[发明专利]高发光效率的量子阱组合LED外延结构及其制备方法在审

专利信息
申请号: 201510823492.9 申请日: 2015-11-24
公开(公告)号: CN105355737A 公开(公告)日: 2016-02-24
发明(设计)人: 柳颜欣;曲爽;马旺;徐现刚 申请(专利权)人: 山东浪潮华光光电子股份有限公司
主分类号: H01L33/06 分类号: H01L33/06;H01L33/32;H01L33/00
代理公司: 济南日新专利代理事务所 37224 代理人: 王书刚
地址: 261061 *** 国省代码: 山东;37
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摘要:
搜索关键词: 发光 效率 量子 组合 led 外延 结构 及其 制备 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及一种能够提高出光效率的有源区LED(发光二极管)的外延结构及其制备方法,属于LED外延技术领域。

背景技术

二十世纪九十年代初,以氮化物为代表的第三代宽带隙半导体材料获得了历史性突破,科研人员在氮化镓材料上成功地制备出蓝绿光和紫外光LED,使得LED照明成为可能。1971年,第一只氮化镓LED管芯面世,1994年,氮化镓HEMT出现了高电子迁移率的蓝光GaN基二极管,氮化镓半导体材料发展十分迅速。

半导体发光二极管具有体积小、坚固耐用、发光波段可控性强、光效高、低热损耗、光衰小、节能、环保等优点,在全色显示、背光源、信号灯、光电计算机互联、短距离通信等领域有着广泛的应用,逐渐成为目前电子电力学领域研究的热点。氮化镓材料具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高稳定性等一系列优点,因此在短波长发光器件、光探测器件以及大功率器件方面有着广泛的应用和巨大的市场前景。

半导体发光二极管因其具有节能、环保、绿色健康、长寿命等有着非常明显的优势,在指示、显示、背光领域逐渐得到广泛应用。随着LED在照明的应用领域的推进,人们需要开发高功率、高亮度LED的芯片,取代目前的其他光源。

LED被广泛应用在显示屏、传感器、通讯、照明等广泛领域。作为核心半导体器件的GaN基蓝光LED能与荧光粉结合制造白光,在照明方面有很大的吸引力。LED外延片要提高发光效率,最根本的方法就是要增强外延结构的内量子效率。目前,国内MOCVD生长GaN基LED外延片的内量子效率只能达到30%左右,还有较大的发展提高空间,而有源层MQW的生长对内量子效率的提高尤其重要。

现有传统方法制备的GaN基LED外延片的外延结构如图1所示,该外延结构自下至上依次为衬底1、缓冲层2、非掺杂GaN层3、n型AlGaN层4、n型GaN层5、有源层6、P型AlGaN层7、P型GaN层8和P型InGaN接触层9,其中有源层6是InGaN势阱层14和GaN势垒层15的组合。该外延结构是运用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备以金属有机物化学气相沉积法在蓝宝石衬底上生长,采用高纯H2或高纯N2或高纯H2和N2的混合气体作为载气,高纯NH3作为N源,金属有机源三甲基镓或三乙基镓作为镓源,三甲基铟作为铟源,N型掺杂剂用硅烷,三甲基铝作为铝源,P型掺杂剂为二茂镁,反应室压力在100mabar-900mbar之间,具体包括以下步骤:

1、在1000-1100℃,反应腔压力维持在400-600torr的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底5-10分钟;

2、气氛为氢气和氮气的混合气体,降温至530-580℃下,反应腔压力维持在450-550torr,用2-6分钟氮化处理蓝宝石衬底1;然后通入TMGa,在蓝宝石衬底1上生长厚度为30-40nm的低温GaN缓冲层2;

3、气氛为氢气和氮气的混合气体,升高温度到1050-1250℃下,反应腔压力维持在100-250torr,通入TMGa,持续生长2.5-3.5μm的非掺杂GaN层3;

4、气氛为氮气,或气氛为氢气和氮气的混合气体,压力50-200torr,温度900-1100℃,通入TMGa、TMAl和SiH4,持续生长N型AlGaN层4,厚度为40-60nm,Al掺杂浓度2E+20-6E+20atom/cm3,Si掺杂浓度5E+17-9E+17atom/cm3

5、气氛为氢气和氮气的混合气体,反应腔压力为100-250torr,温度1050-1250℃,通入TEGa和SiH4,生长n型GaN层5,厚度在3.0-3.5um,Si的掺杂浓度为4E+18-8E+18atom/cm3

6、(1)气氛为氮气或氮气混有少量氢气,压力为150-300torr,温度730-760℃,通入TEGa或TMGa以及TMIn,持续生长InxGa1-xN势阱层14,其中0<x<1,且In的掺杂浓度保持不变,厚度2.5-3.5nm,In掺杂浓度2E+20-3E+20atom/cm3;(2)温度升为840-890℃,停止通入TMIn,持续生长GaN势垒层15,厚度10-13nm;(1)(2)层循环生长周期数为10-13。

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