专利名称：一种氮化镓基发光二极管多量子阱的生长方法
技术领域：
本发明公开了一种氮化镓(GaN)基发光二极管多量子阱的生长方法，该方法能使量子阱与垒均能在相对较高的温度下生长，从而获得晶体质量较高的氮化镓材料，以致于提高发光二极管的光电特性。
背景技术：
GaN基高亮度蓝色LED的发明使人类在20世纪90年代中期实现了超大屏幕的全彩显示，在21世纪初又为手机屏幕彩色化做出贡献。与此同时，GaN基高亮度蓝色LED的发明还为蓝色激光器的开发奠定了基础。接踵而来的便是取代白炽灯和荧光灯的新一代节能照明的巨大市场。目前蓝绿色LED仍采用氮化铟镓/氮化镓(InGaN/GaN)多量子阱结构为主。研究 ^GaN/GaN多量子阱的生长方法，优化量子阱的界面结构，减少量子阱的点缺陷，提升LED 的内量子效率仍然是目前产业界和学术界追求的目标。上海蓝光科技有限公司公开了一种发光二极管多量子阱的制作方法，在制作垒层的时候用氢气(H2)代替氮气(N2),并且在制作过程中保持温度不变。中科院物理所专利公开了一种GaN基多量子阱蓝光发光二极管的制作方法。该二极管的多量子阱结构包括ρ型掺杂的氮化铝镓(AWaN)层；η型掺杂的AWaN层；及在AlGaN层之间的由ρ型掺杂的GaN 层与不掺杂的InGaN层组成的N个量子阱；还包括在ρ型掺杂的AWaN层与N个量子阱之间的不掺杂的GaN隔离层及在η型掺杂的AWaN层与N个量子阱之间的不掺杂的GaN隔离层，通过合理调整GaN隔离层的厚度，可以有效地调整ρ-η结的位置，使之位于多量子阱区域，有效增强发光二极管的发光强度。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新的氮化镓基发光二极管多量子阱的生长方法。本发明的技术方案一种氮化镓基发光二极管多量子阱的生长方法，该发光二极管外延片结构从下向上的顺序依次为衬底，低温缓冲层，未掺杂的氮化镓高温缓冲层 U-GaN,氮化铝镓/氮化镓AlxGal-xN/GaN，0<x< 1超晶格结构，未掺杂的氮化镓高温缓冲层u-GaN，N型接触层，N型氮化镓导电层，发光层多量子阱结构MQW，P型氮化铝镓电子阻挡层，P型氮化镓导电层，P型接触层；N型氮化镓导电层生长结束之后，多量子阱的生长方法； 其生长方法如下反应腔内停止通入TMGa，降低生长温度，切换生长气氛为纯N2氛围，调整反应腔压力以及NH3的流量，待生长条件稳定15秒后，通入TMGa，TML·!，生长阱。阱生长结束后，反应腔升温，该变生长压力，切换生长气氛，继续通入TMGa，TMh，生长垒；垒生长结束后，反应腔降温，该变生长压力，切换生长气氛，继续通入TMGa，TM^i，生长阱；重复步骤 (2) (3)，如此循环，最后一次循环，完成步骤(2)后关闭TML·!，切换生长条件，准备P型层的生长；多量子阱生长过程中，化源不关闭；升温，变压力，切换生长气氛以及垒生长过程中， 反应腔继续通^源；如此富^气氛下，获得同样波长的发光二极管，量子阱与垒均能在相对较高的温度下生长，从而获得晶体质量高的氮化镓GaN材料，以致于提高发光二极管的光电特性。—种氮化镓基发光二极管多量子阱的生长方法，其量子阱的生长周期数为6 18。垒的生长气氛为N、H混合气，其混合比例为20 2 2 20。氮化镓基发光二极管多量子阱的生长方法，其量子阱的生长模式，可以是x+y模式，即，χ个垒为Si掺杂的，y个垒为未掺Si的。氮化镓基发光二极管多量子阱的生长方法，其量子阱的生长模式，可以是m+n+p+s 模式，即，m个垒为Si掺杂的，η个垒为未掺Si的，ρ个垒为Si掺杂的，s个垒为未掺Si的。该发光二极管外延片结构从下向上的顺序依次为衬底，低温缓冲层，未掺杂的氮化镓高温缓冲层U-GaN,氮化铝镓/氮化镓(AlxGEihN/GaN，。< χ < 1)超晶格结构，未掺杂的氮化镓高温缓冲层u-GaN，N型接触层，N型氮化镓导电层，发光层多量子阱(MQW)结构， P型氮化铝镓电子阻挡层，P型氮化镓导电层，P型接触层。其特征在于阱生长结束后，铟 (In)源不关闭；升温，变压力，切换生长气氛以及垒生长过程中，反应腔继续通h源。此种多量子阱的生长方法不同于传统的多量子阱生长方法，具体生长模式如图4所示。传统的多量子阱生长模式如图1，2，3所示。通常，获得晶体质量好的GaN材料需要较高的生长温度，而h的饱和蒸汽压极高，高温很容易分解，在典型的GaN外延生长温度下，In不能有效的掺入。而低温生长，GaN的晶体质量差，位错密度大，会导致发光二极管(LED)光电特性很差。本发明采用图4所示的生长模式，整个MQW生长过程中，h源不关闭，如此富化气氛下，InGaN生长过程中易发生的相分离被抑制，获得同样波长的发光二极管，量子阱与垒均能在相对较高的温度下生长，从而获得晶体质量较高的GaN材料。而且这种富In，高温生长环境下，量子阱中^的组分更容易出现空间涨落，形成很多的局域能量态，当电子和空穴注入InGaN有源层，被这些局域能量态捕获，具有较高束缚能的激子就在这些局域态处实现辐射复合。局域态的存在不仅有效避免了 QCSE(量子限制斯塔克效应)的影响，而且也大幅度降低了晶体中可能存在的缺陷的影响，因而可以大幅度提高LED发光二极管的发光效率。这种富In，高温生长环境下，量子阱中形成类似量子点结构纳米尺寸的富h区，对载流子起到三维限制作用，使载流子在发生辐射复合之前更难迁移到由于缺陷等引起的非辐射复合中心，从而大大提高辐射复合发光效率。量子点结构更能有效的提高LED发光二极管的内量子效率。本发明以高纯氢气(H2)或氮气(N2)作为载气，以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝 (TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为镓(Ga)、铝(Al)、铟(In)和氮(N)源，用硅烷(SiH4)、二茂镁(Cp2Mg)分别作为n、p型掺杂剂。高温，富^!环境下生长多量子阱(MQW)， 可以大幅降低材料中可能存在的缺陷，提高发光二极管(LED)的发光效率。
图1本发明一种氮化镓基发光二极管多量子阱的结构示意图；其中1为衬底、2为低温缓冲层、3为高温缓冲层、4为氮化铝镓/氮化镓(AlfiihN/GaN，。< χ < 1)超晶格周期结构插入层、5为高温缓冲层、6为N型接触层、7为N型氮化镓导电层、8为发光层多量子阱结构MQW、9为P型氮化铝镓电子阻挡层、10为P型氮化镓导电层、11为P型接触层。图2为公知的量子阱生长模式1，横轴time表示时间，TMIn表示三甲基铟，TMGa
4表示三甲基镓，“on”表示反应原材料进入反应腔反应，“off”表示反应原材料停止进入反应腔，“Growth GaN barrier”表示氮化镓垒层生长，Tg表示反应温度；图3为公知的量子阱生长模式2，横轴time表示时间，TMIn表示三甲基铟，TMGa 表示三甲基镓，“on”表示反应原材料进入反应腔反应，“off”表示反应原材料停止进入反应腔，“Growth GaN barrier”表示氮化镓垒层生长，Tg表示反应温度；图4为公知的量子阱生长模式3，横轴time表示时间，TMIn表示三甲基铟，TMGa 表示三甲基镓，“on”表示反应原材料进入反应腔反应，“off”表示反应原材料停止进入反应腔，“Growth GaN barrier”表示氮化镓垒层生长，Tg表示反应温度；图5为本发明一种发光二极管多量子阱生长方法，横轴time表示时间，TMh表示三甲基铟，TMGa表示三甲基镓，“ on ”表示反应原材料进入反应腔反应，“ of f ”表示反应原材料停止进入反应腔，“Growth GaN barrier”表示氮化镓垒层生长，Tg表示反应温度。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明做进一步的说明。实施例1(1)衬底1 首先将蓝宝石衬底在温度为1050°C，纯氢气气氛里进行退火，然后进行氮化处理；(2)低温缓冲层2 将温度下降到585°C，生长20nm厚的低温GaN成核层；(3)高温缓冲层3 低温缓冲层2生长结束后，停止通入TMGa，将衬底温度升高 1050°C，对低温缓冲层2在原位进行退火处理，退火时间为8分钟；退火之后，生长厚度为 0. 8 μ m的高温不掺杂的GaN ；0)0. 8μπι厚的高温不掺杂的GaN高温缓冲层3生长结束后，在纯氢气气氛中生长5个周期的氮化铝镓/氮化镓(Ala2Giia8NAiaN)超晶格结构4，超晶格结构4中氮化铝镓(Ala2G^8N)与氮化镓(GaN)的厚度相同，即阱垒等厚，均为3nm，反应腔的生长压力为 200Torr。(5) 5个周期的氮化铝镓/氮化镓(Ala2Giia8NAiaN)超晶格结构4生长结束后，调整生长条件同高温缓冲层3，继续生长厚度为0. 8 μ m的不掺杂的GaN高温缓冲层5。(6)不掺杂的GaN高温缓冲层5生长结束后，生长N型接触层6，厚度为2. 5 μ m。(7) N型接触层6生长结束后，生长厚度为IymWN型氮化镓导电层7。(8) N型氮化镓导电层7生长结束后生长发光层多量子阱结构MQW 8 发光层8由 6个周期的Ina3Giia7NZGaN多量子阱组成。阱垒的厚度分别为2. 5nm和15nm，垒的生长气氛为N2 H2 = 19 3，前两个barrier掺杂Si，后4个不掺杂。(9)发光层多量子阱结构MQW 8生长结束后，生长厚度为SOnm的P型氮化铝镓 (AlGaN)电子阻挡层9。(10)电子阻挡层9生长结束后，生长P型氮化镓导电层10，厚度为0.2μπι。(Il)P型氮化镓导电层10生长结束后，生长P型接触层11，P型掺杂浓度为 1 X IO2Vcm3,生长厚度为15nm。所有外延工艺生长结束后，将反应腔的温度降至800°C，纯氮气氛围进行退火处理 lOmin，然后降至室温，结束外延工艺生长。
实施例1，经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制程后，分割成尺寸大小为IlXllmil的LED芯片。经LED芯片测试，测试电流20mA，单颗小芯片光输出功率为
11.5mW，工作电压3. 20V，可抗静电人体模式6000V。而传统的外延生长方式，相同芯片制程的单颗小芯片光的输出功率仅为10. 5mW，工作电压3. 25V，可抗静电人体模式4000V。实施例2实施例2外延工艺与实施例1的不同之处在于MQW多量子阱的生长周期为12，为 3+9模式，即前3个barrier掺杂Si，后9个不掺杂。经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制程后，分割成尺寸大小为IlXllmil的LED芯片。经LED芯片测试，测试电流 20mA，单颗小芯片光输出功率为12. 2mW，工作电压3. 20V，可抗静电人体模式6000V。实施例3实施例3外延工艺与实施例1的不同之处在于MQW多量子阱的生长周期为18，为 2+4+2+10模式，即交替掺杂模式，先生长2个barrier掺杂Si的MQW，然后生长4个不掺杂的MQW，再生长2个barrier掺杂Si的MQW，然后生长10个不掺杂的MQW，。经过清洗、 沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制程后，分割成尺寸大小为IlXllmil的LED芯片。经 LED芯片测试，测试电流20mA，单颗小芯片光输出功率为13. 5mW，工作电压3. 3V，可抗静电 人体模式4000V。实施例4实施例4外延工艺与实施例1的不同之处在于MQW多量子阱中垒的生长气氛为 N2 H2 = 20 2经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制程后，分割成尺寸大小为IlXllmil的LED芯片。经LED芯片测试，测试电流20mA，单颗小芯片光输出功率为 11.3mW，工作电压3. 18V，可抗静电人体模式6000V。实施例5实施例5外延工艺与实施例1的不同之处在于MQW多量子阱中垒的生长气氛为 N2 H2 = 2 20经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制程后，分割成尺寸大小为11 X 1 Imi 1的LED芯片。经LED芯片测试，测试电流20mA，单颗小芯片光输出功率为13mW， 工作电压3. 4V，可抗静电人体模式5000V。实施例6实施例6外延工艺与实施例1的不同之处在于MQW多量子阱中垒的生长气氛为 N2 H2 = 13 9经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制程后，分割成尺寸大小为IlXllmil的LED芯片。经LED芯片测试，测试电流20mA，单颗小芯片光输出功率为
12.5mff,工作电压3. :35V，可抗静电人体模式6000V。超晶格结构即先生长一层氮化铝镓薄膜，该层材料上再生长一层氮化镓薄膜，然
后再生长一层氮化铝镓薄膜，一层氮化镓薄膜......如此循环，其周期数目介于2 20之
间。该超晶格周期结构的开始层与结束层材料可以是氮化铝镓薄膜，也可以是氮化镓薄膜。
权利要求
1.一种氮化镓基发光二极管多量子阱的生长方法，该发光二极管外延片结构从下向上的顺序依次为衬底，低温缓冲层，未掺杂的氮化镓高温缓冲层u-GaN，氮化铝镓/氮化镓 AlxGai_xN/GaN, 0 < χ < 1超晶格结构，未掺杂的氮化镓高温缓冲层u_GaN，N型接触层，N型氮化镓导电层，发光层多量子阱结构MQW，P型氮化铝镓电子阻挡层，P型氮化镓导电层，P型接触层；其特征在于N型氮化镓导电层生长结束之后，多量子阱的生长方法；其生长方法如下(1)反应腔内停止通入TMGa，降低生长温度，切换生长气氛为纯N2氛围，调整反应腔压力以及NH3的流量，待生长条件稳定15秒后，通入TMGa，TMIn,生长阱；(2)阱生长结束后，反应腔升温，该变生长压力，切换生长气氛，继续通入TMGa，TMIn, 生长垒；(3)垒生长结束后，反应腔降温，该变生长压力，切换生长气氛，继续通入TMGa，TMIn, 生长阱；(4)重复步骤(2)(3)，如此循环，最后一次循环，完成步骤(2)后关闭TM^i，切换生长条件，准备P型层的生长；多量子阱生长过程中，化源不关闭；升温，变压力，切换生长气氛以及垒生长过程中， 反应腔继续通^源；如此富^气氛下，获得同样波长的发光二极管，量子阱与垒均能在相对较高的温度下生长，从而获得晶体质量高的氮化镓GaN材料，以致于提高发光二极管的光电特性。
2.如权利要求1所述氮化镓基发光二极管多量子阱的生长方法，其特征在于量子阱的生长周期数为6 18。
3.如权利要求1所述，一种氮化镓基发光二极管多量子阱的生长方法，其特征在于垒的生长气氛为N、H混合气，其混合比例为20 2 2 20。
4.如权利要求1所述，一种氮化镓基发光二极管多量子阱的生长方法，其特征在于量子阱的生长模式，可以是x+y模式，即，χ个垒为Si掺杂的，y个垒为未掺Si的。
5.如权利要求1所述，一种氮化镓基发光二极管多量子阱的生长方法，其特征在于量子阱的生长模式，可以是m+n+p+s模式，即，m个垒为Si掺杂的，η个垒为未掺Si的，ρ个垒为Si掺杂的，s个垒为未掺Si的。
全文摘要
本发明公开了一种氮化镓基发光二极管多量子阱的生长方法，该发光二极管外延片结构从下向上的顺序依次为衬底，低温缓冲层，未掺杂的氮化镓高温缓冲层u-GaN，氮化铝镓/氮化镓超晶格结构，未掺杂的氮化镓高温缓冲层，N型接触层，N型氮化镓导电层，发光层多量子阱结构MQW，P型氮化铝镓电子阻挡层，P型氮化镓导电层，P型接触层。多量子阱的生长方法不同于传统的多量子阱生长方法，阱生长结束后，In源不关闭；升温，变压力，切换生长气氛以及垒生长过程中，反应腔继续通In源。如此富In气氛下，获得同样波长的发光二极管，量子阱与垒均能在相对较高的温度下生长，从而获得晶体质量较高的GaN材料，以致于提高发光二极管的光电特性。
文档编号H01L33/00GK102280542SQ20111025869
公开日2011年12月14日 申请日期2011年9月2日 优先权日2011年9月2日
发明者刘华明, 刘玉萍, 魏世祯 申请人:华灿光电股份有限公司