一种提高GaN基LED有源区发光效率的外延生长方法
【专利摘要】本发明提供了一种新的外延生长方法来更好的减少量子阱区生长过程中的极化和缺陷，提升空穴电子注入效率，从而很大的提高了LED的发光效率。本发明在生长GaN/InGaN量子阱垒层中间插入若干周期的相同材料的超薄GaN/InGaN周期结构，能够很好地释放由于GaN/InGaN量子阱垒层生长过程中晶格失配产生的应力极化，阻挡和减小量子阱生长过程中产生的位错向进一步生长的结构中扩张延生，提高电子空穴的复合效率；并且梯度减小的垒层使得靠近p掺杂层的空穴的注入效果增强，使得空穴和电子的有效复合区域增加，进一步提升了LED整体发光效率。
【专利说明】一种提高GaN基LED有源区发光效率的外延生长方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光电器件材料制备和结构设计【技术领域】，涉及一种新型的生长GaN基LED外延方法。
【背景技术】
[0002]以GaN为基本材料的III族氮化物(包括AIN、GaN, InN及其合金)是最重要的宽带隙半导体材料体系之一，它们特有的带隙范围，优良的光、电学性质和优异的材料机械性质使其在光学器件，电子器件以及特殊条件下的半导体器件等领域有着广泛的应用前景。早在上世纪70年代，研究者们就对GaN基半导体材料进行了大量的研究，到了 20世纪90年代，GaN材料的研究在生长和P型掺杂方面都取得了巨大的突破，这使得对其研究也引起了更大的兴趣，目前已成为国际上的一大热门研究课题。LED已成为继白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯之后的第四代照明光源。与传统的照明光源相比，LED半导体照明光源具有的优点有:发光效率高、体积小、寿命长、节能、环保等。目前传统的GaN基LED外延生长结构过程为:
[0003](I)先在蓝宝石衬底上低温(通常500°C左右)生长一层低温GaN缓冲层；
[0004](2)然后接着高温下(通常1000°C左右)生长一层未掺杂的GaN ；
[0005](3)再接着高温(通常1000°C左右)生长一层η型GaN层，掺杂材料一般为硅烷，提供LED复合发光所需要的电子；
[0006](4)然后接着高温生长几个周期的GaN/InGaN厚度分别为3nm和15nm左右的量子阱和量子垒作为LED的发光层(通常GaN层850°C，InGaN层稍低750°C左右)，η掺杂区的电子和P掺杂区的空穴在这个区域复合发光，是GaN基LED外延的核心部分；
[0007](5)接着高温(通常950°C左右)生长掺杂镁的AlGaN层，起到阻挡电子的作用；
[0008](6)最后高温(通常900°C左右)生长一层掺杂镁的GaN层，这一层提供复合发光的空穴。
[0009](7)退火。
[0010]以上所称的“高温”、“低温”在本领域是具有明确意义的技术术语。
[0011]目前LED外延生长过程中，由于两种材料的晶格常数不同容易产生极化效应和造成生长缺陷，极化效应和生长缺陷会影响材料的光电性能，大大降低了 LED的发光效率。目前LED外延生长的有源层多采用几个周期结构GaN/InGaN量子阱垒区，电子和空穴在能带较窄的阱层InGaN材料中复合发光。由于GaN材料和InGaN材料晶格常数不同，所以两个材料的生长界面会产生极化电荷和缺陷，造成电子和空穴波函数的空间分离和一些非复合发光中心的产生。降低了发光效率。并且由于GaN衬底不易制备，并且价格昂贵，现有方法都是在蓝宝石或者硅衬底上生长，这样也会由衬底生长开始的晶格适配产生应力和缺陷从而影响量子阱材料的生长质量，同时由于现有的量子阱结构采用周期结构相同厚度的垒成和阱层，对空穴和电子的注入效果产生影响，从而极大的降低了 LED的发光效率。
【发明内容】
[0012]本发明提供了一种新的外延生长方法来更好的减少量子阱区生长过程中的极化和缺陷，提升空穴电子注入效率，从而很大的提高了 LED的发光效率。
[0013]本发明的基本方案如下:
[0014]该外延生长方法，包括如下步骤:
[0015](I)在蓝宝石衬底上生长一层低温GaN缓冲层；
[0016](2)生长一层高温未掺杂的GaN ;
[0017](3)生长一层高温掺杂娃烧的η型GaN层；
[0018](4)生长一层高温掺杂娃烧的η型InGaN层；
[0019](5)依次生长多个周期的GaN/InGaN的量子阱垒结构，作为LED的发光层；以1_2个周期的GaN/InGaN的量子阱垒结构为一个单元，各单元的阱层(InGaN)厚度不变，垒层(GaN)厚度依次梯度减小；
[0020]在各个单元依次生长的过程中，相邻单元之间均插入生长有若干周期的小于2nm的超薄GaN/InGaN周期结构；
[0021](6)生长一层高温掺杂镁的P型AlGaN层；
[0022](7)生长一层高温掺杂镁的GaN层；
[0023](8)退火。
[0024]基于上述基本方案，本发明还做如下优化限定:
[0025]第一个周期的GaN/InGaN的量子阱垒结构中，垒层为12nm，阱层为3nm。
[0026]在步骤(3)与步骤(4)之间，还进行生长一层高温掺杂硅烷的η型InGaN层。生长的高温掺杂硅烷的η型InGaN层厚度优选30nm。
[0027]上述多个周期的GaN/InGaN的量子阱垒结构，共有5_12个周期；相邻单元之间插入生长2-5个周期的超薄层GaN/InGaN。
[0028]I个周期的GaN/InGaN的量子阱垒结构即为一个单元，即每个周期的GaN/InGaN的量子阱垒结构之间均生长2-5个周期的超薄层GaN/InGaN。
[0029]相应的，按照上述方法制得的GaN基LED外延片结构，主要包括依次生长的以下各层:
[0030]蓝宝石衬底；
[0031]GaN 缓冲层；
[0032]未掺杂的GaN ；
[0033]掺杂硅烷的η型GaN层；
[0034]多个周期的GaN/InGaN的量子阱垒结构，作为LED的发光层；以1_2个周期的GaN/InGaN的量子阱垒结构为一个单元，各单元的阱层厚度不变，垒层厚度依次梯度减小；另夕卜，相邻单元之间均插入生长有若干周期的小于2nm的超薄GaN/InGaN周期结构；
[0035]掺杂镁的P型AlGaN层；
[0036]掺杂镁的GaN层。
[0037]在掺杂娃烧的η型GaN层与LED的发光层之间，最好还具有一层掺杂娃烧的η型InGaN 层。
[0038]LED的发光层中第一个周期的GaN/InGaN的量子阱垒结构中，优选参数为垒层为12nm,讲层为3nm ;掺杂硅烷的η型InGaN层厚度为30nm。
[0039]上述多个周期的GaN/InGaN的量子阱垒结构，优选限定为共有5_12个周期；每个周期的GaN/InGaN的量子阱垒结构之间均生长2_5个周期的超薄层GaN/InGaN。
[0040]本发明具有以下优点:
[0041]本发明在生长GaN/InGaN量子阱垒层中间插入若干周期的相同材料的超薄GaN/InGaN周期结构，能够很好地释放由于GaN/InGaN量子阱垒层生长过程中晶格失配产生的应力极化，阻挡和减小量子阱生长过程中产生的位错向进一步生长的结构中扩张延生，提高电子空穴的复合效率；并且梯度减小的垒层使得靠近P掺杂层的空穴的注入效果增强，使得空穴和电子的有效复合区域增加，进一步提升了 LED整体发光效率。
[0042]在高温掺杂硅烷的η型GaN层与多个周期的GaN/InGaN的量子阱垒结构之间，还生长一层高温掺杂硅烷的η型InGaN层，可以更好地与有源区材料匹配。
【专利附图】
【附图说明】
[0043]图1为一般生长的外延整体结构。
[0044]图2为本发明中有源区量子阱垒新型生长详细结构(相当于图1中GaN/InGaN量子阱垒的具体特殊结构)。
【具体实施方式】
[0045]下面结合附图对本发明作进一步的阐述。
[0046]基本材料、工艺简介:金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)外延生长技术，采用三甲基镓(TMGa)，三乙基镓(TEGa)，和三甲基铟(TMIn),三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)硅烷(SiH4)和二茂镁(cp2mg)分别提 供生长所需要的镓源，铟源，铝源和氮源，其中硅烷和镁源分别用于η层和P层的掺杂。
[0047]本发明用现有的MOCVD技术设备先在蓝宝石衬底上500°C左右生长一层低温GaN缓冲层，然后接着在高温下1000°c左右生长一层未掺杂的GaN，接着在1000°C左右生长一层掺杂硅烷的η型层，接着继续生长一层掺硅烷的η型InGaN层，然后生长1_2个周期的GaN/InGaN量子阱垒结构，接着生长一层非常薄的同样材料的GaN/InGaN若干周期，其GaN和InGaN层厚度远远小于前面生长的量子阱垒厚度，接着再生长1_2周期的GaN/InGaN量子阱垒结构，其垒层GaN的厚度较前面有所减小，然后接着生长一层非常薄的同样材料的GaN/InGaN若干周期，再生长I~2个周期的GaN/InGaN量子阱垒结构，其垒层的厚度较前面两个呈梯度减小。然后依次进行生长。生长完若干这种结构后，再生长掺杂镁的AlGaN层，最后生长一层掺杂镁的GaN层。
[0048]该外延生长方法具体为:
[0049]1.将蓝宝石衬底清洗处理后，放入MOCVD设备在1100°C烘烤10分钟。
[0050]2.降温到550°C生长一层厚度20nm的低温GaN层，生长压力为400torr。
[0051]3.升温到1020°C生长一层高温厚度I μ m的未掺杂GaN层，生长压力为300torr.[0052]4.温度1030°C生长一层高温掺杂SiH4的I μ m的η型GaN层，压力200torr.[0053]5.在温度900°C生长一层高温掺杂SiH4的η型InGaN层(优选厚度30nm左右)，压力 200torr.[0054]6.在氮气氛围下，在400torr，850°C生长一层12nm GaN和750°C生长一层3nm的InGaN的量子阱垒结构，然后再生长2~5个周期的超薄GaN/InGaN小于2nm，然后接着上面条件重复生长一层GaN/InGaN阱垒，其中GaN垒层厚度减小，小于12nm.然后重复生长2~5个超薄层GaN/InGaN小于2nm，然后接着生长一层GaN/InGaN阱垒，垒层厚度较上一层继续梯度减小……这样重复生长5~12个周期。
[0055]7.温度升至 950°C，150torr，生长一层 P 型 AlGaN 层，厚度 20nm.[0056]8.在 900°C，200torr 生长一层掺镁 GaN 层，厚度 200nm.[0057]9.在氮气氛围下，退火20分钟。
[0058]经实验对照分析:
[0059]一.本发明制得的外延材料的结晶质量明显提升:XRD(X射线衍射)测量的半高宽(FWHM) 002面和102面相比传统方法所得外延材料的测量值分别减小了 10%和20%，说明材料的结晶质量提闻。
[0060]二.相比传统方案，最终的LED芯片的发光功率提升了 20%_30%。
[0061]需要强调的是，以上实施例中给出了能够达到最佳技术效果的具体参数，但这些温度、厚度、压力等具体参数大部分均是参照现有技术所做的常规选择，不应视为对本发明权利要求保护范围的限制。说明书中阐述了本发明技术改进的原理，本领域技术人员应当能够认识到在基本方案下`对各具体参数做适度的调整仍然能够基本实现本发明的目的。
【权利要求】
1.一种提高GaN基LED有源区发光效率的外延生长方法，其中包括如下步骤: (1)在蓝宝石衬底上生长一层低温GaN缓冲层； (2)生长一层高温未掺杂的GaN； (3)生长一层高温掺杂硅烷的η型GaN层； (4)依次生长多个周期的GaN/InGaN的量子阱垒结构，作为LED的发光层；以1_2个周期的GaN/InGaN的量子阱垒结构为一个单元，各单元的阱层厚度不变，垒层厚度依次梯度减小； 在各个单元依次生长的过程中，相邻单元之间均插入生长有若干周期的小于2nm的超薄GaN/InGaN周期结构； (5)生长一层高温掺杂镁的P型AlGaN层； (6)生长一层高温掺杂镁的GaN层； (7)退火。
2.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于:第一个周期的GaN/InGaN的量子阱垒结构中，垒层为12nm，阱层为3nm。
3.根据权利要求1或2所述的外延生长方法，其特征在于:在步骤(3)与步骤(4)之间，还进 行生长一层高温掺杂硅烷的η型InGaN层。
4.根据权利要求3所述的外延生长方法，其特征在于:生长的高温掺杂硅烷的η型InGaN层厚度为30nm。
5.根据权利要求3所述的外延生长方法，其特征在于:所述多个周期的GaN/InGaN的量子阱垒结构，共有5-12个周期；相邻单元之间插入生长2-5个周期的超薄层GaN/InGaN。
6.根据权利要求3所述的外延生长方法，其特征在于:1个周期的GaN/InGaN的量子阱垒结构即为一个单元。
7.—种GaN基LED外延片结构，其特征在于，包括依次生长的以下各层: 蓝宝石衬底； GaN缓冲层； 未掺杂的GaN ； 掺杂硅烷的η型GaN层； 多个周期的GaN/InGaN的量子阱垒结构，作为LED的发光层；以1_2个周期的GaN/InGaN的量子阱垒结构为一个单元，各单元的阱层厚度不变，垒层厚度依次梯度减小；另外，相邻单元之间均插入生长有若干周期的小于2nm的超薄GaN/InGaN周期结构； 掺杂镁的P型AlGaN层； 掺杂镁的GaN层。
8.根据权利要求7所述的GaN基LED外延片结构，其特征在于:在掺杂硅烷的η型GaN层与LED的发光层之间,还具有一层掺杂硅烷的η型InGaN层。
9.根据权利要求8所述的GaN基LED外延片结构,其特征在于:LED的发光层中第一个周期的GaN/InGaN的量子阱垒结构中，垒层为12nm，阱层为3nm ;掺杂硅烷的η型InGaN层厚度为30nm。
10.根据权利要求9所述的GaN基LED外延片结构，其特征在于:所述多个周期的GaN/InGaN的量子阱垒结构，共有5_12个周期；每个周期的GaN/InGaN的量子阱垒结构之间均生长2-5个周期的超薄层`GaN/InGaN。
【文档编号】H01L33/32GK103872194SQ201410106466
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月20日 优先权日:2014年3月20日
【发明者】王晓波 申请人:西安神光皓瑞光电科技有限公司