專利名稱：一種氮化鎵基ⅲ-ⅴ族化合物半導(dǎo)體led外延片及其生長(zhǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LED領(lǐng)域，更具體地涉及一種氮化鎵基III-V族化合物半導(dǎo)體LED外 延片及其生長(zhǎng)方法。
背景技術(shù)：
高亮度發(fā)光二極管(LED)作為一種高效、環(huán)保、綠色新型固態(tài)照明光源，由于其具 有體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、可靠性高、以及使用電壓低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，正在迅速?gòu)V泛地得 到應(yīng)用。以GaN為基礎(chǔ)的高亮度發(fā)光二極管(LED)在生活中的應(yīng)用隨處可見，如交通信號(hào) 燈、手機(jī)背光源、戶外全彩顯示屏、城市景觀照明、汽車內(nèi)外燈、隧道燈等。隨著GaN基LED 亮度的不斷提高，LED的應(yīng)用范圍從傳統(tǒng)的小型發(fā)光產(chǎn)品逐步變化為家用照明產(chǎn)品。LED發(fā)出的光由于具有單色性，不需外加彩膜(濾光片)，而使其發(fā)光效率比常見 的需要加彩膜使用的白熾燈高出許多，正是由于LED的效率高、省電使其逐步取代白熾燈。 然而。目前白光LED的應(yīng)用并沒有被普及，這是因?yàn)榘坠釲ED的光效依然沒有得到良好的 利用。而提高外延片的發(fā)光效率最主要的方法是提高內(nèi)量子效率，目前，GaN基LED外延片 的理論內(nèi)量子效率為100 %，現(xiàn)有技術(shù)只能達(dá)到30 %左右，這限制了 LED光源應(yīng)用到更廣的 領(lǐng)域，也限制了 LED光源的普及。目前，以GaN為基的III-V族化合物半導(dǎo)體LED的外延生長(zhǎng)主要用有機(jī)化學(xué)金屬 氣相淀積法(MOCVD)來實(shí)現(xiàn)。結(jié)合圖1中GaN基LED外延片的結(jié)構(gòu)示意圖，進(jìn)一步闡述現(xiàn) 有技術(shù)中利用MCOVD生長(zhǎng)氮化物(GaN、AlN、InN等)的方法，該方法包括如下步驟以高純的H2或N2或氫氮混合氣體作為載氣，在壓力為76_780Torr，在 1000-1100°C高溫處理藍(lán)寶石襯底5-20分鐘；將溫度降至480-550°C，在藍(lán)寶石襯底1 ‘上生長(zhǎng)厚度為20-40nm的低溫緩沖氮化 鎵層2'；升高溫度至1000-1100°C，在低溫緩沖氮化鎵層2'上持續(xù)生長(zhǎng)1-2. 5 μ m的不摻 雜氮化鎵層3' (UGaN)；保持溫度，在不摻雜氮化鎵層3'上持續(xù)生長(zhǎng)2_4μπι的η型摻Si的氮化鎵層 4' (nGaN)；如圖1和圖2所示，升高溫度至Tl’，Tl’ = 700°C-800°c，在η型摻Si的氮化鎵 層4'上生長(zhǎng)摻銦的氮化鎵阱層51'，升高溫度至Τ3’，Τ3’ = 800°C-100(TC，在摻銦的氮 化鎵阱層51 ’上生長(zhǎng)不摻雜氮化鎵壘層53 ’，阱層與壘層組成一組量子阱壘，重復(fù)生長(zhǎng)多 組量子阱壘，形成有源層；在完成有源層的生長(zhǎng)后，將溫度升高到950-1050°C持續(xù)生長(zhǎng)20-80nm的ρ型鋁鎵 氮層6'；降低溫度至900-1000°C，在ρ型鋁鎵氮層6'上持續(xù)生長(zhǎng)0. 1-0. 5 μ m的摻鎂的ρ型氮化鎵層7'；降低溫度至600-700°C，在摻鎂的ρ型氮化鎵層7 ‘上生長(zhǎng)5-lOnm的低溫?fù)芥V銦
鎵氮層8'；降低溫度至600-750°C，在氮?dú)鈿夥障?，持續(xù)時(shí)間10_30分鐘，活化ρ型鋁鎵氮層。以GaN為基礎(chǔ)的III-V族化合物半導(dǎo)體LED相比傳統(tǒng)照明具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)， 但是目前LED要在照明領(lǐng)域上完全替代其他光源，還需要解決光效不理想，內(nèi)量子效率不 高，亮度偏低等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種發(fā)光效率較高的氮化鎵基III-V 族化合物半導(dǎo)體LED外延片。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種氮化鎵基LED外延片的生長(zhǎng)方法，其具有工藝簡(jiǎn) 單，效果顯著的特點(diǎn)。本發(fā)明是通過如下方案實(shí)施的一種氮化鎵基LED外延片，包括有源層，有源層由 一個(gè)或多個(gè)量子阱壘組成，量子阱壘自下而上依次包括阱層、第一壘層、第二壘層。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，上述阱層的生長(zhǎng)溫度為Tl，上述第一壘層的生長(zhǎng)溫度 為T2，上述第二壘層的生長(zhǎng)溫度為T3，其中，Tl < T2 < T3。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，上述T2滿足如下關(guān)系式T1+10°C< T2 ^ T1+100°C。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，上述T3滿足如下關(guān)系式T2+10°C< T3 ^ T2+100°C。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，上述T 1滿足如下關(guān)系式700°C< Tl < 800°C。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，上述第一壘層的生長(zhǎng)厚度為20-200nm。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，上述第二壘層的生長(zhǎng)厚度為20-200nm。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，上述有源層包括1-20組所述量子阱壘。同時(shí)，本發(fā)明還提供了一種氮化鎵基LED外延片的生長(zhǎng)方法，包括生長(zhǎng)有源層； 生長(zhǎng)有源層步驟包括將溫度調(diào)至Tl生長(zhǎng)阱層；將溫度調(diào)至T2，在阱層的上側(cè)生長(zhǎng)第一壘 層；將溫度調(diào)至T3，在第一壘層上生長(zhǎng)第二壘層，形成阱壘結(jié)構(gòu)；其中，所述Tl < T2 < T3。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，上述T2滿足如下關(guān)系式T1+10°C< T2 ( T1+100°C。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，上述T3滿足如下關(guān)系式T2+10°C< T3 ^ T2+100°C。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，上述T 1滿足如下關(guān)系式700°C< Tl < 800°C。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，上述阱層的生長(zhǎng)條件為在溫度Tl，壓力為 300-500mbar下，以N2作為載氣，N2的流量為40-70標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘，持續(xù)90-120秒，得到厚 度為10-50nm的阱層。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，上述第一壘層的生長(zhǎng)條件為在溫度T2下，壓力為 300-500mbar,以N2或H2或氫氮混合氣體作為載氣，載氣的流量為40-70標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘，得 到厚度為20-200nm的第一壘層。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，上述第一壘層的生長(zhǎng)條件為在溫度T3，壓力為 300-500mbar下，以N2或H2或氫氮混合氣體作為載氣，載氣的流量為40-70標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘， 得到厚度為20-200nm的第二壘層。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，依序進(jìn)行生長(zhǎng)阱層、第一壘層以及第二壘層的步驟，在有源層形成1-20個(gè)阱壘結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為本發(fā)明所提供的氮化鎵基LED外延片通過改變有源層的生長(zhǎng)方 法，減少在高低溫變化過程中引起的有源層內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而提高外延片內(nèi)量子效率和亮度。同 時(shí)，還提高了抗靜電能力，以及減小了外延片的藍(lán)移。根據(jù)本發(fā)明所提供的氮化鎵基LED外 延片的生長(zhǎng)方法具有步驟簡(jiǎn)單、容易操作，效果顯著的特點(diǎn)。除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。 下面將參照?qǐng)D，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。


附圖是構(gòu)成本說明書的一部分、用于進(jìn)一步理解本發(fā)明，附圖示出了本發(fā)明的優(yōu) 選實(shí)施例，并與說明書一起用來說明本發(fā)明的原理。圖中圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中GaN基LED外延片生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)中GaN基LED外延片生長(zhǎng)有源層機(jī)構(gòu)的時(shí)間與溫度關(guān)系曲 線.
一入 ，圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的GaN基LED外延片生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的GaN基LED外延片生長(zhǎng)有源層機(jī)構(gòu)的時(shí)間與溫度 關(guān)系曲線； 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的GaN基LED外延片與根據(jù)對(duì)比例的GaN基LED外 延片結(jié)構(gòu)的亮度曲線對(duì)比圖；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的GaN基LED外延片與根據(jù)對(duì)比例的GaN基LED外 延片結(jié)構(gòu)的抗靜電能力對(duì)比圖；以及圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的GaN基LED外延片與根據(jù)對(duì)比例的GaN基LED外 延片結(jié)構(gòu)的藍(lán)移對(duì)比圖。
具體實(shí)施例方式應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對(duì)本發(fā)明提供進(jìn)一步的說明。除非另 有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常 理解的相同含義。GaN基III-V族化合物半導(dǎo)體LED外延片的發(fā)光原理為在有源區(qū)上部的P型氮 化鎵層內(nèi)部含有大量的空穴，而有源區(qū)下部的η型氮化鎵層內(nèi)部含有大量的電子，在一定 條件下，P型氮化鎵內(nèi)部大量的空穴與η型氮化鎵的內(nèi)部大量的電子向有源區(qū)發(fā)生移動(dòng)，并 在有源區(qū)結(jié)合，向外輻射發(fā)光便形成了亮度。傳統(tǒng)的GaN基LED外延片在生長(zhǎng)有源層時(shí)，常 使用低溫阱，高溫壘的方式進(jìn)行生長(zhǎng)，這樣的生長(zhǎng)過程中，由于大幅度的溫度變化，會(huì)使得 與高溫壘層相鄰的阱層中各晶?；騺喚ЯＶg產(chǎn)生不均勻的變形而產(chǎn)生晶?；騺喚ЯＶ?間的內(nèi)應(yīng)力。這種內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生不但降低了晶格品質(zhì)，同時(shí)會(huì)引起壓電極化場(chǎng)而產(chǎn)生量子 限制斯塔克效應(yīng)(QCSE效應(yīng))，這會(huì)降低有源層內(nèi)電子與空穴的結(jié)合幾率，降低向外輻射的 效率，進(jìn)而降低LED的亮度。如圖2所示，在本發(fā)明的一種具體的實(shí)施方式中一種氮化鎵基LED外延片，其結(jié)構(gòu) 自下而上依次為襯底1、低溫氮化鎵緩沖層2、不摻雜氮化鎵層3、η型氮化鎵層4、有源層、P型鋁氮鎵層6、摻鎂ρ型氮化鎵層7、低溫?fù)芥V銦鎵氮層8，其中，有源層由一個(gè)或多個(gè)量子 阱壘組成，量子阱壘自下而上依次包括阱層51、第一壘層52、第二壘層53。在本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
中，有源層的各量子阱壘中阱層51的生長(zhǎng)溫度為 Tl，第一壘層52的生長(zhǎng)溫度為T2，第二壘層53的生長(zhǎng)溫度為T3，其中，Tl < T2 < T3。在有源層的生長(zhǎng)過程中，由于生長(zhǎng)溫度的不同，即使在同質(zhì)的氮化鎵單晶材料上 生長(zhǎng)氮化鎵也容易產(chǎn)生大量的位錯(cuò)，這些位錯(cuò)使晶?；騺喚ЯＶg產(chǎn)生不均勻的變形而產(chǎn) 生晶?；騺喚ЯＶg的內(nèi)應(yīng)力。然而，制備氮化鎵體單晶材料非常困難，到目前為止尚未有 行之有效的辦法。通常所使用的襯底并不是同質(zhì)的GaN襯底，導(dǎo)致在生成GaN的過程中，由 于晶格不適配，產(chǎn)生大量的位錯(cuò)，而增加晶?；騺喚ЯＶg的內(nèi)應(yīng)力，降低有源層內(nèi)電子與 空穴的結(jié)合幾率，降低了 LED的內(nèi)量子效應(yīng)。同時(shí)，由于第III族氮化物的壓電系數(shù)較大， 離子性也較強(qiáng)，使得所生長(zhǎng)的GaN晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定相纖鋅礦結(jié)構(gòu)的對(duì)稱度不高，即使在 沒有外界壓力作用下，也存在極化作用，LED中晶格生長(zhǎng)產(chǎn)生大量位錯(cuò)嚴(yán)重的情況下，更增 加了引起壓電極化場(chǎng)而產(chǎn)生量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE效應(yīng))的幾率，進(jìn)而降低有源層內(nèi) 電子與空穴的結(jié)合幾率，降低了 LED的內(nèi)量子效應(yīng)。如GaN和InN的晶格常數(shù)分別是3. 189 埃，3. 548埃，在InxGai_xN和GaN中InxGai_xN受到壓應(yīng)力，在生長(zhǎng)平面上的晶格受應(yīng)力而發(fā) 生應(yīng)變，會(huì)使在生長(zhǎng)方向上的晶格也發(fā)生應(yīng)變，因而在生長(zhǎng)方向上產(chǎn)生壓電極化效應(yīng)，造成 電子與空穴在空間上的分離，產(chǎn)生QCSE效應(yīng)。在本發(fā)明所提供的氮化鎵基III-V族化合物 半導(dǎo)體LED外延片生長(zhǎng)方法，通過在阱層51和高溫的第二壘層53之間增加一層低溫的第 一壘層52，有效減弱由于迅速升溫導(dǎo)致量子阱層和壘層界面的壓電極化效應(yīng)，使電子波函 數(shù)與空穴波函數(shù)在空間的交疊增強(qiáng)，減小應(yīng)變，減弱壓電極化效應(yīng)，進(jìn)而減弱QCSE效應(yīng)，增 加電子與空穴的復(fù)合幾率，提高內(nèi)量子效率，提高GaN基LED外延片的亮度。更為優(yōu)選地，生長(zhǎng)第一壘層52所采用的溫度滿足T1+10°C彡T2 ( T1+100°C。 第一壘層52的生長(zhǎng)溫度在此范圍內(nèi)，可有效減小與第一壘層52GaN晶體相鄰的阱層 51InGaN晶體中各晶?；騺喚ЯＶg產(chǎn)生不均勻的變形而導(dǎo)致的界面應(yīng)力，減小阱壘層 界面的壓電極化效應(yīng)，減弱QCSE效應(yīng)；T2溫度如果過高，增強(qiáng)阱層與壘層界面應(yīng)力，壓 電極化效應(yīng)變強(qiáng)，增強(qiáng)QCSE效應(yīng)。更為優(yōu)選地，生長(zhǎng)第二壘層53所采用的溫度滿足 T2+10°C彡T3彡T2+100°C。第二壘層生長(zhǎng)溫度在此范圍內(nèi)，可以生長(zhǎng)出高質(zhì)量的GaN壘層， 降低壘層的位錯(cuò)，提高內(nèi)量子效率。T3溫度如果過高，會(huì)改變阱層與第一壘層界面應(yīng)力，減 弱或消除第一壘層的作用，達(dá)不到提升GaN基LED外延片提高內(nèi)量子效率效果。更為優(yōu)選 地，生長(zhǎng)阱層所采用的溫度滿足700°C< Tl < 800°C。在本發(fā)明的一種具體的實(shí)施方式中一種氮化鎵基LED外延片第一壘層52的生長(zhǎng) 厚度為20-200nm。第二壘層53的生長(zhǎng)厚度為20_200nm。在本發(fā)明的一種具體的實(shí)施方式中一種氮化鎵基LED外延片，其有源層中包括 1-20組量子阱壘。多量子阱壘具有疊加效果，多量子阱壘層通過多個(gè)單量子阱壘層發(fā)光疊 加，可達(dá)到提升亮度的效果。同時(shí)，本發(fā)明所提供的氮化鎵基LED外延片還能夠提高外延片 的抗靜電能力，減少外延片的藍(lán)移。同時(shí)，在本發(fā)明的還提供了上述氮化鎵基LED外延片的生長(zhǎng)方法，包括生長(zhǎng)有源 層；生長(zhǎng)有源層的步驟包括將溫度調(diào)至Tl生長(zhǎng)阱層51 ；將溫度調(diào)至T2，在阱層51的上側(cè) 生長(zhǎng)第一壘層52 ；將溫度調(diào)至T3，在第一壘層52的上側(cè)生長(zhǎng)第二壘層53，其中，溫度滿足Tl < T2 < T3。優(yōu)選地，第一壘層52的生長(zhǎng)溫度滿足T1+10°C彡T2 ( T1+100°C。第二壘 層53的生長(zhǎng)溫度滿足T2+10°C彡T3彡T2+100°C。阱層51的生長(zhǎng)溫度滿足700°C< Tl < 800 °C。在本發(fā)明的一種具體的實(shí)施方式中，阱層51的生長(zhǎng)步驟為調(diào)節(jié)溫度至Tl， 以N2作為載氣，載氣的流量為40-70標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘，壓力為300-500mbar，通入流量為 0. 5X 10_4-1 X 10_4摩爾/分鐘的三甲基銦(TMIn)，流量為2. 1 X 10_5-2· 3 X IO"5的三乙基鎵 (TEGa)，持續(xù)90-120秒內(nèi)生長(zhǎng)10-50nm的摻銦氮化鎵阱層。在本發(fā)明的一種具體的實(shí)施方式中，第一壘層52的生長(zhǎng)步驟為將溫度升至 T2，以N2或H2或氫氮混合氣體作為載氣，載氣的流量為40-70標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘，壓力為 300-500mbar，通入流量為0. 9 X 1(Γ4_1. 2 X IO"4的TEGa，生長(zhǎng)20_200nm的不摻雜氮化鎵第
一壘層。在本發(fā)明的一種具體的實(shí)施方式中，第二壘層53的生長(zhǎng)步驟為將溫度升至 T3，以N2或H2或氫氮混合氣體作為載氣，載氣的流量為40-70標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘，壓力為 300-500mbar，通入流量為0. 9 X 1(Γ4_1. 2 X IO"4的TEGa，生長(zhǎng)20_200nm的不摻雜氮化鎵第
二壘層。在本發(fā)明的一種具體的實(shí)施方式中，有源層從下到上包括1-20組量子阱壘結(jié)構(gòu)。測(cè)試如下分別通過根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的步驟生長(zhǎng)以及對(duì)比例1中給出的方法生產(chǎn)氮 化鎵基LED外延片，并記錄結(jié)果，進(jìn)行對(duì)比。實(shí)施例1與對(duì)比例1僅是示意性的，用以說明 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的方法與對(duì)比例1的方法作出的氮化鎵基LED外延片的區(qū)別。實(shí)施例1 原料采用高純H2或高純N2或高純H2和高純N2的混合氣體作為載氣，高純NH3作 為N源，金屬有機(jī)源三甲基鎵(TMGa)、TEGa作為鎵源，TMIn作為銦源，N型摻雜劑為硅烷 (SiH4)，P型摻雜劑為二茂鎂(Cp2Mg)，P型鋁鎵氮層的鋁摻雜劑為三甲基鋁(TMAl)，襯底為 (0001)面藍(lán)寶石。器皿AixtronCruis I MOCVD 反應(yīng)室具體操作步驟如下1、高溫處理在MOCVD反應(yīng)室里，通入高純H2，將反應(yīng)室壓力降至150mbar，把0001 面藍(lán)寶石1加熱到1100°c，高溫處理5分鐘-20分鐘。2、氮化處理將溫度降至500°C，將流量為8標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘的NH3通入反應(yīng)室，維持 120秒，對(duì)藍(lán)寶石襯底1做氮化處理。3、生長(zhǎng)低溫緩沖氮化鎵層2 將溫度降至500°C，升高壓力為6001^￡11~，在H2氣氛 下，通入流量為8標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘的NH3,流量為3. 8 X 10_4摩爾/分鐘的TMGa，流量為80標(biāo) 準(zhǔn)升/分鐘的H2,在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)厚度為30納米的低溫緩沖氮化鎵層2。4、生長(zhǎng)不摻雜氮化鎵層3 將溫度升高至1060°C，降低壓力至300mbar，通入流量 為25標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘的NH3,流量為8 X 10_4摩爾/分鐘的TMGa，在低溫緩沖氮化鎵層2上持 續(xù)生長(zhǎng)1-2. 5微米的不摻雜UGaN層3。5、生長(zhǎng)η型摻硅氮化鎵層4 維持溫度與壓力不變，通入流量為25標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘 的NH3,流量為1 X 10_3摩爾/分鐘的TMGa，摻雜流量從5 X 10_7摩爾/分鐘之間漸進(jìn)變化的SiH4,在不摻雜UGaN層3上生長(zhǎng)厚度為2_4微米的η型摻硅氮化鎵層4 ；6、生長(zhǎng)有源層包括8組量子阱壘。每組量子阱壘包括阱層51、第一壘層52和第
二壘層53。生長(zhǎng)阱層51 將溫度降至740°C，升高壓力至400mbar，切換N2作為載氣，通入流量 為55標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘的N2,流量為8 X 10_5摩爾/分鐘的TMIn，流量為2. 3 X 10_5摩爾/分鐘 的TEGa，維持生長(zhǎng)100秒，在η型摻硅氮化鎵層上或者是在前一量子阱壘中第二壘層上生長(zhǎng) 厚度為20納米的阱層51 ；生長(zhǎng)第一壘層52，將溫度升高至800°C，壓力保持不變，通入流量為50標(biāo)準(zhǔn)升/分 鐘的N2,流量為IX 10_4摩爾/分鐘的TEGa，在阱層51上生長(zhǎng)厚度為50納米的不摻雜GaN 第一壘層52 ；生長(zhǎng)第二壘層53，將溫度升高到850°C，保持除溫度外的其他生長(zhǎng)條件不變，在第 一壘層52上生長(zhǎng)厚度為50納米不摻雜GaN第二壘層53。7、生長(zhǎng)ρ型鋁鎵氮層6，將溫度升高到1000°C，壓力降低至150mbar，切換H2/N2混 合氣作為載氣，通入流量為50標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘的H2/N2混合氣，其中H2 N2 = 2 1;通入流 量為40標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘的NH3,流量為1 X 10_4摩爾/分鐘的TMGa，流量為8 X 10_5摩爾/分 鐘的TMA1，流量為8X 10_7摩爾/分鐘的Cp2Mg,在有源層上生長(zhǎng)厚度為40納米的ρ型鋁鎵 氮層6。8、生長(zhǎng)摻鎂的ρ型GaN層7 將溫度降至950°C，將壓力升至250mbar，通入流量為 50標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘的H2/N2混合氣，其中H2 N2 = 2 1 ；通入流量為40標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘的 NH3,通入流量為2 X 10_4摩爾/分鐘的TMGa,流量為4. 5 X 10_6摩爾/分鐘的Cp2Mg,在ρ型 鋁鎵氮層上生長(zhǎng)厚度為200納米的摻鎂的ρ型GaN層7。9、生長(zhǎng)摻鎂InGaN層8 將溫度降到650°C，升高壓力至400mbar，切換N2作為載 氣，流量為60標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘，通入流量為40標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘的NH3,流量為1. 5 X ΙΟ"5摩爾/ 分鐘的TEGa,流量為2. 5 X 10_5摩爾/分鐘的TMIn,流量為2. 5 X 10_6摩爾/分鐘的Cp2Mg, 在摻鎂的P型GaN層7上生長(zhǎng)厚度為8nm的摻鎂InGaN層8。10、活化，最后將溫度降至680°C，壓力升至600mbar，通入流量為80標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘 的N2，對(duì)根據(jù)本發(fā)明所提供的外延片進(jìn)行活化，活化時(shí)間為30分鐘。對(duì)比例原料與實(shí)施例1相同。器皿與實(shí)施例1相同。方法步驟1-5、7_10與實(shí)施例1完全相同。步驟6如下6、生長(zhǎng)有源層包括8組量子阱壘。每組量子阱壘包括阱層51'、壘層53'。生長(zhǎng)阱層5Γ 將溫度降至740°C，升高壓力至400mbar，切換N2作為載氣，通入 流量為55標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘的N2,流量為8 X 10_5摩爾/分鐘的TMIn，流量為2. 3 X 10_5摩爾/ 分鐘的TEGa，維持生長(zhǎng)100秒，在η型摻硅氮化鎵層上或者是在前一量子阱壘中壘層上生長(zhǎng) 厚度為20納米的阱層51'；生長(zhǎng)壘層53 ‘，將溫度升高至850°C，壓力保持不變，通入流量為50標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘 的N2,流量為1X10_4摩爾/分鐘的TEGa，在阱層上生長(zhǎng)厚度為100納米的不摻雜GaN壘層53'。分別將根據(jù)本發(fā)明所提供的方法生長(zhǎng)的氮化鎵基LED外延片與根據(jù)對(duì)比例方法 生長(zhǎng)的氮化鎵基LED外延片進(jìn)行亮度、抗靜電能力以及外延片的藍(lán)移圖像進(jìn)行測(cè)試。一、亮度的測(cè)試測(cè)試方法為電流為20mA下，由外延片所制晶粒的亮度(毫坎德拉mcd)；測(cè)試的具體條件為電流為20mA，晶粒大小為300 μ mX 300 μ m，測(cè)試時(shí)間5ms，亮 度為發(fā)光的LED晶粒在正上方單位立體角內(nèi)所發(fā)射的光通量。如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例氮化鎵基LED外延片的生長(zhǎng)方法制備的氮化鎵基 LED外延片的亮度與根據(jù)對(duì)比例氮化鎵基LED外延片的生長(zhǎng)方法制備的氮化鎵基LED外延 片的亮度相比，在相同的波長(zhǎng)下，根據(jù)本發(fā)明氮化鎵基LED外延片的亮度明顯高于根據(jù)對(duì) 比例氮化鎵基LED外延片的亮度。由此可知，根據(jù)本發(fā)明所提供的氮化鎵基LED外延片的 生長(zhǎng)方法制備的氮化鎵基LED外延片能有效提高氮化鎵基LED外延片的亮度。二、抗靜電能力的測(cè)試測(cè)試方法為加逆向人體模式2000V在由外延片所制的晶粒上持續(xù)時(shí)間50mA之 后，再使用逆向8V的電壓測(cè)量其電流，如電流值小于1 μ A，判定此顆晶粒ESD (@2000V)通 過，如電流值大于或等于ΙμΑ，判定此顆晶粒ESD(@2000V)不通過，如此測(cè)試同一外延片 上100顆晶粒，計(jì)算其通過良率。測(cè)試的具體條件為晶粒大小為300 μ mX 300 μ m, ESD人體模式逆向2000V，持續(xù) 時(shí)間50mA，再測(cè)量在逆向電壓8V下的電流值。其中波長(zhǎng)藍(lán)移的測(cè)試方法為電流為5mA時(shí) 由外延片所制的晶粒主波長(zhǎng)減去電流為20mA時(shí)由外延片所制的晶粒主波長(zhǎng)的差值，測(cè)試 的具體條件為電流為20mA，晶粒大小為300 μ mX 300 μ m，測(cè)試時(shí)間5ms。如圖6所示，圖中A為根據(jù)對(duì)比例氮化鎵基LED外延片的生長(zhǎng)方法制備的氮化鎵 基LED外延片的ESD(@2000V)良率；圖中B為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例氮化鎵基LED外延片的生 長(zhǎng)方法制備的氮化鎵基LED外延片的ESD(@2000V)的良率。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例氮化鎵基 LED外延片的生長(zhǎng)方法制備的氮化鎵基LED外延片的ESD(@2000V)良率與根據(jù)對(duì)比例氮 化鎵基LED外延片的生長(zhǎng)方法制備的氮化鎵基LED外延片的ESD(@2000V)良率相比，本發(fā) 明氮化鎵基LED外延片的ESD(@2000V)良率明顯高于根據(jù)對(duì)比例氮化鎵基LED外延片的 ESD(i2000V)良率。由此可知，根據(jù)本發(fā)明所提供的氮化鎵基LED外延片的生長(zhǎng)方法制備的 氮化鎵基LED外延片能有效提高氮化鎵基LED外延片的ESD良率。三、外延片圖像藍(lán)移的測(cè)試測(cè)試方法在5mA電流下測(cè)試由外延片所制晶粒的主波長(zhǎng)WLD2減去在20mA電流 下同顆晶粒主波長(zhǎng)WLDl的差值。具體測(cè)試條件測(cè)試電流為20mA，晶粒大小為300 μ mX 300 μ m，測(cè)試時(shí)間5ms，所 得到的主波長(zhǎng)WLDl ；測(cè)試電流為5mA，同顆晶粒，測(cè)試時(shí)間5ms，所得到的主波長(zhǎng)WLD2，WLD2 減去WLDl的差值即為藍(lán)移。如圖7所示，圖中A為根據(jù)對(duì)比例氮化鎵基LED外延片的生長(zhǎng)方法制備的氮化鎵 基LED外延片的波長(zhǎng)藍(lán)移良率；圖中B為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例氮化鎵基LED外延片的生長(zhǎng)方 法制備的氮化鎵基LED外延片的波長(zhǎng)藍(lán)移良率。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例氮化鎵基III-V族化合 物半導(dǎo)體LED外延片的生長(zhǎng)方法制備的氮化鎵基LED外延片的波長(zhǎng)藍(lán)移與根據(jù)對(duì)比例氮化鎵基LED外延片的生長(zhǎng)方法制備的氮化鎵基LED外延片的波長(zhǎng)藍(lán)移良率相比，本發(fā)明氮化 鎵基LED外延片的波長(zhǎng)藍(lán)移明顯小于根據(jù)對(duì)比例氮化鎵基LED外延片的波長(zhǎng)藍(lán)移。由此可 知，根據(jù)本發(fā)明所提供的氮化鎵基LED外延片的生長(zhǎng)方法制備的氮化鎵基LED外延片能有 效減小氮化鎵基LED外延片的波長(zhǎng)藍(lán)移。根據(jù)本發(fā)明所提供的氮化鎵基III-V族化合物半導(dǎo)體LED外延片的生長(zhǎng)方法中有 源層的生長(zhǎng)方法，不僅可以應(yīng)用于氮化鎵基LED外延片的生長(zhǎng)過程中，只要是涉及這種通 過改變晶體生長(zhǎng)過程，以提高晶體的內(nèi)量子效應(yīng)，進(jìn)一步提高使用晶體制備LED的亮度，都 屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。此外，本發(fā)明也應(yīng)用于SiC、Si和LiAi02等襯底生長(zhǎng)GaN基III-V 族化合物半導(dǎo)體LED外延片藍(lán)綠光生長(zhǎng)，也都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。綜上所述，本發(fā)明所 提供的氮化鎵基LED外延片通過改變有源層的生長(zhǎng)方法，減少在高低溫變化過程中引起的 有源層內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而提高外延片內(nèi)量子效率和亮度，同時(shí)還提供了外延片的抗靜電能力以 及減小了波長(zhǎng)藍(lán)移。根據(jù)本發(fā)明所提供的氮化鎵基LED外延片的生長(zhǎng)方法具有步驟簡(jiǎn)單、 容易操作，效果明顯的特點(diǎn)。以上說明僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。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、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
1權(quán)利要求
一種氮化鎵基III V族化合物半導(dǎo)體LED外延片，包括有源層，其特征在于，所述有源層由一個(gè)或多個(gè)量子阱壘組成，所述量子阱壘自下而上依次包括阱層(51)、第一壘層(52)、第二壘層(53)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述阱層(51)的生長(zhǎng)溫度為Tl， 所述第一壘層(52)的生長(zhǎng)溫度為T2，所述第二壘層(53)的生長(zhǎng)溫度為T3，其中，Tl < T2 < T3。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的LED外延片，其特征在于，所述T2滿足如下關(guān)系式 T1+10°C^ T2 彡 T1+100°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的LED外延片，其特征在于，所述T3滿足如下關(guān)系式 T2+10°C^ T3 ^ T2+100°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的LED外延片，其特征在于，所述T1滿足如下關(guān)系式 7000C< Tl < 800°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的LED外延片，其特征在于，所述第一壘層(52)的生長(zhǎng)厚度為 20-200nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的LED外延片，其特征在于，所述第二壘層(53)的生長(zhǎng)厚 度為 20-200nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述有源層包括1-20組所述量子阱壘。
9.一種氮化鎵基III-V族化合物半導(dǎo)體LED外延片的生長(zhǎng)方法，包括 生長(zhǎng)有源層；其特征在于，生長(zhǎng)有源層的步驟包括 將溫度調(diào)至Tl生長(zhǎng)阱層(51)；將溫度調(diào)至T2，在所述阱層(51)的上側(cè)生長(zhǎng)第一壘層(52)；將溫度調(diào)至T3，在所述第一壘層(52)上生長(zhǎng)第二壘層(53)，形成量子阱壘結(jié)構(gòu)；其中，所述Tl < T2 < T3。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述T2滿足如下關(guān)系式 T1+10°C^ T2 彡 T1+100°C。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述T3滿足如下關(guān)系式 T2+10°C^ T3 ^ T2+100°C。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述Tl滿足如下關(guān)系式 7000C< Tl < 800°C。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述阱層(51)的生長(zhǎng)條件為在溫度 Tl，壓力為300-500mbar下，以N2作為載氣，載氣的流量為40-70標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘，持續(xù)90-120 秒，得到厚度為10-50nm的所述阱層(51)。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一壘層(52)的生長(zhǎng)條件為在溫 度T2下，壓力為300-500mbar，以N2或H2或氫氮混合氣體作為載氣，載氣的流量為40-70標(biāo) 準(zhǔn)升/分鐘，得到厚度為20-200nm的所述第一壘層(52)。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述第二壘層(53)的生長(zhǎng)條件為在溫 度T3，壓力為300-500mbar下，以N2或H2或氫氮混合氣體作為載氣，載氣的流量為40-70標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘，得到厚度為20-200nm的所述第二壘層(53)。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，依序進(jìn)行所述生長(zhǎng)阱層、第一壘層以及 第二壘層的步驟，在所述有源層形成1-20個(gè)所述量子阱壘結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氮化鎵基III-V族化合物半導(dǎo)體LED外延片，包括有源層，有源層由一個(gè)或多個(gè)量子阱壘組成，量子阱壘自下而上依次包括阱層、第一壘層、第二壘層。本發(fā)明所提供的氮化鎵基LED外延片通過改變有源層的生長(zhǎng)方法，減少在高低溫變化過程中引起的有源層中各晶粒間的內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而提高外延片內(nèi)量子效率和亮度。同時(shí)，在本發(fā)明中還提供了一種氮化鎵基LED外延片的生長(zhǎng)方法，該方法具有步驟簡(jiǎn)單、容易操作，效果明顯的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L33/04GK101980383SQ201010292838
公開日2011年2月23日 申請(qǐng)日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者何大慶, 季輝, 林振賢, 梁智勇, 艾建軍 申請(qǐng)人:湘能華磊光電股份有限公司