CN103730552B - 一种提高led发光效率的外延生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提高LED发光效率的外延生长方法，其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中的最后一个量子垒（LQB）其生长工艺中多量子阱有源层中的最后一个量子垒（LQB）为多层或多组分复合结构，多量子阱有源层中的最后一个量子垒（LQB）结构为AlxGa1‑xN/InyGa1‑yN(0<x<1,0<y<1)超晶格结构生长。本发明通过在外延结构有源区中的垒层，优选对MQW结构的最后一个垒层采用AlGaN/InGaN超晶格结构生长，可以获得较高的晶体质量，有效减少晶格失配产生的应力，有效减少电子泄露，提高电子与空穴的辐射复合效率，从而实现发光效率的提高。

Description

一种提高 LED 发光效率的外延生长方法
技术领域
本发明涉及半导体照明技术领域，具体为一种提高LED发光效率的外延生长方法。
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，垒层材料的结晶质量、界面的陡峭程度、载流子限制、载流子注入、量子限制斯塔克效应、电子泄漏等与阱垒生长方式有着密切关系。为进一步改善和提高LED的发光效率，特别是内量子效率的提高，我们对量子阱结构中的垒层采取优化生长，其目的在于改善自发极化及压电极化所引起的量子限制斯塔克效应（QCSE），减弱极化电场影响，降低材料晶格失配，减小应力。通过优化结构的垒层外延生长方法，可以有效减少电子泄露，提高电子与空穴的辐射复合效率，提高内量子效率，从而提高器件的发光效率。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种提高LED发光效率的外延生长方法，以解决上述背景技术中的问题。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种提高LED发光效率的外延生长方法，其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，其生长方法包括以下步骤：
步骤一，将衬底在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；
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，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，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层生长结束后，生长多量子阱结构MQW，所述多量子阱结构MQW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MQW生长结束后，生长多量子阱有源层，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的厚度在2-5nm之间；所述发光层多量子阱中In的摩尔组分含量是不变的，在10%-50%之间；最后一个量子垒（LQB）结构采用AlxGa1-xN/InyGa1-yN(0<x<1, 0<y<1)超晶格结构生长，周期数为1-20，每个周期的厚度为5-30nm，生长温度在820-920℃之间，压力在100-500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在10-5000之间；
步骤七，所述多量子阱有源层生长结束后，生长厚度为10-100nm的低温P型GaN层，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层生长结束后，生长厚度为10-50nm的P型AlGaN层，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层生长结束后，生长厚度为100-800nm的高温P型GaN层，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层生长结束后，生长厚度在5-20nm之间的P型接触层，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；随后，经过清洗、沉积、光刻和刻蚀后续加工工艺制成单颗小尺寸芯片。
所述多量子阱有源层中的最后一个量子垒（LQB）其生长工艺中多量子阱有源层中的最后一个量子垒（LQB）为多层或多组分复合结构，多量子阱有源层中的最后一个量子垒（LQB）结构为AlxGa1-xN/InyGa1-yN(0<x<1, 0<y<1)超晶格结构生长。
所述多量子阱有源层中的最后一个量子垒（LQB）结构为AlxInyGa1-x-yN/GaN(0<x<1, 0<y<1)超晶格结构生长。
所述多量子阱有源层中的最后一个量子垒（LQB）结构为AlxInyGa1-x-yN/AlzGa1-zN(0<x<1, 0<y<1, 0<z<1)超晶格结构生长。
所述多量子阱有源层中的最后一个量子垒（LQB）结构为AlxGa1-xN/AlxInyGa1-x-yN (0<x<1, 0<y<1)超晶格结构生长。
所述多量子阱有源层中的最后一个量子垒（LQB）结构周期数为1-20，每个周期的厚度为5-30nm。
所述外延生长方法以高纯氢气（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。
本发明的原理为：通过对多量子阱有源层中的最后一个量子垒（LQB）结构进行优化，实现与多量子阱中的InGaN/GaN中的InGaN材料及与P型GaN外延层中的GaN之间的晶格失配，可以获得较高的晶体质量，有效减少晶格失配产生的应力，有效减少电子泄露，提高电子与空穴的辐射复合效率，提高内量子效率，从而实现发光效率的提高。
与已公开技术相比，本发明存在以下优点：本发明通过在外延结构有源区中的垒层，优选对MQW结构的最后一个垒层采用AlGaN/InGaN超晶格结构生长，通过调节具有超晶格结构的垒层AlGaN/InGaN 中的Al及In的含量配比，实现与多量子阱中的InGaN/GaN中的InGaN材料及与P型GaN外延层中的GaN之间的晶格失配，该方法可以获得较高的晶体质量，有效减少晶格失配产生的应力，有效减少电子泄露，提高电子与空穴的辐射复合效率，提高内量子效率，从而实现发光效率的提高。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种提高LED发光效率的外延生长方法，包括以下具体步骤：
步骤一，将衬底在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，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，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层生长结束后，生长多量子阱结构MQW，所述多量子阱结构MQW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MQW生长结束后，生长多量子阱有源层，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的厚度在2-5nm之间；所述发光层多量子阱中In的摩尔组分含量是不变的，在10%-50%之间；最后一个量子垒（LQB）结构采用AlxGa1-xN/InyGa1-yN(0<x<1, 0<y<1)超晶格结构生长，周期数为1-20，每个周期的厚度为5-30nm，生长温度在820-920℃之间，压力在100-500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在10-5000之间；
步骤七，所述多量子阱有源层生长结束后，生长厚度为10-100nm的低温P型GaN层，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层生长结束后，生长厚度为10-50nm的P型AlGaN层，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层生长结束后，生长厚度为100-800nm的高温P型GaN层，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层生长结束后，生长厚度在5-20nm之间的P型接触层，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。
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。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种提高LED发光效率的外延生长方法，其特征在于：其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，其生长方法包括以下步骤：
步骤一，将衬底在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；
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，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，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层生长结束后，生长多量子阱结构MQW，所述多量子阱结构MQW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MQW生长结束后，生长多量子阱有源层，所述多量子阱有源层生长温度在720-820℃之间，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-5000之间，所述多量子阱有源层由3-20个周期的InyGa1-yN(x<y<1)/GaN多量子阱组成，所述多量子阱有源层的厚度在2-5nm之间；所述多量子阱有源层中In的摩尔组分含量是不变的，在10％-50％之间；最后一个量子垒(LQB)结构采用AlxGa1-xN/InyGa1-yN(0<x<1,0<y<1)超晶格结构生长，周期数为1-20，每个周期的厚度为5-30nm，生长温度在820-920℃之间，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在10-5000之间；
步骤七，所述多量子阱有源层生长结束后，生长厚度为10-100nm的低温P型GaN层，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层生长结束后，生长厚度为10-50nm的P型AlGaN层，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层生长结束后，生长厚度为100-800nm的高温P型GaN层，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层生长结束后，生长厚度在5-20nm之间的P型接触层，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；随后，经过清洗、沉积、光刻和刻蚀后续加工工艺制成单颗小尺寸芯片。
2.根据权利要求1所述的一种提高LED发光效率的外延生长方法，其特征在于：所述多量子阱有源层中的最后一个量子垒(LQB)其生长工艺中多量子阱有源层中的最后一个量子垒(LQB)为多层或多组分复合结构，多量子阱有源层中的最后一个量子垒(LQB)结构为AlxGa1-xN/InyGa1-yN(0<x<1,0<y<1)超晶格结构生长。
3.根据权利要求1所述的一种提高LED发光效率的外延生长方法，其特征在于：所述多量子阱有源层中的最后一个量子垒(LQB)结构为AlxInyGa1-x-yN/GaN(0<x<1,0<y<1)超晶格结构生长。
4.根据权利要求1所述的一种提高LED发光效率的外延生长方法，其特征在于：所述多量子阱有源层中的最后一个量子垒(LQB)结构为AlxInyGa1-x-yN/AlzGa1-zN(0<x<1,0<y<1,0<z<1)超晶格结构生长。
5.根据权利要求1所述的一种提高LED发光效率的外延生长方法，其特征在于：所述多量子阱有源层中的最后一个量子垒(LQB)结构为AlxGa1-xN/AlxInyGa1-x-yN(0<x<1,0<y<1)超晶格结构生长。
6.根据权利要求1所述的一种提高LED发光效率的外延生长方法，其特征在于：所述外延生长方法以高纯氢气(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。
7.根据权利要求1所述的一种提高LED发光效率的外延生长方法，其特征在于：所述衬底为蓝宝石、GaN、碳化硅(SiC)单晶。
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