一種led外延生長方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體電子器件制備技術(shù)，特別涉及一種新的LED外延生長方法。
【背景技術(shù)】
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[0002]近年來，三族氮化物廣泛用于發(fā)光二極管、激光器和探測器等光電器件并且表現(xiàn)出很好的發(fā)展前景。GaN基發(fā)光二極管(LEDs)是未來應(yīng)用于通用照明最有前景的固態(tài)光源，它的廣泛應(yīng)用將可以節(jié)約大量能源。通常的LED外延生長工藝是:使用MOCVD設(shè)備，先在藍(lán)寶石襯底上生長buffer緩沖層，接著生長一層無摻雜高溫GaN層，再生長一層摻Si的高溫n-GaN，用以提供復(fù)合的電子，然后生長InxGahNAlyGa1INO)彡x彡1，0彡y彡I)多量子阱層，接著再生長一層P-AlGaN層，最后再生長一層摻Mg的ρ-GaN層，用以提供發(fā)光復(fù)合的空穴。生長過程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是多量子阱層的生長，多量子阱層的設(shè)計(jì)直接決定了LED的發(fā)光波長，亮度和器件穩(wěn)定性等關(guān)鍵參數(shù)，因此，多量子阱層的設(shè)計(jì)一直備受人們關(guān)注。
[0003]目前，生長GaN大多是沿著六角形晶體的C面方向進(jìn)行生長，由于晶體在此方向上缺乏反演對稱性，存在著強(qiáng)烈的自發(fā)極化，并且在多量子阱中，量子皇和量子阱材料的晶格大小存在差異，這使得在這兩層的界面處存在應(yīng)力，從而產(chǎn)生壓電極化，自發(fā)極化和壓電極化共同作用，在GaN的生長方向上產(chǎn)生的強(qiáng)烈的極化電場。這種極化效應(yīng)產(chǎn)生的極化電場不僅會改變有效禁帶寬度，使得LED發(fā)光波長在大電流注入條件下發(fā)生藍(lán)移，降低器件的穩(wěn)定性，還將使量子阱中的空穴電子空間分布波函數(shù)發(fā)生分離，導(dǎo)致LED內(nèi)量子效率降低，發(fā)光強(qiáng)度降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0004]本發(fā)明提供一種新的LED外延生長方法，能有效提升LED內(nèi)量子效率，提高LED的發(fā)光強(qiáng)度，并使LED發(fā)光波長穩(wěn)定性得到提高。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]一種LED外延生長方法，包括依次進(jìn)行低溫緩沖層、無摻雜高溫GaN層、摻Si的尚溫GaN層、InxGa1-JiN/AlyGa1^N多星子講層、P-AlGaN層以及慘Mg的p_GaN層的生長，O彡X彡1，0彡y彡I ;有別于現(xiàn)有技術(shù)的是:至少有一個周期的InxGa^N量子阱生長過程中插入了晶格常數(shù)更小的多個InaGa1J薄層，O彡a < x彡I ;至少有一個周期的AlyGaJ量子皇生長過程中插入了晶格常數(shù)更大的多個AlbGagN薄層，O < b < y < I。
[0007]基于以上方案本發(fā)明還作如下優(yōu)化:
[0008]在一個周期的InxGahN量子阱生長過程中共有I?5個插入的InaGa1J薄層，每一 InaGahN薄層的厚度為0.3?2.0nm ;在一個周期的AlyGa^N量子皇生長過程中共有I?20個插入的AlbGa1^N薄層，每一 AlbGa1^N薄層的厚度為0.3?2.0nm。
[0009]InxGahN量子阱的所有周期均插入多個InaGa1J薄層，和/或AlyGaJ量子皇的所有周期均插入多個AlbGagN薄層。
[0010]InxGahN量子阱的各個周期的生長過程相同，AlyGa1J量子皇的各個周期的生長過程相同。
[0011]在一個周期的InxGahN量子阱生長過程中共有2個插入的InaGa1J薄層，每一InaGa1J薄層的厚度為0.8nm ;在一個周期的AlyGa1J量子皇生長過程中共有5個插入的AlbGa1^bN薄層，每一 AlbGa1^N薄層的厚度為1.0nm0
[0012]相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種LED外延結(jié)構(gòu)，包括依次生長的低溫緩沖層、無摻雜高溫GaN層、慘Si的尚溫GaN層、Ir^GahN/AlyGapyN多星子講層、P-AlGaN層以及慘Mg的P-GaN層，O彡X彡1，0彡y彡I ;其特征在于:至少有一個周期的InxGa^N量子阱中插入有晶格常數(shù)更小的多個InaGa1J薄層，O彡a < x彡I ;至少有一個周期的AlyGa^N量子皇中插入有晶格常數(shù)更大的多個AlbGagN薄層，O彡b < y彡I。對于該LED外延結(jié)構(gòu)，也如前述外延生長方法作相應(yīng)的優(yōu)化。
[0013]本發(fā)明的有益效果如下:
[0014]本發(fā)明在InxGa^xN量子阱中插入了晶格常數(shù)更小的InaGawNO)彡a < x彡I)層，有效利用了界面極化效應(yīng)，在量子阱中形成了與原極化電場方向相反的電場，削弱了電場對電子空穴分布的影響。又因?yàn)椴迦雽雍穸茸銐虮?，以至于載流子能自由的從插入層勢皇中隧穿，可忽略勢皇的存在。兩種因素共同作用，從而產(chǎn)生如圖3效果，量子阱被分成多個部分，但宏觀量子阱傾斜角度較圖1 (傳統(tǒng)量子阱結(jié)構(gòu))明顯減小，即增加了量子阱內(nèi)電子空穴波函數(shù)重疊面積，使LED內(nèi)量子效率提高，發(fā)光增強(qiáng)。并且在大電流注入時，有效禁帶寬度變化減小，即使LED發(fā)光波長的穩(wěn)定性得到提高。
[0015]本發(fā)明在AlyGaJ量子皇中插入了晶格常數(shù)更大的AlbGa1^3N, (O ^ b < y ^ I)薄層，原理同上，能宏觀改善量子皇傾斜現(xiàn)象，從而在保證量子皇層對量子阱層載流子的限制作用的同時，降低了量子皇層的高度，從而使LED的工作電壓得到降低。
【附圖說明】
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[0016]圖1為傳統(tǒng)量子阱結(jié)構(gòu)能帶示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖。
[0018]圖3為本發(fā)明量子阱結(jié)構(gòu)能帶最終效果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
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[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳述。
[0020]本發(fā)明運(yùn)用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀(MOCVD)外延生長技術(shù)，采用三甲基鎵(TMGa)，三乙基鎵(TEGa)，和三甲基銦(TMIn),三甲基鋁(TMAl)和氨氣(NH3)硅烷(SiH4)和二茂鎂(cp2mg)分別提供生長所需要的鎵源、銦源、鋁源、氮源、硅源和鎂源。
[0021]如圖2所示，在InxGahN量子阱層中插入了晶格常數(shù)更小的薄層，如插入InaGa1^aN,O ^ a < x ^ I ;在AlyGa^yN量子皇層中插入了晶格常數(shù)更大的薄層，如插入AlbGa1^bN,O ^ b < y ^ 1
[0022]插入的InaGa1J^薄層的厚度為0.3?2.0nm，插入量子講的層數(shù)為I?5層，不同的量子阱插入的層數(shù)可以不同，最佳插入層數(shù)是以約0.8nm厚度插入2層。
[0023]插入的AlbGa1^N薄層的厚度為0.3?2.0nm，插入量子皇的層數(shù)為I?20層，不同的量子皇插入的層數(shù)可以不同，最佳插入層數(shù)是以1.0nm厚度插入5層。
[0024]利用插入層與量子阱層之間形成的極化電場，對傾斜的能帶進(jìn)行調(diào)整，增加量子阱內(nèi)電子空穴波函數(shù)重疊面積，從而提高LED內(nèi)量子效率，增強(qiáng)發(fā)光。
[0025]在量子皇中的插入層能宏觀改善量子皇傾斜現(xiàn)象，從而在保證量子皇層對量子阱層載流子的限制作用的同時，降低了量子皇層的高度，有效降低LED工作電壓。
[0026]實(shí)施例一(本發(fā)明)
[0027]1.將清洗后的藍(lán)寶石襯底放入MOCVD設(shè)備中，在1100°C烘烤10分鐘。
[0028]2.降溫度620°C生長一層厚度為1nm的低溫GaN層，生長壓力為500torr。
[0029]3.升溫至1165°C生長一層厚度1.5um的無摻雜U-GaN層，生長壓力為200torr。
[0030]4.升溫至1170 °C，生長一層厚度為2.0um摻雜硅烷的n-GaN層，生長壓力為200torro
[0031]5.切換載氣，由氫氣變?yōu)榈獨(dú)?，壓力?00torr。降溫至1065°C，先生長厚度為Inm的Ina42Gaci 58