CN107316925B - 紫光led外延结构及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种紫光LED外延结构，该外延结构由下向上的顺序依次为：AlN Buffer层、高温UGaN层、复合N型GaN层、多量子阱结构MQW、有源区发光多量子阱层、EBL电子阻挡层和P型GaN层；有源区发光多量子阱层由n层InxGa1‑xN/AlyGa1‑yN多量子阱组成；每层InxGa1‑xN/AlyGa1‑yN多量子阱由主势垒和嵌套在所述主势垒中间的活动势垒组成；主势垒由AlyGa1‑yN组成，主势垒高度随Al组分增加梯度增加；活动势垒由GaN组成，每层活动势垒的厚度在1‑20nm之间。本发明的紫光LED外延结构及其生长方法降低了量子阱中的应力，提高了空穴的注入效率，并抑制有源层电子的溢出，提高了载流子的复合几率和紫外LED的内量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别是涉及一种可以有效提高紫光LED的内量子效率的紫光LED外延结构及其生长方法。
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)，在医疗设备、杀菌消毒、环保、军事侦察、辨别真假、荧光分析、聚合物固化、紫外光通讯、以及普通照明等领域具有广阔的应用前景。
GaN基紫外LED具有体积小、寿命长、环保和低压供电等优点，在应用于普通照明和新一代紫外光源方面具有广阔的应用前景，成为继蓝光LED之后新的研究热点。近紫外是指波段在360-400nm的UVA，目前广泛应用于固化、曝光等领域。目前该波段的紫外LED的发光效率仍然较低，一般采用芯片芯片密排和近距离光照方式才能基本满足工业上的功率需求；从成本和曝光效果方面，紫外LED仍然不能完全替代传统紫外光源。因此提高紫外光LED的发光亮度仍非常必要。
在UV-LED的有源区结构中，量子阱为InGaN材料而量子垒为AlGaN材料，导致在量子阱内因阱和垒的晶格常数差异较大，导致有源层内存在较大的压应力，形成较强的极化电场。量子阱区域形成的强极化电场，会导致能带弯曲，电子和空穴函数的空间分离辐射复合效率低，进而降低紫外LED的内量子效率。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种紫光LED外延结构及其生长方法，用于解决现有技术中量子阱应力大、空穴注入效率低、有源层电子溢出、载流子复合几率以及紫外LED的内量子效率低的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下方案：一种紫光LED外延结构，所述外延结构由下向上的顺序依次为：AlN Buffer层；位于所述ALN Buffer层上的高温UGaN层；位于所述UGaN层上的复合N型GaN层；位于所述复合N型层上的多量子阱结构MQW；位于所述多量子阱结构MQW上的有源区发光多量子阱层；位于所述有源区发光多量子阱层上的EBL电子阻挡层；位于所述EBL电子阻挡层上的P型GaN层；所述有源区发光多量子阱层由n层InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱组成，其中n为整数，取值范围为8-12；每层所述InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱由主势垒和嵌套在所述主势垒中间的活动势垒组成，所述主势垒与所述活动势垒交替生长；所述主势垒由AlyGa1-yN组成，所述主势垒高度随Al组分增加梯度增加，其中，y取值范围为0.05-0.5；所述活动势垒由GaN组成，其中，每层所述活动势垒的厚度在1-20nm之间。
于本发明的一实施方式中，所述多量子阱结构MQW由1-20层InxGa1-xN/GaN多量子阱组成，单个所述InxGa1-xN/GaN多量子阱的厚度在0.5-5nm之间，垒的厚度在1-10nm之间。
于本发明的一实施方式中，所述高温UGaN层的厚度范围在0.5-2.5um之间，所述复合N型GaN层的厚度范围在1.5-4.5um之间，所述EBL电子阻挡层的厚度范围在10-120nm之间，所述p型GaN层的厚度范围在50-200nm。
本发明还提供一种紫光LED外延结构的生长方法，该方法包括以下步骤：步骤一，提供一AlN衬底，经过处理后形成AlN Buffer层；步骤二，将温度调节至1000-1200℃之间，通入TMGa，生长高温UGaN层；步骤三，将温度控制在1000-1200℃之间，生长复合N型GaN层；步骤四，将温度调节至600-1000℃之间，生长多量子阱结构MQW；步骤五，将温度调节至750-920℃之间，压力控制在400-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在300-8000之间，生长有源区发光多量子阱层，所述有源区发光多量子阱层由5-10个周期的InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱组成，每周期InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱采用GaN组成的活动势垒和AlyGa1-yN组成的主势垒交替生长，其中，所述主势垒生长方式为AlyGa1-yN中Al的组分递进增加，y的取值范围为0.05-0.5；每层活动势垒的厚度保持在1-20nm之间；步骤六，生长温度在700-1100℃之间，生长EBL电子阻挡层；步骤七，将温度调节至700-1100℃之间，以N2作为载气，生长p型GaN层；步骤八，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，获得外延结构。
于本发明的一实施方式中，在所述步骤二中，生长高温UGaN层的厚度控制在0.5-2.5um之间，生长压力控制在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在300-2500之间。
于本发明的一实施方式中，在所述步骤三中，复合N型GaN层的生长厚度控制在1.5-4.5um之间，生长压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在50-2000之间。
于本发明的一实施方式中，在所述步骤四中，生长多量子阱结构MQW的生长压力在控制在400-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在200-5000之间，所述多量子阱结构MQW由1-20层InxGa1-xN/GaN多量子阱组成，单个所述InxGa1-xN/GaN多量子阱的厚度在0.5-5nm之间，垒的厚度在1-10nm之间。
于本发明的一实施方式中，在所述步骤六中，生长EBL电子阻挡层的厚度控制在10-120nm之间，Al的掺杂浓度Al/Ga比控制在0.1-0.6之间，生长压力控制在200-600Torr之间，生长时间控制在5-30min之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在200-6000之间。
于本发明的一实施方式中，在所述步骤七中，生长p型GaN层的厚度控制在50-200nm之间，生长时间控制在5-30min之间，生长压力控制在200-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在200-6000之间。
于本发明的一实施方式中，使用高纯氢气或氮气作为载气，以三甲基镓、三乙基镓、三甲基铝、三甲基铟和氨气分别作为Ga、Al、In和N源，使用硅烷和二茂镁分别作为N、P型掺杂剂。
如上所述，本发明的紫光LED外延结构及其生长方法，具有以下有益效果：
1、本发明的生产工艺中活动势垒可以将主势垒形成的量子阱分开，形成两个有效势阱，双重势阱可以优化电子的浓度分布，抑制电子泄露溢出到P层与空穴复合，通过活动势垒厚度/势阱厚度比可以调节发光波长；
2、由于主势垒AlGaN同EBL的晶格失配降低，且AlGaN势垒层同EBL界面的极化电荷消除，能带弯曲减小，从而降低有效势垒高度，空穴更容易进入有源区。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显示为本发明的紫光LED外延结构的示意图。
图2显示为本发明的紫光LED外延结构中有源区发光多量子阱能带示意图。
元件标号说明
1 AlN Buffer层
2 高温UGaN层
3 复合N型GaN层
4 多量子阱结构MQW
5 有源区发光多量子阱层
6 EBL电子阻挡层
7 P型GaN层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，本发明提供一种紫光LED外延结构，所述外延结构由下向上的顺序依次为：AlN Buffer层1、高温UGaN层2、复合N型GaN层3、多量子阱结构MQW4、有源区发光多量子阱层5、EBL电子阻挡层6和P型GaN层7；所述有源区发光多量子阱层5由n层InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱组成，其中n为整数，取值范围为8-12；每层所述InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱由主势垒和嵌套在所述主势垒中间的活动势垒组成，所述主势垒与所述活动势垒交替生长；所述主势垒由AlyGa1-yN组成，所述主势垒高度随Al组分增加梯度增加，其中，y取值范围为0.05-0.5；所述活动势垒由GaN组成，其中，每层所述活动势垒的厚度在1-20nm之间。
请参阅图2，为外延结构中有源区发光多量子阱能带示意图。图中，活动势垒将主势垒形成的量子阱分开，形成两个有效势阱，双重势阱可以优化电子的浓度分布，抑制电子泄露溢出到P层与空穴复合。
作为示例，所述多量子阱结构MQW4由1-20层InxGa1-xN/GaN多量子阱组成，单个所述InxGa1-xN/GaN多量子阱的厚度在0.5-5nm之间，垒的厚度在1-10nm之间。
作为示例，所述高温UGaN层2的厚度范围在0.5-2.5um之间，所述复合N型GaN层3的厚度范围在1.5-4.5um之间，所述EBL电子阻挡层6的厚度范围在10-120nm之间，所述P型GaN层7的厚度范围在50-200nm。
本发明的紫光LED外延结构通过调整活动势垒GaN和主势垒AlGaN有效的势垒高度，可以抑制电子泄露，优化电子的浓度分布，增加电流注入效率，提高有源区发光多量子阱发光效率。
本发明还提供一种紫光LED外延结构的生长方法，该方法包括以下具体步骤：
步骤一，提供一ALN衬底，经过处理后形成AlN Buffer层。
步骤二，在AlN Buffer层上，将温度调节至1000-1200℃之间，生长压力控制在100-500Torr之间，通入TMGa，生长厚度为0.5-2.5um之间的高温UGaN层，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在300-2500之间。
步骤三，所述高温UGaN层生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的复合N型GaN层，生长温度控制在1000-1200℃之间，生长压力控制在100-600Torr之间，生长厚度在1.5-4.5um之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在50-2000之间。
步骤四，所述N型GaN层生长结束后，生长多量子阱结构MQW，生长温度控制在600-1000℃之间，生长压力控制在400-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在200-5000之间，所述多量子阱结构MQW由1-20层InxGa1-xN/GaN多量子阱组成，每层所述InxGa1-xN/GaN多量子阱的厚度在0.5-5nm之间，垒的厚度在1-10nm之间。
步骤五，所述多量子阱MQW结构生长结束后，将温度控制在750-920℃之间，压力控制在400-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在300-8000之间，生长有源区发光多量子阱层，所述有源区发光多量子阱层由5-10个周期的InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱组成，每周期InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱采用GaN组成的活动势垒和AlyGa1-yN组成的主势垒交替生长，主势垒生长方式为Al组分递进增加，即AlyGa1-yN中Al的组份y逐渐增加；每层主势垒AlyGa1- yN中Al的含量逐渐增加，其中，y的取值范围为0.05-0.5；每层活动势垒也即GaN的厚度保持在1-20nm之间，活动势垒厚度/势阱厚度比可以调节发光波长。
步骤六，所述有源区发光多量子阱层生长结束后，生长厚度为10-120nm之间的EBL电子阻挡层，其中，Al的掺杂浓度Al/Ga比在0.1-0.6之间，生长温度控制在700-1100℃之间，生长时间控制在5-30min之间，压力控制在200-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在200-6000之间。
步骤七，所述EBL电子阻挡层生长结束后，以N2作为载气生长厚度在50-200nm之间的p型GaN层，生长温度控制在700-1100℃之间，生长时间控制在5-30min之间，生长压力控制在200-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在200-6000之间。
步骤八，外延生长结束后，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，即得紫光LED外延结构。
最后，外延结构经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等后续加工工艺制成单颗芯片。
需要注意的是，本实施例中，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。
综上所述，本发明的紫光LED外延结构的生长方法，关键在于有源区发光多量子阱势垒的特殊生长工艺，所述有源区发光多量子阱层由5-10个周期的InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱组成，每周期InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱采用GaN组成的活动势垒和AlyGa1-yN组成的主势垒交替生长，主势垒生长方式为Al组分递进增加，即AlyGa1-yN中Al的组份y逐渐增加；每层主势垒AlyGa1-yN中Al的含量逐渐增加，其中，y的取值范围为0.05-0.5；每层活动势垒也即GaN的厚度保持在1-20nm之间，活动势垒厚度/势阱厚度比可以调节发光波长。
本发明的紫光LED外延结构中活动势垒可以将主势垒形成的量子阱分开，形成两个有效势阱，双重势阱可以优化电子的浓度分布，抑制电子泄露溢出到P层与空穴复合，通过活动势垒厚度/势阱厚度比可以调节发光波长；由于主势垒AlGaN同EBL(electron-blocking layer，电子阻挡层)的晶格失配降低，且AlGaN势垒层同EBL界面的极化电荷消除，能带弯曲减小，从而降低有效势垒高度，空穴更容易进入有源区。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。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种紫光LED外延结构，其特征在于，所述外延结构由下向上的顺序依次为：
AlN Buffer层；
位于所述ALN Buffer层上的高温UGaN层；
位于所述UGaN层上的复合N型GaN层；
位于所述复合N型层上的多量子阱结构MQW；
位于所述多量子阱结构MQW上的有源区发光多量子阱层；
位于所述有源区发光多量子阱层上的EBL电子阻挡层；
位于所述EBL电子阻挡层上的P型GaN层；
所述有源区发光多量子阱层由n层InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱组成，其中n为整数，取值范围为8-12；每层所述InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱由主势垒和嵌套在所述主势垒中间的活动势垒组成，所述主势垒与所述活动势垒交替生长；所述主势垒由AlyGa1-yN组成，所述主势垒高度随Al组分增加梯度增加，其中，y取值范围为0.05-0.5；所述活动势垒由GaN组成，其中，每层所述活动势垒的厚度在1-20nm之间。
2.根据权利要求1所述的紫光LED外延结构，其特征在于，所述多量子阱结构MQW由1-20层InxGa1-xN/GaN多量子阱组成，单个所述InxGa1-xN/GaN多量子阱的厚度在0.5-5nm之间，垒的厚度在1-10nm之间。
3.根据权利要求1所述的紫光LED外延结构，其特征在于，所述高温UGaN层的厚度范围在0.5-2.5um之间，所述复合N型GaN层的厚度范围在1.5-4.5um之间，所述EBL电子阻挡层的厚度范围在10-120nm之间，所述p型GaN层的厚度范围在50-200nm。
4.一种紫光LED外延结构的生长方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一，提供一AlN衬底，经过处理后形成AlN Buffer层；
步骤二，将温度调节至1000-1200℃之间，通入TMGa，生长高温UGaN层；
步骤三，将温度控制在1000-1200℃之间，生长复合N型GaN层；
步骤四，将温度调节至600-1000℃之间，生长多量子阱结构MQW；
步骤五，将温度调节至750-920℃之间，压力控制在400-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在300-8000之间，生长有源区发光多量子阱层，所述有源区发光多量子阱层由5-10个周期的InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱组成，每周期InxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱采用GaN组成的活动势垒和AlyGa1-yN组成的主势垒交替生长，其中，所述主势垒生长方式为AlyGa1-yN中Al的组分递进增加，y的取值范围为0.05-0.5；每层活动势垒的厚度保持在1-20nm之间；
步骤六，生长温度在700-1100℃之间，生长EBL电子阻挡层；
步骤七，将温度调节至700-1100℃之间，以N2作为载气，生长p型GaN层；
步骤八，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，获得外延结构。
5.根据权利要求4所述的紫光LED外延结构的生长方法，其特征在于，在所述步骤二中，生长高温UGaN层的厚度控制在0.5-2.5um之间，生长压力控制在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在300-2500之间。
6.根据权利要求4所述的紫光LED外延结构的生长方法，其特征在于，在所述步骤三中，复合N型GaN层的生长厚度控制在1.5-4.5um之间，生长压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在50-2000之间。
7.根据权利要求4所述的紫光LED外延结构的生长方法，其特征在于，在所述步骤四中，生长多量子阱结构MQW的生长压力在控制在400-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在200-5000之间，所述多量子阱结构MQW由1-20层InxGa1-xN/GaN多量子阱组成，单个所述InxGa1-xN/GaN多量子阱的厚度在0.5-5nm之间，垒的厚度在1-10nm之间。
8.根据权利要求4所述的紫光LED外延结构的生长方法，其特征在于，在所述步骤六中，生长EBL电子阻挡层的厚度控制在10-120nm之间，Al的掺杂浓度Al/Ga比控制在0.1-0.6之间，生长压力控制在200-600Torr之间，生长时间控制在5-30min之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在200-6000之间。
9.根据权利要求4所述的紫光LED外延结构的生长方法，其特征在于，在所述步骤七中，生长p型GaN层的厚度控制在50-200nm之间，生长时间控制在5-30min之间，生长压力控制在200-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在200-6000之间。
10.根据权利要求4-9任一项所述的紫光LED外延结构的生长方法，其特征在于，使用高纯氢气或氮气作为载气，以三甲基镓、三乙基镓、三甲基铝、三甲基铟和氨气分别作为Ga、Al、In和N源，使用硅烷和二茂镁分别作为N、P型掺杂剂。
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