CN109192824B - 一种提升氮化镓基发光二极管亮度的外延片及生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件制备生长技术领域，提供了一种提升氮化镓基发光二极管亮度的外延片及生长方法。外延片从下到上的顺序结构依次为图形化蓝宝石AlN衬底、本征GaN层、n型GaN层、高温多量子阱结构、低温多量子阱有源区、低温P型AlGaN电子阻挡层、P型GaN导电层和p型接触层。较传统的生长方法不同，本发明对高温量子阱的高温量子垒进行了优化设计，实现了高温量子垒的一个阶梯式设计，此种阶梯式结构能够一定程度上进一步粗化该处的生长界面，形成更多的V型缺陷，进而形成载流子侧壁通道，使得更多的载流子从这些侧壁通道流入有源区，与空穴进行复合发光，以达到提升氮化镓基发光二极管的亮度的目的。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件制备生长技术领域，涉及一种氮化镓基半导体发光二极管(LED)的外延片及生长方法。
背景技术
本发明主要针对氮化镓基发光二极管的亮度(发光效率)作出研究，发光效率主要是指载流子与空穴在有源区进行复合发光的效率，而载流子主要通过n型导电层与有源区的界面处的V型缺陷进去有源区，从而达到复合发光的目的。故针对此，微粗其生长界面，形成V型缺陷，使得更多载流子通过其V型侧壁进入有源区，提升载流子与空穴的复合几率是本发明的主要研究内容。
目前传统的GaN基发光二极管结构(从下到上依次)为：图形化蓝宝石AlN衬底，本征GaN层，n型GaN层，高温多量子阱结构，低温多量子阱有源区，低温P型AlGaN电子阻挡层，P型GaN导电层，p型接触层。传统的高温多量子阱结构为n-GaN/InGaN结构，其与有源区相接触，会产生一部分压应力，产生位错，若该部分压应力在无法完全释放，位错延伸至有源区最后几个发光阱，产生漏电通道，影响其发光效率以及晶体质量。同时其传统的高温多量子阱结构，其该处界面比较平整，V型缺陷较少，进入有源区的载流子有限，所以实现n-AlGaN/InGaN高温量子阱结构，通过调整量子垒时间，Si掺以及Al的掺杂量呈现阶梯结构对提升氮化镓基发光二极管的亮度有着非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述制备氮化镓基发光二极管的外延片生长过程中所面临的技术难题，对外延片的高温量子阱层进行了优化设计，以n-AlGaN/InGaN为循环的高温量子阱结构，更好的有效释放高温量子阱与有源区相接触时所产生的压应力，并通过实现其量子垒时间，Si掺以及Al的掺杂量呈现阶梯结构，分别以40”到70”,5”为一个阶梯，5％为一个阶梯，有意的形成阶梯状的V型缺陷，达到微粗该处的生长界面，从而形成发光通道，使得更多载流子通过V型缺陷侧壁进入发光量子阱区，提高了空穴和电子的辐射复合几率，从而提升亮度。
本发明的技术方案：
一种提升氮化镓基发光二极管亮度的外延片，从下到上的顺序结构依次为图形化蓝宝石AlN衬底、本征GaN层、n型GaN层、高温多量子阱结构、低温多量子阱有源区、低温P型AlGaN电子阻挡层、P型GaN导电层和p型接触层；
所述的本征GaN层的厚度为3.0-3.5um；
所述的n型GaN层的厚度为2.0-2.5um；
所述的高温多量子阱结构为N-AlGaN/N-InGaN结构，厚度为0.1-0.2um；所述的高温多量子阱结构共8个循环，针对量子垒N-AlGaN层进行调整，以第一个N-AlGaN层循环为基准调制SiH4(sccm)，后续每个循环SiH4在此基础上递增5％，Al组分以5％递增，N-AlGaN的生长时间以5s递增；在不破坏晶体质量的前提下，通过掺杂浓度的由低到高的渐变以及时间的递增，去缓解该处的压应力的同时，完成该处生长界面的维粗，使得更多载流子通过V型缺陷侧壁进入发光量子阱区，提高了空穴和电子的辐射复合几率，从而提升亮度。
所述的低温量子阱有源区的厚度为0.4-0.5um；
所述的低温P型AlGaN电子阻挡层的厚度为15nm～30nm；
所述的P型GaN导电层的厚度为40nm～60nm；
所述的P型接触层的厚度为10nm～15nm。
一种提升氮化镓基发光二极管亮度的外延片的生长方法，步骤如下：
步骤1：将蓝宝石图形化ALN衬底清洗处理后，放在MOCVD腔体里的石墨盘上，在升温阶段进行烘烤5分钟；
步骤2：将MOCVD腔内温度升至1020-1080℃，在700-800mbar的压力下，生长一层厚度为1.5-2.0um的三维本征GaN层；
步骤3：继续升温，在温度为1080-1150℃，在500-600mbar的压力下，生长一层厚度为1.0-1.5um的二维本征GaN层；
步骤4：在温度1050-1100℃，在200-400mbar的压力下，生长一层厚度为2.0-2.5um的N型GaN层；
步骤5：在温度850-900℃下，在200～300mbar的压力下，生长一层1.0nm～2.0nm的AlGaN层，在同一温度同一压力条件下，生长一层0.6-1.0nm的InGaN层，以此二者为一超晶格单元结构，以第一个高温量子垒为基准，SiH4掺杂递增5％，Al组分以5％为一阶梯，量子垒时间以5”为一梯度，依次增加，总共8个循环；
步骤6：在温度为830～880℃时，在200～300mbar的压力下，生长一层4nm～9nm的AlGaN层，在温度730-780℃下，同一压力条件下，生长一层2-4nm的InGaN层，以此二者为一超晶格单元结构，交替连续生长14-18个周期，此连续的超晶格结构即为低温量子阱有源区的量子阱结构；
步骤7：在温度为850～900℃时，在200～400mbar的压力下，生长一层厚度为15nm～30nm的低温P型AlGaN电子阻挡层；
步骤8：在温度为980～1000℃时，在150～200mbar的压力下，生长一层厚度为40nm～60nm的P型GaN导电层；
步骤9：在温度为700～750℃时，在150～200mbar的压力下，生长一层厚度为10nm～15nm的P型接触层。
所述的生长技术为金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)外延生长技术，金属有机源三甲基镓(TMGa)或者三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，N型掺杂剂为硅烷(SiH4)，P型掺杂剂为二茂镁(CP2Mg)；载气为高纯H2或/和高纯N2。
本发明的有益效果：较传统的生长方法不同，本发明对高温量子阱的高温量子垒进行了优化设计，实现了高温量子垒的一个阶梯式设计，此种阶梯式结构能够一定程度上进一步粗化该处的生长界面，形成更多的V型缺陷，进而形成载流子侧壁通道，使得更多的载流子从这些侧壁通道流入有源区，与空穴进行复合发光，以达到提升氮化镓基发光二极管的亮度的目的。
具体实施方式
以下结合技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式，本实施例采用金属有机化合物化学气相沉积设备(MOCVD)。
实施例1
一种提升氮化镓基发光二极管亮度的外延片生长方法，包括以下工艺步骤：
步骤1：将蓝宝石图形化ALN衬底清洗处理后，放在MOCVD腔体里的石墨盘上，在升温阶段进行烘烤，5分钟；
步骤2：将MOCVD腔内温度升至1060℃，在800mbar的压力下，生长一层厚度为2.0um的三维本征GaN层；
步骤3：继续升温，在温度为1090℃，在600mbar的压力下，生长一层厚度为1.5um的二维本征GaN层；
步骤4：在温度1080℃，在300mbar的压力下，生长一层厚度为2.5um的N型GaN层；
步骤5：在温度880℃下，在在250mbar的压力下，生长一层1.2nm的AlGaN，在同一温度同一压力条件下，生长一层0.7nm的InGaN,以此二者为一超晶格单元结构，以第一个高温量子垒为基准，SiH4掺杂以5％，Al组分以5％为一阶梯，量子垒时间以5”为一梯度，依次增加，总共8个循环；
步骤6：在温度为860℃时，在250mbar的压力下，生长一层5nm的AlGaN，在温度780℃下，同一压力条件下，生长一层2.5nm的InGaN,以此二者为一超晶格单元结构，交替连续生长14-18个周期，此连续的超晶格结构即为低温量子阱有源区的量子阱结构；
步骤7：在温度为850℃时，在200mbar的压力下，生长一层厚度为26nm的低温掺Mg的P型AlGaN电子阻挡层；
步骤8：在温度为990℃时，在150mbar的压力下，生长一层厚度为55nm的掺Mg的P型GaN层；
步骤9：在温度为725℃时，在150mbar的压力下，生长一层厚度为13nm的掺Mg的P型接触层。
本发明制得的外延片的结晶质量明显提升：其中对比测试本发明与传统方法所致的LED芯片在30mA，90mA,150mA的电流稳流工作条件下，利用本发明制得的LED芯片的亮度明显高于传统方法约1.0％，1.5％，2.0％。说明外延片的结晶质量提高。相比传统方案，最终的LED芯片的亮度降低1.0％-2.0％。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (2)
1.一种提升氮化镓基发光二极管亮度的外延片，其特征在于，所述的外延片从下到上的顺序结构依次为图形化蓝宝石AlN衬底、本征GaN层、n型GaN层、高温多量子阱结构、低温多量子阱有源区、低温P型AlGaN电子阻挡层、P型GaN导电层和p型接触层；
所述的本征GaN层的厚度为3.0-3.5um；
所述的n型GaN层的厚度为2.0-2.5um；
所述的高温多量子阱结构为N-AlGaN/N-InGaN结构，厚度为0.1-0.2um；所述的高温多量子阱结构共8个循环，针对量子垒N-AlGaN层进行调整，以第一个N-AlGaN层循环为基准调制SiH4，后续每个循环SiH4在此基础上递增5％，Al组分以5％递增，N-AlGaN的生长时间以5s递增；
所述的低温量子阱有源区的厚度为0.4-0.5um；
所述的低温P型AlGaN电子阻挡层的厚度为15nm～30nm；
所述的P型GaN导电层的厚度为40nm～60nm；
所述的P型接触层的厚度为10nm～15nm。
2.一种提升氮化镓基发光二极管亮度的外延片的生长方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：将蓝宝石图形化ALN衬底清洗处理后，放在MOCVD腔体里的石墨盘上，在升温阶段进行烘烤5分钟；
步骤2：将MOCVD腔内温度升至1020-1080℃，在700-800mbar的压力下，生长一层厚度为1.5-2.0um的三维本征GaN层；
步骤3：继续升温，在温度为1080-1150℃，在500-600mbar的压力下，生长一层厚度为1.0-1.5um的二维本征GaN层；
步骤4：在温度1050-1100℃，在200-400mbar的压力下，生长一层厚度为2.0-2.5um的N型GaN层；
步骤5：在温度850-900℃下，在200～300mbar的压力下，生长一层1.0nm～2.0nm的AlGaN层，在同一温度同一压力条件下，生长一层0.6-1.0nm的InGaN层，以此二者为一超晶格单元结构，以第一个高温量子垒为基准，SiH4掺杂递增5％，Al组分以5％为一阶梯，量子垒时间以5”为一梯度，依次增加，总共8个循环；
步骤6：在温度为830～880℃时，在200～300mbar的压力下，生长一层4nm～9nm的AlGaN层，在温度730-780℃下，同一压力条件下，生长一层2-4nm的InGaN层，以此二者为一超晶格单元结构，交替连续生长14-18个周期，此连续的超晶格结构即为低温量子阱有源区的量子阱结构；
步骤7：在温度为850～900℃时，在200～400mbar的压力下，生长一层厚度为15nm～30nm的低温P型AlGaN电子阻挡层；
步骤8：在温度为980～1000℃时，在150～200mbar的压力下，生长一层厚度为40nm～60nm的P型GaN导电层；
步骤9：在温度为700～750℃时，在150～200mbar的压力下，生长一层厚度为10nm～15nm的P型接触层。
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