CN103390705A

CN103390705A - 一种控制量子阱膜层厚度外延生长的方法

Info

Publication number: CN103390705A
Application number: CN2013103141219A
Authority: CN
Inventors: 方方
Original assignee: GOLD MEDAL ANALYTICAL & TESTING GROUP
Current assignee: GOLD MEDAL ANALYTICAL & TESTING GROUP
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2013-11-13

Abstract

本发明公开了一种控制量子阱膜层厚度外延生长的方法，在衬底表面上依次生长低温缓冲层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、量子垒层和量子阱层组成的多量子阱层、电子阻挡层、p型氮化镓层、接触层。在生长量子垒层和量子阱层组成的多量子阱层时，将生长过程分为两个生长阶段进行，通过改变不同生长阶段所用载气气氛和载气流量，实现对量子阱垒层和阱层厚度的控制。

Description

一种控制量子阱膜层厚度外延生长的方法

技术领域

本发明涉及半导体发光二极管（LED）技术领域，具体涉及一种控制量子阱膜层厚度外延生长的方法。

背景技术

半导体发光二极管（LED）是利用n区注入的电子和p区注入的空穴发生光子辐射复合发光的。由于单纯包含p层和n层的外延结构LED发光效率低下，因此在外延结构的LED中可以增加辐射复合的效率的InGaN/GaN多量子阱（MQWs）结构被广泛应用。然而，由于电子和空穴在浓度、有效质量、迁移率等方面的差异，导致电子的行程大于空穴的行程，导致复合效率的下降。量子阱膜层厚度差异化是改善此问题的有效方法之一。比如在专利号200810208079.1中提出一种非对称型量子阱结构提升发光效率的方法，即整个外延结构中的量子阱结构并非完全一致的掺杂浓度及厚度。同样，专利20091002769.5、2012103663117.7、201210426804.9等专利也提出了类似方法。相关专利所阐述控制量子阱膜层厚度外延生长的方法主要集中在控制高纯金属有机源（MO源）的流量和生长时间两种，但其没有关注到MO源的载气种类和流量对量子阱层的生产影响，无法控制量子阱膜层的厚度，无法对量子阱禁带宽度起到调节作用。

发明内容

本发明提供了一种控制量子阱膜层厚度外延生长的方法，通过改变生长过程中MO源的载气种类或流量的方法实现量子阱膜层厚度的差异化生长控制。

本发明提供了一种控制量子阱膜层厚度外延生长的方法，在衬底表面上依次生长低温缓冲层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、量子垒层和量子阱层组成的多量子阱层、电子阻挡层、p型氮化镓层、接触层，在其特征在于，在生长量子垒层和量子阱层组成的多量子阱层时分为两个生长阶段进行，分别控制每个生长阶段所用载气气氛和/或载气流量。

所述两个生长阶段中的载气气氛为氢气、或者为氮气、或者为氢气和氮气的组合，所述两个生长阶段中的载气气氛不同。

所述两个生长阶段中的载气的流量相同。

所述两个生长阶段中的载气的流量不同。

所述两个生长阶段中的载气气氛为氢气、或者为氮气、或者为氢气和氮气的组合，所述两个阶段中的载气气氛相同，两个生长阶段中的载气的流量不同。

所述两个生长阶段所设定的工艺时间相同，或者不同。

所述两个生长阶段所生长的量子阱层厚度不同，量子垒层厚度不同或者相同。

以上技术可以看出，本发明实施例利用MO源的载气种类和流量对量子阱膜层的厚度产生影响，即达到控制膜层厚度的目的。同时，由于载气对膜层的掺杂作用也产生一定的影响，因此载气在实现膜厚控制的同时对量子阱禁带宽度也起一定的调节作用，从而影响到器件的发光波长。本发明的优点在于仅通过改变载气种类和流量，即可控制量子阱膜层厚度，又能够调节其禁带宽度。且本发明提供的控制量子阱膜层厚度外延生长的方法，工艺简单，生产效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例中的多量子阱结构的LED结构示意图；

图2是本发明实施例中的控制量子阱膜层厚度的方法流程图；

图3是本发明实施例中的GaN基LED的量子阱能带图；

图4是本发明实施例中的GaN基LED的横截面电镜图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明实施例中的LED外延结构，其包括有衬底1、低温GaN缓冲层2、未掺杂的高温GaN缓冲层3、Si掺杂n型GaN4、量子阱5a、量子阱5b、p型AlGaN电子阻挡层6、p型GaN7、P型GaN接触层8。

本发明实施例中的外延结构基于传统工艺过程中，在生长量子垒层和量子阱层组成的多量子阱层时分为两个生长阶段进行，分别控制每个生长阶段所用载气气氛、载气流量。图1示出了本发明实施例子中的控制量子阱膜层厚度外延生长的方法流程图，包括如下步骤：

S101：在衬底表面上生长低温缓冲层；

S102：生长非掺杂氮化镓层；

S103：生长n型氮化镓层；

S104：生长由量子垒层和量子阱层组成的多量子阱层；

S105：生长电子阻挡层；

S106：生长p型氮化镓层；

S107：生长接触层。

本发明实施例中的改进具体是在S104中，这里将多量子阱层的生长分为两个阶段进行，通过生长阶段所用载气气氛、载气流量的不同而实现控制。

这里的载气气氛可以为氢气、氮气、氢气和氮气的组合。在两个生长阶段中，可以控制载气气氛的不同而实现多量子阱层的生长控制，比如第一阶段所用载气可以为氢气，第二阶段载气可以为氮气；第一阶段载气可以为氮气，第二阶段载气可以为氢气；第一阶段载气可以为氢气，第二阶段载气可以为氢气和氮气的组合；第一阶段载气为氮气，第二阶段载气可以为氢气和氮气的组合；第一阶段载气可以为氢气和氮气的组合，第二阶段载气可以为氢气；第一阶段载气可以为氢气和氮气的组合，第二阶段载气可以为氮气等。

这里需要说明的是，在两个生长阶段中可以控制载气的流量不同，也可以控制载气的流量相同来实现。本发明实施例中的两个生长阶段所设定的工艺时间可以是相同的，也可以不同。当然本发明实施例中两个生长阶段所生长的量子阱层厚度是不同的，而量子垒层厚度不同或者相同。

当然，本发明实施例可以在两个生长阶段中利用相同的载气，通过控制两个生长阶段中的载气的流量不同而实现控制量子阱膜层厚度的生长。这里的载气气氛可以为氢气、氮气、氢气和氮气的组合。本发明实施例中的两个生长阶段所设定的工艺时间可以是相同的，也可以不同。当然本发明实施例中两个生长阶段所生长的量子阱层厚度是不同的，而量子垒层厚度不同或者相同。

以下，结合现有技术中LED外延生长方法，介绍本发明实施例中的两个优选实施方案。

优选实施例之一：

第一步，在金属有机化学气相沉积（MOCVD）反应炉中，将衬底加热1050℃～1250℃进行烘烤5min～20min，去除表面污染物；此过程中通入氢气，流量在100sccm～500sccm；

第二步，在500℃～600℃下，生长10nm～40nm厚度的低温GaN缓冲层；

第三步，将腔体温度升高至1000℃～1200℃，生长1um～3um厚度的u型GaN缓冲层；

第四步，在温度1000℃～1200℃下，生长2um～5um厚度的n型GaN，Si掺杂浓度为1×10¹⁸/cm³～1×10²⁰/cm³；

第五步，制备发光层多量子阱，生长温度在700℃～850℃。该阶段分两步进行：首先，以氢气为载气，生长第一类量子阱5a结构。阱层厚度为1-5nm，垒层厚度为7nm-20nm；然后，以氮气为载气，生长第二类量子阱5b结构。阱层厚度为1nm-5nm，垒层厚度为7nm-20nm。量子阱层InGaN生长温度在600℃～750℃，量子垒层生长温度在750℃～950℃；5a部分阱层厚度小于5b部分阱层厚度，5a部分垒层厚度大于5b部分垒层厚度。在该实施例中，第一类量子阱的数量为10～25对，第二类量子阱的数量为5～20对，第一类量子阱的对数多余第二类量子阱的对数。

第六步，将温度升高至900℃～1000℃，生长p型AlGaN电子阻挡层，厚度20nm～50nm；

第七步，在温度为900℃～1000℃时生长p型GaN，Mg掺杂浓度1×10¹⁷/cm³～1×10¹⁹/cm³，厚度50nm～200nm；

第八步，生长p型GaN接触层，厚度2nm～30nm；

优选实施例之二：

第一步，在金属有机化学气相沉积（MOCVD）反应炉中，将衬底加热1050℃～1250℃进行烘烤5min～20min，去除表面污染物；此过程中通入氢气；

第五步，制备发光层多量子阱，生长温度在700℃～850℃。该阶段分两步进行：首先，以氢气和氮气混合气为载气，生长第一类量子阱5a结构。阱层厚度为1nm-5nm，垒层厚度为7nm-20nm；然后，以氮气为载气，生长第二类量子阱5b结构。阱层厚度为1nm-5nm，垒层厚度为7nm-20nm。量子阱层InGaN生长温度在700℃～750℃，量子垒层生长温度在750℃～850℃；5a部分阱层厚度小于5b部分阱层厚度，5a部分垒层厚度大于5b部分垒层厚度。在该实施例中，第一类量子阱的数量为10～25对，第二类量子阱的数量为5～20对，第一类量子阱的对数多余第二类量子阱的对数。

第六步，将温度升高至900℃～1000℃，生长p型AlGaN电子阻挡层，厚度20～50nm；

第七步，在温度为900℃～1000℃时生长p型GaN，Mg掺杂浓度1×10¹⁷/cm3～1×10¹⁹/cm3，厚度50nm～200nm；

第八步，生长p型GaN接触层，厚度2nm～30nm；

以上是本发明实施例中的优选实施例，这里还可以进一步改变两个生长阶段中的载气气氛，也可以改变载气流量，都能够达到本发明实施例的目的。通过实施本发明实施例，图3示出了本发明实施例中的GaN基LED的量子阱能带图，图4示出了本发明实施例中的GaN基LED的横截面电镜图。

综上，本发明实施例利用MO源的载气种类和流量对量子阱膜层的厚度产生影响，即达到控制膜层厚度的目的。同时，由于载气对膜层的掺杂作用也产生一定的影响，因此载气在实现膜厚控制的同时对量子阱禁带宽度也起一定的调节作用，从而影响到器件的发光波长。本发明的优点在于仅通过改变载气种类和流量，即可控制量子阱膜层厚度，又能够调节其禁带宽度。且本发明提供的控制量子阱膜层厚度外延生长的方法，工艺简单，生产效率高。

以上对本发明实施例所提供的控制量子阱膜层厚度外延生长的方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种控制量子阱膜层厚度外延生长的方法，在衬底表面上依次生长低温缓冲层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、量子垒层和量子阱层组成的多量子阱层、电子阻挡层、p型氮化镓层、接触层，在其特征在于，在生长量子垒层和量子阱层组成的多量子阱层时分为两个生长阶段进行，分别控制每个生长阶段所用载气气氛和/或载气流量。

2.如权利要求1所述的控制量子阱膜层厚度外延生长的方法，其特征在于，所述两个生长阶段中的载气气氛为氢气、或者为氮气、或者为氢气和氮气的组合，所述两个生长阶段中的载气气氛不同。

3.如权利要求2所述的控制量子阱膜层厚度外延生长的方法，其特征在于，所述两个生长阶段中的载气的流量相同。

4.如权利要求2所述的控制量子阱膜层厚度外延生长的方法，其特征在于，所述两个生长阶段中的载气的流量不同。

5.如权利要求1所述的控制量子阱膜层厚度外延生长的方法，其特征在于，所述两个生长阶段中的载气气氛为氢气、或者为氮气、或者为氢气和氮气的组合，所述两个阶段中的载气气氛相同，两个生长阶段中的载气的流量不同。

6.如权利要求1所述的控制量子阱膜层厚度外延生长的方法，其特征在于，所述两个生长阶段所设定的工艺时间相同，或者不同。

7.如权利要求1所述的控制量子阱膜层厚度外延生长的方法，其特征在于，所述两个生长阶段所生长的量子阱层厚度不同，量子垒层厚度不同或者相同。