[發(fā)明專利]一種提高GaN基LED有源區(qū)發(fā)光效率的外延生長方法

有效

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• 申請日: 2014-03-20
• 公開（公告）號: CN103872194B
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王曉波
• 申請（專利權(quán)）人: 西安神光皓瑞光電科技有限公司
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00;H01L33/12;H01L33/06;H01L33/32
• 代理公司: 西安智邦專利商標(biāo)代理有限公司61211
• 代理人: 胡樂

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光電器件材料制備和結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種新型的生長GaN基LED外延方法。

背景技術(shù)

以GaN為基本材料的Ⅲ族氮化物（包括AlN、GaN、InN及其合金）是最重要的寬帶隙半導(dǎo)體材料體系之一，它們特有的帶隙范圍，優(yōu)良的光、電學(xué)性質(zhì)和優(yōu)異的材料機(jī)械性質(zhì)使其在光學(xué)器件，電子器件以及特殊條件下的半導(dǎo)體器件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。早在上世紀(jì)70年代，研究者們就對GaN基半導(dǎo)體材料進(jìn)行了大量的研究，到了20世紀(jì)90年代，GaN材料的研究在生長和p型摻雜方面都取得了巨大的突破，這使得對其研究也引起了更大的興趣，目前已成為國際上的一大熱門研究課題。LED已成為繼白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度氣體放電燈之后的第四代照明光源。與傳統(tǒng)的照明光源相比，LED半導(dǎo)體照明光源具有的優(yōu)點(diǎn)有：發(fā)光效率高、體積小、壽命長、節(jié)能、環(huán)保等。目前傳統(tǒng)的GaN基LED外延生長結(jié)構(gòu)過程為：

（1）先在藍(lán)寶石襯底上低溫（通常500℃左右）生長一層低溫GaN緩沖層；

（2）然后接著高溫下（通常1000℃左右）生長一層未摻雜的GaN；

（3）再接著高溫（通常1000℃左右）生長一層n型GaN層，摻雜材料一般為硅烷，提供LED復(fù)合發(fā)光所需要的電子；

（4）然后接著高溫生長幾個周期的GaN/InGaN厚度分別為3nm和15nm左右的量子阱和量子壘作為LED的發(fā)光層（通常GaN層850℃，InGaN層稍低750℃左右），n摻雜區(qū)的電子和p摻雜區(qū)的空穴在這個區(qū)域復(fù)合發(fā)光，是GaN基LED外延的核心部分；

（5）接著高溫（通常950℃左右）生長摻雜鎂的AlGaN層，起到阻擋電子的作用；

（6）最后高溫（通常900℃左右）生長一層摻雜鎂的GaN層，這一層提供復(fù)合發(fā)光的空穴。

（7）退火。

以上所稱的“高溫”、“低溫”在本領(lǐng)域是具有明確意義的技術(shù)術(shù)語。

目前LED外延生長過程中，由于兩種材料的晶格常數(shù)不同容易產(chǎn)生極化效應(yīng)和造成生長缺陷，極化效應(yīng)和生長缺陷會影響材料的光電性能，大大降低了LED的發(fā)光效率。目前LED外延生長的有源層多采用幾個周期結(jié)構(gòu)GaN/InGaN量子阱壘區(qū)，電子和空穴在能帶較窄的阱層InGaN材料中復(fù)合發(fā)光。由于GaN材料和InGaN材料晶格常數(shù)不同，所以兩個材料的生長界面會產(chǎn)生極化電荷和缺陷，造成電子和空穴波函數(shù)的空間分離和一些非復(fù)合發(fā)光中心的產(chǎn)生。降低了發(fā)光效率。并且由于GaN襯底不易制備，并且價格昂貴，現(xiàn)有方法都是在藍(lán)寶石或者硅襯底上生長，這樣也會由襯底生長開始的晶格適配產(chǎn)生應(yīng)力和缺陷從而影響量子阱材料的生長質(zhì)量，同時由于現(xiàn)有的量子阱結(jié)構(gòu)采用周期結(jié)構(gòu)相同厚度的壘成和阱層，對空穴和電子的注入效果產(chǎn)生影響，從而極大的降低了LED的發(fā)光效率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種新的外延生長方法來更好的減少量子阱區(qū)生長過程中的極化和缺陷，提升空穴電子注入效率，從而很大的提高了LED的發(fā)光效率。

本發(fā)明的基本方案如下：

該外延生長方法，包括如下步驟：

（1）在藍(lán)寶石襯底上生長一層低溫GaN緩沖層；

（2）生長一層高溫未摻雜的GaN；

（3）生長一層高溫?fù)诫s硅烷的n型GaN層；

（4）生長一層高溫?fù)诫s硅烷的n型InGaN層；

（5）依次生長多個周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)，作為LED的發(fā)光層；以1-2個周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)為一個單元，各單元的阱層（InGaN）厚度不變，壘層（GaN）厚度依次梯度減?。?/p>

在各個單元依次生長的過程中，相鄰單元之間均插入生長有若干周期的小于2nm的超薄GaN/InGaN周期結(jié)構(gòu)；

（6）生長一層高溫?fù)诫s鎂的p型AlGaN層；

（7）生長一層高溫?fù)诫s鎂的GaN層；

（8）退火。

基于上述基本方案，本發(fā)明還做如下優(yōu)化限定：

第一個周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)中，壘層為12nm，阱層為3nm。

在步驟（3）與步驟（4）之間，還進(jìn)行生長一層高溫?fù)诫s硅烷的n型InGaN層。生長的高溫?fù)诫s硅烷的n型InGaN層厚度優(yōu)選30nm。

上述多個周期的GaN/InGaN的量子阱壘結(jié)構(gòu)，共有5-12個周期；相鄰單元之間插入生長2-5個周期的超薄層GaN/InGaN。