专利名称：一种提高GaN基LED发光效率的外延方法
技术领域：
本发明涉及GaN基材料的外延生长，尤其涉及GaN基蓝绿光发光二极管的外延生长。
背景技术：
发光二极管(LED，Light Emitting Diode)具有长寿、节能、环保、可靠性高等优点，并且近年来，LED在大屏幕彩色显示、交通信号灯和照明等领域发挥了越来越重要的作用。但要在全彩屏显示和照明领域发挥更大的作用，LED的亮度还有待进一步的提升。目前绝大多数GaN基蓝绿光LED都是采用金属有机化合物气相沉积方法(M0CVD Metal-Organic Chemical Vapor D印osition)异质外延生长在蓝宝石(A1203)衬底上，但由于GaN和蓝宝石衬底间具有大的晶格常数和热膨胀系数失配，会在界面处产生强的应力作用以及大量的位错和缺陷，对于目前通用的蓝绿光LED外延结构，如图1所示，这些位错和缺陷会延伸至样品外延层表面，密度高达1X1019 /cm3，严重影响了材料的内量子效率。因此，采用特殊的外延方法降低GaN外延层中的应力和缺陷密度，提高量子阱区材料的晶体质量，是提高LED内量子效率的有效途径。
发明内容
本发明是通过采用特殊的外延生长方法降低量子阱前外延层中的应力和缺陷密度，以阻止其继续延伸至量子阱有源区，从而达到提高量子阱区材料的晶体质量，进而提升内量子效率的目的。本发明的技术方案为一种提高GaN基LED发光效率的外延生长方法，该芯片包括衬底以及依次层叠于衬底上的缓冲层、U-GaN层、η型GaN、η型电流扩展层、η型空间层、量子阱有源区、P型电子阻挡层、p-GaN、接触层，其特征在于在η型电流扩展层和 η型空间层之间先通入具有表面处理作用的气体进行表面处理，表面处理的时间为IOs 20min，具有表面处理作用的气体可以是SiH4、H2、CH4、NH3或CP2Mg，处理温度700°C 1100°C。然后再通过生长条件的控制将表面恢复平整，在η型电流扩展层与η型空间层之间形成表面处理层、η型表面恢复层。η型表面恢复层；先生长IOs IOmin的成核层；然后生长约3 500Α厚的掺Si的η GaN层。η型GaN空间层的厚度约1 lOOnm。之后再开始生长量子阱有源区。本发明的优点在于在生长完量子阱有源区前的η型InGaN电流扩展层后，通过通入具有表面处理作用的气体将从蓝宝石衬底和GaN界面延伸至该层的缺陷进行处理，以减少该层中的缺陷密度，另外缺陷减少的同时有利于外延层中应力的释放；虽然通过具有表面处理作用的气体处理的η型电流扩展层表面会呈现较小的不平整的坑现象，如图3所示，这可以通过控制外延生长条件有效的将样品表面恢复平整，即先生长成核层，然后再通过控制外延生长条件，增强二维生长模式，生长一层η型层将样品表面恢复平整；随后开始在低应力和低缺陷密度的η型GaN层上生长η型GaN空间层和量子阱有源区，从而降低应
3力和缺陷对量子阱有源区的影响，提高内量子效率。
图1是传统的GaN基蓝绿光LED外延结构；
图2是本发明的实施例的GaN基蓝绿光LED外延结构； 图3是SiH4气体处理后的η型电流扩展层截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。本实施例以GaN基蓝光LED外延生长为例，具体说明本发明的LED外延生长方法的步骤。以下生长过程均是采用MOCVD法在MOCVD反应腔中进行的。实施例一
1)将(0001)晶向的蓝宝石衬底200放置石墨盘上并送入反应腔中，加热至1060°C对蓝宝石衬底进行5min的热处理。2)降温至540°C生长约30 70nm厚的低温缓冲层201。3)升温至1020°C生长约100 300nm厚的成核层。4)升温至1080°C生长约Ium厚的不掺杂的GaN层202。5)生长约1. 7um厚的掺Si的η GaN层203。6)降温至850°C生长约40nm厚的掺Si的η型电流扩展层204。7)在700°C通入IOs的SiH4对η型电流扩展层的表面进行处理205。8)生长20s的成核层，生长压力为600Torr。9)生长约50A厚的掺Si的η GaN表面恢复层206，生长压力IOOTorr。10)生长约20nm厚的掺Si的η型GaN空间层207。11)生长不掺杂的6个周期hGaN/GaN量子阱有源层208。12)升温生长约30nm厚的掺Mg的ρ AlGaN电子阻挡层211。13)生长约150nm厚的掺Mg的ρ GaN层212。14)生长约5nm厚的接触层213。实施例二
15)将(0001)晶向的蓝宝石衬底放置石墨盘上并送入反应腔中，加热至1060°C对蓝宝石衬底进行5min的热处理。16)降温至540°C生长约30 70nm厚的低温缓冲层。17)升温至1020°C生长约100 300nm厚的成核层。18)升温至1080°C生长约Ium厚的不掺杂的GaN层。19)生长约1. 7um厚的掺Si的η GaN层。20)降温至850°C生长约40nm厚的掺Si的η型电流扩展层。21)升温至900°C通入IOmin的H2对η型电流扩展层表面进行处理。22)生长20s的成核层，生长压力为600Torr。23)生长约50A厚的掺Si的η GaN层，生长压力IOOTorr。24)生长约20nm厚的掺Si的η型GaN空间层。
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25)生长不掺杂的6个周期hGaN/GaN量子阱有源层。26)升温生长约30nm厚的掺Mg的ρ AlGaN电子阻挡层。27)生长约150nm厚的掺Mg的ρ GaN层。28 )生长约5nm厚的接触层。实施例三
29)将(0001)晶向的蓝宝石衬底放置石墨盘上并送入反应腔中，加热至1060°C对蓝宝石衬底进行5min的热处理。30)降温至540°C生长约30 70nm厚的低温缓冲层。31)升温至1020°C生长约100 300nm厚的成核层。32)升温至1080°C生长约Ium厚的不掺杂的GaN层。33)生长约1. 7um厚的掺Si的η GaN层。34)降温至850°C生长约40nm厚的掺Si的η型电流扩展层。35)升温至1100°C通入20min的CH4对η型电流扩展层的表面进行处理。36)生长20s的成核层，生长压力为600Torr。37)生长约50A厚的掺Si的η GaN表面恢复层，生长压力IOOTorr。38)生长约20nm厚的掺Si的η型GaN空间层。39)生长不掺杂的6个周期hGaN/GaN量子阱有源层。40)升温生长约30nm厚的掺Mg的ρ AlGaN电子阻挡层。41)生长约150nm厚的掺Mg的ρ GaN层。42 )生长约5nm厚的接触层。本发明的其它条件，同例可证，这里不再一一列举。
权利要求
1.一种提高GaN基LED发光效率的外延生长方法，该芯片包括衬底以及依次层叠于衬底上的缓冲层、U-GaN层、η型GaN、η型电流扩展层、η型空间层、量子阱有源区、ρ型电子阻挡层、p-GaN、接触层，其特征在于在η型电流扩展层和η型空间层之间先通入具有表面处理作用的气体进行表面处理，然后再通过生长条件的控制将表面恢复平整，在η型电流扩展层与η型空间层之间形成表面处理层、η型表面恢复层。
2.如权利要求1所述的提高GaN基LED发光效率的外延生长方法，其特征在于表面处理的时间为IOs 20min，处理温度700°C 1100°C。
3.如权利要求1或2所述的提高GaN基LED发光效率的外延生长方法，其特征在于 具有表面处理作用的气体可以是SiH4、H2、CH4、NH3或CP2Mg。
4.如权利要求1或4所述的提高GaN基LED发光效率的外延生长方法，其特征在于 η型表面恢复层；先生长IOs IOmin的成核层；然后生长约3 500Α厚的掺Si的η GaN 层。
5.如权利要求1所述的提高GaN基LED发光效率的外延生长方法，其特征在于η型GaN 空间层的厚度约1 lOOnm。
全文摘要
本发明公开了一种有效提高GaN基LED发光效率的外延生长方法，该方法是在传统的GaN基LED结构衬底上的缓冲层、uGaN层、nGaN、n型电流扩展层、n型空间层、量子阱有源区、p型电子阻挡层、p型GaN、接触层的基础上，在n型电流扩散层和n型空间层之间加入一步表面处理的程序，将从衬底和GaN界面延伸至电流扩散层的缺陷以及应力进行破坏和释放，之后再通过生长条件的控制将材料的表面恢复平整，然后再生长量子阱有源区。结果表明，和传统的生长技术相比，这样生长的量子阱受缺陷和应力的影响较小，能有效的提高样品的发光强度。本发明适用于蓝绿光波段的GaN基LED的外延生长。
文档编号C30B29/38GK102418146SQ20111033065
公开日2012年4月18日 申请日期2011年10月27日 优先权日2011年10月27日
发明者刘榕, 孙玉芹, 王江波, 魏世祯 申请人:华灿光电股份有限公司