一種提高led發光效率的外延生長方法
2023-07-01 23:02:51
一種提高led發光效率的外延生長方法
【專利摘要】本發明提供一種提高LED發光效率的外延生長方法。本發明在生長GaN/InGaN量子阱壘周期結構中間加入了一層摻雜n型AlGaN勢壘層，採用Al組分漸變結構，能夠部分阻擋n區的電子，並且減小電子的注入動能，從而使得熱電子容易被勢阱俘獲並在後面的量子阱區容易與空穴發生複合發光，減小電子溢出效應。之後的p型AlGaN阻擋層採用Al組分漸變結構，能夠改善材料的生長質量，並且漸變結構相比以往的單一組分結構能夠更利於空穴的注入效果同時對電子起到二次阻擋。
【專利說明】—種提局LED發光效率的外延生長方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於LED器件材料製備和結構設計【技術領域】，特別涉及一種新的生長GaN基LED外延方法。
【背景技術】
[0002]GaN為基本材料的三五族半導體LED成為目前最具前景的照明光源。與傳統的照明光源相比，LED半導體照明光源具有的優點有發光效率高、體積小、壽命長、節能、環保等，目前的GaN基LED外延生長結構過程一般為:先在藍寶石襯底上生長一層低溫GaN緩衝層，然後接著高溫下生長一層未摻雜的GaN,再接著生長一層η型摻雜層,摻雜材料一般為娃烷，提供LED複合發光所需要的電子，然後接著生長几個周期的GaN/InGaN厚度分別為3nm和15nm左右的量子阱和量子壘作為LED的發光層，η摻雜區的電子和p摻雜區的空穴在量子阱區域複合發光，接著再生長摻雜鎂的AlGaN層，起到阻擋電子的作用，最後生長一層摻雜鎂的GaN層，這一層提供複合發光的空穴。以上所稱的「高溫」、「低溫」在本領域是具有明確意義的技術術語。
[0003]目前的電子阻擋層多採用摻雜鎂的P型AlGaN層；電子阻擋層在LED的外延中起著重要的作用，可以通過阻擋電子來提高電子和空穴在發光區的有效發光複合。我們分析認為，現有技術的P型AlGaN層均為單層，要起到良好的阻擋電子的作用就需要提高勢壘的高度，但是較高的勢壘同樣也會限制空穴的注入效率，同時也不利於材料的生長，而且生長的過程中還要控制AlGaN的厚度，過厚或過薄都會產生不利影響，從而對LED的發光效率造成極大影響。
【發明內容】
[0004]為了提高LED晶片的發光效率，本發明提供一種新的外延生長方法和結構，來增強P型AlGaN層對電子的阻擋作用和增加空穴注入效率，並且提升AlGaN阻擋層的材料質量，從而最終提升LED整體的發光效率。
[0005]本發明的基本方案如下:
[0006]一種提高LED發光效率的外延生長方法，主要包括以下步驟:
[0007](I)在藍寶石襯底上生長低溫GaN緩衝層；
[0008](2 )生長未摻雜的高溫GaN層；
[0009](3 )生長摻雜矽烷的η型GaN層；
[0010](4)生長摻雜矽烷的η型AlGaN層；
[0011](5)生長若干個周期的GaN/InGaN量子阱壘結構；
[0012]在整個生長若干個周期的GaN/InGaN量子阱壘結構的過程中間，還插入生長一層摻矽烷的AlGaN壘層，其中Al的含量漸變增加；在該摻矽烷的AlGaN壘層後生長的量子阱壘周期結構，壘層摻雜矽烷且壘層周期遞減；
[0013](6)生長一層摻雜鎂的P型AlGaN層，其中Al的組分漸變減小；[0014](7)長完之後生長一層摻雜鎂的P型GaN ；
[0015](8)氮氣氛圍下退火。
[0016]基於上述基本方案，本發明還做如下優化限定和改進:
[0017]上述步驟(5)中插入生長摻矽烷的AlGaN壘層厚度為5_10nm，在生長過程中通入的Al的摩爾流速從O逐漸增加到20umol/min。上述步驟(6)生長摻雜鎂的p型AlGaN層厚度為30-90nm,在生長過程中通入的Al的摩爾流速從40umol/min逐漸減小到O。
[0018]上述步驟(5)的三個階段，第一階段生長2-3個周期的GaN/InGaN量子阱壘結構，其中每個周期在850°C生長一層12nm GaN、在750°C生長一層3nm的InGaN ;第二階段溫度升至950°C，生長一層厚度5nm摻矽烷的AlGaN壘層，其中通入的Al含量逐漸增加；第三階段繼續生長2-3個周期的GaN/InGaN量子阱壘結構，其中的壘層摻雜矽烷且壘層周期遞減，其他生長條件與第一階段的生長條件一致。
[0019]相應的，按照上述方法製得的外延片結構，主要包括依次生長的以下各層:
[0020]藍寶石襯底；
[0021 ] 低溫GaN緩衝層；
[0022]高溫GaN 層；
[0023]摻雜矽烷的η型GaN層；
[0024]摻雜矽烷的η型AlGaN層；
[0025]若干個周期的GaN/InGaN量子阱壘結構；
[0026]在整個若干個周期的GaN/InGaN量子阱壘結構中間，還插入生長一層摻矽烷的AlGaN壘層，其中Al的含量漸變增加；在該摻矽烷的AlGaN壘層後生長的量子阱壘周期結構，壘層摻雜矽烷且壘層周期遞減；
[0027]摻雜鎂的P型AlGaN層，其中Al的組分漸變減小；
[0028]摻雜鎂的P型GaN。
[0029]相應的優化結構如下:
[0030]插入生長摻矽烷的AlGaN壘層厚度為5-10nm，在生長過程中通入的Al的摩爾流速從O逐漸增加到20umol/min使得該摻矽烷的AlGaN壘層中Al含量沿生長方向漸變增加；摻雜鎂的P型AlGaN層厚度為30-90nm，在生長過程中通入的Al的摩爾流速從40umol/min逐漸減小到O使得該摻雜鎂的P型AlGaN層中Al含量沿生長方向漸變減小。
[0031]整個生長若干個周期的GaN/InGaN量子阱壘結構沿生長方向分為三層階段:第一階段共有2-3個周期的GaN/InGaN量子阱壘結構，其中每個周期依次生長12nm GaN、3nm的InGaN ;第二階段為厚度5nm摻矽烷的AlGaN壘層，其中Al含量沿生長方向逐漸增加；第三階段共有2-3個周期的GaN/InGaN量子阱壘結構，其中的壘層摻雜矽烷且壘層周期遞減，其他結構特點與第一階段一致。
[0032]本發明具有以下有益效果:
[0033]本發明在生長GaN/InGaN量子阱壘周期結構中間加入了一層摻雜η型AlGaN勢壘層，採用Al組分漸變結構，能夠部分阻擋η區的電子，並且減小電子的注入動能，從而使得熱電子容易被勢阱俘獲並在後面的量子阱區容易與空穴發生複合發光，減小電子溢出效應。之後的P型AlGaN阻擋層採用Al組分漸變結構，能夠改善材料的生長質量，並且漸變結構相比以往的單一組分結構能夠更利於空穴的注入效果同時對電子起到二次阻擋。[0034]採用兩個AlGaN漸變阻擋層能夠對電子起到二次阻擋作用，利於電子在到達第一個阻擋層之後發生發光複合，並且減小電子的溢出效應，同時漸變的勢壘對空穴提供了更加低的勢能注入，增大空穴在後面阱的態密度，增大有效複合，從而提高LED的整體發光效率。【專利附圖】
【附圖說明】
[0035]圖1為生長的外延整體結構。
[0036]圖2為為漸變雙勢壘AlGaN的能帶結構。
【具體實施方式】
[0037]本發明運用金屬有機化合物化學氣相沉澱(MOCVD)外延生長技術，採用三甲基鎵(TMGa)，三乙基鎵(TEGa)，和三甲基銦(TMIn),三甲基鋁(TMAl)和氨氣(NH3)矽烷(SiH4)和二茂鎂(cp2mg)分別提供生長所需要的鎵源、銦源、鋁源和氮源，其中矽烷和鎂源分別用於η層和P層的摻雜。
[0038]本發明用現有的MOCVD技術設備先在藍寶石襯底上500°C左右生長一層低溫GaN緩衝層，然後接著在高溫下1000°c左右生長一層未摻雜的GaN，接著在1000°C左右生長一層摻雜矽烷的η型GaN層，接著繼續生長一層摻矽烷的η型AlGaN層，然後生長2_3個周期的GaN/InGaN量子阱壘結構，然後生長一層摻矽烷的AlGaN壘層，其中Al的含量逐漸增加，勢壘為漸變結構，接著繼續生長3個GaN/InGaN量子阱壘結構，其中的壘層摻雜矽烷；最後一個壘長完後生長一層摻雜鎂的P型AlGaN層，其中Al的組分漸變減小，長完之後生長一層摻雜鎂的P型GaN。
[0039]具體實例:
[0040]1.將藍寶石襯底清洗處理後，放入MOCVD設備在1100°C烘烤10分鐘。
[0041]2.降溫到550°C生長一層厚度20nm的低溫GaN層，生長壓力為400torr。
[0042]3.升溫到1020°C生長一層高溫厚度Ium的未摻雜GaN層，生長壓力為300torr。
[0043]4.溫度1030 C生長層0.5urn聞溫慘雜SiH4的η型GaN層，壓力200torr。
[0044]5.在溫度1030°C生長一層20nm摻矽烷的η型AlGaN層，壓力200torr。
[0045]6.在氮氣氛圍下，在400torr，850°C生長一層12nm GaN和750°C生長一層3nm的InGaN的量子阱壘結構，生長3個周期。
[0046]7.然後溫度升至950°C，打開SiH4，生長一層AlGaN，生長期間Al的摩爾流速從O逐漸增加到20umol/min，5nm左右，然後接著生長3個周期壘層摻雜矽烷的量子阱壘，其他生長條件與之前3個周期一樣。
[0047]8.長完後將溫度升至900°C，生長一層Al組分漸變的摻雜鎂的P型AlGaN，生長期間Al的摩爾流速從40umol/min減小到O,生長厚度為30nm。
[0048]9.在 950°C，200torr 生長一層摻鎂 p 型 GaN 層，厚度 200nm。
[0049]10.在氮氣氛圍下，退火20分鐘。
[0050]經測試，採用本發明的外延片製作的晶片較傳統LED外延片在同等條件工藝下加工製作的晶片的光效提升大約30%。
[0051]需要強調的是，以上實施例中給出了能夠達到最佳技術效果的具體參數，但這些溫度、厚度、壓力等具體參數大部分均是參照現有技術所做的常規選擇，不應視為對本發明權利要求保護範圍的限制。說明書中闡述了本發明技術改進的原理，本領域技術人員應當 能夠認識到在基本方案下對各具體參數做適度的調整仍然能夠基本實現本發明的目的。
【權利要求】
1.一種提高LED發光效率的外延生長方法，主要包括以下步驟: (1)在藍寶石襯底上生長低溫GaN緩衝層； (2)生長未摻雜的高溫GaN層； (3)生長摻雜矽烷的η型GaN層； (4)生長摻雜矽烷的η型AlGaN層； (5)生長若干個周期的GaN/InGaN量子阱壘結構； 在整個生長若干個周期的GaN/InGaN量子阱壘結構的過程中間，還插入生長一層摻矽烷的AlGaN壘層，其中Al的含量漸變增加；在該摻矽烷的AlGaN壘層後生長的量子阱壘周期結構，壘層摻雜矽烷且壘層周期遞減； (6)生長一層摻雜鎂的P型AlGaN層，其中Al的組分漸變減小； (7)長完之後生長一層慘雜續的P型GaN； (8)氮氣氛圍下退火。
2.根據權利要求1所述的外延生長方法，其特徵在於:步驟(5)中插入生長摻矽烷的AlGaN壘層厚度為5-10nm，在生長過程中通入的Al的摩爾流速從O逐漸增加到20umol/min ;步驟(6)生長摻雜鎂的P型AlGaN層厚度為30_90nm，在生長過程中通入的Al的摩爾流速從40umol/min逐漸減小到O。
3.根據權利要求1或2所述的外延生長方法，其特徵在於:步驟(5)的三個階段，第一階段生長2-3個周期的GaN/InGaN量子阱壘結構，其中每個周期在850°C生長一層12nmGaN、在750°C生長一層3nm的InGaN ;第二階段溫度升至950°C，生長一層厚度5nm摻矽烷的AlGaN壘層，其中通入的Al含量逐漸增加；第三階段繼續生長2_3個周期的GaN/InGaN量子阱壘結構，其中的壘層摻雜矽烷且壘層周期遞減，其他生長條件與第一階段的生長條件一致。
4.一種能夠提高LED發光效率的外延片結構，其特徵在於，包括依次生長的以下各層: 藍寶石襯底； 低溫GaN緩衝層； 聞溫GaN層； 摻雜矽烷的η型GaN層； 摻雜矽烷的η型AlGaN層； 若干個周期的GaN/InGaN量子阱壘結構； 在整個若干個周期的GaN/InGaN量子阱壘結構中間，還插入生長一層摻矽烷的AlGaN壘層，其中Al的含量漸變增加；在該摻矽烷的AlGaN壘層後生長的量子阱壘周期結構，壘層摻雜矽烷且壘層周期遞減； 摻雜鎂的P型AlGaN層，其中Al的組分漸變減小； 摻雜鎂的P型GaN。
5.根據權利要求4所述的外延片結構，其特徵在於:插入生長摻矽烷的AlGaN壘層厚度為5-10nm,在生長過程中通入的Al的摩爾流速從O逐漸增加到20umol/min使得該摻娃烷的AlGaN壘層中Al含量沿生長方向漸變增加；摻雜鎂的P型AlGaN層厚度為30_90nm，在生長過程中通入的Al的摩爾流速從40umol/min逐漸減小到O使得該摻雜鎂的p型AlGaN層中Al含量沿生長方向漸變減小。
6.根據權利要求4或5所述的外延片結構，其特徵在於，整個生長若干個周期的GaN/InGaN量子阱壘結構沿生長方向分為三層階段:第一階段共有2-3個周期的GaN/InGaN量子阱壘結構，其中每個周期依次生長12nm GaN、3nm的InGaN ;第二階段為厚度5nm摻矽烷的AlGaN壘層，其中Al含量沿生長方向逐漸增加；第三階段共有2_3個周期的GaN/InGaN量子阱壘結構，其中的壘層摻雜矽烷且壘層周期遞減，其他結構特點與第一階段一致。
【文檔編號】H01L33/30GK103887392SQ201410123718
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月28日 優先權日:2014年3月28日
【發明者】王曉波 申請人:西安神光皓瑞光電科技有限公司