CN103915535A - 一种量子阱发光层及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种量子阱发光层及其形成方法，其中该方法包括步骤：形成InGaN阱层；以及在InGaN阱层之上形成InGaN垒层，其中，形成InGaN垒层进一步包括：在InGaN阱层之上形成InGaN升温层；在InGaN升温层之上形成InGaN稳定层；以及在InGaN稳定层之上形成InGaN降温层，其中，InGaN阱层中的铟含量为第一含铟量，InGaN垒层中的铟含量为第二铟含量，第一铟含量大于第二铟含量。本发明能够提高量子阱发光层的内量子效率，促使LED外延片发光效率的提升，更适合大功率外延片的需求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种量子阱发光层及其形成方法。
背景技术
随着LED室内照明的发展，制造大功率芯片的需求，生长性能良好的量子阱发光层成为半导体照明领域研究的重点。现有LED芯片结构中多为GaN基，其结构如图1所示，自下而上依次包括：蓝宝石图形化衬底100、未掺杂的本征氮化镓层（u-GaN）200、N型掺杂氮化镓层（n-GaN）300、量子阱发光层400、起电流阻挡作用的铝镓氮层（AlGaN）500以及P型掺杂氮化镓层（p-GaN）600。其中量子阱发光层400为最核心的部分。
由于三五族氮化物（III-V化合物）包括GaN、InN、AlN及三元和四元固溶体都是直接带隙宽禁带材料，发光效率高，其禁带宽度从InN的0.7eV到AlN的6.28eV，发光波段覆盖全部可见光。故量子阱发光层400通常选用InGaN/GaN量子阱作为发光有源层。InGaN/GaN量子阱中，可以通过调节In组分的大小，来获得需要的发光波长；同时凭借GaN、InN是直接带隙宽禁带材料，可保证一定发光效率。
现有的InGaN/GaN量子阱的形成方法如图2所示，在第一阶段同时通入三甲基铟（TMIn）和三甲基镓（TMGa），以使反应生成InGaN阱层；一段时间后进入第二阶段，在第二阶段中仅通入三甲基镓（TMGa），以使反应生成GaN垒层。该现有技术的缺点在于：（1）由于InN的低分解温度导致InN的生长温度较低，难以获得良好的晶体质量，缺陷、位错即非辐射复合中心增加而导致内量子效率低下；（2）量子阱内存在的强自建电场迫使能带倾斜，引起电子和空穴在空间上分离，电子和空穴的波函数交叠偏移，导致电子和空穴在量子阱内复合发光率低下；（3）GaN与InN间的晶格失配容易引入位错缺陷，形成非辐射复合中心导致内量子效率的低下。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的目的在于提出一种内量子效率高的量子阱发光层及其形成方法。
根据本发明实施例的量子阱发光层的形成方法，包括以下步骤：S1.形成InGaN阱层；以及S2.在所述InGaN阱层之上形成InGaN垒层，其中，包括：S21.在所述InGaN阱层之上形成InGaN升温层；S22.在所述InGaN升温层之上形成InGaN稳定层；以及S23.在所述InGaN稳定层之上形成InGaN降温层，其中，所述InGaN阱层中的铟含量为第一含铟量，所述InGaN垒层中的铟含量为第二铟含量，所述第一铟含量大于所述第二铟含量。
在本发明的一个实施例中，所述第一铟含量为0-30%，所述第二铟含量为0-10%。
在本发明的一个实施例中，所述InGaN阱层下表面至上表面的In组分含量先逐渐减小，再逐渐增加。
在本发明的一个实施例中，在氮气氛围中形成所述InGaN阱层、所述InGaN升温层和所述InGaN降温层，在氮气掺氢气氛围中形成所述InGaN稳定层。
在本发明的一个实施例中，重复所述步骤S1和步骤S2的循环n次，以形成多量子阱发光层，其中n为1-20的整数。
根据本发明实施例的量子阱发光层，包括：InGaN阱层；以及形成在所述InGaN阱层之上的InGaN垒层，其中，所述InGaN垒层进一步包括：形成在所述InGaN阱层之上的InGaN升温层；形成在所述InGaN升温层之上的InGaN稳定层；以及形成在所述InGaN稳定层之上的InGaN降温层，其中，所述InGaN阱层中的铟含量为第一含铟量，所述InGaN垒层中的铟含量为第二铟含量，所述第一铟含量大于所述第二铟含量。
在本发明的一个实施例中，所述第一铟含量为0-30%，所述第二铟含量为0-10%。
在本发明的一个实施例中，所述InGaN阱层下表面至上表面的In组分含量先逐渐减小，再逐渐增加。
在本发明的一个实施例中，所述InGaN阱层、所述InGaN升温层和所述InGaN降温层是在氮气氛围中形成的，所述InGaN稳定层是在氮气掺氢气氛围中形成的。
在本发明的一个实施例中，n层所述InGaN阱层与n层所述InGaN垒层交替堆叠，以形成多量子阱发光层，其中n为1-20的整数。
本发明通过InGaN/InGaN量子阱结构，能够有效减少量子阱中阱层和垒层间的晶格失配，从而有效降低了量子阱中得缺陷密度、减少非辐射发光，削弱量子阱的内电场、减少斯塔克效应、减少能带弯曲，有效提高了量子阱发光效率，增大GaN基LED的发光亮度。同时，在生长InGaN/InGaN量子阱结构时，采用无间断生长方式，大大缩短了量子阱生长时间，提高了生产效率。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是具有铟镓氮量子阱结构的LED外延片的结构示意图
图2是现有技术的生长InGaN/GaN量子阱结构的TMIn、TEGa流量图
图3是本发明实施例的生长InGaN/InGaN量子阱结构的TMIn、TEGa流量图
图4是本发明实施例的生长三角形InGaN阱的InGaN/InGaN量子阱结构的TMIn、TEGa流量图
图5是本发明实施例的InGaN/InGaN的量子阱发光层的结构图
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本发明采用MOCVD设备,以氨气（NH3）作为N源，三甲基镓(TMGa)、三乙基镓（TEGa）作为Ga源，三甲基铟（TMIn）作为In源，硅烷(SiH4)作为Si掺杂源，二茂镁（Cp2Mg）作为Mg掺杂源，氮气（N2）、氢气(H2)做载气。
根据本发明实施例的量子阱发光层的形成方法，包括以下步骤：
S1.形成InGaN阱层；以及
S2.在InGaN阱层之上形成InGaN垒层。其中，步骤S2进一步包括：
S21.在InGaN阱层之上形成InGaN升温层；
S22.在InGaN升温层之上形成InGaN稳定层；以及
S23.在InGaN稳定层之上形成InGaN降温层。
其中，InGaN阱层中的铟含量为第一含铟量，InGaN垒层中的铟含量为第二铟含量，第一铟含量大于第二铟含量。图3是本发明实施例的生长InGaN/InGaN量子阱结构的TMIn、TEGa流量图。如图3所示，生长阱层的第一阶段和生长垒层的第二阶段均通入TMIn和TEGa，其中，第一阶段中通入TMIn的比例高于第一阶段中通入TMIn的比例。
本发明在量子阱中的阱层采用In组分较高的InGaN，以满足发光波长，而垒层中则采用In组分较低的InGaN。由于In组分较低的InGaN的晶格常数小于GaN但更接近In组分较高的InGaN，本发明通过InGaN/InGaN量子阱结构取代现有技术的InGaN/GaN量子阱结构，可减少阱垒间的晶格失配、减少晶格失配引入的位错缺陷等非辐射复合中心，增加辐射复合发光。
其次，本发明采用无间断生长工艺，即在量子阱的阱层和垒层生长条件切换的过程中，持续生长InGaN，与现有的InGaN/GaN量子阱间断生长技术对比，在节省生长时间的同时，更能生长出优良的InGaN晶体质量，减少缺陷位错，缺陷位错得到有效遏制，非辐射复合发光进一步减少、增加辐射复合发光。
在本发明中，生长InGaN阱层后，在升温过程中，接着不间断生长InGaN升温层，其目的在于保护InGaN阱层中的In在后续外延层生长过程中不至于分解挥发；在生长InGaN稳定层后继续生长InGaN降温层，其目的是防止InGaN稳定层中的In分解挥发，起保护作用。
在本发明的一个实施例中，第一铟含量为0-30%，第二铟含量为0-10%。通过控制通入的TMIn和TEGa的组分可以调控材料层中的铟含量。
优选的，所述InGaN阱层下表面至上表面的In组分含量先逐渐减小，再逐渐增加，形成的InGaN阱层为上下两侧含铟量高、中间部分含铟量低的三角形InGaN阱层。如图4所示，通过调控通入的TMIn和TEGa的混合比例，使得InGaN阱层在生长过程中，In组分实现先减后增的变化，来改变量子阱的能带，抵消斯塔克效应引起的能带弯曲，增加量子阱中电子和空穴复合率，提高发光效率。
在本发明的一个实施例中，在氮气氛围中形成InGaN阱层、InGaN升温层和InGaN降温层，在氮气掺氢气氛围中形成InGaN稳定层，本发明在形成InGaN稳定层过程中加入掺入少量的H2，有助于减少InGaN中的碳和氧杂质的浓度，可提高InGaN的晶体质量，有利于发光。
在本发明的一个实施例中，步骤S22中，采用SiH4对InGaN稳定层进行n型掺杂。
在本发明的一个实施例中，重复步骤S1和步骤S2的循环n次，以形成多量子阱发光层，其中n为1-20的整数。
根据本发明实施例的量子阱发光层，如图5所示，包括：InGaN阱层410；以及形成在InGaN阱层410之上的InGaN垒层420。其中该InGaN垒层420进一步包括：形成在InGaN阱层410之上的InGaN升温层421；形成在InGaN升温层421之上的InGaN稳定层422；以及形成在InGaN稳定层422之上的InGaN降温层423。其中，InGaN阱层410中的铟含量为第一含铟量，InGaN垒层420中的铟含量为第二铟含量，第一铟含量大于第二铟含量。
在本发明的一个实施例中，第一铟含量为0-30%，第二铟含量为0-10%。
在本发明的一个实施例中，InGaN阱层下表面至上表面的In组分含量先逐渐减小，再逐渐增加。
在本发明的一个实施例中，InGaN阱层、InGaN升温层和InGaN降温层是在氮气氛围中形成的，InGaN稳定层是在氮气掺氢气氛围中形成的。
在本发明的一个实施例中，InGaN稳定层为进行SiH4掺杂的n型InGaN。
在本发明的一个实施例中，n层InGaN阱层与n层InGaN垒层交替堆叠，以形成多量子阱发光层，其中n为1-20的整数。
为使本领域技术人员更好地理解本发明，申请人结合具有InGaN/InGaN多量子阱结构的LED外延片的制造方法进一步阐释如下。
首先在蓝宝石图形化衬底上外延生长缓冲层u-GaN，接着在u-GaN上生长n-GaN；
然后在n-GaN上外延生长InGaN/InGaN多量子阱发光层；
最后在该InGaN/InGaN多量子阱发光层上生长AlGaN层和p-GaN。
其中，在n-GaN上外延生长InGaN/InGaN多量子阱发光层，InGaN/InGaN多量子阱发光层采用InGaN/InGaN多量子阱结构，包括：
第一步，在n-GaN在上外延生长InGaN阱层;选用高纯N2作载气，InGaN厚度在1nm~4nm间，阱层生长温度在730°C~770°C间，In组分在0%~30%间。
第一步还可以采取优化方案：n-GaN上外延生长上下两侧含铟量高、中间部分含铟量低的InGaN阱层，即所述InGaN阱层下表面至上表面的In组分含量先逐渐减小，再逐渐增加，能有效减少斯塔克效应，提高内量子效率。
第二步，在InGaN阱层上生长低In组分InGaN升温层；选用高纯氮气作载气，InGaN厚度在1nm~3nm间，生长温度介于730°C~800°C间，In组分在0%~10%间。
第三步，在低In组分InGaN升温层上生长低In组分InGaN稳定层；选用高纯氮气作载气，加入少量的H2，H2和N2比值H2/N2∈（0,1），InGaN厚度在1nm~10nm间，生长温度介于800°C~850°C间，In组分在0%~10%间，选用SiH4进行n型掺杂，掺杂浓度介于1.0E+17cm-3~5.0E+19cm-3间。
第四步，在低In组分InGaN稳定层上生长低In组分InGaN降温层，选用高纯氮气作载气，InGaN厚度在1nm~3nm间，生长温度介于730°C~800°C间，In组分在0%~10%间。
上述的第一步生长的InGaN作为阱层，第二步至第四步生长的低In组分的InGaN作为垒层，共同形成一组InGaN/InGaN量子阱。该InGaN/InGaN量子阱结构由下至上依次包括InGaN阱层、低In组分InGaN升温层、低In组分InGaN稳定层、低In组分InGaN降温层。
InGaN/InGaN多量子阱结构由n组InGaN/InGaN量子阱结构重复生长形成，n为1-20之间的整数。
综上所述，本发明的量子阱发光层及其形成方法能够有效减少量子阱阱和垒间的晶格失配，从而有效降低了量子阱中得缺陷密度、减少非辐射发光，削弱量子阱的内电场、减少斯塔克效应、减少能带弯曲，有效提高了量子阱发光效率，增大LED的发光亮度。同时，在生长InGaN/InGaN量子阱结构时，采用无间断生长方式，大大缩短了量子阱生长时间，提高了生产效率。
需要说明的是，本发明流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种量子阱发光层的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.形成InGaN阱层；以及
S2.在所述InGaN阱层之上形成InGaN垒层，其中，包括:
S21.在所述InGaN阱层之上形成InGaN升温层；
S22.在所述InGaN升温层之上形成InGaN稳定层；以及
S23.在所述InGaN稳定层之上形成InGaN降温层，
其中，所述InGaN阱层中的铟含量为第一含铟量，所述InGaN垒层中的铟含量为第二铟含量，所述第一铟含量大于所述第二铟含量。
2.如权利要求1所述的量子阱发光层的形成方法，其特征在于：所述第一铟含量为0-30%，所述第二铟含量为0-10%。
3.如权利要求1所述的量子阱发光层的形成方法，其特征在于：所述InGaN阱层下表面至上表面的In组分含量先逐渐减小，再逐渐增加。
4.如权利要求1所述的量子阱发光层的形成方法，其特征在于：在氮气氛围中形成所述InGaN阱层、所述InGaN升温层和所述InGaN降温层，在氮气掺氢气氛围中形成所述InGaN稳定层。
5.如权利要求1所述的量子阱发光层的形成方法，其特征在于：重复所述步骤S1和步骤S2的循环n次，以形成多量子阱发光层，其中n为1-20的整数。
6.一种量子阱发光层，其特征在于，包括：
InGaN阱层；以及
形成在所述InGaN阱层之上的InGaN垒层，其中，所述InGaN垒层进一步包括:
形成在所述InGaN阱层之上的InGaN升温层；
形成在所述InGaN升温层之上的InGaN稳定层；以及
形成在所述InGaN稳定层之上的InGaN降温层，
其中，所述InGaN阱层中的铟含量为第一含铟量，所述InGaN垒层中的铟含量为第二铟含量，所述第一铟含量大于所述第二铟含量。
7.如权利要求6所述的量子阱发光层，其特征在于：所述第一铟含量为0-30%，所述第二铟含量为0-10%。
8.如权利要求6所述的量子阱发光层，其特征在于：所述InGaN阱层下表面至上表面的In组分含量先逐渐减小，再逐渐增加。
9.如权利要求6所述的量子阱发光层，其特征在于：所述InGaN阱层、所述InGaN升温层和所述InGaN降温层是在氮气氛围中形成的，所述InGaN稳定层是在氮气掺氢气氛围中形成的。
10.如权利要求6所述的量子阱发光层，其特征在于：n层所述InGaN阱层与n层所述InGaN垒层交替堆叠，以形成多量子阱发光层，其中n为1-20的整数。
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