一種InGaN基藍綠光發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)及生長方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種InGaN基藍綠光發(fā)光二極管的外延生長方法及其結(jié)構(gòu)，其外延結(jié)構(gòu)的生長方法包括以下具體步驟：將藍寶石襯底在氨氣氣氛中進行高溫退火處理，將溫度降低至530-580度，并調(diào)整外延生長氣氛以生長低溫InGaN成核層，之后升高溫度并依次生長InGaN非故意摻雜層、n型InGaN層、InyGa1-yN/InxGa1-xN（y>x）多量子阱有源層、p-AlInGaN電子阻擋層、p型InGaN層和p++型InGaN接觸層。本發(fā)明所提供的InGaN基藍綠光LED外延結(jié)構(gòu)由于減小了量子阱材料與基體材料的晶格失配，可有效減小有源區(qū)中的壓電極化場，從而提高發(fā)光效率。
【專利說明】一種InGaN基藍綠光發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)及生長方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種InGaN基藍綠光發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)及生長方法,屬于光電材料與器件領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]GaN基高亮度藍、綠、白發(fā)光二極管(LED)由于具有能耗低、壽命長、無污染、抗惡劣環(huán)境能力強等特點，廣泛應用于顯示和照明等多個領(lǐng)域。
[0003]對于傳統(tǒng)的GaN基藍綠LED來說，其有源區(qū)基本結(jié)構(gòu)是InGaN/GaN多量子阱。盡管GaN基半導體材料和器件獲得了極大的發(fā)展，然而依然存在諸多科學和技術(shù)問題有待解決。第一，InGaN/GaN量子阱中的量子限制斯塔克效應問題。由于InGaN的晶格常數(shù)大于GaN的晶格常數(shù)，在沿
[0001]方向生長的InGaN/GaN量子阱中，GaN勢壘層與InGaN勢阱層(尤其是高In組分的InGaN)之間存在較大的晶格失配，InGaN層受到壓應力作用，在有源區(qū)中產(chǎn)生強的壓電極化場。極化電場的存在會使量子阱的能帶發(fā)生傾斜，產(chǎn)生量子限制斯塔克效應。其結(jié)果是量子阱處的禁帶寬度會減小，同時量子阱導帶的電子本征波函數(shù)與價帶的空穴本征波函數(shù)在空間上發(fā)生分離，使得電子與空穴在有源區(qū)的復合幾率顯著下降，量子阱的發(fā)光效率降低。可以說，由壓電極化電場引起的量子限制斯塔克效應是影響InGaN/GaN基LED內(nèi)量子效率的主要原因之一。第二，效率驟降問題。對于GaN基LED來說，通常在很低的電流密度下，其外量子效率就能達到峰值。隨著電流密度的繼續(xù)增大，LED的外量子效率開始逐漸下降甚至迅速下降，這種所謂的效率驟降問題成為制約GaN基大功率LED發(fā)展的一個瓶頸。
[0004]以上問題的產(chǎn)生存在一個共同的原因，即有源區(qū)勢阱層和勢壘層間的晶格失配所導致的強壓電極化場。目前，GaN基藍、綠光LED外延結(jié)構(gòu)通常是利用“兩步法”生長的，由于襯底和外延材料間較大的晶格失配和熱失配，所生長的外延層存在無法避免的較高密度位錯等缺陷。而且，為得到較高質(zhì)量的GaN外延層，所采用的生長溫度高；為減少位錯的縱向擴展，一般要求所生長的u-GaN層和η-GaN層厚度達到數(shù)個微米，從而造成外延生長時間長。更嚴重的是，由于多量子阱區(qū)中勢壘層GaN和勢阱層InGaN間的晶格失配大，造成有源區(qū)中的壓電極化場大，最終影響了 LED的發(fā)光效率。近年來許多學者提出了一些解決極化電場問題的方法，主要有:量子阱勢壘的重摻雜、生長立方晶系的氮化物、沿著半極性或非極性面生長、利用In組分漸變量子阱、使用In組分錯列的量子阱、超晶格、使用極化匹配的四元化合物、原有的GaN勢壘層替換為InGaN勢壘以及使用p-1nGaN替代p型GaN等。通過這些努力，極化場對器件性能的不良影響有所降低，但這些基本均是在GaN基LED上的改進。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為解決目前現(xiàn)有GaN基藍綠光LED外延結(jié)構(gòu)中由于有源區(qū)InGaN和GaN間較大的晶格失配所導致的強壓電極化場問題，提供一種InGaN基藍綠光發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)及生長方法。
[0006]本發(fā)明所述一種InGaN基藍綠光發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)是采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種InGaN基藍綠光發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，包括由下而上依次排列的低溫InGaN成核層、高溫InGaN非故意摻雜層、η型InGaN層、InyGahyN/Ir^GahN (y>x)多量子講層、p-Al InGaN電子阻擋層、p型InGaN層和p++型InGaN接觸層。
[0007]本發(fā)明采用InGaN代替目前GaN基LED結(jié)構(gòu)中普遍使用的GaN形核層和非故意摻雜層，以InfahN/IrvGahN多量子阱作為有源區(qū)，設(shè)計生長InGaN基藍綠光LED。該外延結(jié)構(gòu)可有效降低多量子阱區(qū)中的壓電極化場，器件發(fā)光效率比同波長的傳統(tǒng)GaN基藍綠光LED提高5%以上；而且外延生長溫度較低，外延結(jié)構(gòu)中非故意摻雜層和η型層的厚度較小，從而降低制造成本。
[0008]本發(fā)明所述InGaN基藍綠光發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)的生長方法是采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種InGaN基藍綠光發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)的生長方法包括如下步驟:
(1)襯底退火處理:將(0001)面藍寶石襯底在氫氣氣氛中進行退火，退火溫度為1060°C，然后降溫到580°C并通入氨氣，對襯底進行氮化處理6分鐘；
(2)生長低溫InGaN成核層:將氫氣氣氛轉(zhuǎn)換成氮氣氣氛，打開鎵源TMGa和銦源TMIn，在通入0_200sccm氫氣條件下,在530-580°C溫度下生長約30nm厚的低溫InGaN成核層，生長壓力為600mbar ；
(3)生長高溫InGaN非故意摻雜層:關(guān)閉TMGa和TMIn，將溫度升至770°C，壓強降至150mbar,再次打開TMGa和TMIn，生長0.2-1.5微米的非故意摻雜InGaN層；
(4)生長η型InGaN層:保持上一步驟中的生長溫度和壓力不變，通入硅烷，生長厚度為0.3-2.5微米的Si摻雜的η型InGaN層，載流子濃度量級為1018cm_3，生長結(jié)束后關(guān)閉硅燒;
(5)生長IrvGahN/InxGa^Wyk)多量子阱層:關(guān)閉TMGa，打開TEGa，依次生長InxGai_xN勢壘層和InyGai_yN勢阱層，其中y>x，勢壘層厚度為10_15nm，生長溫度為770°C，阱層厚度為2-5nm，生長溫度為690_740°C，生長壓強保持在400mbar，量子阱數(shù)目為2_20個；
(6)生長p-AlInGaN電子阻擋層:保持上一步驟中的生長溫度不變，打開鋁源TMA1和鎂源-二茂鎂，將反應室壓強調(diào)整至150mbar，以生長p型AlInGaN電子阻擋層，其厚度為20-30nm,以原子數(shù)百分比計A1組分為10_30%，In組分為5_8%，空穴濃度量級為1017cnT3 ；
(7)生長p型InGaN層:關(guān)閉TMA1，保持上一步驟中的生長溫度和反應室壓強不變，生長厚度為lOOnm，空穴濃度量級為1017cm_3的p型InGaN層；
(8)生長p++型InGaN接觸層:將二茂鎂的流量增加40-60sCCm，保持上一步驟中的生長溫度和壓強不變，生長厚度為20nm的p++-1nGaN層；
(9)將溫度降至750°C，在純氮氣氣氛下進行退火，退火時間為15分鐘，然后降至室溫，結(jié)束生長。
[0009]在所述步驟(2)、(3)、(4)、(6)、(7)和(8)中，TMIn、TMGa和 NH3 分別作為 In、Ga和N的源。
[0010]在所述步驟(4)中，所述Si摻雜的摻雜劑為硅烷。
[0011]在所述步驟(5)中，所述TMIn、TEGa和順3分別作為In、Ga和N的源。
[0012]在所述步驟(6 )中，所述A1源為TMA1，所述P型摻雜的摻雜劑為二茂鎂。
[0013]在所述步驟(7)和(8)中，所述P型摻雜的摻雜劑為二茂鎂。
[0014]本發(fā)明InGaN基藍綠光LED外延結(jié)構(gòu)和生長方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)占-
^ \\\.由于三族氮化物在c面內(nèi)晶格常數(shù)的大小關(guān)系為:InN > GaN > A1N，所以在InGaN基LED有源區(qū)中所采用的InyGai_yN / InxGai_xN (y>x)多量子阱較之傳統(tǒng)GaN基LED有源區(qū)所采用的InGaN /GaN多量子阱，其勢壘層和勢阱層間的晶格失配減小，從而有利于降低壓電極化場。因此，本發(fā)明InGaN基藍綠光LED外延結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)的GaN基LED可顯著減小有源區(qū)的壓電極化場，從而實現(xiàn)LED外延結(jié)構(gòu)發(fā)光性能的提高。此外，相對于傳統(tǒng)GaN基藍綠光LED，本發(fā)明InGaN基藍綠光LED中各主要外延層的生長溫度降低，InGaN非故意摻雜層和η型InGaN層的厚度有所降低，從而可縮短生長時間，降低成本；而且本發(fā)明InGaN基藍綠光LED外延結(jié)構(gòu)的生長方法和傳統(tǒng)的GaN基LED外延生長技術(shù)相兼容，不需要大的技術(shù)升級和設(shè)備改造，有利于大規(guī)模生產(chǎn)和應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為InGaN基藍綠光LED外延結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2為InGaN基藍綠光LED多量子阱結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]1- (0001)面藍寶石襯底，2-低溫InGaN成核層，3-高溫InGaN非故意摻雜層，4-n 型 InGaN 層，5-1nyGahN/InxGahN (y>x)多量子阱層，51-1nxGai_xN 勢壘層，52-1nyGai_yN勢阱層，6- p-Al InGaN電子阻擋層，7- p型InGaN層，8_p++型InGaN接觸層。

【具體實施方式】
[0018]—種InGaN基藍綠光發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，包括由下而上依次排列的低溫InGaN成核層2、高溫InGaN非故意摻雜層3、n型InGaN層4、IriyGa^yN/I^Gai^N (y>x)多量子講層5、p-Al InGaN電子阻擋層6、p型InGaN層7和p++型InGaN接觸層8。
[0019]所述外延結(jié)構(gòu)中位于最底層的低溫InGaN成核層2生長在(0001)面藍寶石襯底1上。
[0020]一種InGaN基藍綠光發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)的生長方法包括如下步驟:
(1)襯底退火處理:將(0001)面藍寶石襯底在氫氣氣氛中進行退火，退火溫度為1060°C，然后降溫到580°C并通入氨氣，對襯底進行氮化處理6分鐘；
(2)生長低溫InGaN成核層:將氫氣氣氛轉(zhuǎn)換成氮氣氣氛，打開鎵源TMGa和銦源TMIn,在通入 0-200sccm (可選擇 0、50sccm、lOOsccm、150sccm、200sccm)氧氣條件下，在530-580°C (可選擇 530°C、540°C、55(TC、56(rC、57(rC、58(rC)溫度下生長約 30nm 厚的InGaN成核層，生長壓力為600mbar ；
(3)生長高溫InGaN非故意摻雜層:關(guān)閉TMGa和TMIn，將溫度升至770°C，壓強降至150mbar，再次打開TMGa和TMIn,生長0.2-1.5微米(可選擇0.2微米、0.4微米、0.6微米、
0.8微米、1.0微米、1.2微米、1.4微米、1.5微米)的非故意摻雜InGaN層；
(4)生長η型InGaN層:保持上一步驟中的生長溫度和壓力不變，通入硅烷，生長厚度為0.3-2.5微米(可選擇0.3微米、0.5微米、0.7微米、0.9微米、1.1微米、1.3微米、1.5微米、1.7微米、1.9微米、2.1微米、2.3微米、2.5微米)的Si摻雜的η型InGaN層，載流子濃度量級為1018cm_3，生長結(jié)束后關(guān)閉硅烷；
(5)生長IrvGahN/InxGa^Wyk)多量子阱層:關(guān)閉TMGa，打開TEGa，依次生長InxGai_xN勢壘層51和InyGai_yN勢阱層52，其中y>x，勢壘層厚度為10_15nm，生長溫度為770V，阱層厚度為2-5nm，生長溫度為690_740°C，生長壓強保持在400mbar，量子阱數(shù)目為2_20個(可選擇 2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20)；
(6)生長p-AlInGaN電子阻擋層:保持上一步驟中的生長溫度不變，打開鋁源TMA1和鎂源-二茂鎂，將反應室壓強調(diào)整至150mbar，以生長p型AlInGaN電子阻擋層，其厚度為20-30nm,以原子數(shù)百分比計A1組分為10-30% (可選擇30%、25%、20%、15%、10%)，In組分約為5-8% (可選擇5%、6%、7%、8%)，空穴濃度量級為1017cnT3 ；
(7)生長p型InGaN層:關(guān)閉TMA1，保持上一步驟中的生長溫度和反應室壓強不變，生長厚度為lOOnm，空穴濃度量級為1017cm_3的p型InGaN層；
(8)生長p++型InGaN接觸層:將二茂鎂的流量增加40_60sccm(可選擇40sccm、45sccm、50sccm、55sccm、60sccm),保持上一步驟中的生長溫度和壓強不變，生長厚度為20nm 的 p++_InGaN 層；
(9)將溫度降至750°C，在純氮氣氣氛下進行退火，退火時間為15分鐘，然后降至室溫，結(jié)束生長。
[0021]實施例1 一種InGaN基藍綠光發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)的生長方法，包括如下步驟:
(1)襯底退火處理:將(0001)面藍寶石襯底在氫氣氣氛中進行退火，退火溫度為1060°C，然后降溫到580°C并通入氨氣，對襯底進行氮化處理6分鐘；
(2)生長低溫InGaN成核層:將氫氣氣氛轉(zhuǎn)換成氮氣氣氛，打開鎵源TMGa和銦源TMIn，在通入50sccm氫氣條件下，在580 V溫度下生長30nm厚的InGaN成核層，生長壓力為600mbar ；
(3)生長高溫InGaN非故意摻雜層:關(guān)閉TMGa和TMIn，將溫度升至770°C，壓強降至150mbar,再次打開TMGa和TMIn，生長1微米的非故意摻雜InGaN層；
(4)生長η型InGaN層:保持上一步驟中的生長溫度和壓力不變，通入硅烷，生長厚度為1.5um的Si摻雜的η型InGaN層，載流子濃度達到7 X1018cm_3，生長結(jié)束后關(guān)閉硅烷；
(5)生長InyGa^N/InxGahN多量子阱層:關(guān)閉TMGa，打開TEGa，依次生長InxGai_xN勢壘層和InyGai_yN勢阱層，其中y>x，勢壘層厚度為12nm，生長溫度為770V，阱層厚度為3nm，生長溫度為690°C，生長壓強保持在400mbar，量子阱數(shù)目為6個；
(6)生長p-AlInGaN電子阻擋層:保持上一步驟中的生長溫度不變，打開鋁源TMA1和鎂源-二茂鎂，將反應室壓強調(diào)整至150mbar，以生長p型AlInGaN電子阻擋層，其厚度為25nm,以原子數(shù)目百分比計A1組分為17%，In組分為5%，空穴濃度量級為1017cm_3 ；
(7)生長p型InGaN層:關(guān)閉TMA1，保持上一步驟中的生長溫度和反應室壓強不變，生長厚度為lOOnm，空穴濃度量級為1017cm_3的p型InGaN層；
(8)生長p++型InGaN接觸層:將二茂鎂的流量增加50sCCm，保持上一步驟中的生長溫度和壓強不變，生長厚度為20nm的p++-1nGaN層；
(9)將溫度降至750°C，在純氮氣氣氛下進行退火，退火時間為15分鐘，然后降至室溫，結(jié)束生長。
[0022]實施例2 —種InGaN基藍綠光發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)的生長方法，包括如下步驟: (1)襯底退火處理:將(0001)面藍寶石襯底在氫氣氣氛中進行退火，退火溫度為1060°C，然后降溫到580°C并通入氨氣，對襯底進行氮化處理6分鐘；
(2)生長低溫InGaN成核層:將氫氣氣氛轉(zhuǎn)換成氮氣氣氛，打開鎵源TMGa和銦源TMIn，在通入50sccm氫氣條件下，在580°C溫度下生長30nm厚的低溫InGaN成核層，生長壓力為600mbar。
[0023](3)生長高溫InGaN非故意摻雜層:關(guān)閉TMGa和TMIn，將溫度升至770°C，壓強降至150mbar，再次打開TMGa和TMIn，生長1微米的非故意摻雜InGaN層；
(4)生長η型InGaN層:保持上一步驟中的生長溫度和壓力不變，通入硅烷，生長厚度為1.5um的η型InGaN層，載流子濃度達到7 X 1018cm_3，生長結(jié)束后關(guān)閉硅烷；
(5)生長InyGa^N/InxGahN多量子阱層:關(guān)閉TMGa，打開TEGa，依次生長InxGai_xN勢壘層和InyGai_yN勢阱層，其中y>x，勢壘層厚度為12nm，生長溫度為770V，阱層厚度為3nm，生長溫度為740V，生長壓強保持在400mbar，量子阱數(shù)目為6個；
(6)生長p-AlInGaN電子阻擋層:保持上一步驟中的生長溫度不變，打開鋁源TMA1和鎂源-二茂鎂，將反應室壓強調(diào)整至150mbar，以生長p型AlInGaN電子阻擋層，其厚度為25nm,以原子數(shù)百分比計A1組分為17%，In組分為5%，空穴濃度量級為1017cm_3 ；
(7)生長p型InGaN層:關(guān)閉TMA1，保持上一步驟中的生長溫度和反應室壓強不變，生長厚度為lOOnm，空穴濃度量級為1017cm_3的p型InGaN層；
(8)生長p++型InGaN接觸層:將二茂鎂的流量增加50sCCm，保持上一步驟中的生長溫度和壓強不變，生長厚度為20nm的p++-1nGaN層；
(9)將溫度降至750°C，在純氮氣氣氛下進行退火，退火時間為15分鐘，然后降至室溫，結(jié)束生長。
[0024]通過綜合平衡源的通入量、生長溫度、壓強和通入的氫氣流量來控制In組分，其中低溫InGaN成核層2、高溫InGaN非故意摻雜層3、η型InGaN層4、p型AlInGaN層6、p型InGaN層7和p++型InGaN層8中In原子數(shù)目比含量均控制在5_8%之間。
[0025]顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之中。
【權(quán)利要求】
1.一種InGaN基藍綠光發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括由下而上依次排列的低溫InGaN成核層(2)、高溫InGaN非故意摻雜層(3)、n型InGaN層(4)、InyGa1INZlnxGa^xN(y>x)多量子阱層(5)、P-AlInGaN電子阻擋層(6)、p型InGaN層(7)和p++型InGaN接觸層(8 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種InGaN基藍綠光發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述外延結(jié)構(gòu)中位于最底層的低溫InGaN成核層(2 )生長在(OOOI)面藍寶石襯底(I)上。
3.一種用于生長如權(quán)利要求2所述InGaN基藍綠光發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包括如下步驟: Cl)襯底退火處理:將(0001)面藍寶石襯底在氫氣氣氛中進行退火，退火溫度為1060°C，然后降溫到580°C并通入氨氣，對襯底進行氮化處理6分鐘； (2)生長低溫InGaN成核層:將氫氣氣氛轉(zhuǎn)換成氮氣氣氛，打開鎵源TMGa和銦源TMIn，在通入0_200sccm氫氣條件下,在530-580°C溫度下生長約30nm厚的低溫InGaN成核層，生長壓力為600mbar ； (3)生長高溫InGaN非故意摻雜層:關(guān)閉TMGa和TMIn，將溫度升至770°C，壓強降至150mbar,再次打開TMGa和TMIn，生長0.2-1.5微米的非故意摻雜InGaN層； (4)生長η型InGaN層:保持上一步驟中的生長溫度和壓力不變，通入硅烷，生長厚度為0.3-2.5微米的Si摻雜的η型InGaN層，載流子濃度量級為1018cm_3，生長結(jié)束后關(guān)閉硅燒; (5)生長IrvGahN/InxGa^Wyk)多量子阱層:關(guān)閉TMGa，打開TEGa，依次生長InxGapxN勢壘層和InyGai_yN勢阱層，其中y>x，勢壘層厚度為10_15nm，生長溫度為770°C，阱層厚度為2-5nm，生長溫度為690_740°C，生長壓強保持在400mbar，量子阱數(shù)目為2_20個； (6)生長P-AlInGaN電子阻擋層:保持上一步驟中的生長溫度不變，打開鋁源TMAl和鎂源-二茂鎂，將反應室壓強調(diào)整至150mbar，以生長p型AlInGaN電子阻擋層，其厚度為20-30nm,以原子數(shù)百分比計Al組分為10_30%，In組分為5_8%，空穴濃度量級為117CnT3 ； (7)生長P型InGaN層:關(guān)閉TMAl，保持上一步驟中的生長溫度和反應室壓強不變，生長厚度為lOOnm，空穴濃度量級為117CnT3的p型InGaN層； (8)生長p++型InGaN接觸層:將二茂鎂的流量增加40-60sCCm，保持上一步驟中的生長溫度和壓強不變，生長厚度為20nm的p++-1nGaN層； (9)將溫度降至750°C，在純氮氣氣氛下進行退火，退火時間為15分鐘，然后降至室溫，結(jié)束生長。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種InGaN基藍綠光發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)的生長方法，其特征在于:通過綜合平衡源的通入量、生長溫度、壓強和通入的氫氣流量來控制In組分，其中低溫InGaN成核層(2)、高溫InGaN非故意摻雜層(3)、η型InGaN層(4)、ρ型AlInGaN層(6)、P型InGaN層(7)和ρ++型InGaN層(8)中In原子數(shù)目比含量均控制在5-8%之間。
【文檔編號】H01L33/32GK104409587SQ201410565126
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月22日
【發(fā)明者】翟光美, 李學敏, 梅伏洪, 張華 , 馬淑芳, 劉青明, 李小杜, 王皓田, 許并社 申請人:太原理工大學