CN107689405B - 紫外led外延结构及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种紫外LED外延结构的生长方法，关键在于低温P型氮化镓和P型铝氮化镓在相同的温度及气氛生长条件的循环生长的工艺：具体是将低温P型氮化镓和P型铝氮化镓作为一个整体超晶格生长，生长周期5‑20个，Mg的掺杂采取屋脊型渐变掺杂，即Mg的掺杂先渐变升高，到达峰值后，再渐变降低，呈对称分布。通过该种超晶格生长，可以降低Mg的电离能，空穴浓度提高，空穴受到杂质散射作用减少，更多的空穴注入到发光区，从而提高了发光效率；该方法是提高效率紫外LED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，特别是涉及一种可以提高空穴浓度、增加空穴注入效率、提高电流扩展能力和紫外LED发光效率的外延结构的生长方法及通过该方法获得的外延结构。
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P型结构使用Mg掺杂的AlGaN，表面较差且光电特性满足不了市场需求，光输出功率偏低，工作电压偏高。特别是短波段的UV-LED，对晶体质量的要求较高，在铝组分高掺杂下晶体质量会产生大量的线位错和螺位错，这些位错会形成漏电通道和非辐射复合中心，会大幅降低器件的光电性能，因此P型结构的生长及掺杂就变得尤为重要，还是一个较难的挑战。
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外LED外延结构的生长方法，用于解决现有技术中P型层的掺杂及注入效率低以及电流扩展的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下方案：一种紫外LED外延结构的生长方法，所述外延结构的生长方法具体包括以下步骤：步骤一，提供一衬底；步骤二，将温度调节至1000-1200℃之间，通入TMGa，生长高温U-GaN层；步骤三，将温度控制在1000-1200℃之间，生长N型GaN层；步骤四，将温度调节在600-1000℃之间，生长多量子阱结构MQW；步骤五，将温度调节在720-920℃之间，生长有源区多量子阱结构MQW；步骤六，将温度控制在620-1200℃之间，生长周期为5-20个的低温P型氮化镓-铝氮化镓超晶格层，Mg的掺杂方式采取先渐变升高、到达峰值后再渐变降低的方式，且Mg渐变升高掺杂过程的时间和速率与Mg渐变降低掺杂过程的时间和速率对应相同；生长过程中，以氨气、三乙基镓和二茂镁分别作为N源、Ga源和p型掺杂剂，且氨气的流量为5-70L/min，三乙基镓的流量为0.84×10-4-8.6×10-3mol/min，二茂镁的流量为0.8×10-4至9.76×10-3mol/min；步骤七，将温度控制在700-950℃之间，生长P型GaN层；步骤八，将温度控制在850-1050℃之间，生长P型接触层；步骤九，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，即得紫外LED外延结构。
于本发明的一实施方式中，以N2作为载气生长的低温P型氮化镓-铝氮化镓超晶格层，生长低温P型氮化镓-铝氮化镓超晶格层的厚度在10-120nm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摩尔控制比在200-6000之间。
于本发明的一实施方式中，在所述步骤二中，生长高温U-GaN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，生长N型GaN层的厚度控制在1.5-4.5um之间，生长压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在50-2000之间。
于本发明的一实施方式中，在所述步骤四中，多量子阱结构MQW由1-20层InxGa1- xN/GaN多量子阱组成，生长单层所述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，生长压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在200-5000之间。
于本发明的一实施方式中，在所述步骤五中，有源区多量子阱结构MQW由3-30个周期的InxGa1-xN/AlGaN多量子阱组成，生长压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在300-8000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层的时间控制在3-15min，压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比控制在100-500之间。
于本发明的一实施方式中，在所述步骤八中，生长P型接触层的厚度控制在5-20nm之间，生长时间控制在1-10min，生长压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比控制在1000-4000，氨气的流量控制在10-40L/min。
于本发明的一实施方式中，生长过程中以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，用硅烷和二茂镁分别作为n、p型掺杂剂。
本发明还提供一种紫外LED外延结构，外延结构是根据上述紫外LED外延结构的生长方法获得的，所述紫外LED外延结构从下向上的顺序依次为：衬底、高温U-GaN层、N型GaN层、多量子阱结构MQW、有源区多量子阱结构MQW、低温P型氮化镓-铝氮化镓超晶格层、P型GaN层和P型接触层。
如上所述，本发明的紫外LED外延结构及其生长方法，具有以下有益效果：
1、降低Mg的电离能，空穴浓度提高，空穴受到杂质散射作用减少，更多的空穴注入到发光区，提高电流扩展能力；
2、提高效率紫外LED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。
附图说明
图1为本发明紫外LED外延结构的结构示意图。
元件标号说明
1 衬底
2 高温U-GaN层
3 N型GaN层
4 多量子阱结构MQW
5 有源区多量子阱结构MQW
6 低温P型氮化镓-铝氮化镓超晶格层
7 P型GaN层
8 P型接触层
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。
本发明提供一种紫外LED外延结构的生长方法，该外延结构的生长方法具体包括以下步骤：
步骤一，提供一衬底。衬底是适合GaN及其半导体外延材料生长的材料，如蓝宝石，GaN单晶，单晶硅、碳化硅单晶等。
步骤二，在衬底上，将温度调节至1000-1200℃之间，通入TMGa，生长高温U-GaN层。作为示例，生长高温U-GaN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。
步骤三，所述高温U-GaN层生长结束后，将温度控制在1000-1200℃之间，生长N型GaN层。作为示例，生长N型GaN层的厚度控制在1.5-4.5um之间，生长压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在50-2000之间。
步骤四，所述N型GaN层生长结束后，将温度调节在600-1000℃之间，生长多量子阱结构MQW。作为示例，多量子阱结构MQW由1-20层InxGa1-xN/GaN多量子阱组成，生长单层所述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，生长压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在200-5000之间。
步骤五，所述多量子阱结构MQW生长结束后，将温度调节在720-920℃之间，生长有源区多量子阱结构MQW。作为示例，有源区多量子阱结构MQW由3-30个周期的InxGa1-xN/AlGaN多量子阱组成，生长压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在300-8000之间。
步骤六，所述有源区多量子阱结构MQW生长结束后，将温度控制在620-1200℃之间，生长周期为5-20个的低温P型氮化镓-铝氮化镓超晶格层，Mg的掺杂方式采取先渐变升高、到达峰值后再渐变降低的方式，且Mg渐变升高掺杂过程的时间和速率与Mg渐变降低掺杂过程的时间和速率对应相同；生长过程中，以氨气、三乙基镓和二茂镁分别作为N源、Ga源和p型掺杂剂，且氨气的流量为5-70L/min，三乙基镓的流量为0.84×10-4-8.6×10-3mol/min，二茂镁的流量为0.8×10-4至9.76×10-3mol/min。
作为示例，以N2作为载气生长的低温P型氮化镓-铝氮化镓超晶格层，生长低温P型氮化镓-铝氮化镓超晶格层的厚度在10-120nm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摩尔控制比在200-6000之间。
步骤七，所述低温P型氮化镓-铝氮化镓超晶格层生长结束后，将温度控制在700-950℃之间，生长P型GaN层。作为示例，生长P型GaN层的时间控制在3-15min，压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比控制在100-500之间。
步骤八，所述P型GaN层生长结束后，将温度控制在850-1050℃之间，生长P型接触层。作为示例，生长P型接触层的厚度控制在5-20nm之间，生长时间控制在1-10min，生长压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比控制在1000-4000，氨气的流量控制在10-40L/min。
步骤九，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，即得紫外LED外延结构。
最后，将所述紫外LED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，作为示例，生长过程中以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，用硅烷和二茂镁分别作为n、p型掺杂剂。
请参阅图1，本发明还提供一种紫外LED外延结构，外延结构是根据上述述紫外LED外延结构的生长方法获得的，所述紫外LED外延结构从下向上的顺序依次为：衬底1、高温U-GaN层2、N型GaN层3、多量子阱结构MQW4、有源区多量子阱结构MQW5、低温P型氮化镓-铝氮化镓超晶格层6、P型GaN层7和P型接触层8。作为示例，所述衬底1是适合GaN及其半导体外延材料生长的材料，如蓝宝石，GaN单晶，单晶硅、碳化硅单晶等。
综上所述，本发明的紫外LED外延结构的生长方法，关键在于低温P型氮化镓和P型铝氮化镓在相同温度及气氛生长条件循环生长的工艺：主要是将传统的低温P型氮化镓-铝氮化镓超晶格层优化生长，具体是将低温P型氮化镓和P型铝氮化镓作为一个整体超晶格生长，生长周期5-20个，Mg的掺杂采取屋脊型渐变掺杂，即Mg的掺杂先渐变升高，到达峰值后，再渐变降低，呈对称分布。通过该种超晶格生长，可以降低Mg的电离能，空穴浓度提高，空穴受到杂质散射作用减少，更多的空穴注入到发光区，从而提高了发光效率；该方法是提高效率紫外LED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)
1.一种紫外LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述生长方法包括以下步骤：
步骤一，提供一衬底；
步骤二，将温度调节至1000-1200℃之间，通入TMGa，生长高温U-GaN层；
步骤三，将温度控制在1000-1200℃之间，生长N型GaN层；
步骤四，将温度调节在600-1000℃之间，生长多量子阱结构MQW；
步骤五，将温度调节在720-920℃之间，生长有源区多量子阱结构MQW；
步骤六，将温度控制在620-1200℃之间，生长周期为5-20个的低温P型氮化镓-铝氮化镓超晶格层，Mg的掺杂方式采取先渐变升高、到达峰值后再渐变降低的方式，且Mg渐变升高掺杂过程的时间和速率与Mg渐变降低掺杂过程的时间和速率对应相同；生长过程中，以氨气、三乙基镓和二茂镁分别作为N源、Ga源和p型掺杂剂，且氨气的流量为5-70L/min，三乙基镓的流量为0.84×10-4-8.6×10-3mol/min，二茂镁的流量为0.8×10-4至9.76×10-3mol/min；
步骤七，将温度控制在700-950℃之间，生长P型GaN层；
步骤八，将温度控制在850-1050℃之间，生长P型接触层；
步骤九，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，即得紫外LED外延结构。
2.根据权利要求1所述的紫外LED外延结构的生长方法，其特征在于，在所述步骤六中，以N2作为载气生长的低温P型氮化镓-铝氮化镓超晶格层，生长低温P型氮化镓-铝氮化镓超晶格层的厚度在10-120nm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。
3.根据权利要求1所述的紫外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U-GaN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。
4.根据权利要求1所述的紫外LED外延结构的生长方法，其特征在于，在所述步骤三中，生长N型GaN层的厚度控制在1.5-4.5um之间，生长压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在50-2000之间。
5.根据权利要求1所述的紫外LED外延结构的生长方法，其特征在于，在所述步骤四中，多量子阱结构MQW由1-20层InxGa1-xN/GaN多量子阱组成，生长单层所述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，生长压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在200-5000之间。
6.根据权利要求1所述的紫外LED外延结构的生长方法，其特征在于，在所述步骤五中，有源区多量子阱结构MQW由3-30个周期的InxGa1-xN/AlGaN多量子阱组成，生长压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比控制在300-8000之间。
7.根据权利要求1所述的紫外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层的时间控制在3-15min，压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比控制在100-500之间。
8.根据权利要求1所述的紫外LED外延结构的生长方法，其特征在于，在所述步骤八中，生长P型接触层的厚度控制在5-20nm之间，生长时间控制在1-10min，生长压力控制在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比控制在1000-4000，氨气的流量控制在10-40L/min。
9.根据权利要求1所述的紫外LED外延结构的生长方法，其特征在于，生长过程中以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，用硅烷和二茂镁分别作为n、p型掺杂剂。
10.一种紫外LED外延结构，所述外延结构根据权利要求1-9中任一项所述紫外LED外延结构的生长方法获得，其特征在于，所述紫外LED外延结构从下向上的顺序依次为：衬底、高温U-GaN层、N型GaN层、多量子阱结构MQW、有源区多量子阱结构MQW、低温P型氮化镓-铝氮化镓超晶格层、P型GaN层和P型接触层。
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