一種紫外led有源區(qū)多量子阱的生長方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種紫外LED有源區(qū)多量子阱的生長方法，其生長方法包括以下步驟：步驟一，在藍寶石襯底上，生長UGaN層，步驟二，所述UGaN層生長結束后，生長一層摻雜濃度穩(wěn)定的N?GaN層，步驟三，所述N?GaN層生長結束后，生長多量子阱結構MQW層，步驟四，所述多量子阱結構MQW層生長結束后，生長有源區(qū)多量子阱發(fā)光層，步驟五，所述有源區(qū)多量子阱發(fā)光層生長結束后，以N2作為載氣生長P型氮化鎵層，步驟六，P型氮化鎵層生長結束后，進行退火處理即得LED外延結構。本發(fā)明的生產(chǎn)工藝可以優(yōu)化電子的濃度分布，抑制電子泄露，減小多量子阱生長過程中產(chǎn)生的應力，減小量子限制斯塔克效應(QCSE)，增加電流注入效率，提高多量子阱發(fā)光效率。
【專利說明】
一種紫外LED有源區(qū)多量子阱的生長方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及半導體器件技術領域，具體為一種紫外LED有源區(qū)多量子阱的生長方法。【背景技術】
[0002]基于三族氮化物(II1-nitride)寬禁帶半導體材料的紫外發(fā)光二極管(Ultra v1let Light-Emitting D1de)，在殺菌消毒、聚合物固化、特種照明、光線療法及生化探測等領域具有廣闊的應用前景。
[0003]隨著LED的不斷發(fā)展，GaN基高亮度LED已經(jīng)大規(guī)模商業(yè)化，并在景觀照明、背光應用及光通訊等領域顯示出強大的市場潛力。同時，白色LED固態(tài)照明發(fā)展如火如荼，正引發(fā)第三次照明革命。隨著可見光領域的逐漸成熟，人們逐漸將研究重點轉向波長較短的紫外光LED，紫外光依據(jù)波長通?？梢詣澐譃?長波紫外UVA(320-400nm)、中波紫外UVB(280-320nm)、短波紫外 UVC(200-280nm)以及真空紫外 VUV(10-200nm)〇
[0004]為實現(xiàn)短波段的UV-LED，主要通過提高AlGaN外延材料及量子阱結構中的A1組分， 隨著A1組分的提高，高質量的材料外延及更好的實現(xiàn)有效摻雜面臨越來越高的挑戰(zhàn)?？梢哉f，UV-LED很大程度上得益于核心AlGaN材料制備技術的進展，主要在于AlGaN材料的外延生長及摻雜水平。特別在UV-LED的有源區(qū)量子阱結構中，量子阱及量子皇之間的組分差異以及異質外延造成的材料應力，使得外延量子阱生長過程中存在較大的極化電場。量子阱區(qū)域產(chǎn)生的強極化電場，會導致能帶彎曲，電子和空穴函數(shù)的空間分離，降低輻射復合效率，進而降低UV-LED的內量子效率。同時，當電流逐漸增大時，工作電壓大于內建電場，會產(chǎn)生大量電子泄露，Droop效應增加。因此，為實現(xiàn)UV-LED較高的量子效率，還是一個較難的挑戰(zhàn)。
【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明所解決的技術問題在于提供一種紫外LED有源區(qū)多量子阱的生長方法，針對現(xiàn)有UV-LED紫光發(fā)光二極管中存在的較強極化電場以及載流子分布不均勻所導致的量子阱發(fā)光效率減小的問題，以解決上述【背景技術】中的問題。
[0006]本發(fā)明所解決的技術問題采用以下技術方案來實現(xiàn):一種紫外LED有源區(qū)多量子阱的生長方法，其LED芯片的外延片結構從下向上的順序依次為:藍寶石襯底、UGaN層、N-GaN層、多量子阱結構MQW層、有源區(qū)多量子阱發(fā)光層、P型氮化鎵層，其生長方法包括以下步驟:
[0007]步驟一，在藍寶石襯底上，將溫度調節(jié)至1000-1200°C之間，通入TMGa，生長厚度為 0 ? 5-2 ? 5um間的UGaN層，生長壓力在100-500Torr之間，V/m摩爾比在300-2500之間；
[0008]步驟二，所述UGaN層生長結束后，生長一層摻雜濃度穩(wěn)定的N-GaN層，厚度在1.5-4.5um，生長溫度在1000-1200°C之間，壓力在100_600Torr之間，V/m摩爾比在50-2000之間；
[0009] 步驟三，所述N-GaN層生長結束后，生長多量子阱結構MQW層，生長溫度在600-1000 °C之間，生長壓力在100_600Torr之間，V/m摩爾比在200-5000之間，所述多量子阱結構 MQW層由1-20層InxGai—xN/GaN多量子阱組成，所述多量子阱的厚度在1.5-6.5nm之間，皇的厚度在10-35nm之間；[〇〇1〇]步驟四，所述多量子阱結構MQW層生長結束后，生長有源區(qū)多量子阱發(fā)光層，生長溫度在720-920°C之間，壓力在100_600Torr之間，V/m摩爾比在300-8000之間，所述有源區(qū)多量子阱由3-30個周期的InxGa1-xN/AlGaN多量子阱組成，其中x:0.1-0.6,有源區(qū)多量子阱多個循環(huán)生長分為不同組(loops)生長，不同組的阱的生長方式為In組分遞進增加，阱寬梯度變大，同時，每層量子皇AlyGa1-yN的A1含量逐漸增加，其中y: 0.1-0.6，上述中阱的深度與寬度變大與量子皇中的A1含量逐漸增加呈規(guī)律的對應關系；[〇〇11]步驟五，所述有源區(qū)多量子阱發(fā)光層生長結束后，以N2作為載氣生長厚度20-100nm之間的P型氮化鎵層，生長溫度在620-1200°C之間，生長時間在5-45min之間，壓力在 100-600Torr之間，V/m摩爾比在200-6000之間；[〇〇12] 步驟六，P型氮化鎵層生長結束后，將反應室的溫度降至450-800°C之間，采用純氮氣氛圍進行退火處理2?20min，然后降至室溫，即得LED外延結構，外延結構經(jīng)過清洗、沉積、光刻和刻蝕后續(xù)加工工藝制成單顆芯片。
[0013]所述紫外LED有源區(qū)多量子阱的生長方法以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、 111和對原，用硅烷(SiH4)和二茂鎂(Cp2Mg)分別作為n、p型摻雜劑。[〇〇14]與已公開技術相比，本發(fā)明存在以下優(yōu)點:本發(fā)明的生產(chǎn)工藝可以優(yōu)化電子的濃度分布，抑制電子泄露，減小多量子講生長過程中產(chǎn)生的應力，減小量子限制斯塔克效應 (QCSE)，增加電流注入效率，提高多量子阱發(fā)光效率?！靖綀D說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的紫外LED結構示意圖。
[0016]圖2為本發(fā)明的有源區(qū)多量子阱發(fā)光層能帶示意圖?！揪唧w實施方式】
[0017]為了使本發(fā)明的技術手段、創(chuàng)作特征、工作流程、使用方法達成目的與功效易于明白了解，下面將結合本發(fā)明實施例，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述， 顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0018]實施例1
[0019]—種紫外LED有源區(qū)多量子阱的生長方法，其LED芯片的外延片結構從下向上的順序依次為:藍寶石襯底、UGaN層、N-GaN層、多量子阱結構MQW層、有源區(qū)多量子阱發(fā)光層、P型氮化鎵層，其生長方法包括以下步驟:
[0020]步驟一，在藍寶石襯底上，將溫度調節(jié)至1000-1200°C之間，通入TMGa，生長厚度為 0 ? 5-2 ? 5um間的UGaN層，生長壓力在100-500Torr之間，V/m摩爾比在300-2500之間；
[0021]步驟二，所述UGaN層生長結束后，生長一層摻雜濃度穩(wěn)定的N-GaN層，厚度在1.5-4.5um，生長溫度在1000-1200°C之間，壓力在100_600Torr之間，V/m摩爾比在50-2000之間；[〇〇22]步驟三，所述N-GaN層生長結束后，生長多量子阱結構MQW層，生長溫度在600-1000°C之間，生長壓力在100_600Torr之間，V/m摩爾比在200-5000之間，所述多量子阱結構 MQW層由1-20層InxGai—xN/GaN多量子阱組成，所述多量子阱的厚度在1.5-6.5nm之間，皇的厚度在10-35nm之間；[〇〇23]步驟四，所述多量子阱結構MQW層生長結束后，生長有源區(qū)多量子阱發(fā)光層，生長溫度在720-920°C之間，壓力在100_600Torr之間，V/m摩爾比在300-8000之間，所述有源區(qū)多量子阱由3-30個周期的InxGa1-xN/AlGaN多量子阱組成，其中x:0.1-0.6,有源區(qū)多量子阱多個循環(huán)生長分為不同組(loops)生長，不同組的阱的生長方式為In組分遞進增加，阱寬梯度變大，同時，每層量子皇AlyGa1-yN的A1含量逐漸增加，其中y: 0.1-0.6，上述中阱的深度與寬度變大與量子皇中的A1含量逐漸增加呈規(guī)律的對應關系；[〇〇24]步驟五，所述有源區(qū)多量子阱發(fā)光層生長結束后，以N2作為載氣生長厚度20-100nm之間的P型氮化鎵層，生長溫度在620-1200°C之間，生長時間在5-45min之間，壓力在 100-600Torr之間，V/m摩爾比在200-6000之間；[〇〇25]步驟六，P型氮化鎵層生長結束后，將反應室的溫度降至450-800°C之間，采用純氮氣氛圍進行退火處理2?20min，然后降至室溫，即得LED外延結構，外延結構經(jīng)過清洗、沉積、光刻和刻蝕后續(xù)加工工藝制成單顆芯片。
[0026]實施例2
[0027]—種紫外LED有源區(qū)多量子阱的生長方法，其生長方法包括以下步驟:[〇〇28]步驟一，在藍寶石襯底上，將溫度調節(jié)至1100 °C，通入TMGa，生長厚度為1.5um的UGaN層，生長壓力在300Torr，V/m摩爾比在500;
[0029]步驟二，所述UGaN層生長結束后，生長一層摻雜濃度穩(wěn)定的N-GaN層，厚度在 2 ? 5um，生長溫度在1100°C，壓力在300Torr，V/m摩爾比在500;[〇〇3〇]步驟三，所述N-GaN層生長結束后，生長多量子阱結構MQW層，生長溫度在800°C，生長壓力在300Torr，V/m摩爾比在2000,所述多量子阱結構MQW層由1-20層InxGai—xN/GaN多量子阱組成，所述多量子阱的厚度在1 ? 5-6 ? 5nm之間，皇的厚度在10-35nm之間。[〇〇31]步驟四，所述多量子阱結構MQW層生長結束后，生長有源區(qū)多量子阱發(fā)光層，生長溫度在820°C，壓力在400Torr，V/m摩爾比在5000,所述有源區(qū)多量子阱由3-30個周期的 InxGanN/AlGaN多量子阱組成，其中x: 0.1-0.6，有源區(qū)多量子阱多個循環(huán)生長分為不同組 (loops)生長，不同組的阱的生長方式為In組分遞進增加，阱寬梯度變大，同時，每層量子皇 AlyGa1-yN的A1含量逐漸增加，其中y:0.1-0.6,上述中阱的深度與寬度變大與量子皇中的A1 含量逐漸增加呈規(guī)律的對應關系。[〇〇32]步驟五，所述有源區(qū)多量子阱發(fā)光層生長結束后，以N2作為載氣生長厚度80nm的P 型氮化鎵層，生長溫度在920°C，生長時間在30min，壓力在400Torr，V/m摩爾比在4000; [〇〇33]步驟六，P型氮化鎵層生長結束后，將反應室的溫度降至500°C，采用純氮氣氛圍進行退火處理2?20min，然后降至室溫，即得LED外延結構，外延結構經(jīng)過清洗、沉積、光刻和刻蝕后續(xù)加工工藝制成單顆芯片。
[0034] 本實施例以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6&^1、111和對原，用硅烷(3川4)和二茂鎂 (Cp2Mg)分別作為n、p型摻雜劑。[〇〇35]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內。本發(fā)明的要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【主權項】
1.一種紫外LED有源區(qū)多量子阱的生長方法，其特征在于:其LED芯片的外延片結構從 下向上的順序依次為:藍寶石襯底、UGaN層、N-GaN層、多量子阱結構MQW層、有源區(qū)多量子阱 發(fā)光層、P型氮化鎵層，其生長方法包括以下步驟:步驟一，在藍寶石襯底上，將溫度調節(jié)至1000-1200°C之間，通入TMGa，生長厚度為0.5-2 ? 5um間的UGaN層，生長壓力在100-500Torr之間，V/m摩爾比在300-2500之間；步驟二，所述UGaN層生長結束后，生長一層摻雜濃度穩(wěn)定的N-GaN層；步驟三，所述N-GaN層生長結束后，生長多量子阱結構MQW層；步驟四，所述多量子阱結構MQW層生長結束后，生長有源區(qū)多量子阱發(fā)光層，生長溫度 在720-920°C之間，壓力在100_600Torr之間，V/m摩爾比在300-8000之間，所述有源區(qū)多 量子阱由3-30個周期的InxGa1-xN/AlGaN多量子阱組成，其中x:0.1-0.6,有源區(qū)多量子阱多 個循環(huán)生長分為不同組(loops)生長，不同組的阱的生長方式為In組分遞進增加，阱寬梯度 變大，同時，每層量子皇AlyGa1-yN的A1含量逐漸增加，其中y: 0.1-0.6，上述中阱的深度與寬 度變大與量子皇中的A1含量逐漸增加呈規(guī)律的對應關系；步驟五，所述有源區(qū)多量子阱發(fā)光層生長結束后，以N2作為載氣生長厚度20-100nm之間 的P型氮化鎵層；步驟六，P型氮化鎵層生長結束后，將反應室的溫度降至450-800°C之間，采用純氮氣氛 圍進行退火處理2?20min，然后降至室溫，即得LED外延結構，外延結構經(jīng)過清洗、沉積、光 刻和刻蝕后續(xù)加工工藝制成單顆芯片。2.根據(jù)權利要求1所述的一種紫外LED有源區(qū)多量子阱的生長方法，其特征在于:所述 步驟二中生長一層摻雜濃度穩(wěn)定的N-GaN層，厚度在1.5-4.5um，生長溫度在1000-1200 °C之 間，壓力在100-600Torr之間，V/m摩爾比在50-2000之間。3.根據(jù)權利要求1所述的一種紫外LED有源區(qū)多量子阱的生長方法，其特征在于:所述 步驟三中生長多量子阱結構MQW層，生長溫度在600-1000°C之間，生長壓力在100_600Torr 之間，V/m摩爾比在200-5000之間，所述多量子阱結構MQW層由1-20層InxGai—xN/GaN多量 子阱組成，所述多量子阱的厚度在1 ? 5-6 ? 5nm之間，皇的厚度在10-35nm之間。4.根據(jù)權利要求1所述的一種紫外LED有源區(qū)多量子阱的生長方法，其特征在于:所述 步驟五中以N2作為載氣生長厚度20-100nm之間的P型氮化鎵層，生長溫度在620-1200°C之 間，生長時間在5-45min之間，壓力在100-600Torr之間，V/m摩爾比在200-6000之間。5.根據(jù)權利要求1所述的一種紫外LED有源區(qū)多量子阱的生長方法，其特征在于:所述 紫外LED有源區(qū)多量子阱的生長方法以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6&、厶1、111和對原，用硅烷 (SiH4)和二茂鎂(Cp2Mg)分別作為n、p型摻雜劑。
【文檔編號】H01L33/12GK105977351SQ201610373575
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】郭麗彬, 程斌, 唐軍, 潘堯波
【申請人】合肥彩虹藍光科技有限公司