一種提高GaN基LED有源區(qū)發(fā)光效率的外延生長方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種新的外延生長方法來更好的減少量子阱區(qū)生長過程中的極化和缺陷,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量子阱壘層生長過程中晶格失配產(chǎn)生的應力極化,阻擋和減小量子阱生長過程中產(chǎn)生的位錯向進一步生長的結(jié)構(gòu)中擴張延生,提高電子空穴的復合效率;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,使得空穴和電子的有效復合區(qū)域增加,進一步提升了LED整體發(fā)光效率。
【專利說明】一種提高GaN基LED有源區(qū)發(fā)光效率的外延生長方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于光電器件材料制備和結(jié)構(gòu)設計【技術(shù)領域】,涉及一種新型的生長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體材料體系之一,它們特有的帶隙范圍,優(yōu)良的光、電學性質(zhì)和優(yōu)異的材料機械性質(zhì)使其在光學器件,電子器件以及特殊條件下的半導體器件等領域有著廣泛的應用前景。早在上世紀70年代,研究者們就對GaN基半導體材料進行了大量的研究,到了 20世紀90年代,GaN材料的研究在生長和P型摻雜方面都取得了巨大的突破,這使得對其研究也引起了更大的興趣,目前已成為國際上的一大熱門研究課題。LED已成為繼白熾燈、熒光燈和高強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半導體照明光源具有的優(yōu)點有:發(fā)光效率高、體積小、壽命長、節(jié)能、環(huán)保等。目前傳統(tǒng)的GaN基LED外延生長結(jié)構(gòu)過程為:
[0003](I)先在藍寶石襯底上低溫(通常500°C左右)生長一層低溫GaN緩沖層;
[0004](2)然后接著高溫下(通常1000°C左右)生長一層未摻雜的GaN ;
[0005](3)再接著高溫(通常1000°C左右)生長一層η型GaN層,摻雜材料一般為硅烷,提供LED復合發(fā)光所需要的電子;
[0006](4)然后接著高溫生長幾個周期的GaN/InGaN厚度分別為3nm和15nm左右的量子阱和量子壘作為LED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)的空穴在這個區(qū)域復合發(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)生長一層摻雜鎂的GaN層,這一層提供復合發(fā)光的空穴。
[0009](7)退火。
[0010]以上所稱的“高溫”、“低溫”在本領域是具有明確意義的技術(shù)術(shù)語。
[0011]目前LED外延生長過程中,由于兩種材料的晶格常數(shù)不同容易產(chǎn)生極化效應和造成生長缺陷,極化效應和生長缺陷會影響材料的光電性能,大大降低了 LED的發(fā)光效率。目前LED外延生長的有源層多采用幾個周期結(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材料中復合發(fā)光。由于GaN材料和InGaN材料晶格常數(shù)不同,所以兩個材料的生長界面會產(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,并且價格昂貴,現(xiàn)有方法都是在藍寶石或者硅襯底上生長,這樣也會由襯底生長開始的晶格適配產(chǎn)生應力和缺陷從而影響量子阱材料的生長質(zhì)量,同時由于現(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方法來更好的減少量子阱區(qū)生長過程中的極化和缺陷,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]該外延生長方法,包括如下步驟:
[0015](I)在藍寶石襯底上生長一層低溫GaN緩沖層;
[0016](2)生長一層高溫未摻雜的GaN ;
[0017](3)生長一層高溫摻雜娃燒的η型GaN層;
[0018](4)生長一層高溫摻雜娃燒的η型InGaN層;
[0019](5)依次生長多個周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu),作為LED的發(fā)光層;以1_2個周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)為一個單元,各單元的阱層(InGaN)厚度不變,壘層(GaN)厚度依次梯度減?。?br>
[0020]在各個單元依次生長的過程中,相鄰單元之間均插入生長有若干周期的小于2nm的超薄GaN/InGaN周期結(jié)構(gòu);
[0021](6)生長一層高溫摻雜鎂的P型AlGaN層;
[0022](7)生長一層高溫摻雜鎂的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,還進行生長一層高溫摻雜硅烷的η型InGaN層。生長的高溫摻雜硅烷的η型InGaN層厚度優(yōu)選30nm。
[0027]上述多個周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu),共有5_12個周期;相鄰單元之間插入生長2-5個周期的超薄層GaN/InGaN。
[0028]I個周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)即為一個單元,即每個周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)之間均生長2-5個周期的超薄層GaN/InGaN。
[0029]相應的,按照上述方法制得的GaN基LED外延片結(jié)構(gòu),主要包括依次生長的以下各層:
[0030]藍寶石襯底;
[0031]GaN 緩沖層;
[0032]未摻雜的GaN ;
[0033]摻雜硅烷的η型GaN層;
[0034]多個周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu),作為LED的發(fā)光層;以1_2個周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)為一個單元,各單元的阱層厚度不變,壘層厚度依次梯度減小;另夕卜,相鄰單元之間均插入生長有若干周期的小于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個周期;每個周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)之間均生長2_5個周期的超薄層GaN/InGaN。
[0040]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0041]本發(fā)明在生長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量子阱壘層生長過程中晶格失配產(chǎn)生的應力極化,阻擋和減小量子阱生長過程中產(chǎn)生的位錯向進一步生長的結(jié)構(gòu)中擴張延生,提高電子空穴的復合效率;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,使得空穴和電子的有效復合區(qū)域增加,進一步提升了 LED整體發(fā)光效率。
[0042]在高溫摻雜硅烷的η型GaN層與多個周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)之間,還生長一層高溫摻雜硅烷的η型InGaN層,可以更好地與有源區(qū)材料匹配。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0043]圖1為一般生長的外延整體結(jié)構(gòu)。
[0044]圖2為本發(fā)明中有源區(qū)量子阱壘新型生長詳細結(jié)構(gòu)(相當于圖1中GaN/InGaN量子阱壘的具體特殊結(jié)構(gòu))。
【具體實施方式】
[0045]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的闡述。
[0046]基本材料、工藝簡介:金屬有機化合物化學氣相沉淀(MOCVD)外延生長技術(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)設備先在藍寶石襯底上500°C左右生長一層低溫GaN緩沖層,然后接著在高溫下1000°c左右生長一層未摻雜的GaN,接著在1000°C左右生長一層摻雜硅烷的η型層,接著繼續(xù)生長一層摻硅烷的η型InGaN層,然后生長1_2個周期的GaN/InGaN量子阱壘結(jié)構(gòu),接著生長一層非常薄的同樣材料的GaN/InGaN若干周期,其GaN和InGaN層厚度遠遠小于前面生長的量子阱壘厚度,接著再生長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,然后接著生長一層非常薄的同樣材料的GaN/InGaN若干周期,再生長I~2個周期的GaN/InGaN量子阱壘結(jié)構(gòu),其壘層的厚度較前面兩個呈梯度減小。然后依次進行生長。生長完若干這種結(jié)構(gòu)后,再生長摻雜鎂的AlGaN層,最后生長一層摻雜鎂的GaN層。
[0048]該外延生長方法具體為:
[0049]1.將藍寶石襯底清洗處理后,放入MOCVD設備在1100°C烘烤10分鐘。
[0050]2.降溫到550°C生長一層厚度20nm的低溫GaN層,生長壓力為400torr。
[0051]3.升溫到1020°C生長一層高溫厚度I μ m的未摻雜GaN層,生長壓力為300torr.[0052]4.溫度1030°C生長一層高溫摻雜SiH4的I μ m的η型GaN層,壓力200torr.[0053]5.在溫度900°C生長一層高溫摻雜SiH4的η型InGaN層(優(yōu)選厚度30nm左右),壓力 200torr.[0054]6.在氮氣氛圍下,在400torr,850°C生長一層12nm GaN和750°C生長一層3nm的InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu),然后再生長2~5個周期的超薄GaN/InGaN小于2nm,然后接著上面條件重復生長一層GaN/InGaN阱壘,其中GaN壘層厚度減小,小于12nm.然后重復生長2~5個超薄層GaN/InGaN小于2nm,然后接著生長一層GaN/InGaN阱壘,壘層厚度較上一層繼續(xù)梯度減小……這樣重復生長5~12個周期。
[0055]7.溫度升至 950°C,150torr,生長一層 P 型 AlGaN 層,厚度 20nm.[0056]8.在 900°C,200torr 生長一層摻鎂 GaN 層,厚度 200nm.[0057]9.在氮氣氛圍下,退火20分鐘。
[0058]經(jīng)實驗對照分析:
[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射線衍射)測量的半高寬(FWHM) 002面和102面相比傳統(tǒng)方法所得外延材料的測量值分別減小了 10%和20%,說明材料的結(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]需要強調(diào)的是,以上實施例中給出了能夠達到最佳技術(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,不應視為對本發(fā)明權(quán)利要求保護范圍的限制。說明書中闡述了本發(fā)明技術(shù)改進的原理,本領域技術(shù)人員應當能夠認識到在基本方案下`對各具體參數(shù)做適度的調(diào)整仍然能夠基本實現(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)光效率的外延生長方法,其中包括如下步驟: (1)在藍寶石襯底上生長一層低溫GaN緩沖層; (2)生長一層高溫未摻雜的GaN; (3)生長一層高溫摻雜硅烷的η型GaN層; (4)依次生長多個周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu),作為LED的發(fā)光層;以1_2個周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)為一個單元,各單元的阱層厚度不變,壘層厚度依次梯度減?。? 在各個單元依次生長的過程中,相鄰單元之間均插入生長有若干周期的小于2nm的超薄GaN/InGaN周期結(jié)構(gòu); (5)生長一層高溫摻雜鎂的P型AlGaN層; (6)生長一層高溫摻雜鎂的GaN層; (7)退火。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外延生長方法,其特征在于:第一個周期的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所述的外延生長方法,其特征在于:在步驟(3)與步驟(4)之間,還進 行生長一層高溫摻雜硅烷的η型InGaN層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的外延生長方法,其特征在于:生長的高溫摻雜硅烷的η型InGaN層厚度為30nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的外延生長方法,其特征在于:所述多個周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu),共有5-12個周期;相鄰單元之間插入生長2-5個周期的超薄層GaN/InGaN。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的外延生長方法,其特征在于:1個周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)即為一個單元。
7.—種GaN基LED外延片結(jié)構(gòu),其特征在于,包括依次生長的以下各層: 藍寶石襯底; GaN緩沖層; 未摻雜的GaN ; 摻雜硅烷的η型GaN層; 多個周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu),作為LED的發(fā)光層;以1_2個周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)為一個單元,各單元的阱層厚度不變,壘層厚度依次梯度減??;另外,相鄰單元之間均插入生長有若干周期的小于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:所述多個周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu),共有5_12個周期;每個周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)之間均生長2-5個周期的超薄層`GaN/InGaN。
【文檔編號】H01L33/32GK103872194SQ201410106466
【公開日】2014年6月18日 申請日期: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 申請人:西安神光皓瑞光電科技有限公司