一種提高GaN基LED有源區(qū)發(fā)光效率的外延生長(zhǎng)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種新的外延生長(zhǎng)方法來(lái)更好的減少量子阱區(qū)生長(zhǎng)過(guò)程中的極化和缺陷，提升空穴電子注入效率，從而很大的提高了LED的發(fā)光效率。本發(fā)明在生長(zhǎng)GaN/InGaN量子阱壘層中間插入若干周期的相同材料的超薄GaN/InGaN周期結(jié)構(gòu)，能夠很好地釋放由于GaN/InGaN量子阱壘層生長(zhǎng)過(guò)程中晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力極化，阻擋和減小量子阱生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的位錯(cuò)向進(jìn)一步生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)中擴(kuò)張延生，提高電子空穴的復(fù)合效率；并且梯度減小的壘層使得靠近p摻雜層的空穴的注入效果增強(qiáng)，使得空穴和電子的有效復(fù)合區(qū)域增加，進(jìn)一步提升了LED整體發(fā)光效率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種提高GaN基LED有源區(qū)發(fā)光效率的外延生長(zhǎng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電器件材料制備和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種新型的生長(zhǎng)GaN基LED外延方法。
【背景技術(shù)】
[0002]以GaN為基本材料的III族氮化物(包括AIN、GaN, InN及其合金)是最重要的寬帶隙半導(dǎo)體材料體系之一，它們特有的帶隙范圍，優(yōu)良的光、電學(xué)性質(zhì)和優(yōu)異的材料機(jī)械性質(zhì)使其在光學(xué)器件，電子器件以及特殊條件下的半導(dǎo)體器件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。早在上世紀(jì)70年代，研究者們就對(duì)GaN基半導(dǎo)體材料進(jìn)行了大量的研究，到了 20世紀(jì)90年代，GaN材料的研究在生長(zhǎng)和P型摻雜方面都取得了巨大的突破，這使得對(duì)其研究也引起了更大的興趣，目前已成為國(guó)際上的一大熱門(mén)研究課題。LED已成為繼白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度氣體放電燈之后的第四代照明光源。與傳統(tǒng)的照明光源相比，LED半導(dǎo)體照明光源具有的優(yōu)點(diǎn)有:發(fā)光效率高、體積小、壽命長(zhǎng)、節(jié)能、環(huán)保等。目前傳統(tǒng)的GaN基LED外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)過(guò)程為:
[0003](I)先在藍(lán)寶石襯底上低溫(通常500°C左右)生長(zhǎng)一層低溫GaN緩沖層；
[0004](2)然后接著高溫下(通常1000°C左右)生長(zhǎng)一層未摻雜的GaN ；
[0005](3)再接著高溫(通常1000°C左右)生長(zhǎng)一層η型GaN層，摻雜材料一般為硅烷，提供LED復(fù)合發(fā)光所需要的電子；
[0006](4)然后接著高溫生長(zhǎng)幾個(gè)周期的GaN/InGaN厚度分別為3nm和15nm左右的量子阱和量子壘作為L(zhǎng)ED的發(fā)光層(通常GaN層850°C，InGaN層稍低750°C左右)，η摻雜區(qū)的電子和P摻雜區(qū)的空穴在這個(gè)區(qū)域復(fù)合發(fā)光，是GaN基LED外延的核心部分；
[0007](5)接著高溫(通常950°C左右)生長(zhǎng)摻雜鎂的AlGaN層，起到阻擋電子的作用；
[0008](6)最后高溫(通常900°C左右)生長(zhǎng)一層摻雜鎂的GaN層，這一層提供復(fù)合發(fā)光的空穴。
[0009](7)退火。
[0010]以上所稱(chēng)的“高溫”、“低溫”在本領(lǐng)域是具有明確意義的技術(shù)術(shù)語(yǔ)。
[0011]目前LED外延生長(zhǎng)過(guò)程中，由于兩種材料的晶格常數(shù)不同容易產(chǎn)生極化效應(yīng)和造成生長(zhǎng)缺陷，極化效應(yīng)和生長(zhǎng)缺陷會(huì)影響材料的光電性能，大大降低了 LED的發(fā)光效率。目前LED外延生長(zhǎng)的有源層多采用幾個(gè)周期結(jié)構(gòu)GaN/InGaN量子阱壘區(qū)，電子和空穴在能帶較窄的阱層InGaN材料中復(fù)合發(fā)光。由于GaN材料和InGaN材料晶格常數(shù)不同，所以?xún)蓚€(gè)材料的生長(zhǎng)界面會(huì)產(chǎn)生極化電荷和缺陷，造成電子和空穴波函數(shù)的空間分離和一些非復(fù)合發(fā)光中心的產(chǎn)生。降低了發(fā)光效率。并且由于GaN襯底不易制備，并且價(jià)格昂貴，現(xiàn)有方法都是在藍(lán)寶石或者硅襯底上生長(zhǎng)，這樣也會(huì)由襯底生長(zhǎng)開(kāi)始的晶格適配產(chǎn)生應(yīng)力和缺陷從而影響量子阱材料的生長(zhǎng)質(zhì)量，同時(shí)由于現(xiàn)有的量子阱結(jié)構(gòu)采用周期結(jié)構(gòu)相同厚度的壘成和阱層，對(duì)空穴和電子的注入效果產(chǎn)生影響，從而極大的降低了 LED的發(fā)光效率。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明提供了一種新的外延生長(zhǎng)方法來(lái)更好的減少量子阱區(qū)生長(zhǎng)過(guò)程中的極化和缺陷，提升空穴電子注入效率，從而很大的提高了 LED的發(fā)光效率。
[0013]本發(fā)明的基本方案如下:
[0014]該外延生長(zhǎng)方法，包括如下步驟:
[0015](I)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)一層低溫GaN緩沖層；
[0016](2)生長(zhǎng)一層高溫未摻雜的GaN ;
[0017](3)生長(zhǎng)一層高溫?fù)诫s娃燒的η型GaN層；
[0018](4)生長(zhǎng)一層高溫?fù)诫s娃燒的η型InGaN層；
[0019](5)依次生長(zhǎng)多個(gè)周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)，作為L(zhǎng)ED的發(fā)光層；以1_2個(gè)周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)為一個(gè)單元，各單元的阱層(InGaN)厚度不變，壘層(GaN)厚度依次梯度減??；
[0020]在各個(gè)單元依次生長(zhǎng)的過(guò)程中，相鄰單元之間均插入生長(zhǎng)有若干周期的小于2nm的超薄GaN/InGaN周期結(jié)構(gòu)；
[0021](6)生長(zhǎng)一層高溫?fù)诫s鎂的P型AlGaN層；
[0022](7)生長(zhǎng)一層高溫?fù)诫s鎂的GaN層；
[0023](8)退火。
[0024]基于上述基本方案，本發(fā)明還做如下優(yōu)化限定:
[0025]第一個(gè)周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)中，壘層為12nm，阱層為3nm。
[0026]在步驟(3)與步驟(4)之間，還進(jìn)行生長(zhǎng)一層高溫?fù)诫s硅烷的η型InGaN層。生長(zhǎng)的高溫?fù)诫s硅烷的η型InGaN層厚度優(yōu)選30nm。
[0027]上述多個(gè)周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)，共有5_12個(gè)周期；相鄰單元之間插入生長(zhǎng)2-5個(gè)周期的超薄層GaN/InGaN。
[0028]I個(gè)周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)即為一個(gè)單元，即每個(gè)周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)之間均生長(zhǎng)2-5個(gè)周期的超薄層GaN/InGaN。
[0029]相應(yīng)的，按照上述方法制得的GaN基LED外延片結(jié)構(gòu)，主要包括依次生長(zhǎng)的以下各層:
[0030]藍(lán)寶石襯底；
[0031]GaN 緩沖層；
[0032]未摻雜的GaN ；
[0033]摻雜硅烷的η型GaN層；
[0034]多個(gè)周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)，作為L(zhǎng)ED的發(fā)光層；以1_2個(gè)周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)為一個(gè)單元，各單元的阱層厚度不變，壘層厚度依次梯度減?。涣硐Σ?，相鄰單元之間均插入生長(zhǎng)有若干周期的小于2nm的超薄GaN/InGaN周期結(jié)構(gòu)；
[0035]摻雜鎂的P型AlGaN層；
[0036]摻雜鎂的GaN層。
[0037]在摻雜娃燒的η型GaN層與LED的發(fā)光層之間，最好還具有一層摻雜娃燒的η型InGaN 層。
[0038]LED的發(fā)光層中第一個(gè)周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)中，優(yōu)選參數(shù)為壘層為12nm,講層為3nm ;摻雜硅烷的η型InGaN層厚度為30nm。
[0039]上述多個(gè)周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)，優(yōu)選限定為共有5_12個(gè)周期；每個(gè)周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)之間均生長(zhǎng)2_5個(gè)周期的超薄層GaN/InGaN。
[0040]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0041]本發(fā)明在生長(zhǎng)GaN/InGaN量子阱壘層中間插入若干周期的相同材料的超薄GaN/InGaN周期結(jié)構(gòu)，能夠很好地釋放由于GaN/InGaN量子阱壘層生長(zhǎng)過(guò)程中晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力極化，阻擋和減小量子阱生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的位錯(cuò)向進(jìn)一步生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)中擴(kuò)張延生，提高電子空穴的復(fù)合效率；并且梯度減小的壘層使得靠近P摻雜層的空穴的注入效果增強(qiáng)，使得空穴和電子的有效復(fù)合區(qū)域增加，進(jìn)一步提升了 LED整體發(fā)光效率。
[0042]在高溫?fù)诫s硅烷的η型GaN層與多個(gè)周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)之間，還生長(zhǎng)一層高溫?fù)诫s硅烷的η型InGaN層，可以更好地與有源區(qū)材料匹配。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0043]圖1為一般生長(zhǎng)的外延整體結(jié)構(gòu)。
[0044]圖2為本發(fā)明中有源區(qū)量子阱壘新型生長(zhǎng)詳細(xì)結(jié)構(gòu)(相當(dāng)于圖1中GaN/InGaN量子阱壘的具體特殊結(jié)構(gòu))。
【具體實(shí)施方式】
[0045]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。
[0046]基本材料、工藝簡(jiǎn)介:金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀(MOCVD)外延生長(zhǎng)技術(shù)，采用三甲基鎵(TMGa)，三乙基鎵(TEGa)，和三甲基銦(TMIn),三甲基鋁(TMAl)和氨氣(NH3)硅烷(SiH4)和二茂鎂(cp2mg)分別提 供生長(zhǎng)所需要的鎵源，銦源，鋁源和氮源，其中硅烷和鎂源分別用于η層和P層的摻雜。
[0047]本發(fā)明用現(xiàn)有的MOCVD技術(shù)設(shè)備先在藍(lán)寶石襯底上500°C左右生長(zhǎng)一層低溫GaN緩沖層，然后接著在高溫下1000°c左右生長(zhǎng)一層未摻雜的GaN，接著在1000°C左右生長(zhǎng)一層摻雜硅烷的η型層，接著繼續(xù)生長(zhǎng)一層摻硅烷的η型InGaN層，然后生長(zhǎng)1_2個(gè)周期的GaN/InGaN量子阱壘結(jié)構(gòu)，接著生長(zhǎng)一層非常薄的同樣材料的GaN/InGaN若干周期，其GaN和InGaN層厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前面生長(zhǎng)的量子阱壘厚度，接著再生長(zhǎng)1_2周期的GaN/InGaN量子阱壘結(jié)構(gòu)，其壘層GaN的厚度較前面有所減小，然后接著生長(zhǎng)一層非常薄的同樣材料的GaN/InGaN若干周期，再生長(zhǎng)I~2個(gè)周期的GaN/InGaN量子阱壘結(jié)構(gòu)，其壘層的厚度較前面兩個(gè)呈梯度減小。然后依次進(jìn)行生長(zhǎng)。生長(zhǎng)完若干這種結(jié)構(gòu)后，再生長(zhǎng)摻雜鎂的AlGaN層，最后生長(zhǎng)一層摻雜鎂的GaN層。
[0048]該外延生長(zhǎng)方法具體為:
[0049]1.將藍(lán)寶石襯底清洗處理后，放入MOCVD設(shè)備在1100°C烘烤10分鐘。
[0050]2.降溫到550°C生長(zhǎng)一層厚度20nm的低溫GaN層，生長(zhǎng)壓力為400torr。
[0051]3.升溫到1020°C生長(zhǎng)一層高溫厚度I μ m的未摻雜GaN層，生長(zhǎng)壓力為300torr.[0052]4.溫度1030°C生長(zhǎng)一層高溫?fù)诫sSiH4的I μ m的η型GaN層，壓力200torr.[0053]5.在溫度900°C生長(zhǎng)一層高溫?fù)诫sSiH4的η型InGaN層(優(yōu)選厚度30nm左右)，壓力 200torr.[0054]6.在氮?dú)夥諊?，?00torr，850°C生長(zhǎng)一層12nm GaN和750°C生長(zhǎng)一層3nm的InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)，然后再生長(zhǎng)2~5個(gè)周期的超薄GaN/InGaN小于2nm，然后接著上面條件重復(fù)生長(zhǎng)一層GaN/InGaN阱壘，其中GaN壘層厚度減小，小于12nm.然后重復(fù)生長(zhǎng)2~5個(gè)超薄層GaN/InGaN小于2nm，然后接著生長(zhǎng)一層GaN/InGaN阱壘，壘層厚度較上一層繼續(xù)梯度減小……這樣重復(fù)生長(zhǎng)5~12個(gè)周期。
[0055]7.溫度升至 950°C，150torr，生長(zhǎng)一層 P 型 AlGaN 層，厚度 20nm.[0056]8.在 900°C，200torr 生長(zhǎng)一層摻鎂 GaN 層，厚度 200nm.[0057]9.在氮?dú)夥諊?，退?0分鐘。
[0058]經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)照分析:
[0059]一.本發(fā)明制得的外延材料的結(jié)晶質(zhì)量明顯提升:XRD(X射線(xiàn)衍射)測(cè)量的半高寬(FWHM) 002面和102面相比傳統(tǒng)方法所得外延材料的測(cè)量值分別減小了 10%和20%，說(shuō)明材料的結(jié)晶質(zhì)量提聞。
[0060]二.相比傳統(tǒng)方案，最終的LED芯片的發(fā)光功率提升了 20%_30%。
[0061]需要強(qiáng)調(diào)的是，以上實(shí)施例中給出了能夠達(dá)到最佳技術(shù)效果的具體參數(shù)，但這些溫度、厚度、壓力等具體參數(shù)大部分均是參照現(xiàn)有技術(shù)所做的常規(guī)選擇，不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求保護(hù)范圍的限制。說(shuō)明書(shū)中闡述了本發(fā)明技術(shù)改進(jìn)的原理，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)能夠認(rèn)識(shí)到在基本方案下`對(duì)各具體參數(shù)做適度的調(diào)整仍然能夠基本實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。
【權(quán)利要求】
1.一種提高GaN基LED有源區(qū)發(fā)光效率的外延生長(zhǎng)方法，其中包括如下步驟: (1)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)一層低溫GaN緩沖層； (2)生長(zhǎng)一層高溫未摻雜的GaN； (3)生長(zhǎng)一層高溫?fù)诫s硅烷的η型GaN層； (4)依次生長(zhǎng)多個(gè)周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)，作為L(zhǎng)ED的發(fā)光層；以1_2個(gè)周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)為一個(gè)單元，各單元的阱層厚度不變，壘層厚度依次梯度減小； 在各個(gè)單元依次生長(zhǎng)的過(guò)程中，相鄰單元之間均插入生長(zhǎng)有若干周期的小于2nm的超薄GaN/InGaN周期結(jié)構(gòu)； (5)生長(zhǎng)一層高溫?fù)诫s鎂的P型AlGaN層； (6)生長(zhǎng)一層高溫?fù)诫s鎂的GaN層； (7)退火。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外延生長(zhǎng)方法，其特征在于:第一個(gè)周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)中，壘層為12nm，阱層為3nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的外延生長(zhǎng)方法，其特征在于:在步驟(3)與步驟(4)之間，還進(jìn) 行生長(zhǎng)一層高溫?fù)诫s硅烷的η型InGaN層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的外延生長(zhǎng)方法，其特征在于:生長(zhǎng)的高溫?fù)诫s硅烷的η型InGaN層厚度為30nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的外延生長(zhǎng)方法，其特征在于:所述多個(gè)周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)，共有5-12個(gè)周期；相鄰單元之間插入生長(zhǎng)2-5個(gè)周期的超薄層GaN/InGaN。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的外延生長(zhǎng)方法，其特征在于:1個(gè)周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)即為一個(gè)單元。
7.—種GaN基LED外延片結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括依次生長(zhǎng)的以下各層: 藍(lán)寶石襯底； GaN緩沖層； 未摻雜的GaN ； 摻雜硅烷的η型GaN層； 多個(gè)周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)，作為L(zhǎng)ED的發(fā)光層；以1_2個(gè)周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)為一個(gè)單元，各單元的阱層厚度不變，壘層厚度依次梯度減小；另外，相鄰單元之間均插入生長(zhǎng)有若干周期的小于2nm的超薄GaN/InGaN周期結(jié)構(gòu)； 摻雜鎂的P型AlGaN層； 摻雜鎂的GaN層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的GaN基LED外延片結(jié)構(gòu)，其特征在于:在摻雜硅烷的η型GaN層與LED的發(fā)光層之間,還具有一層摻雜硅烷的η型InGaN層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的GaN基LED外延片結(jié)構(gòu),其特征在于:LED的發(fā)光層中第一個(gè)周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)中，壘層為12nm，阱層為3nm ;摻雜硅烷的η型InGaN層厚度為30nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的GaN基LED外延片結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述多個(gè)周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)，共有5_12個(gè)周期；每個(gè)周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)之間均生長(zhǎng)2-5個(gè)周期的超薄層`GaN/InGaN。
【文檔編號(hào)】H01L33/32GK103872194SQ201410106466
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】王曉波 申請(qǐng)人:西安神光皓瑞光電科技有限公司