專利名稱：一種綠光氮化物led外延片及其生長方法
技術領域：
本發(fā)明屬于半導體光電技術領域，特別是指一種氮化物綠光LED外延片的生產(chǎn)技術領域。
背景技術：
GaN基藍綠光技術實現(xiàn)了 LED對于可見光波段的全覆蓋，同時由于基于LED的照明技術具有節(jié)能、環(huán)保、無毒害、無污染、響應速度快、固體光源、抗震、抗沖擊、輕薄短小等特點，LED現(xiàn)在已經(jīng)廣泛的滲透進了我們的日常生活如信號指示和信息顯示等領域；液晶顯示用背光源、戶外及室內(nèi)等照明領域；以及生物、醫(yī)療等特殊領域的輻射照明功用。其中基于平板顯示產(chǎn)業(yè)以及在各照明領域的巨大市場，LED平面光源已成為其最重要的應用方向之一，對LED背光源市場需求逐漸強勁，已成為LED產(chǎn)業(yè)增長性相對突出的應用新領域。 但是LED也有一些限制其發(fā)光效率的一些因素，其中一大難題是QSCE效應，它會導致電子與空穴波函數(shù)在空間上的分離，導致內(nèi)量子效率下降。尤其在綠光LED中，其有源區(qū)的量子阱InGaN材料中In組分高達40%，所以在綠光LED有源區(qū)中GaN材料與InGaN材料存在著更嚴重的晶格不匹配現(xiàn)象，因而會產(chǎn)生更嚴重的計劃效應，更嚴重的極化電場會導致更嚴重的能帶彎曲。這樣綠光的內(nèi)量子效率就會嚴重下降。另外一大難題是空穴注入不足理論，GaN材料中，電子遷移率比空穴遷移率要高一到兩個數(shù)量級，而且P-GaN中Mg的激活能高達200meV，其電離率僅有1%左右。因此p_GaN中空穴的濃度很低。而AlGaN阻擋層的存在會在一定程度上進一步阻擋空穴向量子阱中的注入，這些因素都將導致低的空穴注入效率，使得在有源區(qū)中電子與空穴的濃度嚴重不匹配，從而限制了 LED的發(fā)光效率。怎樣解決或改善這兩大難題，提高綠光LED的發(fā)光效率勢在必行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種增加輻射復合、提高內(nèi)量子效率的綠光氮化物LED外延片。本發(fā)明包括依次設置在襯底上的低溫緩沖層、非故意摻雜的GaN層、N型電子注入層、N型InGaN/GaN插入層、多量子阱有源區(qū)、p-AlGaN電子阻擋層、P型空穴注入層和接觸層，所述多量子阱有源區(qū)包括4至20個量子阱有源區(qū)，每個量子阱有源區(qū)包括量子壘、量子阱和cap層，其特征在于在每個量子阱有源區(qū)的量子壘與量子阱之間設置一層In組分含量較低的InxGa(1_x)N材料層，組分x為3% 10% ;在最后一個量子阱有源區(qū)的cap層上設置量子壘，在所述量子壘與P-AlGaN電子阻擋層之間設置空穴注入層。本發(fā)明由于在量子壘與量子阱之間插入一層低In組分的InxGa(1_x)N材料層，這層結構能夠緩解QCSE效應帶來的電子與空穴波函數(shù)分離的現(xiàn)象，使得電子與空穴波函數(shù)在空間上重疊幾率變高。增加輻射復合，提高內(nèi)量子效率。本發(fā)明還在最后一層量子壘與P-AlGaN電子阻擋層之間設置了空穴注入層，該空穴注入層在低溫生長，低溫有利于空穴的激發(fā)；另外在低In組分的InxGa(1_x)N材料層中，Mg的激活能也有所下降，使得Mg的電離率進一步上升。因為空穴注入層具有高空穴濃度，大大提高了空穴注入效率，使得綠光氮化物LED外延片的內(nèi)量子效率大大提高。本發(fā)明上述在量子壘與P-AlGaN電子阻擋層的空穴注入層可以為一層p型InGaN材料，也可以為成對的P型InGaN/GaN超晶格材料。本發(fā)明另一目的是提出具有增加輻射復合、提高內(nèi)量子效率的綠光氮化物LED外延片的生長方法。本發(fā)明方法包括在襯底上依次生長低溫緩沖層、非故意摻雜的GaN層、N型電子注入層、N型InGaN/GaN插入層和由4至20個量子阱有源區(qū)組成的多量子阱有源區(qū)，每個量子阱有源區(qū)依次包括量子壘、量子阱和cap層；在P-AlGaN電子阻擋層上依次生長P型空穴注入層和接觸層；其特征在于在生長多量子阱有源區(qū)時于在每個量子阱有源區(qū)的量子壘 與量子阱之間生長一層In組分含量較低的InGaN材料層；在最后一個量子阱有源區(qū)的cap層上生長量子壘，在所述量子壘上生長空穴注入層，在空穴注入層上生長P-AlGaN電子阻擋層。在各量子壘的生長時，采用三甲基鎵作為Ga源與NH3進行生長，生長的溫度條件為800 1000°C、壓力條件為290 420mbar，并采用SiH4為Si源，對量子壘進行n型摻雜，摻雜濃度為I X IO17 lX1018cm_3 ;生長的量子壘的厚度為8 18nm。在各量子壘與量子阱之間的所述InGaN材料層生長時，采用三乙基鎵作為Ga源，三甲基銦作為In源，所述In源占Ga源和In源總體積的0. 1% 10%，生長的溫度條件為650 750°C、壓力條件為290 420mbar ;生長的InGaN材料層厚度為2 8nm。在各量子阱生長時，采用三乙基鎵作為Ga源，三甲基銦作為In源，所述In源占Ga源和In源總體積的20 50%，生長的溫度條件為650 750°C、壓力條件為290 420mbar ；生長的量子阱的厚度為2 8nm。在各cap層的生長時，采用三甲基鎵與NH3進行生長，生長的溫度條件為650 750°C、壓力條件為290 420mbar，并采用SiH4為Si源對量子壘進行n型摻雜，摻雜濃度為5 X IO16 I X IO18CnT3 ;生長的cap層厚度為2 8nm。為了形成單層的p型InGaN材料作為空穴注入層，在所述空穴注入層生長時，采用三甲基鎵作為Ga源，三家基銦作為In源，CP2Mg作為Mg源，其中，所述Mg源占Ga源、In源和Mg源總體積的I X IO19 2 X IO20CnT3,所述In源占Ga源、In源和Mg源總體積的0 10% ；生長的溫度條件為650 900°C、壓力條件為200 400mbar ;生長成厚度為10 60nm的一單層P型InGaN材料。為了形成成對的p型InGaN/GaN超晶格材料為作空穴注入層，在所述空穴注入層生長時，采用三甲基鎵作為Ga源，三家基銦作為In源，CP2Mg作為Mg源，其中，所述Mg源占Ga源、In源和Mg源總體積的IX IO19 2 X 102°cm_3，所述In源占Ga源、In源和Mg源總體積的0 10% ;生長的溫度條件為650 900°C、壓力條件為200 400mbar ;生長成2 20對P型InGaN/GaN超晶格材料，每對中，InGaN的厚度為0. 5 8nm,GaN的厚度為I 15nm。本發(fā)明工藝合理，方便生產(chǎn)，產(chǎn)品穩(wěn)定性好，合格率高。用本發(fā)明生長的氮化物外延片用標準芯片工藝制成LED芯片，使得內(nèi)量子效率得到提高，空穴注入效率大大提高，制作成8mil*10mil芯片封裝后光通量能達到4. 51m以上,制作成10mil*12mil尺寸的芯片，其封裝后光通量能達到61m以上，反向抗靜電能力達到一萬伏以上，在反向電壓8伏測量下，無漏電。在15mA正向電流下，其工作電壓小于3. IV。


圖I為本發(fā)明所述綠光氮化物LED外延片的一種結構示意圖。圖中，100 :襯底；101 :低溫緩沖層；102 :非摻雜GaN ；103 :N型電子注入層；104 N 型 InGaN/GaN 插入層；105 :有源區(qū)；106 =HILjs ;107 p-AlGaN 電子阻擋層；108 p-GaN ；
109n-InGaN 接觸層。圖2為本發(fā)明的一個量子阱有源區(qū)的結構示意圖。圖3為具有單層的p型InGaN材料作為空穴注入層106的本發(fā)明產(chǎn)品與常規(guī)的 無空穴注入層結構產(chǎn)品的電流與電壓曲線和輸出光功率曲線的對比圖。
具體實施例方式本發(fā)明利用MOCVD設備(Aixtron公司的G5 56片商用機)，所用V族源為氨氣(NH3)，III族有機源材料為三甲基鎵(TMGa)和三甲基銦(TMIn)，P型和N型的摻雜阱元素分別采用Mg和Si。襯底可以采用藍寶石、硅、碳化硅或砷化鎵中任意一種。如圖1、2所示，生長具體步驟如下
一、在襯底100上生長低溫緩沖層101 :生長溫度為550°C,壓力600mbar,形成的低溫緩沖層101的厚度為30nm。二、在低溫緩沖層101上生長非故意摻雜的GaN層102 :生長溫度為1100°C，壓力600mbar,形成的非故意摻雜的GaN層102的厚度為I ii m。三、在非故意摻雜的GaN層102上生長N型電子注入層103 :溫度為1200°C，壓力600mbar,形成的N型電子注入層103的厚度為I. 5 y m。四、在N型電子注入層103上生長InGaN/GaN插入層104 N型InGaN/GaN插入層104的對數(shù)為6對，InGaN厚度為100A，GaN厚度為200A，可對InGaN，或者GaN，或者InGaN/GaN同時進行N型摻雜，摻雜濃度為3 X 1018cnT3。生長溫度為830°C。五、在InGaN/GaN插入層104上多量子阱有源區(qū)105的生長，如圖2所示
I、進行有源區(qū)中量子壘1051的生長
采用三甲基鎵作為Ga源與NH3進行生長，生長的溫度條件為800 1000°C、壓力條件為290 420mbar，并采用SiH4為Si源，對量子壘進行n型摻雜，摻雜濃度為I X IO17 IXlO18Cm-3 ;生長的量子壘1051的厚度為8 18nm。本例中，溫度為920°C，壓力為400mbar，摻雜濃度為IXlO17Cm'生長的量子壘的厚度為10nm。2、在量子壘1051上進行In組分含量較低的InxGa(1_x)N材料層1052生長，In組分可以通過X射線衍射測量其(002)方向的《_2theta衍射譜擬合得到In的組分x，In的組分X占InxGa(1_x)NM料層總量的3% 10%。采用三乙基鎵作為Ga源，三甲基銦作為In源，In源占Ga源和In源總體積的0. 1% 10%，生長的溫度條件為650 750°C、壓力條件為290 420mbar ;生長的InGaN材料層1052厚度為2 8nm。本例中，In源占Ga源和In源總體積的1%，生長的溫度條件為750°C、壓力為400mbar,生長的InGaN材料層1052的厚度為8nm。3、在InGaN材料層1052上進行量子阱1053生長
采用三乙基鎵作為Ga源，三甲基銦作為In源，In源占Ga源和In源總體積的20 50%，生長的溫度條件為650 750°C、壓力條件為290 420mbar ;生長的量子阱1053的厚度為2 8nm。本例中，In源占Ga源和In源總體積的30%，生長的溫度條件為750°C、壓力為400mbar，生長的量子阱InGaN材料1053厚度為3nm。4、在量子阱1053上進行cap層1054的生長 采用三甲基鎵與NH3進行生長，生長的溫度條件為650 750°C、壓力條件為290 420mbar,并采用SiH4為Si源對量子壘進行n型摻雜，摻雜濃度為5 X IO16 I X IO18CnT3 ；生長的cap層厚度為2 8nm。本例中，對量子壘進行n型摻雜的濃度為8 X IO16 cm_3。生長的溫度條件為750°C、壓力為400mbar,生長的cap層1054厚度為4nm。按以上方法重復循環(huán)生長量子魚1051、InGaN材料層1052、量子講1053、cap層1054，共 16 次。然后再在最后一層cap層1054上按以上方法生長厚度為15nm的最后一層量子壘。六、在最后一層最子壘上生長空穴注入層106，有以下兩種方法
I、方法一空穴注入層106為單層p型InGaN材料
采用三甲基鎵作為Ga源，三家基銦作為In源，CP2Mg作為Mg源，其中，Mg源占Ga源、In源和Mg源總體積的I X IO19 2 X 1020cm_3，In源占Ga源、In源和Mg源總體積的0 10% ；生長的溫度條件為650 900°C、壓力條件為200 400mbar ;生長成厚度為10 60nm的一單層P型InGaN材料。本例中，生長溫度為820°C、生長壓力為300mbar，生長厚度為40nm，其中通過SMS進行測量的Mg源占Ga源、In源和Mg源總體積的1X102° cm_3，其中In源占Ga源、In源和Mg源總體積的2%。2、方法二 空穴注入層106為成對的p型InGaN/GaN超晶格材料
采用三甲基鎵作為Ga源，三家基銦作為In源，CP2Mg作為Mg源，其中，Mg源占Ga源、In源和Mg源總體積的I X IO19 2 X 1020cm_3，In源占Ga源、In源和Mg源總體積的0 10% ；生長的溫度條件為650 900°C、壓力條件為200 400mbar ;生長成2 20對p型InGaN/GaN超晶格材料,每對中，InGaN的厚度為0. 5 8nm, GaN的厚度為I 15nm。本例中，生長溫度為820°C、生長壓力為300mbar，對數(shù)為6對，每對中，InGaN的厚度為3 nm ,GaN的厚度為3nm。其中通過SMS進行測量的Mg源占Ga源、In源和Mg源總體積的I X IO20 cm_3，其中In源占Ga源、In源和Mg源總體積的2%。七、在空穴注入層106上生長p-AlGaN電子阻擋層107
采用三甲基鎵作為Ga源，三甲基鋁作為Al源，CP2Mg作為Mg源，Al源占Ga源、Al源和Mg源總體積的10%，生長溫度設定在920°C，生長壓力為300mbar，生長的p-AlGaN電子阻擋層107厚度是60nm。八、在p-AlGaN電子阻擋層107上生長P型空穴注入層108——p-GaN材料采用三甲基鎵作為Ga源，CP2Mg作為Mg源。生長溫度條件為1000°C、壓力為200mbar，生長的P型空穴注入層108厚度為200nm。九、在P型空穴注入層108上生長接觸層109——n-InGaN材料
采用三乙基鎵作為Ga源，三甲基銦作為In源，In組分為5%，溫度條件為800°C，壓力條件為300mbar，生長的接觸層109厚度為10nm。十、比較試驗
將本發(fā)明制成的產(chǎn)品與常規(guī)的無空穴注入層結構產(chǎn)品分別進行試驗。從圖3可見,本發(fā)明產(chǎn)品電壓大幅降低,輸出光功率大大增加。i^一、應用 用本發(fā)明生長的氮化物外延片用標準芯片工藝制成LED芯片，使得內(nèi)量子效率得到提高，空穴注入效率大大提高，制作成8mil*10mil芯片封裝后光通量能達到4. 51m以上，制作成10mil*12mil尺寸的芯片,其封裝后光通量能達到61m以上,反向抗靜電能力達到一萬伏以上，在反向電壓8伏測量下，無漏電。在15mA正向電流下，工作電壓小于3. IV。
權利要求
1.一種綠光氮化物LED外延片，包括依次設置在襯底上的低溫緩沖層、非故意摻雜的GaN層、N型電子注入層、N型InGaN/GaN插入層、多量子阱有源區(qū)、p-AlGaN電子阻擋層、P型空穴注入層和接觸層，所述多量子阱有源區(qū)包括4至20個量子阱有源區(qū)，每個量子阱有源區(qū)包括量子壘、量子阱和cap層，其特征在于在每個量子阱有源區(qū)的量子壘與量子阱之間設置一層In組分含量較低的InxGa(1_x)N材料層，組分x為3°/Γ Ο% ;在最后一個量子阱有源區(qū)的cap層上設置量子壘，在所述量子壘與P-AlGaN電子阻擋層之間設置空穴注入層。
2.根據(jù)權利要求I所述綠光氮化物LED外延片，其特征在于所述在量子壘與P-AlGaN電子阻擋層的空穴注入層為一層P型InGaN材料。
3.根據(jù)權利要求I所述綠光氮化物LED外延片，其特征在于所述在量子壘與P-AlGaN電子阻擋層的空穴注入層為成對的P型InGaN/GaN超晶格材料。
4.如權利要求I所述綠光氮化物LED外延片的生長方法，包括在襯底上依次生長低溫緩沖層、非故意摻雜的GaN層、N型電子注入層、N型InGaN/GaN插入層和由4至20個 量子阱有源區(qū)組成的多量子阱有源區(qū)，每個量子阱有源區(qū)包括量子壘、量子阱和cap層；在P-AlGaN電子阻擋層上依次生長P型空穴注入層和接觸層；其特征在于在生長多量子阱有源區(qū)時于在每個量子阱有源區(qū)的量子壘與量子阱之間生長一層In組分含量較低的InGaN材料層；在最后一個量子阱有源區(qū)的cap層上生長量子壘，在所述量子壘上生長空穴注入層，在空穴注入層上生長P-AlGaN電子阻擋層。
5.根據(jù)權利要求4所述綠光氮化物LED外延片的生長方法，其特征在于在各量子壘的生長時，采用三甲基鎵作為Ga源與NH3進行生長，生長的溫度條件為800 1000°C、壓力條件為290 420mbar，并采用SiH4為Si源，對量子壘進行η型摻雜，摻雜濃度為I X IO17 I X IO18CnT3 ;生長的量子壘的厚度為8 18nm。
6.根據(jù)權利要求4所述綠光氮化物LED外延片的生長方法，其特征在于在各量子壘與量子阱之間的所述InGaN材料層生長時，采用三乙基鎵作為Ga源，三甲基銦作為In源，所述In源占Ga源和In源總體積的O. 1°/Γ 0%，生長的溫度條件為650 750°C、壓力條件為290 420mbar ;生長的InGaN材料層厚度為2 8nm。
7.根據(jù)權利要求4所述綠光氮化物LED外延片的生長方法，其特征在于在各量子阱生長時，采用三乙基鎵作為Ga源，三甲基銦作為In源，所述In源占Ga源和In源總體積的20 50%，生長的溫度條件為650 750°C、壓力條件為290 420mbar ;生長的量子阱的厚度為2 8nm。
8.根據(jù)權利要求4所述綠光氮化物LED外延片的生長方法，其特征在于在各cap層的生長時，采用三甲基鎵與NH3進行生長，生長的溫度條件為650 750°C、壓力條件為290 420mbar,并采用SiH4為Si源對量子壘進行η型摻雜，摻雜濃度為5 X IO16 I X IO18CnT3 ；生長的cap層厚度為2 8nm。
9.根據(jù)權利要求4所述綠光氮化物LED外延片的生長方法，其特征在于在所述空穴注入層生長時，采用三甲基鎵作為Ga源，三家基銦作為In源，CP2Mg作為Mg源，其中，所述Mg源占Ga源、In源和Mg源總體積的IX IO19 2X 102°cnT3,所述In源占Ga源、In源和Mg源總體積的0 10% ;生長的溫度條件為650 900°C、壓力條件為200 400mbar ;生長成厚度為10 60nm的一單層p型InGaN材料。
10.根據(jù)權利要求4所述綠光氮化物LED外延片的生長方法，其特征在于在所述空穴注入層生長時，采用三甲基鎵作為Ga源，三甲基銦作為In源，CP2Mg作為Mg源，其中，所述Mg 源占Ga源、In源和Mg源總體積的IX IO19 2X 102°cnT3,所述In源占Ga源、In源和Mg源總體積的0 10% ;生長的溫度條件為650 900°C、壓力條件為200 400mbar ;生長成2 20對P型InGaN/GaN超晶格材料，每對中，InGaN的厚度為O. 5 8nm，GaN的厚度為I 15nm。
全文摘要
一種綠光氮化物LED外延片及其生長方法，屬于半導體光電技術領域，特點是在生長多量子阱有源區(qū)時于在每個量子阱有源區(qū)的量子壘與量子阱之間生長一層In組分含量較低的InGaN材料層；在最后一個量子阱有源區(qū)的cap層上生長量子壘，在量子壘上生長空穴注入層，在空穴注入層上生長p-AlGaN電子阻擋層。本發(fā)明工藝合理，方便生產(chǎn)，采用標準芯片工藝制成LED芯片，使得內(nèi)量子效率得到提高，空穴注入效率大大提高，制作成芯片封裝后光通量高，反向抗靜電能力達到一萬伏以上，在反向電壓8伏測量下，無漏電，在15mA正向電流下，工作電壓小于3.1V。
文檔編號H01L33/00GK102969417SQ201210429419
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月1日 優(yōu)先權日2012年11月1日
發(fā)明者李盼盼, 李鴻漸, 李志聰, 李璟, 王國宏 申請人:揚州中科半導體照明有限公司