一种GaN（绿光）量子阱结构的生长方法
【专利摘要】本发明提供一种GaN（绿光）量子阱结构的生长方法，其GaN量子阱结构自下而上依次为衬底、低温氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、阶段式量子阱层、P型氮化镓层和P型接触层，所述生长方法包括如下步骤：在高纯氮气的条件下，净化衬底，然后依次在净化后的衬底上生长高温氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、阶段式量子阱层、P型铝镓氮层和P型接触层，本发明在阱处对TMIn进行掺杂，分别在不同的压力、流量、转速、温度、Ⅴ/Ⅲ摩尔比的生长环境下，进行量子阱结构的生长，在最后的阱处发生复合发光，从而解决目前绿光GaN的量子阱复合不顺利的情况，为提高亮度提供了保障，亮度提升明显。
【专利说明】—种GaN (绿光)量子阱结构的生长方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体行业LED外延工艺制程【技术领域】，具体为一种GaN (绿光)量子阱结构的生长方法。
【背景技术】
[0002]LED是英文Light Emitting Diode (发光二极管)的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好，可以直接将电转换为光。当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压)，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
[0003]GaN是极稳定的化合物和坚硬的高熔点材料，也是直接跃迁的宽带隙半导体材料，不仅具有良好的物理和化学性质，而且具有电子饱和速率高、热导率好、禁带宽度大、介电常数小和强的抗辐照能力等特点，可用来制备稳定性好、寿命长、耐腐蚀和耐高温的大功率器件，目前广泛应用于光电子、蓝绿光LED、高温大功率器件和高频微波器件等光电器件。
[0004]目前LED外延生产的工艺制程，最后封装后的亮度较低，尤其是绿光GaN。电子与空穴在量子阱最后两个阱处复合发光，电子在能级跃迁一直存在问题，导致大量电子无法跃迁。不能与空穴复合，从而出现发光效率不高，目前大致水平为60%-70%。
【发明内容】
[0005]本发明所解决的技术问题在于提供一种GaN (绿光)量子阱结构的生长方法，以解决上述【背景技术】中的问题。
[0006]本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现:一种GaN (绿光)量子阱结构的生长方法，其GaN量子阱结构自下而上依次为衬底、低温氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、阶段式量子阱层、P型氮化镓层和P型接触层，所述生长方法包括如下步骤:在高纯氮气的条件下，净化衬底，然后依次在净化后的衬底上生长高温氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、阶段式量子阱层、P型铝镓氮层和P型接触层，其具体生长方法为:
[0007](I)将衬底材料在氢气气氛里进行清洁处理，温度为1100-1180°C，压力为500-800r/min ；
[0008](2)高温缓冲层生长:生长一层解决晶格适配过大的缓冲层，即清洁处理结束后，将温度调节为950-1000°C，在V /III摩尔比为500-2800的条件下外延生长厚度为
0.4-1.2um的高温不掺杂GaN，此生长过程中，生长压力为200_400Torr ；
[0009](3)N型层生长:生长一层掺杂浓度稳定的N型层，厚度为1.5-4.0um,生长温度为1040-1180°C，生长压力为 350-450Torr，V /III摩尔比为 550-3200 ；
[0010](4)浅量子阱SW生长:由6-8个周期的InxGal-XN(0.04<x<0.4) /GaN多量子阱组成，其中阱的厚度为2-5nm，生长温度为700_900°C，生长压力为150_600Torr，V /III摩尔比为350-43000，浅量子阱SW不会发光，主要为N-GaN电子提供电，容以及增加电流的分布，也成为N-GaN和MQW的缓冲层；
[0011](5)阶段式量子阱层MQW生长:由12-15个周期的InyGal_yN(x〈y〈l)/GaN多量子阱组成，A层阱的厚度为4-8nm，生长温度为840_920°C，生长压力为200-500Torr，TMIN流量为500-600sccm/min，V / III摩尔比为1000-4300 ;垒层厚度为4_15nm，生长温度为720-820°C，生长压力为100-500Torr，V / III摩尔比为600-4300，在B层阱的厚度为3_6nm，生长温度为 780-840°C，生长压力为 200-500Torr，TMIN 流量为 400-550sccm/min，V / III摩尔比为800-3600 ;垒层厚度为4-15nm，生长温度为800-920°C，生长压力为100-500Torr，
V/III摩尔比为600-4300 ;在C层阱的厚度为2_5nm，生长温度为800-880°C，生长压力为 200-500Torr, TMIN 流量为 300-400sccm/min V /III摩尔比为 600-3000，垒层厚度为4-15nm，生长温度为820_920°C，生长压力为100-500Torr，V /III摩尔比为600-4300 ;在D层阱的厚度为2-4nm，生长温度为860-920 °C，生长压力为200-500Torr，TMIN流量为100-300sccm/min V /III摩尔比为 400-2400，垒层厚度为 4_15nm，生长温度为 820-920°C，生长压力为100-500Torr，V /III摩尔比为600-4300 ；
[0012](6) P型层生长:生长温度为620-820°C，生长时间为5_35min，生长压力为100-500Torr, V /III摩尔比为300-5000，在生长P型层的过程中，以N2作为载气；
[0013](7) P型接触层生长:P型层生长结束后，生长厚度为16_35nm的p型AlGaN层，生长温度为950-1150°C，生长时间为9-12min，生长压力为150_500Torr，V /III摩尔比为1480-13800，Al 的组分为 15%-25% ；
[0014](8)外延生长结束后，将反应室的温度降至400-700°C，采用纯氮气氛围进行退火处理5-10min，随后降至室温，外延制程结束。
[0015]所述高温氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、阶段式量子阱层、P型铝镓氮层和P型接触层中以三甲基镓，三乙基镓、三甲基铝、三甲基铟和氨气分别作为Ga、Al、In和N源。
[0016]所述高温氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、阶段式量子阱层、P型铝镓氮层和P型接触层中以硅烷和二茂镁分别作为N、P型掺杂剂，量子阱结构中的SiH4、和In源。
[0017]与已公开技术相比，本发明存在以下优点:本发明在阱处对TMIn进行掺杂，分别在不同的压力、流量、转速、温度、V /III摩尔比的生长环境下，进行量子阱结构的生长。从而生长出阶梯式量子阱结构，最终保证了电子在浓度差的作用下，通过正向电压的激发，顺利跃迁。在最后的阱处发生复合发光，从而解决目前绿光GaN的量子阱复合不顺利的情况，为提闻売度提供了保障，売度提升明显。
【具体实施方式】
[0018]为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0019]实施例1
[0020]一种GaN (绿光)量子阱结构的生长方法，其GaN量子阱结构自下而上依次为衬底、低温氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、阶段式量子阱层、P型氮化镓层和P型接触层，其具体生长方法为:
[0021](I)将衬底材料在氢气气氛里进行清洁处理，温度为1100°C，压力为500r/min ；
[0022](2)高温缓冲层生长:生长一层解决晶格适配过大的缓冲层，即清洁处理结束后，将温度调节为950°C，在V / III摩尔比为500的条件下外延生长厚度为0.4um的高温不掺杂GaN，此生长过程中，生长压力为200Torr ；
[0023](3) N型层生长:生长一层掺杂浓度稳定的N型层，厚度为1.5um,生长温度为1040°C，生长压力为350Torr, V /III摩尔比为550 ；
[0024](4)浅量子阱SW生长:由6个周期的InxGal-XN(0.04〈x〈0.4)/GaN多量子阱组成，其中阱的厚度为2nm，生长温度为700°C，生长压力为150Torr，V / III摩尔比为350，浅量子阱SW不会发光，主要为N-GaN电子提供电，容以及增加电流的分布，也成为N-GaN和MQW的缓冲层；
[0025](5)阶段式量子阱层MQW生长:由12个周期的InyGal-yN(x〈y〈l)/GaN多量子阱组成，A层阱的厚度为4nm，生长温度为840°C，生长压力为200Torr，TMIN流量为500sccm/min, V /III摩尔比为1000 ;垒层厚度为4nm，生长温度为720 °C，生长压力为lOOTorr，
V/III摩尔比为600，在B层阱的厚度为3nm，生长温度为780°C，生长压力为200Torr，TMIN流量为400sccm/min，V /III摩尔比为800 ;垒层厚度为4nm，生长温度为800°C，生长压力为lOOTorr，V /III摩尔比为600 ;在C层阱的厚度为2nm，生长温度为800°C，生长压力为200Torr，TMIN流量为300sccm/min V / III摩尔比为600，垒层厚度为4nm，生长温度为820°C，生长压力为lOOTorr，V / III摩尔比为600 ;在D层阱的厚度为2nm，生长温度为860°C，生长压力为200Torr，TMIN流量为100sccm/min V / III摩尔比为400，垒层厚度为4nm，生长温度为820°C，生长压力为lOOTorr，V /III摩尔比为600 ；
[0026](6)P型层生长:生长温度为620°C，生长时间为5min，生长压力为lOOTorr，V / III摩尔比为300，在生长P型层的过程中，以N2作为载气；
[0027](7) P型接触层生长:P型层生长结束后，生长厚度为16nm的p型AlGaN层，生长温度为950°C，生长时间为9min，生长压力为150Torr，V /III摩尔比为1480，Al的组分为15%。
[0028](8)外延生长结束后，将反应室的温度降至400°C，采用纯氮气氛围进行退火处理5min,随后降至室温,外延制程结束。
[0029]本实施例中以三甲基镓，三乙基镓、三甲基铝、三甲基铟和氨气分别作为Ga、Al、In和N源；以硅烷和二茂镁分别作为N、P型掺杂剂，量子阱结构中的SiH4、和In源。
[0030]实施例2
[0031]一种GaN (绿光)量子阱结构的生长方法，其GaN量子阱结构自下而上依次为衬底、低温氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、阶段式量子阱层、P型氮化镓层和P型接触层，所述生长方法包括如下步骤:在高纯氮气的条件下，净化衬底，然后依次在净化后的衬底上生长高温氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、阶段式量子阱层、P型铝镓氮层和P型接触层，其具体生长方法为:
[0032](I)将衬底材料在氢气气氛里进行清洁处理，温度为1180°C，压力为800r/min ；
[0033](2)高温缓冲层生长:生长一层解决晶格适配过大的缓冲层，即清洁处理结束后，将温度调节为1000°c，在V /III摩尔比为2800的条件下外延生长厚度为1.2um的高温不掺杂GaN，此生长过程中，生长压力为400Torr ；
[0034](3) N型层生长:生长一层掺杂浓度稳定的N型层，厚度为4.0um,生长温度为1180°C，生长压力为450Torr, V /III摩尔比为3200 ；
[0035](4)浅量子阱SW生长:由8个周期的InxGal-XN(0.04<x<0.4)/GaN多量子阱组成，其中阱的厚度为5nm，生长温度为900°C，生长压力为600Torr，V /III摩尔比为43000，浅量子阱SW不会发光，主要为N-GaN电子提供电，容以及增加电流的分布，也成为N-GaN和MQW的缓冲层；
[0036](5)阶段式量子阱层MQW生长:由15个周期的InyGal-yN(x〈y〈l)/GaN多量子阱组成，A层阱的厚度为8nm，生长温度为840_920°C，生长压力为500Torr，TMIN流量为600sccm/min，V /III摩尔比为4300 ;垒层厚度为15nm，生长温度为820°C，生长压力为500Torr，V /III摩尔比为4300，在B层阱的厚度为6nm，生长温度为840°C，生长压力为500Torr，TMIN流量为550sccm/min，V /III摩尔比为3600 ;垒层厚度为15nm，生长温度为920°C，生长压力为500Torr，V /III摩尔比为4300 ;在C层阱的厚度为5nm，生长温度为880°C，生长压力为500Torr，TMIN流量为400sccm/min V /III摩尔比为3000，垒层厚度为15nm，生长温度为920°C，生长压力为500Torr，V /III摩尔比为4300 ;在D层阱的厚度为4nm，生长温度为920°C，生长压力为500Torr，TMIN流量为300sccm/min V /III摩尔比为2400，垒层厚度为15nm，生长温度为920°C，生长压力为500Torr，V /III摩尔比为4300 ；
[0037](6) P型层生长:生长温度为820°C，生长时间为35min，生长压力为500Torr，
V/ III摩尔比为5000，在生长P型层的过程中，以N2作为载气；
[0038](7) P型接触层生长:P型层生长结束后，生长厚度为35nm的p型AlGaN层，生长温度为1150°C，生长时间为12min，生长压力为500Torr，V /III摩尔比为13800，Al的组分为 25% ；
[0039](8)外延生长结束后，将反应室的温度降至700°C，采用纯氮气氛围进行退火处理IOmin,随后降至室温,外延制程结束。
[0040]本实施例中以三甲基镓，三乙基镓、三甲基铝、三甲基铟和氨气分别作为Ga、Al、In和N源；以硅烷和二茂镁分别作为N、P型掺杂剂，量子阱结构中的SiH4、和In源。
[0041]实施例3
[0042]一种GaN (绿光)量子阱结构的生长方法，其GaN量子阱结构自下而上依次为衬底、低温氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、阶段式量子阱层、P型氮化镓层和P型接触层，所述生长方法包括如下步骤:在高纯氮气的条件下，净化衬底，然后依次在净化后的衬底上生长高温氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、阶段式量子阱层、P型铝镓氮层和P型接触层，其具体生长方法为:
[0043](I)将衬底材料在氢气气氛里进行清洁处理，温度为1150°C，压力为500_800r/min ；
[0044](2)高温缓冲层生长:生长一层解决晶格适配过大的缓冲层，即清洁处理结束后，将温度调节为980°C，在V / III摩尔比为2000的条件下外延生长厚度为0.8um的高温不掺杂GaN，此生长过程中，生长压力为300Torr ；
[0045](3) N型层生长:生长一层掺杂浓度稳定的N型层，厚度为3.0um,生长温度为1060°C，生长压力为400Torr, V /III摩尔比为3000 ；[0046](4)浅量子阱SW生长:由6个周期的InxGal-XN(0.04〈x〈0.4)/GaN多量子阱组成，其中阱的厚度为4nm，生长温度为800°C，生长压力为400Torr，V / III摩尔比为600，浅量子阱SW不会发光，主要为N-GaN电子提供电，容以及增加电流的分布，也成为N-GaN和MQW的缓冲层；
[0047](5)阶段式量子阱层MQW生长:由15个周期的InyGal-yN(x〈y〈l)/GaN多量子阱组成，A层阱的厚度为6nm，生长温度为900°C，生长压力为400Torr，TMIN流量为550sccm/min, V /III摩尔比为3000 ;垒层厚度为5nm，生长温度为800 °C，生长压力为300Torr，
V/III摩尔比为800，在B层阱的厚度为5nm，生长温度为800°C，生长压力为300Torr，TMIN流量为500sccm/min，V /III摩尔比为900 ;垒层厚度为9nm，生长温度为900°C，生长压力为400Torr，V /III摩尔比为900 ;在C层阱的厚度为3nm，生长温度为850°C，生长压力为300Torr，TMIN流量为350sccm/min V /III摩尔比为800，垒层厚度为8nm，生长温度为850°C，生长压力为200Torr，V /III摩尔比为700 ;在D层阱的厚度为3nm，生长温度为900°C，生长压力为400Torr，TMIN流量为200sccm/min V / III摩尔比为600，垒层厚度为7nm，生长温度为900°C，生长压力为300Torr，V /III摩尔比为800 ；
[0048](6) P型层生长:生长温度为700 °C，生长时间为20min，生长压力为200Torr，
V/III摩尔比为700，在生长P型层的过程中，以N2作为载气；
[0049](7) P型接触层生长:P型层生长结束后，生长厚度为20nm的p型AlGaN层，生长温度为1000°c，生长时间为lOmin，生长压力为300Torr，V /III摩尔比为13000，Al的组分为 20%ο
[0050](8)外延生长结束后，将反应室的温度降至500°C，采用纯氮气氛围进行退火处理6min,随后降至室温,外延制程结束。
[0051]本实施例中以三甲基镓，三乙基镓、三甲基铝、三甲基铟和氨气分别作为Ga、Al、In和N源；以硅烷和二茂镁分别作为N、P型掺杂剂，量子阱结构中的SiH4、和In源。
[0052]本发明在阱处对TMIn进行掺杂，分别在不同的压力、流量、转速、温度、V/III摩尔比的生长环境下，进行量子阱结构的生长。从而生长出阶梯式量子阱结构，最终保证了电子在浓度差的作用下，通过正向电压的激发，顺利跃迁。在最后的阱处发生复合发光，从而解决目前绿光GaN的量子阱复合不顺利的情况，为提高亮度提供了保障，亮度提升明显。
[0053]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种GaN (绿光)量子阱结构的生长方法，其GaN量子阱结构自下而上依次为衬底、低温氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、阶段式量子阱层、P型氮化镓层和P型接触层， 其特征在于:所述生长方法包括如下步骤:在高纯氮气的条件下，净化衬底，然后依次在净化后的衬底上生长高温氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、阶段式量子阱层、P型铝镓氮层和P型接触层，其具体生长方法为: (1)将衬底材料在氢气气氛里进行清洁处理，温度为1100-1180°C，压力为500-800r/min ； (2)高温缓冲层生长:生长一层解决晶格适配过大的缓冲层，即清洁处理结束后，将温度调节为950-1000°C，在V / III摩尔比为500-2800的条件下外延生长厚度为0.4-1.2um的高温不掺杂GaN，此生长过程中，生长压力为200-400Torr ； (3)N型层生长:生长一层掺杂浓度稳定的N型层，厚度为1.5-4.0um,生长温度为1040-1180°C，生长压力为 350-450Torr，V /III摩尔比为 550-3200 ； (4)浅量子阱SW生长:由6-8个周期的InxGal-XN(0.04<x<0.4)/GaN多量子阱组成，其中阱的厚度为2-5nm，生长温度为700-900°C，生长压力为150_600Torr，V /III摩尔比为350-43000，浅量子阱SW不会发光，主要为N-GaN电子提供电，容以及增加电流的分布，也成为N-GaN和MQW的缓冲层； (5)阶段式量子阱层MQW生长:由12-15个周期的InyGal-yN(x〈y〈l)/GaN多量子阱组成，A层阱的厚度为4-8nm，生长温度为840_920°C，生长压力为200-500Torr，TMIN流量为500-600sccm/min，V / III摩尔比为1000-4300 ;垒层厚度为4_15nm，生长温度为720-820°C，生长压力为100-500Torr，V / III摩尔比为600-4300，在B层阱的厚度为3_6nm，生长温度为 780-840°C，生长压力为 200-500Torr，TMIN 流量为 400-550sccm/min，V / III摩尔比为800-3600 ;垒层厚 度为4-15nm，生长温度为800-920°C，生长压力为100-500Torr，V/III摩尔比为600-4300 ;在C层阱的厚度为2_5nm，生长温度为800-880°C，生长压力为 200-500Torr, TMIN 流量为 300-400sccm/min V / III摩尔比为 600-3000，垒层厚度为4-15nm，生长温度为820_920°C，生长压力为100-500Torr，V/III摩尔比为600-4300 ;在D层阱的厚度为2-4nm，生长温度为860-920 °C，生长压力为200-500Torr，TMIN流量为100-300sccm/min V /III摩尔比为 400-2400，垒层厚度为 4_15nm，生长温度为 820-920°C，生长压力为100-500Torr，V /III摩尔比为600-4300 ； (6)P型层生长:生长温度为620-820 V，生长时间为5_35min，生长压力为100-500Torr, V /III摩尔比为300-5000，在生长P型层的过程中，以N2作为载气； (7)P型接触层生长:P型层生长结束后，生长厚度为16-35nm的p型AlGaN层，生长温度为950-1150°C，生长时间为9-12min，生长压力为150_500Torr，V /III摩尔比为1480-13800，Al 的组分为 15%-25% ； (8)外延生长结束后，将反应室的温度降至400-700°C，采用纯氮气氛围进行退火处理5-10min,随后降至室温,外延制程结束。
2.根据权利要求1所述的一种GaN(绿光)量子阱结构的生长方法，其特征在于:所述高温氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、阶段式量子阱层、P型铝镓氮层和P型接触层中以三甲基镓，三乙基镓、三甲基铝、三甲基铟和氨气分别作为Ga、Al、In和N源。
3.根据权利要求1所述的一种GaN(绿光)量子阱结构的生长方法，其特征在于:所述高温氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、阶段式量子阱层、P型铝镓氮层和P型接触层中以硅烷和二茂镁分别作为N、P型掺杂剂，量子阱结构中的SiH4、和In源。
【文档编号】H01L33/06GK103811600SQ201410090733
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年3月12日 优先权日:2014年3月12日
【发明者】林长军 申请人:合肥彩虹蓝光科技有限公司