CN107316926B - 优化紫外led发光层的外延结构及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种优化紫外LED发光层的外延结构，外延结构从下向上依次包括：蓝宝石衬底、高温UGaN层、N型GaN层、多量子阱结构MQW、有源区多量子阱发光层和P型GaN层；有源区多量子阱发光层由3‑30个周期的InxGa1‑xN/AlGaN多量子阱组成，InxGa1‑xN/AlGaN多量子阱还包括其阱层后的覆盖层，所述覆盖层中掺杂的Al组分渐变生长，所述Al组分的通入先斜坡式渐变升高，再匀速，最后斜坡式渐变减少，两次斜坡式渐变过程的时间和速率相同，且Al组分的量是多量子垒中Al组分的1％—60％。本发明的外延结构的生长方法可以减少电子泄露，减少非辐射复合，增强电子在量子阱的分布，电流均匀扩展，是提高效率紫外LED发光效率的有效方法，同时器件具有良好的发光效率，进而提高器件的光电性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别是涉及一种优化紫外LED发光层的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，紫外波段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)。
传统的发光层生长方法比较简单，量子阱的辐射复合效率低，UV-LED紫光发光二极管中存在发光层的发光效率低及电流扩展问题。
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优化紫外LED发光层的外延结构及其生长方法，用于解决现有技术中量子阱的辐射复合效率低、紫外LED发光层发光效率低及电流扩展的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下方案：一种优化紫外LED发光层的外延结构，所述外延结构从下向上依次包括：蓝宝石衬底；位于所述蓝宝石衬底上的高温UGaN层；位于所述高温UGaN层上的N型GaN层；位于所述N型GaN层上的多量子阱结构MQW；位于所述多量子阱结构MQW上的有源区多量子阱发光层；位于所述有源区多量子阱发光层上的P型GaN层；所述有源区多量子阱发光层由3-30个周期的InxGa1-xN/AlGaN多量子阱组成，所述InxGa1-xN/AlGaN多量子阱还包括其阱层后的覆盖层，所述覆盖层中掺杂的Al组分渐变生长，所述Al组分的通入先斜坡式渐变升高，再匀速，最后斜坡式渐变减少，且两次斜坡式渐变过程的时间和速率相同，所述InxGa1-xN/AlGaN多量子阱中覆盖层Al组分的量是多量子垒中Al组分的1％—60％。
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，每层所述InxGa1-xN/GaN多量子阱的厚度在1.5-6.5nm之间，垒的厚度在10-35nm之间。
于本发明的一实施方式中，所述N型GaN层的厚度在1.5-5.5um之间，所述高温UGaN层的厚度在0.2-2.5um之间；所述p型GaN层的厚度在20-100nm之间。
本发明还提供一种优化紫外LED发光层的外延结构的生长方法，所述外延结构的生长方法包括以下步骤：步骤一，提供一蓝宝石衬底；步骤二，在所述蓝宝石衬底上，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，生长一层掺杂浓度稳定的N型GaN层；步骤四，将温度调节至600-1200℃之间，生长多量子阱结构MQW；步骤五，将温度调节至720-920℃之间，生长有源区多量子阱发光层，压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在300-8000之间，所述有源区多量子阱发光层由3-30个周期的InxGa1-xN/AlGaN多量子阱组成，所述InxGa1-xN/AlGaN多量子阱中的覆盖层通入TMAL，其中，Al的组分以渐变方式通入，先斜坡式渐变升高通入，再匀速通入，最后斜坡式渐变减少通入，且两次斜坡式渐变过程的时间和速率相同；所述InxGa1-xN/AlGaN多量子阱中覆盖层AL组分的量是多量子垒中AL组分的1％—60％；步骤六，将温度调节至620-1200℃之间，生长p型GaN层；步骤七，将反应室的温度降至450-800℃之间，采用高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。
于本发明的一实施方式中，在所述步骤二中，所述高温UGaN层的生长厚度控制在0.2-2.5um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，所述N型GaN层的生长厚度控制在1.5-5.5um，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，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多量子阱的厚度控制在1.5-6.5nm之间，垒的厚度控制在10-35nm之间；所述多量子阱结构MQW的生长压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔控制在200-5000之间。
于本发明的一实施方式中，在所述步骤五中，是通过控制温度的渐变或控制TMAL流量的渐变来实现Al组分的渐变方式通入的。
于本发明的一实施方式中，在所述步骤六中，以氮气作为载气生长所述p型GaN层，所述p型GaN层生长厚度控制在20-100nm之间，生长时间控制在5-45min之间，生长压力控制在100-600Torr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，本发明的优化紫外LED发光层的外延结构及其生长方法，具有以下有益效果：
1、本发明主要对量子阱的覆盖层进行优化，提升发光层的效率进行分析及试验；
2、减少电子泄露，减少非辐射复合，增强电子在量子阱的分布，电流均匀扩展，从而提高紫外LED发光效率；
3、同时器件具有良好的发光效率，进而提高器件的光电性能。
附图说明
图1显示为本发明优化紫外LED发光层的外延结构于一实施例中的结构示意图。
元件标号说明
1 蓝宝石衬底
2 高温UGaN层
3 N型GaN层
4 多量子阱结构MQW
5 有源区多量子阱发光层
6 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，本发明提供一种优化紫外LED发光层的外延结构，所述外延结构从下向上依次包括：蓝宝石衬底1；位于所述蓝宝石衬底1上的高温UGaN层2；位于所述高温UGaN层2上的N型GaN层3；位于所述N型GaN层3上的多量子阱结构MQW4；位于所述多量子阱结构MQW4上的有源区多量子阱发光层5；位于所述有源区多量子阱发光层5上的P型GaN层6；所述有源区多量子阱发光层5由3-30个周期的InxGa1-xN/AlGaN多量子阱(未示出)组成，所述InxGa1-xN/AlGaN多量子阱还包括其阱层后的覆盖层，所述覆盖层中掺杂的Al组分渐变生长，所述Al组分的通入先斜坡式渐变升高，再匀速，最后斜坡式渐变减少，且两次斜坡式渐变过程的时间和速率相同，所述InxGa1-xN/AlGaN多量子阱中覆盖层Al组分的含量是MQB(多量子垒)中Al组分的1％—60％。
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，每层所述InxGa1-xN/GaN多量子阱的厚度在1.5-6.5nm之间，垒的厚度在10-35nm之间。
作为示例，，所述N型GaN层3的厚度在1.5-5.5um之间，所述高温UGaN层2的厚度在0.2-2.5um之间；所述P型GaN层6的厚度在20-100nm之间。
本发明还提供一种优化紫外LED发光层的外延结构的生长方法，于本发明一实施例中，所述外延结构的生长方法具体包括以下步骤：
步骤一，提供一蓝宝石衬底。
步骤二，在所述蓝宝石衬底上，将温度调节至1000-1200℃之间，通入TMGa，生长高温UGaN层。作为示例，在所述步骤二中，所述高温UGaN层的生长厚度控制在0.2-2.5um间，生长压力控制在100-500Torr之间，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，将温度控制在1000-1200℃之间，生长一层掺杂浓度稳定的N型GaN层。作为示例，在所述步骤三中，所述N型GaN层的生长厚度控制在1.5-5.5um，生长压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在50-2000之间。
步骤四，掺杂浓度稳定的N型GaN层生长结束后，将温度调节至600-1200℃之间，生长多量子阱结构MQW。作为示例，在所述步骤四中，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多量子阱的厚度控制在1.5-6.5nm之间，垒的厚度控制在10-35nm之间；所述多量子阱结构MQW的生长压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔控制在200-5000之间。
步骤五，所述多量子阱MQW生长结束后，将温度调节至720-920℃之间，生长有源区多量子阱发光层，压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在300-8000之间，所述有源区多量子阱发光层由3-30个周期的InxGa1-xN/AlGaN多量子阱组成，所述InxGa1-xN/AlGaN多量子阱中的覆盖层中通入TMAL，其中，Al的组分以渐变方式通入，先斜坡式渐变升高通入，再匀速通入，最后斜坡式渐变减少通入，且两次斜坡式渐变过程的时间和速率相同；所述InxGa1-xN/AlGaN多量子阱中覆盖层AL组分的量是多量子垒中AL组分的1％—60％。作为示例，在所述步骤五中，是通过控制温度的渐变(Ramp)或控制TMAL流量的渐变来实现Al组分的渐变方式通入的。
步骤六，所述有源区多量子阱发光层生长结束后，将温度调节至620-1200℃之间，生长p型GaN层。作为示例，在所述步骤六中，以氮气作为载气生长所述p型GaN层，所述p型GaN层生长厚度控制在20-100nm之间，生长时间控制在5-45min之间，生长压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在200-6000之间。
步骤七，外延生长结束后，将反应室的温度降至450-800℃之间，采用高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。
最后，外延结构(外延片)经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等后续加工工艺制成单颗芯片。
作为示例，本实施例以高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。
如上所述，本发明的优化紫外LED发光层的外延结构的生长方法在于优化有源区多量子阱发光层，具体为：有源区多量子阱发光层的覆盖层通入TMAL，Al的组分先作渐变升高，稳定一段时间后再作渐变减少，AL组分呈等腰梯形分布，AL组分的渐变通过温度的RAMP(渐变)实现或者通入TMAL的流量实现。所述InxGa1-xN/AlGaN多量子阱中覆盖层Al组分的含量是MQB(多量子垒)中Al组分的1％—60％。
该生长方法可以减少电子泄露，减少非辐射复合，增强电子在量子阱的分布，电流均匀扩展，是提高效率紫外LED发光效率的有效方法，同时器件具有良好的发光效率，进而提高器件的光电性能。
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)
1.一种优化紫外LED发光层的外延结构，其特征在于，所述外延结构从下向上依次包括：蓝宝石衬底；
位于所述蓝宝石衬底上的高温UGaN层；
位于所述高温UGaN层上的N型GaN层；
位于所述N型GaN层上的多量子阱结构MQW；
位于所述多量子阱结构MQW上的有源区多量子阱发光层；
位于所述有源区多量子阱发光层上的P型GaN层；
所述有源区多量子阱发光层由3-30个周期的InxGa1-xN/AlGaN多量子阱组成，所述InxGa1-xN/AlGaN多量子阱还包括其阱层后的覆盖层，所述覆盖层中掺杂的Al组分渐变生长，所述Al组分的通入先斜坡式渐变升高，再匀速，最后斜坡式渐变减少，且两次斜坡式渐变过程的时间和速率相同，所述InxGa1-xN/AlGaN多量子阱中覆盖层Al组分的量是多量子垒中Al组分的1％-60％。
2.根据权利要求1所述的优化紫外LED发光层的外延结构，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，每层所述InxGa1-xN/GaN多量子阱的厚度在1.5-6.5nm之间，垒的厚度在10-35nm之间。
3.根据权利要求1所述的优化紫外LED发光层的外延结构，其特征在于，所述N型GaN层的厚度在1.5-5.5um之间，所述高温UGaN层的厚度在0.2-2.5um之间；所述p型GaN层的厚度在20-100nm之间。
4.一种优化紫外LED发光层的外延结构的生长方法，其特征在于，所述外延结构的生长方法包括以下步骤：
步骤一，提供一蓝宝石衬底；
步骤二，在所述蓝宝石衬底上，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，生长一层掺杂浓度稳定的N型GaN层；
步骤四，将温度调节至600-1200℃之间，生长多量子阱结构MQW；
步骤五，将温度调节至720-920℃之间，生长有源区多量子阱发光层，压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在300-8000之间，所述有源区多量子阱发光层由3-30个周期的InxGa1-xN/AlGaN多量子阱组成，所述InxGa1-xN/AlGaN多量子阱中的覆盖层通入三甲基铝，其中，Al的组分以渐变方式通入，先斜坡式渐变升高通入，再匀速通入，最后斜坡式渐变减少通入，且两次斜坡式渐变过程的时间和速率相同；所述InxGa1-xN/AlGaN多量子阱中覆盖层AL组分的量是多量子垒中AL组分的1％-60％；
步骤六，将温度调节至620-1200℃之间，生长p型GaN层；
步骤七，将反应室的温度降至450-800℃之间，采用高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。
5.根据权利要求4所述的优化紫外LED发光层的外延结构的生长方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述高温UGaN层的生长厚度控制在0.2-2.5um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所述的优化紫外LED发光层的外延结构的生长方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述N型GaN层的生长厚度控制在1.5-5.5um，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所述的优化紫外LED发光层的外延结构的生长方法，其特征在于，在所述步骤四中，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多量子阱的厚度控制在1.5-6.5nm之间，垒的厚度控制在10-35nm之间；所述多量子阱结构MQW的生长压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔控制在200-5000之间。
8.根据权利要求4所述的优化紫外LED发光层的外延结构的生长方法，其特征在于，在所述步骤五中，是通过控制温度的渐变或控制TMAL的流量来实现Al组分的渐变方式通入的。
9.根据权利要求4所述的优化紫外LED发光层的外延结构的生长方法，其特征在于，在所述步骤六中，以氮气作为载气生长所述p型GaN层，所述p型GaN层生长厚度控制在20-100nm之间，生长时间控制在5-45min之间，生长压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在200-6000之间。
10.根据权利要求4-9任一项所述的优化紫外LED发光层的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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