专利名称：Led的量子阱结构及其生长方法
技术领域：
本发明涉及 氮化镓系材料制备技术领域，尤其涉及一种LED的量子阱结构及其生长方法。
背景技术：
半导体发光二极管(LED)是利用注入的电子空穴在夹于η-型掺杂区和ρ_型掺杂区的有源区进行辐射复合发光的。电流注入效率越高，电子空穴辐射复合几率越大，半导体发光二极管发光效率就越高。为了增加电流注入效率和电子空穴辐射复合几率，在现有技术中已经提出多种结构。例如，采用量子阱结构、加入电子或空穴阻挡层以及采用电子俘获发射层等等，这些结构各有其优点，也各有其局限性。对于量子阱结构，利用不同带隙的材料将电子或空穴限制在一定空间内，可以大大增加其辐射复合几率。但是，在氮化镓基蓝绿光发光二极管中由于极化效应在量子阱中存在很强的电场，使电子和空穴空间分离，导致辐射复合几率显著降低。人们通常采用较窄的量子阱结构来增加电子空穴的辐射复合几率，然而较窄的量子阱结构导致电子和空穴的俘获几率较低，导致发光二极管电流注入效率降低。对于加入电子阻挡层，虽然可以增加电流注入效率，但作为电子阻挡层的材料一般较难获得且质量较低，可能降低电子空穴辐射复合几率，例如氮化镓基蓝绿光发光二极管中的AlGaN电子阻挡层。为了增加电子俘获几率而采用的电子俘获发射层，是在η型掺杂层和量子阱有源层之间插入能量带隙比较低的材料，以降低电子的动能，然后通过该层与量子阱之间较薄的势垒隧穿，增加量子阱对电子的俘获机率。其缺点有二，一是该层仅对相邻的量子阱有显著效果，对多个量子阱结构由于势垒较厚，隧穿几率降低，靠后的量子阱不会由于该层的存在而显著增加电子俘获几率；而是该层的存在可能导致量子阱层晶体质量降低，产生V型缺陷，增加漏电流，减少辐射复合几率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种LED的量子阱结构及其生长方法，通过新型量子阱结构，有效地增加有源层中每个量子阱层的电子或空穴的俘获效率。根据本发明一个方面，提供一种半导体发光二极管量子阱结构，包括
浅垒层，其材料为氮化镓；
浅阱层，其材料为氮化铟稼合金；量子垒层，其材料为氮化铟稼合金；和 量子阱层，其材料为氮化铟稼合金。可选的，所述浅垒层、浅阱层、量子垒层和量子阱层组成的四层结构顺序排列有多个。可选的，所述顺序排列的四层结构为1-12个。可选的，浅阱层的组分及厚度设置为使得浅阱层中的电子的能级与量子阱层中的高激发能级共振。可选的，浅鱼层厚度为5-25nm,浅讲层的厚度为l_3nm,量子鱼层厚度为1-1. 5nm,量子阱层的厚度为l_5nm。
可选的，浅阱层中，铟组分在3%_8%之间；量子垒层中，掺杂铟和铝，铟组分控制在1%-5%，铝组分控制在1%-5% ;量子阱层中，铟组分在15%-30%之间。
根据本发明另一个方面，提供一种半导体发光二极管量子阱结构的生长方法，包括
采用一个浅垒层+ —个浅阱层+ —个量子垒层+ —个量子阱层的结构的交替生长，其
中，
浅阱层的厚度在l_3nm之间，浅垒层的厚度在5-25nm，生长温度在690-890°C之间，压力在100-600 Torr之间，V / III摩尔比在300-5000之间；
量子阱层的厚度在l_5nm之间，生长温度在720-820°C之间，压力在100-500 Torr之间，V / III摩尔比在300-5000之间；
量子垒层厚度在l_1.5nm之间，生长温度在820-920°C之间，压力在100-500 Torr之间，V / III摩尔比在300-5000之间。可选的，将浅阱层的生长温度控制在低于量子垒层生长温度10摄氏度的范围，从而降低应力。可选的，在量子垒层中掺杂铟和铝，从而降低结构中的极化效应、提高晶体质量。可选的，在量子垒层中，铟组分控制在1%_5%，铝组分控制在1%_5%。
根据本发明又一个方面，提供一种GaN外延结构,包括
衬底，GaN缓冲层，N型GaN层，发光层多量子阱，P型GaN层，P型AlGaN层，P型GaN层和P型接触层；
其中，发光层多量子阱为所述的半导体发光二极管量子阱结构。可选的，所述GaN缓冲层包括两层，分别为低温GaN缓冲层和高温GaN缓冲层。可选的，所述浅垒层、浅阱层、量子垒层和量子阱层组成的四层结构顺序排列有多个。可选的，所述顺序排列的四层结构为3-12个。
根据本发明再一个方面，提供一种GaN外延结构的生长方法,包括
将衬底在氢气气氛里进行退火，清洁所述衬底表面，温度控制在1030-120(TC之间，然后进行氮化处理；
将温度下降到500-650°C之间，生长20-30 nm厚的低温GaN缓冲层，此生长过程中，生长压力控制在300-760 Torr之间，V / III摩尔比在500-3200之间；
所述低温GaN缓冲层生长结束后，停止通入TMGa，将衬底I温度升高至900-120(TC之间，对低温GaN缓冲层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°C之间，外延生长厚度为O. 5-2μπι间的高温GaN缓冲层，生长压力在100-500 Torr之间，V / III摩尔比在300-3000之间；
所述高温GaN缓冲层生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的N型GaN层，厚度在I. 2-4. 2Mm，生长温度在1000-1200°C之间，压力在100-600 Torr之间，V /III摩尔比在300-3000 之间；
发光层多量子阱采用一个浅垒层+ —个浅阱层+ —个量子垒层+ —个量子阱层的结构的交替生长，其中，浅阱层的厚度在l_3nm之间，浅垒层的厚度在5-25nm，生长温度在
690-890°C之间，压力在100-600 Torr之间，V / III摩尔比在300-5000之间；量子阱层的厚度在l_5nm之间，生长温度在720-820°C之间，压力在100-500 Torr之间，V /III摩尔比在300-5000之间；量子垒层厚度在1-1. 5nm之间，生长温度在820-920°C之间，压力在100-500Torr之间，V / III摩尔比在300-5000之间；
所述发光层多量子阱层生长结束后，生长厚度IO-IOOnm之间的P型GaN层，生长温度在620-820°C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。在生长P型层的过程中，N2作为载气；
所述P型GaN层结束后，生长厚度10-50nm之间的P型AlGaN层，生长温度在900-1100°C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，Al的组分控制在10%-30%之间；
所述P型AlGaN层生长结束后，生长厚度100-800nm之间的P型GaN层，生长温度在850-950°C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；和
所述P型GaN层生长结束后，生长厚度5-20nm之间的P型接触层，生长温度在850-1050°C之间，生长时间在I-IOmin之间，压力在100-500 Torr之间，V / III摩尔比在1000-20000 之间。可选的，所述的GaN外延结构的生长方法还包括
上述各层外延生长结束后，将反应室的温度降至650-800°C之间，采用纯氮气氛围进行退火处理2-15min,随后降至室温；和
所述外延结构经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等后续加工工艺制成单颗小尺寸芯片。可选的，以高纯氢气或氮气作为载气，以三甲基镓，三乙基镓、三甲基铝、三甲基铟和氨气分别作为Ga、Al、In和N源，用硅烷和二茂镁分别作为η、p型掺杂剂。可选的，将浅阱层的生长温度控制在低于量子垒层生长温度10摄氏度的范围，从而降低应力。可选的，在量子垒层中掺杂铟和铝，从而降低结构中的极化效应、提高晶体质量。可选的，在量子垒层中，铟组分控制在1%_5%，铝组分控制在1%_5%。
根据本发明另一个方面，提供一种外延结构及生长过程如下所述
衬底I :将衬底材料在氢气气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度控制在1030-1200°c之间，然后进行氮化处理；衬底I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，单晶娃、碳化娃单晶等；
低温缓冲层2 :将温度下降到500-650°C之间，生长20-30 nm厚的低温GaN缓冲层，此生长过程中，生长压力控制在300-760 Torr之间，V / III摩尔比在500-3200之间；
高温缓冲层3 :低温缓冲层2生长结束后，停止通入TMGa，将衬底温度升高至900-1200°C之间，对低温缓冲层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°C之间，在较低的V /III摩尔比条件下外延生长厚度为
0.5-2um间的高温不掺杂GaN，此生长过程中，生长压力在100-500 Torr之间，V / III摩尔比在300-3000之间；
N型层4 :高温缓冲层3生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的N型层4，厚度在
1.2-4. 2um，生长温度在1000-1200°C之间，压力在100-600 Torr之间，V /III摩尔比在300-3000 之间；
发光层多量子阱结构SW+MQW (浅阱及量子阱)5 :采用一个浅垒+ —个浅阱+ —个量子垒(掺入In及Al) +—个量子阱的结构的交替生长，其中浅阱的厚度在l_3nm之间，浅垒的厚度在5-25nm，生长温度在690-890°C之间，压力在100-600 Torr之间，V/III摩尔比在300-5000之间；量子阱的厚度在l_5nm之间，生长温度在720_820°C之间，压力在100-500Torr之间，V /III摩尔比在300-5000之间；量子垒层厚度在1-1. 5nm之间，生长温度在820-920°C之间，压力在100-500 Torr之间，V / III摩尔比在300-5000之间。该种结构交替重复生长。周期数适宜选择在3-12个周期。P型层6 :发光层多量子阱层5生长结束后，生长厚度IO-IOOnm之间的P型GaN层，生长温度在620-820°C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。在生长P型层的过程中，N2作为载气。P型层7 :P型层6生长结束后，生长厚度10_50nm之间的P型AlGaN层，生长温度在900-1100°C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，Al的组分控制在10%-30%之间。P型层8 P型层7生长结束后，生长厚度100_800nm之间的P型GaN层，生长温度在850-950°C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。P型层9 :P型层8生长结束后，生长厚度5_20nm之间的P型接触层，生长温度在850-1050°C之间，生长时间在I-IOmin之间，压力在100-500 Torr之间，V / III摩尔比在1000-20000 之间。外延生长结束后，将反应室的温度降至650-800°C之间，采用纯氮气氛围进行退火处理2-15min，随后降至室温，结束外延生长。外延片经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等后续加工工艺制成单颗小尺寸芯片。
与现有技术相比，本发明优点在于
(I)新型量子阱结构采用一个浅垒+ —个浅阱+ —个量子垒(掺入铟In及铝Al) + —个量子阱的结构的交替生长，该结构可以有效地增加有源层中每个量子阱层的电子或空穴的俘获效率。
(2)该新型量子阱结构可以提高内量子复合效率，从而获得高发光强度的氮化镓系发光二极管。(3)通过合理控制浅阱可以避免V型缺陷的产生。
图I是本发明一个实施例提供的LED外延结构的示意 图2是图I中的LED外延结构的量子阱结构示意 图3是图I中的LED外延结构的能带示意图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。发明人经过研究发现，现有技术中的具有电子俘获发射层的蓝绿光发光二极管的量子阱结构，电子俘获发射层仅位于量子阱有源层的最前端，对靠后端的量子阱层贡献较小，而且由于该层或由单层较厚氮化铟镓层组成或有多层较薄氮化铟镓层组成，容易引起V-型缺陷产生，增加器件漏电流，降低辐射复合几率。
根据本发明一个实施例，LED外延结构的示意图如图I所示,包括
衬底I，为适合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、碳化娃单晶等;
低温GaN (氮化镓)缓冲层2，
高温GaN缓冲层3，
N型GaN层4，
发光层多量子讲5,
P型GaN层6，
P型AlGaN (铝镓氮)层7，
P型GaN层8，和 P型接触层9。
该LED外延结构的形成过程包括
将衬底I在氢气气氛里进行退火，清洁所述衬底表面，温度控制在1030-120(TC之间，然后进行氮化处理；
将温度下降到500-650°C之间，生长20-30 nm厚的低温GaN缓冲层2，此生长过程中，生长压力控制在300-760 Torr之间，V / III摩尔比在500-3200之间；
所述低温GaN缓冲层2生长结束后，停止通入TMGa (三甲基镓)，将衬底I温度升高至900-1200°C之间，对低温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°C之间，外延生长厚度为O. 5-2Mm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；
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
I.2-4. 2Mm，生长温度在1000-1200°C之间，压力在100-600 Torr之间，V /III摩尔比在300-3000 之间。
参考量子阱结构示意图2及能带示意图3，从上往下看，层1、2、3和4组成一个周期，可以进行重复，周期数量可以选择从I至12。层101是势垒层，可以采用氮化镓，厚度介于5_25nm。层104是量子阱层，由氮化铟稼合金组成，厚度在l_5nm，铟组分在15%-30%之间。层102是原位电子俘获发射层，由氮化铟稼合金组成，厚度介于l_3nm，铟组分在3%-8%之间。层103中掺杂In (铟)及Al (铝)，In组分控制在1%_5%，Al组分控制在1%_5%，由于层103很薄，层102中被俘获的电子很容易隧穿至量子阱104，参与辐射复合。同时通过层102但未被俘获的电子由于能量较低，被量子阱104俘获的机率大大增加，从而增加了辐射复合机率。而且，可以通过调整电子俘获发射层102的组分及厚度，使得层102中的电子的能级与量子阱104中的高激发能级共振，从而有效提高层102中电子隧穿至量子阱层104的机率。
该LED外延结构的形成过程还包括
所述发光层多量子阱层5生长结束后，生长厚度IO-IOOnm之间的P型GaN层6，生长温度在620-820°C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。在生长P型层的过程中，N2作为载气；
所述P型GaN层6结束后，生长厚度10-50nm之间的P型AlGaN层7，生长温度在900-1100°C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，Al的组分控制在10%-30%之间；
所述P型AlGaN层7生长结束后，生长厚度100_800nm之间的P型GaN层8，生长温度在850-950°C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；和
所述P型GaN层8生长结束后，生长厚度5-20nm之间的P型接触层9，生长温度在850-1050°C之间，生长时间在I-IOmin之间，压力在100-500 Torr之间，V / III摩尔比在1000-20000 之间。
该LED外延结构的形成过程还包括
上述各层外延生长结束后，将反应室的温度降至650-800°C之间，采用纯氮气氛围进行退火处理2-15min,随后降至室温；
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颗小尺寸芯片。
上述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η、P型掺杂剂。
上述实施例通过降低浅量子阱温度，降低了结构中的应力；通过量子垒中掺入In及Al，减少了结构中的极化效应以提高晶体质量；最终以浅量子阱+量子阱的组合结构提高了外延片亮度。
仍然参考图1，其中还提供一种增加内量子效率的半导体发光二极管的量子阱结构，包
括
将原位电子俘获发射层102通过具有高隧穿势垒层103与量子阱层104连接，层101、102、103和104组成一个周期进行重复生长，周期数可以选择从I至12 ;将浅阱的生长温度控制在低于量子垒生长温度10摄氏度的范围，从而降低应力；在量子垒中掺入In及Al，降低结构中的极化效应，提闻晶体质量，从而达到提闻売度的目的。
本发明通过提供增加内量子效率的半导体发光二极管的量子阱机构，这种结构作为有源层，可以有效的提闻电子或空穴的俘获机率，从而提闻氣化嫁监光发光_■极管内量子效率，增加其发光效率。应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。
权利要求
1.一种半导体发光二极管量子阱结构，包括 浅垒层，其材料为氮化镓； 浅阱层，其材料为氮化铟稼合金； 量子垒层，其材料为氮化铟稼合金；和 量子阱层，其材料为氮化铟稼合金。
2.如权利要求I所述的半导体发光二极管量子阱结构，其中，所述浅垒层、浅阱层、量子垒层和量子阱层组成的四层结构顺序排列有多个。
3.如权利要求2所述的半导体发光二极管量子阱结构，其中，所述顺序排列的四层结构为1-12个。
4.如权利要求I所述的半导体发光二极管量子阱结构，其中，浅阱层的组分及厚度设置 为使得浅阱层中的电子的能级与量子阱层中的高激发能级共振。
5.一种如权利要求I所述的半导体发光二极管量子阱结构的生长方法，包括采用一个浅垒层+ —个浅阱层+ —个量子垒层+ —个量子阱层的结构的交替生长。
6.如权利要求5所述的半导体发光二极管量子阱结构的生长方法，其中，将浅阱层的生长温度控制在低于量子垒层生长温度10摄氏度的范围，从而降低应力。
7.如权利要求5所述的半导体发光二极管量子阱结构的生长方法，其中，在量子垒层中掺杂铟和铝，从而降低结构中的极化效应、提高晶体质量。
全文摘要
本发明提供一种半导体发光二极管量子阱结构，包括浅垒层，其材料为氮化镓；浅阱层，其材料为氮化铟稼合金；量子垒层，其材料为氮化铟稼合金；和量子阱层，其材料为氮化铟稼合金。还提供一种半导体发光二极管量子阱结构的生长方法，包括采用一个浅垒层+一个浅阱层+一个量子垒层+一个量子阱层的结构的交替生长。还提供一种GaN外延结构，包括衬底，GaN缓冲层，N型GaN层，发光层多量子阱，P型GaN层，P型AlGaN层，P型GaN层和P型接触层；其中，发光层多量子阱为所述的半导体发光二极管量子阱结构。其优点在于新型量子阱结构可以有效地增加有源层中每个量子阱层的电子或空穴的俘获效率。
文档编号H01L33/06GK102881790SQ201210403280
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月22日 优先权日2012年10月22日
发明者于斌, 王耀国, 郭丽彬 申请人:合肥彩虹蓝光科技有限公司