新型量子阱勢壘層的led外延生長方法及外延層的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種新型量子阱勢壘層的LED外延生長方法及LED外延層，依次包括處理襯底、生長低溫緩沖GaN層、生長非摻雜GaN層、生長n型AlGaN層、生長n型GaN層、生長有源層MQW、生長P型AlGaN層、生長P型GaN層、生長p型接觸層步驟，在傳統(tǒng)的有源層GaN勢壘層中間穿插生長一個AlGaN薄層，以增強發(fā)光層對電子的限制和擴展能力，提高量子阱束縛電子的能力，使得空穴和電子在勢阱的輻射復(fù)合率明顯增加，增強內(nèi)量子效率，從而改善LED器件的光電性能。
【專利說明】新型量子阱勢壘層的LED外延生長方法及外延層

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及LED外延設(shè)計【技術(shù)領(lǐng)域】，特別地，涉及一種新型量子阱勢壘層的LED外 延生長方法及LED外延層。

【背景技術(shù)】
[0002] LED被廣泛應(yīng)用在顯示屏、傳感器、通訊、照明等廣泛領(lǐng)域。作為核心半導(dǎo)體器件的 GaN基藍光LED能與熒光粉結(jié)合制造白光，在照明方面有很大的吸引力。
[0003] LED外延片要提高發(fā)光效率，最根本的方法就是要增強外延結(jié)構(gòu)的內(nèi)量子效率。目 前，國內(nèi)M0CVD生長GaN基LED外延片的內(nèi)量子效率只能達到30 %左右，還有較大的發(fā)展提 高空間，而有源層MQW的生長對內(nèi)量子效率的提高尤其重要。
[0004] 業(yè)內(nèi)目前一般采用GaN/InGaN材料交替生長有源層。在注入電流后，η型GaN層中 的電子因其高遷移率，會比較容易穿過發(fā)光層（有源層MQW)，遷移到有源層之上的p型GaN 層中與空穴形成無效輻射復(fù)合，這樣無形中降低了內(nèi)量子效率。
[0005] 因此，有必要提供一種GaN基LED外延片的新有源層制備方法，來克服上述的技術(shù) 問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明目的在于提供一種在傳統(tǒng)的GaN勢壘層中間穿插生長一個AlGaN薄層的新 型量子阱勢壘層的LED外延生長方法及制得的LED外延層，以增強發(fā)光層對電子的限制和 擴展能力，從而改善LED器件的光電性能。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種新型量子阱勢壘層的LED外延生長方法，依 次包括處理襯底、生長低溫緩沖GaN層、生長非摻雜GaN層、生長η型AlGaN層、生長η型 GaN層、生長有源層MQW、生長Ρ型AlGaN層、生長Ρ型GaN層、生長ρ型接觸層步驟，
[0008] 所述生長有源層MQW層的步驟為：
[0009] A、在氣氛為氮氣，或者氣氛為氮氣與氫氣混合氣體的反應(yīng)室內(nèi)，壓力為 150-300torr，溫度730-760°C，通入三乙基鎵和三甲基銦的混合物或者是通入三甲基 鎵和三甲基銦的混合物，持續(xù)生長InxGa (1_x)N勢阱層，其中0 < x〈l，In的摻雜濃度 2E+20-3E+20atom/cm3, InxGa(1_x)N 勢阱層的厚度為 2. 5-3. 5nm ;
[0010] B、溫度升為840-890°C，停止通入三甲基銦，持續(xù)生長GaN勢壘層，厚度為4-5nm ;
[0011] C、通入三甲基鋁，持續(xù)生長AlyGa(1_y)N勢壘層，其中0 < y〈l，AlyGa(1_y)N勢壘層的 厚度為 l_2nm，A1 慘雜濃度 4E+19_8E+19atom/cm3 ;
[0012] D、溫度升為840-890°C，停止通入三甲基鋁，持續(xù)生長GaN勢壘層，厚度為4-5nm ;
[0013] A、B、C、D步驟的循環(huán)周期數(shù)為10-13。
[0014] 優(yōu)選的，所述生長有源層MQW層的步驟之前包括生長η型AlGaN層：
[0015] 在氣氛為氮氣，或者氣氛為氮氣與氫氣混合氣體的反應(yīng)室內(nèi)，壓力為50_200torr， 溫度900-1100°C，通入三甲基鎵、三甲基鋁和硅烷，持續(xù)生長η型AlGaN層，厚度為 40-60nm，Al 的摻雜濃度為 2E+20-6E+20atom/cm3，Si 的摻雜濃度為 5E+17-9E+17atom/cm3。
[0016] 優(yōu)選的，所述生長有源層MQW層的步驟之前包括生長η型GaN層：
[0017] 在氣氛為氮氣與氫氣混合氣體的反應(yīng)室內(nèi)，壓力為100_250torr，溫度 1050-1250°C，通入三甲基鎵和硅烷，持續(xù)生長η型GaN層，厚度為3. 0-3. 5um，Si的摻雜濃 度為 4E+18_8E+18atom/cm3。
[0018] 優(yōu)選的，所述生長有源層MQW層的步驟之后包括生長p型AlGaN層：
[0019] 在氣氛為氮氣，或者氣氛為氮氣與氫氣混合氣體的反應(yīng)室內(nèi)，壓力為50_200torr， 溫度850-1050°C，通入三甲基鎵、三甲基鋁和二茂鎂，持續(xù)生長p型AlGaN層，厚度為 30_60nm，Al 的慘雜濃度為 2E+2〇-6E+20atom/cm3，Mg 的慘雜濃度為 5E+19_9E+19atom/cm3。
[0020] 優(yōu)選的，所述生長有源層MQW層的步驟之后包括生長p型GaN層：
[0021] 在氣氛為氮氣與氫氣混合氣體的反應(yīng)室內(nèi)，壓力為100_250torr，溫度 850-1000°C，通入三甲基鎵和二茂鎂，持續(xù)生長p型GaN層，厚度為70-100nm，Mg的摻雜濃 度為 2E+19_7E+19atom/cm3。
[0022] 優(yōu)選的，所述生長有源層MQW層的步驟之后包括生長p型接觸層：
[0023] 在氣氛為氮氣與氫氣混合氣體的反應(yīng)室內(nèi)，壓力為100_250torr，溫度 850-1000°C，通入三甲基鎵和二茂鎂，持續(xù)生長p型接觸層，厚度為2-4nm，Mg的摻雜濃度為 7E+19_2E+20atom/cm 3。
[0024] 本發(fā)明還公開了一種根據(jù)上述的新型量子阱勢壘層的LED外延生長方法制得的 LED外延層，所述有源層MQW包括10-13個四層組合，所述四層組合的結(jié)構(gòu)從下至上依次包 括：
[0025] InxGa(1_x)N 勢阱層：厚度為 2. 5-3. 5nm，0 < x〈l，In 的摻雜濃度 2E+20-3E+20atom/ cm3 ；
[0026] 第一 GaN勢魚層：厚度為4_5nm ;
[0027] AlyGa(1_y)N 勢壘層：厚度為 l-2nm，0 < y〈l，A1 摻雜濃度 4E+19-8E+19atom/cm3 ;
[0028] 第二GaN勢魚層：厚度為4_5nm。
[0029] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0030] 本申請在GaN勢壘層中間穿插生長了一個AlGaN薄層。GaN和A1N的禁帶寬度分 別是3. 4eV和6. 2eV，在引入發(fā)光層新四層組合結(jié)構(gòu)后，實驗計算得到勢壘層的禁帶寬度從 3. 4eV提高到3. 7-4. leV。這樣較大增強了勢阱對電子的限制和擴展效應(yīng)，提高量子阱束縛 電子的能力，有效阻礙電子遷移到P型GaN層中，使得空穴和電子在勢阱的輻射復(fù)合率明顯 增加；最終增強了內(nèi)量子效率，增加發(fā)光效率，提高了亮度。
[0031] 除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點。 下面將參照圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] 構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實 施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：
[0033] 圖1是本發(fā)明對比實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖2是本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035] 圖3是對比實施例的能帶結(jié)構(gòu)圖；
[0036] 圖4是本發(fā)明實施例的能帶結(jié)構(gòu)圖；
[0037] 其中，1、襯底，2、低溫緩沖GaN層，3、非摻雜GaN層，4、摻Si的GaN層，5、摻Si、Al 的GaN層，6、MQW有源層，7、P型AlGaN層，8、P型GaN層，9、p型接觸層，10、InxGa(1_ x)N勢阱 層，11、第一 GaN勢壘層，12、AlyGa(1_y)N勢壘層，13、第二GaN勢壘層，14、InGaN勢阱層，15、 GaN勢壘層。

【具體實施方式】
[0038] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明，但是本發(fā)明可以根據(jù)權(quán)利要求限 定和覆蓋的多種不同方式實施。
[0039] 以下分別說明采用以現(xiàn)有傳統(tǒng)方法制備樣品1的對比實施例一，和采用本發(fā)明生 長方法制備樣品2的實施例一，再將兩種方法得到樣品1和樣品2進行性能檢測比較。
[0040] 對比實施例一、
[0041] 參見圖1，本發(fā)明運用M0CVD來生長高亮度GaN基LED外延片。采用高純H2或高純 N2或高純H2和高純N2的混合氣體作為載氣，高純NH3作為N源，金屬有機源三甲基鎵（TMGa) 或者三乙基鎵（TEGa)作為鎵源，三甲基銦（TMIn)作為銦源，N型摻雜劑為硅烷（SiH 4)，三 甲基鋁（TMA1)作為鋁源，P型摻雜劑為二茂鎂（CP2Mg)，襯底為（0001)面藍寶石，反應(yīng)壓力 在 lOOmbar 到 800mbar 之間。
[0042] 1、在1000-1100°C，反應(yīng)腔壓力維持在400-600torr的氫氣氣氛下高溫處理藍寶 石襯底5-10分鐘；
[0043] 2、氣氛為氫氣和氮氣的混合氣體，降溫至530-580°C下，反應(yīng)腔壓力維持在 450-550torr，用2-6分鐘氮化處理藍寶石襯底；然后通入TMGa，在藍寶石襯底上生長厚度 為30-40nm的低溫緩沖層GaN ;
[0044] 3、氣氛為氫氣和氮氣的混合氣體，升高溫度到1050-1250°C下，反應(yīng)腔壓力維持在 100-250torr，通入TMGa，持續(xù)生長2. 5-3. 5 μ m的非摻雜GaN層；
[0045] 4、氣氛為氮氣，或氣氛為氫氣和氮氣的混合氣體，壓力50_200torr，溫度 900-1KKTC，通入TMGa、TMA1和SiH 4，持續(xù)生長N型AlGaN層，厚度為40-60nm，A1摻雜濃 度 2E+20_6E+20atom/cm3, Si 慘雜濃度 5E+17_9E+17atom/cm3 ;
[0046] 5、氣氛為氫氣和氮氣的混合氣體，反應(yīng)腔壓力為100-250torr，溫度1050-1250°C， 通入TEGa和SiH 4,生長η型GaN層，厚度在3. 0-3. 5um，Si的摻雜濃度為4E+18-8E+18atom/ cm3 ；
[0047] 6、（1)氣氛為氮氣或氮氣混有少量氫氣，壓力為150-300torr，溫度730-760°C，通 入TEGa或TMGa以及TMIn，持續(xù)生長InxGa (1_x)N勢阱層，其中0〈χ〈1，且In的摻雜濃度保持 不變，厚度 2. 5-3. 5nm，In 摻雜濃度 2E+20-3E+20atom/cm3 ; (2)溫度升為 840-890°C，停止 通入TMIn，持續(xù)生長GaN勢壘層，厚度10-13nm ; (1) (2)層循環(huán)生長周期數(shù)為10-13。
[0048] 7、氣氛為氫氣和氮氣的混合氣體，再升高溫度到850-1050°C°C，反應(yīng)腔壓力維持 在50-200torr，通入TMGa、TMA1和Cp 2Mg，持續(xù)生長30-60nm的P型AlGaN層，A1的摻雜濃 度 2E+20_6E+20atom/cm3, Mg 的慘雜濃度 5E+19_9E+19atom/cm3 ;
[0049] 8、氣氛為氫氣和氮氣的混合氣體，溫度為850-1000°C，反應(yīng)腔壓力維持在 100-250torr，通入TMGa和Cp2Mg，持續(xù)生長70-100nm的摻鎂的P型GaN層，Mg的摻雜濃度 2E+19-7E+19atom/cm3；
[0050] 9、氣氛為氫氣和氮氣的混合氣體，壓力100-250torr，溫度850-1000°C，通入TMGa 和Cp 2Mg，持續(xù)生長p型接觸層pp層，厚度2-4nm，Mg的摻雜濃度7E+19-2E+20atom/cm3 ;
[0051] 10、氣氛為氮氣，壓力為50-200torr，溫度670-730°C，時間5-20min。接著爐內(nèi)冷 卻至室溫，即可得到如附圖1所示外延結(jié)構(gòu)的GaN基LED外延片。
[0052] 實施例一、
[0053] 參見圖2,本發(fā)明運用AixtronMOCVD來生長高亮度GaN基LED外延片。采用高 純H 2或高純N2或高純H2和高純N2的混合氣體作為載氣，高純NH 3作為N源，金屬有機源三 甲基鎵（TMGa)、三乙基鎵（TEGa)作為鎵源，三甲基銦（TMIn)作為銦源，N型摻雜劑為硅烷 (SiH 4)，三甲基鋁（TMA1)作為鋁源，P型摻雜劑為二茂鎂（CP2Mg)，襯底為（0001)面藍寶石， 反應(yīng)壓力在lOOmbar到800mbar之間。
[0054] -種新型量子阱勢壘層的LED外延生長方法，依次包括處理襯底、生長低溫緩沖 GaN層、生長非摻雜GaN層、生長摻Si的GaN層、生長有源層MQW、生長P型A1 InGaN層、生 長P型GaN層步驟，其操作方式為：
[0055] 1、將藍寶石襯底放置于M0CVD反應(yīng)室里，在溫度在1000-1100°C、反應(yīng)腔壓力維持 在400-600torr的H 2氣氛下，高溫處理藍寶石襯底5-10分鐘，如圖2中1層；
[0056] 2、氣氛為氫氣和氮氣的混合氣體，壓力450_550torr，溫度530-58CTC下，時間2-6 分鐘，氮化處理藍寶石襯底；然后通入TMGa在藍寶石襯底上生長低溫緩沖層GaN層，厚度 30-40nm;如圖2中2層；
[0057] 3、氣氛為氫氣和氮氣的混氣，壓力100-250torr，溫度1050-1250°C，通入TMGa，持 續(xù)生長非摻雜GaN層，厚度2. 5-3. 5um，如圖2中3層；
[0058] 4、氣氛為氮氣或氫氣和氮氣的混合氣體，壓力50-200torr，溫度900-1KKTC， 通入TMGa、TMA1和SiH4持續(xù)生長η型AlGaN層，厚度為40-60nm，A1的摻雜濃度 2E+20-6E+20atom/cm 3, Si 摻雜濃度 5E+17-9E+17atom/cm3,如圖 2 中 4 層；
[0059] 5、氣氛為氫氣和氮氣的混合氣體，壓力100-250torr，溫度1050-1250°C，通入 TMGa 和 SiH4,持續(xù)生長 η 型 GaN 層，厚度 3. 0-3. 5um，Si 的摻雜濃度 4E+18-8E+18atom/cm3 ; 如圖2中5層；
[0060] 6、（1)氣氛為氮氣或氮氣混有少量氫氣，壓力為150-300torr，溫度730-760°C，通 入TEGa和TMIn，或通入TMGa和TMIn，持續(xù)生長InxGa (1_x)N勢阱層，其中x〈l，且In的摻雜 濃度保持不變，厚度2. 5-3. 5nm，In摻雜濃度2E+20-3E+20atom/cm3 ;如圖2中10層；
[0061] (2)溫度升為840-890°C，停止通入TMIn，持續(xù)生長GaN勢壘層，厚度4-5nm;如圖 2中11層；
[0062] (3)通入TMA1，持續(xù)生長AlyGa(1_y)N勢壘層，其中y〈l，且A1的摻雜濃度保持不變， 厚度 l-2nm，A1 摻雜濃度 4E+19-8E+19atom/cm3 ;如圖 2 中 12 層；
[0063] (4)溫度升為840-890°C，停止通入TMA1，持續(xù)生長GaN勢壘層，厚度4-5nm;如圖 2中13層。
[0064] (1) (2) (3)⑷層循環(huán)生長周期數(shù)為10-13。如圖2中6層。
[0065] 7、氣氛為氮氣或氫氣和氮氣的混合氣體，壓力50-200torr，溫度850-1050°C， 通入TMGa、TMA1和Cp2Mg，持續(xù)生長p型AlGaN層，厚底30-60nm，A1的摻雜濃度 2E+20-6E+20atom/cm3, Mg 的摻雜濃度 5E+19-9E+19atom/cm3 ;如圖 2 中 7 層。
[0066] 8、氣氛為氫氣和氮氣的混合氣體，壓力100-250torr，溫度850-1000°C，通入TMGa 和Cp2Mg，持續(xù)生長p型GaN層，厚度70-100nm，Mg的摻雜濃度2E+19-7E+19atom/cm 3 ;如圖 2中8層。
[0067] 9、氣氛為氫氣和氮氣的混合氣體，壓力100-250torr，溫度850-1000°C，通入TMGa 和Cp2Mg，持續(xù)生長p型接觸層pp層，厚度2-4nm，Mg摻雜濃度7E+19-2E+20atom/cm 3 ;如圖 2中9層。
[0068] 10、氣氛為氮氣，壓力為50-200torr，溫度670-730°C，時間5-20min。接著爐內(nèi)冷 卻至室溫，即可得到如附圖2所示外延結(jié)構(gòu)的GaN基LED外延片。
[0069] 然后，米用對比實施例一描述的方法制備樣品1，米用實施例一描述的方法制備樣 品2 ;樣品1和樣品2外延層生長參數(shù)不同點在于生長有源層MQW，生長其它外延層的參數(shù) 完全一樣。具體參數(shù)請參考表一。
[0070] 表1樣品1和樣品2的外延層生長參數(shù)對比
[0071]

【權(quán)利要求】
1. 一種新型量子阱勢壘層的LED外延生長方法，依次包括處理襯底、生長低溫緩沖GaN 層、生長非摻雜GaN層、生長η型AlGaN層、生長η型GaN層、生長有源層MQW、生長P型AlGaN 層、生長P型GaN層、生長p型接觸層步驟，其特征在于， 所述生長有源層MQW層的步驟為： A、 在氣氛為氮氣，或者氣氛為氮氣與氫氣混合氣體的反應(yīng)室內(nèi)，壓力為150-300torr， 溫度730-760°C，通入三乙基鎵和三甲基銦的混合物或者是通入三甲基鎵和三甲基銦的混 合物，持續(xù)生長InxGa (1_x)N勢阱層，其中0 < x〈l，In的摻雜濃度2E+20-3E+20atom/cm3， InxGa(1_x)N勢阱層的厚度為2. 5-3. 5nm ; B、 溫度升為840-890°C，停止通入三甲基銦，持續(xù)生長GaN勢壘層，厚度為4-5nm ; C、 通入三甲基鋁，持續(xù)生長AlyGa(1_y)N勢壘層，其中0 < y〈l，AlyGa(1_y)N勢壘層的厚度 為 l_2nm，A1 慘雜濃度 4E+19_8E+19atom/cm3 ; D、 溫度升為840-890°C，停止通入三甲基鋁，持續(xù)生長GaN勢壘層，厚度為4-5nm; A、B、C、D步驟的循環(huán)周期數(shù)為10-13。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型量子阱勢壘層的LED外延生長方法，其特征在于，所 述生長有源層MQW層的步驟之前包括生長η型AlGaN層： 在氣氛為氮氣，或者氣氛為氮氣與氫氣混合氣體的反應(yīng)室內(nèi)，壓力為50-200torr，溫度 900-1100°C，通入三甲基鎵、三甲基鋁和硅烷，持續(xù)生長η型AlGaN層，厚度為40-60nm，A1 的摻雜濃度為 2E+20-6E+20atom/cm3, Si 的摻雜濃度為 5E+17-9E+17atom/cm3。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型量子阱勢壘層的LED外延生長方法，其特征在于，所 述生長有源層MQW層的步驟之前包括生長η型GaN層： 在氣氛為氮氣與氫氣混合氣體的反應(yīng)室內(nèi)，壓力為l〇〇_250torr，溫度1050-1250°C， 通入三甲基鎵和硅烷，持續(xù)生長η型GaN層，厚度為3.0-3. 5um，Si的摻雜濃度為 4E+18_8E+18atom/cm3。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型量子阱勢壘層的LED外延生長方法，其特征在于，所 述生長有源層MQW層的步驟之后包括生長p型AlGaN層： 在氣氛為氮氣，或者氣氛為氮氣與氫氣混合氣體的反應(yīng)室內(nèi)，壓力為50-200torr，溫度 850-1050°C，通入三甲基鎵、三甲基鋁和二茂鎂，持續(xù)生長p型AlGaN層，厚度為30-60nm， A1 的摻雜濃度為 2E+20-6E+20atom/cm3, Mg 的摻雜濃度為 5E+19-9E+19atom/cm3。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型量子阱勢壘層的LED外延生長方法，其特征在于，所 述生長有源層MQW層的步驟之后包括生長p型GaN層： 在氣氛為氮氣與氫氣混合氣體的反應(yīng)室內(nèi)，壓力為l〇〇_250torr，溫度850-1000°C， 通入三甲基鎵和二茂鎂，持續(xù)生長p型GaN層，厚度為70-100nm，Mg的摻雜濃度為 2E+19_7E+19atom/cm 3。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型量子阱勢壘層的LED外延生長方法，其特征在于，所 述生長有源層MQW層的步驟之后包括生長p型接觸層： 在氣氛為氮氣與氫氣混合氣體的反應(yīng)室內(nèi)，壓力為l〇〇_250torr，溫度850-1000°C， 通入三甲基鎵和二茂鎂，持續(xù)生長p型接觸層，厚度為2-4nm，Mg的摻雜濃度為 7E+19_2E+20atom/cm3。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的新型量子阱勢壘層的LED外延生長方法制得的LED 外延層，其特征在于，所述有源層MQW包括10-13個四層組合，所述四層組合的結(jié)構(gòu)從下至 上依次包括： InxGa(1_x)N 勢阱層：厚度為 2. 5-3. 5nm，0 < x〈l，In 的摻雜濃度 2E+20-3E+20atom/cm3 ; 第一 GaN勢壘層：厚度為4-5nm ; AlyGa(1_y)N 勢壘層：厚度為 l-2nm，0 < y〈l，A1 摻雜濃度 4E+19-8E+19atom/cm3 ; 第二GaN勢壘層：厚度為4-5nm。
【文檔編號】H01L33/02GK104157746SQ201410403508
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月15日
【發(fā)明者】王霄, 梁智勇, 季輝 申請人:湘能華磊光電股份有限公司