專利名稱：高In組分多InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)的LED的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高In組分多InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)的LED的制造方法，特別涉及一種高 In組分多種成分的InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)的LED的制造方法。
背景技術(shù)：
GaN基III-V族氮化物是重要的直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體材料。GaN基材料具有優(yōu)異的機(jī) 械和化學(xué)性能，優(yōu)異的光電性質(zhì)，室溫下其帶隙范圍從0.7eV(InN)到6.2eV(AlN)，發(fā)光波長(zhǎng) 涵蓋了遠(yuǎn)紅外，紅外，可見光，紫外光，深紫外，GaN基材料在藍(lán)光，綠光，紫光及白光二極 管等光電子器件領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用背景。
近幾年GaN基藍(lán)光LED的量子效率獲得重大提高，但是GaN基綠光LED的量子效率相對(duì) 于GaN基藍(lán)光LED低得多(參見:Appl. Phys. Lett. ， 86， 101903等)，制造上比藍(lán)光LED困難的 多。GaN基綠光LED需要高質(zhì)量高In組分的InxGal-xN/GaN量子阱(x》15M)，但高In組分的 InGaN材料及InGaN/GaN量子阱的質(zhì)量通常較差.工nN的晶格常數(shù)a為0. 3545nm和六方相GaN 間的晶格常數(shù)a為0. 3189mi,可見隨著In組分的增加InGaN/GaN間的晶格失配增大,應(yīng)力增 大,容易在InxGal-xN/GaN多量子阱的界面容易產(chǎn)生大量的V型缺陷；并且高In組分的InGaN 材料容易發(fā)生In的相分離，這些是GaN基綠光、黃光及紅光等LED外量子效率低，電性差抗 靜電能力差的主要原因。此外InN的帶隙為0.7eV,GaN的帶隙為3. 39eV,隨著In組分的增 加，InGaN的帶隙變小，導(dǎo)致LED的開啟電壓降低等。
為了改進(jìn)上述問題，在申請(qǐng)?zhí)枮?00580025327.3，發(fā)明名稱為"具有含銦結(jié)構(gòu)的III族
氮化物基量子阱發(fā)光器件結(jié)構(gòu)"的發(fā)明中，提出了一種在有源區(qū)上具有包含銦的III族氮化
物層及在包含銦的III族氮化物層上具有包含鋁的p型III族氮化物層的結(jié)構(gòu)，來改善結(jié)晶
質(zhì)量，然而，其改善仍然有限。
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明的發(fā)明人在LED領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛深入的研究， 終有本發(fā)明的產(chǎn)生。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的所要解決的技術(shù)方案是提供一種高In組分多InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)的LED的制為解決上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供一種高In組分多InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)的LED的制造 方法，采用M0CVD方法，利用高純NH3做N源，三甲基鎵或三乙基鎵做鎵源，三甲基銦做銦源， 三甲基鋁做鋁源，硅烷用作n型摻雜劑，二茂鎂用作p型摻雜劑，其特征在于，包括一下步 驟
步驟1、在M0CVD反應(yīng)室中加熱藍(lán)寶石襯底并用H2處理，然后降溫生長(zhǎng)GaN成核層，接著 在高溫下生長(zhǎng)GaN緩沖層，所述GaN緩沖層包括非摻雜GaN層和摻Si的n型GaN層；
步驟2、將溫度降低到65CT85CTC之間，載氣切換為N2，在所述緩沖層上生長(zhǎng)1至6個(gè) IruGa^N/GaN量子阱，其中，0<x《0. 1，每層In,Ga^N阱層厚度為2-5nm;接著生長(zhǎng)1至6 個(gè)In,Ga卜第aN量子阱，其中0. Ky《0. 2，每層In,Ga"N阱層厚度為1. 5一5nm;再生長(zhǎng)4 至15個(gè)IruGa,iN/GaN量子阱，其中0.2〈z〈1，每層InzGa^N阱層厚度為l-5nm;在上述制造 過程中，TEGa的摩爾流量為0. 1X10—s摩爾/分鐘至1. 5X 10—5摩爾/分鐘，TMIn的摩爾流量為 1 X 10—5摩爾/分鐘至10X 10—5摩爾/分鐘之間，Nft的流量為6升/分鐘至30升/分鐘；
步驟3、在高溫下，以H2做載氣，在所述In,Ga,-zN/GaN量子阱上順次生長(zhǎng)p型AlGaN層 和p型GaN層。
較佳地，步驟2中，所述In,GahN/GaN量子阱個(gè)數(shù)為5個(gè)，量子阱阱層厚度為3nm,壘 層厚度為10nm， x = 0.08。
較佳地，步驟2中，所述IriyGai-yN/GaN量子阱個(gè)數(shù)為4個(gè)，量子阱阱層厚度為3nm，壘 層厚度為10nm， y = 0. 15。
較佳地，所述IruGahN/GaN量子阱個(gè)數(shù)為5個(gè)，量子阱阱層厚度為2. 3咖，壘層厚度為 10nm, z=0. 25。
本發(fā)明的有益效果在于能夠改善結(jié)晶質(zhì)量，較好地減少InGaN和GaN間的V型缺陷， 提髙LED的開啟電壓，改善LED的電學(xué)性質(zhì),提高發(fā)光效率。
圖1為本發(fā)明提供的高In組分多InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)LED的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為InGaN/GaN量子阱有源層的導(dǎo)帶示意圖。
具體實(shí)施例方式
4下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
請(qǐng)參閱圖i，圖1所示為一種高In組分多InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)的LED,包括在藍(lán)寶石 襯底1上依次向上生長(zhǎng)的GaN成核層2、非摻雜GaN層3、 n型GaN層4、 InGaN/GaN量子阱有 源層5、 p型ALGaN載流子阻擋層6及p型GaN層7。
InGaN/GaN量子阱有源層5包括第一 InGaN/GaN量子阱層5a、第二 InGaN/GaN量子阱層 5b及第三InGaN/GaN量子阱層5c。第一 InGaN/GaN量子阱層5a由1至6個(gè)In,GanN/GaN量 子阱組成，其中，0<x《0. 1， In,GahN為阱層，厚度為2-5nm， GaN為壘層；第二 InGaN/GaN 量子阱層5b由1至6個(gè)InyGa,—yN/GaN量子阱組成，其中0. Ky《0. 2， InyGai-yN為阱層， 厚度為1. 5-5nm， GaN為壘層；第三InGaN/GaN量子阱層5c由4至15個(gè)InzGa』/GaN量子 阱組成，其中O. 2<z<l， InzGai-zN為阱層，厚度為1-5nm， GaN為壘層。
上述第一 InGaN/GaN量子阱層5a的阱層厚度優(yōu)選為3nra，第二 InGaN/GaN量子阱層5b 的阱層厚度優(yōu)選為3nm，第三InGaN/GaN量子阱層5c的阱層厚度優(yōu)選為2. 3nm。
本發(fā)明提供制造上述高In組分多InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)的LED的方法，本發(fā)明采用MOCVD 方法，利用高純Nft做N源，三甲基鎵或三乙基鎵做鎵源，三甲基銦做銦源，三甲基鋁做鋁源， 硅烷用作n型摻雜劑，二茂鎂用作p型摻雜劑。
實(shí)施例一
利用MOCVD設(shè)備外延生長(zhǎng)高亮度的高In組分多量子阱的LED,所用的襯底為(001)面的藍(lán) 寶石。首先在MOCVD反應(yīng)室中將藍(lán)寶石襯底1加熱到120(TC，在H2下處理5min，然后溫度降 低到50(T60(TC生長(zhǎng)GaN成核層2，厚度約30nm:然后溫度升至1160°C， H2作載氣，以3. 0 微米/小時(shí)的生長(zhǎng)速率外延生長(zhǎng)4微米厚的GaN緩沖層，其中包括0. 5微米厚的非摻雜GaN層 3和3. 5微米厚的摻Si的n型GaN層4， Si的摻雜濃度在5X 10W至5X 1019cm—3之間。
然后將溫度降低到65(T750'C間，載氣切換為N2，在該緩沖層上生長(zhǎng)1至6個(gè)Ir^GanN/GaN 量子阱，其中，0〈x《0. 1，每層InxGahN阱層厚度為3nm，每層GaN壘層厚度為lOnm;接著 生長(zhǎng)1至6個(gè)InyGai，N/GaN量子阱，其中0. Ky《0. 2，每層InyGai—yN阱層厚度為3nm，每層 GaN壘層厚度為10nra;再生長(zhǎng)4至15個(gè)InzGa卜第aN量子阱，其中0. 2<z〈l，每層InzGa,-zN 阱層厚度為2. 3nm，每層GaN壘層厚度為10nm;在上述制造過程中，TEGa的摩爾流量為0.1X10—5 摩爾/分鐘至1.5Xl(T摩爾/分鐘，TMIn的摩爾流量為1X10—5摩爾/分鐘至10Xl(T摩爾/分鐘 之間，亂的流量為6升/分鐘至30升/分鐘。
最后，把溫度升高至100(TllOO。C， H2做載氣，生長(zhǎng)25咖厚的p型Al。.15Gao.85N和200nm
5厚的p型GaN層，Mg摻雜濃度在5X 10'9(^3至5X 102°cm—3之間。 實(shí)施例二
利用MOCVD設(shè)備外延生長(zhǎng)高亮度的高In組分多量子阱的LED,所用的襯底為(001)面的藍(lán) 寶石。首先在MOCVD反應(yīng)室中將藍(lán)寶石襯底1加熱到1200°C，在H2下處理5min，然后溫度降 低到50(T600'C生長(zhǎng)GaN成核層2，厚度約30nm;然后溫度升至1160°C， &作載氣，以3. 0 微米/小時(shí)的生長(zhǎng)速率外延生長(zhǎng)4微米厚的GaN緩沖層，其中包括0. 5微米厚的非故意摻雜GaN 層3和3. 5微米厚的摻Si的n型GaN緩沖層4， Si的摻雜濃度在5X10"cnf3至5X1019cm—3之 間。
然后將溫度降低到65(T85(TC間，載氣切換為N2，在該緩沖層上以80(TC生長(zhǎng)5個(gè) InxGai』/GaN量子阱，其中x = 0. 08，每層In,Ga,iN阱層厚度為3nm，每層GaN壘層厚度為 10nm;接著以750。C生長(zhǎng)4個(gè)InyGa卜yN/GaN量子阱，其中y二O. 15，每層In,Ga卜,麗阱層厚度 為3nm，每層GaN壘層厚度為10nm:再以720。C生長(zhǎng)5個(gè)In工ahN/GaN量子阱，其中z = 0. 25， 每層In,Ga,-，N阱層厚度為2. 3ntn，每層GaN壘層厚度為10nm;在上述生長(zhǎng)過程中，TEGa的摩 爾流量為0. 1X10—5摩爾/分鐘至1. 5X10—5摩爾/分鐘，TMIn的摩爾流量為5乂10—5摩爾/分鐘， 朋3的流量為6升/分鐘至30升/分鐘。
最后，把溫度升高至100(TllO(TC， &做載氣，生長(zhǎng)25nm厚的p型Al。.15Ga。.85N和200ran 厚的p型GaN層，Mg摻雜濃度在5X 1019cm—3至5 X 102°(^3之間。
請(qǐng)參閱圖2，在本實(shí)施例中的InGaN/GaN多量子阱有源層5的生長(zhǎng)過程中，組成第一量子 阱層5a的InxGa,—,N/GaN量子阱，組成第二量子阱層5b的In,Ga^,N/GaN量子阱，組成第三量 子阱層5c的IrizGa卜zN/GaN量子阱，具有生長(zhǎng)溫度階梯。InxGai—xN/GaN量子阱、InyGai-yN/GaN 量子阱及InzGai—zN/GaN量子阱的生長(zhǎng)溫度分別約為800°C、 750。C及720°C。
本發(fā)明通過在外延生長(zhǎng)發(fā)光層第三InGaN/GaN量子阱層5c前引入一組In組分在(TO. 1 之間的第一 InGaN/GaN量子阱層5a,及In組分在0.廣O. 2之間的第二 InGaN/GaN量子阱層 5b，在此基礎(chǔ)上外延出出高質(zhì)量的高In組分(In組分大于0. 2)的第三InGaN/GaN量子阱發(fā)光 層5c，其中第一 InGaN/GaN量子阱層5a可以釋放n型GaN層4和有源區(qū)5之間的應(yīng)力，第二 InGaN/GaN量子阱層5b的In組分比第三InGaN/GaN量子阱層5c中的要少很多，晶體質(zhì)量比 第三InGaN/GaN量子阱層5c好很多，能夠較好地改善電學(xué)性質(zhì)，第三InGaN/GaN量子阱層5c 為發(fā)光層。此發(fā)明的多量子阱結(jié)構(gòu)特別適應(yīng)于高In組分的多InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)的LED,可減少InGaN和GaN間的V型缺陷，提高發(fā)光效率。
經(jīng)測(cè)試，采用此發(fā)明的多量子阱結(jié)構(gòu)的LED, 300微米X300微米的520nm的LED芯片的 電致發(fā)光譜中是單峰，20mA下的亮度由200mcd升高至350mcd，芯片的正向工作電壓不變， 芯片的開啟電壓由2.0V提高至2.4V，芯片的抗靜電能力由人體模式1000V提高至人體模式 4000V。
以上實(shí)施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案。不脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修 改或局部替換，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1、一種高In組分多InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)的LED的制造方法，采用MOCVD方法，利用高純NH3做N源，三甲基鎵或三乙基鎵做鎵源，三甲基銦做銦源，三甲基鋁做鋁源，硅烷用作n型摻雜劑，二茂鎂用作p型摻雜劑，其特征在于，包括一下步驟步驟1、在MOCVD反應(yīng)室中加熱藍(lán)寶石襯底并用H2處理，然后降溫生長(zhǎng)GaN成核層，接著在高溫下生長(zhǎng)GaN緩沖層，所述GaN緩沖層包括非摻雜GaN層和摻Si的n型GaN層；步驟2、將溫度降低到650~850℃之間，載氣切換為N2，在所述緩沖層上生長(zhǎng)1至6個(gè)InxGa1-xN/GaN量子阱，其中，0<x≤0.1，每層InxGa1-xN阱層厚度為2-5nm；接著生長(zhǎng)1至6個(gè)InyGa1-yN/GaN量子阱，其中0.1<y≤0.2，每層InyGa1-yN阱層厚度為1.5-5nm；再生長(zhǎng)4至15個(gè)InzGa1-zN/GaN量子阱，其中0.2<z<1，每層InzGa1-zN阱層厚度為1-5nm；在上述制造過程中，TEGa的摩爾流量為0.1×10-5摩爾/分鐘至1.5×10-5摩爾/分鐘，TMIn的摩爾流量為1×10-5摩爾/分鐘至10×10-5摩爾/分鐘之間，NH3的流量為6升/分鐘至30升/分鐘；步驟3、在高溫下，以H2做載氣，在所述InzGa1-zN/GaN量子阱上順次生長(zhǎng)p型AlGaN層和p型GaN層。
2、 如權(quán)利要求1所述的高In組分多InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)的LED的制造方法，其特征 在于步驟2中，所述In^hN/GaN量子阱個(gè)數(shù)為5個(gè)，量子阱阱層厚度為3nm，壘層厚度 為10nm， x = 0. 08。
3、 如權(quán)利要求1所述的高In組分多InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)的LED的制造方法，其特征 在于步驟2中,所述IriyGa,-yN/GaN量子阱個(gè)數(shù)為4個(gè)，量子阱阱層厚度為3nm,壘層厚度 為lOnm， y = 0. 15。
4、 如權(quán)利要求l所述的高In組分多InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)的LED的制造方法，其特征 在于所述InzGa^N/GaN量子阱個(gè)數(shù)為5個(gè)，量子阱阱層厚度為2. 3nm，壘層厚度為10nm， z = 0. 25。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種高In組分多InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)的LED的制造方法，包括一下步驟步驟1.在MOCVD反應(yīng)室中加熱藍(lán)寶石襯底，然后降溫生長(zhǎng)GaN成核層，接著在高溫下生長(zhǎng)GaN緩沖層；步驟2.降低溫度，在所述緩沖層上生長(zhǎng)1至6個(gè)In<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>N/GaN量子阱，接著生長(zhǎng)1至6個(gè)In<sub>y</sub>Ga<sub>1-y</sub>N/GaN量子阱，再生長(zhǎng)4至15個(gè)In<sub>z</sub>Ga<sub>1-z</sub>N/GaN量子阱；步驟3.在高溫下，再順次生長(zhǎng)p型AlGaN層和p型GaN層。本發(fā)明提供的高In組分多InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)的LED能夠改善結(jié)晶質(zhì)量，較好地減少InGaN和GaN間的V型缺陷，提高LED的開啟電壓。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101488550SQ20091004684
公開日2009年7月22日 申請(qǐng)日期2009年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月27日
發(fā)明者周健華, 張國(guó)義, 潘堯波, 郝茂盛, 顏建鋒 申請(qǐng)人:上海藍(lán)光科技有限公司;彩虹集團(tuán)公司;北京大學(xué)