專利名稱：提高氮化鎵基發(fā)光二極管內(nèi)量子效率的外延生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種提高氮化鎵基藍(lán)光/綠光發(fā)光二極管 內(nèi)量子效率的外延生長方法。
背景技術(shù)：
氮化鎵(GaN)是第三代直接能隙寬禁帶半導(dǎo)體，其禁帶寬度為3. 39eV。GaN基綠、 藍(lán)發(fā)光二極管(LEDs)器件具有高亮度、低能耗、長壽命、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，在全色顯示、 信號指示、景觀照明等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。特別是以GaN基藍(lán)光LED混合熒光粉后制作 的白光LEDs研發(fā)進(jìn)展迅速，白光LEDs的發(fā)光波長只在可見光區(qū)，避免了白熾燈強烈的紅外 輻射，可以大量節(jié)約能源。同時白光LEDs體積小、壽命長、安全、高效、不存在汞等有害物 質(zhì)，被稱為新一代綠色環(huán)保型照明光源，使其有望取代傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈，帶來人類照 明光源的革命。目前GaN基綠、藍(lán)發(fā)光二極管材料通常異質(zhì)外延生長在藍(lán)寶石襯底上。因為氮化 物和藍(lán)寶石襯底襯底間通常存在很大的晶格常數(shù)失配和熱膨脹系數(shù)差異，所以利用金屬有 機物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)外延技術(shù)生長的氮化物外延層中存在很多晶體缺陷如位錯等， 材料的晶體質(zhì)量因此受到很大影響。特別的由于晶格不匹配導(dǎo)致應(yīng)力引起的極化效應(yīng)使得 量子阱內(nèi)存在很大的電場，導(dǎo)致電子和空穴波函數(shù)空間上的分離，使輻射復(fù)合效率下降，發(fā) 光的內(nèi)量子效率和亮度低下。量子阱有源層一般由幾個周期InGaN/GaN量子阱組成。阱層 厚度一般為2-3nm，壘層厚度為6-20nm。發(fā)光波長由In組分決定，阱層厚度也有影響。為了提高發(fā)光二極管的亮度和發(fā)光效率，高內(nèi)量子效率的有源區(qū)的生長設(shè)計是很 重要的。內(nèi)建電場的減弱，量子限制作用的增強將使輻射復(fù)合幾率增加，發(fā)光內(nèi)量子效率大 大提高。同時，In組分載流子的局域化增強也會避免非輻射復(fù)合，提升發(fā)光二極管的內(nèi)量 子效率。因此，為了提高GaN基藍(lán)光/綠光二極管的亮度，提高內(nèi)量子效率，發(fā)展新的外延 生長技術(shù)來生長量子阱有源區(qū)是十分必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提供一種提高氮化鎵基發(fā)光二極管內(nèi)量子效率的外延生長 方法。本發(fā)明包括如下步驟1)在藍(lán)寶石襯底上依次生長低溫氮化鎵緩沖層、氮化鎵成核層、η型氮化鎵層；2)在生長銦鎵氮量子阱層期間，在氮化鎵基藍(lán)光/綠光發(fā)光二極管有源區(qū)的銦鎵 氮量子阱層生長溫度環(huán)境下，于N2或H2保護(hù)下，使NH3和III族金屬有機源材料鎵和銦交替 地脈沖輸入生長反應(yīng)室，形成銦鎵氮量子阱層；所述反應(yīng)室壓強為300Torr ；3)在銦鎵氮量子阱層上再生長氮化鎵量子勢壘層；4)循環(huán)重復(fù)以上步驟2)和3)至少兩次；
5)最后生長ρ型氮化鎵層。本發(fā)明可減弱銦鎵氮/氮化鎵量子阱的內(nèi)建電場，提高量子局域化效應(yīng)，增強輻射復(fù)合幾率，增加發(fā)光的內(nèi)量子效率，從而提高二極管的發(fā)光效率和亮度。該方法可用于 高亮度、高發(fā)光效率的氮化鎵基藍(lán)光/綠光發(fā)光二極管外延材料的金屬有機化學(xué)氣相沉積 (MOCVD)外延生長。本發(fā)明所述氨氣和III族金屬有機源材料鎵和銦的通入持續(xù)時間和間隔時間分別 為1-200秒，脈沖周期為1-100周期。所述III族金屬有機源材料鎵和銦為三甲基鎵和三甲基銦。所述NH3、三甲基鎵和三甲基銦的流量分別為30標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘、260微摩爾/分鐘 和300微摩爾/分鐘。


圖1是本發(fā)明生長銦鎵氮量子阱層的脈沖單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式本實施例所用的外延設(shè)備為德國AIXTR0N公司生產(chǎn)的商用機，型號為 Thomsaswan31x2‘0所用V族源為氨氣(NH3), III族金屬有機源材料為三甲基鎵(TMGa)和三甲基銦 (TMIn)。載氣為N2或H2。NH3、三甲基鎵(TMGa)和三甲基銦(TMIn)的流量分別為30標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘(sl/m)， 260微摩爾/分鐘(μ mol/m)和300微摩爾/分鐘(μ mol/m)。反應(yīng)室壓強為300Torr。操作步驟將2英寸的藍(lán)寶石襯底上裝入MOCVD生長設(shè)備后，依次經(jīng)過高溫烘烤，生長低溫氮 化鎵緩沖層、氮化鎵成核層、η型氮化鎵層。接著生長銦鎵氮/氮化鎵發(fā)光有源區(qū)。首先將藍(lán)寶石襯底的溫度降到740°C，在 流動的N2或H2氣氛保護(hù)下，反應(yīng)室壓強為300ΤΟΠ·。在銦鎵氮量子阱層的生長期間，氨氣 (NH3)和三甲基鎵(TMGa)和三甲基銦(TMIn)的氣流按圖1所示交替脈沖通入生長反應(yīng)室。 圖1示意了 Ga源、In源和N源輸入/關(guān)閉的脈沖時間序列。在一個脈沖單元，Ga源、In源 和N源的交替通入時間和間隔為2s。脈沖周期為30。該過程會形成3nm左右厚度的高發(fā) 光效率的銦鎵氮量子阱發(fā)光層。接著再將襯底的溫度升高到820°C生長20nm厚度的氮化鎵勢壘層，形成單量子阱 結(jié)構(gòu)。上述調(diào)制生長過程(即高發(fā)光效率的銦鎵氮量子阱發(fā)光層和氮化鎵勢壘層)重復(fù) 進(jìn)行至少三次，可形成多量子阱結(jié)構(gòu)，從而形成發(fā)光有源區(qū)。最后生長ρ型氮化鎵層，即完成氮化鎵基藍(lán)光二極管結(jié)構(gòu)材料的生長。該調(diào)制生長銦鎵氮量子阱層方法能減弱銦鎵氮/氮化鎵量子阱的內(nèi)建電場，提高 銦鎵氮量子阱的量子局域化效應(yīng)，增強輻射復(fù)合幾率，增加發(fā)光的內(nèi)量子效率，從而提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率和 亮度。
權(quán)利要求
提高氮化鎵基發(fā)光二極管內(nèi)量子效率的外延生長方法，其特征在于包括如下步驟1)在藍(lán)寶石襯底上依次生長低溫氮化鎵緩沖層、氮化鎵成核層、n型氮化鎵層；2)在生長銦鎵氮量子阱層期間，在氮化鎵基藍(lán)光/綠光發(fā)光二極管有源區(qū)的銦鎵氮量子阱層生長溫度環(huán)境下，于N2或H2保護(hù)下，使NH3和Ⅲ族金屬有機源材料鎵和銦交替地脈沖輸入生長反應(yīng)室，形成銦鎵氮量子阱層；所述反應(yīng)室壓強為300Torr；3)在銦鎵氮量子阱層上再生長氮化鎵量子勢壘層；4)循環(huán)重復(fù)以上步驟2)和3)至少兩次；5)最后生長p型氮化鎵層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高氮化鎵基發(fā)光二極管內(nèi)量子效率的外延生長方法，其特征 在于所述氨氣和III族金屬有機源材料鎵和銦的通入持續(xù)時間和間隔時間分別為1-200秒， 脈沖周期為1-100周期。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述提高氮化鎵基發(fā)光二極管內(nèi)量子效率的外延生長方法，其 特征在于所述III族金屬有機源材料鎵和銦為三甲基鎵和三甲基銦。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述提高氮化鎵基發(fā)光二極管內(nèi)量子效率的外延生長方法，其特征 在于所述NH3、三甲基鎵和三甲基銦的流量分別為30標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘、260微摩爾/分鐘和300 微摩爾/分鐘。
全文摘要
提高氮化鎵基發(fā)光二極管內(nèi)量子效率的外延生長方法，屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，在生長氮化鎵基藍(lán)光/綠光發(fā)光二極管有源區(qū)的銦鎵氮量子阱層期間，使氨氣和Ⅲ族金屬有機源材料鎵和銦交替脈沖地輸入生長反應(yīng)室。在設(shè)定的持續(xù)時間、間隔和脈沖周期下，該調(diào)制生長過程會形成高發(fā)光效率的銦鎵氮量子阱發(fā)光層。該方法可減弱銦鎵氮/氮化鎵量子阱的內(nèi)建電場，提高量子局域化效應(yīng)，增強輻射復(fù)合幾率，增加發(fā)光的內(nèi)量子效率，從而提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率和亮度。該方法適用于高亮度、高發(fā)光效率的氮化基藍(lán)光/綠光發(fā)光二極管外延材料的金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)外延生長。
文檔編號H01L33/12GK101937954SQ20101021645
公開日2011年1月5日 申請日期2010年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月5日
發(fā)明者宋雪云, 閆發(fā)旺 申請人:揚州中科半導(dǎo)體照明有限公司