CN112259657A - InAlGaN超晶格结构生长方法、超晶格结构、外延结构和芯片 - Google Patents
InAlGaN超晶格结构生长方法、超晶格结构、外延结构和芯片 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种InAlGaN超晶格结构生长方法、超晶格结构、外延结构和芯片，生长方法包括以下步骤：(1)、生长InGaN阱层，所述InGaN阱层的生长温度为600℃～700℃；(2)、在所述InGaN阱层上生长InAlGaN Cap层，述InAlGaN Cap层的生长温度为600℃～700℃；(3)、在所述InAlGaN Cap层上生长GaN Cap层，所述所述GaN cap层的生长温度为600℃～700℃；(4)、在所述GaN Cap层上生长n型InAlGaN垒层，所述n型InAlGaN垒层的生长温度为600℃～700℃；(5)、重复上述步骤(1)～(4)多次，形成多周期循环结构的InAlGaN超晶格结构。其能够有效改善核心层量子阱层的质量，降低阱垒层的缺陷，从而提高紫外GaN基LED的光效和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种InAlGaN超晶格结构的生长方法、超晶格结构、外延结构和芯片。
背景技术
现有的发光二极管外延结构，尤其是紫外GaN基发光二极管的外延结构中，现有的InAlGaN层的生长温度远高于量子阱垒层的生长温度，其不能起到量子阱垒层的作用。这样，如果量子阱垒层周期数量太少，那么会影响发光效率。而如果量子阱垒层的周期数量太多，那么会降低载流子注入效率同时使工作电压升高。因此，如何合理设置量子阱的周期数量一直是一个难题。
同时，在量子阱垒层的生长过程中，由于位于其下方的InAlGaN 层的生长温度高于量子阱垒层的生长温度，导致量子阱垒层在生长时容易形成应力集中，以及晶体错位，导致量子阱垒层出现缺陷密度，降低其质量，从而影响紫外GaN基发光二极管的光效和可靠性。
鉴于现有技术的上述技术缺陷，迫切需要研制一种新型的 InAlGaN超晶格结构的生长方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种 InAlGaN超晶格结构的生长方法、超晶格结构、外延结构和芯片，该生长方法使得InAlGaN超晶格结构的生长温度接近甚至低于量子阱垒层的生长温度，其能提高紫外GaN基发光二极管的光效和可靠性。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种InAlGaN超晶格结构生长方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、生长InGaN阱层，所述InGaN阱层的生长温度为600℃～700℃；
(2)、在所述InGaN阱层上生长InAlGaN Cap层，所述InAlGaN Cap层的生长温度为600℃～700℃；
(3)、在所述InAlGaN Cap层上生长GaN Cap层，所述所述GaN cap层的生长温度为600℃～700℃；
(4)、在所述GaN Cap层上生长n型InAlGaN垒层，所述n型 InAlGaN垒层的生长温度为600℃～700℃；
(5)、重复上述步骤(1)～(4)多次，形成多周期循环结构的 InAlGaN超晶格结构。
优选地，其中，在所述步骤(5)中，重复上述步骤(1)～(4) 2-20次，使所述InAlGaN超晶格结构为2-20个周期循环结构。
优选地，其中，在所述步骤(1)中，所述InGaN阱层中In和Ga 的原子摩尔比为0.001～0.1；在所述步骤(2)中，所述InAlGaN Cap 层中In和Ga的原子摩尔比为0.001～0.05，Al与Ga的原子摩尔比为 0.001～0.05；在所述步骤(4)中，所述n型InAlGaN垒层中In和Ga的原子摩尔比为0.001～0.05，Al与Ga的原子摩尔比为0.001～0.2，n型掺杂源为硅烷，n型掺杂浓度为1E+16cm-2～1E+18cm-2。
优选地，其中，在所述步骤(1)中，所述InGaN阱层的厚度为 0.05～5nm；在所述步骤(2)中，所述InAlGaN Cap层的厚度为0.5～ 5nm；在所述步骤(3)中，所述GaN cap层的厚度为0.5～10nm；在所述步骤(4)中，所述n型InAlGaN垒层的厚度为5～20nm。
优选地，其中，在所述步骤(1)中，所述InGaN阱层的生长速率为0.005nm/s-0.06nm/s；在所述步骤(2)中，所述InAlGaN Cap层的生长速率为0.005nm/s-0.06nm/s；在所述步骤(3)中，所述GaN cap 层的生长速率为0.005nm/s-0.06nm/s；在所述步骤(4)中，所述n型 InAlGaN垒层的生长速率为0.02nm/s-0.2nm/s。
优选地，其中，第一个周期的所述InGaN阱层生长在n型掺杂层之上。
优选地，其中，最后一个周期的所述n型InAlGaN垒层上生长量子阱垒层。
此外，本发明还提供一种InAlGaN超晶格结构，其特征在于，其采用上述InAlGaN超晶格结构生长方法生长而成。
另外，本发明还提供一种具有上述InAlGaN超晶格结构的发光二极管外延结构，其特征在于，所述发光二极管外延结构包括自下而上设置的衬底、N型掺杂层、所述InAlGaN超晶格结构层、量子阱垒层和P型掺杂层。
优选地，其中，所述衬底与所述N型掺杂层之间还设置有缓冲层。
优选地，其中，所述缓冲层为u-AlGaN层或u-AlN层。
优选地，其中，所述衬底包括蓝宝石衬底、Si衬底或SiC衬底。
优选地，其中，所述N型掺杂层为n-AIGaN层。
优选地，其中，所述量子阱垒层为MQW层。
优选地，其中，所述P型掺杂层为p-AlGaN层。
最后，本发明还提供一种发光二极管芯片，其特征在于，所述芯片包括上述具有InAlGaN超晶格结构的发光二极管外延结构、正电极和负电极。
与现有技术相比，本发明的InAlGaN超晶格结构生长方法、超晶格结构、外延结构和芯片具有如下有益技术效果：
1、该方法使得InAlGaN超晶格结构的生长温度与量子阱接近甚至更低，起到与量子阱类似的作用，能够在不增加量子阱周期数量的前提下，通过使用该InAlGaN超晶格结构提高发光效率。
2、该方法使得InAlGaN超晶格结构的生长温度比较低，温度接近量子阱甚至更低，能够起到释放量子阱垒层应力的作用，从而降低量子阱垒层生长时的应力，降低量子阱核心层的缺陷密度，提高质量，从而提高各项性能。
3、该方法生长的InAlGaN超晶格结构能够提高紫外GaN基发光二极管的光效和可靠性。
附图说明
图1是本发明的InAlGaN超晶格结构的生长方法的流程图。
图2是采用本发明的生长方法生长的InAlGaN超晶格结构的结构图。
图3是具有采用本发明的生长方法生长的InAlGaN超晶格结构的发光二极管外延结构的结构图。
图4是本发明的发光二极管芯片的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，实施例的内容不作为对本发明的保护范围的限制。
本发明涉及一种nAlGaN超晶格结构的生长方法，其目的在于生长低温InAlGaN超晶格结构，也就是，使得InAlGaN超晶格结构生长温度低于量子阱垒层的生长温度。
图1示出了本发明的InAlGaN超晶格结构的生长方法的流程图。如图1所示，本发明的InAlGaN超晶格结构生长方法包括以下步骤：
一，生长InGaN阱层。
二，在所述InGaN阱层上生长InAlGaN Cap层。
三，在所述InAlGaN Cap层上生长GaN Cap层。
四，在所述GaN Cap层上生长n型InAlGaN垒层。
五，重复上述步骤(一)～(四)多次，形成多周期循环结构的 InAlGaN超晶格结构。
本发明的重点在于生长低温InAlGaN超晶格结构，也就是，使得 InAlGaN超晶格结构生长温度低于量子阱垒层的生长温度，从而使得低温InAlGaN超晶格结构起到与量子阱垒层类似的作用，能够在不增加量子阱垒层周期数量的前提下，通过使用该低温InAlGaN超晶格结构提高发光效率。同时，使得InAlGaN超晶格结构的生长温度比较低，温度接近量子阱垒层甚至更低，在生长量子阱垒层时能够起到释放量子阱垒层应力的作用，从而降低量子阱垒层生长时的应力，降低量子阱核心层的缺陷密度，提高质量，从而提高各项性能，能够提高紫外 GaN基发光二极管的光效和可靠性。因此，在本发明中，InAlGaN超晶格结构中各层的生长温度至关重要。
根据量子阱垒层的生长温度，并依据研究和实验结果，在本发明中，使得所述InGaN阱层的生长温度为600℃～700℃。所述InAlGaN Cap层的生长温度为600℃～700℃。所述GaN cap层的生长温度为 600℃～700℃。所述n型InAlGaN垒层的生长温度为600℃～700℃。这样，InAlGaN超晶格结构中各层的生长温度低于量子阱垒层的生长温度，能够达到本发明的目的。
但是，由于InAlGaN超晶格结构中各层的生长温度偏低，导致发光二极管芯片的外延质量很难保证。如果外延质量差，反而会大幅度降低外延的整体性能。因此，还需要根据InAlGaN超晶格结构中各层的生长温度偏低的情况对InAlGaN超晶格结构中各层的其它生长参数进行调节，以保证外延的质量，从而保证外延的整体性能。
首先，需要参照发光二极管结构中该类型超晶格的常规参数，然后针对低温条件，对InAlGaN超晶格结构中各层的成份的通入量进行调节。例如，考虑到InAlGaN超晶格结构中各层的生长温度偏低，而 In在低温下键和效率高，因此，需要降低In的通入量。
具体地，在本发明中，所述InGaN阱层中，In和Ga的原子摩尔比为0.001～0.1。所述InAlGaN Cap层中，In和Ga的原子摩尔比为0.001～ 0.05，Al与Ga的原子摩尔比为0.001～0.05。所述n型InAlGaN垒层中， In和Ga的原子摩尔比为0.001～0.05，Al与Ga的原子摩尔比为0.001～ 0.2，n型掺杂源为硅烷，n型掺杂浓度为1E+16cm-2～1E+18cm-2。
其次，需要参照发光二极管结构中该类型超晶格的常规参数，然后针对低温条件，对InAlGaN超晶格结构中各层的厚度进行调节，以保证其具有优异的性能。
具体地，在本发明中，所述InGaN阱层的厚度为0.5～5nm。所述 InAlGaN Cap层的厚度为0.5～5nm。所述GaN cap层的厚度为0.5～ 10nm。所述n型InAlGaN垒层的厚度为5～20nm。
最后，需要根据InAlGaN超晶格结构中各层的生长温度、厚度和原子摩尔比对各层的生长速率进行调节，获得各层的最佳生长速率，以保证良好的生长质量。
具体地，在本发明中，所述InGaN阱层的生长速率为 0.005nm/s-0.06nm/s。所述InAlGaN Cap层的生长速率为 0.005nm/s-0.06nm/s。所述GaN cap层的生长速率为0.005nm/s-0.06nm/s。所述n型InAlGaN垒层的生长速率为 0.02nm/s-0.2nm/s。
这种方法生长的InAlGaN超晶格结构为低温InAlGaN超晶格结构，其生长温度与量子阱接近甚至更低，起到与量子阱类似的作用，能够在不增加量子阱周期数量的前提下，通过使用该InAlGaN超晶格提高发光效率。同时，这种结构的InAlGaN超晶格结构的生长温度比较低，温度接近量子阱甚至更低，能够起到释放应力的作用，从而降低量子阱垒生长时的应力，降低量子阱核心层的缺陷密度，提高质量，从而提高各项性能。
在本发明中，优选地，在所述步骤(五)中，重复上述步骤(一) ～(四)2-20次，使所述InAlGaN超晶格结构为2-20个周期循环结构。
由此，采用本发明的nAlGaN超晶格结构的生长方法生长出来的 nAlGaN超晶格结构如图2所示。也就是，生长出来的InAlGaN超晶格结构为多周期循环结构。其中，每一个周期都包括InGaN阱层、位于所述InGaN阱层上的InAlGaN Cap层、位于所述InAlGaN Cap层上的 GaN Cap层和位于所述GaN Cap层上的n型InAlGaN垒层。
图3示出了具有采用本发明的生长方法生长的InAlGaN超晶格结构的发光二极管外延结构的结构图。如图3所示，与现有技术类似，所述发光二极管外延结构包括自下而上设置的衬底、缓冲层、N型掺杂层、超晶格结构层、量子阱垒层和P型掺杂层。
与现有技术中不同，在本发明中，所述超晶格结构层为采用本发明的生长方法生长的低温InAlGaN超晶格结构。
由此，在本发明中，第一个周期的所述InGaN阱层应该生长在n 型掺杂层之上。
并且，最后一个周期的所述n型InAlGaN垒层上应该生长量子阱垒层。
在本发明中，优选地，可以采用u-AlN/AlGaN层作为缓冲层。所述u-AlN/AlGaN层即为非掺杂的氮化铝/氮化镓铝层，其形成在衬底上，起到提升外延垒晶质量，减少外延垒晶缺陷的作用。实际上，在本发明中并不仅限于u-AlN/AlGaN，其他起到提升外延垒晶质量，减少外延垒晶缺陷作用的材料都可以使用。
所述衬底优选为蓝宝石衬底，也就是Al2O3为材质的衬底。所述衬底用于在其上形成其它外延层。除了Al2O3为材质的衬底外，在本发明中还可以使用SiC，Si等衬底材料，这是在不同的环境下，例如实验室环境下而进行的材料替换。
优选地，其中，所述N型掺杂层为n-AIGaN层。在本层中，所述AlGaN起到了负极的作用，也就是说通电后所述n-AlGaN能够形成大量的自由电子，向正极流动。
优选地，其中，所述量子阱垒层为MQW层。量子阱是指由2种不同的的半导体材料间隔排列形成具有量子限制效应的电子或者空穴的势阱。量子阱中如果势垒层足够厚，以至于相邻的势阱之间载流子渡函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称之为多量子阱。在本发明中，所述量子阱垒层用作发光层使用。
优选地，其中，所述P型掺杂层为p-AlGaN层，以便于发射紫外光线。
最后，在本发明中，还提供一种发光二极管芯片。如图4所示，所述发光二极管芯片包括具有上述的InAlGaN超晶格结构的发光二极管外延结构、正电极和负电极。
在发明中，由于InAlGaN超晶格结构为低温InAlGaN超晶格结构，其生长温度与量子阱接近甚至更低，起到与量子阱类似的作用，能够在不增加量子阱周期数量的前提下，通过使用该InAlGaN超晶格提高发光效率。同时，这种结构的InAlGaN超晶格结构的生长温度比较低，温度接近量子阱甚至更低，能够起到释放应力的作用，从而降低量子阱垒生长时的应力，降低量子阱核心层的缺陷密度，提高质量，从而提高各项性能。因此，具有这种InAlGaN超晶格结构的发光二极管芯片具有优良的性能。
具体地，本发明的发光二极管芯片(下表中记作改良样品)与传统的发光二极管芯片(下表中记作原始样品)对比数据如下表：
由上表可知，本发明的发光二极管芯片采用的低温InAlGaN超晶格结构能够在不增加量子阱周期数量的前提下提高发光效率(光功率由6.52mW提高到8.23mW，发光功率由9.88％提高到12.45％)，并能够降低量子阱垒生长时的应力，降低量子阱核心层的缺陷密度，提高质量(老化光衰由5.21％降低到1.59％)。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (16)
1.一种InAlGaN超晶格结构生长方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、生长InGaN阱层，所述InGaN阱层的生长温度为600℃～700℃；
(2)、在所述InGaN阱层上生长InAlGaN Cap层，所述InAlGaN Cap层的生长温度为600℃～700℃；
(3)、在所述InAlGaN Cap层上生长GaN Cap层，所述所述GaN cap层的生长温度为600℃～700℃；
(4)、在所述GaN Cap层上生长n型InAlGaN垒层，所述n型InAlGaN垒层的生长温度为600℃～700℃；
(5)、重复上述步骤(1)～(4)多次，形成多周期循环结构的InAlGaN超晶格结构。
2.根据权利要求1所述的InAlGaN超晶格结构生长方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，重复上述步骤(1)～(4)2-20次，使所述InAlGaN超晶格结构为2-20个周期循环结构。
3.根据权利要求2所述的InAlGaN超晶格结构生长方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述InGaN阱层中In和Ga的原子摩尔比为0.001～0.1；在所述步骤(2)中，所述InAlGaNCap层中In和Ga的原子摩尔比为0.001～0.05，Al与Ga的原子摩尔比为0.001～0.05；在所述步骤(4)中，所述n型InAlGaN垒层中In和Ga的原子摩尔比为0.001～0.05，Al与Ga的原子摩尔比为0.001～0.2，n型掺杂源为硅烷，n型掺杂浓度为1E+16cm-2～1E+18cm-2。
4.根据权利要求3所述的InAlGaN超晶格结构生长方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述InGaN阱层的厚度为0.5～5nm；在所述步骤(2)中，所述InAlGaN Cap层的厚度为0.5～5nm；在所述步骤(3)中，所述GaN cap层的厚度为0.5～10nm；在所述步骤(4)中，所述n型InAlGaN垒层的厚度为5～20nm。
5.根据权利要求4所述的InAlGaN超晶格结构生长方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述InGaN阱层的生长速率为0.005nm/s-0.06nm/s；在所述步骤(2)中，所述InAlGaNCap层的生长速率为0.005nm/s-0.06nm/s；在所述步骤(3)中，所述GaN cap层的生长速率为0.005nm/s-0.06nm/s；在所述步骤(4)中，所述n型InAlGaN垒层的生长速率为0.02nm/s-0.2nm/s。
6.根据权利要求5所述的InAlGaN超晶格结构生长方法，其特征在于，第一个周期的所述InGaN阱层生长在n型掺杂层之上。
7.根据权利要求6所述的InAlGaN超晶格结构生长方法，其特征在于，最后一个周期的所述n型InAlGaN垒层上生长量子阱垒层。
8.一种InAlGaN超晶格结构，其特征在于，其采用权利要求1-7中任一项所述的InAlGaN超晶格结构生长方法生长而成。
9.一种具有权利要求8所述InAlGaN超晶格结构的发光二极管外延结构，其特征在于，所述发光二极管外延结构包括自下而上设置的衬底、N型掺杂层、所述InAlGaN超晶格结构层、量子阱垒层和P型掺杂层。
10.根据权利要求9所述的发光二极管外延结构，其特征在于，所述衬底与所述N型掺杂层之间还设置有缓冲层。
11.根据权利要求10所述的发光二极管外延结构，其特征在于，所述缓冲层为u-AlGaN层或u-AlN层。
12.根据权利要求11所述的发光二极管外延结构，其特征在于，所述衬底包括蓝宝石衬底、Si衬底或SiC衬底。
13.根据权利要求12所述的发光二极管外延结构，其特征在于，所述N型掺杂层为n-AIGaN层。
14.根据权利要求13所述的发光二极管外延结构，其特征在于，所述量子阱垒层为MQW层。
15.根据权利要求14所述的发光二极管外延结构，其特征在于，所述P型掺杂层为p-AlGaN层。
16.一种发光二极管芯片，其特征在于，所述芯片包括权利要求9-15中任一项所述的具有InAlGaN超晶格结构的发光二极管外延结构、正电极和负电极。
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