一種量子阱結構、一種led外延結構及其生長方法

一種量子阱結構、一種led外延結構及其生長方法
【專利摘要】本發明涉及一種量子阱結構、一種LED外延結構及其生長方法，包括多個量子阱單元，所述量子阱單元包括由下至上依次設置InGaN淺壘層、GaN量子壘層、第一InGaN淺阱層、InGaN量子阱層、第二InGaN淺阱層。本發明所設計的量子阱結構中，量子壘層包括通低流量TMIn源的InGaN淺壘層、不通TMIn源的GaN量子壘層，量子壘層包括通低流量TMIn源的第一InGaN淺阱層、通正常流量TMIn源的InGaN量子阱層、通低流量TMIn源的第二InGaN淺阱層，本發明設計的量子阱結構增加了通低流量TMIn源的InGaN淺壘層，使得量子壘層與量子阱層之間晶格適配度增加，減少內應力的產生。
【專利說明】
-種量子阱結構、一種LED外延結構及其生長方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種能夠降低外延片內應力的量子阱結構、LED外延結構及其生長方 法，屬于L邸外延生長技術領域。
【背景技術】
[0002] WGaN為基礎的發光二極管(LED)作為一種高效、環保、綠色新型固態照明光源，具 有低電壓、低功耗、體積小、重量輕、壽命長、高可靠性等優點，正在迅速被廣泛地應用于交 通信號燈、手機背光源、戶外全彩顯示屏、城市景觀照明、汽車內外燈、隧道燈等領域。因此 L抓的各方面性能提升都被業界重點關注，作為核屯、半導體器件的GaN基藍光L抓能與巧光 粉結合制造白光，在照明方面有很大的吸引力，并且逐漸成為目前電子電力學領域研究的 熱點。氮化嫁材料具有寬帶隙、高電子遷移率、高熱導率、高穩定性等一系列優點，因此在短 波長發光器件、光探測器件W及大功率器件方面也有著廣泛的應用和巨大的市場前景。
[0003] 外延結構的生長是Lm)忍片的關鍵技術，而如何能降低內應力、提高發光效率，是 外延結構生長的一個技術難題。在GaN基L抓外延層制備方面，量子阱的特性是影響L邸內應 力和光學性能的一個重要因素，L抓是利用注入的電子空穴在夾于n-型滲雜區和P-型滲雜 區的有源區進行福射復合發光的，電流注入效率越高，電子空穴福射復合幾率越大，L抓發 光效率越高。根據理論分析:壘層滲In與常規量子阱結構的能帶圖相比，由能帶理論分析得 到壘層滲In使量子阱的能帶彎曲減少、量子限制斯塔克效應減弱、電子阻擋層的電子阻擋 效率提高、量子阱的空穴注入效率增加、電子與空穴的空間波函數交疊增加等，運些都對 L邸發光效率提高起到積極的作用。經過試驗表明，使用InGaN材料來生長量子壘結構，有源 區材料界面質量明顯得到改善，樣品中V坑的數目及相應的錯位減少，并且利用InGaN做壘 的樣品光致發光的峰值強度增強、峰位藍移，InGaN壘樣品的化OOP現象得到較大的改善。運 表明阱壘之間的應力減小，降低了由此產生的壓電電場，增大了載流子的復合幾率，提高了 量子效率。目前國內MOCVD生長L邸外延層中設及到量子阱結構設計基本為量子壘和量子阱 交替結構，且能帶圖通常為銀齒狀，其中量子壘的材料組分禁帶寬度大于量子阱的材料組 分禁帶寬度，電子和空穴在外加電場的作用下通過壘層到達阱層的時候發生復合發光。由 于InGaN和GaN材料的晶格適配誘發的極化電場存在，導致量子阱結構能帶發生傾斜而增加 了價帶載流子的勢壘高度。
[0004]中國專利文獻CN104638073A公開了一種光電器件的量子阱結構，提出了一種W AlInGaN為壘，Wln和Al組分漸變的壘層結構替代傳統量子阱結構的壘層結構設計，運種 設計雖然可W提高L邸發光效率，同時有效阻擋電子向P層遷移，減小極化電場的影響。
[0005] 中國專利文獻CN102867896A公開了一種L抓外延結構及其制備方法，該L抓外延結 構包括:襯底，襯底上由下至上依次設置有GaN成核層或AlN成核層、非故意滲雜的GaN緩沖 層和n型滲雜的GaN層，n型滲雜的GaN層的表面由下至上依次生長有多量子阱發光層和P型 滲雜的GaN層且S者在S維空間內均呈周期排列的凹凸結構。該制備方法包括步驟:選擇一 襯底并采用MOCVD方法在襯底上依次生長GaN成核層或AlN成核層、非故意滲雜的GaN緩沖層 W及n型滲雜的GaN層;利用光刻和刻蝕方法在n型滲雜的GaN層的表面刻出在S維空間內呈 周期排列的凹凸結構，再利用MOCVD方法在其上生長多量子阱發光層及P型滲雜的GaN層。
[0006] 但是，上述兩篇專利文獻中，因 Al組分的加入會導致量子阱的晶體質量降低，加重 與GaN材料的晶格不適配問題，對降低阱壘之間的應力效果不明顯。

【發明內容】

[0007] 針對現有外延片生長工藝制備出來的晶片內應力大、整體均勻性W及晶體質量適 配度差、發光效率低的不足，本發明提供了一種量子阱結構及其生長方法；
[000引本發明還提供了一種L邸外延結構及其生長方法
[0009] 采用本發明可W將樣品量子阱的能帶圖由銀齒形轉變為=角形，能夠大大提高內 量子效率、顯著降低外延片內應力、提高外延晶體質量、增強器件發光效率。
[0010] 本發明的技術方案為：
[0011] -種量子阱結構，包括多個量子阱單元，所述量子阱單元包括由下至上依次設置 InGaN淺壘層、GaN量子壘層、第一 InGaN淺阱層、InGaN量子阱層、第二InGaN淺阱層。
[0012] 傳統的量子阱結構中，量子壘層材料為GaN,量子阱層材料為InGaN,兩層交替生長 時由于InGaN和GaN材料的晶格適配誘發的極化電場存在，導致外延結構內應力增大，晶體 質量差等缺陷，而本發明所設計的量子阱結構中，量子壘層包括通低流量TMIn源的InGaN淺 壘層、不通TMIn源的GaN量子壘層，量子壘層包括通低流量TMIn源的第一 InGaN淺阱層、通正 常流量TMIn源的InGaN量子阱層、通低流量TMIn源的第二InGaN淺阱層，本發明設計的量子 阱結構增加了通低流量TMIn源的InGaN淺壘層，使得量子壘層與量子阱層之間晶格適配度 增加，減少內應力的產生。
[0013] 根據本發明優選的，所述量子阱單元的厚度為0.12-0.3WH;所述InGaN淺壘層的厚 度為0.06-0.15WI1;所述GaN量子壘層的厚度為0.0 l-0.02皿;所述第一 InGaN淺阱層的厚度 為0.02-0.04皿;所述InGaN量子阱層的厚度為0.0 l-0.05皿;所述第二InGaN淺阱層的厚度 為0.02-0.04]im;所述量子阱結構包括12-16個所述量子阱單元。
[0014] -種L抓外延結構，包括由上至下依次設置的襯底、N型GaN層、所述量子阱結構、P 型GaN層。
[0015] 根據本發明優選的，所述N型GaN層的厚度為3-4郵，所述P型GaN層的厚度為60- 120nm。
[0016] 上述L抓外延結構的生長方法，包括采用MOCVD方法在襯底上生長外延層，具體步 驟包括：
[0017] (1化所述襯底上生長所述N型GaN層；
[001引（2)在所述N型GaN層上周期性生長所述量子阱結構，具體包括：
[0019] @調節溫度至800-950。(：，通入150-2003。畑1的1]\〇11源和25-403。畑1的1]\1姑源，在所 述N型GaN層上生長所述InGaN淺壘層；
[0020] ②維持在所述InGaN淺壘層的溫度，通入25-40sccm的TMfei源，在所述InGaN淺壘層 上生長所述GaN量子壘層；
[0021] ③溫度降至750-900°C，通入350-450sccm的TMIn源和25-40sccm的TMfei源，在所述 GaN量子壘層上生長所述第一 InGaN淺阱層；
[0022] ④維持在所述第一 InGaN淺阱層的溫度，通入600-750sccm的TMIn源和25-40sccm 的TMGa源，在所述第一 InGaN淺阱層上生長所述InGaN量子阱層；
[0023] ⑤維持在所述第一 InGaN淺阱層的溫度，通入350-450sccm的TMIn源和25-40sccm 的TMGa源，在所述InGaN量子阱層上生長所述第二InGaN淺阱層；
[0024] (3)在所述量子阱結構上生長所述P型GaN層。
[0025] 常規的量子阱結構生長方法為:在一定溫度生長量子阱層，材料為InGaN,然后，升 溫生長量子壘層，材料為GaN,與常規的量子阱結構生長方法相比，本發明主要是通過控制 TMIn源的流量變化、溫度優化等來降低內應力和極化效應，提升內量子效率。
[00%] 根據本發明優選的，所述步驟①中，調節溫度至830-900°C，通入160-180sccm的 TMIn 源；
[0027] 所述步驟@中，溫度降至78〇-840°(：，通入37〇-42〇3(3(3111的1]\〇11源；
[0028] 所述步驟④中，通入640-700sccm的TMIn源；
[00巧]所述步驟⑤中，通入370-420sccm的TMIn源；
[0030] 根據本發明優選的，所述步驟①中，調節溫度至850°C，通入170sccm的TMIn源；
[0031] 所述步驟③中，溫度降至80(TC，通入400sccm的TMIn源；
[0032] 所述步驟④中，通入680sccm的TMIn源；
[0033] 所述步驟⑤中，通入400sccm的TMIn源；
[0034] 根據本發明優選的，在步驟(1)之前，清潔所述襯底表面:將所述襯底放進MOCVD設 備的反應腔內，調節反應腔的壓力為90-200mbar，溫度為1150-1250°C，使用氨氣作為載氣 進行襯底表面清潔，持續時間為8-12min;
[0035] 根據本發明優選的，所述步驟（1)中，具體步驟包括：將反應腔壓力增加至300- SOOmbar，在所述襯底上生長所述N型GaN層。
[0036] 根據本發明優選的，所述步驟(3)中，具體步驟包括:調節溫度為600-700°C，調節 壓力為300-800mbar，通入55000-65000sccm的畑3,通入25-50sccm的TMGa源，通入2000- 3000sccm的Cp2Mg源，在所述量子阱結構上生長所述P型GaN層;Mg的滲雜濃度為化+19-化+ 20atom/cm3。
[0037] 本發明的有益效果為：
[0038] 本發明將量子阱結構設計成由通低流量TMIn源的淺壘層(其材料為InGaN)、不通 TMIn源的量子壘層(其材料為GaN)、通低流量TMIn源的淺阱層(其材料為InGaN)、通正常流 量TMIn源的量子阱層(其材料為InGaN)、通低流量TMIn源的淺阱層(其材料為InGaN)組成的 五層結構組成，通過運種結構設計W及對TMIn源流量的變化控制和對生長溫度的優化，量 子阱的能帶圖由銀齒型轉變為=角形，可W大幅增加每個量子阱層的電子或空穴的俘獲效 率，使外延片內應力降低10% W上，外延晶體發光效率提升9%左右。
【附圖說明】
[0039] 圖1是本發明所述L邸外延結構的示意圖。
[0040] 圖2是本發明所述量子阱結構的示意圖。
[0041 ]圖3是常規量子阱結構的示意圖。
[0042]圖4是本發明的量子阱結構能帶示意圖。
[0043] 圖5是常規量子阱結構能帶示意圖。
[0044] 1、襯底；2、N型GaN層；3、量子阱結構；4、P型GaN層；5、InGaN淺壘層；6、GaN量子壘 層;7、第一 I nGaN淺阱層;8、InGaN量子阱層;9、第二I nGaN淺阱層；10、量子阱單元；11、量子 阱層；12、量子壘層。
【具體實施方式】
[0045] 下面結合說明書附圖和實施例對本發明作進一步限定，但不限于此。
[0046] 實施例1
[0047] -種量子阱結構，包括多個量子阱單元10,所述量子阱單元10包括由下至上依次 設置InGaN淺壘層5、GaN量子壘層6、第一 InGaN淺阱層7 JnGaN量子阱層8、第二InGaN淺阱層 9。如圖2所示。
[004引量子阱單元10的厚度為0.12皿;InGaN淺壘層5的厚度為0.06皿;GaN量子壘層6的 厚度為0.0 l曲1;第一InGaN淺阱層7的厚度為0.02曲1; InGaN量子阱層8的厚度為0.Ol皿;第二 InGaN淺阱層9的厚度為0.02WI1;量子阱結構3包括16個所述量子阱單元10。
[0049] 常規量子阱結構中，量子壘層12材料為GaN,量子阱層11材料為InGaN,兩層交替生 長，如圖3所示，由于InGaN和GaN材料的晶格適配誘發的極化電場存在，導致外延結構內應 力增大，晶體質量差等缺陷，而本發明所設計的量子阱結構中，量子壘層包括通低流量TMIn 源的InGaN淺壘層5、不通TMIn源的GaN量子壘層6,量子壘層包括通低流量TMIn源的第一 InGaN淺阱層7、通正常流量TMIn源的InGaN量子阱層8、通低流量TMIn源的第二InGaN淺阱層 9,本發明設計的量子阱結構增加了通低流量TMIn源的第一 InGaN淺阱層7及第二InGaN淺阱 層9,使得量子壘層與量子阱層之間晶格適配度增加，減少內應力的產生。
[0050] 本發明的量子阱結構能帶示意圖如圖4所示；常規量子阱結構能帶示意圖如5所 示。常規量子阱結構能帶為銀齒型，本發明的量子阱結構能帶為=角形。
[0化1]實施例2
[0052]根據實施例1所述的一種量子阱結構，其區別在于，量子阱單元10的厚度為0.3皿； InGaN淺壘層5的厚度為0.15皿;GaN量子壘層6的厚度為0.02皿;第一 InGaN淺阱層7的厚度 為0.04皿;InGaN量子阱層8的厚度為0.05皿;第二InGaN淺阱層9的厚度為0.04皿;量子阱結 構3包括12個所述量子阱單元10。
[0化3]實施例3
[0054] 一種L邸外延結構，包括由上至下依次設置的襯底UN型GaN層2、實施例1所述量子 阱結構3、P型GaN層4dN型GaN層2的厚度為3皿，P型GaN層4的厚度為60nm。襯底1為藍寶石襯 底、碳化娃襯底或娃襯底，襯底1的厚度為200WI1。如圖1所示。
[0055] 本發明所述LED外延結構為樣品1，常規外延結構為樣品2,樣品1與樣品2的亮度對 比如表1所示：
[0化6] 表1
[0化7]
[0化引通過將兩組光功率數據對比，樣品1的光效比樣品2高出9%左右。
[0化9] 實施例4
[0060] -種L邸外延結構，包括由上至下依次設置的襯底UN型GaN層2、實施例2所述量子 阱結構3、P型GaN層4dN型GaN層2的厚度為4皿，P型GaN層4的厚度為120nm，襯底1為藍寶石 襯底、碳化娃襯底或娃襯底，襯底1的厚度為1 OOOwii。
[0061] 實施例5
[0062] 實施例3所述的L邸外延結構的生長方法，包括采用MOCVD方法在襯底1上生長外延 層，具體步驟包括：
[0063] (1)清潔所述襯底1表面:將所述襯底1放進MOCVD設備的反應腔內，調節反應腔的 壓力為90mbar，溫度為115(TC，使用氨氣作為載氣進行襯底1表面清潔，持續時間為8min;
[0064] (2)將反應腔壓力增加至300mbar，在所述襯底1上生長所述N型GaN層2。
[0065] (3)在所述N型GaN層2上周期性生長所述量子阱結構3,具體包括：
[0066] ①調節溫度至800 °C，通入ISOsccm的TMIn源和25sccm的TMGa源，在所述N型GaN層2 上生長所述InGaN淺壘層5;該層生長持續時間Is;
[0067] ②維持在所述InGaN淺壘層5的溫度，通入25sccm的TMGa源，在所述InGaN淺壘層5 上生長所述GaN量子壘層6;該層生長持續時間1S;
[006引③溫度降至750°C，通入350sccm的TMIn源和25sccm的TMfei源，在所述GaN量子壘層 6上生長所述第一 InGaN淺阱層7;該層生長持續時間Is;
[0069] ④維持在所述第一 InGaN淺阱層7的溫度，通入eOOsccm的TMIn源和25sccm的TMGa 源，在所述第一 InGaN淺阱層7上生長所述InGaN量子阱層8;該層生長持續時間2s;
[0070] ⑤維持在所述第一 InGaN淺阱層7的溫度，通入350sccm的TMIn源和25sccm的TMGa 源，在所述InGaN量子阱層8上生長所述第二InGaN淺阱層9;該層生長持續時間Is;
[0071] (4)調節溫度為600°C，調節壓力為300mbar，通入55000sccm的畑3,通入25sccm的 TMGa源，通入2000m的Cp2Mg源，在所述量子阱結構3上生長所述P型GaN層4 ;Mg的滲雜濃度為 lE+19atom/cm3。
[0072] 常規的量子阱結構生長方法為:在一定溫度生長量子阱層11，材料為InGaN,然后， 升溫生長量子壘層12,材料為GaN,與常規的量子阱結構生長方法相比，在本實施例中，外延 片內應力降低12 %，外延晶體發光效率提升了 10 %。
[0073] 實施例6
[0074] 實施例4所述的L邸外延結構的生長方法，包括采用MOCVD方法在襯底1上生長外延 層，具體步驟包括：
[0075] (1)清潔所述襯底1表面:將所述襯底1放進MOCVD設備的反應腔內，調節反應腔的 壓力為200mbar，溫度為1250°C，使用氨氣作為載氣進行襯底1表面清潔，持續時間為12min;
[0076] (2)將反應腔壓力增加至SOOmbar，在所述襯底1上生長所述N型GaN層2。
[0077] (3)在所述N型GaN層2上周期性生長所述量子阱結構3,具體包括：
[007引①調節溫度至950°C，通入200sccm的TMIn源和40sccm的TMfei源，在所述N型GaN層2 上生長所述InGaN淺壘層5;該層生長持續時間2s;
[00巧]②維持在所述InGaN淺壘層5的溫度，通入40sccm的TMGa源，在所述InGaN淺壘層5 上生長所述GaN量子壘層6;該層生長持續時間2s;
[0080] ③溫度降至90(TC，通入450sccm的TMIn源和40sccm的TMfei源，在所述GaN量子壘層 6上生長所述第一 InGaN淺阱層7;該層生長持續時間2s;
[0081 ] ④維持在所述第一 InGaN淺阱層7的溫度，通入750sccm的TMIn源和40sccm的TMGa 源，在所述第一 InGaN淺阱層7上生長所述InGaN量子阱層8;該層生長持續時間3s;
[0082] ⑤維持在所述第一 InGaN淺阱層7的溫度，通入450sccm的TMIn源和40sccm的TMGa 源，在所述InGaN量子阱層8上生長所述第二InGaN淺阱層9;該層生長持續時間2s;
[0083] (4)調節溫度為700°C，調節壓力為SOOmbar，通入65000sccm的畑3,通入SOsccm的 TMGa源，通入3000sccm的Cp2Mg源，在所述量子阱結構3上生長所述P型GaN層4; Mg的滲雜濃 度為化+20atom/cm3。
[0084] 常規的量子阱結構生長方法為:在一定溫度生長量子阱層11，材料為InGaN,然后， 升溫生長量子壘層12,材料為GaN,與常規的量子阱結構生長方法相比，本發明主要是通過 控制TMIn源的流量變化、溫度優化等來降低內應力和極化效應，在本實施例中，外延片內應 力降低10%，外延晶體發光效率提升了9%。
【主權項】
1. 一種量子阱結構，其特征在于，包括多個量子阱單元，所述量子阱單元包括由下至上 依次設置InGaN淺皇層、GaN量子皇層、第一 InGaN淺阱層、InGaN量子阱層、第二InGaN淺阱 層。2. 根據權利要求1所述的一種量子阱結構，其特征在于，所述量子阱單元的厚度為 0.12-0.3μπι;所述InGaN淺皇層的厚度為0.06-0.15μπι ;所述GaN量子皇層的厚度為0.01-0.02μπι;所述第一 InGaN淺阱層的厚度為0.02-0.04μπι;所述InGaN量子阱層的厚度為0.01_ 0.05μπι;所述第二InGaN淺阱層的厚度為0.02-0.04μπι;所述量子阱結構包括12-16個所述量 子阱單元。3. -種LED外延結構，其特征在于，包括由上至下依次設置的襯底、Ν型GaN層、權利要求 1或2所述量子阱結構、P型GaN層。4. 根據權利要求3所述的一種LED外延結構，其特征在于，所述N型GaN層的厚度為3-4μ m，所述Ρ型GaN層的厚度為60-120nm〇5. 權利要求3或4所述的LED外延結構的生長方法，其特征在于，包括采用MOCVD方法在 襯底上生長外延層，具體步驟包括： (1) 在所述襯底上生長所述N型GaN層； (2) 在所述N型GaN層上周期性生長所述量子阱結構，具體包括： ① 調節溫度至800_950°C，通入150-200sccm的TMIn源和25-40sccm的TMGa源，在所述N 型GaN層上生長所述InGaN淺皇層； ② 維持在所述InGaN淺皇層的溫度，通入25-40sccm的TMGa源，在所述InGaN淺皇層上生 長所述GaN量子皇層； ③ 溫度降至750-900°C，通入350-450sccm的TMIn源和25-40sccm的TMGa源，在所述GaN 量子皇層上生長所述第一 InGaN淺阱層； ④ 維持在所述第一InGaN淺阱層的溫度，通入600-750sccm的TMIn源和25-40sccm的 TMGa源，在所述第一 InGaN淺阱層上生長所述InGaN量子阱層； ⑤ 維持在所述第一InGaN淺阱層的溫度，通入350-450sccm的TMIn源和25-40sccm的 TMGa源，在所述InGaN量子阱層上生長所述第二InGaN淺阱層； (3) 在所述量子阱結構上生長所述P型GaN層。6. 根據權利要求5所述的LED外延結構的生長方法，其特征在于，所述步驟①中，調節溫 度至830-900°C，通入 160-180sccm 的 TMIn 源； 所述步驟@中，溫度降至78〇-840°(：，通入37〇-42〇8(^111的了]\〇11源； 所述步驟④中，通入640_700sccm的TMIn源； 所述步驟⑤中，通入370-420sccm的TMIn源。7. 根據權利要求6所述的LED外延結構的生長方法，其特征在于，所述步驟①中，調節溫 度至850°C，通入170sccm的TMIn源； 所述步驟③中，溫度降至800°C，通入400sccm的TMIn源； 所述步驟④中，通入680sccm的TMIn源； 所述步驟⑤中，通入400sccm的TMIn源。8. 根據權利要求5所述的LED外延結構的生長方法，其特征在于，在步驟（1)之前，清潔 所述襯底表面:將所述襯底放進MOCVD設備的反應腔內，調節反應腔的壓力為90-200mbar， 溫度為1150-1250°C，使用氫氣作為載氣進行襯底表面清潔，持續時間為8-12min。9. 根據權利要求5所述的LED外延結構的生長方法，其特征在于，所述步驟（1)中，具體 步驟包括:將反應腔壓力增加至300-800mbar，在所述襯底上生長所述N型GaN層。10. 根據權利要求5所述的LED外延結構的生長方法，其特征在于，所述步驟(3)中，具體 步驟包括：調節溫度為600-700°C，調節壓力為300-800mbar，通入55000-65000sccm的NH 3， 通入25-50sccm的TMGa源，通入2000-3000sccm的Cp2Mg源，在所述量子阱結構上生長所述P 型 GaN 層;Mg 的摻雜濃度為 lE+19-lE+20atom/cm3。
【文檔編號】H01L33/00GK106098883SQ201610486136
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月27日
【發明人】曹志芳, 趙霞焱, 徐現剛
【申請人】山東浪潮華光光電子股份有限公司