一種采用mocvd技術(shù)制備具有階梯式量子阱結(jié)構(gòu)近紫外led的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種采用MOCVD技術(shù)制備具有階梯式量子阱結(jié)構(gòu)的高亮度近紫外LED的方法。本發(fā)明為其峰值波長范圍在395-410nm高亮度近紫外LED，其外延結(jié)構(gòu)從下向上依次為：圖形化藍寶石襯底、低溫GaN成核層、高溫非摻雜GaN緩沖層、n型GaN層、n型Inx1Ga1-x1N/Aly1Ga1-y1N超晶格應(yīng)力釋放層、InxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN多量子阱有源層、p型Aly2Ga1-y2N/GaN超晶格電子阻擋層、高溫p型GaN層、p型InGaN接觸層；其中有源層多量子阱采用InxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN階梯式結(jié)構(gòu),其中InxGa1-xN阱層的厚度范圍在2-4nm；GaN應(yīng)力調(diào)控層厚度0.5-5nm；AlGaN壘層厚度為8-20nm；通過設(shè)計紫外光LED新型有源層結(jié)構(gòu)，可有效緩解量子阱受到的應(yīng)力，提高量子阱晶體質(zhì)量，以提高近紫外LED發(fā)光效率。
【專利說明】
一種采用MOCVD技術(shù)制備具有階梯式量子阱結(jié)構(gòu)近紫外LED的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及半導體光電子技術(shù)領(lǐng)域，一種近紫外發(fā)光二極管的制作方法，尤其涉及一種采用MOCVD(金屬有機化合物氣相外延)技術(shù)制備具有階梯式量子阱結(jié)構(gòu)的高亮度近紫外LED的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]紫外半導體光源主要應(yīng)用在生物醫(yī)療、防偽鑒定、凈化(水、空氣等)領(lǐng)域、計算機數(shù)據(jù)存儲和軍事等方面。隨著紫外光技術(shù)的進步，新的應(yīng)用會不斷出現(xiàn)以替代原有的技術(shù)和產(chǎn)品，紫外光LED有著廣闊的市場應(yīng)用前景。紫外光源將開發(fā)出通用照明、光鑷、植物生長、石油管道泄漏檢測、考古應(yīng)用、鑒別真假等方面用途。半導體紫外光源作為半導體照明后的又一重大產(chǎn)業(yè)方向，已經(jīng)引起了半導體光電行業(yè)的廣泛關(guān)注。美國、日本、韓國等無不投入巨大的力量以求占據(jù)行業(yè)的制高點。我國“十一五”國家863計劃新材料技術(shù)領(lǐng)域重大項目“半導體照明工程”課題“深紫外LED制備和應(yīng)用技術(shù)研究”經(jīng)過持續(xù)的研發(fā)，取得重要突破。在十五期間，北京大學曾承擔近紫外LED的國家863課題，研制出380?405nm近紫外LED在350mA下光功率達到llOmW。在^^一五、十二五期間進一步研究紫外LED，得到發(fā)光波長280?315nm紫外發(fā)射。此外，中科院半導體研究所、廈門大學、青島杰生等單位也正致力于紫外LED研究，300nm的紫外LED光功率已經(jīng)達到mW量級。與藍光不同，目前紫外LED正處于技術(shù)發(fā)展期，在專利和知識產(chǎn)權(quán)方面限制較少，利于占領(lǐng)、引領(lǐng)未來的技術(shù)制高點。國內(nèi)在紫外LED的裝備、材料和器件方面都有了一定的積累，目前正在積極的向應(yīng)用模塊發(fā)展。在UV-LED形成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)之前還需要國家的引導和支持以便在核心技術(shù)方面取得先機。
[0003]紫外LED技術(shù)面臨的首要問題是其光效低。波長365nm的紫外LED輸出功率僅為輸入功率的5% -8%。對于波長385nm以上的紫外LED光電轉(zhuǎn)化效率相對于短波長有明顯提高，但輸出功率只有輸入功率的15%。如何有效提高紫外LED的光效成為大家關(guān)注的焦點問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種采用MOCVD技術(shù)制備具有階梯式量子阱結(jié)構(gòu)的近紫外LED的方法。量子阱采用InxGa1 xN/GaN/AlyGai yN階梯式結(jié)構(gòu)。通過設(shè)計紫外光LED新型有源層結(jié)構(gòu)，可有效緩解量子阱受到的應(yīng)力，提高量子阱晶體質(zhì)量，以提高近紫外LED發(fā)光效率的方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:一種采用MOCVD技術(shù)制備具有階梯式量子阱結(jié)構(gòu)的高亮度近紫外LED的方法，其LED的峰值波長范圍在395-410nm，其LED外延結(jié)構(gòu)從下向上依次為:PSS(圖形化藍寶石)襯底、低溫GaN成核層、高溫非摻雜GaN緩沖層、η型GaN層、η型InxlGa1 xlN/AlylGai ylN超晶格應(yīng)力釋放層、InxGa1 xN/GaN/AlyGai yN多量子阱有源層、P型Aly2Ga1 y2N/GaN超晶格電子阻擋層、高溫p型GaN層、p型InGaN接觸層；其制備方法包括以下步驟:
[0006]步驟一，在MOCVD反應(yīng)室中，將PSS襯底在H2(氫氣)氣氛、1080-1100°C、反應(yīng)室壓力10torr下，處理5_10分鐘；然后降低溫度，在500_550°C、反應(yīng)室壓力500torr、H2氣氛下，以V/III摩爾比為500-1300，三維生長20-30納米厚的低溫GaN緩沖層；
[0007]步驟二，在1000-1100°C、反應(yīng)室壓力200-300torr、比氣氛下，以V/III摩爾比為1000-1300，生長2-3微米厚的高溫非摻雜GaN緩沖層；
[0008]步驟三，在1000-1100°C、反應(yīng)室壓力100-200torr、比氣氛下，以V/III摩爾比為1000-1300、Si摻雜濃度為1is-1O19Cm 3’生長2-4微米厚的η型GaN層；；
[0009]步驟四，在750-850°C、反應(yīng)室壓力300torr、N2 (氮氣)氣氛下，以V/III摩爾比為5000-10000,Si 摻雜濃度 1is-1O19Cm 3，生長 5-10 個周期的 η 型 InxlGa1 xlN/AlylGai ylN 超晶格應(yīng)力釋放層；其中應(yīng)力釋放層淺阱InxlGa1 xlN層的厚度為2_3nm，其In組分x/j、于有源層In組分X，即0.01 ^ X1^ X ^ 0.1 ;其中淺皇Al ^Ga1 ylN層厚度為2.5_5nm，其Al組分Y1小于有源層Al組分y，即0.01彡y A y彡0.1 ;
[0010]步驟五，在750-850 °C、反應(yīng)室壓力300torr、隊氣氛下，以V/III摩爾比為5000-10000，接著生長5-10周期InxGa1 xN/GaN/AlyGai #多量子阱有源層；其中InxGa1 XN阱層的厚度范圍在2-4nm，其In組分χ，0.05〈χ〈0.I ;其中GaN應(yīng)力調(diào)控層厚度0.5_5nm ;其中AlyGa1 yN 皇層厚度為 8-20nm，其 Al 組分 y，0<y ^ 0.1 ；
[0011]步驟六，在780-850°C、反應(yīng)室壓力100_300torr、隊氣氛下，以V/III摩爾比為5000-10000、Mg摻雜濃度為117-1OisCm 3，在有源區(qū)上，生長5-10個周期的P型Aly2Ga1 y2N/GaN超晶格電子阻擋層；其中GaN層厚度為2_3nm，p型Aly2Ga1 y2N的厚度為2_3nm，其Al組分y2大于有源區(qū)Al組分y，即0.01 < y < y2 < 0.1 ;
[0012]步驟七，在950-1050 °C、反應(yīng)室壓力10torr、H2氣氛下，以V/III摩爾比為2000-5000、Mg摻雜濃度為117-1OisCm 3，生長100_200nm厚的高溫P型GaN層；
[0013]步驟八，在650-750 °C、反應(yīng)室壓力300torr、比氣氛下，以V/III摩爾比為5000-10000、Mg摻雜濃度大于118Cm 3，生長2_3nm厚的p型InGaN接觸層。
[0014]通過優(yōu)化η型應(yīng)力釋放層改善近紫外LED電流擴展效果，進而有效提高近紫外LED的發(fā)光效率。
[0015]本發(fā)明一種采用MOCVD技術(shù)制備具有階梯式量子阱結(jié)構(gòu)的高亮度近紫外LED，其有源層多量子阱采用InxGa1 xN/GaN/AlyGai yN階梯式結(jié)構(gòu)，其中InxGa1 XN阱層的厚度范圍在2-4nm ;GaN應(yīng)力釋放層厚度0.5_5nm ;其中AlGaN皇層厚度為8_20nm ;可以有效緩解量子講受到的應(yīng)力，提尚量子講晶體質(zhì)量，從而有效地提尚近紫外LED發(fā)光效率。
[0016]本發(fā)明，在其LED外延片結(jié)構(gòu)生長過程中，以三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵、三甲基鋁、三甲基銦和氨氣分別作為Ga、Al、In和N源；以硅烷(SiH4)和二茂鎂(Cp2Mg)分別作為η型、P型摻雜劑。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明實施例一種采用MOCVD技術(shù)制備具有階梯式量子阱結(jié)構(gòu)的高亮度近紫外LED的豎直剖面視圖；其中101:PSS襯底102:低溫GaN成核層103高溫非摻雜GaN緩沖層 104:n 型 GaN 層 105:n 型 InxlGa1 xlN/AlylGai ylN 超晶格應(yīng)力釋放層 106 =InxGa1 xN/GaN/AlyGa1 yN多量子阱有源層107:p型Aly2Ga1 y2N/GaN超晶格電子阻擋層108:高溫p型GaN層109:p型InGaN接觸層；
[0018]圖2是本發(fā)明實施例技術(shù)方案制備的近紫外發(fā)光二極管光功率與峰值波長的關(guān)系曲線。
【具體實施方式】
[0019]本發(fā)明提供一種采用MOCVD技術(shù)制備具有階梯式量子阱結(jié)構(gòu)的近紫外LED的方法。通過設(shè)計新型的LED結(jié)構(gòu)，采用階梯式量子阱結(jié)構(gòu)。有效緩解量子阱受到的應(yīng)力，提高量子阱晶體質(zhì)量，以提高近紫外LED發(fā)光效率。圖1是本發(fā)明實施例，一種采用MOCVD技術(shù)制備具有階梯式量子阱結(jié)構(gòu)的近紫外LED的豎直剖面視圖。
[0020]如圖1所示，為本發(fā)明實施例，一種采用MOCVD技術(shù)制備具有階梯式量子阱結(jié)構(gòu)的高亮度近紫外LED的豎直剖面視圖。
[0021]使用Aixtron公司，緊耦合垂直反應(yīng)室MOCVD生長系統(tǒng)。生長過程中使用三甲基鎵(TMGa)，三甲基銦(TMIn)，三甲基鋁(TMAl)作為III族源，氨氣(NH3)作為V族源，硅烷(SiH4)作為η型摻雜源，二茂鎂(Cp2Mg)作為P型摻雜源，首先在MOCVD反應(yīng)室中將PSS襯底101加熱到1080-1100°C，在反應(yīng)室壓力為100torr、H2下處理5分鐘；然后降溫到530-550°C，反應(yīng)室壓力500torr，比氣氛下，以V/III摩爾比為500-1300，在PSS 3襯底101上，三維生長20-30納米后的GaN緩沖層102 ;在1000-1500°C、反應(yīng)室壓力200-300torr、H2氣氛下，以V/III摩爾比為1000-1300，生長2_4微米厚高溫非摻雜GaN層103 ;在1000-1500°C、反應(yīng)室壓力100-200torr、H2氣氛下，以V/III摩爾比為1000-1300、Si摻雜濃度為1is-1O19Cm 3，生長2-4微米厚的η型GaN層104 ;在750_850°C、反應(yīng)室壓力300torr、N2(氮氣)氣氛下，以V/III摩爾比為5000-10000、Si摻雜濃度118-1O19Cm 3,生長5-10個周期的η型InxlGa1 xlN/AlylGai ylN超晶格應(yīng)力釋放層105 ;其中應(yīng)力釋放層淺阱InxlGa1 xlN層的厚度為2-3nm，其In組分X1= 0.01，小于有源層In組分X，即0.01 < xx < 0.1 ;其中淺皇AlylGa1 ylN層厚度為2.5_5nm，其Al組分Y1= 0.05小于等于有源層Al組分y，即 0.01 ^ Y1^ y ^ 0.1 ;在 750-850 °C、反應(yīng)室壓力 300torr、N 2氣氛下，以 V/III 摩爾比為5000-10000，接著生長5-10周期InxGa1 xN/GaN/AlyGai yN多量子阱有源層106 ;其中InxGa1 XN阱層的厚度為2_4nm，其In組分x依次取值為0.06，0.07、0.08、0.09，分別對應(yīng)峰值波長為395nm、400nm、405nm、410nm ;其中GaN應(yīng)力調(diào)控層厚度為0.5_5nm ;其中AlyGa1 yN皇層厚度為8-20nm，其Al組分y取值為0.05 ;在780_850°C、反應(yīng)室壓力100-300torr、N2氣氛下，以V/III摩爾比為5000-10000、Mg摻雜濃度為1017_10lscm 3’在有源層上，生長5_10個周期P型Aly2Ga1 y2N/GaN超晶格電子阻擋層107 ;其中GaN層厚度為2_3nm，p型Aly2Ga1 y2N的厚度為2-3nm，其Al組分y2= 0.1,大于有源層Al組分y，即0.01 < y < y 0.1 ;在950-1050°C、反應(yīng)室壓力100切^，!12氣氛下，以￥/111摩爾比為2000_5000、Mg摻雜濃度為117-1O18Cm 3，生長 100-200nm厚的高溫p 型 GaN層 108 ;在 650_750°C、反應(yīng)室壓力 300torr、比氣氛下，以V/III摩爾比為5000-10000、Mg摻雜濃度為10 lscm 3，生長2_3nm厚的p型InGaN接觸層109。
[0022]外延生長結(jié)束后，將反應(yīng)室的溫度降至700_750°C，采用純氮氣氣氛進行退火處理5-20min，然后降至室溫，結(jié)束生長；外延結(jié)構(gòu)經(jīng)過清洗、沉積、光刻和刻蝕后制成單顆1mil X 8mi I小尺寸芯片。如圖2所示，為采用本發(fā)明中實施例技術(shù)方案制作的一系列近紫外光LED芯片在20mA的工作電流下光功率和峰值波長的關(guān)系曲線。光功率從6mW增加到16mff,隨著紫光LED峰值波長從395nm變化到410nm.
[0023]以上所述的實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想及特點，其描述較為具體和詳細，其目的在于使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，因此不能僅以此來限定本發(fā)明的專利范圍，但并不能因此而理解為對本發(fā)明范圍的限制。應(yīng)當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，即凡依據(jù)本發(fā)明所揭示的精神所作的變化，仍應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的專利范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種采用MOCVD技術(shù)制備具有階梯式量子阱結(jié)構(gòu)的高亮度近紫外LED的方法，其特征在于:所述LED為峰值波長范圍在395-410nm高亮度近紫外LED，其外延結(jié)構(gòu)從下向上依次為:PSS襯底(101)、低溫GaN成核層(102)、高溫非摻雜GaN緩沖層(103)、η型GaN層(104)、η 型 InxlGa1 xlN/AlylGai ylN 超晶格應(yīng)力釋放層(105)、InxGa1 xN/GaN/AlyGai yN 多量子阱有源層(106)、p型Aly2Ga1 y2N/GaN超晶格電子阻擋層(107)、高溫p型GaN層(108)、p型InGaN接觸層(109);其制備方法包括以下步驟: 步驟一，在MOCVD反應(yīng)室中，將PSS襯底(101)，在比(氫氣)氣氛、1080-1100°C、反應(yīng)室壓力10torr下，處理5_10分鐘；然后降低溫度，在500_550°C、反應(yīng)室壓力500torr、H2氣氛下，以V/III摩爾比為500-1300，三維生長20-30納米厚的低溫GaN緩沖層(102)；步驟二，在1000-1100 °C、反應(yīng)室壓力200-300torr、比氣氛下，以V/III摩爾比為1000-1300，生長2-3微米厚的高溫非摻雜GaN緩沖層(103)； 步驟三，在1000-1100 °C、反應(yīng)室壓力100-200torr、H2氣氛下，以V/III摩爾比為1000-1300、Si摻雜濃度為118-1O19Cm 3，生長2-4微米厚的η型GaN層(104)； 步驟四，在750-850 °C、反應(yīng)室壓力300torr、N2 (氮氣)氣氛下，以V/III摩爾比為5000-10000,Si 摻雜濃度 1is-1O19Cm 3，生長 5-10 個周期的 η 型 InxlGa1 xlN/AlylGai ylN 超晶格應(yīng)力釋放層(105);其中應(yīng)力釋放層淺阱InxlGalxlN層的厚度為2-3nm，其In組分X1小于有源區(qū)In組分X，即0.01彡X1S X彡0.1 ;其中淺皇Al ^Ga1 ylN層厚度為2.5_5nm，其Al組分Y1小于有源區(qū)Al組分y，即0.01彡y A y彡0.1 ; 步驟五，在750-850°C、反應(yīng)室壓力300切^隊氣氛下，以V/III摩爾比為5000-10000，接著生長5-10周期InxGa1 xN/GaN/AlyGai yN多量子阱有源層(106);其中InxGa1 XN阱層的厚度范圍在2-4nm，其In組分χ，0.05〈χ〈0.I ;其中GaN應(yīng)力釋放層厚度0.5_5nm ;其中AlyGa1 yN 皇層厚度為 8-20nm，其 Al 組分 y，0<y ^ 0.1 ； 步驟六，在780-850 °C、反應(yīng)室壓力100-300torr、隊氣氛下，以V/III摩爾比為5000-10000、Mg摻雜濃度117-1OisCm 3，在有源層上，生長5-10個周期的p型Aly2Ga1 y2N/GaN超晶格電子阻擋層(107);其中P型Aly2Ga1 y2N的厚度為2_3nm，其Al組分72大于有源區(qū)Al組分y，即0.01彡y彡y2彡0.1 ;其中GaN層厚度為2_3nm ； 步驟七，在950-1050°C、反應(yīng)室壓力100切^!12氣氛下，以V/III摩爾比為2000-5000、Mg摻雜濃度117-1O18Cm 3，生長100-200nm厚的高溫p型GaN層(108)。 步驟八，在650-750°C、反應(yīng)室壓力300切^!12氣氛下，以V/III摩爾比為5000-10000、Mg摻雜濃度大于118Cm 3，生長2-3nm厚的p型InGaN層(109)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用MOCVD技術(shù)制備具有階梯式量子阱結(jié)構(gòu)的高亮度近紫外LED的方法，其特征在于:所述InxGa1 xN/GaN/AlyGai yN多量子阱有源層(106)，采用階梯式結(jié)構(gòu)，其中InxGa1 XN阱層的厚度范圍在2_4nm ;GaN應(yīng)力釋放層厚度0.5_5nm ;AlGaN皇層厚度為8-20nm ;可以有效緩解量子阱受到的應(yīng)力，提高量子阱晶體質(zhì)量，從而有效地提高近紫外LED發(fā)光效率。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高近紫外光LED發(fā)光亮度的方法，其特征在于:所述LED外延片結(jié)構(gòu)生長過程中，以三甲基鎵(TMGa)，三乙基鎵、三甲基鋁、三甲基銦和氨氣分別作為Ga、Al、In和N源。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用MOCVD技術(shù)制備具有階梯式量子阱結(jié)構(gòu)的高亮度近紫外LED的方法，其特征在于:所述LED外延片結(jié)構(gòu)生長過程中，以硅烷(SiH4)和二茂鎂(Cp2Mg)分別作為η型、P型摻雜劑。
【文檔編號】H01L33/12GK106033787SQ201510116680
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月17日
【發(fā)明人】賈傳宇, 殷淑儀, 張國義
【申請人】東莞市中鎵半導體科技有限公司