本發(fā)明屬于光電子器件領域，具體涉及一種提高GaN基LED內量子效率的外延生長方法。

背景技術：

氮化鎵基發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）具有高亮度、低能耗、長壽命、響應速度快及環(huán)保等特點，廣泛地應用于室內及路燈照明、交通信號以及戶外顯示、汽車車燈照明、液晶背光源等多個領域。因此，大功率白光LED被認為是21世紀的照明光源。

目前商業(yè)化的GaN基LED外延結構大都是在藍寶石襯底上沿 [0001] 方向（c軸）異質外延。由于藍寶石襯底和纖鋅礦結構GaN在晶格常數、熱膨脹系數上存在較大的差異，使得GaN體材料中的缺陷密度高達10⁸cm^-2。在外延生長中由于缺陷的遺傳效應，會使得缺陷延伸至多量子阱區(qū)域。其次，為了提高In的并入效率，InGaN阱層的生長溫度不能高于800℃，且In的成分越高要求的生長溫度越低，然而在低溫下NH₃裂解不充分，因此在外延生長中會形成諸多缺陷，如N空位，反位缺陷等，使得晶體質量下降，LED發(fā)光效率嚴重降低。為了提高晶體質量，GaN壘層的生長溫度普遍要高于InGaN阱層的生長溫度，這就需要引入低溫GaN蓋層來防止升溫時In的流失。雖然GaN蓋層能有效的防止In的流失，然而由于生長溫度低，晶體質量較差。總之位于多量子阱有源區(qū)的缺陷，諸如In團簇、失配位錯，穿透位錯，堆垛層錯，表面凹坑及V形坑等，會形成非輻射復合中心，使得載流子由于非輻射復合而大量減少，嚴重降低了LED的內量子效率。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述問題，提供了一種提高GaN基LED內量子效率的外延生長方法。該方法不僅能夠降低量子阱區(qū)域缺陷密度，且制備方法簡單，制備成本較低。

本發(fā)明是通過以下技術方案實現的：一種提高GaN基LED內量子效率的外延生長方法，包括如下步驟：

提供一襯底并對襯底進行表面清潔；

在清潔后的襯底上生長GaN成核層并高溫退火處理；

在退火后的GaN成核層上生長非故意摻雜GaN層；

在非故意摻雜GaN層上生長n型GaN層；

在n型GaN層上生長多量子阱發(fā)光層，所述多量子阱發(fā)光層為若干對InGaN阱層/低溫GaN蓋層/高溫GaN壘層依次從下向上交替堆疊組成，且每層低溫GaN蓋層的生長均分為兩階段，第一階段為生長過程中不通入H₂氣體，第二階段為生長過程中通入H₂氣體；

在多量子阱發(fā)光層上生長p-AlGaN電子阻擋層；

在p-AlGaN電子阻擋層上生長p-GaN層和p-GaN接觸層。

本發(fā)明中生長GaN成核層并高溫退火處理時，所述高溫退火處理的溫度為950-1110℃。

具體應用時，所述多量子阱發(fā)光層的一個生長周期里先通入NH₃氣體、In源、Ga源，生長InGaN阱層；阱層生長完后，僅關閉In源，生長第一階段的GaN蓋層；然后通入小流量的H₂，生長第二階段的GaN蓋層；蓋層長完后，關閉Ga源和H₂氣體并開始升溫，待溫度達到壘層生長溫度并穩(wěn)定后，再打開Ga源，生長GaN壘層。待壘層生長完成，關閉Ga源開始降溫，待溫度達到阱層生長溫度并穩(wěn)定后，再打開Ga源和In源，生長下一個周期的阱層。

本發(fā)明低溫GaN蓋層的生長溫度與InGaN阱層的生長溫度一致，高溫GaN壘層的生長溫度高于InGaN阱層和GaN蓋層的生長溫度。低溫蓋層用來保護InGaN阱層上的In原子，防止In原子在升溫過程中蒸發(fā)并脫附。

進一步，在生長多量子阱的過程中，僅低溫GaN蓋層生長的第二階段中通入H₂，而InGaN阱層、低溫GaN蓋層生長的第一階段和GaN壘層的生長過程中沒有通入H₂氣體。

本發(fā)明所述技術方案的進一步優(yōu)選的，所述H₂氣體的流量為低溫GaN蓋層生長過程中通入的所有氣體總流量的0.1%-20%。該所有氣體僅含有NH₃氣體、H₂氣體以及N₂氣體。

進一步，每層低溫GaN蓋層的第一階段的厚度比例大于等于10%且小于等于90%。該厚度比例為第一階段與兩階段的比例。其中若第一階段的厚度比例小于10%，起不到保護層的作用；若第一階段的厚度比例大于90%，則改善效果不明顯。

另外，所述多量子阱發(fā)光層中InGaN阱層的厚度為1-6nm，低溫GaN蓋層的總厚度為0.2-6nm，高溫GaN壘層的厚度為5-20nm。

具體實施時，所述InGaN阱層中In組分以摩爾百分數計為5-40%。

優(yōu)選的，所述多量子阱發(fā)光層中InGaN阱層/低溫GaN蓋層/高溫GaN壘層的周期數為1-20對。

通過本發(fā)明所述的外延生長方法，在生長多周期量子阱的低溫蓋層時，在生長蓋層的第一階段不通入H₂氣體，是因為H₂氣體會刻蝕掉部分In原子，降低InGaN阱層中In的含量；而在第二階段通入小流量的H₂氣體，是因為低溫蓋層中存在很多位錯、雜質，V形坑等缺陷，而小流量H₂氣體的加入能夠部分去除或者鈍化這些缺陷，提高晶體質量，還能夠刻蝕掉過量的In原子，降低In原子的團簇，改善In組分的均勻性，形成陡峭的阱壘界面。因此，通過本發(fā)明可以達到提高GaN基LED的內量子效率的目的。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)方法生長的外延片流程圖。

圖2為現有技術生長的外延片流程圖。

圖3為本發(fā)明采用InGaN阱層/兩步法的低溫GaN蓋層/高溫GaN壘層組成的多量子阱結構的外延片和傳統(tǒng)InGaN阱層/低溫GaN蓋層/高溫GaN壘層組成的多量子阱結構的室溫（300K）光熒光譜對比圖。其中僅低溫GaN蓋層的生長條件不同，傳統(tǒng)結構的低溫蓋層厚度為1.0nm，生長過程中沒有通入H₂氣體。而兩步法的低溫GaN蓋層第一階段厚度為0.5nm，第二階段厚度為0.5nm并且第二階段中通入了200sccm的H₂氣體（所有氣體總流量的2.5%），其他結構及參數完全相同?？梢钥闯霰景l(fā)明采用InGaN阱層/兩步法的低溫GaN蓋層/高溫GaN壘層組成的多量子阱結構的外延片發(fā)光波長與傳統(tǒng)InGaN阱層/低溫GaN蓋層/高溫GaN壘層組成的多量子阱結構的外延片發(fā)光波長相比基本不變，僅僅藍移了1.0nm，而室溫下的發(fā)光強度約增強了2倍。上述光熒光譜的對比測試采用的是He-Cd 激光器、激發(fā)波長325nm的PL光譜儀。

圖4為本發(fā)明采用InGaN阱層/兩步法的低溫GaN蓋層/高溫GaN壘層組成的多量子阱結構的外延片和傳統(tǒng)InGaN阱層/低溫GaN蓋層/高溫GaN壘層組成的多量子阱結構的外延片的內量子效率對比圖。其中僅低溫GaN蓋層的生長條件不同，傳統(tǒng)結構的低溫GaN蓋層厚度為1.0nm，生長過程中沒有通入H₂氣體。而兩步法的低溫GaN蓋層第一階段厚度為0.5nm，第二階段厚度為0.5nm并且第二階段中通入了200sccm的H₂氣體（2.5vol%），其他結構及參數完全相同。內量子效率值采用以下計算公式：。其中I_10K和I_300K分別為在10K和300K時測得的光熒光譜的積分強度?？梢钥闯霰景l(fā)明采用InGaN/兩部法的低溫GaN/高溫GaN組成的多量子阱結構的外延片內量子效率約提高了1.3倍。10K和300K時光熒光譜的測試采用的是He-Cd 激光器、激發(fā)波長325nm的PL光譜儀。

圖5為本發(fā)明采用InGaN阱層/兩步法的低溫GaN蓋層/高溫GaN壘層組成的多量子阱結構的外延片和InGaN阱層/一步法的低溫GaN蓋層/高溫GaN壘層組成的多量子阱結構的外延片的室溫（300K）光熒光譜對比圖。其中僅低溫GaN蓋層的生長條件不同，一步法的低溫GaN蓋層厚度為1.0nm，生長過程中通入200sccm的H₂氣體（2.5vol%）。而兩步法的低溫GaN蓋層第一階段厚度為0.5nm，第二階段厚度為0.5nm并且第二階段中通入了200sccm的H₂氣體（所有氣體總流量的2.5%），其他結構及參數完全相同。可以看出本發(fā)明采用InGaN/兩部法的低溫GaN/高溫GaN組成的多量子阱結構的外延片室溫下的發(fā)光強度約提高了1.5倍。該室溫下的光致發(fā)光強度是Nd-YAG激光器、激發(fā)波長266nm的PL光譜儀所測定的。

具體實施方式

下面通過實施例對本發(fā)明進行更進一步的說明。如在通篇說明書當中所提及的“僅含有”或者“僅”為一封閉式用語，故應解釋成“只有”。 “約”是指在可接受的誤差范圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差范圍內解決所述技術問題，基本達到所述技術效果。

一種提高GaN基LED內量子效率的外延生長方法，包括如下步驟：

提供一襯底并對襯底進行表面清潔；

在清潔后的襯底上生長GaN成核層并高溫退火處理；

在退火后的GaN成核層上生長非故意摻雜GaN層；

在非故意摻雜GaN層上生長n型GaN層；

在n型GaN層上生長多量子阱發(fā)光層，所述多量子阱發(fā)光層為若干對InGaN阱層/低溫GaN蓋層/高溫GaN壘層依次從下向上交替堆疊組成，且每層低溫GaN蓋層的生長均分為兩階段，第一階段為生長過程中不通入H₂氣體，第二階段為生長過程中通入H₂氣體；

在多量子阱發(fā)光層上生長p-AlGaN電子阻擋層；

在p-AlGaN電子阻擋層上生長p-GaN層和p-GaN接觸層。

進一步，作為本發(fā)明提供的外延生長方法的一種具體實施方式：本發(fā)明的外延生長方法是在MOCVD機臺型號Aixtron TS300的儀器中實現的。其中生長多量子阱發(fā)光層時，保 持 反 應 腔 壓 力200-600mBar、通入流量為4000sccm（可選的范圍2000-6000sccm）的NH₃氣體、In源和Ga源的流量是由載氣N₂輸送進反應腔的，其中In源流量為20-400sccm、Ga源流量為5-100sccm。在溫度為650-800℃的范圍內生長InGaN阱層，生長過程中壓力、溫度以及通入NH₃氣體、In源、Ga源的流量保持恒定；阱層生長完后，僅關閉In源，生長第一階段的GaN蓋層，生長過程中壓力、溫度以及通入NH₃氣體、Ga源的流量保持恒定；然后通入總氣體流量2.5%的H₂（可使用的范圍為0.1%-20%），生長第二階段的GaN蓋層，生長過程中壓力、溫度以及通入NH₃氣體、Ga源的流量保持恒定；蓋層長完后，關閉Ga源和H₂氣體并開始升溫至750-950℃，保持反應腔的壓力不變，氨氣流量不變，Ga源流量為10-100sccm，溫度穩(wěn)定后開始生長GaN壘層，生長過程中壓力、溫度以及通入NH₃氣體、In源、Ga源的流量保持恒定。待壘層生長完成，關閉Ga源開始降溫，待溫度達到阱層生長溫度并穩(wěn)定后，在通入流量為20-400sccm的In、流量為5-100sccm的Ga源，生長下一個周期的阱層，重復上述步驟。周期數為1-20對。其中N₂作為載氣和補償氣體維持反應腔的總流量在整個量子阱生長過程中基本保持恒定，N₂的流量可選用2000-6000sccm，在生長過程中會根據NH₃，In源，Ga源，H₂的流量變化進行相應的補償。

具體實施時，每層低溫GaN蓋層的第一階段的厚度比例大于等于10%且小于等于90%。

進一步，所述多量子阱發(fā)光層中InGaN阱層的厚度為1-6nm，低溫GaN蓋層的總厚度為0.2-6nm，高溫GaN壘層的厚度為5-20nm。

優(yōu)選的，所述InGaN阱層中In組分以摩爾百分數計為5-40%。