CN103887392B - 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。本发明在生长GaN/InGaN量子阱垒周期结构中间加入了一层掺杂n型AlGaN势垒层，采用Al组分渐变结构，能够部分阻挡n区的电子，并且减小电子的注入动能，从而使得热电子容易被势阱俘获并在后面的量子阱区容易与空穴发生复合发光，减小电子溢出效应。之后的p型AlGaN阻挡层采用Al组分渐变结构，能够改善材料的生长质量，并且渐变结构相比以往的单一组分结构能够更利于空穴的注入效果同时对电子起到二次阻挡。
Description
技术领域
本发明属于LED器件材料制备和结构设计技术领域，特别涉及一种新的生长GaN基LED外延方法。
背景技术
GaN为基本材料的三五族半导体LED成为目前最具前景的照明光源。与传统的照明光源相比，LED半导体照明光源具有的优点有发光效率高、体积小、寿命长、节能、环保等，目前的GaN基LED外延生长结构过程一般为：先在蓝宝石衬底上生长一层低温GaN缓冲层，然后接着高温下生长一层未掺杂的GaN,再接着生长一层n型掺杂层，掺杂材料一般为硅烷，提供LED复合发光所需要的电子，然后接着生长几个周期的GaN/InGaN厚度分别为3nm和15nm左右的量子阱和量子垒作为LED的发光层，n掺杂区的电子和p掺杂区的空穴在量子阱区域复合发光，接着再生长掺杂镁的AlGaN层，起到阻挡电子的作用，最后生长一层掺杂镁的GaN层，这一层提供复合发光的空穴。以上所称的“高温”、“低温”在本领域是具有明确意义的技术术语。
目前的电子阻挡层多采用掺杂镁的p型AlGaN层；电子阻挡层在LED的外延中起着重要的作用，可以通过阻挡电子来提高电子和空穴在发光区的有效发光复合。我们分析认为，现有技术的p型AlGaN层均为单层，要起到良好的阻挡电子的作用就需要提高势垒的高度，但是较高的势垒同样也会限制空穴的注入效率，同时也不利于材料的生长，而且生长的过程中还要控制AlGaN的厚度，过厚或过薄都会产生不利影响，从而对LED的发光效率造成极大影响。
发明内容
为了提高LED芯片的发光效率，本发明提供一种新的外延生长方法和结构，来增强P型AlGaN层对电子的阻挡作用和增加空穴注入效率，并且提升AlGaN阻挡层的材料质量，从而最终提升LED整体的发光效率。
本发明的基本方案如下：
一种提高LED发光效率的外延生长方法，主要包括以下步骤：
（1）在蓝宝石衬底上生长低温GaN缓冲层；
（2）生长未掺杂的高温GaN层；
（3）生长掺杂硅烷的n型GaN层；
（4）生长掺杂硅烷的n型AlGaN层；
（5）生长若干个周期的GaN/InGaN量子阱垒结构；
在整个生长若干个周期的GaN/InGaN量子阱垒结构的过程中间，还插入生长一层掺硅烷的AlGaN垒层，其中Al的含量渐变增加；在该掺硅烷的AlGaN垒层后生长的量子阱垒周期结构，垒层掺杂硅烷且垒层周期递减；
（6）生长一层掺杂镁的p型AlGaN层，其中Al的组分渐变减小；
（7）长完之后生长一层掺杂镁的p型GaN；
（8）氮气氛围下退火。
基于上述基本方案，本发明还做如下优化限定和改进：
上述步骤（5）中插入生长掺硅烷的AlGaN垒层厚度为5-10nm，在生长过程中通入的Al的摩尔流速从0逐渐增加到20umol/min。上述步骤（6）生长掺杂镁的p型AlGaN层厚度为30-90nm，在生长过程中通入的Al的摩尔流速从40umol/min逐渐减小到0。
上述步骤（5）的三个阶段，第一阶段生长2-3个周期的GaN/InGaN量子阱垒结构，其中每个周期在850℃生长一层12nm GaN、在750℃生长一层3nm的InGaN；第二阶段温度升至950℃，生长一层厚度5nm掺硅烷的AlGaN垒层，其中通入的Al含量逐渐增加；第三阶段继续生长2-3个周期的GaN/InGaN量子阱垒结构，其中的垒层掺杂硅烷且垒层周期递减，其他生长条件与第一阶段的生长条件一致。
相应的，按照上述方法制得的外延片结构，主要包括依次生长的以下各层：
蓝宝石衬底；
低温GaN缓冲层；
高温GaN层；
掺杂硅烷的n型GaN层；
掺杂硅烷的n型AlGaN层；
若干个周期的GaN/InGaN量子阱垒结构；
在整个若干个周期的GaN/InGaN量子阱垒结构中间，还插入生长一层掺硅烷的AlGaN垒层，其中Al的含量渐变增加；在该掺硅烷的AlGaN垒层后生长的量子阱垒周期结构，垒层掺杂硅烷且垒层周期递减；
掺杂镁的p型AlGaN层，其中Al的组分渐变减小；
掺杂镁的p型GaN。
相应的优化结构如下：
插入生长掺硅烷的AlGaN垒层厚度为5-10nm，在生长过程中通入的Al的摩尔流速从0逐渐增加到20umol/min使得该掺硅烷的AlGaN垒层中Al含量沿生长方向渐变增加；掺杂镁的p型AlGaN层厚度为30-90nm，在生长过程中通入的Al的摩尔流速从40umol/min逐渐减小到0使得该掺杂镁的p型AlGaN层中Al含量沿生长方向渐变减小。
整个生长若干个周期的GaN/InGaN量子阱垒结构沿生长方向分为三层阶段：第一阶段共有2-3个周期的GaN/InGaN量子阱垒结构，其中每个周期依次生长12nm GaN、3nm的InGaN；第二阶段为厚度5nm掺硅烷的AlGaN垒层，其中Al含量沿生长方向逐渐增加；第三阶段共有2-3个周期的GaN/InGaN量子阱垒结构，其中的垒层掺杂硅烷且垒层周期递减，其他结构特点与第一阶段一致。
本发明具有以下有益效果：
本发明在生长GaN/InGaN量子阱垒周期结构中间加入了一层掺杂n型AlGaN势垒层，采用Al组分渐变结构，能够部分阻挡n区的电子，并且减小电子的注入动能，从而使得热电子容易被势阱俘获并在后面的量子阱区容易与空穴发生复合发光，减小电子溢出效应。之后的p型AlGaN阻挡层采用Al组分渐变结构，能够改善材料的生长质量，并且渐变结构相比以往的单一组分结构能够更利于空穴的注入效果同时对电子起到二次阻挡。
采用两个AlGaN渐变阻挡层能够对电子起到二次阻挡作用，利于电子在到达第一个阻挡层之后发生发光复合，并且减小电子的溢出效应，同时渐变的势垒对空穴提供了更加低的势能注入，增大空穴在后面阱的态密度，增大有效复合，从而提高LED的整体发光效率。附图说明
图1为生长的外延整体结构。
图2为为渐变双势垒AlGaN的能带结构。
具体实施方式
本发明运用金属有机化合物化学气相沉淀（MOCVD）外延生长技术，采用三甲基镓（TMGa），三乙基镓(TEGa)，和三甲基铟（TMIn）,三甲基铝(TMAl)和氨气（NH3）硅烷（SiH4）和二茂镁(cp2mg)分别提供生长所需要的镓源、铟源、铝源和氮源，其中硅烷和镁源分别用于n层和p层的掺杂。
本发明用现有的MOCVD技术设备先在蓝宝石衬底上500℃左右生长一层低温GaN缓冲层，然后接着在高温下1000℃左右生长一层未掺杂的GaN，接着在1000℃左右生长一层掺杂硅烷的n型GaN层，接着继续生长一层掺硅烷的n型AlGaN层，然后生长2-3个周期的GaN/InGaN量子阱垒结构，然后生长一层掺硅烷的AlGaN垒层，其中Al的含量逐渐增加，势垒为渐变结构，接着继续生长3个GaN/InGaN量子阱垒结构，其中的垒层掺杂硅烷；最后一个垒长完后生长一层掺杂镁的p型AlGaN层，其中Al的组分渐变减小，长完之后生长一层掺杂镁的p型GaN。
具体实例：
1.将蓝宝石衬底清洗处理后，放入MOCVD设备在1100℃烘烤10分钟。
2.降温到550℃生长一层厚度20nm的低温GaN层，生长压力为400torr。
3.升温到1020℃生长一层高温厚度1um的未掺杂GaN层，生长压力为300torr。
4.温度1030℃生长一层0.5um高温掺杂SiH4的n型GaN层，压力200torr。
5.在温度1030℃生长一层20nm掺硅烷的n型AlGaN层，压力200torr。
6.在氮气氛围下，在400torr,850℃生长一层12nm GaN和750℃生长一层3nm的InGaN的量子阱垒结构,生长3个周期。
7.然后温度升至950℃，打开SiH4，生长一层AlGaN，生长期间Al的摩尔流速从0逐渐增加到20umol/min，5nm左右，然后接着生长3个周期垒层掺杂硅烷的量子阱垒，其他生长条件与之前3个周期一样。
8.长完后将温度升至900℃，生长一层Al组分渐变的掺杂镁的p型AlGaN,生长期间Al的摩尔流速从40umol/min减小到0，生长厚度为30nm。
9.在950℃，200torr生长一层掺镁p型GaN层，厚度200nm。
10.在氮气氛围下，退火20分钟。
经测试，采用本发明的外延片制作的芯片较传统LED外延片在同等条件工艺下加工制作的芯片的光效提升大约30%。
需要强调的是，以上实施例中给出了能够达到最佳技术效果的具体参数，但这些温度、厚度、压力等具体参数大部分均是参照现有技术所做的常规选择，不应视为对本发明权利要求保护范围的限制。说明书中阐述了本发明技术改进的原理，本领域技术人员应当能够认识到在基本方案下对各具体参数做适度的调整仍然能够基本实现本发明的目的。
Claims (6)
1.一种提高LED发光效率的外延生长方法，主要包括以下步骤：
(1)在蓝宝石衬底上生长低温GaN缓冲层；
(2)生长未掺杂的高温GaN层；
(3)生长掺杂硅烷的n型GaN层；
(4)生长掺杂硅烷的n型AlGaN层；
(5)生长若干个周期的GaN/InGaN量子阱垒结构；
在整个生长若干个周期的GaN/InGaN量子阱垒结构的过程中间，还插入生长一层掺硅烷的AlGaN垒层，其中Al的含量渐变增加；在该掺硅烷的AlGaN垒层后生长的量子阱垒周期结构，垒层掺杂硅烷且垒层周期递减；
(6)生长一层掺杂镁的p型AlGaN层，其中Al的组分渐变减小；
(7)长完之后生长一层掺杂镁的p型GaN；
(8)氮气氛围下退火。
2.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于：步骤(5)中插入生长掺硅烷的AlGaN垒层厚度为5-10nm，在生长过程中通入的Al的摩尔流速从0逐渐增加到20μmol/min；步骤(6)生长掺杂镁的p型AlGaN层厚度为30-90nm，在生长过程中通入的Al的摩尔流速从40μmol/min逐渐减小到0。
3.根据权利要求1或2所述的外延生长方法，其特征在于：步骤(5)的三个阶段，第一阶段生长2-3个周期的GaN/InGaN量子阱垒结构，其中每个周期在850℃生长一层12nm GaN、在750℃生长一层3nm的InGaN；第二阶段温度升至950℃，生长一层厚度5nm掺硅烷的AlGaN垒层，其中通入的Al含量逐渐增加；第三阶段继续生长2-3个周期的GaN/InGaN量子阱垒结构，其中的垒层掺杂硅烷且垒层周期递减，其他生长条件与第一阶段的生长条件一致。
4.一种能够提高LED发光效率的外延片结构，其特征在于，包括依次生长的以下各层：
蓝宝石衬底；
低温GaN缓冲层；
高温GaN层；
掺杂硅烷的n型GaN层；
掺杂硅烷的n型AlGaN层；
若干个周期的GaN/InGaN量子阱垒结构；
在整个若干个周期的GaN/InGaN量子阱垒结构中间，还插入生长一层掺硅烷的AlGaN垒层，其中Al的含量渐变增加；在该掺硅烷的AlGaN垒层后生长的量子阱垒周期结构，垒层掺杂硅烷且垒层周期递减；
掺杂镁的p型AlGaN层，其中Al的组分渐变减小；
掺杂镁的p型GaN。
5.根据权利要求4所述的外延片结构，其特征在于：插入生长掺硅烷的AlGaN垒层厚度为5-10nm，在生长过程中通入的Al的摩尔流速从0逐渐增加到20μmol/min使得该掺硅烷的AlGaN垒层中Al含量沿生长方向渐变增加；掺杂镁的p型AlGaN层厚度为30-90nm，在生长过程中通入的Al的摩尔流速从40μmol/min逐渐减小到0使得该掺杂镁的p型AlGaN层中Al含量沿生长方向渐变减小。
6.根据权利要求4或5所述的外延片结构，其特征在于，整个生长若干个周期的GaN/InGaN量子阱垒结构沿生长方向分为三层阶段：第一阶段共有2-3个周期的GaN/InGaN量子阱垒结构，其中每个周期依次生长12nm GaN、3nm的InGaN；第二阶段为厚度5nm掺硅烷的AlGaN垒层，其中Al含量沿生长方向逐渐增加；第三阶段共有2-3个周期的GaN/InGaN量子阱垒结构，其中的垒层掺杂硅烷且垒层周期递减，其他结构特点与第一阶段一致。
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