新型量子阱势垒层的led外延生长方法及外延层的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种新型量子阱势垒层的LED外延生长方法及LED外延层，依次包括处理衬底、生长低温缓冲GaN层、生长非掺杂GaN层、生长n型AlGaN层、生长n型GaN层、生长有源层MQW、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层、生长p型接触层步骤，在传统的有源层GaN势垒层中间穿插生长一个AlGaN薄层，以增强发光层对电子的限制和扩展能力，提高量子阱束缚电子的能力，使得空穴和电子在势阱的辐射复合率明显增加，增强内量子效率，从而改善LED器件的光电性能。
【专利说明】新型量子阱势垒层的LED外延生长方法及外延层
【技术领域】
[0001] 本发明涉及LED外延设计【技术领域】，特别地，涉及一种新型量子阱势垒层的LED外 延生长方法及LED外延层。
【背景技术】
[0002] LED被广泛应用在显示屏、传感器、通讯、照明等广泛领域。作为核心半导体器件的 GaN基蓝光LED能与荧光粉结合制造白光，在照明方面有很大的吸引力。
[0003] LED外延片要提高发光效率，最根本的方法就是要增强外延结构的内量子效率。目 前，国内M0CVD生长GaN基LED外延片的内量子效率只能达到30 %左右，还有较大的发展提 高空间，而有源层MQW的生长对内量子效率的提高尤其重要。
[0004] 业内目前一般采用GaN/InGaN材料交替生长有源层。在注入电流后，η型GaN层中 的电子因其高迁移率，会比较容易穿过发光层（有源层MQW)，迁移到有源层之上的p型GaN 层中与空穴形成无效辐射复合，这样无形中降低了内量子效率。
[0005] 因此，有必要提供一种GaN基LED外延片的新有源层制备方法，来克服上述的技术 问题。
【发明内容】
[0006] 本发明目的在于提供一种在传统的GaN势垒层中间穿插生长一个AlGaN薄层的新 型量子阱势垒层的LED外延生长方法及制得的LED外延层，以增强发光层对电子的限制和 扩展能力，从而改善LED器件的光电性能。
[0007] 为实现上述目的，本发明提供了一种新型量子阱势垒层的LED外延生长方法，依 次包括处理衬底、生长低温缓冲GaN层、生长非掺杂GaN层、生长η型AlGaN层、生长η型 GaN层、生长有源层MQW、生长Ρ型AlGaN层、生长Ρ型GaN层、生长ρ型接触层步骤，
[0008] 所述生长有源层MQW层的步骤为：
[0009] A、在气氛为氮气，或者气氛为氮气与氢气混合气体的反应室内，压力为 150-300torr，温度730-760°C，通入三乙基镓和三甲基铟的混合物或者是通入三甲基 镓和三甲基铟的混合物，持续生长InxGa (1_x)N势阱层，其中0 < x〈l，In的掺杂浓度 2E+20-3E+20atom/cm3, InxGa(1_x)N 势阱层的厚度为 2. 5-3. 5nm ;
[0010] B、温度升为840-890°C，停止通入三甲基铟，持续生长GaN势垒层，厚度为4-5nm ;
[0011] C、通入三甲基铝，持续生长AlyGa(1_y)N势垒层，其中0 < y〈l，AlyGa(1_y)N势垒层的 厚度为 l_2nm，A1 惨杂浓度 4E+19_8E+19atom/cm3 ;
[0012] D、温度升为840-890°C，停止通入三甲基铝，持续生长GaN势垒层，厚度为4-5nm ;
[0013] A、B、C、D步骤的循环周期数为10-13。
[0014] 优选的，所述生长有源层MQW层的步骤之前包括生长η型AlGaN层：
[0015] 在气氛为氮气，或者气氛为氮气与氢气混合气体的反应室内，压力为50_200torr， 温度900-1100°C，通入三甲基镓、三甲基铝和硅烷，持续生长η型AlGaN层，厚度为 40-60nm，Al 的掺杂浓度为 2E+20-6E+20atom/cm3，Si 的掺杂浓度为 5E+17-9E+17atom/cm3。
[0016] 优选的，所述生长有源层MQW层的步骤之前包括生长η型GaN层：
[0017] 在气氛为氮气与氢气混合气体的反应室内，压力为100_250torr，温度 1050-1250°C，通入三甲基镓和硅烷，持续生长η型GaN层，厚度为3. 0-3. 5um，Si的掺杂浓 度为 4E+18_8E+18atom/cm3。
[0018] 优选的，所述生长有源层MQW层的步骤之后包括生长p型AlGaN层：
[0019] 在气氛为氮气，或者气氛为氮气与氢气混合气体的反应室内，压力为50_200torr， 温度850-1050°C，通入三甲基镓、三甲基铝和二茂镁，持续生长p型AlGaN层，厚度为 30_60nm，Al 的惨杂浓度为 2E+2〇-6E+20atom/cm3，Mg 的惨杂浓度为 5E+19_9E+19atom/cm3。
[0020] 优选的，所述生长有源层MQW层的步骤之后包括生长p型GaN层：
[0021] 在气氛为氮气与氢气混合气体的反应室内，压力为100_250torr，温度 850-1000°C，通入三甲基镓和二茂镁，持续生长p型GaN层，厚度为70-100nm，Mg的掺杂浓 度为 2E+19_7E+19atom/cm3。
[0022] 优选的，所述生长有源层MQW层的步骤之后包括生长p型接触层：
[0023] 在气氛为氮气与氢气混合气体的反应室内，压力为100_250torr，温度 850-1000°C，通入三甲基镓和二茂镁，持续生长p型接触层，厚度为2-4nm，Mg的掺杂浓度为 7E+19_2E+20atom/cm 3。
[0024] 本发明还公开了一种根据上述的新型量子阱势垒层的LED外延生长方法制得的 LED外延层，所述有源层MQW包括10-13个四层组合，所述四层组合的结构从下至上依次包 括：
[0025] InxGa(1_x)N 势阱层：厚度为 2. 5-3. 5nm，0 < x〈l，In 的掺杂浓度 2E+20-3E+20atom/ cm3 ；
[0026] 第一 GaN势鱼层：厚度为4_5nm ;
[0027] AlyGa(1_y)N 势垒层：厚度为 l-2nm，0 < y〈l，A1 掺杂浓度 4E+19-8E+19atom/cm3 ;
[0028] 第二GaN势鱼层：厚度为4_5nm。
[0029] 本发明具有以下有益效果：
[0030] 本申请在GaN势垒层中间穿插生长了一个AlGaN薄层。GaN和A1N的禁带宽度分 别是3. 4eV和6. 2eV，在引入发光层新四层组合结构后，实验计算得到势垒层的禁带宽度从 3. 4eV提高到3. 7-4. leV。这样较大增强了势阱对电子的限制和扩展效应，提高量子阱束缚 电子的能力，有效阻碍电子迁移到P型GaN层中，使得空穴和电子在势阱的辐射复合率明显 增加；最终增强了内量子效率，增加发光效率，提高了亮度。
[0031] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。 下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0032] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实 施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0033] 图1是本发明对比实施例的结构示意图；
[0034] 图2是本发明实施例的结构示意图；
[0035] 图3是对比实施例的能带结构图；
[0036] 图4是本发明实施例的能带结构图；
[0037] 其中，1、衬底，2、低温缓冲GaN层，3、非掺杂GaN层，4、掺Si的GaN层，5、掺Si、Al 的GaN层，6、MQW有源层，7、P型AlGaN层，8、P型GaN层，9、p型接触层，10、InxGa(1_ x)N势阱 层，11、第一 GaN势垒层，12、AlyGa(1_y)N势垒层，13、第二GaN势垒层，14、InGaN势阱层，15、 GaN势垒层。
【具体实施方式】
[0038] 以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限 定和覆盖的多种不同方式实施。
[0039] 以下分别说明采用以现有传统方法制备样品1的对比实施例一，和采用本发明生 长方法制备样品2的实施例一，再将两种方法得到样品1和样品2进行性能检测比较。
[0040] 对比实施例一、
[0041] 参见图1，本发明运用M0CVD来生长高亮度GaN基LED外延片。采用高纯H2或高纯 N2或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源，金属有机源三甲基镓（TMGa) 或者三乙基镓（TEGa)作为镓源，三甲基铟（TMIn)作为铟源，N型掺杂剂为硅烷（SiH 4)，三 甲基铝（TMA1)作为铝源，P型掺杂剂为二茂镁（CP2Mg)，衬底为（0001)面蓝宝石，反应压力 在 lOOmbar 到 800mbar 之间。
[0042] 1、在1000-1100°C，反应腔压力维持在400-600torr的氢气气氛下高温处理蓝宝 石衬底5-10分钟；
[0043] 2、气氛为氢气和氮气的混合气体，降温至530-580°C下，反应腔压力维持在 450-550torr，用2-6分钟氮化处理蓝宝石衬底；然后通入TMGa，在蓝宝石衬底上生长厚度 为30-40nm的低温缓冲层GaN ;
[0044] 3、气氛为氢气和氮气的混合气体，升高温度到1050-1250°C下，反应腔压力维持在 100-250torr，通入TMGa，持续生长2. 5-3. 5 μ m的非掺杂GaN层；
[0045] 4、气氛为氮气，或气氛为氢气和氮气的混合气体，压力50_200torr，温度 900-1KKTC，通入TMGa、TMA1和SiH 4，持续生长N型AlGaN层，厚度为40-60nm，A1掺杂浓 度 2E+20_6E+20atom/cm3, Si 惨杂浓度 5E+17_9E+17atom/cm3 ;
[0046] 5、气氛为氢气和氮气的混合气体，反应腔压力为100-250torr，温度1050-1250°C， 通入TEGa和SiH 4,生长η型GaN层，厚度在3. 0-3. 5um，Si的掺杂浓度为4E+18-8E+18atom/ cm3 ；
[0047] 6、（1)气氛为氮气或氮气混有少量氢气，压力为150-300torr，温度730-760°C，通 入TEGa或TMGa以及TMIn，持续生长InxGa (1_x)N势阱层，其中0〈χ〈1，且In的掺杂浓度保持 不变，厚度 2. 5-3. 5nm，In 掺杂浓度 2E+20-3E+20atom/cm3 ; (2)温度升为 840-890°C，停止 通入TMIn，持续生长GaN势垒层，厚度10-13nm ; (1) (2)层循环生长周期数为10-13。
[0048] 7、气氛为氢气和氮气的混合气体，再升高温度到850-1050°C°C，反应腔压力维持 在50-200torr，通入TMGa、TMA1和Cp 2Mg，持续生长30-60nm的P型AlGaN层，A1的掺杂浓 度 2E+20_6E+20atom/cm3, Mg 的惨杂浓度 5E+19_9E+19atom/cm3 ;
[0049] 8、气氛为氢气和氮气的混合气体，温度为850-1000°C，反应腔压力维持在 100-250torr，通入TMGa和Cp2Mg，持续生长70-100nm的掺镁的P型GaN层，Mg的掺杂浓度 2E+19-7E+19atom/cm3；
[0050] 9、气氛为氢气和氮气的混合气体，压力100-250torr，温度850-1000°C，通入TMGa 和Cp 2Mg，持续生长p型接触层pp层，厚度2-4nm，Mg的掺杂浓度7E+19-2E+20atom/cm3 ;
[0051] 10、气氛为氮气，压力为50-200torr，温度670-730°C，时间5-20min。接着炉内冷 却至室温，即可得到如附图1所示外延结构的GaN基LED外延片。
[0052] 实施例一、
[0053] 参见图2,本发明运用AixtronMOCVD来生长高亮度GaN基LED外延片。采用高 纯H 2或高纯N2或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH 3作为N源，金属有机源三 甲基镓（TMGa)、三乙基镓（TEGa)作为镓源，三甲基铟（TMIn)作为铟源，N型掺杂剂为硅烷 (SiH 4)，三甲基铝（TMA1)作为铝源，P型掺杂剂为二茂镁（CP2Mg)，衬底为（0001)面蓝宝石， 反应压力在lOOmbar到800mbar之间。
[0054] -种新型量子阱势垒层的LED外延生长方法，依次包括处理衬底、生长低温缓冲 GaN层、生长非掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层、生长有源层MQW、生长P型A1 InGaN层、生 长P型GaN层步骤，其操作方式为：
[0055] 1、将蓝宝石衬底放置于M0CVD反应室里，在温度在1000-1100°C、反应腔压力维持 在400-600torr的H 2气氛下，高温处理蓝宝石衬底5-10分钟，如图2中1层；
[0056] 2、气氛为氢气和氮气的混合气体，压力450_550torr，温度530-58CTC下，时间2-6 分钟，氮化处理蓝宝石衬底；然后通入TMGa在蓝宝石衬底上生长低温缓冲层GaN层，厚度 30-40nm;如图2中2层；
[0057] 3、气氛为氢气和氮气的混气，压力100-250torr，温度1050-1250°C，通入TMGa，持 续生长非掺杂GaN层，厚度2. 5-3. 5um，如图2中3层；
[0058] 4、气氛为氮气或氢气和氮气的混合气体，压力50-200torr，温度900-1KKTC， 通入TMGa、TMA1和SiH4持续生长η型AlGaN层，厚度为40-60nm，A1的掺杂浓度 2E+20-6E+20atom/cm 3, Si 掺杂浓度 5E+17-9E+17atom/cm3,如图 2 中 4 层；
[0059] 5、气氛为氢气和氮气的混合气体，压力100-250torr，温度1050-1250°C，通入 TMGa 和 SiH4,持续生长 η 型 GaN 层，厚度 3. 0-3. 5um，Si 的掺杂浓度 4E+18-8E+18atom/cm3 ; 如图2中5层；
[0060] 6、（1)气氛为氮气或氮气混有少量氢气，压力为150-300torr，温度730-760°C，通 入TEGa和TMIn，或通入TMGa和TMIn，持续生长InxGa (1_x)N势阱层，其中x〈l，且In的掺杂 浓度保持不变，厚度2. 5-3. 5nm，In掺杂浓度2E+20-3E+20atom/cm3 ;如图2中10层；
[0061] (2)温度升为840-890°C，停止通入TMIn，持续生长GaN势垒层，厚度4-5nm;如图 2中11层；
[0062] (3)通入TMA1，持续生长AlyGa(1_y)N势垒层，其中y〈l，且A1的掺杂浓度保持不变， 厚度 l-2nm，A1 掺杂浓度 4E+19-8E+19atom/cm3 ;如图 2 中 12 层；
[0063] (4)温度升为840-890°C，停止通入TMA1，持续生长GaN势垒层，厚度4-5nm;如图 2中13层。
[0064] (1) (2) (3)⑷层循环生长周期数为10-13。如图2中6层。
[0065] 7、气氛为氮气或氢气和氮气的混合气体，压力50-200torr，温度850-1050°C， 通入TMGa、TMA1和Cp2Mg，持续生长p型AlGaN层，厚底30-60nm，A1的掺杂浓度 2E+20-6E+20atom/cm3, Mg 的掺杂浓度 5E+19-9E+19atom/cm3 ;如图 2 中 7 层。
[0066] 8、气氛为氢气和氮气的混合气体，压力100-250torr，温度850-1000°C，通入TMGa 和Cp2Mg，持续生长p型GaN层，厚度70-100nm，Mg的掺杂浓度2E+19-7E+19atom/cm 3 ;如图 2中8层。
[0067] 9、气氛为氢气和氮气的混合气体，压力100-250torr，温度850-1000°C，通入TMGa 和Cp2Mg，持续生长p型接触层pp层，厚度2-4nm，Mg掺杂浓度7E+19-2E+20atom/cm 3 ;如图 2中9层。
[0068] 10、气氛为氮气，压力为50-200torr，温度670-730°C，时间5-20min。接着炉内冷 却至室温，即可得到如附图2所示外延结构的GaN基LED外延片。
[0069] 然后，米用对比实施例一描述的方法制备样品1，米用实施例一描述的方法制备样 品2 ;样品1和样品2外延层生长参数不同点在于生长有源层MQW，生长其它外延层的参数 完全一样。具体参数请参考表一。
[0070] 表1样品1和样品2的外延层生长参数对比
[0071]
【权利要求】
1. 一种新型量子阱势垒层的LED外延生长方法，依次包括处理衬底、生长低温缓冲GaN 层、生长非掺杂GaN层、生长η型AlGaN层、生长η型GaN层、生长有源层MQW、生长P型AlGaN 层、生长P型GaN层、生长p型接触层步骤，其特征在于， 所述生长有源层MQW层的步骤为： A、 在气氛为氮气，或者气氛为氮气与氢气混合气体的反应室内，压力为150-300torr， 温度730-760°C，通入三乙基镓和三甲基铟的混合物或者是通入三甲基镓和三甲基铟的混 合物，持续生长InxGa (1_x)N势阱层，其中0 < x〈l，In的掺杂浓度2E+20-3E+20atom/cm3， InxGa(1_x)N势阱层的厚度为2. 5-3. 5nm ; B、 温度升为840-890°C，停止通入三甲基铟，持续生长GaN势垒层，厚度为4-5nm ; C、 通入三甲基铝，持续生长AlyGa(1_y)N势垒层，其中0 < y〈l，AlyGa(1_y)N势垒层的厚度 为 l_2nm，A1 惨杂浓度 4E+19_8E+19atom/cm3 ; D、 温度升为840-890°C，停止通入三甲基铝，持续生长GaN势垒层，厚度为4-5nm; A、B、C、D步骤的循环周期数为10-13。
2. 根据权利要求1所述的一种新型量子阱势垒层的LED外延生长方法，其特征在于，所 述生长有源层MQW层的步骤之前包括生长η型AlGaN层： 在气氛为氮气，或者气氛为氮气与氢气混合气体的反应室内，压力为50-200torr，温度 900-1100°C，通入三甲基镓、三甲基铝和硅烷，持续生长η型AlGaN层，厚度为40-60nm，A1 的掺杂浓度为 2E+20-6E+20atom/cm3, Si 的掺杂浓度为 5E+17-9E+17atom/cm3。
3. 根据权利要求1所述的一种新型量子阱势垒层的LED外延生长方法，其特征在于，所 述生长有源层MQW层的步骤之前包括生长η型GaN层： 在气氛为氮气与氢气混合气体的反应室内，压力为l〇〇_250torr，温度1050-1250°C， 通入三甲基镓和硅烷，持续生长η型GaN层，厚度为3.0-3. 5um，Si的掺杂浓度为 4E+18_8E+18atom/cm3。
4. 根据权利要求1所述的一种新型量子阱势垒层的LED外延生长方法，其特征在于，所 述生长有源层MQW层的步骤之后包括生长p型AlGaN层： 在气氛为氮气，或者气氛为氮气与氢气混合气体的反应室内，压力为50-200torr，温度 850-1050°C，通入三甲基镓、三甲基铝和二茂镁，持续生长p型AlGaN层，厚度为30-60nm， A1 的掺杂浓度为 2E+20-6E+20atom/cm3, Mg 的掺杂浓度为 5E+19-9E+19atom/cm3。
5. 根据权利要求1所述的一种新型量子阱势垒层的LED外延生长方法，其特征在于，所 述生长有源层MQW层的步骤之后包括生长p型GaN层： 在气氛为氮气与氢气混合气体的反应室内，压力为l〇〇_250torr，温度850-1000°C， 通入三甲基镓和二茂镁，持续生长p型GaN层，厚度为70-100nm，Mg的掺杂浓度为 2E+19_7E+19atom/cm 3。
6. 根据权利要求1所述的一种新型量子阱势垒层的LED外延生长方法，其特征在于，所 述生长有源层MQW层的步骤之后包括生长p型接触层： 在气氛为氮气与氢气混合气体的反应室内，压力为l〇〇_250torr，温度850-1000°C， 通入三甲基镓和二茂镁，持续生长p型接触层，厚度为2-4nm，Mg的掺杂浓度为 7E+19_2E+20atom/cm3。
7. 根据权利要求1-6任一项所述的新型量子阱势垒层的LED外延生长方法制得的LED 外延层，其特征在于，所述有源层MQW包括10-13个四层组合，所述四层组合的结构从下至 上依次包括： InxGa(1_x)N 势阱层：厚度为 2. 5-3. 5nm，0 < x〈l，In 的掺杂浓度 2E+20-3E+20atom/cm3 ; 第一 GaN势垒层：厚度为4-5nm ; AlyGa(1_y)N 势垒层：厚度为 l-2nm，0 < y〈l，A1 掺杂浓度 4E+19-8E+19atom/cm3 ; 第二GaN势垒层：厚度为4-5nm。
【文档编号】H01L33/02GK104157746SQ201410403508
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】王霄, 梁智勇, 季辉 申请人:湘能华磊光电股份有限公司