CN106876545B - 一种提高GaN基LED内量子效率的外延方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电子器件领域，具体涉及一种提高GaN基LED内量子效率的外延方法，该材料结构包括在衬底上依次层叠生长低温成核层、非故意掺杂GaN层、n型GaN层、InGaN/H2气体处理的低温GaN/高温GaN组成的多量子阱层、电子阻挡层、p型GaN层和p型接触层。其中H2气体处理的低温GaN盖层是在生长盖层的过程中通入小流量的H2气体。本发明采用在生长多周期量子阱的低温GaN盖层时，原位通入小流量的H2气体，不仅能够去除或者钝化发光区域的位错、杂质、V形坑等缺陷，提高晶体质量，还能够减少In的团簇，改善In组分的均匀性，有利于形成陡峭的阱垒界面。因此，通过本发明可以提高GaN基LED的内量子效率。
Description
技术领域
本发明属于光电子器件领域，具体涉及一种提高GaN基LED内量子效率的外延方法。
背景技术
氮化镓基发光二极管（Light Emitting Diode，LED）具有高亮度、低能耗、长寿命、响应速度快及环保等特点，广泛地应用于室内及路灯照明、交通信号以及户外显示、汽车车灯照明、液晶背光源等多个领域。因此，大功率白光LED被认为是21世纪的照明光源。
目前商业化的GaN基LED外延结构大都是在蓝宝石衬底上沿 [0001] 方向（c轴）异质外延。由于蓝宝石衬底和纤锌矿结构GaN在晶格常数、热膨胀系数上存在较大的差异，使得GaN体材料中的缺陷密度高达108cm-2。在外延生长中由于缺陷的遗传效应，会使得缺陷延伸至多量子阱区域。其次，为了提高In的并入效率，InGaN阱层的生长温度不能高于800℃，且In的成分越高要求的生长温度越低，然而在低温下NH3裂解不充分，因此在外延生长中会形成诸多缺陷，如N空位，反位缺陷等，使得晶体质量下降，LED发光效率严重降低。为了提高晶体质量，GaN垒层的生长温度普遍要高于InGaN阱层的生长温度，这就需要引入低温GaN盖层来防止升温时In的流失。虽然GaN盖层能有效的防止In的流失，然而由于生长温度低，晶体质量较差。总之位于多量子阱有源区的缺陷，诸如In团簇、失配位错，穿透位错，堆垛层错，表面凹坑及V形坑等，会形成非辐射复合中心，使得载流子由于非辐射复合而大量减少，严重降低了LED的内量子效率。
发明内容
本发明目的在于针对上述问题，提供一种提高GaN基LED内量子效率的外延方法，该方法不仅能够降低量子阱区域缺陷密度，且制备方法简单，制备成本较低。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种提高GaN基LED内量子效率的外延方法，包括以下步骤：
提供一衬底并对衬底进行表面清洁；
在清洁后的衬底上生长GaN成核层并高温退火处理；
在退火后的GaN成核层上生长非故意掺杂GaN层；
在非故意掺杂GaN层上生长n型GaN层；
在n型GaN层上生长多量子阱发光层，所述多量子阱发光层为若干对InGaN阱层/低温GaN盖层/高温GaN垒层依次从下向上交替堆叠组成，且低温GaN盖层生长过程中通入H2气体；
在多量子阱发光层上生长p-AlGaN电子阻挡层；
在p-AlGaN电子阻挡层上生长p-GaN层和p-GaN接触层。
本发明中生长GaN成核层并高温退火处理时，所述高温退火处理的温度为950-1110℃。
具体应用时，所述多量子阱发光层的一个生长周期里先通入NH3气体、In源、Ga源，生长InGaN阱层；阱层生长完后，仅关闭In源，并通入H2，生长GaN盖层；盖层长完后，关闭Ga源和H2气体并开始升温，待温度达到垒层生长温度并稳定后，再打开Ga源，生长GaN垒层。待垒层生长完成，关闭Ga源开始降温，待温度达到阱层生长温度并稳定后，再打开Ga源和In源，生长下一个周期的阱层。当然，在生长形成GaN基LED过程中一直不断的通入有N2气体，N2气体一方面充当载气，一方面提供作为补偿气。
本发明中低温GaN盖层的生长温度与InGaN阱层的生长温度一致，高温GaN垒层的生长温度高于InGaN阱层和GaN盖层的生长温度。低温GaN盖层用来保护InGaN阱层上的In原子，防止In原子在升温过程中蒸发并脱附。
另外，本发明在生长多量子阱的过程中，仅低温GaN盖层的生长过程中通入H2，而InGaN阱层和GaN垒层的生长过程中没有H2气体。
进一步优选的，所述H2气体的流量为低温GaN盖层生长过程中通入的所有气体总流量的0.1%-20%。该所有气体仅含有NH3气体、H2气体以及N2气体。
具体实施时，所述多量子阱发光层中InGaN阱层/低温GaN盖层/高温GaN垒层的周期数为1-20对。
优选的，所述多量子阱发光层中InGaN阱层的厚度为1-6nm，低温GaN盖层的厚度为0.2-6nm，GaN垒层的厚度为5-20nm。
优选的，所述InGaN阱层中In组分以摩尔百分数计为5-40%。
通过以上工艺，在生长多周期量子阱的低温GaN盖层时，原位通入H2气体，不仅能够去除或者钝化发光区域的位错、杂质、V形坑等缺陷，提高晶体质量，还能够减少In的团簇，改善In组分的均匀性，有利于形成陡峭的阱垒界面。因此，通过本发明可以达到提高GaN基LED的内量子效率的目的。
附图说明
图1为传统方法生长的外延片流程图。
图2为现有技术生长的外延片流程图。
图3为本发明采用InGaN阱层/H2气体处理的低温GaN盖层/高温GaN垒层组成的多量子阱结构的外延片和传统InGaN阱层/低温GaN盖层/高温GaN垒层结构的室温（300K）光荧光谱对比图。当然，在做室温光荧光谱时，本发明与传统的多量子阱结构作对比时唯一变量为是否被H2气体处理，其他条件及结构完全相同。另外图3中低温GaN盖层生长过程中通入H2气体的流量为总流量的2.5%。由图可以看出本发明采用InGaN阱层/H2气体处理的低温GaN盖层/高温GaN垒层组成的多量子阱结构的外延片发光波长蓝移了12nm，虽然波长蓝移，但是室温下的发光强度约提高了3倍。上述光荧光谱的对比测试采用的是He-Cd 激光器、激发波长325nm的PL光谱仪。
图4为本发明采用InGaN阱层/H2气体处理的低温GaN盖层/高温GaN垒层组成的多量子阱结构的外延片和传统InGaN阱层/低温GaN盖层/高温GaN垒层组成的多量子阱结构的外延片的内量子效率对比图。当然，在做内量子效率测定时，本发明与传统的多量子阱结构作对比时唯一变量为是否被H2气体处理，其他条件及结构完全相同。另外图4中本发明低温GaN盖层生长过程中通入H2气体的流量为总流量的2.5%。内量子效率值采用以下计算公式：。其中I10K和I300K分别为在10K和300K时测得的光荧光谱的积分强度。可以看出本发明采用InGaN阱层/H2气体处理的低温GaN盖层/高温GaN垒层组成的多量子阱结构的外延片内量子效率约提高了2.1倍。10K和300K时光荧光谱的测试采用的是He-Cd 激光器、激发波长325nm的PL光谱仪。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行更进一步的说明。如在通篇说明书当中所提及的“仅含有”或者“仅”为一封闭式用语，故应解释成“只有”。 “约”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
本发明提供了一种提高GaN基LED内量子效率的外延方法（参见图2），包括以下步骤：
提供一衬底并对衬底进行表面清洁；
在清洁后的衬底上生长GaN成核层并高温退火处理；
在退火后的GaN成核层上生长非故意掺杂GaN层；
在非故意掺杂GaN层上生长n型GaN层；
在n型GaN层上生长多量子阱发光层，所述多量子阱发光层为若干对InGaN阱层/低温GaN盖层/高温GaN垒层依次从下向上交替堆叠组成，且低温GaN盖层生长过程中通入H2气体；
在多量子阱发光层上生长p-AlGaN电子阻挡层；
在p-AlGaN电子阻挡层上生长p-GaN层和p-GaN接触层。
进一步的本发明所述外延方法的其中一种具体实施方式是：本发明的外延方法是在MOCVD机台型号Aixtron TS300的仪器中实现的。其中生长多量子阱发光层时，保 持 反应 腔 压 力200-600mBar、通入流量为4000sccm（可采用的范围2000-6000sccm）的NH3气体、In源和Ga源的流量是由载气N2输送进反应腔的，其中In源流量为20-400sccm、Ga源流量为5-100sccm。在温度为650-800℃的范围内生长InGaN阱层，生长过程中压力、温度以及通入NH3气体、In源、Ga源的流量保持恒定；阱层生长完后，仅关闭In源，并通入占总流量2.5%的H2（可选择0.1%-20%中的任意体积百分比，例如0.1%、10%或20%），生长GaN盖层，生长过程中压力、温度以及通入NH3气体、Ga源的流量保持恒定；盖层长完后，关闭Ga源和H2气体并开始升温至750-950℃，保持反应腔的压力不变，氨气流量不变，Ga源流量为10-100sccm，温度稳定后开始生长GaN垒层，生长过程中压力、温度以及通入NH3气体、In源、Ga源的流量保持恒定。待垒层生长完成，关闭Ga源和In源开始降温，待温度达到阱层生长温度并稳定后，再通入流量为20-400sccm的In源、流量为5-100sccm的Ga源，生长下一个周期的阱层，重复上述步骤。周期数为1-20对。其中N2作为载气和补偿气体维持反应腔的总流量在整个量子阱生长过程中基本保持恒定，N2的流量在2000-6000sccm，在生长过程中会根据NH3，In源，Ga源，H2的流量变化进行相应的补偿。
进一步，所述多量子阱发光层中InGaN阱层的厚度为1-6nm，低温GaN盖层的厚度为0.2-6nm，GaN垒层的厚度为5-20nm。
进一步，所述InGaN阱层中In组分以摩尔百分数计为5-40%。
Claims (4)
1.一种提高GaN基LED内量子效率的外延方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一衬底并对衬底进行表面清洁；
在清洁后的衬底上生长GaN成核层并高温退火处理；
在退火后的GaN成核层上生长非故意掺杂GaN层；
在非故意掺杂GaN层上生长n型GaN层；
在n型GaN层上生长多量子阱发光层，所述多量子阱发光层为若干对InGaN阱层/低温GaN盖层/高温GaN垒层依次从下向上交替堆叠组成，低温GaN盖层的生长温度与InGaN阱层的生长温度一致，高温GaN垒层的生长温度高于InGaN阱层和低温GaN盖层的生长温度，且低温GaN盖层生长过程中通入H2气体；所述H2气体的流量为低温GaN盖层生长过程中通入的所有气体总流量的2.5%；
在多量子阱发光层上生长p-AlGaN电子阻挡层；
在p-AlGaN电子阻挡层上生长p-GaN层和p-GaN接触层。
2.根据权利要求1所述的一种提高GaN基LED内量子效率的外延方法，其特征在于，所述多量子阱发光层中InGaN阱层/低温GaN盖层/高温GaN垒层的周期数为1-20对。
3.根据权利要求2所述的一种提高GaN基LED内量子效率的外延方法，其特征在于，所述多量子阱发光层中InGaN阱层的厚度为1-6nm，低温GaN盖层的厚度为0.2-6nm，GaN垒层的厚度为5-20nm。
4.根据权利要求3所述的一种提高GaN基LED内量子效率的外延方法，其特征在于，所述InGaN阱层中In组分以摩尔百分数计为5-40%。
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Effective date of registration: 20220329 Address after: 030024 floor 4, building 129, No. 79, Yingze West Street, Wanbailin District, Taiyuan City, Shanxi Province Patentee after: DACHENG ENGINEERING CO LTD OF TAIYUAN University OF TECHNOLOGY Address before: 030024 No. 79 West Main Street, Taiyuan, Shanxi, Yingze Patentee before: Taiyuan University of Technology |
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