專利名稱：氮化鎵基發(fā)光二極管外延生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氮化鎵系材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延生長方法。
背景技術(shù)：
P型氮化鎵晶體質(zhì)量影響著器件的工作壽命及發(fā)光效率，P型氮化鎵材料晶體質(zhì)量不高，影響發(fā)光器件的質(zhì)量及壽命，會(huì)對發(fā)光二極管產(chǎn)生嚴(yán)重影響，只有獲得較好晶體質(zhì)量的P型氮化鎵基材料，才能獲得高質(zhì)量及較高壽命氮化鎵系發(fā)光二極管。一般生長P型氮化鎵時(shí)，難以獲得高晶體質(zhì)量的P型氮化鎵層。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)制作的GaN基發(fā)光二極管中P型氮化鎵層晶體質(zhì)量不夠好導(dǎo)致LED器件的發(fā)光效率及工作壽命衰減的問題，本發(fā)明提供了一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延生長方法。本發(fā)明在P型鋁鎵氮層(P型AlGaN層)之后高壓生長P型氮化鎵層(P型GaN層)，高壓生長條件可以減少外延沉積過程中產(chǎn)生的碳，減小黃帶，能夠獲得高質(zhì)量的晶體，從而獲得高質(zhì)量的LED器件，提高器件發(fā)光效率和工作壽命。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延生長方法，包括以下步驟
步驟一，將襯底I在氫氣氣氛里進(jìn)行退火，清潔襯底表面，溫度控制在1030-120(TC之間，然后進(jìn)行氮化處理；
步驟二，將溫度下降到500-650°C之間，生長20-30 nm厚的低溫GaN緩沖層2，生長壓力控制在300-760 Torr之間，V / III摩爾比在500-3200之間；
步驟三，所述低溫GaN緩沖層2生長結(jié)束后，停止通入TMGa，將所述襯底I的溫度升高至900-1200°C之間，對所述低溫GaN緩沖層2原位進(jìn)行熱退火處理，退火時(shí)間在5_30min之間，退火之后，將溫度調(diào)節(jié)至1000-1200°C之間，外延生長厚度為O. 5-2Mm間的不摻雜高溫GaN緩沖層3，生長壓力在100-500 Torr之間，V / III摩爾比在300-3000之間；
步驟四，所述高溫GaN緩沖層3生長結(jié)束后，生長一層摻雜濃度穩(wěn)定的N型GaN層4，厚度在I. 2-4. 2Mm，生長溫度在1000-1200°C之間，壓力在100-600 Torr之間，V /III摩爾比在300-3000之間；
步驟五，所述N型GaN層4生長結(jié)束后，生長淺量子阱5，所述淺量子阱5由2_10個(gè)周期的InxGai_xN(0. 04<x<0. 4)/GaN多量子阱組成，所述淺量子阱的厚度在2_5nm之間，生長溫度在700-900°C之間，壓力在100-600 Torr之間，V / III摩爾比在300-5000之間；
步驟六，所述淺量子阱5生長結(jié)束后，生長發(fā)光層多量子阱6，所述發(fā)光層多量子阱6由3-15個(gè)周期的InyGahNOKyUVGaN多量子阱組成，所述發(fā)光層多量子阱6中In的摩爾組分含量在10%-50%之間保持不變，所述發(fā)光層多量子阱6的厚度在2-5nm之間，生長溫度在720-820°C之間，壓力在100-500 Torr之間，V / III摩爾比在300-5000之間；壘層厚度不變，厚度在10-15nm之間，生長溫度在820-920°C之間，壓力在100-500 Torr之間，V /III摩爾比在300-5000之間；
步驟七，所述發(fā)光層多量子阱6生長結(jié)束后，以N2作為載氣生長厚度IO-IOOnm之間的P型GaN層7，生長溫度在700-850°C之間，生長時(shí)間在5_35min之間，壓力在100-500 Torr之間，V / III摩爾比在300-5000之間；
步驟八，所述P型GaN層7生長結(jié)束后，生長厚度10-50nm之間的P型AlGaN層8，生長溫度在900-1100°C之間，生長時(shí)間在5-15min之間，壓力在50-500 Torr之間，V / III摩爾比在1000-20000之間；
步驟九，所述P型AlGaN層8生長結(jié)束后，生長厚度100_800nm之間的P型GaN層9，生 長溫度在850-950°C之間，生長時(shí)間在5-30min之間，壓力在250-550 Torr之間，V / III摩爾比在300-5000之間；
步驟十，所述P型GaN層9生長結(jié)束后，生長厚度5-20nm之間的P型接觸層10，生長溫度在850-1050°C之間，生長時(shí)間在I-IOmin之間，壓力在100-500 Torr之間，V / III摩爾比在1000-20000之間；
步驟i^一，將反應(yīng)室的溫度降至650-800 °C之間，采用純氮?dú)夥諊M(jìn)行退火處理
2-15min,隨后降至室溫，即得。
優(yōu)選的，所述襯底I的材料為藍(lán)寶石、GaN單晶、單晶硅或碳化硅單晶，以適合GaN及其半導(dǎo)體外延材料生長的材料。優(yōu)選的，在所述步驟八中，所述P型AlGaN層8的Al的摩爾組分含量控制在10%-30% 之間。優(yōu)選的，在所述步驟九中，在生長所述P型GaN層9的過程中，三甲基鎵的摩爾流量為4. 63 X KT4至I. 40 X 10。摩爾每分鐘，二茂鎂的摩爾流量為8. I X 1(Γ4至3. 36 X 10。摩爾每分鐘，氨氣的流量為20至80升每分鐘。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明在P型AlGaN層之后高壓生長P型GaN層，高壓生長條件可以減少外延沉積過程中產(chǎn)生的碳，減小黃帶，能夠獲得高質(zhì)量的晶體，從而獲得高質(zhì)量的LED器件，提高器件發(fā)光效率和工作壽命，而且本發(fā)明具有步驟簡單、操作方便的特點(diǎn)。


圖I是利用本發(fā)明制備的LED外延結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明的實(shí)施例利用Vecco MOCVD系統(tǒng)實(shí)施。
如圖I所示的LED外延結(jié)構(gòu)，從下向上的順序依次包括襯底I、低溫GaN緩沖層2、高溫GaN緩沖層3、N型GaN層4、淺量子阱5、發(fā)光層多量子阱6、P型GaN層7、P型AlGaN層8、P型GaN層9、P型接觸層10。其制備方法如下
一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延生長方法，包括以下步驟
步驟一，將襯底I在氫氣氣氛里進(jìn)行退火，清潔襯底表面，溫度控制在1030-120(TC之間，然后進(jìn)行氮化處理，襯底I的材料為藍(lán)寶石、GaN單晶、單晶硅或碳化硅單晶，以適合GaN及其半導(dǎo)體外延材料生長的材料；
步驟二，將溫度下降到500-650°C之間，生長20-30 nm厚的低溫GaN緩沖層2，生長壓力控制在300-760 Torr之間，V / III摩爾比在500-3200之間；
步驟三，所述低溫GaN緩沖層2生長結(jié)束后，停止通入TMGa，將所述襯底I的溫度升高 至900-1200°C之間，對所述低溫GaN緩沖層2原位進(jìn)行熱退火處理，退火時(shí)間在5_30min之間，退火之后，將溫度調(diào)節(jié)至1000-1200°C之間，外延生長厚度為O. 5-2Mm間的不摻雜高溫GaN緩沖層3，生長壓力在100-500 Torr之間，V / III摩爾比在300-3000之間；
步驟四，所述高溫GaN緩沖層3生長結(jié)束后，生長一層摻雜濃度穩(wěn)定的N型GaN層4，厚度在I. 2-4. 2Mm，生長溫度在1000-1200°C之間，壓力在100-600 Torr之間，V /III摩爾比在300-3000之間；
步驟五，所述N型GaN層4生長結(jié)束后，生長淺量子阱5，所述淺量子阱5由2_10個(gè)周期的InxGai_xN(0. 04<x<0. 4)/GaN多量子阱組成，所述淺量子阱的厚度在2_5nm之間，生長溫度在700-900°C之間，壓力在100-600 Torr之間，V / III摩爾比在300-5000之間；
步驟六，所述淺量子阱5生長結(jié)束后，生長發(fā)光層多量子阱6，所述發(fā)光層多量子阱6由
3-15個(gè)周期的InyGahNOKyUVGaN多量子阱組成，所述發(fā)光層多量子阱6中In的摩爾組分含量在10%_50%之間保持不變，所述發(fā)光層多量子阱6的厚度在2-5nm之間，生長溫度在720-820°C之間，壓力在100-500 Torr之間，V / III摩爾比在300-5000之間；壘層厚度不變，厚度在10-15nm之間，生長溫度在820-920°C之間，壓力在100-500 Torr之間，V /III摩爾比在300-5000之間；
步驟七，所述發(fā)光層多量子阱6生長結(jié)束后，以N2作為載氣生長厚度IO-IOOnm之間的P型GaN層7，生長溫度在700-850°C之間，生長時(shí)間在5_35min之間，壓力在100-500 Torr之間，V / III摩爾比在300-5000之間；
步驟八，所述P型GaN層7生長結(jié)束后，生長厚度10-50nm之間的P型AlGaN層8，生長溫度在900-1100°C之間，生長時(shí)間在5-15min之間，壓力在50-500 Torr之間，V / III摩爾比在1000-20000之間，P型AlGaN層8的Al的摩爾組分含量控制在10%_30%之間；
步驟九，所述P型AlGaN層8生長結(jié)束后，生長厚度100_800nm之間的P型GaN層9，生長溫度在850-950°C之間，生長時(shí)間在5-30min之間，壓力在250-550 Torr之間，V / III摩爾比在300-5000之間，在生長P型GaN層9的過程中，三甲基鎵的摩爾流量為4. 63 X 10_4至I. 40X 10_3摩爾每分鐘，二茂鎂的摩爾流量為8. IX 10_4至3. 36X 10_3摩爾每分鐘，氨氣的流量為20至80升每分鐘；
步驟十，所述P型GaN層9生長結(jié)束后，生長厚度5-20nm之間的P型接觸層IO，生長溫度在850-1050°C之間，生長時(shí)間在I-IOmin之間，壓力在100-500 Torr之間，V / III摩爾比在1000-20000之間；步驟i^一，將反應(yīng)室的溫度降至650-800 °C之間，采用純氮?dú)夥諊M(jìn)行退火處理
2-15min,隨后降至室溫，即得如圖I所示的LED外延結(jié)構(gòu)。外延結(jié)構(gòu)(外延片)經(jīng)過清洗、沉積、光刻和刻蝕等后續(xù)加工工藝制成單科小尺寸
-H-* I I
心/T O本實(shí)施例以高純氫氣或氮?dú)庾鳛檩d氣，以三甲基鎵(TMGa)，三乙基鎵(TEGa)、三甲基鋁(TMA1 )、三甲基銦(TMIn)和氨氣(NH3)分別作為Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)和二茂鎂(Cp2Mg)分別作為η、P型摻雜劑。
本實(shí)施例通過在P型AlGaN層之后高壓生長P型GaN層，高壓生長條件可以減少外延沉積過程中產(chǎn)生的碳，減小黃帶，能夠獲得較高的晶體質(zhì)量，從而可以獲得高質(zhì)量的LED器件，提高器件發(fā)光效率及工作壽命。本實(shí)施例所述的高壓是指其生長壓力在整個(gè)P層中壓力為最聞。
權(quán)利要求
1.一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延生長方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一，將襯底(I)在氫氣氣氛里進(jìn)行退火，清潔襯底表面，溫度控制在1030-1200°c之間，然后進(jìn)行氮化處理； 步驟二，將溫度下降到500-650°C之間，生長20-30 nm厚的低溫GaN緩沖層(2)，生長壓力控制在300-760 Torr之間，V / III摩爾比在500-3200之間；步驟三，所述低溫GaN緩沖層(2)生長結(jié)束后，停止通入TMGa，將所述襯底(I)的溫度升高至900-1200°C之間，對所述低溫GaN緩沖層(2)原位進(jìn)行熱退火處理，退火時(shí)間在5-30min之間，退火之后，將溫度調(diào)節(jié)至1000-1200°C之間，外延生長厚度為O. 5_2Mm間的不摻雜高溫GaN緩沖層(3)，生長壓力在100-500 Torr之間，V /III摩爾比在300-3000之間；步驟四，所述高溫GaN緩沖層(3)生長結(jié)束后，生長一層摻雜濃度穩(wěn)定的N型GaN層(4)，厚度在L 2-4. 2Mm，生長溫度在1000-1200°C之間，壓力在100-600 Torr之間，V /III摩爾比在300-3000之間； 步驟五，所述N型GaN層(4)生長結(jié)束后，生長淺量子阱(5)，所述淺量子阱(5)由2-10個(gè)周期的InxGai_xN(0. 04<x<0. 4)/GaN多量子阱組成，所述淺量子阱(5)的厚度在2_5nm之間，生長溫度在700-900°C之間，壓力在100-600 Torr之間，V / III摩爾比在300-5000之間； 步驟六，所述淺量子阱(5)生長結(jié)束后，生長發(fā)光層多量子阱(6)，所述發(fā)光層多量子阱(6)由3-15個(gè)周期的InyGahNOKyUVGaN多量子阱組成，所述發(fā)光層多量子阱(6)中In的摩爾組分含量在10%-50%之間保持不變，所述發(fā)光層多量子阱(6)的厚度在2-5nm之間，生長溫度在720-820°C之間，壓力在100-500 Torr之間，V / III摩爾比在300-5000之間；壘層厚度不變，厚度在10-15nm之間，生長溫度在820-920°C之間，壓力在100-500 Torr之間，V / III摩爾比在300-5000之間； 步驟七，所述發(fā)光層多量子阱(6)生長結(jié)束后，以N2作為載氣生長厚度IO-IOOnm之間的P型GaN層(7)，生長溫度在700-850°C之間，生長時(shí)間在5_35min之間，壓力在100-500Torr之間，V / III摩爾比在300-5000之間； 步驟八，所述P型GaN層(7)生長結(jié)束后，生長厚度10-50nm之間的P型AlGaN層(8)，生長溫度在900-1100°C之間，生長時(shí)間在5-15min之間，壓力在50-500 Torr之間，V /III摩爾比在1000-20000之間； 步驟九，所述P型AlGaN層(8)生長結(jié)束后，生長厚度100_800nm之間的P型GaN層(9)，生長溫度在850-950°C之間，生長時(shí)間在5-30min之間，壓力在250-550 Torr之間，V/ III摩爾比在300-5000之間； 步驟十，所述P型GaN層(9 )生長結(jié)束后，生長厚度5-20nm之間的P型接觸層(10 )，生長溫度在850-1050°C之間，生長時(shí)間在I-IOmin之間，壓力在100-500 Torr之間，V /III摩爾比在1000-20000之間； 步驟i^一，將反應(yīng)室的溫度降至650-800 °C之間，采用純氮?dú)夥諊M(jìn)行退火處理2-15min,隨后降至室溫，即得。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氮化鎵基發(fā)光二極管外延生長方法，其特征在于，所述襯底(I)的材料為藍(lán)寶石、GaN單晶、單晶硅或碳化硅單晶。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氮化鎵基發(fā)光二極管外延生長方法，其特征在于，在所述步驟八中，所述P型AlGaN層(8)的Al的摩爾組分含量控制在10%_30%之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的氮化鎵基發(fā)光二極管外延生長方法，其特征在于，在所述步驟九中，在生長所述P型GaN層(9)的過程中，三甲基鎵的摩爾流量為4. 63 X 10_4至I.40 X 10_3摩爾每分鐘，二茂鎂的摩爾流量為8. I X 10_4至3. 36 X 10_3摩爾每分鐘，氨氣的流量為20至80升每分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延生長方法，包括以下步驟將襯底進(jìn)行退火，然后進(jìn)行氮化處理；降溫生長低溫GaN緩沖層；升高襯底的溫度，對所述低溫GaN緩沖層原位進(jìn)行熱退火處理，外延生長高溫GaN緩沖層；然后生長一層摻雜濃度穩(wěn)定的N型GaN層；生長淺量子阱；生長發(fā)光層多量子阱；以N2作為載氣生長P型GaN層；生長P型AlGaN層；生長P型GaN層；生長P接觸層；降低反應(yīng)室的溫度，退火，再降至室溫。本發(fā)明提供的方法在P型AlGaN層之后高壓生長P型GaN層，高壓生長條件可以減少外延沉積過程中產(chǎn)生的碳，減小黃帶，能夠獲得高質(zhì)量的晶體，從而獲得高質(zhì)量的LED器件，提高器件發(fā)光效率和工作壽命。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102842661SQ201210335768
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月12日
發(fā)明者郭麗彬 申請人:合肥彩虹藍(lán)光科技有限公司