CN102916096A - 一种提高发光效率的外延结构及其制备方法 - Google Patents

一种提高发光效率的外延结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种提高发光效率的外延结构，从下向上依次包括：衬底、第一GaN缓冲层、第二GaN缓冲层、N型GaN层、多量子阱结构MQW、发光层多量子阱结构MQW、p 型GaN层、p 型AlGaN层、p 型GaN层、p 型接触层；所述多量子阱结构MQW由n层InxGa1-XN/GaN 多量子阱组成，所述n层多量子阱中阱的宽度、深度以及垒的高度逐层递增；垒的宽度逐层递减；阱的宽度逐层递增与垒宽度逐层递减呈规律的对应关系，其中n为整数，取值范围为2-12。本发明的生产工艺可以优化电子的浓度分布，减小多量子阱生长过程中产生的应力，减小量子限制斯塔克效应（QCSE），提高多量子阱发光效率。

Description

一种提高发光效率的外延结构及其制备方法
技术领域
本发明属于氮化镓系材料制备技术领域，特别涉及一种氮化镓基发光二极管提高多量子阱发光效率的方法。
背景技术
以氮化镓为代表的Ⅲ族氮化物为直接带隙的宽禁带半导体材料，其具有电子飘移饱和速度高，热导率好，并且能够抗辐射耐高温以及很好的化学稳定性和物理稳定性。其三元合金铟镓氮（InGaN）带隙从0.7eV铟氮（InN）到3.4 eV氮化镓（GaN）连续可调，发光波长覆盖了可见光和近紫外光的整个区域。以InGaN/GaN多量子阱为有源层的发光二极管具有高效、环保、节能、寿命长等显著特点，被公认为最有潜力进入普通照明领域的一种新型固态冷光源。
InGaN/GaN多量子阱生长过程中，由于InGaN和GaN材料之间的失配，会产生应力，也会引起压电极化效应，形成压电极化场。极化场的存在会降低其辐射复合的效率，引起很强的量子限制斯塔克效应（QCSE）。InGaN/GaN多量子阱能够加强对载流子的限制作用，提高辐射复合效率，量子阱中富In的生长条件所形成的In量子点，对载流子有很好的限制作用，使得载流子很难被非辐射复合中心俘获，从而提高辐射复合的效率。
对于以上问题，国内外进行很多研究，并提出一些生长方法。如，为避免量子限制斯塔克效应（QCSE）影响，提出了材料的生长方向和极化方向完全重合，但无法避免量子限制斯塔克效应。还有人采用InGaN或者光子晶体作为下埋层或者采用InGaN/GaN超晶格来缓释应力。对于电子浓度的分布优化，主要使用电子扩展层，电子阻挡层以及电荷非对称共振遂穿结构等方法。
上述方法都在一定程度上提高了量子阱的辐射复合效率，但效果有限。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种提高发光效率的外延结构及其制备方法，用于解决现有技术中氮化镓基发光二极管中存在的巨大内建电场以及载流子分布不均匀所导致的量子阱发光效率减小的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种提高发光效率的外延结构，所述外延结构从下向上依次包括：
衬底；
位于所述衬底上的第一GaN缓冲层；
位于所述第一GaN缓冲层上的第二GaN缓冲层；
位于所述第二GaN缓冲层上的N型GaN层；
位于所述N型GaN层上的多量子阱结构MQW ；
位于所述多量子阱结构MQW上的发光层多量子阱结构MQW；
位于所述发光层多量子阱结构MQW上的p 型GaN层；
位于所述p 型GaN层上的p 型AlGaN层；
位于所述p 型AlGaN层上的p 型GaN层；
以及位于所述p 型GaN层上的p 型接触层；
所述多量子阱结构MQW由n层InxGa1-XN/GaN 多量子阱组成，所述n层多量子阱中阱的宽度、深度以及垒的高度逐层递增；垒的宽度逐层递减；阱的宽度逐层递增与垒宽度逐层递减呈规律的对应关系，其中n为整数，取值范围为2-12。
优选地，所述阱的宽度为2-5nm；所述垒的宽度为10-25nm。
优选地，所述衬底为蓝宝石、GaN单晶、单晶硅以及碳化硅单晶。
优选地，所述发光层多量子阱由3-15个周期的InyGa1-yN(x<y<1)/GaN多量子阱组成，所述发光层多量子阱的厚度在2-5nm之间。
本发明还提供一种提高发光效率的外延结构的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，提供一衬底，并对其进行预处理；
步骤二，在衬底温度为500-650℃之间，生长的低温GaN缓冲层；
步骤三，将衬底温度升高至900-1200℃之间，对所述低温GaN缓冲层原位进行热退火处理，退火之后将温度调节至1000-1200℃之间，外延生长高温GaN缓冲层；
步骤四，继续生长N型GaN层；
步骤五，生长多量子阱结构MQW，生长温度在650-900℃之间，生长压力在100-600 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300-5000之间；所述多量子阱MQW由n层InxGa1-XN/GaN 多量子阱组成，其中每层中阱的生长方式为In组分X逐渐增加，阱生长温度逐层递减；垒的宽度逐层递减；阱的宽度逐层递增与垒宽度逐层递减呈规律的对应关系，其中n为整数，取值范围为2-12；
步骤六，继续生长发光层多量子阱MQW；所述发光层多量子阱中In的摩尔组分含量在10%-50%之间；
步骤七，以N2作为载气生长p 型GaN层；
步骤八，生长p 型AlGaN层；
步骤九，生长p 型GaN层；
步骤十，生长p接触层。
优选地，本发明还包括步骤十一：将反应室的温度降至650-800℃之间，采用纯氮气氛围进行退火处理2～15min，然后降至室温获得外延结构。
优选地，所述步骤十中的p接触层厚度为5～20nm。
优选地，所述步骤二中低温缓冲层的厚度为20-30 nm；生长压力控制在300-760 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在500-3200之间。
优选地，所述步骤三中高温缓冲层的厚度为0.5-2um之间；生长压力在100-500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300-3000之间。
优选地，所述发光层多量子阱MQW的生长温度在720-820℃之间，压力在100-500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300-5000之间，所述发光层多量子阱由3-15个周期的InyGa1-yN(x<y<1)/GaN 多量子阱组成，所述发光层多量子阱的厚度在2-5nm之间；其垒层宽度不变，在10-15nm之间；生长温度在820-920℃之间，压力在100-500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300-5000之间。
本发明的生产工艺可以优化电子的浓度分布，减小多量子阱生长过程中产生的应力，减小量子限制斯塔克效应（QCSE），提高多量子阱发光效率。
附图说明
图1显示为本发明多量子阱能带示意图。
其中，1-A：第一层阱；1-B：第二层阱；1-C：第三层阱……1-K：第十一层阱；1-L：第十二层阱；2-A：第一层垒；2-B：第二层垒；2-C：第三层垒……2-K：第十一层垒；2-L：第十二层垒；
图2显示为本发明LED外延结构的结构示意图。
其中，蓝宝石衬底1、低温GaN缓冲层2、高温GaN缓冲层3、N型GaN层4、多量子阱结构MQW 5、发光层多量子阱结构MQW6、p 型GaN层7、p型AlGaN层8、p 型GaN层9、p 型接触层10。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图2所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图2所示的LED外延结构，所述外延结构从下向上依次包括：
衬底1；
位于所述衬底上的第一GaN缓冲层2；
位于所述第一GaN缓冲层上的第二GaN缓冲层3；
位于所述第二GaN缓冲层上的N型GaN层4；
位于所述N型GaN层上的多量子阱结构MQW 5 ；
位于所述多量子阱结构MQW上的发光层多量子阱结构MQW 6；
位于所述发光层多量子阱结构MQW上的p 型GaN层7；
位于所述p 型GaN层上的p 型AlGaN层8；
位于所述p 型AlGaN层上的p 型GaN层9；
以及位于所述p 型GaN层上的p 型接触层10；
所述多量子阱结构MQW 5由n层InxGa1-XN/GaN 多量子阱组成，所述n层多量子阱中阱的宽度、深度以及垒的高度逐层递增；垒的宽度逐层递减；阱的宽度逐层递增与垒宽度逐层递减呈规律的对应关系，其中n为整数，取值范围为2-12。
请参阅图1所示的该量子阱能带示意图。本实施例中，多量子阱结构MQW 5由12层InxGa1-XN/GaN 多量子阱组成.其中，1-A：第一层阱；1-B：第二层阱；1-C：第三层阱……1-K：第十一层阱；1-L：第十二层阱；2-A：第一层垒；2-B：第二层垒；2-C：第三层垒……2-K：第十一层垒；2-L：第十二层垒。
其中，第二层阱1-B的宽度略大于第一层阱1-A的宽度，第二层阱1-B的深度略大于第一层阱1-A的深度，第三层阱1-C的宽度略大于第二层阱1-B的宽度，第三层阱1-C的深度略大于第二层阱1-C的深度，以此类推。
阱的宽度逐层递增与垒宽度逐层递减呈规律的对应关系。阱的深度与垒的深度也呈规律的对应关系。
同样的，第二层垒2-B的宽度略小于第一层垒2-A的宽度，第二层垒2-B的深度略大于第一层垒2-A的深度，第三层垒2-C的宽度略小于第二层垒2-B的宽度，第三层垒2-C的深度略大于第二层垒2-B的深度，以此类推。
本实施例中，多量子阱中阱层和垒层的宽度通过控制生长时间、MO源流量及温度等方式来实现。本实施例中采取的为阱层中每层层温梯度变化结合控制生长时间来实现，MO源流量不变。
本实施例中垒层的厚度变化生长仅通过控制时间来实现，垒层的生长温度各层均相同。阱、垒层的宽度或厚度范围值在制备方法中具体说明。
本实施例中，多量子阱中的阱层温度时逐渐降低的，低温条件下有利于In组分的生长，在生长阱层时，通过拉长生长时间，即可让阱层变宽，通过在阱层适当的降低温度结合拉长阱层生长时间，可有效达到变宽阱层的目的，在适当的范围内降低阱层温度及拉长阱层生长时间是变宽阱层的同一个方向。
具体的，本发明一种提高半导体多量子阱发光效率的方法包括以下具体步骤：
步骤一，将衬底1在氢气气氛里进行退火，清洁所述衬底1表面，温度控制在1030-1200℃之间，然后进行氮化处理，衬底是适合GaN及其半导体外延材料生长的材料，如蓝宝石，GaN单晶，单晶硅、碳化硅单晶等；
步骤二，将温度下降到500-650℃之间，生长20-30 nm厚的低温GaN缓冲层2，生长压力控制在300-760 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在500-3200之间；
步骤三，所述低温GaN缓冲层2生长结束后，停止通入TMGa，衬底温度升高至900-1200℃之间，对所述低温GaN缓冲层2原位进行热退火处理，退火时间在5-30min之间，退火之后，将温度调节至1000-1200℃之间，外延生长厚度为0.5-2um间的高温GaN缓冲层3，生长压力在100-500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300-3000之间；
步骤四，所述高温GaN缓冲层3生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的N型GaN层4，厚度在1.2-4.2um，生长温度在1000-1200℃之间，压力在100-600 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300-3000之间；
步骤五，所述N型GaN层4生长结束后，生长多量子阱结构MQW5，生长温度在650-900℃之间，生长压力在100-600 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300-5000之间，所述多量子阱MQW5由1-12层InxGa1-XN/GaN 多量子阱组成，所述多量子阱的厚度在2-5nm之间，其中每层中阱的生长方式为In组分逐渐增加（InxGa1-xN，In的组份X逐渐增加），阱的宽度也在梯度变大，每层阱生长温度不同，随着层数增加，阱温梯度变低；每层中垒的生长方式为采用四元合金InAlGaN，并且垒的厚度梯度变小，垒的厚度在10-25nm之间。上述中的阱宽度梯度变大与垒厚度梯度变小呈规律的对应关系。
步骤六，所述多量子阱MQW5生长结束后，生长发光层多量子阱MQW6，生长温度在720-820℃之间，压力在100-500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300-5000之间，所述发光层多量子阱6由3-15个周期的InyGa1-yN(x<y<1)/GaN 多量子阱组成，所述发光层多量子阱6的厚度在2-5nm之间；所述发光层多量子阱6中In的摩尔组分含量是不变的，在10%-50%之间；垒层厚度不变，厚度在10-15nm之间，生长温度在820-920℃之间，压力在100-500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300-5000之间；
步骤七，所述发光层多量子阱6生长结束后，以N2作为载气生长厚度10-100nm之间的p 型GaN层7，生长温度在620-820℃之间，生长时间在5-35min之间，压力在100-500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300-5000之间；
步骤八，所述p 型GaN层 7生长结束后，生长厚度10-50nm之间的p型AlGaN层8，生长温度在900-1100℃之间，生长时间在5-15min之间，压力在50-500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在1000-20000之间，p 型AlGaN层8的 Al的摩尔组分含量控制在10%-30%之间；
步骤九，所述p 型AlGaN层8生长结束后，生长厚度100-800nm之间的p 型GaN层9，生长温度在850-950℃之间，生长时间在5-30min之间，压力在100-500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300-5000之间；
步骤十，所述P型GaN层9生长结束后，生长厚度5-20nm之间的p接触层10，生长温度在850-1050℃之间，生长时间在1-10min之间，压力在100-500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在1000-20000之间；
步骤十一，外延生长结束后，将反应室的温度降至650-800℃之间，采用纯氮气氛围进行退火处理2～15min，然后降至室温，即得如图1所示的LED外延结构。
外延结构（外延片）经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等后续加工工艺制成单科小尺寸芯片。
本实施例以高纯氢气或氮气作为载气，以三甲基镓（TMGa），三乙基镓(TEGa)、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）和氨气（NH3）分别作为Ga、Al、In和N源，用硅烷（SiH4）和二茂镁（Cp2Mg）分别作为n、p型掺杂剂。
本发明的生产工艺可以优化电子的浓度分布，减小多量子阱生长过程中产生的应力，减小量子限制斯塔克效应（QCSE），提高多量子阱发光效率。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种提高发光效率的外延结构，其特征在于，所述外延结构从下向上依次包括：
衬底；
位于所述衬底上的第一GaN缓冲层；
位于所述第一GaN缓冲层上的第二GaN缓冲层；
位于所述第二GaN缓冲层上的N型GaN层；
位于所述N型GaN层上的多量子阱结构MQW ；
位于所述多量子阱结构MQW上的发光层多量子阱结构MQW；
位于所述发光层多量子阱结构MQW上的p 型GaN层；
位于所述p 型GaN层上的p 型AlGaN层；
位于所述p 型AlGaN层上的p 型GaN层；
以及位于所述p 型GaN层上的p 型接触层；
所述多量子阱结构MQW由n层InxGa1-XN/GaN 多量子阱组成，所述n层多量子阱中阱的宽度、深度以及垒的高度逐层递增；垒的宽度逐层递减；阱的宽度逐层递增与垒宽度逐层递减呈规律的对应关系，其中n为整数，取值范围为2-12。
2.根据权利要求1所述的提高发光效率的外延结构，其特征在于：所述阱的宽度为2-5nm；所述垒的宽度为10-25nm。
3.根据权利要求1所述的提高发光效率的外延结构，其特征在于：所述衬底为蓝宝石、GaN单晶、单晶硅以及碳化硅单晶。
4.根据权利要求1所述的提高发光效率的外延结构，其特征在于：所述发光层多量子阱由3-15个周期的InyGa1-yN(x<y<1)/GaN 多量子阱组成，所述发光层多量子阱的厚度在2-5nm之间。
5.一种提高发光效率的外延结构的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一，提供一衬底，并对其进行预处理；
步骤二，在衬底温度为500-650℃之间，生长的低温GaN缓冲层；
步骤三，将衬底温度升高至900-1200℃之间，对所述低温GaN缓冲层原位进行热退火处理，退火之后将温度调节至1000-1200℃之间，外延生长高温GaN缓冲层；
步骤四，继续生长N型GaN层；
步骤五，生长多量子阱结构MQW，生长温度在650-900℃之间，生长压力在100-600 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300-5000之间；所述多量子阱MQW由n层InxGa1-XN/GaN 多量子阱组成，其中每层中阱的生长方式为In组分X逐渐增加，阱生长温度逐层递减；垒的宽度逐层递减；阱的宽度逐层递增与垒宽度逐层递减呈规律的对应关系，其中n为整数，取值范围为2-12；
步骤六，继续生长发光层多量子阱MQW；所述发光层多量子阱中In的摩尔组分含量在10%-50%之间；
步骤七，以N2作为载气生长p 型GaN层；
步骤八，生长p 型AlGaN层；
步骤九，生长p 型GaN层；
步骤十，生长p接触层。
6.根据权利要求5所述的提高发光效率的外延结构的制备方法，其特征在于：还包括步骤十一：将反应室的温度降至650-800℃之间，采用纯氮气氛围进行退火处理2～15min，然后降至室温获得外延结构。
7.根据权利要求5所述的提高发光效率的外延结构的制备方法，其特征在于：所述步骤十中的p接触层厚度为5～20nm。
8.根据权利要求5所述的提高发光效率的外延结构的制备方法，其特征在于：所述步骤二中低温缓冲层的厚度为20-30 nm；生长压力控制在300-760 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在500-3200之间。
9.根据权利要求5所述的提高发光效率的外延结构的制备方法，其特征在于：所述步骤三中高温缓冲层的厚度为0.5-2um之间；生长压力在100-500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300-3000之间。
10.根据权利要求5所述的提高发光效率的外延结构的制备方法，其特征在于：所述发光层多量子阱MQW的生长温度在720-820℃之间，压力在100-500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300-5000之间，所述发光层多量子阱由3-15个周期的InyGa1-yN(x<y<1)/GaN 多量子阱组成，所述发光层多量子阱的厚度在2-5nm之间；其垒层宽度不变，在10-15nm之间；生长温度在820-920℃之间，压力在100-500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300-5000之间。
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