CN105977351B - 一种紫外led有源区多量子阱的生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种紫外LED有源区多量子阱的生长方法，其生长方法包括以下步骤：步骤一，在蓝宝石衬底上，生长UGaN层，步骤二，所述UGaN层生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的N‑GaN层，步骤三，所述N‑GaN层生长结束后，生长多量子阱结构MQW层，步骤四，所述多量子阱结构MQW层生长结束后，生长有源区多量子阱发光层，步骤五，所述有源区多量子阱发光层生长结束后，以N2作为载气生长P型氮化镓层，步骤六，P型氮化镓层生长结束后，进行退火处理即得LED外延结构。本发明的生产工艺可以优化电子的浓度分布，抑制电子泄露，减小多量子阱生长过程中产生的应力，减小量子限制斯塔克效应(QCSE)，增加电流注入效率，提高多量子阱发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体为一种紫外LED有源区多量子阱的生长方法。
背景技术
基于三族氮化物(III-nitride)宽禁带半导体材料的紫外发光二极管(Ultraviolet Light-Emitting Diode)，在杀菌消毒、聚合物固化、特种照明、光线疗法及生化探测等领域具有广阔的应用前景。
随着LED的不断发展，GaN基高亮度LED已经大规模商业化，并在景观照明、背光应用及光通讯等领域显示出强大的市场潜力。同时，白色LED固态照明发展如火如荼，正引发第三次照明革命。随着可见光领域的逐渐成熟，人们逐渐将研究重点转向波长较短的紫外光LED，紫外光依据波长通常可以划分为：长波紫外UVA(320-400nm)、中波紫外UVB(280-320nm)、短波紫外UVC(200-280nm)以及真空紫外VUV(10-200nm)。
为实现短波段的UV-LED，主要通过提高AlGaN外延材料及量子阱结构中的Al组分，随着Al组分的提高，高质量的材料外延及更好的实现有效掺杂面临越来越高的挑战。可以说，UV-LED很大程度上得益于核心AlGaN材料制备技术的进展，主要在于AlGaN材料的外延生长及掺杂水平。特别在UV-LED的有源区量子阱结构中，量子阱及量子垒之间的组分差异以及异质外延造成的材料应力，使得外延量子阱生长过程中存在较大的极化电场。量子阱区域产生的强极化电场，会导致能带弯曲，电子和空穴函数的空间分离，降低辐射复合效率，进而降低UV-LED的内量子效率。同时，当电流逐渐增大时，工作电压大于内建电场，会产生大量电子泄露，Droop效应增加。因此，为实现UV-LED较高的量子效率，还是一个较难的挑战。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种紫外LED有源区多量子阱的生长方法，针对现有UV-LED紫光发光二极管中存在的较强极化电场以及载流子分布不均匀所导致的量子阱发光效率减小的问题，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：一种紫外LED有源区多量子阱的生长方法，其LED芯片的外延片结构从下向上的顺序依次为：蓝宝石衬底、UGaN层、N-GaN层、多量子阱结构MQW层、有源区多量子阱发光层、P型氮化镓层，其生长方法包括以下步骤：
步骤一，在蓝宝石衬底上，将温度调节至1000-1200℃之间，通入TMGa，生长厚度为0.5-2.5um间的UGaN层，生长压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-2500之间；
步骤二，所述UGaN层生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的N-GaN层，厚度在1.5-4.5um，生长温度在1000-1200℃之间，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在50-2000之间；
步骤三，所述N-GaN层生长结束后，生长多量子阱结构MQW层，生长温度在600-1000℃之间，生长压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在200-5000之间，所述多量子阱结构MQW层由1-20层InxGa1-XN/GaN多量子阱组成，所述多量子阱的厚度在1.5-6.5nm之间，垒的厚度在10-35nm之间；
步骤四，所述多量子阱结构MQW层生长结束后，生长有源区多量子阱发光层，生长温度在720-920℃之间，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-8000之间，所述有源区多量子阱由3-30个周期的InxGa1-xN/AlGaN多量子阱组成，其中x:0.1-0.6，有源区多量子阱多个循环生长分为不同组(loops)生长，不同组的阱的生长方式为In组分递进增加，阱宽梯度变大，同时，每层量子垒AlyGa1-yN的Al含量逐渐增加，其中y:0.1-0.6，上述阱的深度与宽度变大与量子垒中的Al含量逐渐增加呈规律的对应关系；
步骤五，所述有源区多量子阱发光层生长结束后，以N2作为载气生长厚度20-100nm之间的P型氮化镓层，生长温度在620-1200℃之间，生长时间在5-45min之间，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在200-6000之间；
步骤六，P型氮化镓层生长结束后，将反应室的温度降至450-800℃之间，采用纯氮气氛围进行退火处理2～20min，然后降至室温，即得LED外延结构，外延结构经过清洗、沉积、光刻和刻蚀后续加工工艺制成单颗芯片。
所述紫外LED有源区多量子阱的生长方法以纯氢气或氮气作为载气，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。
与已公开技术相比，本发明存在以下优点：本发明的生产工艺可以优化电子的浓度分布，抑制电子泄露，减小多量子阱生长过程中产生的应力，减小量子限制斯塔克效应(QCSE)，增加电流注入效率，提高多量子阱发光效率。
附图说明
图1为本发明的紫外LED结构示意图。
图2为本发明的有源区多量子阱发光层能带示意图。
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
一种紫外LED有源区多量子阱的生长方法，其LED芯片的外延片结构从下向上的顺序依次为：蓝宝石衬底、UGaN层、N-GaN层、多量子阱结构MQW层、有源区多量子阱发光层、P型氮化镓层，其生长方法包括以下步骤：
步骤一，在蓝宝石衬底上，将温度调节至1000-1200℃之间，通入TMGa，生长厚度为0.5-2.5um间的UGaN层，生长压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-2500之间；
步骤二，所述UGaN层生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的N-GaN层，厚度在1.5-4.5um，生长温度在1000-1200℃之间，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在50-2000之间；
步骤三，所述N-GaN层生长结束后，生长多量子阱结构MQW层，生长温度在600-1000℃之间，生长压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在200-5000之间，所述多量子阱结构MQW层由1-20层InxGa1-XN/GaN多量子阱组成，所述多量子阱的厚度在1.5-6.5nm之间，垒的厚度在10-35nm之间；
步骤四，所述多量子阱结构MQW层生长结束后，生长有源区多量子阱发光层，生长温度在720-920℃之间，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-8000之间，所述有源区多量子阱由3-30个周期的InxGa1-xN/AlGaN多量子阱组成，其中x:0.1-0.6，有源区多量子阱多个循环生长分为不同组(loops)生长，不同组的阱的生长方式为In组分递进增加，阱宽梯度变大，同时，每层量子垒AlyGa1-yN的Al含量逐渐增加，其中y:0.1-0.6，上述阱的深度与宽度变大与量子垒中的Al含量逐渐增加呈规律的对应关系；
步骤五，所述有源区多量子阱发光层生长结束后，以N2作为载气生长厚度20-100nm之间的P型氮化镓层，生长温度在620-1200℃之间，生长时间在5-45min之间，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在200-6000之间；
步骤六，P型氮化镓层生长结束后，将反应室的温度降至450-800℃之间，采用纯氮气氛围进行退火处理2～20min，然后降至室温，即得LED外延结构，外延结构经过清洗、沉积、光刻和刻蚀后续加工工艺制成单颗芯片。
实施例2
一种紫外LED有源区多量子阱的生长方法，其生长方法包括以下步骤：
步骤一，在蓝宝石衬底上，将温度调节至1100℃，通入TMGa，生长厚度为1.5um的UGaN层，生长压力在300Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在500；
步骤二，所述UGaN层生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的N-GaN层，厚度在2.5um，生长温度在1100℃，压力在300Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在500；
步骤三，所述N-GaN层生长结束后，生长多量子阱结构MQW层，生长温度在800℃，生长压力在300Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在2000，所述多量子阱结构MQW层由1-20层InxGa1-XN/GaN多量子阱组成，所述多量子阱的厚度在1.5-6.5nm之间，垒的厚度在10-35nm之间。
步骤四，所述多量子阱结构MQW层生长结束后，生长有源区多量子阱发光层，生长温度在820℃，压力在400Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在5000，所述有源区多量子阱由3-30个周期的InxGa1-xN/AlGaN多量子阱组成，其中x:0.1-0.6，有源区多量子阱多个循环生长分为不同组(loops)生长，不同组的阱的生长方式为In组分递进增加，阱宽梯度变大，同时，每层量子垒AlyGa1-yN的Al含量逐渐增加，其中y:0.1-0.6，上述阱的深度与宽度变大与量子垒中的Al含量逐渐增加呈规律的对应关系。
步骤五，所述有源区多量子阱发光层生长结束后，以N2作为载气生长厚度80nm的P型氮化镓层，生长温度在920℃，生长时间在30min，压力在400Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在4000；
步骤六，P型氮化镓层生长结束后，将反应室的温度降至500℃，采用纯氮气氛围进行退火处理2～20min，然后降至室温，即得LED外延结构，外延结构经过清洗、沉积、光刻和刻蚀后续加工工艺制成单颗芯片。
本实施例以纯氢气或氮气作为载气，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 (5)
1.一种紫外LED有源区多量子阱的生长方法，其特征在于：其LED芯片的外延片结构从下向上的顺序依次为：蓝宝石衬底、UGaN层、N-GaN层、多量子阱结构MQW层、有源区多量子阱发光层、P型氮化镓层，其生长方法包括以下步骤：
步骤一，在蓝宝石衬底上，将温度调节至1000-1200℃之间，通入TMGa，生长厚度为0.5-2.5um间的UGaN层，生长压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-2500之间；
步骤二，所述UGaN层生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的N-GaN层；
步骤三，所述N-GaN层生长结束后，生长多量子阱结构MQW层；
步骤四，所述多量子阱结构MQW层生长结束后，生长有源区多量子阱发光层，生长温度在720-920℃之间，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-8000之间，所述有源区多量子阱由3-30个周期的InxGa1-xN/AlGaN多量子阱组成，其中x:0.1-0.6，有源区多量子阱多个循环生长分为不同组(loops)生长，不同组的阱的生长方式为In组分递进增加，阱宽梯度变大，同时，每层量子垒AlyGa1-yN的Al含量逐渐增加，其中y:0.1-0.6，上述阱的深度与宽度变大与量子垒中的Al含量逐渐增加呈规律的对应关系；
步骤五，所述有源区多量子阱发光层生长结束后，以N2作为载气生长厚度20-100nm之间的P型氮化镓层；
步骤六，P型氮化镓层生长结束后，将反应室的温度降至450-800℃之间，采用纯氮气氛围进行退火处理2～20min，然后降至室温，即得LED外延结构，外延结构经过清洗、沉积、光刻和刻蚀后续加工工艺制成单颗芯片。
2.根据权利要求1所述的一种紫外LED有源区多量子阱的生长方法，其特征在于：所述步骤二中生长一层掺杂浓度稳定的N-GaN层，厚度在1.5-4.5um，生长温度在1000-1200℃之间，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在50-2000之间。
3.根据权利要求1所述的一种紫外LED有源区多量子阱的生长方法，其特征在于：所述步骤三中生长多量子阱结构MQW层，生长温度在600-1000℃之间，生长压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在200-5000之间，所述多量子阱结构MQW层由1-20层InxGa1-XN/GaN多量子阱组成，所述多量子阱的厚度在1.5-6.5nm之间，垒的厚度在10-35nm之间。
4.根据权利要求1所述的一种紫外LED有源区多量子阱的生长方法，其特征在于：所述步骤五中以N2作为载气生长厚度20-100nm之间的P型氮化镓层，生长温度在620-1200℃之间，生长时间在5-45min之间，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在200-6000之间。
5.根据权利要求1所述的一种紫外LED有源区多量子阱的生长方法，其特征在于：所述紫外LED有源区多量子阱的生长方法以纯氢气或氮气作为载气，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。
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