专利名称：氮化镓基发光二极管外延生长方法
技术领域：
本发明属于氮化镓系材料制备技术领域，具体涉及一种氮化镓基发光二极管外延生长方法。
背景技术：
P型氮化镓晶体质量影响着器件的工作寿命及发光效率，P型氮化镓材料晶体质量不高，影响发光器件的质量及寿命，会对发光二极管产生严重影响，只有获得较好晶体质量的P型氮化镓基材料，才能获得高质量及较高寿命氮化镓系发光二极管。一般生长P型氮化镓时，难以获得高晶体质量的P型氮化镓层。
发明内容
针对现有技术制作的GaN基发光二极管中P型氮化镓层晶体质量不够好导致LED器件的发光效率及工作寿命衰减的问题，本发明提供了一种氮化镓基发光二极管外延生长方法。本发明在P型铝镓氮层(P型AlGaN层)之后高压生长P型氮化镓层(P型GaN层)，高压生长条件可以减少外延沉积过程中产生的碳，减小黄带，能够获得高质量的晶体，从而获得高质量的LED器件，提高器件发光效率和工作寿命。本发明通过以下技术方案实现
一种氮化镓基发光二极管外延生长方法，包括以下步骤
步骤一，将衬底I在氢气气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度控制在1030-120(TC之间，然后进行氮化处理；
步骤二，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，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，将所述衬底I的温度升高至900-1200°C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°C之间，外延生长厚度为O. 5-2Mm间的不掺杂高温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；
步骤五，所述N型GaN层4生长结束后，生长浅量子阱5，所述浅量子阱5由2_10个周期的InxGai_xN(0. 04<x<0. 4)/GaN多量子阱组成，所述浅量子阱的厚度在2_5nm之间，生长温度在700-900°C之间，压力在100-600 Torr之间，V / III摩尔比在300-5000之间；
步骤六，所述浅量子阱5生长结束后，生长发光层多量子阱6，所述发光层多量子阱6由3-15个周期的InyGahNOKyUVGaN多量子阱组成，所述发光层多量子阱6中In的摩尔组分含量在10%-50%之间保持不变，所述发光层多量子阱6的厚度在2-5nm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；垒层厚度不变，厚度在10-15nm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；
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IO-IOOnm之间的P型GaN层7，生长温度在700-850°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；
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°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；
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°C之间，生长时间在5-30min之间，压力在250-550 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型接触层10，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；
步骤i^一，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，即得。
优选的，所述衬底I的材料为蓝宝石、GaN单晶、单晶硅或碳化硅单晶，以适合GaN及其半导体外延材料生长的材料。优选的，在所述步骤八中，所述P型AlGaN层8的Al的摩尔组分含量控制在10%-30% 之间。优选的，在所述步骤九中，在生长所述P型GaN层9的过程中，三甲基镓的摩尔流量为4. 63 X KT4至I. 40 X 10。摩尔每分钟，二茂镁的摩尔流量为8. I X 1(Γ4至3. 36 X 10。摩尔每分钟，氨气的流量为20至80升每分钟。本发明的优点在于本发明在P型AlGaN层之后高压生长P型GaN层，高压生长条件可以减少外延沉积过程中产生的碳，减小黄带，能够获得高质量的晶体，从而获得高质量的LED器件，提高器件发光效率和工作寿命，而且本发明具有步骤简单、操作方便的特点。
图I是利用本发明制备的LED外延结构的结构示意图。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。本发明的实施例利用Vecco MOCVD系统实施。
如图I所示的LED外延结构，从下向上的顺序依次包括衬底I、低温GaN缓冲层2、高温GaN缓冲层3、N型GaN层4、浅量子阱5、发光层多量子阱6、P型GaN层7、P型AlGaN层8、P型GaN层9、P型接触层10。其制备方法如下
一种氮化镓基发光二极管外延生长方法，包括以下步骤
步骤一，将衬底I在氢气气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度控制在1030-120(TC之间，然后进行氮化处理，衬底I的材料为蓝宝石、GaN单晶、单晶硅或碳化硅单晶，以适合GaN及其半导体外延材料生长的材料；
步骤二，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，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，将所述衬底I的温度升高 至900-1200°C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°C之间，外延生长厚度为O. 5-2Mm间的不掺杂高温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；
步骤五，所述N型GaN层4生长结束后，生长浅量子阱5，所述浅量子阱5由2_10个周期的InxGai_xN(0. 04<x<0. 4)/GaN多量子阱组成，所述浅量子阱的厚度在2_5nm之间，生长温度在700-900°C之间，压力在100-600 Torr之间，V / III摩尔比在300-5000之间；
步骤六，所述浅量子阱5生长结束后，生长发光层多量子阱6，所述发光层多量子阱6由
3-15个周期的InyGahNOKyUVGaN多量子阱组成，所述发光层多量子阱6中In的摩尔组分含量在10%_50%之间保持不变，所述发光层多量子阱6的厚度在2-5nm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；垒层厚度不变，厚度在10-15nm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；
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IO-IOOnm之间的P型GaN层7，生长温度在700-850°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；
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°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，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°C之间，生长时间在5-30min之间，压力在250-550 Torr之间，V / III摩尔比在300-5000之间，在生长P型GaN层9的过程中，三甲基镓的摩尔流量为4. 63 X 10_4至I. 40X 10_3摩尔每分钟，二茂镁的摩尔流量为8. IX 10_4至3. 36X 10_3摩尔每分钟，氨气的流量为20至80升每分钟；
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型接触层IO，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；步骤i^一，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，即得如图I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
-H-* I I
心/T O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(TMA1 )、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。
本实施例通过在P型AlGaN层之后高压生长P型GaN层，高压生长条件可以减少外延沉积过程中产生的碳，减小黄带，能够获得较高的晶体质量，从而可以获得高质量的LED器件，提高器件发光效率及工作寿命。本实施例所述的高压是指其生长压力在整个P层中压力为最闻。
权利要求
1.一种氮化镓基发光二极管外延生长方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤一，将衬底(I)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； 步骤二，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)，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，将所述衬底(I)的温度升高至900-1200°C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°C之间，外延生长厚度为O. 5_2Mm间的不掺杂高温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L 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； 步骤五，所述N型GaN层(4)生长结束后，生长浅量子阱(5)，所述浅量子阱(5)由2-10个周期的InxGai_xN(0. 04<x<0. 4)/GaN多量子阱组成，所述浅量子阱(5)的厚度在2_5nm之间，生长温度在700-900°C之间，压力在100-600 Torr之间，V / III摩尔比在300-5000之间； 步骤六，所述浅量子阱(5)生长结束后，生长发光层多量子阱(6)，所述发光层多量子阱(6)由3-15个周期的InyGahNOKyUVGaN多量子阱组成，所述发光层多量子阱(6)中In的摩尔组分含量在10%-50%之间保持不变，所述发光层多量子阱(6)的厚度在2-5nm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；垒层厚度不变，厚度在10-15nm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； 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IO-IOOnm之间的P型GaN层(7)，生长温度在700-850°C之间，生长时间在5_35min之间，压力在100-500Torr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°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； 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°C之间，生长时间在5-30min之间，压力在250-550 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型接触层(10 )，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； 步骤i^一，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，即得。
2.根据权利要求I所述的氮化镓基发光二极管外延生长方法，其特征在于，所述衬底(I)的材料为蓝宝石、GaN单晶、单晶硅或碳化硅单晶。
3.根据权利要求I所述的氮化镓基发光二极管外延生长方法，其特征在于，在所述步骤八中，所述P型AlGaN层(8)的Al的摩尔组分含量控制在10%_30%之间。
4.根据权利要求1、2或3所述的氮化镓基发光二极管外延生长方法，其特征在于，在所述步骤九中，在生长所述P型GaN层(9)的过程中，三甲基镓的摩尔流量为4. 63 X 10_4至I.40 X 10_3摩尔每分钟，二茂镁的摩尔流量为8. I X 10_4至3. 36 X 10_3摩尔每分钟，氨气的流量为20至80升每分钟。
全文摘要
本发明涉及一种氮化镓基发光二极管外延生长方法，包括以下步骤将衬底进行退火，然后进行氮化处理；降温生长低温GaN缓冲层；升高衬底的温度，对所述低温GaN缓冲层原位进行热退火处理，外延生长高温GaN缓冲层；然后生长一层掺杂浓度稳定的N型GaN层；生长浅量子阱；生长发光层多量子阱；以N2作为载气生长P型GaN层；生长P型AlGaN层；生长P型GaN层；生长P接触层；降低反应室的温度，退火，再降至室温。本发明提供的方法在P型AlGaN层之后高压生长P型GaN层，高压生长条件可以减少外延沉积过程中产生的碳，减小黄带，能够获得高质量的晶体，从而获得高质量的LED器件，提高器件发光效率和工作寿命。
文档编号H01L33/00GK102842661SQ201210335768
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月12日 优先权日2012年9月12日
发明者郭丽彬 申请人:合肥彩虹蓝光科技有限公司