一种提高GaN基LED内量子效率的外延生长方法技术

本发明专利技术公开了一种提高GaN基LED内量子效率的外延生长方法，该材料结构包括在蓝宝石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/两部法的低温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。其中两部法的低温GaN盖层包括第一阶段的低温GaN生长过程中不通入H

Epitaxial growth method for improving quantum efficiency in GaN based LED

The invention discloses a method for improving GaN based LED epitaxial growth method in quantum efficiency, the material structure comprises a sapphire substrate sequentially grown at low-temperature nucleation layer and non low temperature high temperature GaN/ GaN of unintentionally doped GaN layer and the N type GaN layer, InGaN/ two method composed of multi quantum well layer and electron blocking layer type P, GaN layer and P contact layer. Among them, two methods of low temperature GaN cover include the first stage of low temperature GaN, and the growth process is blocked into H

【技术实现步骤摘要】
一种提高GaN基LED内量子效率的外延生长方法
本专利技术属于光电子器件领域，具体涉及一种提高GaN基LED内量子效率的外延生长方法。
技术介绍
氮化镓基发光二极管（LightEmittingDiode，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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述问题，提供了一种提高GaN基LED内量子效率的外延生长方法。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。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种提高GaN基LED内量子效率的外延生长方法，包括如下步骤：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，且每层低温GaN盖层的生长均分为两阶段，第一阶段为生长过程中不通入H2气体，第二阶段为生长过程中通入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。本专利技术中生长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，生长第一阶段的GaN盖层；然后通入小流量的H2，生长第二阶段的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。本专利技术低温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。进一步，在生长多量子阱的过程中，仅低温GaN盖层生长的第二阶段中通入H2，而InGaN阱层、低温GaN盖层生长的第一阶段和GaN垒层的生长过程中没有通入H2气体。本专利技术所述技术方案的进一步优选的，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。进一步，每层低温GaN盖层的第一阶段的厚度比例大于等于10%且小于等于90%。该厚度比例为第一阶段与两阶段的比例。其中若第一阶段的厚度比例小于10%，起不到保护层的作用；若第一阶段的厚度比例大于90%，则改善效果不明显。另外，所述多量子阱发光层中InGaN阱层的厚度为1-6nm，低温GaN盖层的总厚度为0.2-6nm，高温GaN垒层的厚度为5-20nm。具体实施时，所述InGaN阱层中In组分以摩尔百分数计为5-40%。优选的，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。通过本专利技术所述的外延生长方法，在生长多周期量子阱的低温盖层时，在生长盖层的第一阶段不通入H2气体，是因为H2气体会刻蚀掉部分In原子，降低InGaN阱层中In的含量；而在第二阶段通入小流量的H2气体，是因为低温盖层中存在很多位错、杂质，V形坑等缺陷，而小流量H2气体的加入能够部分去除或者钝化这些缺陷，提高晶体质量，还能够刻蚀掉过量的In原子，降低In原子的团簇，改善In组分的均匀性，形成陡峭的阱垒界面。因此，通过本专利技术可以达到提高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为本专利技术采用InGaN阱层/两步法的低温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室温（300K）光荧光谱对比图。其中仅低温GaN盖层的生长条件不同，传统结构的低温盖层厚度为1.0nm，生长过程中没有通入H2气体。而两步法的低温GaN盖层第一阶段厚度为0.5nm，第二阶段厚度为0.5nm并且第二阶段中通入了200sccm的H2气体（所有气体总流量的2.5%），其他结构及参数完全相同。可以看出本专利技术采用InGaN阱层/两步法的低温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与传统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发光波长相比基本不变，仅仅蓝移了1.0nm，而室温下的发光强度约增强了2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为本专利技术采用InGaN阱层/两步法的低温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。其中仅低温GaN盖层的生长条件不同，传统结构的低温GaN盖层厚度为1.0nm，生长过程中没有通入H2气体。而两步法的低温GaN盖层第一阶段厚度为0.5nm，第二阶段厚度为0.5nm并且第二阶段中通入了200sccm的H2气体（2.5vol%），其他结构及参数完全相同。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。可以看出本专利技术采用InGaN/两部法的低温GaN/高温GaN组成的多量子阱结构的外延片内量子效率约提高了1.3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。图5为本专利技术采用InGaN阱层/两步法的低温GaN盖层/高温GaN垒层组成的多量子阱结构的外延片和InGaN阱层/一步法的低温GaN盖层/高温GaN垒层组成的多量子阱结构的外延片的室温（300K）光荧光谱对比图。其中仅低温GaN盖层的生长条件不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高GaN基LED内量子效率的外延生长方法，其特征在于，包括如下步骤：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，且每层低温GaN盖层的生长均分为两阶段，第一阶段为生长过程中不通入H

【技术特征摘要】
1.一种提高GaN基LED内量子效率的外延生长方法，其特征在于，包括如下步骤：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，且每层低温GaN盖层的生长均分为两阶段，第一阶段为生长过程中不通入H2气体，第二阶段为生长过程中通入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。2.根据权利要求1所述的一种提高GaN基LED内量子效率的外延生长方法，其特征在于，所述H2气体的流量为低温GaN盖层生长...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢太平，朱亚丹，许并社，周小润，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14