CN109545913A - 一种Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法 - Google Patents
一种Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109545913A CN109545913A CN201811378446.2A CN201811378446A CN109545913A CN 109545913 A CN109545913 A CN 109545913A CN 201811378446 A CN201811378446 A CN 201811378446A CN 109545913 A CN109545913 A CN 109545913A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- gan
- temperature
- green light
- molar ratio
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 44
- 238000005457 optimization Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000013461 design Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000010792 warming Methods 0.000 claims description 11
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 10
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 5
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 5
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 claims description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 2
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 claims 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 abstract description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 abstract description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 abstract description 3
- 229910000069 nitrogen hydride Inorganic materials 0.000 description 6
- 206010013786 Dry skin Diseases 0.000 description 3
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 3
- 239000013256 coordination polymer Substances 0.000 description 3
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241001025261 Neoraja caerulea Species 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- XKMRRTOUMJRJIA-UHFFFAOYSA-N ammonia nh3 Chemical compound N.N XKMRRTOUMJRJIA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 238000009401 outcrossing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N trimethylaluminium Chemical compound C[Al](C)C JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/005—Processes
- H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
- H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
- H01L33/007—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/025—Physical imperfections, e.g. particular concentration or distribution of impurities
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
- H01L33/06—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/26—Materials of the light emitting region
- H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
- H01L33/305—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table characterised by the doping materials
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
本发明提供了一种Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法，包括如下步骤：Si衬底处理、在Si衬底上沉积AlN缓冲层，然后依次生长N‑GaN层、低温GaN层、10周期InGaN/GaN超晶格层、电子注入层、6个周期InGaN/GaN蓝光MQW层、7个周期的InGaN/GaN绿光MQW层、P‑AlGaN电子阻挡层、P‑GaN层，继续生长高Mg掺杂的P‑GaN层；然后降温至710‑730℃，进行退火30‑60min，之后随炉冷却，得到优化设计的Si衬底大功率绿光LED外延结构。本发明通过优化N型层掺杂、插入层中的低温GaN层厚度、InGaN/GaN超晶格层In组份和蓝光多量子阱结构阱厚，使大电流工作密度时，电子能够被冷却，减少载流子泄露，降低量子阱中的极化电场，同时有效缓解量子效率衰退，提高器件的发光效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子领域，具体涉及一种Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法。
背景技术
从节约能源以及提高光源色品质等角度考虑，基于三基色（红、绿、蓝）发光二极管构成的白光照明方式无疑是最优选择。多年来，紫光、蓝光LED的发光效率均有了快速的发展，AlGaInN蓝光LED的外量子效率已超过80%，然而绿光LED的发展却不尽如意，AlGaInN 绿光 LED 的外量子效率却不足40%。当前，针对绿光 LED 量子效率的提升，目前已提出的一些有效措施，主要包括减少外延层中的缺陷密度，以及采用由InN/GaN组成的新型厚 InGaN量子阱层等。其中，p-AlGaN作为电子阻挡层，其Al组份等参数的变化被发现对器件的量子效率亦有重要影响。但是，这些方法针对绿光LED光电性能提升都是独立进行，有些相互干扰的因素并没有进行交叉研究，最终产生的效果有限。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法，通过对其结构进行优化，有效提高了器件的绿光发光效率。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法，包括如下步骤：
（1）将Si片依次放入乙醇、丙酮和去离子水中清洗，将清洗的Si片干燥后放入MOCVD反应室中，在氢气氛围下去除Si片表面氧化物，得到Si衬底，然后关闭MOCVD反应室；
（2）先向反应室内通入TMAl 10-15s，流量70-80μmol/min，再通入NH3，在Si衬底上沉积AlN缓冲层，包含中温AlN缓冲层和高温AlN缓冲层，其中，中温AlN缓冲层的生长温度为900~1000℃，高温AlN缓冲层的生长温度为1050~1070℃，Ⅴ/Ⅲ的摩尔比为300~1000，压力均为100~300 mbar；
（3）反应室内温度为1050~1070℃，关闭TMAl的输出，通入TMGa，流量为150-200 μmol/min，同时通入经H2稀释至250 ppm的SiH4, 压力为100~300 mbar，Ⅴ/Ⅲ的摩尔比为300~1000，在AlN缓冲层上生长N-GaN层，厚度为2-3μm；
（4）反应室内温度降低为700~800℃，压力为100~300 mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000，在N-GaN层上生长低温GaN层，厚度为10-20 nm；
（5）向反应室内注入In源，在低温GaN层上生长10周期的 InGaN/GaN超晶格层，生长温度为700-850℃，生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000；
（6）温度升高到1050-1070 ℃，在超晶格层上生长20-30nm的电子注入层GaN，生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000；
（7）向反应室内继续注入In源，在电子注入层GaN上生长6个周期的InGaN/GaN蓝光MQW层：在阱的生长温度740~760℃，垒的生长温度为820~840℃、生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000；
（8）向反应室内继续注入In源，在InGaN/GaN蓝光MQW层上生长7个周期的InGaN/GaN绿光MQW层：在阱的生长温度740~760℃，垒的生长温度为820~840℃、生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000；
（9）反应室内升温至960~1080℃，生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000，在InGaN/GaN绿光MQW层上生长P-AlGaN电子阻挡层，厚度为20-30 nm；
（10）反应室内温度为1000~1050℃，生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000，在P-AlGaN电子阻挡层上生长P-GaN层，厚度为80-100 nm，
（11）向反应室内注入Mg源，在步骤（10）的基础上生长高Mg掺杂的P-GaN层，保证P-GaN的厚度在100-120 nm之间，温度为950~1000℃，生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500~1500；
（12）然后降温至710~730℃，进行退火30~60min，之后随炉冷却，得到优化设计的Si衬底大功率绿光LED外延结构。
其中，步骤（1）中表面去除氧化物操作的方法是通过预先通入H2气体，在1050-1100℃下处理3-5min。
其中，步骤（2）中，中温AlN缓冲层和高温AlN缓冲层的总厚度为150-180 nm，其中，高温AlN缓冲层的厚度为120-150 nm。
其中，步骤（5）、（7）、（8）中的In源为TMIn。
其中，步骤（9）Al的组分为15~20%.
其中，步骤（11）中的Mg源为Cp2Mg。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：本发明主要通过优化N型层掺杂、插入层中的低温GaN层厚度、InGaN/GaN超晶格层In组份和蓝光多量子阱结构阱厚，使大电流工作密度时，电子能够被冷却，减少了载流子泄露，降低了量子阱中的极化电场，同时有效缓解了量子效率衰退，提高了器件的发光效率。本发明的绿光 LED 的外量子效率大于40%，突破了传统产品的40%极限。
附图说明
图1为本发明设计的Si衬底大功率绿光LED外延结构；
图2为520 nm时本发明器件在各温度时典型内量子效率；
图3为530 nm时本发明器件在各温度时典型内量子效率。
附图标记说明：
1、Si衬底；2、AlN缓冲层；3、N-GaN层；4、低温GaN层；5、InGaN/GaN超晶格层；6、电子注入层GaN; 7、InGaN/GaN蓝光MQW层；8、InGaN/GaN绿光MQW层；9、P-AlGaN电子阻挡层；10、P-GaN层。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法，是在MOCVD系统中进行结构生长的，以TMAl、TMGa、NH3和CP2Mg分别作为Al源、Ga源、N源和Mg掺杂剂，H2作为载气。Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法具体包括以下步骤：
（1-1）将购买的800微米厚的Si衬底（Si(111)）在乙醇、丙酮和去离子水中清洗20min，100℃干燥后放置在MOCVD手套箱中，随后利用吸盘将衬底移动到反应室的衬底托盘上，在氢气氛围下将外延片表面温度升至1050℃，热处理5 min彻底去除表面氧化物，得到Si衬底1；
（1-2）反应室内降温到1000℃，先通入三甲基铝TMAl12s，再通入氨气NH3，压力为100mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400，在Si衬底1上沉积中温AlN缓冲层，厚度30nm；
其中，Ⅴ表示第五主族的元素，Ⅲ表示第三主族的元素。
（1-3）反应室内升温至1050℃，继续生长120 nm的高温AlN缓冲层，压力为100mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400，沉积高温AlN缓冲层；
（1-4）反应室内温度保持不变，压力为100mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400，在AlN缓冲层2上生长N-GaN层3，厚度为2.4μm；
（1-5）反应室内温度降低到800 ℃，压力为100mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400，在N-GaN层3上生长低温GaN层4，厚度为10nm；
（1-6）在低温GaN层4上生长10周期的 InGaN/GaN超晶格层5，反应室内压力为200mbar，温度为750℃，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400；
（1-7）升温到1050 ℃，在InGaN/GaN超晶格层5上生长GaN电子注入层6，厚度为20 nm，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400，反应室内压力为200 mbar；
（1-8）在GaN电子注入层6上生长6个周期的InGaN/GaN蓝光MQW层7，其中， InGaN阱厚为3nm， GaN垒厚为10nm，在阱的生长温度740℃，垒的生长温度为820℃、压力为200 mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400；
（1-9）在InGaN/GaN蓝光MQW层7上生长7个周期的InGaN/GaN绿光MQW层8，其中，InGaN阱厚为3nm，GaN垒厚为10nm，在阱的生长温度740℃，垒的生长温度为820℃、压力为200 mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400；
（1-10）反应室内升温至960℃，压力为200mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400，Al的组分15%，在InGaN/GaN 绿光MQW层8上生长P-AlGaN电子阻挡层9，厚度为20nm；
（1-11）反应室内温度继续升至1000℃，生长压力为200mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500，在P-AlGaN电子阻挡层9上生长P-GaN层，厚度为100nm；
（1-12）反应室内温度保持为1000℃，生长压力为200mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500，继续生长高Mg掺杂的P-GaN层，厚度为100nm；
（1-13）反应室内降温至710℃进行退火30min，之后随炉冷却，得到优化设计的Si衬底大功率绿光LED外延结构。
利用上述方法，得到的Si衬底大功率绿光LED外延结构如图1所示。
实施例2
本实施例提供了一种Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法，是在MOCVD系统中进行结构生长的，以TMAl、TMGa、NH3和CP2Mg分别作为Al源、Ga源、N源和Mg掺杂剂，H2作为载气。具体包括以下步骤：
（2-1）将购买的800微米厚的Si衬底（Si(111)）在乙醇、丙酮和去离子水中清洗30min，80℃干燥后放置在MOCVD手套箱中，随后利用吸盘将衬底移动到反应室的衬底托盘上，在氢气氛围下将外延片表面温度升至1100℃，热处理5 min彻底去除表面氧化物，得到Si衬底1；
（2-2）反应室内降温到1000℃，先通入TMAl 10s，再通入NH3，压力为200 mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400，在Si衬底1上沉积中温AlN缓冲层，厚度20 nm；
（2-3）反应室内升温至1060℃，继续生长150nm的高温AlN缓冲层，压力为200 mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400，沉积高温AlN缓冲层；
（2-4）反应室内温度保持不变，200mbar压力，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400，在AlN缓冲层2上生长N-GaN层3，厚度为2.5μm；
（2-5）反应室内温度降低到750 ℃，压力为200mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400，在N-GaN层3上生长低温GaN层4，厚度为20 nm；
（2-6）在低温GaN层4上生长10周期的 InGaN/GaN超晶格层5，反应室内压力为200mbar，温度为850℃，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400；
（2-7）升温到1060 ℃，在InGaN/GaN超晶格层5上生长GaN电子注入层6，厚度为30 nm，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400，反应室内压力为200 mbar；
（2-8）在GaN电子注入层6上生长6个周期的InGaN/GaN蓝光MQW层7，其中， InGaN阱厚为3nm， GaN垒厚为10nm，在阱的生长温度730℃，垒的生长温度为820℃、压力为200 mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400；
（2-9）在InGaN/GaN蓝光MQW层7上生长7个周期的InGaN/GaN绿光MQW层8，其中，InGaN阱厚为3nm，GaN垒厚为10nm，在阱的生长温度730℃，垒的生长温度为820℃、压力为200 mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400；
（2-10）反应室内升温至1000℃，压力为200mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为400，Al的组分18%，在InGaN/GaN 绿光MQW层8上生长P-AlGaN电子阻挡层9，厚度为30nm；
（2-11）反应室内温度继续升至1050℃，生长压力为200mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500，在P-AlGaN电子阻挡层9上生长P-GaN层，厚度为80nm；
（2-12）反应室内温度保持为1000℃，生长压力为200mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500，继续生长高Mg掺杂的P-GaN层，厚度为110nm；
（2-13）反应室内降温至720℃进行退火30min，之后随炉冷却，得到优化设计的Si衬底大功率绿光LED外延结构。
图2是520nm时本发明器件在各温度时典型内量子效率，芯片尺寸为 1mm*1mm的器件在305K，35A/cm2时的量子效率为43%，大于一般报道的40%。
实施例3
本实施例一种Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法，是在MOCVD系统中进行结构生长的，以TMAl、TMGa、NH3和CP2Mg分别作为Al源、Ga源、N源和Mg掺杂剂， H2作为载气。具体包括以下步骤：
（3-1）将购买的800微米厚的Si衬底（Si(111)）在乙醇、丙酮和去离子水中清洗30min，90℃干燥后放置在MOCVD手套箱中，随后利用吸盘将衬底移动到反应室的衬底托盘上，在氢气氛围下将外延片表面温度升至1100℃，热处理3 min彻底去除表面氧化物，得到Si衬底1；
（3-2）反应室内降温到900℃，先通入TMAl 15s，再通入NH3，压力为300 mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500，在Si衬底1上沉积中温AlN缓冲层，厚度30 nm；
（3-3）反应室内升温至1070℃，继续生长140nm的高温AlN缓冲层，压力为300 mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500，沉积高温AlN缓冲层；
（3-4）反应室内温度保持不变，300mbar压力，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500，在AlN缓冲层2上生长N-GaN层3，厚度为3μm；
（3-5）反应室内温度降低到700 ℃，压力为300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500，在N-GaN层3上生长低温GaN层4，厚度为20 nm；
（3-6）在低温GaN层4上生长10周期的 InGaN/GaN超晶格层5，反应室内压力为300mbar，温度为850℃，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500；
（3-7）升温到1060 ℃，在InGaN/GaN超晶格层5上生长GaN电子注入层6，厚度为30 nm，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500，反应室内压力为300 mbar；
（3-8）在GaN电子注入层6上生长6个周期的InGaN/GaN蓝光MQW层7，其中， InGaN阱厚为3nm， GaN垒厚为10nm，在阱的生长温度720℃，垒的生长温度为820℃、压力为300 mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500；
（3-9）在InGaN/GaN蓝光MQW层7上生长7个周期的InGaN/GaN绿光MQW层8，其中，InGaN阱厚为3 nm，GaN垒厚为10nm，在阱的生长温度720℃，垒的生长温度为820℃、压力为300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500；
（3-10）反应室内升温至1060℃，压力为300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500，Al的组分20%，在InGaN/GaN 绿光MQW层8上生长P-AlGaN电子阻挡层9，厚度为30nm；
（3-11）反应室内温度降低到1050℃，生长压力为300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500，在P-AlGaN电子阻挡层9上生长P-GaN层，厚度为80nm；
（3-12）反应室内温度降低为1000℃，生长压力为300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500，继续生长高Mg掺杂的P-GaN层，厚度为100nm；
（3-13）反应室内降温至730℃进行退火30min，之后随炉冷却，得到优化设计的Si衬底大功率绿光LED外延结构。
图3是530 nm时本发明器件在各温度时典型内量子效率，芯片尺寸为 1mm*1mm的器件在305K, 35A/cm2时的量子效率为43%，大于常规报道的40%。
本发明主要通过优化N型层掺杂、插入层中的低温GaN层厚度、InGaN/GaN超晶格层In组份和蓝光多量子阱结构阱厚，使大电流工作密度时，电子能够被冷却，减少了载流子泄露，降低了量子阱中的极化电场，同时有效缓解了量子效率衰退，提高了器件的发光效率。本发明的绿光 LED 的外量子效率大于40%，突破了传统产品的40%极限。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将Si片依次放入乙醇、丙酮和去离子水中清洗，将清洗的Si片干燥后放入MOCVD反应室中，在氢气氛围下去除Si片表面氧化物，得到Si衬底，然后关闭MOCVD反应室；
（2）先向反应室内通入TMAl 10-15s，流量70-80μmol/min，再通入NH3，在Si衬底上沉积AlN缓冲层，包含中温AlN缓冲层和高温AlN缓冲层，其中，中温AlN缓冲层的生长温度为900~1000℃，高温AlN缓冲层的生长温度为1050~1070℃，Ⅴ/Ⅲ的摩尔比为300~1000，压力均为100~300 mbar；
（3）反应室内温度为1050~1070℃，关闭TMAl的输出，通入TMGa，流量为150-200 μmol/min，同时通入经H2稀释至250 ppm的SiH4, 压力为100~300 mbar，Ⅴ/Ⅲ的摩尔比为300~1000，在AlN缓冲层上生长N-GaN层，厚度为2-3μm；
（4）反应室内温度降低为700~800℃，压力为100~300 mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000，在N-GaN层上生长低温GaN层，厚度为10-20 nm；
（5）向反应室内注入In源，在低温GaN层上生长10周期的 InGaN/GaN超晶格层，生长温度为700-850℃，生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000；
（6） 温度升高到1050-1070 ℃，在超晶格层上生长20-30nm的电子注入层GaN，生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000；
（7）向反应室内继续注入In源，在电子注入层GaN上生长6个周期的InGaN/GaN蓝光MQW层：在阱的生长温度740~760℃，垒的生长温度为820~840℃、生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000；
（8）向反应室内继续注入In源，在InGaN/GaN蓝光MQW层上生长7个周期的InGaN/GaN绿光MQW层：在阱的生长温度740~760℃，垒的生长温度为820~840℃、生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000；
（9）反应室内升温至960~1080℃，生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000，在InGaN/GaN绿光MQW层上生长P-AlGaN电子阻挡层，厚度为20-30 nm；
（10）反应室内温度为1000~1050℃，生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为300~1000，在P-AlGaN电子阻挡层上生长P-GaN层，厚度为80-100 nm，
（11）向反应室内注入Mg源，在步骤（10）的基础上生长高Mg掺杂的P-GaN层，保证P-GaN的厚度在100-120 nm之间，温度为950~1000℃，生长压力为100~300mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比为500~1500；
（12）然后降温至710~730℃，进行退火30~60min，之后随炉冷却，得到优化设计的Si衬底大功率绿光LED外延结构。
2.根据权利要求1所述的Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法，其特征在于，步骤（1）中表面去除氧化物操作的方法是通过预先通入H2气体，在1050-1100℃ 下处理3-5min。
3.根据权利要求1所述的Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法，其特征在于，步骤（2）中，中温AlN缓冲层和高温AlN缓冲层的总厚度为150-180 nm，其中，高温AlN缓冲层的厚度为120-150 nm。
4.根据权利要求1所述的Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法，其特征在于，步骤（5）、（7）、（8）中的In源为TMIn。
5.根据权利要求1所述的Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法，其特征在于，步骤（9）Al的组分为15~20%.
根据权利要求1所述的Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法，其特征在于，步骤（11）中的Mg源为Cp2Mg。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2018112793248 | 2018-10-30 | ||
| CN201811279324 | 2018-10-30 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109545913A true CN109545913A (zh) | 2019-03-29 |
Family
ID=65848554
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811378446.2A Pending CN109545913A (zh) | 2018-10-30 | 2018-11-19 | 一种Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109545913A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113270525A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-08-17 | 广东德力光电有限公司 | 一种绿光外延结构的制备方法 |
| CN114864762A (zh) * | 2022-07-11 | 2022-08-05 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种低缺陷密度硅基氮化镓半导体外延片及其制作方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8058663B2 (en) * | 2007-09-26 | 2011-11-15 | Iii-N Technology, Inc. | Micro-emitter array based full-color micro-display |
| CN102714145A (zh) * | 2009-03-27 | 2012-10-03 | 同和控股（集团）有限公司 | 第iii族氮化物半导体生长基板、第iii族氮化物半导体外延基板、第iii族氮化物半导体元件和第iii族氮化物半导体自立基板、及它们的制造方法 |
| CN102969417A (zh) * | 2012-11-01 | 2013-03-13 | 扬州中科半导体照明有限公司 | 一种绿光氮化物led外延片及其生长方法 |
| CN104037287A (zh) * | 2014-06-10 | 2014-09-10 | 广州市众拓光电科技有限公司 | 生长在Si衬底上的LED外延片及其制备方法 |
| CN104409591A (zh) * | 2014-11-12 | 2015-03-11 | 湘能华磊光电股份有限公司 | 一种GaN基绿光LED外延结构及其制作方法 |
| CN105702817A (zh) * | 2016-04-25 | 2016-06-22 | 安徽三安光电有限公司 | 一种发光二极管及其制备方法 |
| CN107946417A (zh) * | 2017-11-29 | 2018-04-20 | 北京工业大学 | 一种全色微型led阵列垂直外延制备方法 |
-
2018
- 2018-11-19 CN CN201811378446.2A patent/CN109545913A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8058663B2 (en) * | 2007-09-26 | 2011-11-15 | Iii-N Technology, Inc. | Micro-emitter array based full-color micro-display |
| CN102714145A (zh) * | 2009-03-27 | 2012-10-03 | 同和控股（集团）有限公司 | 第iii族氮化物半导体生长基板、第iii族氮化物半导体外延基板、第iii族氮化物半导体元件和第iii族氮化物半导体自立基板、及它们的制造方法 |
| CN102969417A (zh) * | 2012-11-01 | 2013-03-13 | 扬州中科半导体照明有限公司 | 一种绿光氮化物led外延片及其生长方法 |
| CN104037287A (zh) * | 2014-06-10 | 2014-09-10 | 广州市众拓光电科技有限公司 | 生长在Si衬底上的LED外延片及其制备方法 |
| CN104409591A (zh) * | 2014-11-12 | 2015-03-11 | 湘能华磊光电股份有限公司 | 一种GaN基绿光LED外延结构及其制作方法 |
| CN105702817A (zh) * | 2016-04-25 | 2016-06-22 | 安徽三安光电有限公司 | 一种发光二极管及其制备方法 |
| CN107946417A (zh) * | 2017-11-29 | 2018-04-20 | 北京工业大学 | 一种全色微型led阵列垂直外延制备方法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113270525A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-08-17 | 广东德力光电有限公司 | 一种绿光外延结构的制备方法 |
| CN114864762A (zh) * | 2022-07-11 | 2022-08-05 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种低缺陷密度硅基氮化镓半导体外延片及其制作方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102664145B (zh) | 采用金属有机化合物气相外延技术生长非对称电子储蓄层高亮度发光二极管的方法 | |
| CN106033787B (zh) | 一种采用mocvd技术制备具有阶梯式量子阱结构近紫外led的方法 | |
| CN103824909B (zh) | 一种提高GaN基LED发光亮度的外延方法 | |
| CN104409587B (zh) | 一种InGaN基蓝绿光发光二极管外延结构及生长方法 | |
| CN105449051B (zh) | 一种采用MOCVD技术在GaN衬底或GaN/Al2O3复合衬底上制备高亮度同质LED的方法 | |
| CN101540361B (zh) | 硅衬底上生长的铝镓铟磷发光二极管的制备方法 | |
| CN105633235B (zh) | 一种n型GaN结构的GaN基LED外延结构及生长方法 | |
| CN109360877B (zh) | 一种具有In和Al掺杂，In渐变生长的低温P型GaN外延方法 | |
| CN102881788A (zh) | 一种改善GaN基LED量子阱结构提高载子复合效率的外延生长方法 | |
| CN101488550A (zh) | 高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED的制造方法 | |
| CN106935690B (zh) | 一种提高紫外led光输出功率的外延结构 | |
| CN205264741U (zh) | GaN基LED外延片 | |
| CN108831974B (zh) | 一种发光二极管外延片及其制造方法 | |
| CN100580966C (zh) | 一种绿光发光二极管 | |
| CN109888071B (zh) | 一种GaN基LED外延层结构及其制备方法 | |
| CN104009136A (zh) | 提高发光效率的led外延层生长方法及led外延层 | |
| CN105977351A (zh) | 一种紫外led有源区多量子阱的生长方法 | |
| CN109300851A (zh) | 一种具有Al和In掺杂生长的低温P型GaN外延片 | |
| CN105762240B (zh) | 一种紫外发光二极管外延结构及其制备方法 | |
| CN106159048A (zh) | 一种发光二极管外延片及其生长方法 | |
| CN103258927A (zh) | 一种提高GaN基LED抗静电能力的外延结构及其生长方法 | |
| CN103400914A (zh) | 一种提高氮化镓基电流扩展的外延结构及其生长方法 | |
| CN109545913A (zh) | 一种Si衬底大功率绿光LED外延结构的优化方法 | |
| CN103337571B (zh) | 改善GaN基外延片内波长集中度的外延结构及生长方法 | |
| CN104617201B (zh) | 一种适合高电流密度的GaN基LED外延结构及其生长方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190329 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |