长方法，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、多量子阱结构MQW、多量子阱有源层、低温P型GaN层、P型AlGaN层、高温P型GaN层和P型接触层，所述多量子阱有源层由3~20个Loop循环数的InyGa1-yN/GaN多量子阱组成，在所述3~20个Loop循环数的InyGa1-yN/GaN多量子阱有源层中的垒层进行P型掺杂。通过P型优化掺杂，使得量子阱中的电子和空穴浓度分布趋于均衡，有效调控电子和空穴的浓度分布，降低电子溢出浓度，改善量子阱中载流子辐射复合效率，提高芯片内量子效率，以实现发光效率的提高。
Description
技术领域
本发明涉及InGaN /GaN 基发光二极管(LED)材料制备技术领域，更具体地说，涉及一种提高发光效率的氮化镓基LED外延生长方法。
背景技术
发光二极管（LED，Light Emitting Diode）是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。LED发光效率是衡量LED器件好坏至关重要的指标之一，而改善LED器件的发光特性已经成为提高发光效率的主要因素。
外延量子阱垒层的生长方法对LED器件的发光亮度影响很大，不同的外延量子阱内阱垒的生长方法对发光亮度、内量子效率、电子和空穴浓度分布、载流子溢出等都有影响。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提供一种提高发光效率的氮化镓基LED外延生长方法，在外延多量子阱有源层中对电子和空穴的浓度分布进行了均衡调控，改善量子阱中载流子的辐射复合效率，降低电子溢出浓度，提高芯片的内量子效率，可以大大提高光子逃逸出LED器件的概率，有效提高器件的发光效率。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种提高发光效率的氮化镓基LED外延生长方法，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、多量子阱结构MQW、多量子阱有源层、低温P型GaN层、P型AlGaN层、高温P型GaN层和P型接触层，所述多量子阱有源层由3~20个Loop循环数的InyGa1-yN/GaN 多量子阱组成，其中0<y<1，在所述3~20个Loop循环数的InyGa1-yN/GaN多量子阱有源层中的垒层进行P型掺杂。
所述多量子阱有源层中的Loop循环数被拆分为两个部分A和B，其中1≤B≤3，在循环数B的垒层选择进行P型优化掺杂，P型掺杂中Mg的掺杂浓度为4.9×10-5~8.24×10-4摩尔每分钟。
所述多量子阱有源层中的Loop循环数被拆分为三个部分C、D和E，其中1≤E≤3，1≤D≤6，在循环数E或在循环数D或在循环数D+E 中的垒层选择进行P型优化掺杂，P型掺杂中Mg的掺杂浓度为4.9×10-5~8.24×10-4摩尔每分钟。
所述多量子阱有源层中的Loop循环数被拆分为四个部分F、G、H和I，其中1≤G≤6，1≤H≤6，1≤I≤3，在循环数G或在循环数H或在循环数I或在循环数G+H+I中的的垒层选择进行P型优化掺杂，P型掺杂中Mg的掺杂浓度为4.9×10-5~8.24×10-4摩尔每分钟。
本发明的优点在于，经优化后的P型掺杂垒层既可以提供空穴，又可以使得势垒增加，势垒增加使得靠近P电极的量子阱由于受到电子阻挡层的作用使其电子浓度浓度保持较高的水平，同时不同的P型掺杂浓度可以有效调控量子阱内的电子和空穴的均衡分布，减少电子溢出，辐射复合效率大大提高，提高了发光亮度。
附图说明
图1是本发明所提供的LED外延结构示意图。
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、多量子阱结构MQW5、多量子阱有源层6、低温P型GaN层7、P型AlGaN层8、高温P型GaN层9、P型接触层10。
该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10-1200；
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150-2000；
步骤四，所述GaN非掺杂层3生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的N型GaN层4，厚度为1.2-4.2μm，生长温度在1000-1200℃之间，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为100-2500；
步骤五，所述N型GaN层4生长结束后，生长多量子阱结构MQW5，所述多量子阱结构MQW5由2-15个周期的InxGa1-xN/GaN (0<x<0.4)多量子阱组成，1个周期的InxGa1-xN/GaN量子阱厚度在2-5nm之间，生长温度为720-920℃，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为200-5000；
步骤六，所述多量子阱结构MQW5生长结束后，生长多量子阱有源层6，所述多量子阱有源层生长温度在720-820℃之间，压力在100-500 Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-5000之间，所述发光层多量子阱6由3-20个周期的InyGa1-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100-500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300-5000之间；
步骤七，所述多量子阱有源层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300-4800；
步骤八，所述低温P型GaN层7生长结束后，生长厚度为10-50nm的P型AlGaN层8，生长温度在900-1100℃之间，生长时间为5-15min，压力在50-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为5-800，P型AlGaN层8中Al的摩尔组分含量控制在10%-30%之间；
步骤九，所述P型AlGaN层9生长结束后，生长厚度为100-800nm的高温P型GaN层10，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，氨气的流量为10至40升每分钟；
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。
为了提高发光效率，多量子阱有源层6的特殊生长工艺如下：
在Loop3-Loop20个周期的InyGa1-yN(0<y<1)/GaN发光多量子阱有源层中的垒层进行优化P型掺杂，可以采用如下几种方法：
将多量子阱有源层中的Loop循环数被拆分为两个部分A和B，在循环数B（1≤B≤3）的垒层选择进行P型优化掺杂，P型掺杂中Mg的掺杂浓度为4.9×10-5~8.24×10-4摩尔每分钟。优化后的P型掺杂垒层既可以提供空穴，又可以使得势垒增加，势垒增加使得靠近P电极的量子阱由于受到电子阻挡层的作用使其电子浓度浓度保持较高的水平，同时不同的P型掺杂浓度可以有效调控量子阱内的电子和空穴的均衡分布。
将多量子阱有源层中的Loop循环数被拆分为三个部分C、D和E，在循环数E（1≤E≤3）或在循环数D（1≤D≤6）或在循环数D+E 中的的垒层选择进行P型优化掺杂，P型掺杂中Mg的掺杂浓度为4.9×10-5~8.24×10-4摩尔每分钟。优化后的P型掺杂垒层既可以提供空穴，又可以使得势垒增加，势垒增加使得靠近P电极的量子阱由于受到电子阻挡层的作用使其电子浓度浓度保持较高的水平，同时随着LOOP循环数的增加，可以使得大部分空穴限制其中，不同的P型掺杂浓度可以实现有效调控量子阱内的电子和空穴的均衡分布，提高发光效率。
将多量子阱有源层中的Loop循环数被拆分为四个部分F、G、H和I，在循环数I（1≤I≤3）或在循环数H（1≤H≤6）或在循环数G（1≤H≤6）或在循环数G+H+I中的的垒层选择进行P型优化掺杂，P型掺杂中Mg的掺杂浓度为4.9×10-5~8.24×10-4摩尔每分钟。优化后的P型掺杂垒层既可以提供空穴，又可以使得势垒增加，势垒增加使得靠近P电极的量子阱由于受到电子阻挡层的作用使其电子浓度浓度保持较高的水平，同时随着LOOP循环数的增加，可以使得大部分空穴限制其中，不同的P型掺杂浓度可以实现有效调控量子阱内的电子和空穴的均衡分布，提高发光效率。
该种经优化后的P型掺杂垒层既可以提供空穴，又可以使得势垒增加，势垒增加使得靠近P电极的量子阱由于受到电子阻挡层的作用使其电子浓度浓度保持较高的水平，同时不同的P型掺杂浓度可以有效调控量子阱内的电子和空穴的均衡分布，减少电子溢出，辐射复合效率大大提高，提高了发光亮度
上述实施例以高纯氢气（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。
Claims (4)
1.一种提高发光效率的氮化镓基LED外延生长方法，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、多量子阱结构MQW、多量子阱有源层、低温P型GaN层、P型AlGaN层、高温P型GaN层和P型接触层，所述多量子阱有源层由3~20个Loop循环数的InyGa1-yN/GaN 多量子阱组成，其中0<y<1，其特征在于，在所述3~20个Loop循环数的InyGa1-yN/GaN多量子阱有源层中的垒层进行P型掺杂。
2.根据权利要求1所述的提高发光效率的氮化镓基LED外延生长方法，其特征在于，所述多量子阱有源层中的Loop循环数被拆分为两个部分A和B，其中1≤B≤3，在循环数B的垒层选择进行P型优化掺杂，P型掺杂中Mg的掺杂浓度为4.9×10-5~8.24×10-4摩尔每分钟。
3.根据权利要求1所述的提高发光效率的氮化镓基LED外延生长方法，其特征在于，所述多量子阱有源层中的Loop循环数被拆分为三个部分C、D和E，其中1≤E≤3，1≤D≤6，在循环数E或在循环数D或在循环数D+E 中的垒层选择进行P型优化掺杂，P型掺杂中Mg的掺杂浓度为4.9×10-5~8.24×10-4摩尔每分钟。
4.根据权利要求1所述的提高发光效率的氮化镓基LED外延生长方法，其特征在于，所述多量子阱有源层中的Loop循环数被拆分为四个部分F、G、H和I，其中1≤G≤6，1≤H≤6，1≤I≤3，在循环数G或在循环数H或在循环数I或在循环数G+H+I中的的垒层选择进行P型优化掺杂，P型掺杂中Mg的掺杂浓度为4.9×10-5~8.24×10-4摩尔每分钟。
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