CN106206887A - 一种发光二极管外延片及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种发光二极管外延片及其生产方法,本发明涉及半导体光电子器件制造领域,在生长多量子阱有源区时,本发明在生长多量子阱有源区时,对其中的每一组结构层的生长的生长材料进行控制,循环进行2~12组结构层的生长,在生长每一组结构层时,依次生长AlxInyGa1‑x‑yN量子垒层、AlN晶核层、网状结构SiN薄层、InxGa1‑xN量子阱层和AlxGa1‑xN薄层。本发明工艺合理,制成的产品稳定性好,正品率高,避免了多量子阱生长遇到的In组分分散不均问题及QCSE现象的发生。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件制造领域,尤其一种外延片的生长技术。
背景技术
发光二极管(LED)具有长寿、节能、环保、可靠性高等优点,近年来,LED在大屏幕彩色显示、交通信号灯和照明等领域发挥了越来越重要的作用。但要在全彩屏显示和照明领域上能得到更加广泛的应用,则需要进一步提升LED外延产出的均一性。
多量子阱有源区作为LED的核心区域,通常由多组InGaN量子阱和GaN垒层交替重叠构成。此结构因材料之间的晶格失配导致材料之间形成应力,此应力一方面积累对材料形成翘曲,导致In组分分散不均,不利于产品的波长均一性,另一方面导致极化电场产生,进而导致量子阱有源区能带倾斜,形成量子限制斯塔克效应(QCSE)现象。
发明内容
本发明目的是提出一种发光二极管外延片,以解决上述多量子阱生长遇到的In组分分散不均问题及QCSE现象。
本发明包括依次外延设置在衬底同一侧的AlN成核层、AlGaN非掺杂层、n型AlGaN电子注入层、多量子阱有源区、AlGaN电子阻挡层和AlGaN空穴注入层;其特点是:所述多量子阱有源区由呈周期设置的2~12组结构层组成,每一组结构层由依次设置的AlxInyGa1-x-yN量子垒层、AlN晶核层、网状结构SiN薄层、InxGa1-xN量子阱层和AlxGa1-xN薄层组成。
本发明采用特殊的多量子阱有源区结构层,借助低温下Al迁移率偏低特性,形成AlN晶核层,通过在AlN晶核上覆盖SiN薄层,因SiN连续薄膜的形成需要较厚的堆积,故通过控制SiN薄层的厚度可使其薄膜不连续,形成网状结构覆盖于AlN晶核上,使部分AlN晶核暴露于SiN薄层外,利用Si-N键能远大于(In)Ga-N键能,在Si-N面上较难形成InGaN的二次成核的特点,而InGaN量子阱层可达到择优沉积在暴露的AlN晶核上,进而形成类量子点结构,避免In富积效应,改善外延片发光的均一性。本发明还通过在InGaN量子阱层上设置AlxGa1-xN薄膜,达到了对电子形成的限制作用,改善电子-空虚复合几率。
总之,本发明可避免In富积而产生的量子限制斯塔克效应(QCSE)的发生,有效改善外延片发光的均一性,提高发光效率。
进一步地,本发明每一组结构层中所述AlxInyGa1-x-yN量子垒层的厚度为6~15nm;AlN晶核层的厚度为1~10nm;网状结构SiN薄层的厚度为0.5~1nm;InxGa1-xN量子阱层的厚度为3~5nm;AlxGa1-xN薄层的厚度为1~2nm。
量子垒层设计厚度为6~15nm能更好的对电子起到限制作用,同时保证材料的晶体质量。AlN晶核层厚度设计厚度为1~10nm便于形成三维岛状结构,同时避免过厚形成致密的连续薄膜。SiN设计厚度为0.5~1nm主要目的实现SiN的网络结构,避免过厚形成连续薄膜,InxGa1-xN设计厚度为3~5nm有利于匹配量子垒层厚度,尽可能降低垒层与阱层的极化强度,同时得到较适宜的带隙宽度。AlxGa1-xN薄层的厚度设计为1~2nm,一方面提供对电子的限制作用,同时减少因材料过厚导致的极化效应。
本发明的另一目的是提出以上产品的生产方法。
本发明生产方法包括在衬底的同一侧依次生长AlN成核层、AlGaN非掺杂层、n型AlGaN电子注入层、多量子阱有源区、AlGaN电子阻挡层和AlGaN空穴注入层;特点是:在生长多量子阱有源区时,循环进行2~12组结构层的生长,在生长每一组结构层时,依次生长AlxInyGa1-x-yN量子垒层、AlN晶核层、网状结构SiN薄层、InxGa1-xN量子阱层和AlxGa1-xN薄层。
本发明在生长多量子阱有源区时,对其中的每一组结构层的生长的生长材料进行控制,特别是采用低温生长AlN,借助低温下Al迁移率偏低特性,形成AlN晶核层,之后通过在AlN晶核层上覆盖一层SiN薄层,因SiN连续薄膜的形成需要较厚的堆积,故通过控制SiN薄层的厚度使其薄膜不连续,形成网状结构覆盖于AlN晶核上,使部分AlN晶核暴露于SiN薄层外,然后,再利用Si-N键能远大于(In)Ga-N键能,在Si-N面上较难形成InGaN的二次成核的特点,使InGaN量子阱层择优沉积在暴露的AlN晶核上,进而形成类量子点结构,避免In富积效应,改善外延片发光的均一性,后通过在InGaN量子阱层上生长AlGaN薄膜,对电子形成限制作用,改善电子-空虚复合几率,提高发光效率。
本发明工艺合理,制成的产品稳定性好,正品率高。
另外,本发明所述AlxInyGa1-x-yN量子垒层中,x为0.01~0.1,y为0.05~0.2;生长所述AlxInyGa1-x-yN量子垒层的环境温度为900~1000℃,生长形成的每一层AlxInyGa1-x-yN量子垒层厚度为6~15nm。该厚度的量子垒能更好的对电子起到限制作用,同时保证材料的晶体质量。AlxInyGa1-x-yN量子垒中x为0.01~0.1,y为 0.05~0.2,此组分设计一方面有利于四元合金材料的生长,保证材料质量,同时起到相应的电子限制作用。
在生长所述AlN晶核层时,生长时的环境温度为550~650℃,生长形成的每一层AlN晶核层厚度为1~10nm。此温度条件有利于实现Al的迁移率低的性能,促进三维结构的生长,同时1~10nm的厚度避免晶核过厚堆积形成致密的连续薄膜。
在生长所述网状结构SiN薄层时,生长时的环境温度为800~900℃,生长形成的每一层网状结构SiN薄层厚度为0.5~1nm。该厚度的设计主要目的实现SiN的网络结构,避免过厚形成连续薄膜。800~900℃的生长环境一方面有利于Si进一步在平面的扩散延伸,同时对Si-N形成部分刻蚀作用,便于网格材料的形成。
在生长所述InxGa1-xN量子阱层时,生长时的环境温度为800~900℃,生长形成的每一层InxGa1-xN量子阱层厚度为3~5nm。InxGa1-xN设计的厚度为3~5nm有利于匹配量子垒层厚度,尽可能降低垒层与阱层的极化强度,同时得到较适宜的带隙宽度。生活环境设定为800~900℃一方面有利于形成较高的晶体质量,同时避免对In组分的析出作用。
在生长所述AlxGa1-xN薄层时,生长时的环境温度为900~1000℃,生长形成的每一层AlxGa1-xN薄层厚度为1~2nm。该薄层厚度的设计一方面提供对电子的限制作用,同时减少因材料过厚导致的极化效应。900~1000℃环境温度的生长设计有利于该薄层二维平面生长,形成较高晶体质量的薄膜。
附图说明
图1为本发明产品的一种结构示意图。
图2为本发明产品中多量子阱有源区中一组结构层的形貌示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种紫光发光二极管外延结构及其生长方法,采用MOCVD设备进行外延生长,使用NH3作为N源,使用TMGa(三甲基镓)或TEGa(三乙基镓)作为Ga源,使用TMIn(三甲基铟)作为In源。
一、生产工艺步骤如图1、2所示:
1、在蓝宝石衬底L1上生长一层AlN成核层L2:
生长温度550℃,压力为65000Pa,厚度为30nm,NH3流量为15000sccm,TMAl流量100sccm,生长气氛为H2 。
2、在AlN成核层L2上生长AlGaN非掺杂层L3:
生长温度1050℃,压力为40000Pa,NH3流量为10000sccm,TMAl流量30sccm,TMGa流量为300sccm,生长气氛为H2,厚度约3μm。
3、在AlGaN非掺杂层L3上生长一层n型AlGaN电子注入层L4:
生长温度1100℃,压力20000Pa,厚度约为3μm,掺杂浓度为1×1019cm-3,NH3流量为10000sccm,TMAl流量20sccm,TMGa流量为200sccm,生长气氛为H2。
4、在n型AlGaN电子注入层L4上生长循环生长由8组结构层组成的多量子阱有源区L5:
在生长每一组结构层时压力分别为30000Pa,并注意以下各参数的控制:
Al0.1In0.03Ga0.87N量子垒层L51的生长温度为900~1000℃,厚度为6~15nm,NH3流量为10000sccm,TEGa流量设定为900sccm,TMAl流量设定为100sccm,TMIn流量设定为300sccm。
量子垒层生长结束后降温至550~650℃,保持NH3流量不变,生长AlN晶核层L52,该层厚度为1~10nm。
AlN晶核层生长结束后升温至800~900℃,生长网状结构SiN薄层L53,该层厚度控制在0.5~1nm。
网状结构SiN薄层生长结束后保持温度不变,生长In0.1Ga0.9N 量子阱层L54,TEGa流量设定为400sccm,TMIn流量设定为600sccm。
多量子阱有源区InGaN阱层生长结束后,升温至900~1000℃,生长Al0.2Ga0.8N薄层L55。
5、在多量子阱有源区L5上生长6对p型Al0.3Ga0.7N/Al0.5Ga0.5N电子阻挡层L6:
生长温度1000℃,生长压力10000Pa,Al0.3Ga0.7N/Al0.5Ga0.5N生长厚度分别为10nm/2nm,Mg原子掺杂浓度为2×1019cm-3,NH3流量为10000sccm, Al0.3Ga0.7N/Al0.5Ga0.5N周期中Al源流量分别为60sccm及100sccm,生长气氛为N2。
6、在p型Al0.3Ga0.7N/Al0.5Ga0.5N电子阻挡层L6上生长p型Al0.2Ga0.8N空穴注入层L7:
生长温度1050℃,压力为20000Pa, Mg掺杂浓度1×1020cm-3,厚度为50nm。
二、产品结构特点:
如图1所示,在衬底L1同一侧依次外延设置有AlN成核层L2、AlGaN非掺杂层L3、n型AlGaN电子注入层L4、多量子阱有源区L5、AlGaN电子阻挡层L6和AlGaN空穴注入层L7。多量子阱有源区L5由呈周期设置的2~12组结构层组成。
如图2所示,多量子阱有源区L5中每一组结构层由依次设置的AlxInyGa1-x-yN量子垒层L51、AlN晶核层L52、网状结构SiN薄层L53、InxGa1-xN量子阱层L54和AlxGa1-xN薄层组成L55。
其中,AlxInyGa1-x-yN量子垒层L51的厚度为6~15nm;AlN晶核层L52的厚度为1~10nm;网状结构SiN薄层L53的厚度为0.5~1nm;InxGa1-xN量子阱层L54的厚度为3~5nm;AlxGa1-xN薄层L55的厚度为1~2nm。
Claims (8)
1.一种发光二极管外延片,包括依次外延设置在衬底同一侧的AlN成核层、AlGaN非掺杂层、n型AlGaN电子注入层、多量子阱有源区、AlGaN电子阻挡层和AlGaN空穴注入层;其特征在于:所述多量子阱有源区由呈周期设置的2~12组结构层组成,每一组结构层由依次设置的AlxInyGa1-x-yN量子垒层、AlN晶核层、网状结构SiN薄层、InxGa1-xN量子阱层和AlxGa1-xN薄层组成。
2.根据要求1所述发光二极管外延片,其特征在于:每一组结构层中所述AlxInyGa1-x-yN量子垒层的厚度为6~15nm;AlN晶核层的厚度为1~10nm;网状结构SiN薄层的厚度为0.5~1nm;InxGa1-xN量子阱层的厚度为3~5nm;AlxGa1-xN薄层的厚度为1~2nm。
3.如权利要求1所述发光二极管外延片的生产方法,包括在衬底的同一侧依次生长AlN成核层、AlGaN非掺杂层、n型AlGaN电子注入层、多量子阱有源区、AlGaN电子阻挡层和AlGaN空穴注入层;其特征在于:在生长多量子阱有源区时,循环进行2~12组结构层的生长,在生长每一组结构层时,依次生长AlxInyGa1-x-yN量子垒层、AlN晶核层、网状结构SiN薄层、InxGa1-xN量子阱层和AlxGa1-xN薄层。
4.根据权利要求2所述发光二极管外延片的生产方法,其特征在于所述AlxInyGa1-x-yN量子垒层中,x为0.01~0.1,y为0.05~0.2;生长所述AlxInyGa1-x-yN量子垒层的环境温度为900~1000℃,生长形成的每一层AlxInyGa1-x-yN量子垒层厚度为6~15nm。
5.根据权利要求2所述发光二极管外延片的生产方法,其特征在于在生长所述AlN晶核层时,生长时的环境温度为550~650℃,生长形成的每一层AlN晶核层厚度为1~10nm。
6.根据权利要求2所述发光二极管外延片的生产方法,其特征在于在生长所述网状结构SiN薄层时,生长时的环境温度为800~900℃,生长形成的每一层网状结构SiN薄层厚度为0.5~1nm。
7.根据权利要求2所述发光二极管外延片的生产方法,其特征在于在生长所述InxGa1-xN量子阱层时,生长时的环境温度为800~900℃,生长形成的每一层InxGa1-xN量子阱层厚度为3~5nm。
8.根据权利要求2所述发光二极管外延片的生产方法,其特征在于在生长所述AlxGa1-xN薄层时,生长时的环境温度为900~1000℃,生长形成的每一层AlxGa1-xN薄层厚度为1~2nm。
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