專利名稱：一種led外延生長(zhǎng)方法和led外延結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管領(lǐng)域，具體涉及一種LED外延生長(zhǎng)方法和具有新型量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
外延結(jié)構(gòu)的好壞是決定LED (Light Emitting Diode，發(fā)光二極管)芯片優(yōu)劣的關(guān)鍵材料，而量子阱層又是外延層的最重要部分，其決定整個(gè)外延材料的發(fā)光波長(zhǎng)與發(fā)光效率。目前傳統(tǒng)的量子阱能級(jí)圖如圖1所示，圖2為其生長(zhǎng)溫度圖，圖3為傳統(tǒng)外延結(jié)構(gòu)MQW (Multi Quantum-Well，多量子阱)區(qū)h Gndium,銦)流量設(shè)置示意圖，量子壘和量子阱在一定時(shí)間內(nèi)各自保持一定的生長(zhǎng)條件。由于量子壘和量子阱材料的差異，其晶格常數(shù)的失配會(huì)在量子阱層的界面產(chǎn)生非輻射缺陷，降低量子阱層的發(fā)光效率，影響LED器件的性能提升。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種LED外延生長(zhǎng)方法和外延結(jié)構(gòu)，以降低量子阱層的缺陷密度，提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下 一種LED外延生長(zhǎng)方法，包括
在襯底表面上依次生長(zhǎng)過(guò)渡層、第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層、量子阱層和第三半導(dǎo)體層；其中，所述量子阱層的生長(zhǎng)過(guò)程為
在第二半導(dǎo)體層上交替生長(zhǎng)量子壘和量子阱，并且在量子壘和量子阱的交替生長(zhǎng)過(guò)程中，量子壘的生長(zhǎng)條件和量子阱的生長(zhǎng)條件之間的轉(zhuǎn)變采用逐漸過(guò)渡的方式。上述LED外延生長(zhǎng)方法的有益效果是在量子阱層的生長(zhǎng)過(guò)程中，量子壘和量子阱的生長(zhǎng)條件采用逐漸過(guò)渡的方式，使得生長(zhǎng)出來(lái)的量子壘和量子阱之間的材料成分產(chǎn)生了逐漸過(guò)渡的效果，減小了晶格常數(shù)的失配，避免了在量子阱層的界面上產(chǎn)生非輻射缺陷， 提高了量子阱層的發(fā)光效率，提升了 LED器件的性能。在上述LED外延生長(zhǎng)方法的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以進(jìn)行以下優(yōu)選的改進(jìn)。進(jìn)一步，所述生長(zhǎng)條件為溫度條件和/或TMh流量條件。其中，TMh為三甲基銦(分子式為In(CH3)3),其英文名為Trimethylindium，用于外延生長(zhǎng)、有機(jī)合成、化學(xué)氣相淀積等。進(jìn)一步，所述量子阱的組成為^^feihN，其中0 < χ彡1 ；所述量子壘的組成為 hyGai_yN，其中 0 彡 7<1;且1<7。進(jìn)一步，所述量子阱層的生長(zhǎng)過(guò)程為
在第二半導(dǎo)體層上，先在750 850°C下生長(zhǎng)10 IOOnm厚度的量子壘；再將溫度在 3 10分鐘內(nèi)下降到650 750°C ；在650 750°C下生長(zhǎng)1 5nm厚度的量子阱后，再將溫度在3 10分鐘后上升到750 850°C下生長(zhǎng)10 IOOnm厚度的量子壘；如此進(jìn)行1 100個(gè)周期。進(jìn)一步，在上述量子阱層的生長(zhǎng)過(guò)程中，將溫度在3 10分鐘內(nèi)下降到650 750°C的同時(shí)，TiOn流量可以在100 500sccm范圍內(nèi)固定不變，或者TiOn流量可以在 100 500SCCm范圍內(nèi)從低到高變化；將溫度在3 10分鐘后上升到750 850°C的同時(shí)， TiOn流量可以在100 500sccm范圍內(nèi)固定不變，或者TiOn流量可以在100 500sccm范圍內(nèi)從高到低變化。進(jìn)一步，所述量子阱層的生長(zhǎng)過(guò)程還可以為
在第二半導(dǎo)體層上，先在750 850°C下生長(zhǎng)10 IOOnm厚度的量子壘；再將溫度在 3 10分鐘內(nèi)下降到650 750°C ；再將溫度在3 10分鐘內(nèi)上升到750 850°C下生長(zhǎng) 10 IOOnm厚度的量子壘；如此進(jìn)行1 100個(gè)周期；最后，在750 850°C下生長(zhǎng)10 IOOnm厚度的量子壘。進(jìn)一步，在上述量子阱層的生長(zhǎng)過(guò)程中，將溫度在3 10分鐘內(nèi)下降到650 750°C的同時(shí)，TiOn流量可以在100 500sccm范圍內(nèi)固定不變，或者TiOn流量可以在 100 500sccm范圍內(nèi)從低到高變化；將溫度在3 10分鐘內(nèi)上升到750 850°C的同時(shí)， TiOn流量可以在100 500sccm范圍內(nèi)固定不變，或者TiOn流量可以在100 500sccm范圍內(nèi)從高到低變化。進(jìn)一步，所述過(guò)渡層的組成為hx(iai_xN，其中0彡χ < 1 ；所述第一半導(dǎo)體層為u型氮化鎵層，所述u型氮化鎵層為η型未摻雜InxGi^xN,其中0 < χ < 1 ；所述第二半導(dǎo)體層為η型摻雜LxGi^xN半導(dǎo)體層，其中0彡χ < 1，摻雜元素為Si，摻雜濃度為IX IO1Vcm3 5 X IO2Vcm3 ；所述第三半導(dǎo)體層為ρ型氮化鎵層，所述ρ型氮化鎵層為ρ型摻雜IrixGai_xN半導(dǎo)體層，其中0彡χ < 1，摻雜元素為Be和/或Mg，摻雜濃度為5 X IO1Vcm3 1 X 1022/cm3o進(jìn)一步，所述過(guò)渡層的生長(zhǎng)溫度為500 600°C，生長(zhǎng)厚度為15 35nm;所述第一半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)溫度為1000 1300°C，生長(zhǎng)厚度為1 5 μ m ；所述第二半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)溫度為1000 1300°C，生長(zhǎng)厚度為1 5μπι;所述第三半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)溫度為800 IOOO0C，生長(zhǎng)厚度為80 500nm?；谏鲜鯨ED外延生長(zhǎng)方法，本發(fā)明同時(shí)提供了一種LED外延結(jié)構(gòu)，包括襯底及其表面上依次生長(zhǎng)的過(guò)渡層、第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層、量子阱層和第三半導(dǎo)體層；其中， 所述量子阱層由交替生長(zhǎng)的量子壘和量子阱組成，并且所述量子壘和量子阱之間，量子壘的材料成分逐漸過(guò)渡到量子阱的材料成分，量子阱的材料成分逐漸過(guò)渡到量子壘的材料成分。上述LED外延結(jié)構(gòu)中，由于所述量子壘和量子阱之間，量子壘的材料成分逐漸過(guò)渡到量子阱的材料成分，量子阱的材料成分逐漸過(guò)渡到量子壘的材料成分，使得量子壘和量子阱之間的晶格失配大大減小，降低了量子阱層的缺陷密度，提高了發(fā)光二極管的發(fā)光效率。


圖1為傳統(tǒng)外延結(jié)構(gòu)能級(jí)圖2為傳統(tǒng)外延結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)溫度示意圖； 圖3為傳統(tǒng)外延結(jié)構(gòu)MQW區(qū)h流量設(shè)置示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的生長(zhǎng)溫度示意圖； 圖5為本發(fā)明實(shí)施例1結(jié)構(gòu)MQW區(qū)h流量設(shè)置示意圖； 圖6為本發(fā)明實(shí)施例1結(jié)構(gòu)能級(jí)圖； 圖7為本發(fā)明實(shí)施例2生長(zhǎng)溫度示意圖； 圖8為本發(fā)明實(shí)施例2結(jié)構(gòu)MQW區(qū)h流量設(shè)置示意圖； 圖9為本發(fā)明實(shí)施例2結(jié)構(gòu)能級(jí)圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。實(shí)施例1
圖4為實(shí)施例1外延生長(zhǎng)溫度示意圖。如圖4所示，先在MOCVD (Metal-organic Chemical Vapor D印osition，化學(xué)氣相沉積)反應(yīng)爐中將襯底在1200°C進(jìn)行烘烤，以除去襯底表面異物。之后，在500 600°C (優(yōu)選550°C)下，生長(zhǎng)15 35nm (優(yōu)選25nm)厚度的過(guò)渡層Inx^vxN (0 ^ χ < 1) (Buffer層)；再將溫度升高到1000 1300°C (優(yōu)選 1100°C)，依次進(jìn)行1 5μπι (優(yōu)選2. 5 μ m)厚度的u型層Ir^ahN (0彡χ < 1) Cu-GaN 層)、1 5μπι (優(yōu)選2.5 μ m)厚度的η型層Lx^vxN=Si (0彡χ < 1) (n_GaN層)的制備， 其中η型層摻雜的Si濃度為1 X IO1Vcm3 5 X IO2Vcm30之后進(jìn)行量子阱層的制備在750 850°C下，優(yōu)選810°C，生長(zhǎng)15 20nm厚度的量子壘(Barrier)，再將溫度在3 10分鐘內(nèi)，優(yōu)選3分鐘后，下降到650 750°C，優(yōu)選為 7200C，同時(shí)TiOn流量在100 500sccm (標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘)范圍內(nèi)固定不變，或者TiOn流量在100 500sccm范圍內(nèi)從低到高變化；在650 750°C下，優(yōu)選720°C，生長(zhǎng)完1 5nm (優(yōu)選1 2. 5nm)厚度的量子阱后，再將溫度在3 10分鐘后上升到750 850°C，優(yōu)選為 810°C，同時(shí)TiOn流量在100 500sccm范圍內(nèi)固定不變，或者TMIn流量在100 500sccm 范圍內(nèi)從高到低變化。如此進(jìn)行1 100個(gè)周期，優(yōu)選5個(gè)周期，如圖5所示，完成量子阱層的制備。其中，量子阱的組成為InxGai_xN(0 < χ彡1)，量子壘的組成為hyGi^N^ ( y
<1)，并且 χ < y0之后，在800 1000°C (優(yōu)選900°C )下，沉積80 500nm (優(yōu)選250nm)的Mg摻雜P型層(也可以選用Be進(jìn)行摻雜)，P型層組成為InxGiVxN,摻雜濃度為5X IO1Vcm3 lX 1022/cm3。圖6是實(shí)施例1的外延層的結(jié)構(gòu)能級(jí)圖。這樣的結(jié)構(gòu)能降低量子阱層的缺陷密度， 提高量子阱層的晶體質(zhì)量，提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。實(shí)施例2
圖7為實(shí)施例2外延生長(zhǎng)溫度示意圖。如圖7所示，先在MOCVD反應(yīng)爐中將襯底在 1200°C進(jìn)行烘烤，以除去襯底表面異物。之后，在500 600°C (優(yōu)選550°C )下，生長(zhǎng)15 :35nm(優(yōu)選25nm)厚度的過(guò)渡層hx(iai_xN(0 ^ χ < DCBuffer層);再將溫度升高到1000 13000C (優(yōu)選1100°C )，依次進(jìn)行1 5 μ m (優(yōu)選2. 5 μ m)厚度的u型層InxGivxN (O^x
<1) (u-GaN 層)、1 5μπι (優(yōu)選 2· 5μπι)厚度的 η 型層 InxGa1^xNiSi (0 彡 χ < 1) Cn-GaN 層，)的制備，其中η型層摻雜的Si濃度為IXlO1Vcm3 5 X IO2Vcm30
之后進(jìn)行量子阱層的制備在750 850°C下，優(yōu)選810°C，生長(zhǎng)10 IOOnm厚度的量子壘(Barrier);再將溫度在3 10分鐘內(nèi)，優(yōu)選8分鐘內(nèi)，緩慢下降到650 750°C, 優(yōu)選為720°C，同時(shí)TiOn流量在100 500sccm范圍內(nèi)固定不變，或者TiOn流量在100 500sCCm范圍內(nèi)從低到高變化；再將溫度在3 10分鐘內(nèi)，優(yōu)選8分鐘內(nèi)，緩慢上升到 750 850°C (優(yōu)選為810°C)下生長(zhǎng)10 IOOnm厚度的量子壘，同時(shí)TiOn流量在100 500sccm范圍內(nèi)固定不變，或者TiOn流量在100 500sccm范圍內(nèi)從高到低變化。如此進(jìn)行1 100個(gè)周期，優(yōu)選5個(gè)周期，如圖8所示，最后在在750 850°C下，優(yōu)選810°C下，生長(zhǎng)10 IOOnm (優(yōu)選20nm)厚度的量子壘(Barrier)，完成量子阱層的制備。其中，量子阱的組成為InAahN (0 < χ彡1)，量子壘的組成為InyGa^yN, (0 ^ y < 1)，并且χ < y。之后，在800 1000°C (優(yōu)選900°C )下，沉積80 500nm (優(yōu)選250nm)的Mg摻雜P型層(也可以選用Be進(jìn)行摻雜)，P型層組成為InxGiVxN,摻雜濃度為5X IO1Vcm3 lX 1022/cm3。圖9是實(shí)施例2外延層的結(jié)構(gòu)能級(jí)圖。這樣的結(jié)構(gòu)能降低量子阱層的缺陷密度， 提高量子阱層的晶體質(zhì)量，提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。按照上述方法制成的LED外延結(jié)構(gòu)，包括襯底及其表面上依次生長(zhǎng)的過(guò)渡層 InxGa1^xN (0 彡 χ < l)、u 型層 InxGa1^xN (0 彡 χ < 1)、η 型層 InxGa1^xNiSi (0 彡 χ < 1)、量子阱層和P型層；其中，所述量子阱層由交替生長(zhǎng)的量子壘hyGai_yN (0彡y < 1) 和量子阱Inx(iai_xN(0 < χ ^ 1)組成，且χ < y，且所述量子壘和量子阱之間，量子壘的材料成分逐漸過(guò)渡到量子阱的材料成分，量子阱的材料成分逐漸過(guò)渡到量子壘的材料成分。該結(jié)構(gòu)能降低量子阱層的缺陷密度，提高量子阱層的晶體質(zhì)量，提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種LED外延生長(zhǎng)方法，包括在襯底表面上依次生長(zhǎng)過(guò)渡層、第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層、量子阱層和第三半導(dǎo)體層；其中，所述量子阱層的生長(zhǎng)過(guò)程為在第二半導(dǎo)體層上交替生長(zhǎng)量子壘和量子阱，并且在量子壘和量子阱的交替生長(zhǎng)過(guò)程中，量子壘的生長(zhǎng)條件和量子阱的生長(zhǎng)條件之間的轉(zhuǎn)變采用逐漸過(guò)渡的方式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED外延生長(zhǎng)方法，其特征在于所述生長(zhǎng)條件為溫度條件和/或TMh流量條件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED外延生長(zhǎng)方法，其特征在于所述量子阱的組成為 InxGai_xN，其中0 < χ彡1 ；所述量子壘的組成為hyGai_yN，其中0彡y < 1 ；且χ < y。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的LED外延生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述量子阱層的生長(zhǎng)過(guò)程為在第二半導(dǎo)體層上，先在750 850°C下生長(zhǎng)10 IOOnm厚度的量子壘；再將溫度在 3 10分鐘內(nèi)下降到650 750°C ；在650 750°C下生長(zhǎng)1 5nm厚度的量子阱后，再將溫度在3 10分鐘后上升到750 850°C下生長(zhǎng)10 IOOnm厚度的量子壘；如此進(jìn)行1 100個(gè)周期。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的LED外延生長(zhǎng)方法，其特征在于，將溫度在3 10分鐘內(nèi)下降到650 750°C的同時(shí)，TMIn流量在100 500sccm范圍內(nèi)固定不變，或者TiOn流量在 100 500SCCm范圍內(nèi)從低到高變化；將溫度在3 10分鐘后上升到750 850°C的同時(shí)， TiOn流量在100 500sccm范圍內(nèi)固定不變，或者TiOn流量在100 500sccm范圍內(nèi)從高到低變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的LED外延生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述量子阱層的生長(zhǎng)過(guò)程為在第二半導(dǎo)體層上，先在750 850°C下生長(zhǎng)10 IOOnm厚度的量子壘；再將溫度在 3 10分鐘內(nèi)下降到650 750°C ；再將溫度在3 10分鐘內(nèi)上升到750 850°C下生長(zhǎng) 10 IOOnm厚度的量子壘；如此進(jìn)行1 100個(gè)周期；最后，在750 850°C下生長(zhǎng)10 IOOnm厚度的量子壘。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的LED外延生長(zhǎng)方法，其特征在于，將溫度在3 10分鐘內(nèi)下降到650 750°C的同時(shí)，TMIn流量在100 500sccm范圍內(nèi)固定不變，或者TiOn流量在 100 500sccm范圍內(nèi)從低到高變化；將溫度在3 10分鐘內(nèi)上升到750 850°C的同時(shí)， TiOn流量在100 500sccm范圍內(nèi)固定不變，或者TiOn流量在100 500sccm范圍內(nèi)從高到低變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED外延生長(zhǎng)方法，其特征在于所述過(guò)渡層的組成為 hxGai_xN，其中0 < χ < 1 ；所述第一半導(dǎo)體層為u型氮化鎵層，所述u型氮化鎵層為η型未摻雜hxGai_xN，其中0彡χ < 1 ；所述第二半導(dǎo)體層為η型摻雜hx(iai_xN半導(dǎo)體層，其中 0彡χ < 1，摻雜元素為Si，摻雜濃度為IXlO1Vcm3 5X102°/cm3 ；所述第三半導(dǎo)體層為ρ 型氮化鎵層，所述P型氮化鎵層為P型摻雜LxGiVxN半導(dǎo)體層，其中0彡χ < 1，摻雜元素為Be和/或Mg，摻雜濃度為5 X IO1Vcm3 IXlO2Vcm30
9.根據(jù)權(quán)利要求1至3或8任一項(xiàng)所述的LED外延生長(zhǎng)方法，其特征在于所述過(guò)渡層的生長(zhǎng)溫度為500 600°C，生長(zhǎng)厚度為15 35nm ；所述第一半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)溫度為1000 1300°C，生長(zhǎng)厚度為1 5μπι ；所述第二半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)溫度為1000 1300°C， 生長(zhǎng)厚度為ι 5μπι ；所述第三半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)溫度為800 1000°C，生長(zhǎng)厚度為80 500nmo
10. 一種LED外延結(jié)構(gòu)，包括襯底及其表面上依次生長(zhǎng)的過(guò)渡層、第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層、量子阱層和第三半導(dǎo)體層，其特征在于所述量子阱層由交替生長(zhǎng)的量子壘和量子阱組成，并且所述量子壘和量子阱之間，量子壘的材料成分逐漸過(guò)渡到量子阱的材料成分，量子阱的材料成分逐漸過(guò)渡到量子壘的材料成分。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種LED外延生長(zhǎng)方法和LED外延結(jié)構(gòu)，所述方法包括在襯底表面上依次生長(zhǎng)過(guò)渡層、第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層、量子阱層和第三半導(dǎo)體層；其中，所述量子阱層的生長(zhǎng)過(guò)程為在第二半導(dǎo)體層上交替生長(zhǎng)量子壘和量子阱，并且在量子壘和量子阱的交替生長(zhǎng)過(guò)程中，量子壘的生長(zhǎng)條件和量子阱的生長(zhǎng)條件之間的轉(zhuǎn)變，采用逐漸過(guò)渡的方式。所述外延結(jié)構(gòu)中，量子壘的材料成分逐漸過(guò)渡到量子阱的材料成分，量子阱的材料成分逐漸過(guò)渡到量子壘的材料成分。本發(fā)明提供的LED外延生長(zhǎng)方法和外延結(jié)構(gòu)能降低量子阱層的缺陷密度，提高量子阱層的晶體質(zhì)量，提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。
文檔編號(hào)H01L33/04GK102208500SQ20111013186
公開日2011年10月5日 申請(qǐng)日期2011年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月20日
發(fā)明者艾常濤, 董志江, 靳彩霞 申請(qǐng)人:武漢迪源光電科技有限公司