專利名稱：一種高亮度發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，特別是發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法。
背景技術(shù)：
氮化鎵(GaN)是第三代直接能隙寬禁帶半導(dǎo)體，其禁帶寬度為3. 39eV。GaN基綠、藍(lán)發(fā)光二極管(LEDs)器件具有高亮度、低能耗、長(zhǎng)壽命、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在全色顯示、信號(hào)指示、景觀照明等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。特別是以GaN基藍(lán)光LED混合熒光粉后制作的白光LEDs研發(fā)進(jìn)展迅速，白光LEDs的發(fā)光波長(zhǎng)只在可見(jiàn)光區(qū)，避免了白熾燈強(qiáng)烈的紅外輻射，可以大量節(jié)約能源。同時(shí)白光LEDs體積小、壽命長(zhǎng)、安全、高效、不存在汞等有害物質(zhì)，被稱為新一代綠色環(huán)保型照明光源，使其有望取代傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈，帶來(lái)人類照明光源的革命。目前GaN基綠、藍(lán)發(fā)光二極管材料通常異質(zhì)外延生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上。因?yàn)榈?物和藍(lán)寶石襯底襯底間通常存在很大的晶格常數(shù)失配和熱膨脹系數(shù)差異，所以利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)外延技術(shù)生長(zhǎng)的氮化物外延層中存在很多晶體缺陷如位錯(cuò)等，材料的晶體質(zhì)量因此受到很大影響。特別的由于量子阱中InGaN與GaN的晶格不匹配導(dǎo)致應(yīng)カ引起的極化效應(yīng)使得量子阱內(nèi)存在很大的極化電場(chǎng)，導(dǎo)致電子和空穴波函數(shù)空間上的分離，使福射復(fù)合效率下降，導(dǎo)致LEDs的內(nèi)量子效率低。同時(shí)由于InGaN中壓應(yīng)カ大，In在InGaN中的固溶度低，In組分高時(shí)易發(fā)生相分凝導(dǎo)致In析出；且InGaN量子阱一般生長(zhǎng)溫度較低，材料質(zhì)量較差，從而會(huì)導(dǎo)致InGaN量子阱中存在較多的缺陷會(huì)増加量子阱中的非輻射復(fù)合，增加量子阱中的光吸收。為解決以上問(wèn)題，業(yè)界、學(xué)術(shù)界提出了諸多方法，如采用晶格匹配的AlInGaN合金做量子勢(shì)壘(QB)、QB重?fù)诫s改善量子限制斯塔克效應(yīng)、非極性面生長(zhǎng)等等，但這些方法都存在理論可行、實(shí)際外延生長(zhǎng)技術(shù)存在較大困難的問(wèn)題，難以投入實(shí)際生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提供一種高亮度氮化鎵基藍(lán)綠光發(fā)光二極管的外延片(外延結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法)。本發(fā)明包括襯底，在所述襯底上，從下至上依次生長(zhǎng)緩沖層、非故意摻雜GaN層、N型電子注入層及接觸層、InGaN/GaN應(yīng)變量子阱層、InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)、P型AlGaN電子阻擋層和P型GaN空穴注入層；其特征在于所述InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)包括至少3對(duì)耦合的量子阱，每對(duì)耦合的量子阱由低In含量且In含量沿生長(zhǎng)方向逐漸增加的InxGa1J量子阱層、GaN薄勢(shì)壘層和InyGa1J發(fā)光量子阱層組成，所述GaN薄勢(shì)壘層設(shè)置在每對(duì)耦合的量子阱的低In含量的InxGahN量子阱層和InyGai_yN發(fā)光量子阱層之間，以上X和y分別滿足以下條件0〈x〈y〈0. 4,且χ〈0· 25 X y。本發(fā)明能改善InGaN材料的質(zhì)量，降低由缺陷引起的非輻射復(fù)合，降低光吸收。該耦合QW結(jié)構(gòu)中由于存在ー個(gè)薄勢(shì)壘層，可以有效的限制載流子在較深的發(fā)光阱中，從而改善輻射復(fù)合效率。本發(fā)明可以較大地提高GaN基藍(lán)綠光LED的發(fā)光效率及綜合器件性能。本發(fā)明所述各InyGa1J發(fā)光量子阱層的厚度為2 4nm，低In含量的InxGa1J量子講層的厚度為2 4nm, GaN薄勢(shì)魚層的厚度為O. 5 5nm。本發(fā)明的另ー目的提出以上高亮度氮化鎵基發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法。本發(fā)明包括在襯底上依次生長(zhǎng)低溫緩沖層、非故意摻雜GaN層、N型電子注入層及接觸層、InGaN/GaN應(yīng)變量子阱層、InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)、P型AlGaN電子阻擋層和P型GaN空穴注入層；其特點(diǎn)是生長(zhǎng)至少3對(duì)耦合的量子阱，在每對(duì)耦合的量子阱生長(zhǎng)吋，先生長(zhǎng)ー層低In含量的InxGahN量子阱層，再生長(zhǎng)ー層InyGai_yN發(fā)光量子阱層，所述各層低In含量的InxGahN量子阱層的In含量沿生長(zhǎng)方向逐漸增加，并在各相鄰的低In含量的InxGahN量子阱層和InyGa^N發(fā)光量子阱層之間生長(zhǎng)ー薄層GaN勢(shì)壘層；以上x(chóng)和y分別滿足以下條件0<x<y<0. 4，且χ〈0· 25 X y。本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題提出了一種簡(jiǎn)便易行的方法，即用變溫及變化前驅(qū)物流 量的方法在發(fā)光量子阱之前生長(zhǎng)ー低In含量且組分漸增的耦合量子阱結(jié)構(gòu)，使得低In含量的InxGahN量子阱不會(huì)再次吸收InyGai_yN量子阱所發(fā)射的光子，既可以減低內(nèi)建電場(chǎng)，增強(qiáng)載流子的局域化使輻射復(fù)合幾率増加，使發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率大大提高。本發(fā)明可以改善InGaN量子阱的材料質(zhì)量，降低光吸收，減弱銦鎵氮/氮化鎵量子阱的內(nèi)建電場(chǎng)，提高量子局域化效應(yīng)，增強(qiáng)輻射復(fù)合幾率，增加發(fā)光的內(nèi)量子效率，從而提高ニ極管的發(fā)光效率和亮度。該耦合量子阱層結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法適用于高亮度、高發(fā)光效率的氮化基藍(lán)光/綠光發(fā)光二極管外延材料的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)外延生長(zhǎng)。本發(fā)明還可以通過(guò)逐漸降低生長(zhǎng)溫度及増加反應(yīng)前驅(qū)物中的In/Ga的比例，使各層低In含量的InxGahN量子阱層的In含量沿生長(zhǎng)方向逐漸增加。本發(fā)明所述InxGa1J量子阱層的生長(zhǎng)溫度為780 910°C，生長(zhǎng)壓カ為20000 50000Pa。所述InyGai_yN發(fā)光量子阱層的生長(zhǎng)溫度為780 910°C，生長(zhǎng)壓カ為20000 50000Pa。所述低In組分的InxGahN量子阱層的生長(zhǎng)溫度T1沿生長(zhǎng)方向逐漸降低，生長(zhǎng)溫度T1的漸變值為5 50°C，生長(zhǎng)溫度最小值Tlmin與InyGai_yN發(fā)光量子阱層的生長(zhǎng)溫度T2之間滿足TlminS T2。


圖I是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖
圖中，100 :藍(lán)寶石襯底；
101:低溫緩沖層；
102:非摻雜GaN層;
103N型電子注入層及接觸層；
104 InGaN/GaN應(yīng)變量子阱層；
105InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)；
106:電子阻擋層；
107:pGaN空穴注入層。圖2是耦合量子阱結(jié)構(gòu)示意圖圖中，200 =GaN量子勢(shì)壘層(QB)；
201: In組分漸變的低In組分InGaN量子阱；
202=GaN薄勢(shì)壘層；
203: InGaN量子阱發(fā)光層。圖3本發(fā)明產(chǎn)品制成的LED芯片和采用常規(guī)方法制成的LED芯片的亮度隨電流的變化對(duì)比曲線圖。
具體實(shí)施例方式利用MOCVD設(shè)備(Aixtron公司的CCS型號(hào)Crius I 31片商用機(jī))，所用V族源為氨氣(NH3)，生長(zhǎng)除量子阱發(fā)光區(qū)之外的GaN及其合金所采用的III族有機(jī)源材料為三甲基 鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMA1)，生長(zhǎng)量子阱有源區(qū)所用的有機(jī)原材料為三こ基鎵(TEGa)、三甲基銦(TMIn)，P型摻雜采用金屬有機(jī)物源ニ茂鎂(Cp2Mg)提供Mg雜質(zhì)原子，N型摻雜采用H2稀釋的氣態(tài)硅烷(SiH4)提供Si雜質(zhì)原子。下面結(jié)合圖1、2進(jìn)ー步說(shuō)明本發(fā)明
I、在藍(lán)寶石襯底100上生長(zhǎng)ー層GaN低溫緩沖層101 :生長(zhǎng)溫度為580°C，壓カ為65000Pa,厚度為30nm，生長(zhǎng)氣氛為H2。2、在GaN低溫緩沖層101上生長(zhǎng)ー層非故意摻雜的GaN層102 :生長(zhǎng)溫度為1230°C，壓カ為40000Pa，生長(zhǎng)氣氛為H2，厚度約為2. 5 μ m。3、在非故意摻雜的GaN層102上生長(zhǎng)ー層N型電子注入層及接觸層103 :生長(zhǎng)溫度為1200°C，壓カ為15000Pa，厚度約為2μπι，摻雜濃度為I X 1019cm_3，生長(zhǎng)氣氛為H2。4、降低溫度并切換到N2氣氛條件，在N型電子注入層及接觸層103上生長(zhǎng)3對(duì)InGaN/GaN應(yīng)變量子阱層104 :生長(zhǎng)溫度為940°C，壓カ為30000Pa，InGaN/GaN厚度分別為2nm/38nm, GaN 慘雜濃度為 4 X 1018cm 3, InGaN 慘雜濃度為 5 X IO17Cm 3。5、在InGaN/GaN應(yīng)變多量子阱層104上生長(zhǎng)15對(duì)InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)105，如圖2所示
InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)105由15對(duì)耦合的量子阱組成，在每對(duì)在耦合的量子阱生長(zhǎng)時(shí)，先生長(zhǎng)ー層低In含量的InxGahN量子講層，再生長(zhǎng)ー層InyGahyN發(fā)光量子講層,所述各層低In含量的InxGahN量子阱層的In含量沿生長(zhǎng)方向逐漸增加，并在各相鄰的低In含量的InxGahN量子阱層和InyGai_yN發(fā)光量子阱層之間生長(zhǎng)ー薄層GaN勢(shì)壘層；本例中，x=0. 03，y=0. 2。其中前3對(duì)耦合的量子阱的GaN量子勢(shì)壘層(QB)進(jìn)行η型Si摻雜，摻雜濃度為I X 1018cm_3，前3對(duì)耦合的量子阱中InyGa1J量子阱發(fā)光層(QW)不摻雜；后面12對(duì)耦合的量子阱的GaN量子勢(shì)壘層(QB)和InyGai_yN量子阱發(fā)光層(QW)均不摻雜。InyGa1^yN量子阱發(fā)光層(QW)的生長(zhǎng)溫度T2為870°C。GaN量子勢(shì)壘層(QB)生長(zhǎng)溫度為950°C。各對(duì)耦合的量子阱中低In組分的InxGahN量子阱層的生長(zhǎng)溫度T1沿生長(zhǎng)方向逐漸降低，生長(zhǎng)溫度T1的漸變值為5 50°C，T1和Tlmin分別為885°C、875°C，壓カ為30000Pa。在GaN量子勢(shì)壘層(QB)200生長(zhǎng)結(jié)束后降溫到T1,隨后調(diào)整前驅(qū)物的Ga流量/In流量，并逐漸降低溫度到Tlmin,生長(zhǎng)In組分漸變的低In組分InxGahN量子阱層201，隨后關(guān)閉In源，生長(zhǎng)ー層GaN的薄勢(shì)壘層202，之后調(diào)整降溫到InyGai_yN量子阱發(fā)光層(QW)203生長(zhǎng)溫度T2,并調(diào)整In和Ga流量，生長(zhǎng)InyGa1J量子阱發(fā)光層(QW) 203。各對(duì)耦合的量子阱中，GaN薄勢(shì)壘層202厚度一般為O. 5 5nm，本例為I. 5nm。在每對(duì)耦合的量子阱(MQW)中，典型的低In組分的InxGai_xN量子阱層和InyGai_yN量子阱發(fā)光層的厚度分別為2 4nm，GaN厚度為2 20nm。本例中，每對(duì)耦合的量子阱(MQW)中，低In組分的InxGahN量子阱層和InyGai_yN量子阱發(fā)光層的厚度都為3nm，GaN的厚度為12nm。6、在InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)105上生長(zhǎng)p型AlGaN電子阻擋層106 :溫度為980°C，壓カ為15000Pa, Al組分為20%，厚度為20nm, Mg原子濃度為IX IO20CnT3 ；
7、在P型AlGaN電子阻擋層106上生長(zhǎng)p型GaN空穴注入層107 :溫度為1100°C，壓カ為30000Pa，Mg摻雜濃度為5 X 1019cnT3，厚度為250nm。 用本發(fā)明生長(zhǎng)的氮化物外延片用標(biāo)準(zhǔn)芯片エ藝制成LED芯片，由于該耦合量子阱結(jié)構(gòu)的引入，發(fā)光亮度得到了大幅度提高，利用該結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的外延片制成液晶電視背光源用的O. 2mmXO. 5mm芯片，在20mA工作電流下芯片的光功率達(dá)到35mW，比常規(guī)LED芯片亮度提聞6%以上。對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖3，其中，曲線LED-A為本發(fā)明產(chǎn)品制成的LED芯片，曲線LED-B為常規(guī)方法制成的LED芯片。
權(quán)利要求
1.一種高亮度氮化鎵基發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)，包括襯底，在所述襯底上，從下至上依次生長(zhǎng)緩沖層、非故意摻雜GaN層、N型電子注入層及接觸層、InGaN/GaN應(yīng)變量子阱層、InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)、P型AlGaN電子阻擋層和P型GaN空穴注入層；其特征在于所述InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)包括至少3對(duì)耦合的量子阱，每對(duì)耦合的量子阱由低In含量且In含量沿生長(zhǎng)方向逐漸增加的InxGahN量子阱層、GaN薄勢(shì)壘層和InyGa1J發(fā)光量子阱層組成，所述GaN薄勢(shì)壘層設(shè)置在每對(duì)耦合的量子阱的低In含量的InxGai_xN量子阱層和InyGa1^yN發(fā)光量子阱層之間，以上x(chóng)和y分別滿足以下條件0〈x〈y〈0. 4，且x〈0. 25 X y。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述高亮度氮化鎵基發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于所述各InyGai_yN發(fā)光量子阱層的厚度為2 4nm，低In含量的InxGai_xN量子阱層的厚度為2 4nm, GaN薄勢(shì)魚層的厚度為O. 5 5nm。
3.如權(quán)利要求I所述ー種高亮度氮化鎵基發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法，包括在襯底上依次生長(zhǎng)緩沖層、非故意摻雜GaN層、N型電子注入層及接觸層、InGaN/GaN應(yīng)變量子阱層、InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)、P型AlGaN電子阻擋層和P型GaN空穴注入層；其特征在于生長(zhǎng)至少3對(duì)耦合的量子阱，在每對(duì)耦合的量子阱生長(zhǎng)吋，先生長(zhǎng)ー層低In含量的InxGahN量子阱層，再生長(zhǎng)ー層InyGai_yN發(fā)光量子阱層，所述各層低In含量的InxGai_xN量子阱層的In含量沿生長(zhǎng)方向逐漸增加，并在各相鄰的低In含量的InxGahN量子阱層和InyGai_yN發(fā)光量子阱層之間生長(zhǎng)ー薄層GaN勢(shì)壘層；以上x(chóng)和y分別滿足以下條件0〈x〈y〈0. 4，且 χ〈0· 25 X y。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述高亮度氮化鎵基發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于通過(guò)逐漸降低生長(zhǎng)溫度及増加反應(yīng)前驅(qū)物中的In/Ga的比例，使各層低In含量的InxGahN量子阱層的In含量沿生長(zhǎng)方向逐漸增加。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述高亮度氮化鎵基發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述InxGahN量子阱層及InyGai_yN發(fā)光量子阱層的生長(zhǎng)溫度分別為780 910°C，生長(zhǎng)壓カ分別為2OOOO 50000Pa。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述高亮度氮化鎵基發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述低In組分的InxGahN量子阱層的生長(zhǎng)溫度T1沿生長(zhǎng)方向逐漸降低，生長(zhǎng)溫度T1的漸變范圍為5 50°C，生長(zhǎng)溫度最小值Tlmin與InyGai_yN發(fā)光量子阱層的生長(zhǎng)溫度T2之間滿足 TlminS T2。
全文摘要
一種高亮度發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法，屬于半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，生長(zhǎng)至少3對(duì)耦合的量子阱，在每對(duì)耦合的量子阱生長(zhǎng)時(shí)，先生長(zhǎng)低In含量的量子阱層，再生長(zhǎng)發(fā)光量子阱層，各層低In含量的量子阱層的In含量沿生長(zhǎng)方向逐漸增加，并在各相鄰的低In含量的量子阱層和發(fā)光量子阱層之間生長(zhǎng)薄GaN勢(shì)壘層。本發(fā)明用變溫及變化前驅(qū)物流量的方法在發(fā)光量子阱之前生長(zhǎng)一低In含量且組分漸增的耦合量子阱結(jié)構(gòu)，使得低In含量的量子阱不會(huì)再次吸收量子阱所發(fā)射的光子，可以減低內(nèi)建電場(chǎng)，增強(qiáng)載流子的局域化使輻射復(fù)合幾率增加，使發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率大大提高。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102832306SQ20121031124
公開(kāi)日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月29日
發(fā)明者李志聰, 李鴻漸, 李盼盼, 李璟, 孫一軍, 王國(guó)宏 申請(qǐng)人:揚(yáng)州中科半導(dǎo)體照明有限公司