一種提高GaN基LED內量子效率的外延方法與流程
2023-05-26 18:11:31 2
本發明屬於光電子器件領域，具體涉及一種提高GaN基LED內量子效率的外延方法。
背景技術：
氮化鎵基發光二極體（Light Emitting Diode，LED）具有高亮度、低能耗、長壽命、響應速度快及環保等特點，廣泛地應用於室內及路燈照明、交通信號以及戶外顯示、汽車車燈照明、液晶背光源等多個領域。因此，大功率白光LED被認為是21世紀的照明光源。
目前商業化的GaN基LED外延結構大都是在藍寶石襯底上沿[0001]方向（c軸）異質外延。由於藍寶石襯底和纖鋅礦結構GaN在晶格常數、熱膨脹係數上存在較大的差異，使得GaN體材料中的缺陷密度高達108cm-2。在外延生長中由於缺陷的遺傳效應，會使得缺陷延伸至多量子阱區域。其次，為了提高In的併入效率，InGaN阱層的生長溫度不能高於800℃，且In的成分越高要求的生長溫度越低，然而在低溫下NH3裂解不充分，因此在外延生長中會形成諸多缺陷，如N空位，反位缺陷等，使得晶體質量下降，LED發光效率嚴重降低。為了提高晶體質量，GaN壘層的生長溫度普遍要高於InGaN阱層的生長溫度，這就需要引入低溫GaN蓋層來防止升溫時In的流失。雖然GaN蓋層能有效的防止In的流失，然而由於生長溫度低，晶體質量較差。總之位於多量子阱有源區的缺陷，諸如In團簇、失配位錯，穿透位錯，堆垛層錯，表面凹坑及V形坑等，會形成非輻射複合中心，使得載流子由於非輻射複合而大量減少，嚴重降低了LED的內量子效率。
技術實現要素：
本發明目的在於針對上述問題，提供一種提高GaN基LED內量子效率的外延方法，該方法不僅能夠降低量子阱區域缺陷密度，且製備方法簡單，製備成本較低。
本發明是通過以下技術方案實現的：一種提高GaN基LED內量子效率的外延方法，包括以下步驟：
提供一襯底並對襯底進行表面清潔；
在清潔後的襯底上生長GaN成核層並高溫退火處理；
在退火後的GaN成核層上生長非故意摻雜GaN層；
在非故意摻雜GaN層上生長n型GaN層；
在n型GaN層上生長多量子阱發光層，所述多量子阱發光層為若干對InGaN阱層/低溫GaN蓋層/高溫GaN壘層依次從下向上交替堆疊組成，且低溫GaN蓋層生長過程中通入H2氣體；
在多量子阱發光層上生長p-AlGaN電子阻擋層；
在p-AlGaN電子阻擋層上生長p-GaN層和p-GaN接觸層。
本發明中生長GaN成核層並高溫退火處理時，所述高溫退火處理的溫度為950-1110℃。
具體應用時，所述多量子阱發光層的一個生長周期裡先通入NH3氣體、In源、Ga源，生長InGaN阱層；阱層生長完後，僅關閉In源，並通入H2，生長GaN蓋層；蓋層長完後，關閉Ga源和H2氣體並開始升溫，待溫度達到壘層生長溫度並穩定後，再打開Ga源，生長GaN壘層。待壘層生長完成，關閉Ga源開始降溫，待溫度達到阱層生長溫度並穩定後，再打開Ga源和In源，生長下一個周期的阱層。當然，在生長形成GaN基LED過程中一直不斷的通入有N2氣體，N2氣體一方面充當載氣，一方面提供作為補償氣。
本發明中低溫GaN蓋層的生長溫度與InGaN阱層的生長溫度一致，高溫GaN壘層的生長溫度高於InGaN阱層和GaN蓋層的生長溫度。低溫GaN蓋層用來保護InGaN阱層上的In原子，防止In原子在升溫過程中蒸發並脫附。
另外，本發明在生長多量子阱的過程中，僅低溫GaN蓋層的生長過程中通入H2，而InGaN阱層和GaN壘層的生長過程中沒有H2氣體。
進一步優選的，所述H2氣體的流量為低溫GaN蓋層生長過程中通入的所有氣體總流量的0.1%-20%。該所有氣體僅含有NH3氣體、H2氣體以及N2氣體。
具體實施時，所述多量子阱發光層中InGaN阱層/低溫GaN蓋層/高溫GaN壘層的周期數為1-20對。
優選的，所述多量子阱發光層中InGaN阱層的厚度為1-6nm，低溫GaN蓋層的厚度為0.2-6nm，GaN壘層的厚度為5-20nm。
優選的，所述InGaN阱層中In組分以摩爾百分數計為5-40%。
通過以上工藝，在生長多周期量子阱的低溫GaN蓋層時，原位通入H2氣體，不僅能夠去除或者鈍化發光區域的位錯、雜質、V形坑等缺陷，提高晶體質量，還能夠減少In的團簇，改善In組分的均勻性，有利於形成陡峭的阱壘界面。因此，通過本發明可以達到提高GaN基LED的內量子效率的目的。
附圖說明
圖1為傳統方法生長的外延片流程圖。
圖2為現有技術生長的外延片流程圖。
圖3為本發明採用InGaN阱層/H2氣體處理的低溫GaN蓋層/高溫GaN壘層組成的多量子阱結構的外延片和傳統InGaN阱層/低溫GaN蓋層/高溫GaN壘層結構的室溫（300K）光螢光譜對比圖。當然，在做室溫光螢光譜時，本發明與傳統的多量子阱結構作對比時唯一變量為是否被H2氣體處理，其他條件及結構完全相同。另外圖3中低溫GaN蓋層生長過程中通入H2氣體的流量為總流量的2.5%。由圖可以看出本發明採用InGaN阱層/H2氣體處理的低溫GaN蓋層/高溫GaN壘層組成的多量子阱結構的外延片發光波長藍移了12nm，雖然波長藍移，但是室溫下的發光強度約提高了3倍。上述光螢光譜的對比測試採用的是He-Cd 雷射器、激發波長325nm的PL光譜儀。
圖4為本發明採用InGaN阱層/H2氣體處理的低溫GaN蓋層/高溫GaN壘層組成的多量子阱結構的外延片和傳統InGaN阱層/低溫GaN蓋層/高溫GaN壘層組成的多量子阱結構的外延片的內量子效率對比圖。當然，在做內量子效率測定時，本發明與傳統的多量子阱結構作對比時唯一變量為是否被H2氣體處理，其他條件及結構完全相同。另外圖4中本發明低溫GaN蓋層生長過程中通入H2氣體的流量為總流量的2.5%。內量子效率值採用以下計算公式：。其中I10K和I300K分別為在10K和300K時測得的光螢光譜的積分強度。可以看出本發明採用InGaN阱層/H2氣體處理的低溫GaN蓋層/高溫GaN壘層組成的多量子阱結構的外延片內量子效率約提高了2.1倍。10K和300K時光螢光譜的測試採用的是He-Cd 雷射器、激發波長325nm的PL光譜儀。
具體實施方式
下面通過實施例對本發明進行更進一步的說明。如在通篇說明書當中所提及的「僅含有」或者「僅」為一封閉式用語，故應解釋成「只有」。 「約」是指在可接受的誤差範圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題，基本達到所述技術效果。
本發明提供了一種提高GaN基LED內量子效率的外延方法（參見圖2），包括以下步驟：
提供一襯底並對襯底進行表面清潔；
在清潔後的襯底上生長GaN成核層並高溫退火處理；
在退火後的GaN成核層上生長非故意摻雜GaN層；
在非故意摻雜GaN層上生長n型GaN層；
在n型GaN層上生長多量子阱發光層，所述多量子阱發光層為若干對InGaN阱層/低溫GaN蓋層/高溫GaN壘層依次從下向上交替堆疊組成，且低溫GaN蓋層生長過程中通入H2氣體；
在多量子阱發光層上生長p-AlGaN電子阻擋層；
在p-AlGaN電子阻擋層上生長p-GaN層和p-GaN接觸層。
進一步的本發明所述外延方法的其中一種具體實施方式是：本發明的外延方法是在MOCVD機臺型號Aixtron TS300的儀器中實現的。其中生長多量子阱發光層時，保 持 反 應 腔 壓 力200-600mBar、通入流量為4000sccm（可採用的範圍2000-6000sccm）的NH3氣體、In源和Ga源的流量是由載氣N2輸送進反應腔的，其中In源流量為20-400sccm、Ga源流量為5-100sccm。在溫度為650-800℃的範圍內生長InGaN阱層，生長過程中壓力、溫度以及通入NH3氣體、In源、Ga源的流量保持恆定；阱層生長完後，僅關閉In源，並通入佔總流量2.5%的H2（可選擇0.1%-20%中的任意體積百分比，例如0.1%、10%或20%），生長GaN蓋層，生長過程中壓力、溫度以及通入NH3氣體、Ga源的流量保持恆定；蓋層長完後，關閉Ga源和H2氣體並開始升溫至750-950℃，保持反應腔的壓力不變，氨氣流量不變，Ga源流量為10-100sccm，溫度穩定後開始生長GaN壘層，生長過程中壓力、溫度以及通入NH3氣體、In源、Ga源的流量保持恆定。待壘層生長完成，關閉Ga源和In源開始降溫，待溫度達到阱層生長溫度並穩定後，再通入流量為20-400sccm的In源、流量為5-100sccm的Ga源，生長下一個周期的阱層，重複上述步驟。周期數為1-20對。其中N2作為載氣和補償氣體維持反應腔的總流量在整個量子阱生長過程中基本保持恆定，N2的流量在2000-6000sccm，在生長過程中會根據NH3，In源，Ga源，H2的流量變化進行相應的補償。
進一步，所述多量子阱發光層中InGaN阱層的厚度為1-6nm，低溫GaN蓋層的厚度為0.2-6nm，GaN壘層的厚度為5-20nm。
進一步，所述InGaN阱層中In組分以摩爾百分數計為5-40%。