CN109802021A - InGaN量子点发光二极管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种InGaN量子点发光二极管及其制备方法，属于半导体技术领域。包括蓝宝石衬底；设于蓝宝石衬底上面的GaN形核层；设于GaN形核层上面的未掺杂的GaN层；设于未掺杂的GaN层上面的n型GaN层；设于n型GaN层上面的第一GaN势垒层；设于第一GaN势垒层上面的量子阱区，量子阱区包括5～15周期的量子阱层，每个量子阱层从下至上依次包括InGaN量子点层、非线性变速生长的量子点盖层和第二GaN势垒层；设于量子阱区上面的p型AlGaN电子阻挡层；设于p型AlGaN电子阻挡层上面的p型GaN层；设于p型GaN层上面的p++型GaN电极接触层。本发明能有效抑制量子点处In组分的偏析，减少界面位错的攀移，从而减少阱垒界面的位错密度，使量子点分布趋于均匀，实现高密度高性能InGaN量子点的制备。

Description

InGaN量子点发光二极管及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种InGaN量子点发光二极管及其制备方法。

背景技术

当前，关于InGaN量子点的生长质量较差的因主要有两个，一方面是因为InN和GaN之间的混溶性较差，在生长三元合金InGaN时很容易发生相分离，特别是当In组分在20％以上时，由于GaN和InN之间存在11％的晶格失配，它们的互溶性较低，容易造成铟的积聚，即发生相分离或轻微组织起伏而导致InGaN量子点的大小不均匀；另一方面，GaN势垒的生长温度较高，而In-N化合物的键能较小，容易断裂，导致阱层的铟原子从表面脱附或形成铟金属液滴，从而导致InGaN量子点的分布不均匀。

目前在改善InGaN量子点的生长质量时的常规方法有在量子阱中插入生长停顿层的方法或者是在量子阱层和垒层之间插入低温GaN过渡层等方法。这些方法虽然在一定程度上也能调整InGaN量子点的无序迁移和组分偏析来改善InGaN量子点的均匀性。但是，对于生长密度较大、均匀分布的InGaN量子点的效果并不明显。另外，在量子阱层和垒层之间插入低温GaN过渡层的方法，会生成大量缺陷降，低阱/垒界面质量。

发明内容

为了解决现有技术生长的InGaN量子点发光二极管中In组分分布不均匀、量子点密度低及容易生成大量缺陷降低阱/垒界面质量等问题，本发明提供一种InGaN量子点发光二极管及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种InGaN量子点发光二极管，其包括：蓝宝石衬底；设置于蓝宝石衬底上面的GaN形核层；设置于GaN形核层上面的未掺杂的GaN层；设置于未掺杂的GaN层上面的n型GaN层；设置于n型GaN层上面的第一GaN势垒层；设置于第一GaN势垒层上面的量子阱区，所述量子阱区包括5～15周期的量子阱层，每个量子阱层从下至上依次包括InGaN量子点层、非线性变速生长的量子点盖层和第二GaN势垒层；设置于量子阱区上面的p型AlGaN电子阻挡层；设置于p型AlGaN电子阻挡层上面的p型GaN层；设置于p型GaN层上面的p++型GaN电极接触层。

可选地，所述n型GaN层为Si掺杂的n型GaN层。

可选地，所述p型GaN层为Mg掺杂的p型GaN层。

可选地，所述蓝宝石衬底的厚度为300～400μm；所述GaN形核层的厚度为20～30nm；所述未掺杂的GaN层的厚度为1.5～2.5μm；所述n型GaN层的厚度为0.5～1.5μm；所述第一GaN势垒层的厚度为40～50nm；所述InGaN量子点层5的厚度为3～5nm；所述第二GaN势垒层的厚度为10～14nm；所述p型AlGaN电子阻挡层的厚度为35～60nm；所述p型GaN层的厚度为150～300nm；所述p++型GaN电极接触层的厚度为20～40nm。

可选地，所述非线性变速生长的量子点盖层的厚度为2～4nm。

可选地，所述非线性变速生长的量子点盖层从下至上依次包括第一阶段量子点盖层、第二阶段量子点盖层和第三阶段量子点盖层；所述第一阶段量子点盖层为用5s的时间使流速从20sccm上升到80sccm生长的量子点盖层；所述第二阶段量子点盖层为以80sccm的流速恒速生长10s的量子点盖层；所述第三阶段量子点盖层为用15s的时间使流速由80sccm下降至50sccm生长的量子点盖层。

一种InGaN量子点发光二极管的制备方法，其包括：

S1，在900～1200℃温度下，在H₂气氛中先对图形化的蓝宝石衬底的表面进行杂质或氧化物的还原处理300～500s，然后对处理后的蓝宝石衬底表面进行氮化处理，得到蓝宝石衬底；

S2，采用三甲基镓为镓源，NH₃为氮源，H₂为载气，控制反应室的生长温度为400～900℃、生长时间为200～260s、压力为500～700mbar，在氮化处理后的蓝宝石衬底表面生长初始GaN成核层，并在温度为1000～1200℃的条件下对初始GaN成核层退火150～250s形成GaN成核层；

S3，采用三甲基镓为镓源，NH₃为氮源，H₂为载气，控制反应室的生长温度为1000～1200℃、生长时间为3400～3800s、压力为500～700mbar，在GaN成核层表面生长未掺杂的GaN层；

S4，采用三甲基镓为镓源，SiH₄为硅源，NH₃为氮源，H₂为载气，控制反应室的生长温度为1000～1200℃、生长时间为1600～2000s、压力为500～700mbar，在未掺杂的GaN层表面生长Si掺杂的n型GaN层；

S5，采用三乙基镓为镓源，NH₃为氮源，N₂为载气，SiH₄为掺杂源，控制反应室的生长温度为600～900℃，生长时间为150～250s，压力为300～500mbar，在n型GaN层表面生长第一GaN垒层；

S6，采用三乙基镓为镓源、三甲基铟为铟源、NH₃为氮源、N₂为载气，控制反应室的生长温度为600～800℃、压力为300～500mbar、生长时间为100～200s，在第一GaN垒层表面生长InGaN量子点层；

S7，采用三乙基镓为镓源、三甲基铟为铟源、NH₃为氮源、N₂为载气，控制反应室的生长温度为700～900℃、压力为300～500mbar，生长时间为30～50s，在InGaN量子点层表面生长非线性变速生长的量子点盖层；

S8，采用三乙基镓为镓源，NH₃为氮源，N₂为载气，SiH₄为掺杂源，控制反应室的生长温度为800～880℃、生长时间为150～200s、压力为300～500mbar，在非线性变速生长的量子点盖层生长第二GaN垒层；

S9，重复执行5～15次S6至S8，得到量子阱区；

S10，采用三甲基镓为镓源，三甲基铝为铝源，二茂镁为镁源，NH₃为氮源，N₂为载气，控制反应室的生长温度为900～1000℃、生长时间为80～120s、压力为150～250mbar，在量子阱区表面生长p型AlGaN电子阻挡层；

S11，采用三甲基镓为镓源，二茂镁为镁源，NH₃为氮源，N₂为载气，控制反应室的生长温度为900～1000℃、生长时间为900～1100s、压力为100～200mbar，在p型AlGaN电子阻挡层表面生长Mg掺杂的p型GaN层；

S12，采用三甲基镓为镓源，TMln为铟源，二茂镁为镁源，NH₃为氮源，N₂为载气，控制反应室的生长温度为900～1000℃、生长时间为200～400s、压力为100～200mbar，在p型GaN层表面生长p++型GaN电极接触层；

S13，对步骤S12得到的结构在700～800℃温度下的N₂气氛中退火900～1100s，然后降至室温，得到InGaN量子点发光二极管。

可选地，所述蓝宝石衬底的厚度为300～400μm；所述GaN形核层的厚度为20～30nm；所述未掺杂的GaN层的厚度为1.5～2.5μm；所述n型GaN层的厚度为0.5～1.5μm；所述第一GaN势垒层的厚度为40～50nm；所述InGaN量子点层5的厚度为3～5nm；所述第二GaN势垒层的厚度为10～14nm；所述p型AlGaN电子阻挡层的厚度为35～60nm；所述p型GaN层的厚度为150～300nm；所述p++型GaN电极接触层的厚度为20～40nm。

可选地，所述非线性变速生长的量子点盖层的厚度为2～4nm。

可选地，所述S7中在InGaN量子点层表面生长非线性变速生长的量子点盖层时，先用5s的时间使流速从20sccm上升到80sccm来生长第一阶段量子点盖层；接着以80sccm的流速恒速生长10s的第二阶段量子点盖层；最后用15s的时间使流速由80sccm下降至50sccm来生长第三阶段量子点盖层。

上述所有可选技术方案均可任意组合，本发明不对一一组合后的结构进行详细说明。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

通过在InGaN量子点层和第二GaN势垒层之间插入非线性变速生长的量子点盖层，这个非线性变速生长的量子点盖层能有效抑制量子点处In组分的偏析使量子点组分分布趋于均匀，也能抑制位错线向上攀移，从而减少了位错密度。

本发明相对现有的制备InGaN量子点发光二极管的方式，具有以下优点：相对于在量子阱中插入生长停顿层和插入低温GaN过渡层的方式，本发明通过在InGaN量子点层和第二GaN势垒层之间插入非线性变速生长的量子点盖层，能有效抑制量子点处In组分的偏析，减少界面位错的攀移，从而减少阱垒界面的位错密度，使量子点组分分布趋于均匀，实现了高密度、高性能InGaN量子点的制备，有利于提高InGaN量子点发光二极管的内量子效率，从而能够获得高性能的InGaN量子点发光二极管。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明实施例提供的InGaN量子点发光二极管的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供的InGaN量子点发光二极管，其包括：蓝宝石衬底1；设置于蓝宝石衬底1上面的GaN形核层2；设置于GaN形核层2上面的未掺杂的GaN层3；设置于未掺杂的GaN层3上面的n型GaN层4；设置于n型GaN层4上面的第一GaN势垒层5；设置于第一GaN势垒层5上面的量子阱区，所述量子阱区包括5～15周期的量子阱层，每个量子阱层从下至上依次包括InGaN量子点层6、非线性变速生长的量子点盖层7和第二GaN势垒层8；设置于量子阱区上面的p型AlGaN电子阻挡层9；设置于p型AlGaN电子阻挡层9上面的p型GaN层10；设置于p型GaN层上面的p++型GaN电极接触层11。

可选地，所述n型GaN层为Si掺杂的n型GaN层；所述p型GaN层为Mg掺杂的p型GaN层。

可选地，所述蓝宝石衬底的厚度为300～400μm；所述GaN形核层的厚度为20～30nm；所述未掺杂的GaN层的厚度为1.5～2.5μm；所述n型GaN层的厚度为0.5～1.5μm；所述第一GaN势垒层的厚度为40～50nm；所述InGaN量子点层5的厚度为3～5nm；所述非线性变速生长的量子点盖层的厚度为2～4nm；所述第二GaN势垒层的厚度为10～14nm；所述p型AlGaN电子阻挡层的厚度为35～60nm；所述p型GaN层的厚度为150～300nm；所述p++型GaN电极接触层的厚度为20～40nm。需要说明的是，图1仅用于示意本发明实施例提供的InGaN量子点发光二极管的组成结构，图1所示的各层的厚度并不代表各层的实际厚度。

可选地，所述非线性变速生长的量子点盖层从下至上依次包括第一阶段量子点盖层、第二阶段量子点盖层和第三阶段量子点盖层；所述第一阶段量子点盖层为用5s的时间使流速从20sccm上升到80sccm生长的量子点盖层；所述第二阶段量子点盖层为以80sccm的流速恒速生长10s的量子点盖层；所述第三阶段量子点盖层为用15s的时间使流速由80sccm下降至50sccm生长的量子点盖层。

上述InGaN量子点发光二极管的制备方法，其包括如下步骤S1至S13：

S1，在900～1200℃温度下，在H₂气氛中先对图形化的蓝宝石衬底的表面进行杂质或氧化物的还原处理300～500s，然后对处理后的蓝宝石衬底表面进行氮化处理，得到蓝宝石衬底。

S2，采用三甲基镓为镓源，NH₃为氮源，H₂为载气，控制反应室的生长温度为400～900℃、生长时间为200～260s、压力为500～700mbar，在氮化处理后的蓝宝石衬底表面生长初始GaN成核层，并在温度为1000～1200℃的条件下对初始GaN成核层退火150～250s形成GaN成核层。

S3，采用三甲基镓为镓源，NH₃为氮源，H₂为载气，控制反应室的生长温度为1000～1200℃、生长时间为3400～3800s、压力为500～700mbar，在GaN成核层表面生长未掺杂的GaN层。

S4，采用三甲基镓为镓源，SiH₄为硅源，NH₃为氮源，H₂为载气，控制反应室的生长温度为1000～1200℃、生长时间为1600～2000s、压力为500～700mbar，在未掺杂的GaN层表面生长Si掺杂的n型GaN层。

S5，采用三乙基镓为镓源，NH₃为氮源，N₂为载气，SiH₄为掺杂源，控制反应室的生长温度为600～900℃，生长时间为150～250s，压力为300～500mbar，在n型GaN层表面生长第一GaN垒层。

S6，采用三乙基镓为镓源、三甲基铟为铟源、NH₃为氮源、N₂为载气，控制反应室的生长温度为600～800℃、压力为300～500mbar、生长时间为100～200s，在第一GaN垒层表面生长InGaN量子点层。

S7，采用三乙基镓为镓源、三甲基铟为铟源、NH₃为氮源、N₂为载气，控制反应室的生长温度为700～900℃、压力为300～500mbar，生长时间为30～50s，在InGaN量子点层表面生长非线性变速生长的量子点盖层。

S8，采用三乙基镓为镓源，NH₃为氮源，N₂为载气，SiH₄为掺杂源，控制反应室的生长温度为800～880℃、生长时间为150～200s、压力为300～500mbar，在非线性变速生长的量子点盖层生长第二GaN垒层。

S9，重复执行5～15次S6至S8，得到量子阱区。

S10，采用三甲基镓为镓源，三甲基铝为铝源，二茂镁为镁源，NH₃为氮源，N₂为载气，控制反应室的生长温度为900～1000℃、生长时间为80～120s、压力为150～250mbar，在量子阱区表面生长p型AlGaN电子阻挡层。

S11，采用三甲基镓为镓源，二茂镁为镁源，NH₃为氮源，N₂为载气，控制反应室的生长温度为900～1000℃、生长时间为900～1100s、压力为100～200mbar，在p型AlGaN电子阻挡层表面生长Mg掺杂的p型GaN层。

S12，采用三甲基镓为镓源，TMln为铟源，二茂镁为镁源，NH₃为氮源，N₂为载气，控制反应室的生长温度为900～1000℃、生长时间为200～400s、压力为100～200mbar，在p型GaN层表面生长p++型GaN电极接触层(高掺杂的电极接触层)。

S13，对步骤S12得到的结构在700～800℃温度下的N₂气氛中退火900～1100s，然后降至室温，得到InGaN量子点发光二极管。

可选地，所述S7中在InGaN量子点层表面生长非线性变速生长的量子点盖层时，先用5s的时间使流速从20sccm上升到80sccm来生长第一阶段量子点盖层；接着以80sccm的流速恒速生长10s的第二阶段量子点盖层；最后用15s的时间使流速由80sccm下降至50sccm来生长第三阶段量子点盖层。

也就是说，本发明实施例采用了生长速率非线性变化的方法来制备非线性变速生长的量子点盖层。在生长完InGaN量子点层后，采用三段式生长的方法，首先采用加速生长，然后保持高速生长，最后线性降速生长。加速生长过程是由于快的生长速率既能形成较厚的量子点覆盖面降低应力，又能抑制阱层原子发生向上迁移；其次，高速生长过程是为了实现快速达到盖层的最佳厚度；最后，采用线性降速生长是为了降低盖层与垒层之间的界面缺陷提高界面质量，从而有效抑制量子点处In组分的偏析和位错线的攀移，实现量子点组分分布均匀分布，密度高的特点，达到提高InGaN量子点发光二极管光电性能的目的。

需要说明的是，在具体实施上述步骤时，各个步骤中涉及到的温度、压力和时间可以取对应范围内的任何数值，如当生长温度为700～800℃时，具体实施的温度可以为700℃，也可以为800℃，还可以为700～800℃中的任一温度。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种InGaN量子点发光二极管，其特征在于，包括：

蓝宝石衬底；

设置于蓝宝石衬底上面的GaN形核层；

设置于GaN形核层上面的未掺杂的GaN层；

设置于未掺杂的GaN层上面的n型GaN层；

设置于n型GaN层上面的第一GaN势垒层；

设置于第一GaN势垒层上面的量子阱区，所述量子阱区包括5～15周期的量子阱层，每个量子阱层从下至上依次包括InGaN量子点层、非线性变速生长的量子点盖层和第二GaN势垒层；

设置于量子阱区上面的p型AlGaN电子阻挡层；

设置于p型AlGaN电子阻挡层上面的p型GaN层；

设置于p型GaN层上面的p++型GaN电极接触层。

2.根据权利要求1所述的InGaN量子点发光二极管，其特征在于，所述n型GaN层为Si掺杂的n型GaN层。

3.根据权利要求1所述的InGaN量子点发光二极管，其特征在于，所述p型GaN层为Mg掺杂的p型GaN层。

4.根据权利要求1所述的InGaN量子点发光二极管，其特征在于，所述蓝宝石衬底的厚度为300～400μm；所述GaN形核层的厚度为20～30nm；所述未掺杂的GaN层的厚度为1.5～2.5μm；所述n型GaN层的厚度为0.5～1.5μm；所述第一GaN势垒层的厚度为40～50nm；所述InGaN量子点层5的厚度为3～5nm；所述第二GaN势垒层的厚度为10～14nm；所述p型AlGaN电子阻挡层的厚度为35～60nm；所述p型GaN层的厚度为150～300nm；所述p++型GaN电极接触层的厚度为20～40nm。

5.根据权利要求1所述的InGaN量子点发光二极管，其特征在于，所述非线性变速生长的量子点盖层的厚度为2～4nm。

6.根据权利要求1所述的InGaN量子点发光二极管，其特征在于，所述非线性变速生长的量子点盖层从下至上依次包括第一阶段量子点盖层、第二阶段量子点盖层和第三阶段量子点盖层；所述第一阶段量子点盖层为用5s的时间使流速从20sccm上升到80sccm生长的量子点盖层；所述第二阶段量子点盖层为以80sccm的流速恒速生长10s的量子点盖层；所述第三阶段量子点盖层为用15s的时间使流速由80sccm下降至50sccm生长的量子点盖层。

7.一种InGaN量子点发光二极管的制备方法，其特征在于，包括：

S1，在900～1200℃温度下，在H₂气氛中先对图形化的蓝宝石衬底的表面进行杂质或氧化物的还原处理300～500s，然后对处理后的蓝宝石衬底表面进行氮化处理，得到蓝宝石衬底；

S2，采用三甲基镓为镓源，NH₃为氮源，H₂为载气，控制反应室的生长温度为400～900℃、生长时间为200～260s、压力为500～700mbar，在氮化处理后的蓝宝石衬底表面生长初始GaN成核层，并在温度为1000～1200℃的条件下对初始GaN成核层退火150～250s形成GaN成核层；

S3，采用三甲基镓为镓源，NH₃为氮源，H₂为载气，控制反应室的生长温度为1000～1200℃、生长时间为3400～3800s、压力为500～700mbar，在GaN成核层表面生长未掺杂的GaN层；

S4，采用三甲基镓为镓源，SiH₄为硅源，NH₃为氮源，H₂为载气，控制反应室的生长温度为1000～1200℃、生长时间为1600～2000s、压力为500～700mbar，在未掺杂的GaN层表面生长Si掺杂的n型GaN层；

S5，采用三乙基镓为镓源，NH₃为氮源，N₂为载气，SiH₄为掺杂源，控制反应室的生长温度为600～900℃，生长时间为150～250s，压力为300～500mbar，在n型GaN层表面生长第一GaN垒层；S6，采用三乙基镓为镓源、三甲基铟为铟源、NH₃为氮源、N₂为载气，控制反应室的生长温度为600～800℃、压力为300～500mbar、生长时间为100～200s，在第一GaN垒层表面生长InGaN量子点层；

S7，采用三乙基镓为镓源、三甲基铟为铟源、NH₃为氮源、N₂为载气，控制反应室的生长温度为700～900℃、压力为300～500mbar，生长时间为30～50s，在InGaN量子点层表面生长非线性变速生长的量子点盖层；

S8，采用三乙基镓为镓源，NH₃为氮源，N₂为载气，SiH₄为掺杂源，控制反应室的生长温度为800～880℃、生长时间为150～200s、压力为300～500mbar，在非线性变速生长的量子点盖层生长第二GaN垒层；

S9，重复执行5～15次S6至S8，得到量子阱区；

S10，采用三甲基镓为镓源，三甲基铝为铝源，二茂镁为镁源，NH₃为氮源，N₂为载气，控制反应室的生长温度为900～1000℃、生长时间为80～120s、压力为150～250mbar，在量子阱区表面生长p型AlGaN电子阻挡层；

S11，采用三甲基镓为镓源，二茂镁为镁源，NH₃为氮源，N₂为载气，控制反应室的生长温度为900～1000℃、生长时间为900～1100s、压力为100～200mbar，在p型AlGaN电子阻挡层表面生长Mg掺杂的p型GaN层；

S12，采用三甲基镓为镓源，TMln为铟源，二茂镁为镁源，NH₃为氮源，N₂为载气，控制反应室的生长温度为900～1000℃、生长时间为200～400s、压力为100～200mbar，在p型GaN层表面生长p++型GaN电极接触层；

S13，对步骤S12得到的结构在700～800℃温度下的N₂气氛中退火900～1100s，然后降至室温，得到InGaN量子点发光二极管。

8.根据权利要求7所述的InGaN量子点发光二极管的制备方法，其特征在于，所述蓝宝石衬底的厚度为300～400μm；所述GaN形核层的厚度为20～30nm；所述未掺杂的GaN层的厚度为1.5～2.5μm；所述n型GaN层的厚度为0.5～1.5μm；所述第一GaN势垒层的厚度为40～50nm；所述InGaN量子点层5的厚度为3～5nm；所述第二GaN势垒层的厚度为10～14nm；所述p型AlGaN电子阻挡层的厚度为35～60nm；所述p型GaN层的厚度为150～300nm；所述p++型GaN电极接触层的厚度为20～40nm。

9.根据权利要求7所述的InGaN量子点发光二极管的制备方法，其特征在于，所述非线性变速生长的量子点盖层的厚度为2～4nm。

10.根据权利要求7所述的InGaN量子点发光二极管的制备方法，其特征在于，所述S7中在InGaN量子点层表面生长非线性变速生长的量子点盖层时，先用5s的时间使流速从20sccm上升到80sccm来生长第一阶段量子点盖层；接着以80sccm的流速恒速生长10s的第二阶段量子点盖层；最后用15s的时间使流速由80sccm下降至50sccm来生长第三阶段量子点盖层。