专利名称：一种改善GaN基LED量子阱结构提高载子复合效率的外延生长方法
技术领域：
本发明属于氮化镓系材料制备技术领域，特别涉及一种改善GaN基LED量子阱结构提高载子复合效率的外延生长方法。
背景技术：
GaN基材料是离子晶体，由于正负电荷不重合，形成自发极化；另外由于InGaN和GaN材料之间的晶格适配，又会引起压电极化，进而形成压电极化场。极化场的存在，一方面使得量子阱的等效禁带宽度减小，发光波长红移；令一方面电子和空穴波函数的交叠会减小，降低其辐射复合几率。影响量子阱发光效率的另外一个原因N区注入的电子有很大的载流子迁移率和浓度，在大电流的驱动下会越过量子阱区和P区的空穴复合，引起非辐射 复合，使得发光效率的降低，而空穴的有效质量较大，其迁移率和载流子浓度都较低，远离P区的空穴分布很少，整个阱区空穴分布很不均匀，造成辐射复合几率下降。对于电子浓度的优化，目前主要使用了电子扩展层，电子阻挡层以及电荷非对称共振隧穿结构等方法，在空穴的分布上使用了厚度较小的最后一层垒等方法。上述方法一定程度上提高了量子阱的辐射复合效率，但效果有限。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺点和不足，本发明提供了一种改善GaN基LED量子阱结构提高载子复合效率的外延生长方法，本发明能够获得高质量、高载子复合效率的量子阱结构氮化镓基材料，从而获得高发光强度的氮化镓系发光二极管。本发明通过以下技术方案实现
一种改善GaN基LED量子阱结构提高载子复合效率的外延生长方法，包括以下步骤步骤一，将衬底I在氢气气氛里进行退火1-10分钟，清洁所述衬底I表面，温度控制在1050-1080°C之间，然后进行氮化处理；
步骤二，将温度下降到450°C _650°C之间，生长15-35nm厚的低温GaN缓冲层2，生长压力控制在4000-760 Torr之间，V / III摩尔比在500-3200之间；
步骤三，所述低温GaN缓冲层2生长结束后，对其原位进行热退火处理，停止通入TMGa，将所述衬底I的温度升高至950-1200°C之间，退火时间在5min至IOmin之间，退火之后，将温度调节至1000-1200°C之间，生长厚度为O.间的未掺杂的高温GaN缓冲层3，生
长压力在100Torr-600 Torr之间，V / III摩尔比在300-3300之间；
步骤四，所述未掺杂的高温GaN缓冲层3生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的Si掺杂的N型GaN层4，厚度在1.0-5. OMm之间，生长温度在1000°C -1200°C之间，生长压力在50-550 Torr 之间，V / III摩尔比在 300-3300 之间；
步骤五，所述Si掺杂的N型GaN层4生长结束后，生长低温浅量子阱5，所述浅量子阱5由5-15个周期的InxGagN(O. 04<x<0. 4)/GaN多量子阱组成，所述浅量子阱5的厚度在3nm-5nm之间，生长温度在720°C _920°C之间，压力在100Torr-600 Torr之间，V / III摩尔比在300-5000之间；
步骤六，所述浅量子阱5生长结束后，开始生长低温多量子阱发光层6，所述多量子阱发光层6由3-15个周期的InyGahNOKyUVGaN多量子阱组成，所述多量子阱的生长方式是类梯形形式，所述多量子阱中In的摩尔组分含量在10%-50%之间保持不变，所述多量子阱的厚度在2nm-5nm之间，生长温度在720 V -820 V之间，生长压力在200Torr_500 Torr之间，V /III摩尔比在400-5300之间；垒层分三部分进行生长，按先后顺序依次为量子垒6a、量子鱼6b和量子鱼6c,且所述量子鱼6a和量子鱼6b均米用MO源渐进式方式生长，所有量子垒的的生长温度在820-920°C之间，压力在200Torr-500 Torr之间，V /III摩尔比在400-5300 之间；
步骤七，所述多量子阱发光层6生长结束后，生长厚度IOnm-IOOnm之间的低温P型GaN层7，生长温度在500°C _800°C之间，生长时间在5分钟-20分钟之间，压力在100Torr_500Torr之间，V /III摩尔比在300-5300之间，在所述生长低温P型GaN层7的过程中，以N2 作为载气，并掺杂介质二茂镁；
步骤八，所述低温P型GaN层7生长结束后，将温度升至90(TC-ll(KrC之间，生长厚度IOnm-IOOnm之间的P型AlGaN电子阻挡层8，生长压力在50Torr_400 Torr之间，生长时间在5-15分钟之间，V /III摩尔比在1000-20000之间，所述P型AlGaN电子阻挡层8中的Al的摩尔组分含量控制在15%-40%之间，所述P型AlGaN电子阻挡层8的禁带宽度大于最后一个垒的禁带宽度，所述P型AlGaN电子阻挡层8的禁带宽度控制在4ev与5. 5ev之间；步骤九，所述P型AlGaN电子阻挡层8生长结束后，生长一层厚度O. lum-0. 9 um之间的高温P型GaN层9，其生长温度在850-1090°C之间，生长压力在100Torr_450 Torr之间，生长时间在5-20min之间，V / III摩尔比在300-5000之间；
步骤十，所述高温P型GaN层9生长结束后，生长一层厚度5nm-30nm之间的P型接触层10，其生长温度在850°C-1050°C之间，压力在100Torr-500 Torr之间，生长时间在I-IOmin之间，V / III摩尔比在1000-20000之间；
步骤i^一，将反应室的温度降至650°C _800°C之间，采用纯氮气氛围中退火处理5-15min，然后降至室温，即得如图I所示的的LED外延结构。优选的，所述衬底I的材料为蓝宝石、GaN单晶、单晶硅或碳化硅单晶，以适合GaN及其半导体外延材料生长。优选的，所述量子鱼6a生长厚度在10nm_15nm之间，所述量子鱼6b生长厚度7nm-ll. 5nm之间，所述量子鱼6c生长厚度8nm_12nm之间。进一步优选的,所述量子鱼6a和所述量子垒6b生长时通入的MO源气体种类相同,所述量子垒6a和所述量子垒6b的厚度的减薄方式通过减少MO源和气体的通入量实现，MO源的通入时间保持不变。更进一步优选的，所述量子垒· 6c与所述量子鱼6a和所述量子鱼6b通入的气体不同，所述量子鱼6c厚度的减薄方式通过减少MO源的通入时间实现。本发明以高纯氢气(H2)或氮气(N2)作为载气，以三甲基镓(TMGa)，三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)和二茂镁(CP2Mg)分别作为η、P型掺杂剂。本发明的有益效果在于与现有氮化镓系发光二极管的量子阱结构外延生长方法相比，本发明采用了复合的多量子阱结构，多量子阱发光层采用三步生长法，即多量子阱发光层分为三部分在不同生长条件进行生长，同时阱层采用类梯形形式进行生长，垒层采用MO源渐进式生长方式，该生长方式有效地减少多量子阱发光区中的压电效应，使电子和空穴在空间上能更好的复合，有效减少多量子阱发光区的缺陷密度，提高电子和空穴在多量子阱发光区的复合效率，从而提高发光二极管的发光强度和亮度；
使发光二级管N区的电子通过垒层的阻挡作用不至于移动到P区与P区空穴发生非辐射复合，P区的空穴能够尽多地移动到多量子阱发光区域，进而使多量子阱区可以与P-N结很好的重合，让电子和空穴主要在量子阱中通关带边辐射复合发光，提高了发光二极管的发光效率；
本发明对生长设备和工艺条件无特殊要求，不会使随后的生长及工艺步骤复杂化。
图I是利用本发明制备的LED外延结构的示意 图2是图I中的多量子阱发光层的放大图。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。本发明的实施例利用Vecco K465系列MOCVD系统实施。如图I所示的LED外延结构，从下向上的顺序依次包括衬底I、低温GaN缓冲层
2、未掺杂的高温GaN缓冲层3、Si掺杂的N型GaN层4、浅量子阱5、多量子阱发光层6、低温P型GaN层7、P型铝镓氮电子阻挡层8、高温P型GaN层9、P型GaN接触层10，其中多量子阱发光层6的结构分三个部分第一部分是总发光层量子阱数的三分之二(8至12个量子阱发光层)，垒层采用MO源渐进式生长，阱层采用梯形生长方式；第二部分是总发光层量子阱数的四分之一(3至6个量子阱发光层)，垒层采用MO源渐进式生长方式，且垒层减薄30%，阱层采用类梯形生长方式；第三部分是单独的一个量子阱，垒层采用现有生长方式生长，阱层采用类梯形生长方式。上述LED外延结构的生长方法如下
一种改善GaN基LED量子阱结构提高载子复合效率的外延生长方法，包括如下步骤步骤一，将衬底I在氢气气氛里进行退火1-10分钟，清洁衬底I表面，温度控制在1050-1080°C之间，然后进行氮化处理，衬底I的材料为蓝宝石、GaN单晶、单晶硅或碳化硅单晶，以适合GaN及其半导体外延材料生长；
步骤二，将温度下降到450°C _650°C之间，生长15-35nm厚的低温GaN缓冲层2，生长压力控制在4000-760 Torr之间，V / III摩尔比在500-3200之间；
步骤三，所述低温GaN缓冲层2生长结束后，对其原位进行热退火处理，停止通入TMGa，将所述衬底I的温度升高至950-1200°C之间，退火时间在5min至IOmin之间，退火之后，将温度调节至1000-1200°C之间，生长厚度为O.间的未掺杂的高温GaN缓冲层3，生长压力在100Torr-600 Torr之间，V / III摩尔比在300-3300之间；
步骤四，所述未掺杂的高温GaN缓冲层3生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的Si掺杂的N型GaN层4，厚度在1.0-5. OMm之间，生长温度在1000°C -1200°C之间，生长压力在50-550 Torr 之间，V / III摩尔比在 300-3300 之间；
步骤五，所述Si掺杂的N型GaN层4生长结束后，生长低温浅量子阱5，所述浅量子阱5由5-15个周期的InxGagN(O. 04<x<0. 4)/GaN多量子阱组成，所述浅量子阱5的厚度在3nm-5nm之间，生长温度在720°C _920°C之间，压力在100Torr-600 Torr之间，V / III摩尔比在300-5000之间；
步骤六，所述浅量子阱5生长结束后，开始生长低温多量子阱发光层6，所述多量子阱发光层6由3-15个周期的InyGahNOKyUVGaN多量子阱组成，所述多量子阱的生长方式是类梯形形式，所述多量子阱中In的摩尔组分含量在10%-50%之间保持不变，所述多量子 阱的厚度在2nm-5nm之间，生长温度在720 V -820 V之间，生长压力在200Torr_500 Torr之间，V /III摩尔比在400-5300之间；垒层分三部分进行生长，按先后顺序依次为量子垒6a、量子鱼6b和量子鱼6c,且所述量子鱼6a和量子鱼6b均米用MO源渐进式方式生长，所有量子垒的的生长温度在820-920°C之间，压力在200Torr-500 Torr之间，V / III摩尔比在400-5300之间；所述量子垒6a生长厚度在10nm-15nm之间，所述量子垒6b生长厚度7nm-ll. 5nm之间，所述量子鱼6c生长厚度8nm_12nm之间，所述量子鱼6a和所述量子鱼6b生长时通入的MO源气体种类相同，所述量子垒6a和所述量子垒6b的厚度的减薄方式通过减少MO源和气体的通入量实现，MO源的通入时间保持不变，所述量子垒6c与所述量子垒6a和所述量子垒6b通入的气体不同，所述量子垒6c厚度的减薄方式通过减少MO源的通入时间实现；
步骤七，所述多量子阱发光层6生长结束后，生长厚度IOnm-IOOnm之间的低温P型GaN层7，生长温度在500°C _800°C之间，生长时间在5分钟-20分钟之间，压力在100Torr_500Torr之间，V /III摩尔比在300-5300之间，在所述生长低温P型GaN层7的过程中，以N2作为载气，并掺杂介质二茂镁；
步骤八，所述低温P型GaN层7生长结束后，将温度升至90(TC-ll(KrC之间，生长厚度IOnm-IOOnm之间的P型AlGaN电子阻挡层8，生长压力在50Torr_400 Torr之间，生长时间在5-15分钟之间，V /III摩尔比在1000-20000之间，所述P型AlGaN电子阻挡层8中的Al的摩尔组分含量控制在15%-40%之间，所述P型AlGaN电子阻挡层8的禁带宽度大于最后一个垒的禁带宽度，所述P型AlGaN电子阻挡层8的禁带宽度控制在4ev与5. 5ev之间；步骤九，所述P型AlGaN电子阻挡层8生长结束后，生长一层厚度O. lum-0. 9 um之间的高温P型GaN层9，其生长温度在850-1090°C之间，生长压力在100Torr_450 Torr之间，生长时间在5-20min之间，V / III摩尔比在300-5000之间；
步骤十，所述高温P型GaN层9生长结束后，生长一层厚度5nm-30nm之间的P型接触层10，其生长温度在850°C-1050°C之间，压力在100Torr-500 Torr之间，生长时间在I-IOmin之间，V / III摩尔比在1000-20000之间；
步骤i^一，将反应室的温度降至650°C _800°C之间，采用纯氮气氛围中退火处理5-15min，然后降至室温，即得如图I所示的的LED外延结构。然后对生长的外延片(外延结构)进行清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制成单颗小尺寸芯片。本实施例以高纯氢气或氮气作为载气，以三甲基镓(TMGa)，三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMA1 )、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)和二茂镁(Cp2Mg)分别作为η、P型掺杂剂。本实施例改善量子阱的生长结构及方法，能够 有效减少量子阱区的缺陷密度，提高电子和空穴在发光量子阱区的复合效率；另外使多量子阱区可以与P-N结很好的重合，让电子和空穴主要在量子阱中通关带边辐射复合发光，可以提高发光二极管的发光效率；而且这种改进的发光二极管结构，对生长设备和工艺条件无特殊要求，不会使随后的生长及工艺步骤复杂化。
权利要求
1.一种改善GaN基LED量子阱结构提高载子复合效率的外延生长方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤一，将衬底(I)在氢气气氛里进行退火1-10分钟，清洁所述衬底(I)表面，温度控制在1050-1080°C之间，然后进行氮化处理； 步骤二，将温度下降到450 V -650 V之间，生长15-35nm厚的低温GaN缓冲层(2 )，生长压力控制在4000-760 Torr之间，V / III摩尔比在500-3200之间； 步骤三，所述低温GaN缓冲层(2)生长结束后，对其原位进行热退火处理，停止通入TMGa，将所述衬底(I)的温度升高至950-1200°C之间，退火时间在5min至IOmin之间，退火之后，将温度调节至1000-1200°C之间，生长厚度为O.间的未掺杂的高温GaN缓冲层(3)，生长压力在100Torr-600 Torr之间，V / III摩尔比在300-3300之间； 步骤四，所述未掺杂的高温GaN缓冲层(3 )生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的Si掺杂的N型GaN层(4)，厚度在1.0-5. OMm之间，生长温度在1000°C -1200°C之间，生长压力在50-550 Torr 之间，V / III摩尔比在 300-3300 之间； 步骤五，所述Si掺杂的N型GaN层(4)生长结束后，生长低温浅量子阱(5)，所述浅量子阱(5)由5-15个周期的Ιηχ6&1_χΝ(0.04〈Χ〈0.4)Α^ιΝ多量子阱组成，所述浅量子阱(5)的厚度在3nm-5nm之间，生长温度在720°C _920°C之间，压力在100Torr-600 Torr之间，V /III摩尔比在300-5000之间； 步骤六，所述浅量子阱(5)生长结束后，开始生长低温多量子阱发光层(6)，所述多量子阱发光层(6)由3-15个周期的InyGahNOKyUVGaN多量子阱组成，所述多量子阱的生长方式是类梯形形式，所述多量子阱中In的摩尔组分含量在10%-50%之间保持不变，所述多量子阱的厚度在2nm-5nm之间，生长温度在720°C _820°C之间，生长压力在200Torr_500Torr之间，V / III摩尔比在400-5300之间；垒层分三部分进行生长，按先后顺序依次为量子鱼(6a)、量子鱼(6b)和量子鱼(6c),且所述量子鱼(6a)和量子鱼(6b)均米用MO源渐进式方式生长，所有量子垒的的生长温度在820-920°C之间，压力在200Torr-500 Torr之间，V / III摩尔比在400-5300之间； 步骤七，所述多量子阱发光层(6)生长结束后，生长厚度IOnm-IOOnm之间的低温P型GaN层(7)，生长温度在500°C _800°C之间，生长时间在5分钟-20分钟之间，压力在100Torr-500 Torr之间，V / III摩尔比在300-5300之间，在所述生长低温P型GaN层(7)的过程中，以N2作为载气，并掺杂介质二茂镁； 步骤八，所述低温P型GaN层(7)生长结束后，将温度升至900°C-110(TC之间，生长厚度IOnm-IOOnm之间的P型AlGaN电子阻挡层(8)，生长压力在50Torr_400 Torr之间，生长时间在5-15分钟之间，V /III摩尔比在1000-20000之间，所述P型AlGaN电子阻挡层(8)中的Al的摩尔组分含量控制在15%-40%之间，所述P型AlGaN电子阻挡层⑶的禁带宽度大于最后一个垒的禁带宽度，所述P型AlGaN电子阻挡层(8)的禁带宽度控制在4ev与5. 5ev之间； 步骤九，所述P型AlGaN电子阻挡层(8)生长结束后，生长一层厚度O. IMm-O. 9Mm之间的高温P型GaN层(9)，其生长温度在850-1090°C之间，生长压力在100Torr-450 Torr之间，生长时间在5-20min之间，V / III摩尔比在300-5000之间； 步骤十，所述高温P型GaN层(9)生长结束后，生长一层厚度5nm-30nm之间的P型接触层(10)，其生长温度在850°C -1050°c之间，压力在100Torr_500 Torr之间，生长时间在I-IOmin之间，V / III摩尔比在1000-20000之间； 步骤i^一，将反应室的温度降至650°C _800°C之间，采用纯氮气氛围中退火处理5-15min,然后降至室温，即得。
2.根据权利要求I所述的的外延生长方法，其特征在于，所述衬底(I)的材料为蓝宝石、GaN单晶、单晶硅或碳化硅单晶。
3.根据权利要求I或2所述的的外延生长方法，其特征在于，所述量子垒(6a)生长厚度在10nm-15nm之间,所述量子鱼(6b)生长厚度在7nm_ll· 5nm之间,所述量子鱼(6c)生长厚度在8nm_12nm之间。
4.根据权利要求3所述的的外延生长方法，其特征在于，所述量子垒^a)和所述量子垒(6b)生长时通入的MO源气体种类相同，所述量子垒(6a)和所述量子垒(6b)的厚度的减薄方式通过减少MO源和气体的通入量实现，MO源的通入时间保持不变。
5.根据权利要求4所述的的外延生长方法，其特征在于，所述量子垒^c)与所述量子垒(6a)和量子垒(6b)通入的气体不同，所述量子垒(6c)厚度的减薄方式通过减少MO源的通入时间实现。
全文摘要
一种改善GaN基LED量子阱结构提高载子复合效率的外延生长方法，包括以下步骤将衬底进行退火，然后进行氮化处理；生长低温GaN缓冲层；生长未掺杂的高温GaN缓冲层；生长掺杂浓度稳定的Si掺杂的N型GaN层；生长低温浅量子阱；生长低温多量子阱发光层，所述多量子阱发光层分为三部分在不同生长条件下进行生长；以氮气作为载气生长低温P型GaN层；升温生长P型AlGaN电子阻挡层；生长高温P型GaN层；生长P型接触层；降低反应室的温度，退火，再降至室温。本发明在生长多量子阱时能够优化调整PN结的位置，更多地俘获载子并使其复合，提高发光效率，增加内量子阱效应，进而获得高发光强度的GaN基LED发光二极管。
文档编号H01L33/00GK102881788SQ20121036311
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者李永, 李刚, 郭丽彬 申请人:合肥彩虹蓝光科技有限公司