一种提高GaN基LED内量子效率的外延生长方法与流程

本发明属于光电子器件领域，具体涉及一种提高GaN基LED内量子效率的外延生长方法。

背景技术：

氮化镓基发光二极管（Light Emitting Diode，LED）具有高亮度、低能耗、长寿命、响应速度快及环保等特点，广泛地应用于室内及路灯照明、交通信号以及户外显示、汽车车灯照明、液晶背光源等多个领域。因此，大功率白光LED被认为是21世纪的照明光源。

目前商业化的GaN基LED外延结构大都是在蓝宝石衬底上沿 [0001] 方向（c轴）异质外延。由于蓝宝石衬底和纤锌矿结构GaN在晶格常数、热膨胀系数上存在较大的差异，使得GaN体材料中的缺陷密度高达10⁸cm^-2。在外延生长中由于缺陷的遗传效应，会使得缺陷延伸至多量子阱区域。其次，为了提高In的并入效率，InGaN阱层的生长温度不能高于800℃，且In的成分越高要求的生长温度越低，然而在低温下NH₃裂解不充分，因此在外延生长中会形成诸多缺陷，如N空位，反位缺陷等，使得晶体质量下降，LED发光效率严重降低。为了提高晶体质量，GaN垒层的生长温度普遍要高于InGaN阱层的生长温度，这就需要引入低温GaN盖层来防止升温时In的流失。虽然GaN盖层能有效的防止In的流失，然而由于生长温度低，晶体质量较差。总之位于多量子阱有源区的缺陷，诸如In团簇、失配位错，穿透位错，堆垛层错，表面凹坑及V形坑等，会形成非辐射复合中心，使得载流子由于非辐射复合而大量减少，严重降低了LED的内量子效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述问题，提供了一种提高GaN基LED内量子效率的外延生长方法。该方法不仅能够降低量子阱区域缺陷密度，且制备方法简单，制备成本较低。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种提高GaN基LED内量子效率的外延生长方法，包括如下步骤：

提供一衬底并对衬底进行表面清洁；

在清洁后的衬底上生长GaN成核层并高温退火处理；

在退火后的GaN成核层上生长非故意掺杂GaN层；

在非故意掺杂GaN层上生长n型GaN层；

在n型GaN层上生长多量子阱发光层，所述多量子阱发光层为若干对InGaN阱层/低温GaN盖层/高温GaN垒层依次从下向上交替堆叠组成，且每层低温GaN盖层的生长均分为两阶段，第一阶段为生长过程中不通入H₂气体，第二阶段为生长过程中通入H₂气体；

在多量子阱发光层上生长p-AlGaN电子阻挡层；

在p-AlGaN电子阻挡层上生长p-GaN层和p-GaN接触层。

本发明中生长GaN成核层并高温退火处理时，所述高温退火处理的温度为950-1110℃。

具体应用时，所述多量子阱发光层的一个生长周期里先通入NH₃气体、In源、Ga源，生长InGaN阱层；阱层生长完后，仅关闭In源，生长第一阶段的GaN盖层；然后通入小流量的H₂，生长第二阶段的GaN盖层；盖层长完后，关闭Ga源和H₂气体并开始升温，待温度达到垒层生长温度并稳定后，再打开Ga源，生长GaN垒层。待垒层生长完成，关闭Ga源开始降温，待温度达到阱层生长温度并稳定后，再打开Ga源和In源，生长下一个周期的阱层。

本发明低温GaN盖层的生长温度与InGaN阱层的生长温度一致，高温GaN垒层的生长温度高于InGaN阱层和GaN盖层的生长温度。低温盖层用来保护InGaN阱层上的In原子，防止In原子在升温过程中蒸发并脱附。

进一步，在生长多量子阱的过程中，仅低温GaN盖层生长的第二阶段中通入H₂，而InGaN阱层、低温GaN盖层生长的第一阶段和GaN垒层的生长过程中没有通入H₂气体。

本发明所述技术方案的进一步优选的，所述H₂气体的流量为低温GaN盖层生长过程中通入的所有气体总流量的0.1%-20%。该所有气体仅含有NH₃气体、H₂气体以及N₂气体。

进一步，每层低温GaN盖层的第一阶段的厚度比例大于等于10%且小于等于90%。该厚度比例为第一阶段与两阶段的比例。其中若第一阶段的厚度比例小于10%，起不到保护层的作用；若第一阶段的厚度比例大于90%，则改善效果不明显。

另外，所述多量子阱发光层中InGaN阱层的厚度为1-6nm，低温GaN盖层的总厚度为0.2-6nm，高温GaN垒层的厚度为5-20nm。

具体实施时，所述InGaN阱层中In组分以摩尔百分数计为5-40%。

优选的，所述多量子阱发光层中InGaN阱层/低温GaN盖层/高温GaN垒层的周期数为1-20对。

通过本发明所述的外延生长方法，在生长多周期量子阱的低温盖层时，在生长盖层的第一阶段不通入H₂气体，是因为H₂气体会刻蚀掉部分In原子，降低InGaN阱层中In的含量；而在第二阶段通入小流量的H₂气体，是因为低温盖层中存在很多位错、杂质，V形坑等缺陷，而小流量H₂气体的加入能够部分去除或者钝化这些缺陷，提高晶体质量，还能够刻蚀掉过量的In原子，降低In原子的团簇，改善In组分的均匀性，形成陡峭的阱垒界面。因此，通过本发明可以达到提高GaN基LED的内量子效率的目的。

附图说明

图1为传统方法生长的外延片流程图。

图2为现有技术生长的外延片流程图。

图3为本发明采用InGaN阱层/两步法的低温GaN盖层/高温GaN垒层组成的多量子阱结构的外延片和传统InGaN阱层/低温GaN盖层/高温GaN垒层组成的多量子阱结构的室温（300K）光荧光谱对比图。其中仅低温GaN盖层的生长条件不同，传统结构的低温盖层厚度为1.0nm，生长过程中没有通入H₂气体。而两步法的低温GaN盖层第一阶段厚度为0.5nm，第二阶段厚度为0.5nm并且第二阶段中通入了200sccm的H₂气体（所有气体总流量的2.5%），其他结构及参数完全相同。可以看出本发明采用InGaN阱层/两步法的低温GaN盖层/高温GaN垒层组成的多量子阱结构的外延片发光波长与传统InGaN阱层/低温GaN盖层/高温GaN垒层组成的多量子阱结构的外延片发光波长相比基本不变，仅仅蓝移了1.0nm，而室温下的发光强度约增强了2倍。上述光荧光谱的对比测试采用的是He-Cd 激光器、激发波长325nm的PL光谱仪。

图4为本发明采用InGaN阱层/两步法的低温GaN盖层/高温GaN垒层组成的多量子阱结构的外延片和传统InGaN阱层/低温GaN盖层/高温GaN垒层组成的多量子阱结构的外延片的内量子效率对比图。其中仅低温GaN盖层的生长条件不同，传统结构的低温GaN盖层厚度为1.0nm，生长过程中没有通入H₂气体。而两步法的低温GaN盖层第一阶段厚度为0.5nm，第二阶段厚度为0.5nm并且第二阶段中通入了200sccm的H₂气体（2.5vol%），其他结构及参数完全相同。内量子效率值采用以下计算公式：。其中I_10K和I_300K分别为在10K和300K时测得的光荧光谱的积分强度。可以看出本发明采用InGaN/两部法的低温GaN/高温GaN组成的多量子阱结构的外延片内量子效率约提高了1.3倍。10K和300K时光荧光谱的测试采用的是He-Cd 激光器、激发波长325nm的PL光谱仪。

图5为本发明采用InGaN阱层/两步法的低温GaN盖层/高温GaN垒层组成的多量子阱结构的外延片和InGaN阱层/一步法的低温GaN盖层/高温GaN垒层组成的多量子阱结构的外延片的室温（300K）光荧光谱对比图。其中仅低温GaN盖层的生长条件不同，一步法的低温GaN盖层厚度为1.0nm，生长过程中通入200sccm的H₂气体（2.5vol%）。而两步法的低温GaN盖层第一阶段厚度为0.5nm，第二阶段厚度为0.5nm并且第二阶段中通入了200sccm的H₂气体（所有气体总流量的2.5%），其他结构及参数完全相同。可以看出本发明采用InGaN/两部法的低温GaN/高温GaN组成的多量子阱结构的外延片室温下的发光强度约提高了1.5倍。该室温下的光致发光强度是Nd-YAG激光器、激发波长266nm的PL光谱仪所测定的。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行更进一步的说明。如在通篇说明书当中所提及的“仅含有”或者“仅”为一封闭式用语，故应解释成“只有”。 “约”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

一种提高GaN基LED内量子效率的外延生长方法，包括如下步骤：

提供一衬底并对衬底进行表面清洁；

在清洁后的衬底上生长GaN成核层并高温退火处理；

在退火后的GaN成核层上生长非故意掺杂GaN层；

在非故意掺杂GaN层上生长n型GaN层；

在n型GaN层上生长多量子阱发光层，所述多量子阱发光层为若干对InGaN阱层/低温GaN盖层/高温GaN垒层依次从下向上交替堆叠组成，且每层低温GaN盖层的生长均分为两阶段，第一阶段为生长过程中不通入H₂气体，第二阶段为生长过程中通入H₂气体；

在多量子阱发光层上生长p-AlGaN电子阻挡层；

在p-AlGaN电子阻挡层上生长p-GaN层和p-GaN接触层。

进一步，作为本发明提供的外延生长方法的一种具体实施方式：本发明的外延生长方法是在MOCVD机台型号Aixtron TS300的仪器中实现的。其中生长多量子阱发光层时，保 持 反 应 腔 压 力200-600mBar、通入流量为4000sccm（可选的范围2000-6000sccm）的NH₃气体、In源和Ga源的流量是由载气N₂输送进反应腔的，其中In源流量为20-400sccm、Ga源流量为5-100sccm。在温度为650-800℃的范围内生长InGaN阱层，生长过程中压力、温度以及通入NH₃气体、In源、Ga源的流量保持恒定；阱层生长完后，仅关闭In源，生长第一阶段的GaN盖层，生长过程中压力、温度以及通入NH₃气体、Ga源的流量保持恒定；然后通入总气体流量2.5%的H₂（可使用的范围为0.1%-20%），生长第二阶段的GaN盖层，生长过程中压力、温度以及通入NH₃气体、Ga源的流量保持恒定；盖层长完后，关闭Ga源和H₂气体并开始升温至750-950℃，保持反应腔的压力不变，氨气流量不变，Ga源流量为10-100sccm，温度稳定后开始生长GaN垒层，生长过程中压力、温度以及通入NH₃气体、In源、Ga源的流量保持恒定。待垒层生长完成，关闭Ga源开始降温，待温度达到阱层生长温度并稳定后，在通入流量为20-400sccm的In、流量为5-100sccm的Ga源，生长下一个周期的阱层，重复上述步骤。周期数为1-20对。其中N₂作为载气和补偿气体维持反应腔的总流量在整个量子阱生长过程中基本保持恒定，N₂的流量可选用2000-6000sccm，在生长过程中会根据NH₃，In源，Ga源，H₂的流量变化进行相应的补偿。

具体实施时，每层低温GaN盖层的第一阶段的厚度比例大于等于10%且小于等于90%。

进一步，所述多量子阱发光层中InGaN阱层的厚度为1-6nm，低温GaN盖层的总厚度为0.2-6nm，高温GaN垒层的厚度为5-20nm。

优选的，所述InGaN阱层中In组分以摩尔百分数计为5-40%。