專利名稱：一種提高GaN基LED發(fā)光效率的淺量子阱生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于GaN系材料制備技術(shù)領(lǐng)域,更具體地說，涉及一種通過改善GaN基LED量子阱中淺量子阱生長結(jié)構(gòu)提高發(fā)光效率的方法。_
背景技術(shù)：
GaN基材料是離子晶體，由于正負(fù)電荷不重合，形成自發(fā)極化；另外由于InGaN和GaN材料之間的晶格適配，又會引起壓電極化，進(jìn)而形成壓電極化場。極化場的存在，一方面 使得量子阱的等效禁帶寬度減小，發(fā)光波長紅移；令一方面電子和空穴波函數(shù)的交疊會減小，降低其輻射復(fù)合幾率。影響量子阱發(fā)光效率的另外一個原因N區(qū)注入的電子有很大的載流子遷移率和濃度，在大電流的驅(qū)動下會越過量子阱區(qū)和P區(qū)的空穴復(fù)合，引起非輻射復(fù)合，使得發(fā)光效率的降低，而空穴的有效質(zhì)量較大，其遷移率和載流子濃度都較低，遠(yuǎn)離P區(qū)的空穴分布很少，整個阱區(qū)空穴分布很不均勻，造成輻射復(fù)合幾率下降。對于電子濃度的優(yōu)化，主要使用了電子擴(kuò)展層，電子阻擋層以及電荷非對稱共振隧穿結(jié)構(gòu)等方法，在空穴的分布上使用了厚度較小的最后一層壘等方法。上述方法一定程度上提高了量子阱的輻射復(fù)合效率，但效果有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種提高GaN基LED發(fā)光效率的淺量子阱生長方法，可以有效的獲得高結(jié)晶質(zhì)量、高發(fā)光效率的量子阱結(jié)構(gòu)氮化鎵基材料，獲得高發(fā)光強(qiáng)度的氮化鎵系發(fā)光二極管。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種提高GaN基LED發(fā)光效率的淺量子阱生長方法，該LED發(fā)光二極管外延片結(jié)構(gòu)從下向上的順序依次為襯底層、低溫GaN緩沖層、未摻雜的高溫GaN緩沖層、Si摻雜的η型GaN層、發(fā)光層多量子阱、低溫P型GaN層、P型AlGaN電子阻擋層、高溫P型GaN層、P型GaN接觸層；發(fā)光層多量子阱從下往上依次包括低溫淺量子阱、低溫多量子阱發(fā)光層結(jié)構(gòu)；其中低溫淺量子阱分三部分，該三個部分全部采用高壓大于200Torr進(jìn)行生長，并且該三部分淺量子阱的阱層含銦量以逐漸減少的變化方式進(jìn)行生長，同時第一部分淺量子阱壘層的生長厚度在原有基礎(chǔ)上增加18%-22%，通過增加MO源的通入量來實現(xiàn)；第二部分淺量子阱的壘層厚度保持不變；第三部分淺量子阱的壘層厚度在第二部分的基礎(chǔ)上減薄18%-22%，通過減少MO源的通入時間和通入量來共同實現(xiàn)。所述生長厚度,其增加厚度為6nm 12nm。所述生長厚度，其減薄厚度為4nm 8nm。
本發(fā)明所提供的LED發(fā)光二極管外延片結(jié)構(gòu)，能夠有效減少量子阱區(qū)的缺陷密度，調(diào)整PN結(jié)位置，提高電子和空穴在發(fā)光量子阱區(qū)的復(fù)合效率。另外使發(fā)光二級管使N區(qū)的電子通過淺量子阱的阻擋儲蓄作用不至于移動到P區(qū)與P區(qū)空穴發(fā)生非輻射復(fù)合，P區(qū)的空穴能夠盡多的移動到多量子阱發(fā)光區(qū)域，進(jìn)而使多量子阱區(qū)可以與P N結(jié)很好的重合，讓電子和空穴主要在量子阱中通關(guān)帶邊輻射復(fù)合發(fā)光，可以提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率；而且這種改進(jìn)的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，對生長設(shè)備和工藝條件無特殊要求，不會使隨后的生長及工藝步驟復(fù)雜化。本發(fā)明所提供的各層結(jié)構(gòu)的生長方式能夠克服已有技術(shù)量子阱發(fā)光二極管中電子和空穴復(fù)合幾率和發(fā)光強(qiáng)度低的缺陷；能夠改善結(jié)晶質(zhì)量，為發(fā)光量子阱層打好基礎(chǔ)，較好的減少InGaN和GaN間的V型缺陷；優(yōu)化調(diào)整PN結(jié)的位置，增加內(nèi)量子阱效應(yīng)提高發(fā)光效率；同時對N區(qū)的電子起到很好的截留儲蓄作用，在一定的驅(qū)動電壓下電子能夠更多的順利遷移到多量子阱發(fā)光區(qū)；進(jìn)而獲得更高發(fā)光強(qiáng)度的GaN基LED發(fā)光二極管。_·


圖I是本發(fā)明所提供的LED外延結(jié)構(gòu)示意 圖2是圖I中淺量子阱的組成示意圖。_
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。如圖I所示，本發(fā)明提供的LED外延結(jié)構(gòu)，包括襯底層I、低溫GaN緩沖層2、未摻雜的高溫GaN緩沖層3、Si摻雜η型GaN層4、淺量子阱5、發(fā)光層多量子阱6、低溫ρ型GaN層7、P型AlGaN電子阻擋層8、高溫ρ型GaN層9、ρ型GaN接觸層10。本發(fā)明所提供的改善GaN基LED淺量子阱生長結(jié)構(gòu)提高發(fā)光效率的方法具體實施步驟如下
將襯底層I在氫氣氣氛里進(jìn)行退火I 10分鐘，清潔所述襯底表面，溫度控制在1050 1080°C之間，然后進(jìn)行氮化處理。所述襯底是適合GaN及其半導(dǎo)體外延材料生長的材料，如藍(lán)寶石，GaN單晶，單晶硅、碳化硅單晶等。將溫度下降到450°C 650°C之間，生長15 35nm厚的低溫GaN緩沖層2，此生長過程時，生長壓力控制在4000 760 Torr之間，V / III摩爾比在500 3200之間。所述低溫GaN緩沖層生長結(jié)束后，對其原位進(jìn)行熱退火處理，停止通入TMGa，將襯底溫度升高至950 1200°C之間，退火時間在5分鐘至10分鐘之間。退火之后，將溫度調(diào)節(jié)至1000 1200°C之間，生長厚度為O. 8um 4um間的未摻雜的高溫GaN緩沖層3，此生長過程時，生長壓力在IOOTorr 600 Torr之間，V / III摩爾比在300 3300之間。所述未摻雜的高溫GaN緩沖層3生長結(jié)束后，生長一層Si摻雜濃度穩(wěn)定的η型GaN層4，厚度在L O 5. Oum，生長溫度在1000°C 1200°C之間，生長壓力在50 550 Torr之間，V / III摩爾比在300 3300之間。所述Si摻雜η層GaN層4生長結(jié)束后，生長由8 16個周期的InpGa1 PN(0. 04<P<0. 8)/GaN組成的淺量子阱層5。該層分三部分進(jìn)行生長如圖2所示，第一部分淺量子阱 InxGa1 ΧΝ (O. 4〈χ〈0· 8) /GaN 層 5a，由 4 至 8 個 InxGa1 XN (O. 4〈χ〈0· 8) /GaN層循環(huán)組成；第二部分淺量子阱InyGai yN(0. l〈y〈0. 4)/GaN層5b，由2至4個InyGa卜yN(0. l<y<0. 4)/GaN層循環(huán)組成；第三部分淺量子阱InzGai zN(0. 04<z<0. l)/GaN層5c，由2至4個InzGa1 ΖΝ(0. 1<ζ<0. 4) /GaN層循環(huán)組成。且第一部分淺量子阱InxGa1 XN(0. 4<x<0. 8)/GaN層5a的壘層的生長厚度在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加20%，通過增加MO (有機(jī)金屬)源的通入量實現(xiàn)，現(xiàn)有程序壘層厚度5nm IOnm ;第二部分淺量子阱的壘層厚度和現(xiàn)有壘層厚度相同；第三部分淺量子阱的壘層厚度在現(xiàn)有壘層厚度基礎(chǔ)上減薄20%，通過減少MO源的通入時間和通入量共同實現(xiàn)。所有三部分淺量子阱結(jié)構(gòu)中阱的厚度在3nm 7nm之間，淺量子阱層的生長溫度在720°C 920°C之間，壓力固定在250Torr，V /III摩爾比在根據(jù)通入量的不同在300 5000之間變化。

所述低溫淺量子阱層5生長結(jié)束后，開始生長低溫發(fā)光層多量子阱6結(jié)構(gòu)，低溫發(fā)光層多量子阱6由3 15個周期的InyGahyNOKyUVGaN多量子阱組成。其中阱的生長方式是類梯形形式，In的組份保持不變，在10% 50%之間，阱的厚度在2nm 5nm之間，生長溫度在720°C 820°C之間，生長壓力在200Torr 500 Torr之間，V /III摩爾比在400 5300之間。魚層分三部分進(jìn)行生長，且第一部分6a和第二部分6b的量子魚都米用MO源的漸進(jìn)式方式生長。第一部分6a生長厚度在IOnm 15nm之間，第二部分6b生長厚度7nm 11. 5nm之間，第三部分6c生長厚度8nm 12nm之間；其中第一部分6a和第二部分6b的量子壘生長時通入MO源氣體種類相同厚度的減薄方式是通過減少MO源和氣體的通入量來實現(xiàn)，時間保持不變；第三部分6c的量子壘與第一部分6a、第二部分6b通入的氣體不同，厚度的減薄方式是通過減少MO源和氣體的通入時間實現(xiàn)；所有量子壘的生長溫度在820 920°C之間，壓力在200Torr 500 Torr之間，V / III摩爾比在400 5300之間。所述發(fā)光層多量子阱層6生長結(jié)束后，生長厚度IOnm IOOnm之間的低溫ρ型GaN層7，生長溫度在500 V 800 °C之間，生長時間在5分鐘 20分鐘之間，壓力在IOOTorr 500 Torr之間，V / III摩爾比在300 5300之間。在生長低溫ρ型GaN層7的過程中，Ν2作為載氣，摻雜介質(zhì)二茂鎂。所述低溫ρ型GaN層7結(jié)束后，將溫度升至900°C 1100°C之間，生長壓力在50Torr 400 Torr之間，生長時間在5分鐘 15分鐘之間，生長厚度IOnm IOOnm之間的P型AlGaN電子阻擋層8，V / III摩爾比在1000 20000之間，Al的組分控制在15% 40%之間，P型AlGaN電子阻擋層8禁帶寬度大于最后一個量子壘的禁帶寬度，P型AlGaN電子阻擋層8禁帶寬度可控制在4ev與5. 5ev之間。所述ρ型AlGaN電子阻擋層8生長結(jié)束后，生長一層厚度O. I um O. 9nm之間的高溫P型GaN層9，其生長溫度在850 1090°C之間，生長壓力在IOOTorr 450 Torr之間，生長時間在5 20min之間，V / III摩爾比在300 5000之間。所述高溫P型GaN層9生長結(jié)束后，生長一層厚度5nm 30nm之間的ρ型GaN接觸層10，其生長溫度在850°C 1050°C之間，壓力在IOOTorr 500 Torr之間，生長時間在I IOmin之間，V / III摩爾比在1000 20000之間。外延生長結(jié)束后，將反應(yīng)室的溫度降至650°C 800°C之間，采用純氮氣氛圍中退火處理5 min 15min,然后降至室溫,結(jié)束外延生長。然后對生長的外延片進(jìn)行清洗、沉積、光刻和刻蝕等半導(dǎo)體加工工藝制成單顆小尺寸芯片。本實施例以高純氫氣或氮氣作為載氣，以三甲基鎵(TMGa)，三乙基鎵(TEGa)、三甲基鋁(TMA1)、三甲基銦(TMIn)和氨氣(NH3)分別作為Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)和二茂鎂(Cp2Mg)分別作為η、ρ型摻雜劑。本實施例改善淺量子阱的生長結(jié)構(gòu)及方法，能夠有效減少量子阱區(qū)的缺陷密度，調(diào)整PN結(jié)位置，提高電子和空穴在發(fā)光量子阱區(qū)的復(fù)合效率。另外使多量子阱區(qū)可以與P N結(jié)很好的重合，讓電子和空穴主要在量子阱中通關(guān)帶邊輻射復(fù)合發(fā)光，可以提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率；而且這種改進(jìn)的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，對生長設(shè)備和工藝條件無特殊要求， 不會使隨后的生長及工藝步驟復(fù)雜化。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種提高GaN基LED發(fā)光效率的淺量子阱生長方法，其特征在于，該LED發(fā)光二極管外延片結(jié)構(gòu)從下向上的順序依次為襯底層、低溫GaN緩沖層、未摻雜的高溫GaN緩沖層、Si摻雜的η型GaN層、發(fā)光層多量子阱、低溫ρ型GaN層、ρ型AlGaN電子阻擋層、高溫P型GaN層、P型GaN接觸層；發(fā)光層多量子阱從下往上依次包括低溫淺量子阱、低溫多量子阱發(fā)光層結(jié)構(gòu)；其中低溫淺量子阱分三部分，該三個部分全部采用高壓大于200Torr進(jìn)行生長，并且該三部分淺量子阱的阱層含銦量以逐漸減少的變化方式進(jìn)行生長，同時第一部分淺量子阱壘層的生長厚度在原有基礎(chǔ)上增加18%-22%，通過增加MO源的通入量來實現(xiàn)；第二部分淺量子阱的壘層厚度保持不變；第三部分淺量子阱的壘層厚度在第二部分的基礎(chǔ)上減薄18%-22%，通過減少MO源的通入時間和通入量來共同實現(xiàn)。
2.如權(quán)利要求I所述的提高GaN基LED發(fā)光效率的淺量子阱生長方法，其特征在于，所述襯底層的生長方法是在氫氣氣氛里進(jìn)行退火I 10分鐘，清潔襯底表面，溫度控制在1050 1080°C之間，然后進(jìn)行氮化處理。
3.如權(quán)利要求2所述的提高GaN基LED發(fā)光效率的淺量子阱生長方法，其特征在于，所述低溫GaN緩沖層的生長方法是將溫度下降到450°C 650°C之間，壓力控制在4000 760 Torr之間，V / III摩爾比在500 3200之間，生長15 35nm厚的GaN低溫緩沖層。
4.如權(quán)利要求3所述的提高GaN基LED發(fā)光效率的淺量子阱生長方法，其特征在于，所述未摻雜的高溫GaN緩沖層的生長方法是在所述低溫GaN緩沖層生長結(jié)束后，對其原位進(jìn)行熱退火處理，停止通入TMGa,將襯底溫度升高至950 1200°C之間，退火時間在5 IOmin之間，退火之后，將溫度調(diào)節(jié)至1000 1200°C之間，生長厚度為O. 8um 4um間的高溫不摻雜GaN緩沖層，此生長過程時，壓力在IOOTorr 600 Torr之間，V / III摩爾比在300 3300之間。
5.如權(quán)利要求4所述的提高GaN基LED發(fā)光效率的淺量子阱生長方法，其特征在于，所述Si摻雜的η型GaN層的生長方法是在所述未摻雜的高溫GaN緩沖層生長結(jié)束后，在生長溫度1000°C 1200°C之間，生長壓力在50 550 Torr之間，V /III摩爾比在300 3300之間，生長一層摻雜濃度穩(wěn)定的η型GaN層，厚度在I. O 5. Oum。
6.如權(quán)利要求5所述的提高GaN基LED發(fā)光效率的淺量子阱生長方法，其特征在于，所述發(fā)光層多量子阱的生長方法是包括從下往上依次生長的低溫淺量子阱和低溫多量子阱發(fā)光層結(jié)構(gòu)；其中 所述低溫淺量子阱包括三個部分，其生長方法是第一部分淺量子阱InxGa1^xNAiaN層，由4至8個InfanN/GaN層循環(huán)組成，其中O. 4<x<0. 8 ;第二部分淺量子阱InyGa1^yN/GaN層，由2至4個InyGa1^yNziGaN層循環(huán)組成，其中O. l〈y〈0. 4，第三部分淺量子阱InzGa卜zN/GaN層，由2至4個InzGa1 zN/GaN層循環(huán)組成，其中O. 1<ζ<0. 4，該三部分淺量子阱結(jié)構(gòu)中阱的厚度在3nm 7nm之間，淺量子阱層的生長溫度在720°C 920°C之間，壓力固定在250Torr，V / III摩爾比根據(jù)MO源的通入量的不同在300 5000之間變化； 所述低溫多量子阱發(fā)光層結(jié)構(gòu)的生長方法是在所述低溫淺量子阱生長結(jié)束后，開始生長低溫多量子阱發(fā)光層結(jié)構(gòu)，低溫多量子阱發(fā)光層由3 15個周期的InqGa1 iN/GaN多量子阱組成，其中O. l〈q〈l，其中阱的生長方式是類梯形形式，In的組份保持不變，在10% 50%之間，阱的厚度在2nm 5nm之間，生長溫度在720V 820°C之間，生長壓力在200Torr 500 Torr之間，V /III摩爾比在400 5300之間；壘層分三部分進(jìn)行生長，第一部分和第二部分的量子壘都采用MO源漸進(jìn)式方式生長，其中第一部分生長厚度在IOnm 15nm之間，第二部分生長厚度7nm 11. 5nm之間，第三部分生長厚度8nm 12nm之間；其中第一部分和第二部分的量子壘生長時通入MO源氣體種類相同厚度的減薄方式是通過減少MO源和氣體的通入量來實現(xiàn)，時間保持不變；第三部分的量子壘與第一、第二部分通入的氣體不同，厚度的減薄方式是通過減少MO源通入時間實現(xiàn)；所有量子壘的生長溫度在820 920°C之間，壓力在200Torr 500 Torr之間，V / III摩爾比在400 5300之間。
7.如權(quán)利要求6所述的提高GaN基LED發(fā)光效率的淺量子阱生長方法，其特征在于，所述低溫P型GaN層的生長方法是在低溫多量子阱發(fā)光層結(jié)構(gòu)生長結(jié)束后，生長厚度IOnm IOOnm之間的低溫ρ型GaN層，生長溫度在500°C 800°C之間，生長時間在5分鐘 20分鐘之間，壓力在IOOTorr 500 Torr之間，V / III摩爾比在300 5300之間。
8.如權(quán)利要求7所述的提高GaN基LED發(fā)光效率的淺量子阱生長方法，其特征在于，所述低溫P型AlGaN電子阻擋層的生長方法是在所述低溫ρ型GaN層生長結(jié)束后，將溫度升至900°C 1100°C之間，生長壓力在50Torr 400 Torr之間，生長時間在5分鐘 15分鐘之間，生長厚度在IOnm IOOnm之間的ρ型AlGaN電子阻擋層，V / III摩爾比在1000 20000之間，Al的組分控制在15% 40%之間。
9.如權(quán)利要求8所述的提高GaN基LED發(fā)光效率的淺量子阱生長方法，其特征在于，所述高溫P型GaN層的生長方法是在所述低溫P型AlGaN層生長結(jié)束后，生長一層厚度O. I um O. 9nm之間的高溫ρ型GaN層，其生長溫度在850 1090°C之間，生長壓力在IOOTorr 450 Torr之間，生長時間在5 20min之間，V / III摩爾比在300 5000之間。
10.如權(quán)利要求9所述的提高GaN基LED發(fā)光效率的淺量子阱生長方法，其特征在于，所述P型GaN接觸層的生長方法是在所述高溫P型GaN層生長結(jié)束后，生長一層厚度5nm 30nm之間的ρ型GaN接觸層，其生長溫度在850°C 1050°C之間，壓力在IOOTorr ,500 Torr之間，生長時間在I IOmin之間，V / III摩爾比在1000 20000之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高GaN基LED發(fā)光效率的淺量子阱生長方法，該LED外延片結(jié)構(gòu)從下向上的順序依次為襯底層、低溫GaN緩沖層、未摻雜的高溫GaN緩沖層、Si摻雜的n型GaN層、發(fā)光層多量子阱、低溫p型GaN層、p型AlGaN電子阻擋層、高溫p型GaN層、p型GaN接觸層；發(fā)光層多量子阱從下往上依次包括低溫淺量子阱、低溫多量子阱發(fā)光層結(jié)構(gòu)；其中低溫淺量子阱由三部分淺量子阱組成。本發(fā)明所提供的方法可以有效的獲得高結(jié)晶質(zhì)量、高發(fā)光效率的量子阱結(jié)構(gòu)氮化鎵基材料，獲得高發(fā)光強(qiáng)度的氮化鎵系發(fā)光二極管。
文檔編號H01L33/00GK102903808SQ20121042680
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者李永, 王耀國, 鐘尹泰 申請人:合肥彩虹藍(lán)光科技有限公司