CN104282808B - 一种紫外led外延有源区结构生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种新的生长紫外LED有源区的外延结构生长方法，以特别的方式生长多量子阱垒层，最终能够更好地实现紫外光的辐射发光，提升紫外LED的光效。该方法是在生长若干个周期AlxGa1‑xN/AlyGa1‑yN量子阱垒层的过程中，垒层AlyGa1‑yN的铝组分递增变化(单独对于每一个垒层自身，其生长过程中Al含量保持恒定)，使得刚开始电子翻越势垒能量减小，电流在后面增强的势垒后均匀扩展，降低电压，同时提升电子的限制作用，同时空穴在注入过程中能很好的向中心有源区扩展，从而提升紫外LED整体的发光效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子器件制备技术领域，具体涉及一种紫光LED外延有源区结构生长方法。
背景技术
随着LED应用的发展，紫光LED的市场需求越来越大，发光波长覆盖210-400nm的紫外LED，具有传统紫外光源无法比拟的优势。在照明，生物医疗、防伪鉴定、空气，水质净化、生化检测、高密度信息储存等方面都可替代传统含有毒有害物质的紫外汞灯，目前紫光LED生长由于受到生长材料本身的限制和掺杂难度影响，发光效率普遍较低。如何提升发光效率，是当今紫外LED外延的重点。我们发现，传统材料有源区多量子阱各垒层的Al组分含量通常都相同，本发明是从这方面产生了提升紫外LED的光效的思路并进行了优化分析和实验。
发明内容
本发明提出一种新的生长紫外LED有源区的外延结构生长方法，以特别的方式生长多量子阱垒层，最终能够更好地实现紫外光的辐射发光，提升紫外LED的光效。
本发明的基本方案如下：
紫外LED外延有源区结构生长方法，其中生长若干个周期AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱垒层的环节作为有源区，y>x，其中AlxGa1-xN作为阱层，AlyGa1-yN作为垒层；其特殊之处在于：垒层AlyGa1-yN的Al组分在有源区生长过程是递增变化的,即y值始于a终于b，1>b>a>x>0(单独对于每一个垒层自身，其生长过程中Al含量保持恒定)。
x所选数值视所要生长的具体波长而定，理论上按照本发明的方案，x在0～1范围内的取值都可以得到更高光效的紫外LED。
基于上述基本方案，本发明还进一步做如下优化限定：
a的取值范围为b的1/3～1/2。即：y值的递增跨度范围小至从b的1/2开始直到b，大至从b的1/3开始直到b，在这样的跨度范围之内，最终效果更佳。
上述递增变化具体为连续变化、梯度变化或者混合梯度变化。其中以连续变化最最佳。
相应的，本发明也提出一种紫外LED外延生长方法，包括以下步骤：
蓝宝石衬底上生长一层低温AlN；
生长一层高温AlN；
生长若干个周期AlN/AlGaN超晶格结构层；
生长一层掺杂硅烷的n型AlGaN层；
按照上述紫外LED外延有源区结构生长方法，生长若干个周期AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱垒层；
生长一层掺杂镁p型AlGaN阻挡层；
生长一层掺杂镁p型GaN接触层；
氮气氛围下退火。
本发明的有益效果如下：
本发明在有源区生长过程中垒层AlyGa1-yN的铝组分递增变化，垒层AlyGa1-yN(y>x>0)的Al组分变化采用这种方式生长既可以防止电子的过溢，还可以增强电子在量子阱的分布，使得刚开始电子翻越势垒能量减小，电流在后面增强的势垒后均匀扩展，降低电压，同时提升电子的限制作用，同时空穴在注入过程中能很好的向中心有源区扩展，从而提升紫外LED整体的发光效率。
附图说明
图1为本发明的紫外LED的外延整体结构示意图。
具体实施方式
本发明采用蓝宝石作为生长基底，进行异质外延生长，运用MOCVD(金属有机物化学气相沉积)技术来完成整个外延过程。在蓝宝石衬底上生长一层低温AlN,然后再高温生长一层AlN,然后再生长几个周期AlN/AlGaN超晶格结构层，然后再生长一层掺杂硅烷的n型AlGaN层，然后生长一层几个周期AlxGa1-xN/AlyGa1-yN(y>x)量子阱垒区，其中AlxGa1-xN作为阱层，AlyGa1-yN作为垒层。然后生长一层Al组分较高的掺杂镁p型AlGaN阻挡层，接着生长一层很薄的掺杂镁p型GaN接触层。
其中，周期生长的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN(y>x)量子阱垒区中，垒层AlyGa1-yN(y>x>0)的Al组分在生长过程中是变化的,即y值始于a终于b，b>a>x>0。从a到b的变化过程可以分为连续变化、梯度变化、混合梯度变化三类。
连续变化是指在有源区生长过程中，各个垒层Al组分含量y值从开始的a连续变化至结束的b。即单独对于每一个垒层自身，其生长过程中Al含量保持恒定，不同垒层之间形成渐变，比如垒层1、垒层2、垒层3，其y值分别为a1、a2、a3，其中a1<a2<a3。
梯度变化是指在有源区生长过程中，各个垒层Al组分含量y值从开始的a阶梯式递增至结束的b。例如：前几个垒层以y＝a保持不变，后几个垒层以y＝b保持不变；也可以再细分为三级、四级阶梯等。
混合梯度变化是指在有源区生长过程中，既存在某几个垒层的y值连续变化也存在某几个垒层的y值梯度变化。例如：前几个垒层以y＝a保持不变，后几个垒层y值连续变大至b；也可以分为三个阶段，第一个阶段几个垒层以y＝a保持不变，第二个阶段几个垒层y值连续变大至a、b中间的某个值，第三个阶段几个垒层以y＝b保持不变。如此，混合梯度变化可以有多种具体形式。
本发明可运用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)外延生长技术，采用三甲基镓(TMGa)，三乙基镓(TEGa)，和三甲基铟(TMIn),三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)硅烷(SiH4)和二茂镁(cp2mg)分别提供生长所需要的镓源，铟源，铝源，和氮源,硅源,镁源。
实施例一
1.将蓝宝石衬底特殊清洗处理后，放入MOCVD设备在1100℃烘烤10分钟。
2.降温度600℃生长一层厚度10nm的低温AlN层，生长压力为100torr。
3.升温到1070℃生长一层厚度500nm的高温AlN层，生长压力为100torr.
4.在温度1060℃，150torr生长一层10个周期AlN/AlGaN的超晶格，总厚度50nm。
5.在温度1060℃生长一层本征掺杂硅烷的n型AlGaN层厚度500nm，压力200torr.
6.在氮气氛围200torr,1060℃生长一层AlxGa1-xN/AlyGa1-yN(y>x)量子阱垒层，每个周期的量子阱层AlxGa1-xN和垒层AlyGa1-yN层的厚度分别为3nm和8nm.其中垒层的Al组分在生长过程是变化的，具体为：生长8个y值分别为0.4,0.45,0.5,0.55，0.6，0.65,0.7,0.75的垒层AlyGa1-yN和阱层AlxGa1-xN(0<x<0.4)。
7.温度至1000℃，150torr,生长一层掺杂镁的p型AlGaN层，厚度15nm。此层的Al组分含量较高。
8.在980℃,100torr生长70nm的Mg掺杂的p型AlGaN层。
9.在950℃，100torr生长一层20nm的Mg掺杂的p型GaN层。
10.在氮气氛围下，退火15分钟。
生长过程结束。
实施例二
1.将蓝宝石衬底特殊清洗处理后，放入MOCVD设备在1100℃烘烤10分钟。
2.降温度600℃生长一层厚度10nm的低温AlN层，生长压力为100torr。
3.升温到1070℃生长一层厚度500nm的高温AlN层，生长压力为100torr.
4.在温度1060℃，150torr生长一层10个周期AlN/AlGaN的超晶格，总厚度50nm。
5.在温度1060℃生长一层本征掺杂硅烷的n型AlGaN层厚度500nm，压力200torr.
6.在氮气氛围200torr,1060℃生长一层AlxGa1-xN/AlyGa1-yN(y>x)量子阱垒层，每个周期的量子阱层AlxGa1-xN和垒层AlyGa1-yN层的厚度分别为3nm和8nm.其中垒层的Al组分在生长过程是变化的，具体为生长前5个y＝0.4的垒层Al0.4Ga0.6N和阱层AlxGa1-xN(0<x<0.4),然后再生长后3个y＝0.7的垒层Al0.7Ga0.3N和阱层AlxGa1-xN(0<x<0.4)。
7.温度至1000℃，150torr,生长一层掺杂镁的p型AlGaN层，厚度15nm。此层的Al组分含量较高。
8.在980℃,100torr生长70nm的Mg掺杂的p型AlGaN层。
9.在950℃，100torr生长一层20nm的Mg掺杂的p型GaN层。
10.在氮气氛围下，退火15分钟。
生长过程结束。
实施例三
1.将蓝宝石衬底特殊清洗处理后，放入MOCVD设备在1100℃烘烤10分钟。
2.降温度600℃生长一层厚度10nm的低温AlN层，生长压力为100torr。
3.升温到1070℃生长一层厚度500nm的高温AlN层，生长压力为100torr.
4.在温度1060℃，150torr生长一层10个周期AlN/AlGaN的超晶格，总厚度50nm。
5.在温度1060℃生长一层本征掺杂硅烷的n型AlGaN层厚度500nm，压力200torr.
6.在氮气氛围200torr,1060℃生长一层AlxGa1-xN/AlyGa1-yN(y>x)量子阱垒层，每个周期的量子阱层AlxGa1-xN和垒层AlyGa1-yN层的厚度分别为3nm和8nm.其中垒层的Al组分在生长过程是变化的，具体为生长前5个y＝0.4的垒层Al0.4Ga0.6N和阱层AlxGa1-xN(0<x<0.4),然后再生长后3个y值分别为0.5,0.6,0.7的垒层AlyGa1-yN和阱层AlxGa1-xN(0<x<0.4)。
7.温度至1000℃，100torr,生长一层掺杂镁的p型AlGaN层，厚度15nm。此层的Al组分含量较高。
8.在980℃,100torr生长70nm的Mg掺杂的p型AlGaN层。
9.在950℃，100torr生长一层20nm的Mg掺杂的p型GaN层。
10.在氮气氛围下，退火15分钟。
生长过程结束。
按照以上三个实施例生长的外延片通过相同的芯片加工工艺测试结果显示：三个实施例较传统的方法发光效率都有所提升，并且电压降低。其中实施例一效果最佳，生长的外延芯片发光效率提升30％,且vf降低15％,说明空穴和电子的复合和注入效率增强。
需要强调的是，以上实施例中给出了能够达到较佳技术效果的具体参数，但这些温度、厚度、压力等具体参数大部分均是参照现有技术所做的常规选择，不应视为对本发明权利要求保护范围的限制。说明书中阐述了本发明技术改进的原理，本领域技术人员应当能够认识到在基本方案下对各具体参数做适度的调整仍然能够基本实现本发明的目的。
Claims (4)
1.一种紫外LED外延有源区结构生长方法，其中生长若干个周期AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱垒层的环节作为有源区，y>x，其中AlxGa1-xN作为阱层，AlyGa1-yN作为垒层；其特征在于：垒层AlyGa1-yN的Al组分在有源区生长过程是递增变化的,即y值始于a终于b，1>b>a>x>0，其中a的取值范围为b的1/3～1/2。
2.根据权利要求1所述的紫外LED外延有源区结构生长方法，其特征在于：所述递增变化具体为连续变化、梯度变化或者混合梯度变化。
3.根据权利要求2所述的紫外LED外延有源区结构生长方法，其特征在于：所述递增变化具体为连续变化。
4.一种紫外LED外延生长方法，其特征在于，包括以下步骤：
蓝宝石衬底上生长一层低温AlN；
生长一层高温AlN；
生长若干个周期AlN/AlGaN超晶格结构层；
生长一层掺杂硅烷的n型AlGaN层；
按照权利要求1所述的紫外LED外延有源区结构生长方法，生长若干个周期AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱垒层；
生长一层掺杂镁p型AlGaN阻挡层；
生长一层掺杂镁p型GaN接触层；
氮气氛围下退火。
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