專利名稱：一種氮化鎵基發(fā)光二極管多量子阱的生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種氮化鎵(GaN)基發(fā)光二極管多量子阱的生長方法，該方法能使量子阱與壘均能在相對較高的溫度下生長，從而獲得晶體質(zhì)量較高的氮化鎵材料，以致于提高發(fā)光二極管的光電特性。
背景技術(shù)：
GaN基高亮度藍(lán)色LED的發(fā)明使人類在20世紀(jì)90年代中期實現(xiàn)了超大屏幕的全彩顯示，在21世紀(jì)初又為手機屏幕彩色化做出貢獻(xiàn)。與此同時，GaN基高亮度藍(lán)色LED的發(fā)明還為藍(lán)色激光器的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。接踵而來的便是取代白熾燈和熒光燈的新一代節(jié)能照明的巨大市場。目前藍(lán)綠色LED仍采用氮化銦鎵/氮化鎵(InGaN/GaN)多量子阱結(jié)構(gòu)為主。研究 ^GaN/GaN多量子阱的生長方法，優(yōu)化量子阱的界面結(jié)構(gòu)，減少量子阱的點缺陷，提升LED 的內(nèi)量子效率仍然是目前產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界追求的目標(biāo)。上海藍(lán)光科技有限公司公開了一種發(fā)光二極管多量子阱的制作方法，在制作壘層的時候用氫氣(H2)代替氮氣(N2),并且在制作過程中保持溫度不變。中科院物理所專利公開了一種GaN基多量子阱藍(lán)光發(fā)光二極管的制作方法。該二極管的多量子阱結(jié)構(gòu)包括ρ型摻雜的氮化鋁鎵(AWaN)層；η型摻雜的AWaN層；及在AlGaN層之間的由ρ型摻雜的GaN 層與不摻雜的InGaN層組成的N個量子阱；還包括在ρ型摻雜的AWaN層與N個量子阱之間的不摻雜的GaN隔離層及在η型摻雜的AWaN層與N個量子阱之間的不摻雜的GaN隔離層，通過合理調(diào)整GaN隔離層的厚度，可以有效地調(diào)整ρ-η結(jié)的位置，使之位于多量子阱區(qū)域，有效增強發(fā)光二極管的發(fā)光強度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種新的氮化鎵基發(fā)光二極管多量子阱的生長方法。本發(fā)明的技術(shù)方案一種氮化鎵基發(fā)光二極管多量子阱的生長方法，該發(fā)光二極管外延片結(jié)構(gòu)從下向上的順序依次為襯底，低溫緩沖層，未摻雜的氮化鎵高溫緩沖層 U-GaN,氮化鋁鎵/氮化鎵AlxGal-xN/GaN，0<x< 1超晶格結(jié)構(gòu)，未摻雜的氮化鎵高溫緩沖層u-GaN，N型接觸層，N型氮化鎵導(dǎo)電層，發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)MQW，P型氮化鋁鎵電子阻擋層，P型氮化鎵導(dǎo)電層，P型接觸層；N型氮化鎵導(dǎo)電層生長結(jié)束之后，多量子阱的生長方法； 其生長方法如下反應(yīng)腔內(nèi)停止通入TMGa，降低生長溫度，切換生長氣氛為純N2氛圍，調(diào)整反應(yīng)腔壓力以及NH3的流量，待生長條件穩(wěn)定15秒后，通入TMGa，TML·!，生長阱。阱生長結(jié)束后，反應(yīng)腔升溫，該變生長壓力，切換生長氣氛，繼續(xù)通入TMGa，TMh，生長壘；壘生長結(jié)束后，反應(yīng)腔降溫，該變生長壓力，切換生長氣氛，繼續(xù)通入TMGa，TM^i，生長阱；重復(fù)步驟 (2) (3)，如此循環(huán)，最后一次循環(huán)，完成步驟(2)后關(guān)閉TML·!，切換生長條件，準(zhǔn)備P型層的生長；多量子阱生長過程中，化源不關(guān)閉；升溫，變壓力，切換生長氣氛以及壘生長過程中， 反應(yīng)腔繼續(xù)通^源；如此富^氣氛下，獲得同樣波長的發(fā)光二極管，量子阱與壘均能在相對較高的溫度下生長，從而獲得晶體質(zhì)量高的氮化鎵GaN材料，以致于提高發(fā)光二極管的光電特性。—種氮化鎵基發(fā)光二極管多量子阱的生長方法，其量子阱的生長周期數(shù)為6 18。壘的生長氣氛為N、H混合氣，其混合比例為20 2 2 20。氮化鎵基發(fā)光二極管多量子阱的生長方法，其量子阱的生長模式，可以是x+y模式，即，χ個壘為Si摻雜的，y個壘為未摻Si的。氮化鎵基發(fā)光二極管多量子阱的生長方法，其量子阱的生長模式，可以是m+n+p+s 模式，即，m個壘為Si摻雜的，η個壘為未摻Si的，ρ個壘為Si摻雜的，s個壘為未摻Si的。該發(fā)光二極管外延片結(jié)構(gòu)從下向上的順序依次為襯底，低溫緩沖層，未摻雜的氮化鎵高溫緩沖層U-GaN,氮化鋁鎵/氮化鎵(AlxGEihN/GaN，。< χ < 1)超晶格結(jié)構(gòu)，未摻雜的氮化鎵高溫緩沖層u-GaN，N型接觸層，N型氮化鎵導(dǎo)電層，發(fā)光層多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)， P型氮化鋁鎵電子阻擋層，P型氮化鎵導(dǎo)電層，P型接觸層。其特征在于阱生長結(jié)束后，銦 (In)源不關(guān)閉；升溫，變壓力，切換生長氣氛以及壘生長過程中，反應(yīng)腔繼續(xù)通h源。此種多量子阱的生長方法不同于傳統(tǒng)的多量子阱生長方法，具體生長模式如圖4所示。傳統(tǒng)的多量子阱生長模式如圖1，2，3所示。通常，獲得晶體質(zhì)量好的GaN材料需要較高的生長溫度，而h的飽和蒸汽壓極高，高溫很容易分解，在典型的GaN外延生長溫度下，In不能有效的摻入。而低溫生長，GaN的晶體質(zhì)量差，位錯密度大，會導(dǎo)致發(fā)光二極管(LED)光電特性很差。本發(fā)明采用圖4所示的生長模式，整個MQW生長過程中，h源不關(guān)閉，如此富化氣氛下，InGaN生長過程中易發(fā)生的相分離被抑制，獲得同樣波長的發(fā)光二極管，量子阱與壘均能在相對較高的溫度下生長，從而獲得晶體質(zhì)量較高的GaN材料。而且這種富In，高溫生長環(huán)境下，量子阱中^的組分更容易出現(xiàn)空間漲落，形成很多的局域能量態(tài)，當(dāng)電子和空穴注入InGaN有源層，被這些局域能量態(tài)捕獲，具有較高束縛能的激子就在這些局域態(tài)處實現(xiàn)輻射復(fù)合。局域態(tài)的存在不僅有效避免了 QCSE(量子限制斯塔克效應(yīng))的影響，而且也大幅度降低了晶體中可能存在的缺陷的影響，因而可以大幅度提高LED發(fā)光二極管的發(fā)光效率。這種富In，高溫生長環(huán)境下，量子阱中形成類似量子點結(jié)構(gòu)納米尺寸的富h區(qū)，對載流子起到三維限制作用，使載流子在發(fā)生輻射復(fù)合之前更難遷移到由于缺陷等引起的非輻射復(fù)合中心，從而大大提高輻射復(fù)合發(fā)光效率。量子點結(jié)構(gòu)更能有效的提高LED發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率。本發(fā)明以高純氫氣(H2)或氮氣(N2)作為載氣，以三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁 (TMAl)、三甲基銦(TMIn)和氨氣(NH3)分別作為鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)和氮(N)源，用硅烷(SiH4)、二茂鎂(Cp2Mg)分別作為n、p型摻雜劑。高溫，富^!環(huán)境下生長多量子阱(MQW)， 可以大幅降低材料中可能存在的缺陷，提高發(fā)光二極管(LED)的發(fā)光效率。


圖1本發(fā)明一種氮化鎵基發(fā)光二極管多量子阱的結(jié)構(gòu)示意圖；其中1為襯底、2為低溫緩沖層、3為高溫緩沖層、4為氮化鋁鎵/氮化鎵(AlfiihN/GaN，。< χ < 1)超晶格周期結(jié)構(gòu)插入層、5為高溫緩沖層、6為N型接觸層、7為N型氮化鎵導(dǎo)電層、8為發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)MQW、9為P型氮化鋁鎵電子阻擋層、10為P型氮化鎵導(dǎo)電層、11為P型接觸層。圖2為公知的量子阱生長模式1，橫軸time表示時間，TMIn表示三甲基銦，TMGa
4表示三甲基鎵，“on”表示反應(yīng)原材料進入反應(yīng)腔反應(yīng)，“off”表示反應(yīng)原材料停止進入反應(yīng)腔，“Growth GaN barrier”表示氮化鎵壘層生長，Tg表示反應(yīng)溫度；圖3為公知的量子阱生長模式2，橫軸time表示時間，TMIn表示三甲基銦，TMGa 表示三甲基鎵，“on”表示反應(yīng)原材料進入反應(yīng)腔反應(yīng)，“off”表示反應(yīng)原材料停止進入反應(yīng)腔，“Growth GaN barrier”表示氮化鎵壘層生長，Tg表示反應(yīng)溫度；圖4為公知的量子阱生長模式3，橫軸time表示時間，TMIn表示三甲基銦，TMGa 表示三甲基鎵，“on”表示反應(yīng)原材料進入反應(yīng)腔反應(yīng)，“off”表示反應(yīng)原材料停止進入反應(yīng)腔，“Growth GaN barrier”表示氮化鎵壘層生長，Tg表示反應(yīng)溫度；圖5為本發(fā)明一種發(fā)光二極管多量子阱生長方法，橫軸time表示時間，TMh表示三甲基銦，TMGa表示三甲基鎵，“ on ”表示反應(yīng)原材料進入反應(yīng)腔反應(yīng)，“ of f ”表示反應(yīng)原材料停止進入反應(yīng)腔，“Growth GaN barrier”表示氮化鎵壘層生長，Tg表示反應(yīng)溫度。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步的說明。實施例1(1)襯底1 首先將藍(lán)寶石襯底在溫度為1050°C，純氫氣氣氛里進行退火，然后進行氮化處理；(2)低溫緩沖層2 將溫度下降到585°C，生長20nm厚的低溫GaN成核層；(3)高溫緩沖層3 低溫緩沖層2生長結(jié)束后，停止通入TMGa，將襯底溫度升高 1050°C，對低溫緩沖層2在原位進行退火處理，退火時間為8分鐘；退火之后，生長厚度為 0. 8 μ m的高溫不摻雜的GaN ；0)0. 8μπι厚的高溫不摻雜的GaN高溫緩沖層3生長結(jié)束后，在純氫氣氣氛中生長5個周期的氮化鋁鎵/氮化鎵(Ala2Giia8NAiaN)超晶格結(jié)構(gòu)4，超晶格結(jié)構(gòu)4中氮化鋁鎵(Ala2G^8N)與氮化鎵(GaN)的厚度相同，即阱壘等厚，均為3nm，反應(yīng)腔的生長壓力為 200Torr。(5) 5個周期的氮化鋁鎵/氮化鎵(Ala2Giia8NAiaN)超晶格結(jié)構(gòu)4生長結(jié)束后，調(diào)整生長條件同高溫緩沖層3，繼續(xù)生長厚度為0. 8 μ m的不摻雜的GaN高溫緩沖層5。(6)不摻雜的GaN高溫緩沖層5生長結(jié)束后，生長N型接觸層6，厚度為2. 5 μ m。(7) N型接觸層6生長結(jié)束后，生長厚度為IymWN型氮化鎵導(dǎo)電層7。(8) N型氮化鎵導(dǎo)電層7生長結(jié)束后生長發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)MQW 8 發(fā)光層8由 6個周期的Ina3Giia7NZGaN多量子阱組成。阱壘的厚度分別為2. 5nm和15nm，壘的生長氣氛為N2 H2 = 19 3，前兩個barrier摻雜Si，后4個不摻雜。(9)發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)MQW 8生長結(jié)束后，生長厚度為SOnm的P型氮化鋁鎵 (AlGaN)電子阻擋層9。(10)電子阻擋層9生長結(jié)束后，生長P型氮化鎵導(dǎo)電層10，厚度為0.2μπι。(Il)P型氮化鎵導(dǎo)電層10生長結(jié)束后，生長P型接觸層11，P型摻雜濃度為 1 X IO2Vcm3,生長厚度為15nm。所有外延工藝生長結(jié)束后，將反應(yīng)腔的溫度降至800°C，純氮氣氛圍進行退火處理 lOmin，然后降至室溫，結(jié)束外延工藝生長。
實施例1，經(jīng)過清洗、沉積、光刻和刻蝕等半導(dǎo)體加工工藝制程后，分割成尺寸大小為IlXllmil的LED芯片。經(jīng)LED芯片測試，測試電流20mA，單顆小芯片光輸出功率為
11.5mW，工作電壓3. 20V，可抗靜電人體模式6000V。而傳統(tǒng)的外延生長方式，相同芯片制程的單顆小芯片光的輸出功率僅為10. 5mW，工作電壓3. 25V，可抗靜電人體模式4000V。實施例2實施例2外延工藝與實施例1的不同之處在于MQW多量子阱的生長周期為12，為 3+9模式，即前3個barrier摻雜Si，后9個不摻雜。經(jīng)過清洗、沉積、光刻和刻蝕等半導(dǎo)體加工工藝制程后，分割成尺寸大小為IlXllmil的LED芯片。經(jīng)LED芯片測試，測試電流 20mA，單顆小芯片光輸出功率為12. 2mW，工作電壓3. 20V，可抗靜電人體模式6000V。實施例3實施例3外延工藝與實施例1的不同之處在于MQW多量子阱的生長周期為18，為 2+4+2+10模式，即交替摻雜模式，先生長2個barrier摻雜Si的MQW，然后生長4個不摻雜的MQW，再生長2個barrier摻雜Si的MQW，然后生長10個不摻雜的MQW，。經(jīng)過清洗、 沉積、光刻和刻蝕等半導(dǎo)體加工工藝制程后，分割成尺寸大小為IlXllmil的LED芯片。經(jīng) LED芯片測試，測試電流20mA，單顆小芯片光輸出功率為13. 5mW，工作電壓3. 3V，可抗靜電 人體模式4000V。實施例4實施例4外延工藝與實施例1的不同之處在于MQW多量子阱中壘的生長氣氛為 N2 H2 = 20 2經(jīng)過清洗、沉積、光刻和刻蝕等半導(dǎo)體加工工藝制程后，分割成尺寸大小為IlXllmil的LED芯片。經(jīng)LED芯片測試，測試電流20mA，單顆小芯片光輸出功率為 11.3mW，工作電壓3. 18V，可抗靜電人體模式6000V。實施例5實施例5外延工藝與實施例1的不同之處在于MQW多量子阱中壘的生長氣氛為 N2 H2 = 2 20經(jīng)過清洗、沉積、光刻和刻蝕等半導(dǎo)體加工工藝制程后，分割成尺寸大小為11 X 1 Imi 1的LED芯片。經(jīng)LED芯片測試，測試電流20mA，單顆小芯片光輸出功率為13mW， 工作電壓3. 4V，可抗靜電人體模式5000V。實施例6實施例6外延工藝與實施例1的不同之處在于MQW多量子阱中壘的生長氣氛為 N2 H2 = 13 9經(jīng)過清洗、沉積、光刻和刻蝕等半導(dǎo)體加工工藝制程后，分割成尺寸大小為IlXllmil的LED芯片。經(jīng)LED芯片測試，測試電流20mA，單顆小芯片光輸出功率為
12.5mff,工作電壓3. :35V，可抗靜電人體模式6000V。超晶格結(jié)構(gòu)即先生長一層氮化鋁鎵薄膜，該層材料上再生長一層氮化鎵薄膜，然
后再生長一層氮化鋁鎵薄膜，一層氮化鎵薄膜......如此循環(huán)，其周期數(shù)目介于2 20之
間。該超晶格周期結(jié)構(gòu)的開始層與結(jié)束層材料可以是氮化鋁鎵薄膜，也可以是氮化鎵薄膜。
權(quán)利要求
1.一種氮化鎵基發(fā)光二極管多量子阱的生長方法，該發(fā)光二極管外延片結(jié)構(gòu)從下向上的順序依次為襯底，低溫緩沖層，未摻雜的氮化鎵高溫緩沖層u-GaN，氮化鋁鎵/氮化鎵 AlxGai_xN/GaN, 0 < χ < 1超晶格結(jié)構(gòu)，未摻雜的氮化鎵高溫緩沖層u_GaN，N型接觸層，N型氮化鎵導(dǎo)電層，發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)MQW，P型氮化鋁鎵電子阻擋層，P型氮化鎵導(dǎo)電層，P型接觸層；其特征在于N型氮化鎵導(dǎo)電層生長結(jié)束之后，多量子阱的生長方法；其生長方法如下(1)反應(yīng)腔內(nèi)停止通入TMGa，降低生長溫度，切換生長氣氛為純N2氛圍，調(diào)整反應(yīng)腔壓力以及NH3的流量，待生長條件穩(wěn)定15秒后，通入TMGa，TMIn,生長阱；(2)阱生長結(jié)束后，反應(yīng)腔升溫，該變生長壓力，切換生長氣氛，繼續(xù)通入TMGa，TMIn, 生長壘；(3)壘生長結(jié)束后，反應(yīng)腔降溫，該變生長壓力，切換生長氣氛，繼續(xù)通入TMGa，TMIn, 生長阱；(4)重復(fù)步驟(2)(3)，如此循環(huán)，最后一次循環(huán)，完成步驟(2)后關(guān)閉TM^i，切換生長條件，準(zhǔn)備P型層的生長；多量子阱生長過程中，化源不關(guān)閉；升溫，變壓力，切換生長氣氛以及壘生長過程中， 反應(yīng)腔繼續(xù)通^源；如此富^氣氛下，獲得同樣波長的發(fā)光二極管，量子阱與壘均能在相對較高的溫度下生長，從而獲得晶體質(zhì)量高的氮化鎵GaN材料，以致于提高發(fā)光二極管的光電特性。
2.如權(quán)利要求1所述氮化鎵基發(fā)光二極管多量子阱的生長方法，其特征在于量子阱的生長周期數(shù)為6 18。
3.如權(quán)利要求1所述，一種氮化鎵基發(fā)光二極管多量子阱的生長方法，其特征在于壘的生長氣氛為N、H混合氣，其混合比例為20 2 2 20。
4.如權(quán)利要求1所述，一種氮化鎵基發(fā)光二極管多量子阱的生長方法，其特征在于量子阱的生長模式，可以是x+y模式，即，χ個壘為Si摻雜的，y個壘為未摻Si的。
5.如權(quán)利要求1所述，一種氮化鎵基發(fā)光二極管多量子阱的生長方法，其特征在于量子阱的生長模式，可以是m+n+p+s模式，即，m個壘為Si摻雜的，η個壘為未摻Si的，ρ個壘為Si摻雜的，s個壘為未摻Si的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氮化鎵基發(fā)光二極管多量子阱的生長方法，該發(fā)光二極管外延片結(jié)構(gòu)從下向上的順序依次為襯底，低溫緩沖層，未摻雜的氮化鎵高溫緩沖層u-GaN，氮化鋁鎵/氮化鎵超晶格結(jié)構(gòu)，未摻雜的氮化鎵高溫緩沖層，N型接觸層，N型氮化鎵導(dǎo)電層，發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)MQW，P型氮化鋁鎵電子阻擋層，P型氮化鎵導(dǎo)電層，P型接觸層。多量子阱的生長方法不同于傳統(tǒng)的多量子阱生長方法，阱生長結(jié)束后，In源不關(guān)閉；升溫，變壓力，切換生長氣氛以及壘生長過程中，反應(yīng)腔繼續(xù)通In源。如此富In氣氛下，獲得同樣波長的發(fā)光二極管，量子阱與壘均能在相對較高的溫度下生長，從而獲得晶體質(zhì)量較高的GaN材料，以致于提高發(fā)光二極管的光電特性。
文檔編號H01L33/00GK102280542SQ20111025869
公開日2011年12月14日 申請日期2011年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月2日
發(fā)明者劉華明, 劉玉萍, 魏世禎 申請人:華燦光電股份有限公司