[发明专利]一种具有高质量InGaN/GaN有源层的LED外延结构生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及LED技术领域，尤其是指一种具有高质量InGaN/GaN有源层的LED外延结构生长方法。

背景技术

GaN基蓝绿光发光二极管具有体积小、寿命长、功耗低、亮度高、易集成化等优点。现有技术中，GaN基蓝绿光LED材料生长主要通过金属有机化学气相沉积系统（MOCVD）进行外延生长。由于GaN衬底价格较高，为节约成本，GaN基蓝绿光LED通常异质外延在蓝宝石、碳化硅等衬底上。由于异质外延存在的晶格失配和热失配等问题，难以获得高晶体质量的GaN基蓝绿光LED外延片。

现有技术中，蓝绿光LED均采用GaN与InN的合金InGaN材料作为发光有源区，通过调节InGaN量子阱中的In组分实现不同波长的发射，有源区InGaN材料的晶体质量直接影响蓝绿光LED的发光效率。

在常规的GaN基蓝绿光LED生长中，主要包括低温缓冲层、非故意掺杂层、N型掺杂层的生长，多量子阱有源层的生长和P型掺杂AlGaN层，以及P型掺杂GaN层的生长。其中低温缓冲层的生长温度在500-600℃之间；非故意掺杂层、N型掺杂层、P型掺杂AlGaN层、P型掺杂GaN层的生长温度在950-1150℃之间；多量子阱有源层生长步骤包括：在反应温度750-900℃生长8-15nm GaN 垒层，之后降温至650-800℃生长2-5nm InGaN阱层，然后升高温度到750-900℃再生长8-15nmGaN 垒层，以此重复周期结构的生长。在整个多量子阱有源层的生长过程中，主载气和有机源的载气均为N₂。

由于In原子的蒸汽压比Ga原子高，生长InGaN时，In原子难以并入，因此多量子阱有源层通常在N₂为主载气的氛围下进行低温生长。为了提高In组分，通常选用较高的TMIn分压，这容易在InGaN量子阱生长表面析出In滴，降低有源区的晶体质量。此外，由于异质外延的应力延伸和GaN与InN之间本身的晶格失配，使得多量子阱有源层应力积累严重，加大材料生长的困难。虽然在N₂氛围下可以加大In组分的并入，然而N₂氛围下生长的GaN薄膜表面较为粗糙，晶体质量相对较差。

在高温下，InGaN薄膜会遭到破坏，降低晶体质量。由于垒层的生长温度高于阱层，并且P型掺杂的AlGaN层是在高温下生长，使得已经生长的阱层遭到破坏。

多量子阱有源层之后生长的AlGaN层由于进行了P型Mg掺杂，使得Mg原子会向有源区扩散，形成非辐射复合中心，降低发光效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高质量InGaN/GaN有源层的LED外延结构生长方法，以获得高质量InGaN/GaN有源层，提高LED发光效率。

为达成上述目的，本发明的解决方案为：

一种具有高质量InGaN/GaN有源层的LED外延结构生长方法，在衬底上依次生长缓冲层、非故意掺杂层、N型掺杂层、应力平衡层、In_xGa_1-xN/GaN有源层、空穴注入层、电子阻挡层及P型掺杂层；其中，In_xGa_1-xN/GaN有源层的生长包括以下步骤：

一，在主载气为H₂的氛围下，通入Ga源和NH₃生长8-15nm的GaN垒层，生长温度为750-900℃，反应压强为200-400mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为5000-30000，生长速率为0.15-0.3μm/h；

二，降低反应温度到650-800℃，切换主载气为N₂，通入Ga源、In源和NH₃，生长2-5nm的In_xGa_1-xN阱层，反应压强为100-400mbar，Ⅴ/Ⅲ之比为5000-30000，生长速率为0.1-0.25μm/h；

三，保持反应温度和压强不变，关闭Ga源和In源，保持NH₃正常通入，停顿In_xGa_1-xN生长；

四，保持反应温度和压强不变，打开Ga源，生长1-5nm的GaN保护层，Ⅴ/Ⅲ之比为5000-30000，生长速率为0.1-0.25μm/h；