本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子器件制造領(lǐng)域，尤其一種外延片的生長技術(shù)。

背景技術(shù)：

發(fā)光二極管（LED）具有長壽、節(jié)能、環(huán)保、可靠性高等優(yōu)點，近年來，LED在大屏幕彩色顯示、交通信號燈和照明等領(lǐng)域發(fā)揮了越來越重要的作用。但要在全彩屏顯示和照明領(lǐng)域上能得到更加廣泛的應(yīng)用，則需要進(jìn)一步提升LED外延產(chǎn)出的均一性。

多量子阱有源區(qū)作為LED的核心區(qū)域，通常由多組InGaN量子阱和GaN壘層交替重疊構(gòu)成。此結(jié)構(gòu)因材料之間的晶格失配導(dǎo)致材料之間形成應(yīng)力，此應(yīng)力一方面積累對材料形成翹曲，導(dǎo)致In組分分散不均，不利于產(chǎn)品的波長均一性，另一方面導(dǎo)致極化電場產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致量子阱有源區(qū)能帶傾斜，形成量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSE）現(xiàn)象。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提出一種發(fā)光二極管外延片，以解決上述多量子阱生長遇到的In組分分散不均問題及QCSE現(xiàn)象。

本發(fā)明包括依次外延設(shè)置在襯底同一側(cè)的AlN成核層、AlGaN非摻雜層、n型AlGaN電子注入層、多量子阱有源區(qū)、AlGaN電子阻擋層和AlGaN空穴注入層；其特點是：所述多量子阱有源區(qū)由呈周期設(shè)置的2～12組結(jié)構(gòu)層組成，每一組結(jié)構(gòu)層由依次設(shè)置的AlxInyGa1-x-yN量子壘層、AlN晶核層、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)SiN薄層、InxGa1-xN量子阱層和AlxGa1-xN薄層組成。

本發(fā)明采用特殊的多量子阱有源區(qū)結(jié)構(gòu)層，借助低溫下Al遷移率偏低特性，形成AlN晶核層，通過在AlN晶核上覆蓋SiN薄層，因SiN連續(xù)薄膜的形成需要較厚的堆積，故通過控制SiN薄層的厚度可使其薄膜不連續(xù)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)覆蓋于AlN晶核上，使部分AlN晶核暴露于SiN薄層外，利用Si-N鍵能遠(yuǎn)大于（In）Ga-N鍵能，在Si-N面上較難形成InGaN的二次成核的特點，而InGaN量子阱層可達(dá)到擇優(yōu)沉積在暴露的AlN晶核上，進(jìn)而形成類量子點結(jié)構(gòu)，避免In富積效應(yīng)，改善外延片發(fā)光的均一性。本發(fā)明還通過在InGaN量子阱層上設(shè)置AlxGa1-xN薄膜，達(dá)到了對電子形成的限制作用，改善電子-空虛復(fù)合幾率。

總之，本發(fā)明可避免In富積而產(chǎn)生的量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSE）的發(fā)生，有效改善外延片發(fā)光的均一性，提高發(fā)光效率。

進(jìn)一步地，本發(fā)明每一組結(jié)構(gòu)層中所述AlxInyGa1-x-yN量子壘層的厚度為6～15nm；AlN晶核層的厚度為1～10nm；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)SiN薄層的厚度為0.5～1nm；InxGa1-xN量子阱層的厚度為3～5nm；AlxGa1-xN薄層的厚度為1～2nm。

量子壘層設(shè)計厚度為6～15nm能更好的對電子起到限制作用，同時保證材料的晶體質(zhì)量。AlN晶核層厚度設(shè)計厚度為1～10nm便于形成三維島狀結(jié)構(gòu)，同時避免過厚形成致密的連續(xù)薄膜。SiN設(shè)計厚度為0.5～1nm主要目的實現(xiàn)SiN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，避免過厚形成連續(xù)薄膜，InxGa1-xN設(shè)計厚度為3～5nm有利于匹配量子壘層厚度，盡可能降低壘層與阱層的極化強(qiáng)度，同時得到較適宜的帶隙寬度。AlxGa1-xN薄層的厚度設(shè)計為1～2nm，一方面提供對電子的限制作用，同時減少因材料過厚導(dǎo)致的極化效應(yīng)。

本發(fā)明的另一目的是提出以上產(chǎn)品的生產(chǎn)方法。

本發(fā)明生產(chǎn)方法包括在襯底的同一側(cè)依次生長AlN成核層、AlGaN非摻雜層、n型AlGaN電子注入層、多量子阱有源區(qū)、AlGaN電子阻擋層和AlGaN空穴注入層；特點是：在生長多量子阱有源區(qū)時，循環(huán)進(jìn)行2～12組結(jié)構(gòu)層的生長，在生長每一組結(jié)構(gòu)層時，依次生長AlxInyGa1-x-yN量子壘層、AlN晶核層、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)SiN薄層、InxGa1-xN量子阱層和AlxGa1-xN薄層。

本發(fā)明在生長多量子阱有源區(qū)時，對其中的每一組結(jié)構(gòu)層的生長的生長材料進(jìn)行控制，特別是采用低溫生長AlN，借助低溫下Al遷移率偏低特性，形成AlN晶核層，之后通過在AlN晶核層上覆蓋一層SiN薄層，因SiN連續(xù)薄膜的形成需要較厚的堆積，故通過控制SiN薄層的厚度使其薄膜不連續(xù)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)覆蓋于AlN晶核上，使部分AlN晶核暴露于SiN薄層外，然后，再利用Si-N鍵能遠(yuǎn)大于（In）Ga-N鍵能，在Si-N面上較難形成InGaN的二次成核的特點，使InGaN量子阱層擇優(yōu)沉積在暴露的AlN晶核上，進(jìn)而形成類量子點結(jié)構(gòu)，避免In富積效應(yīng)，改善外延片發(fā)光的均一性，后通過在InGaN量子阱層上生長AlGaN薄膜，對電子形成限制作用，改善電子-空虛復(fù)合幾率，提高發(fā)光效率。

本發(fā)明工藝合理，制成的產(chǎn)品穩(wěn)定性好，正品率高。

另外，本發(fā)明所述AlxInyGa1-x-yN量子壘層中，x為0.01～0.1，y為0.05～0.2；生長所述AlxInyGa1-x-yN量子壘層的環(huán)境溫度為900～1000℃，生長形成的每一層AlxInyGa1-x-yN量子壘層厚度為6～15nm。該厚度的量子壘能更好的對電子起到限制作用，同時保證材料的晶體質(zhì)量。AlxInyGa1-x-yN量子壘中x為0.01～0.1，y為 0.05～0.2，此組分設(shè)計一方面有利于四元合金材料的生長，保證材料質(zhì)量，同時起到相應(yīng)的電子限制作用。

在生長所述AlN晶核層時，生長時的環(huán)境溫度為550～650℃，生長形成的每一層AlN晶核層厚度為1～10nm。此溫度條件有利于實現(xiàn)Al的遷移率低的性能，促進(jìn)三維結(jié)構(gòu)的生長，同時1～10nm的厚度避免晶核過厚堆積形成致密的連續(xù)薄膜。

在生長所述網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)SiN薄層時，生長時的環(huán)境溫度為800～900℃，生長形成的每一層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)SiN薄層厚度為0.5～1nm。該厚度的設(shè)計主要目的實現(xiàn)SiN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，避免過厚形成連續(xù)薄膜。800～900℃的生長環(huán)境一方面有利于Si進(jìn)一步在平面的擴(kuò)散延伸，同時對Si-N形成部分刻蝕作用，便于網(wǎng)格材料的形成。

在生長所述InxGa1-xN量子阱層時，生長時的環(huán)境溫度為800～900℃，生長形成的每一層InxGa1-xN量子阱層厚度為3～5nm。InxGa1-xN設(shè)計的厚度為3～5nm有利于匹配量子壘層厚度，盡可能降低壘層與阱層的極化強(qiáng)度，同時得到較適宜的帶隙寬度。生活環(huán)境設(shè)定為800～900℃一方面有利于形成較高的晶體質(zhì)量，同時避免對In組分的析出作用。

在生長所述AlxGa1-xN薄層時，生長時的環(huán)境溫度為900～1000℃，生長形成的每一層AlxGa1-xN薄層厚度為1～2nm。該薄層厚度的設(shè)計一方面提供對電子的限制作用，同時減少因材料過厚導(dǎo)致的極化效應(yīng)。900～1000℃環(huán)境溫度的生長設(shè)計有利于該薄層二維平面生長，形成較高晶體質(zhì)量的薄膜。

附圖說明

圖1為本發(fā)明產(chǎn)品的一種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明產(chǎn)品中多量子阱有源區(qū)中一組結(jié)構(gòu)層的形貌示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種紫光發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)及其生長方法，采用MOCVD設(shè)備進(jìn)行外延生長，使用NH₃作為N源，使用TMGa（三甲基鎵）或TEGa（三乙基鎵）作為Ga源，使用TMIn（三甲基銦）作為In源。

一、生產(chǎn)工藝步驟如圖1、2所示：

1、在藍(lán)寶石襯底L1上生長一層AlN成核層L2：

生長溫度550℃，壓力為65000Pa，厚度為30nm，NH₃流量為15000sccm，TMAl流量100sccm，生長氣氛為H₂ 。

2、在AlN成核層L2上生長AlGaN非摻雜層L3：

生長溫度1050℃，壓力為40000Pa，NH₃流量為10000sccm，TMAl流量30sccm，TMGa流量為300sccm，生長氣氛為H₂，厚度約3μm。

3、在AlGaN非摻雜層L3上生長一層n型AlGaN電子注入層L4：

生長溫度1100℃，壓力20000Pa，厚度約為3μm，摻雜濃度為1×10¹⁹cm^-3，NH₃流量為10000sccm，TMAl流量20sccm，TMGa流量為200sccm，生長氣氛為H₂。

4、在n型AlGaN電子注入層L4上生長循環(huán)生長由8組結(jié)構(gòu)層組成的多量子阱有源區(qū)L5：

在生長每一組結(jié)構(gòu)層時壓力分別為30000Pa，并注意以下各參數(shù)的控制：

Al_0.1In_0.03Ga_0.87N量子壘層L51的生長溫度為900～1000℃，厚度為6～15nm，NH₃流量為10000sccm，TEGa流量設(shè)定為900sccm，TMAl流量設(shè)定為100sccm，TMIn流量設(shè)定為300sccm。

量子壘層生長結(jié)束后降溫至550～650℃，保持NH₃流量不變，生長AlN晶核層L52，該層厚度為1～10nm。

AlN晶核層生長結(jié)束后升溫至800～900℃，生長網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)SiN薄層L53，該層厚度控制在0.5～1nm。

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)SiN薄層生長結(jié)束后保持溫度不變，生長In_0.1Ga_0.9N 量子阱層L54，TEGa流量設(shè)定為400sccm，TMIn流量設(shè)定為600sccm。

多量子阱有源區(qū)InGaN阱層生長結(jié)束后，升溫至900～1000℃，生長Al_0.2Ga_0.8N薄層L55。

5、在多量子阱有源區(qū)L5上生長6對p型Al_0.3Ga_0.7N/Al_0.5Ga_0.5N電子阻擋層L6：

生長溫度1000℃，生長壓力10000Pa，Al_0.3Ga_0.7N/Al_0.5Ga_0.5N生長厚度分別為10nm/2nm，Mg原子摻雜濃度為2×10¹⁹cm^-3，NH3流量為10000sccm, Al_0.3Ga_0.7N/Al_0.5Ga_0.5N周期中Al源流量分別為60sccm及100sccm，生長氣氛為N₂。

6、在p型Al_0.3Ga_0.7N/Al_0.5Ga_0.5N電子阻擋層L6上生長p型Al_0.2Ga_0.8N空穴注入層L7：

生長溫度1050℃，壓力為20000Pa， Mg摻雜濃度1×10²⁰cm^-3，厚度為50nm。

二、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點：

如圖1所示，在襯底L1同一側(cè)依次外延設(shè)置有AlN成核層L2、AlGaN非摻雜層L3、n型AlGaN電子注入層L4、多量子阱有源區(qū)L5、AlGaN電子阻擋層L6和AlGaN空穴注入層L7。多量子阱有源區(qū)L5由呈周期設(shè)置的2～12組結(jié)構(gòu)層組成。

如圖2所示，多量子阱有源區(qū)L5中每一組結(jié)構(gòu)層由依次設(shè)置的AlxInyGa1-x-yN量子壘層L51、AlN晶核層L52、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)SiN薄層L53、InxGa1-xN量子阱層L54和AlxGa1-xN薄層組成L55。

其中，AlxInyGa1-x-yN量子壘層L51的厚度為6～15nm；AlN晶核層L52的厚度為1～10nm；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)SiN薄層L53的厚度為0.5～1nm；InxGa1-xN量子阱層L54的厚度為3～5nm；AlxGa1-xN薄層L55的厚度為1～2nm。