專利名稱：改善應(yīng)力釋放和載流子存儲(chǔ)的發(fā)光二極管淺阱生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改善應(yīng)力釋放和載流子存儲(chǔ)的發(fā)光二極管外延片，所述外延片的結(jié)構(gòu)自下而上依次為襯底、低溫GaN緩沖層、未慘雜的聞溫GaN緩沖層、Si慘N型GaN層、低溫淺量子阱、低溫多量子阱發(fā)光層、低溫P型GaN層、P型AlGaN電子阻擋層、高溫P型GaN層和P型接觸層；所述淺量子阱由5 12個(gè)周期的InxGal-XN(0.04<x<0.4)/GaN多量子阱組成，所述多量子阱的生長方式是類漏斗形式。優(yōu)選地，所述襯底為藍(lán)寶石、GaN單晶、單晶硅或碳化硅單晶。本發(fā)明還涉及一種前述的改善應(yīng)力釋放和載流子存儲(chǔ)的發(fā)光二極管外延片的淺阱生長方法，包括以下步驟:
A、襯底清潔后氮化處理，依次生長低溫GaN緩沖層、未摻雜的高溫GaN緩沖層、摻雜濃度穩(wěn)定的Si摻N型GaN層；
B、在所述Si摻N型GaN層上生長低溫淺量子阱，所述低溫淺量子阱由5 12個(gè)周期的InXGal-XN(0.04<x<0.4)/GaN多量子阱組成，所述多量子阱的生長方式為類漏斗形式，所類漏斗形式生長是通過In摻雜濃度和時(shí)間形成的梯度變化來實(shí)現(xiàn)的，所述In摻雜濃度為In在多量子阱中的摩爾組分含量為5% 15% ;所述淺量子阱層里的勢(shì)壘層采用摻雜硅的工藝進(jìn)行生長，硅摻雜的比例為5 15% ；
C、所述低溫淺量子阱生長結(jié)束后，生長低溫多量子阱發(fā)光層；所述低溫多量子阱發(fā)光層由3 15個(gè)周期的InyGal-yN(x〈y〈l)/GaN多量子阱組成，所述多量子阱中In的摩爾組分含量為10% 50% ；
D、自所述低溫多量子阱發(fā)光層起，依次生長低溫P型GaN層、P型AlGaN電子阻擋層、高溫P型GaN層、P型接觸層；
E、降溫至650°C 800°C，純氮?dú)夥諊型嘶鹛幚? 15min，降至室溫，制得具有改善應(yīng)力釋放和載流子存儲(chǔ)的發(fā)光二 極管淺阱的LED外延片。優(yōu)選地，步驟B中，所述低溫淺量子阱的厚度為2.5nm 6.5nm，生長溫度為720°C 900°C，壓力為 IOOTorr 600 Torr, V / III摩爾比為 300 5000。優(yōu)選地，步驟C中，所述多量子阱的厚度為2nm 5nm，生長溫度為720°C 820°C，生長壓力為200Torr 500 Torr, V /III摩爾比為350 5000。優(yōu)選地，所述低溫多量子阱發(fā)光層由量子壘a、b和c組成，所述量子壘a生長厚度為IOnm 15nm,所述量子魚b生長厚度為7nm 11.5nm,所述量子魚c生長厚度為8nm 12nm。優(yōu)選地，所述量子壘a和b生長時(shí)通入的MO源氣體種類相同，所述量子壘a和b的厚度的減薄方式是在MO源的通入時(shí)間保持不變時(shí)，通過減少M(fèi)O源和氣體的通入量來實(shí)現(xiàn)的。優(yōu)選地,所述量子魚c與所述量子魚a和b生長時(shí)通入的MO源氣體不同，所述量子壘c厚度的減薄是通過減少M(fèi)O源的通入時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。優(yōu)選地，所述P型AlGaN電子阻擋層中的Al的摩爾組分含量為15% 40%，所述P型AlGaN電子阻擋層的禁帶寬度大于所述量子壘c的禁帶寬度。優(yōu)選地，所述P型AlGaN電子阻擋層的禁帶寬度為4ev 5.5ev。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
本發(fā)明在淺阱的阱區(qū)創(chuàng)新的漏斗形淺阱結(jié)構(gòu)既能很好存儲(chǔ)載流子(電子)又可以避免因N區(qū)載子摻雜濃度和遷移率過大造成溢流，具體為采用銦摻雜梯度交替和超晶格相結(jié)合的生長結(jié)構(gòu)，其中阱層采用Ramp生長方式，該生長方式能有效的減少多量子阱中的壓電效應(yīng)，一方面有利于應(yīng)力釋放，一方面為淺阱作載子注入量子阱前的臨時(shí)儲(chǔ)存器提供更可靠的存儲(chǔ)功能避免電子溢流，且在高速成長的淺壘中會(huì)存在較大的晶格間隙，這種間隙既能很好的釋放內(nèi)應(yīng)力，又更易讓載子在需要的時(shí)候傳輸提供途徑；淺阱的壘區(qū)采用不同硅摻雜比例生長淺阱的淺壘，生長的的這種壘晶不致密壘層也成為異質(zhì)結(jié)外延壘晶應(yīng)力很好釋放區(qū)，尤其對(duì)于InGaN與GaN超晶格的晶格失配應(yīng)力起到很好的緩釋作用；
本發(fā)明對(duì)生長設(shè)備和工藝條件無特殊要求，不會(huì)使隨后的生長及工藝步驟復(fù)雜化。


通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
圖1為本發(fā)明的LED外延片結(jié)構(gòu)示意 圖2為淺量子阱和發(fā)光層的能帶示意 其中，I為襯底、2為低溫GaN緩沖層、3為未摻雜的高溫GaN緩沖層、4為Si摻雜的N型GaN層、5為淺量子阱、6a為多量子阱發(fā)光層、6b為多量子阱發(fā)光層、6c為多量子阱發(fā)光層、7為低溫P型GaN層、8為P型鋁鎵氮電子阻擋層、9為高溫P型GaN層、10為P型GaN接觸層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例1 本實(shí)施例利用Vecco K465系列MOCVD系統(tǒng)實(shí)施。本實(shí)施例以高純氫氣(H2)或氮?dú)?N2)作為載氣，以三甲基鎵(TMGa)，三乙基鎵(TEGa)、三甲基鋁(TMAl)、三甲基銦(TMIn)和氨氣(NH3 )分別作為Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)和二茂鎂(CP2Mg)分別作為η、P型摻雜劑。本實(shí)施例的改善應(yīng)力釋放和載流子存儲(chǔ)的發(fā)光二極管外延片如圖1所示，從下向上的順序依次包括:襯底1、低溫GaN緩沖層2、未摻雜的高溫GaN緩沖層3、Si摻雜的N型GaN層4、淺量子講5、多量子講發(fā)光層6a、多量子講發(fā)光層6b、多量子講發(fā)光層6c、低溫P型GaN層7、P型鋁鎵氮電子阻擋層8、高溫P型GaN層9、P型GaN接觸層10。所述襯底為藍(lán)寶石、GaN單晶、單晶硅或碳化硅單晶，以適合GaN壘晶外延材料生長。本實(shí)施例的LED外延片結(jié)構(gòu)的生長方法如下:
步驟一，將襯底I在氫氣氣氛里進(jìn)行退火5 10分鐘，清潔所述襯底I表面，溫度控制在1050 1200°C之間，然后進(jìn)行氮化處理；
步驟二，將溫度下降到550°C 650°C之間，生長15 30nm厚的低溫GaN緩沖層2，生長壓力控制在350 760 Torr之間，V / III摩爾比在500 3200之間；
步驟三，所述低溫GaN緩沖層2生長結(jié)束后，停止通入TMGa，對(duì)其原位進(jìn)行熱退火處理， 將所述襯底I的溫度升高至900 1200°C之間,退火時(shí)間在5min至15min之間,退火之后，將溫度調(diào)節(jié)至1000 1200°C之間，生長厚度為0.5Mm 3Mm間的未摻雜的高溫GaN緩沖層3，生長壓力在IOOTorr 500 Torr之間，V / III摩爾比(第五族元素和第三族元素的摩爾比,在此為N、Ga的摩爾比)在300 3300之間；
步驟四，所述未摻雜的高溫GaN緩沖層3生長結(jié)束后，生長一層摻雜濃度穩(wěn)定的Si摻N型GaN層4，厚度在1.5 5.0Mm之間，生長溫度在1000°C 1200°C之間，生長壓力在100 500 Torr之間，V / III摩爾比在300 3300之間；
步驟五，上述Si摻雜的N型GaN層4生長結(jié)束后，開始生長低溫淺量子阱5，所述淺量子阱5由5 12個(gè)周期的InxGal_XN(0.04〈x〈0.4)/GaN多量子阱組成，所述多量子阱的生長方式是類漏斗形形式，所述多量子阱中In的摩爾組分含量在5% 15%之間，所述淺量子阱5的厚度在4nm 9nm之間，生長溫度在720°C 900°C之間，壓力在IOOTorr 600Torr之間，V / III摩爾比在300 5000之間；所述類漏斗形生長具體為:通入TEGa并摻入TMIn (摻入比1.5%)生長淺阱的第一個(gè)阱層，阱層生長通過TMIn流量增大使In摻入量由
1.5%漸變式方式(Ramp)生長到3%，隨后的阱層生長按先后順序依次將阱層摻入的In比例提高(1.5% — 3% — 6% — 9% — 6% — 3% — 1.5%)其中摻入比最高的中間阱層生長時(shí)間相比較其余阱層長20秒；其淺阱的淺壘層(SB)生長時(shí)TEGa流量和生長時(shí)間保持不變，生長溫度在720°C _900°C之間，生長壓力在100Torr-600 Torr之間，V / III摩爾比在300-5000之間；生長淺量子阱勢(shì)壘層采用摻雜硅的工藝進(jìn)行生長，硅摻雜的比例為5-20%。步驟六，所述淺量子阱5生長結(jié)束后，開始生長低溫多量子阱發(fā)光層6，所述多量子阱發(fā)光層6由3 15個(gè)周期的InyGal-yN(x〈y〈l)/GaN多量子阱組成，所述多量子阱中In的摩爾組分含量在10% 50%之間保持不變，所述發(fā)光層多量子阱的厚度在2nm 5nm之間，生長溫度在720°C 820°C之間，生長壓力在200Torr 500 Torr之間，V /III摩爾比在350 5000之間；壘層厚度不變，所述厚度在10 15nm之間，生長溫度在820 920°C之間，壓力在100 500 Torr之間，V /III摩爾比在300 5000之間；其中，量子壘6a生長厚度為IOnm 15nm,量子魚6b生長厚度為7nm 11.5nm,量子魚6c生長厚度為8nm 12nm ;所述量子壘6a和6b生長時(shí)通入的MO源氣體種類相同，所述量子壘6a和6b的厚度的減薄方式是在MO源的通入時(shí)間保持不變時(shí)，通過減少M(fèi)O源和氣體的通入量來實(shí)現(xiàn)的；所述量子壘6c與所述量子壘6a和6b生長時(shí)通入的MO源氣體不同，所述量子壘6c厚度的減薄是通過減少M(fèi)O源的通入時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的；
步驟七，所述多量子阱發(fā)光層6生長結(jié)束后，生長厚度IOOnm 500nm之間的低溫P型GaN層7，生長溫度在500°C 800°C之間，生長時(shí)間在5min 25min之間，壓力在IOOTorr 500 Torr之間，V / III摩爾比在300 5000之間，在所述生長低溫P型GaN層7為摻雜二茂鎂的空穴區(qū)；
步驟八，所述低溫P型GaN層7生長結(jié)束后，將溫度升至90(TC 120(TC之間，生長厚度50nm IOOnm之間的P型AlGaN電子阻擋層8,生長壓力在50Torr 300Torr之間，生長時(shí)間在5 10分鐘之間，V /III摩爾比在1500 20000之間，所述P型AlGaN電子阻擋層8中的Al的摩爾組分含量控制在10% 35%之間，所述P型AlGaN的禁帶寬度會(huì)大于最后一個(gè)量子壘的禁帶寬度；
步驟九，所述P型AlGaN電子阻擋層8生長結(jié)束后，生長一層厚度0.1um 1.0 um之間的高溫P型GaN層9，其生長溫度在800 1100°C之間，生長壓力在IOOTorr 500 Torr之間，生長時(shí)間在5 15min之間，V / III摩爾比在300 5000之間；
步驟十，所述高溫P型GaN層9生長結(jié)束后，生長一層厚度5nm 30nm之間的P型接觸層10，其生長溫度在850°C 1100°C之間，壓力在IOOTorr 500 Torr之間，生長時(shí)間在I IOmin之間，V / III摩爾比在1000 20000之間；
步驟i^一，生長結(jié)束后將反應(yīng)室的溫度降至650°C 800°C之間，采用純氮?dú)夥諊型嘶鹛幚? 15min，然后降至室溫，即得。由圖1的全結(jié)構(gòu)示意圖可知:本發(fā)明所述的淺量子阱5生長在N型GaN與發(fā)光層6之間。由圖2的淺量子阱5和發(fā)光層6的能帶示意圖可知:在N型摻雜GaN生長后，由于基于藍(lán)寶石襯底生長異質(zhì)結(jié)晶格失配應(yīng)力和N型摻雜帶來的內(nèi)應(yīng)力會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)散到多量子阱發(fā)光層，造成能帶彎曲和和電子溢流；并且N型摻雜的載流子(電子)會(huì)較快移過發(fā)光層不利于與空穴的復(fù)合，所以考慮在淺阱區(qū)生長時(shí)一方面將淺阱的阱設(shè)計(jì)成漏斗型，通過不同的In摻雜濃度和時(shí)間形成的梯度變化可以有效釋放這些應(yīng)力，本發(fā)明通過在淺阱區(qū)所創(chuàng)新的漏斗形淺阱結(jié)構(gòu)既能 很好存儲(chǔ)載流子(電子)又可以避免因N區(qū)載子摻雜濃度和遷移率過大造成溢流；同時(shí)，生長淺量子阱勢(shì)壘層采用摻雜硅的工藝進(jìn)行生長，通過該方法生長的不致密的壘層可以為載流子的傳輸提供更有利的通道和應(yīng)力更好的釋放區(qū)，提高在有源區(qū)的載子更充分在量子阱里復(fù)合幾率，也有利于載流子的遷移和應(yīng)力的緩釋。以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種改善應(yīng)力釋放和載流子存儲(chǔ)的發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述外延片的結(jié)構(gòu)自下而上依次為襯底、低溫GaN緩沖層、未摻雜的高溫GaN緩沖層、Si摻N型GaN層、低溫淺量子阱、低溫多量子阱發(fā)光層、低溫P型GaN層、P型AlGaN電子阻擋層、高溫P型GaN層和P型接觸層；所述淺量子阱由5 12個(gè)周期的InxGal-XN(0.04<x<0.4)/GaN多量子阱組成，所述多量子阱的生長方式是類漏斗形式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善應(yīng)力釋放和載流子存儲(chǔ)的發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述襯底為藍(lán)寶石、GaN單晶、單晶硅或碳化硅單晶。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善應(yīng)力釋放和載流子存儲(chǔ)的發(fā)光二極管外延片的淺阱生長方法，其特征在于，包括以下步驟: A、襯底清潔后氮化處理，依次生長低溫GaN緩沖層、未摻雜的高溫GaN緩沖層、摻雜濃度穩(wěn)定的Si摻N型GaN層； B、在所述Si摻N型GaN層上生長低溫淺量子阱，所述低溫淺量子阱由5 12個(gè)周期的InxGal-XN(0.04<x<0.4)/GaN多量子阱組成，所述多量子阱的生長方式為類漏斗形式，所述類漏斗形式生長是通過In摻雜濃度和時(shí)間形成的梯度變化來實(shí)現(xiàn)的，所述In摻雜濃度為In在多量子阱中的摩爾組分含量為5% 15% ； C、所述低溫淺量子阱生長結(jié)束后，生長低溫多量子阱發(fā)光層；所述低溫多量子阱發(fā)光層由3 15個(gè)周期的InyGal-yN(x〈y〈l)/GaN多量子阱組成，所述多量子阱中In的摩爾組分含量為10% 50% ； D、自所述低溫多量子阱發(fā)光層起，依次生長低溫P型GaN層、P型AlGaN電子阻擋層、高溫P型GaN層、P型接觸層； E、降溫至650°C 800°C，純氮?dú)夥諊型嘶鹛幚? 15min，降至室溫，制得具有改善應(yīng)力釋放和載流子存儲(chǔ)的發(fā)光二極管淺阱的LED外延片。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的改善應(yīng)力釋放和載流子存儲(chǔ)的發(fā)光二極管外延片的淺阱生長方法，其特征在于，步驟B中，所述低溫淺量子阱的厚度為2.5nm 6.5nm,生長溫度為720°C 900°C，壓力為 IOOTorr 600 Torr, V / III摩爾比為 300 5000。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的改善應(yīng)力釋放和載流子存儲(chǔ)的發(fā)光二極管外延片的淺阱生長方法，其特征在于，步驟C中，所述多量子阱的厚度為2nm 5nm，生長溫度為720V 820°C，生長壓力為 200Torr 500 Torr, V /III摩爾比為 350 5000。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的改善應(yīng)力釋放和載流子存儲(chǔ)的發(fā)光二極管外延片的淺阱生長方法，其特征在于，所述低溫多量子阱發(fā)光層由量子壘a、b和c組成，所述量子壘a生長厚度為IOnm 15nm，所述量子壘b生長厚度為7nm 11.5nm，所述量子壘c生長厚度為8nm 12nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的改善應(yīng)力釋放和載流子存儲(chǔ)的發(fā)光二極管外延片的淺阱生長方法，其特征在于，所述量子壘a和b生長時(shí)通入的MO源氣體種類相同，所述量子壘a和b的厚度的減薄方式是在MO源的通入時(shí)間保持不變時(shí)，通過減少M(fèi)O源和氣體的通入量來實(shí)現(xiàn)的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的改善應(yīng)力釋放和載流子存儲(chǔ)的發(fā)光二極管外延片的淺阱生長方法，其特征在于，所述量子壘c與所述量子壘a和b生長時(shí)通入的MO源氣體不同，所述量子壘c厚度的減薄是通過減少M(fèi)O源的通入時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的改善應(yīng)力釋放和載流子存儲(chǔ)的發(fā)光二極管外延片的淺阱生長方法，其特征在于，所述P型AlGaN電子阻擋層中的Al的摩爾組分含量為15% 40%，所述P型AlGaN電子阻擋層的禁帶寬度大于所述量子壘c的禁帶寬度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的改善應(yīng)力釋放和載流子存儲(chǔ)的發(fā)光二極管外延片的淺阱生長方法，其特征在于， 所述P型AlGaN電子阻擋層的禁帶寬度為4ev 5.5ev。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改善應(yīng)力釋放和載流子存儲(chǔ)的發(fā)光二極管淺阱生長方法，在Si摻N型GaN層上生長由5～12個(gè)周期的InxGa1-XN(0.04<x<0.4)/GaN多量子阱組成的低溫淺量子阱，所述多量子阱的生長方式為類漏斗形式，多量子阱中In的摩爾組分含量為5%～15%；在低溫淺量子阱上生長由3～15個(gè)周期的InyGa1-yN(x<y<1)/GaN多量子阱組成的低溫多量子阱發(fā)光層，所述多量子阱中In的摩爾組分含量為10%～50%。本發(fā)明在淺阱的阱里采用漏斗狀結(jié)構(gòu)，通過不同In濃度的摻雜和不同的生長時(shí)間形成梯度變化可以有效緩釋壓力和臨時(shí)存儲(chǔ)淺阱(SW)里的載流子，可以緩釋電子的注入發(fā)光區(qū)速率，避免因N區(qū)摻雜的載子濃度相對(duì)P區(qū)較高且遷移率較快，尤其在能帶發(fā)生變化時(shí)注入MQW前避免產(chǎn)生電子溢流。
文檔編號(hào)H01L33/00GK103219438SQ20131011883
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月8日
發(fā)明者蔣利民, 郭麗彬, 李剛, 吳禮清, 楊奎 申請(qǐng)人:合肥彩虹藍(lán)光科技有限公司