CN1461060A - 复合量子阱结构高亮度GaN基蓝光LED外延片 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种GaN基蓝光LED外延片的生长技术，由于采用了InGaN/(InGaN，AlGaN)复合量子阱作为有源层及AlN、GaN双缓冲层生长法，制备的外延片具有高亮度及高晶体质量的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化镓及其化合物薄膜的外延生长方法，特别涉及复合量子阱结构高亮度GaN基蓝光LED外延片制造技术。
背景技术
以GaN、InGaN、AlGaN合金为主的III-V族氮化物材料具有宽直接带隙、强化学键、耐高温、抗腐蚀等优良性能，是制造短波长高亮度发光器件、半导体激光器、紫外光探测器、和高温、高频微电子的理想材料。GaN的禁带宽度为3.4eV，其复合发光位于紫外，因此在用GaN基制备的可见光光电子器件中，都使用InGaN有源层代替GaN有源层，随组分的变化，AlInGaN材料的禁带宽度可在1.9eV到6.2eV范围调节，其相对应的直接带隙波长覆盖了从红、黄、绿到紫外光的范围。
采用InGaN/GaN类量子阱或Zn掺杂的InGaN作为有源层均可实现蓝光发射，Zn掺杂的InGaN因器件性能差而不被广泛使用，目前GaN基蓝光LED主要采用量子阱结构，可以是单量子阱也可以是多量子阱，量子阱与量子势垒交替生长组成超晶格量子阱，阱层材料主要是InGaN，垒层材料组成可以是GaN、InGaN或AlGaN。本发明采用InGaN与AlGaN交替作为多量子阱的势垒，由InGaN与AlGaN构成II型超晶格结构，AlGaN的引入能够提高外延片的发光强度。
由于蓝宝石的晶格常数与GaN相差14％，为了生长出高质量的外延薄膜必须先在蓝宝石衬底淀积一层GaN或AlN缓冲层，但是在单一缓冲层上生长的GaN薄膜位错密度仍高达1×108-1×1010/cm2。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用AlN与GaN双缓冲层生长法，AlN缓冲层的引入能够有效抑制螺旋位错的扩散或降低螺旋位错密度，因此提高了GaN薄膜的晶体质量，相应改善LED器件的发光、电学性能。
本发明采用MOCVD设备，高纯H2、N2作为载气，整个生长压力控制在76-780Torr，首先将(0001)取向的蓝宝石衬底(免清洗)装入反应器，在H2气氛下，加热至1050℃以上烘烤20min后，降温至500-1000℃对衬底进行60-150s的氮化处理；接着在500-1000℃生长第一层厚度1.0-10nm的AlN缓冲层，在500-600℃生长第二层厚度10-40nm的GaN缓冲层；然后在950-1100℃生长厚度0.5-2μm的GaN层及厚度0.5-4μm的GaN：Si层；在GaN：Si层上，在700-900℃的N2气氛下生长2-5周期的多量子阱层；然后在950-1100℃生长厚度0.1-0.5μm的GaN：Mg层；整个外延层生长完成后，将外延片送入退火炉，在N2气氛下于600-850℃退火10-60分钟。
本发明的Ga，In，Al，Mg，N，Si源分别为高纯三甲基镓(TMGa)，三甲基铟(TMIn)，三甲基铝(TMAl)、二茂镁(Cp2Mg)、氨气(NH3)和硅烷(SiH4)，其中SiH4浓度为100ppm，用H2稀释。
生长AlN缓冲层的压力为76-250Torr，载气流量为10-30升/分钟，TMAl流量为4-20微摩尔/分钟，NH3流量为10-40摩尔/分钟。
生长GaN缓冲层的压力为300-780Torr，载气流量为10-30升/分钟，TMGa流量为20-120微摩尔/分钟，NH3流量为20-80摩尔/分钟。
生长GaN及GaN：Si层的压力为76-250Torr，载气流量为5-20升/分钟，TMGa流量为80-400微摩尔/分钟，NH3流量为200-800摩尔/分钟，GaN：Si层的掺Si量为0.2-2.0纳摩尔/分钟。
多量子阱的生长压力为100-400Torr，载气流量为5-20升/分钟，NH3流量为200-800摩尔/分钟。阱层：厚度为1.0-6.0nm，生长温度为700-800℃，TMGa流量为0.2-1.0微摩尔/分钟，TMIn流量为10-50微摩尔/分钟；InGaN垒层：厚度为5-20nm，生长温度为800-900℃，TMGa是10-50微摩尔/分钟，TMIn流量为5.0-30微摩尔/分钟；AlGaN垒层：厚度为3-15nm，生长温度为800-900℃，TMGa是10-50微摩尔/分钟，TMAl是1-10微摩尔/分钟。
生长GaN：Mg层的压力为76-250Torr，载气流量为5-20升/分钟，TMGa流量为80-400微摩尔/分钟，NH3流量为200-800摩尔/分钟，Cp2Mg流量为0.5-5.0微摩尔/分钟。
本发明的优点在于：本发明通过复合量子阱结构的设计，同时采用能够提高GaN薄膜晶体质量的AlN、GaN双缓冲层生长法，实现高亮度高晶体质量GaN基外延片的制备，得到了主波长在460-470nm的高亮度蓝光发射。按标准芯片工艺制作成300×350μm芯片，其光功率大于4mW，正向电压小于3.5V。
附图说明
图1外延片结构示意图；
图2蓝光GaN基LED外延片PL谱；
图3蓝光GaN基LED外延片(0002)面X射线双晶衍射谱。
具体实施方式
采用6×2 CCS-MOCVD(Thomas Swan Scientific Equipment Ltd.，)设备，将(0001)取向免清洗蓝宝石衬底装入反应器，在H2气氛下加热至1080℃烘烤20min，反应器压力为100Torr。2)降温至750℃对衬底进行90s的氮化处理，反应器压力为100Torr，NH3流量为8升/分钟，载气流量为17升/分钟。3)在850℃生长厚度6nm的AlN缓冲层，生长压力为100Torr，载气流量为25升/分钟，TMAl流量为7.0微摩尔/分钟，NH3流量为15摩尔/分钟。4)在550℃生长厚度30nm的GaN缓冲层1，生长GaN缓冲层1的压力为400Torr，载气流量为25升/分钟，TMGa流量为65微摩尔/分钟，NH3流量为60摩尔/分钟。5)在1050℃生长厚度1.0μm的GaN层与2.5μm的GaN：Si层，生长GaN及GaN：Si层的压力为150Torr，载气流量为15升/分钟，TMGa流量为200微摩尔/分钟，NH3流量为600摩尔/分钟，GaN：Si层的掺Si量为1.0纳摩尔/分钟。6)在N2气氛下生长3个周期的多量子阱层2，生长压力为300Torr，载气流量为15升/分钟，NH3流量为600摩尔/分钟，阱层：厚度为3.5nm，生长温度为750℃，TMGa流量为0.5微摩尔/分钟，TMIn流量为20微摩尔/分钟；InGaN垒层：厚度为15nm，生长温度为860℃，TMGa是30微摩尔/分钟，TMIn流量为12微摩尔/分钟；AlGaN垒层：厚度为12nm，生长温度为860℃，TMGa是30微摩尔/分钟，TMAl是3.0微摩尔/分钟。7)在1030℃生长厚度0.25μm的GaN：Mg层，生长GaN：Mg层的压力为150Torr，载气流量为17升/分钟，TMGa流量为150微摩尔/分钟，NH3流量为500摩尔/分钟，Cp2Mg流量为3.0微摩尔/分钟。8)在N2气氛下于800℃退火40分钟，N2流量为2.0升/分钟。
Claims (5)
1.一种复合量子阱结构高亮度GaN基蓝光LED外延片生长技术，采用MOCVD设备，高纯H2、N2作为载气，整个生长压力控制在76-780Torr，生长步骤如下：
1)0001取向蓝宝石衬底装入反应器，在H2气氛下加热至1000-1100℃烘烤20min；
2)在500-1000℃对衬底(3)进行60-150s的氮化处理；
3)在500-1000℃生长厚度1.0-10nm的AlN缓冲层；
4)在500-600℃生长厚度10-40nm的GaN缓冲层(1)；
5)在950-1100℃生长厚度0.5-2μm的GaN层；
6)在950-1100℃生长厚度0.5-4μm的GaN：Si层；
7)在700-900℃生长厚度50-200nm的多量子阱层(2)；
8)在950-1100℃生长厚度0.1-0.5μm的GaN：Mg层；
9)在N2气氛下于600-850℃退火10-60分钟。
2.根据权利要求1所述的复合量子阱结构高亮度GaN基蓝光LED外延片生长技术，其特征在于：有源层为InGaN/(InGaN，AlGaN)复合量子阱结构。
3.根据权利要求1所述的复合量子阱结构高亮度GaN基蓝光LED外延片生长技术，其特征在于：辅以AlN、GaN双缓冲层生长法。
4.根据权利要求1或2所述的复合量子阱结构高亮度GaN基蓝光LED外延片生长技术，其特征在于：复合量子阱结构为1.0-6.0nm的InGaN阱层——5.0-20nm的InGaN垒层--1.0-6.0nm的InGaN阱层--3.0-15nm的AlGaN垒层，2-5周期。
5、根据权利要求4所述的复合量子阱结构高亮度GaN基蓝光LED外延片生长技术，其特征在于：InGaN阱层：生长温度为700-800℃，TMGa是0.2-1.0微摩尔/分钟，TMIn是10-50微摩尔/分钟；InGaN垒层：生长温度为800-900℃，TMGa是10-50微摩尔/分钟，TMIn是5.0-30微摩尔/分钟；AlGaN垒层：生长温度为800-900℃，TMGa是10-50微摩尔/分钟，TMAl是1-10微摩尔/分钟；上述三层所用载气为N2，其流量为5-20升/分钟，NH3的流量是200-800摩尔/分钟。
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