一种氮化镓基红光外延片结构及制备方法

摘要

本发明提供一种氮化镓基红光外延片结构及制备方法，包括蓝宝石衬底、缓冲层、N型层、有源区发光层和P型层，在蓝宝石衬底上依次覆盖有缓冲层、N型层、有源区发光层和P型层，其特征在于：所述有源区发光层包含若干对MQW阱层和垒层，且MQW阱层和垒层分别为InyGa1‑yN量子阱阱层和GaN垒层，其中，y的范围为0.1~0.3；本发明是以GaN基结构来生长红光外延片，其结构简单、原材料安全、工艺容易实现，安全可靠，有利于降低对人体的伤害和环境的污染。

权利要求

1.一种氮化镓基红光外延片结构的制备方法，其特征是，包括如下步骤：步骤一. 提供一蓝宝石衬底（1），在所述蓝宝石衬底（1）上依次生长缓冲层（2）、N型层（3）；

步骤二. 在N型层（3）上生长有源区发光层（4），具体过程为：在高比例60 100g/min氨~气源的氛围下，控制反应腔体的压力为100 300Torr 范围，先生长一层InyGa1-yN量子阱阱~层，在InyGa1-yN量子阱阱层上继续生长一层GaN垒层，如此交替生长5 10个循环；

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饱和蒸气压公式：lg p（Torr）= B—A /T（k），其中，A =3204，B =10  .98，T为铟源水浴温度，p为饱和蒸气压，在生长InyGa1-yN量子阱阱层过程中，通过改变铟源水浴温度，可以改变反应室铟源的饱和蒸气压，且通过提升反应室的饱和蒸气压可以增加铟源掺入量；

生长有源区发光层（4）过程中，Ⅴ/Ⅲ族元素掺入比例范围为2500～3500；

步骤三. 在有源区发光层（4）上生长P型层（5），完成外延层的生长。

2.根据权利要求1所述的一种氮化镓基红光外延片结构的制备方法，其特征在于，铟源水浴温度T为30℃～35℃，相应饱和蒸气压p的范围为：100 .41 100 .58Torr。

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说明书

一种氮化镓基红光外延片结构及制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种红光外延片结构及制备方法，尤其是一种以GaN基生长结构生长红光外延片及制备方法，属于半导体外延结构的技术领域。

背景技术

[0002] 20世纪90年代初，随着红、橙 、黄色AlGaInP高亮度LED的产业化，揭开了LED发展的新篇章。A1GaInP红光LED具有电流承受力强、发光效率高以及耐高温等优点，在照明、显示、指示灯中的应用具有不可替代的地位，广泛应用于汽车、电子等照明的各个领域。

[0003] 磷化镓红光外延片是目前制造红色LED发光二极管的核心基础材料，而普通红光LED的用量是目前所有LED中最大的一种，约占LED总产量的40～50%。近几年政府和相关研究机构高度重视LED外延生长和芯片制造技术的开发，投入了大量资金和人力加以研究，其发展速度和技术成熟度较高。然而，由于生长红光外延片的主要原材料包含As和P成份等剧毒物质，生长过程及后期维护中不可避免地对人体及环境产生一定的危害。

[0004] 目前，使用GaN基生长的外延片，虽然无毒无污染，但是现有工艺方法使用GaN基生长的外延片只能达到蓝绿光的波段，无法实现红光显示，因此，寻找无毒无污染或较小污染的生长红光LED的方法已成为迫切需要解决的技术难题。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术中的缺点，提供一种以GaN基结构生长红光外延片及制备方法，该红光外延片是以GaN基结构来生长红光外延片，其结构简单、原材料安全、工艺方便安全可靠，不仅降低了对人体的伤害和环境的污染，而且实现了红光显示。

[0006] 为实现以上技术目的，本发明采用的技术方案是：一种氮化镓基红光外延片结构，包括蓝宝石衬底、缓冲层、N型层、有源区发光层和P型层，在蓝宝石衬底上依次覆盖有缓冲层、N型层、有源区发光层和P型层，其特征在于：所述有源区发光层包含若干对MQW阱层和MQW垒层，且MQW阱层和MQW垒层分别为InyGa-yN量子阱阱层和GaN垒层，其中，y的范围为0.10.3。
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[0007] 、根据权利要求所述的一种氮化镓基红光外延片结构，其特征在于，有源区发光层中包含5~10对交替分布的InyGa1-yN/GaN。

[0008] 进一步地，在每对MQW阱层和MQW垒层中，InyGa1-yN量子阱阱层的厚度为2~7nm。

[0009] 进一步地，在每对MQW阱层和MQW垒层中，GaN垒层的厚度为6 18nm。~

[0010] 进一步地，在每对MQW阱层和MQW垒层中，GaN垒层中掺杂杂质为Si元素，且掺杂Si的浓度为5E+16～6E+17atoms/cm3。

[0011] 进一步地，根据公式λ=1240/Eg，其中，λ为波长，Eg为禁带宽度，当调整禁带宽度Eg在1.6 2.0eV范围时，有源区发光层4可发出红光，红光波长λ范围为620 760nm。~ ~

[0012] 为了进一步实现以上技术目的，本发明还提出一种氮化镓基红光外延片结构的制备方法，其特征是，包括如下步骤：

[0013] 步骤一. 提供一蓝宝石衬底，在所述蓝宝石衬底上依次生长缓冲层、N型层；

[0014] 步骤二. 在N型层上生长有源区发光层，具体过程为：在高比例60 100g/min氨气~源的氛围下，控制反应腔体的压力为100 300Torr范围，先生长一层InyGa1-yN量子阱阱层，~
在InyGa1-yN量子阱阱层上继续生长一层GaN垒层，如此交替生长5~10个循环；

[0015] 步骤三. 在有源区发光层上生长P型层，完成外延层的生长。

[0016] 进一步地，在步骤二中，lg p（Torr）= B—A/T（k），其中，A=3204，B=10.98，T为铟源水浴温度，p为饱和蒸气压，在生长InyGa-yN量子阱阱层过程中，通过改变铟源水浴温度，可以改变反应室铟源的饱和蒸气压，且通过提升反应室的饱和蒸气压可以增加铟源掺入量。

[0017] 进一步地，铟源水浴温度T为30℃～35℃，相应饱和蒸气压p的范围为：100.41~100.58Torr。

[0018] 进一步地，所述步骤二中，生长有源区发光层过程中，Ⅴ/Ⅲ族元素掺入比例范围为2500～3500。

[0019] 从以上描述可以看出，本发明的有益效果在于：

[0020] 1）与现有技术相比，本发明的红光外延片生长中使用无污染原材料InGaN和GaN，解决了现有的红光外延片存在的对人体及环境具有危害的难题；

[0021] 2）本发明工艺方法解决了使用GaN基结构制作的外延片无法达到红光波段的难题，为实现安全的LED红光显示提供了可靠的依据；

[0022] 3）本发明红光外延片结构简单、原材料安全、工艺容易实现，安全可靠，有效降低了对人和环境的污染。

附图说明

[0023] 图1为本发明的剖视结构示意图。

[0024] 附图说明：1-蓝宝石衬底、2-缓冲层、3- N型层、4-有源区发光层、41-MQW阱层、42-垒层、5- P型层。

具体实施方式

[0025] 下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0026] 根据图1所示，实施例中一种氮化镓基红光外延片结构，包括蓝宝石衬底1、缓冲层2、N型层3、有源区发光层4和P型层5，在蓝宝石衬底1上依次覆盖有缓冲层2、N型层3、有源区发光层4和P型层5，其特征在于：所述有源区发光层4包含若干对MQW阱层41和MQW垒层42，且MQW阱层41和MQW垒层42分别为InyGa1-yN量子阱阱层和GaN垒层，其中，y的范围为0.1~0.3。

[0027] 本实施例中有源区发光层4中包含5对交替分布的InyGa1-yN/GaN，在每对MQW阱层41和MQW垒层42中，InyGa-yN量子阱阱层的厚度为2 7nm，GaN垒层的厚度为6 18nm，且GaN垒~ ~
层中掺杂杂质为Si元素，且掺杂Si的浓度为5E+16～6E+17atoms/cm3。

[0028] 根据公式λ=1240/Eg，其中，λ为波长，Eg为禁带宽度，当调整禁带宽度Eg在1.6~2.0eV范围时，有源区发光层4可发出红光，红光波长λ范围为620 760nm。
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[0029] 以上实施例中一种氮化镓基红光外延片结构的制备方法，其特征是，包括如下步骤：

[0030] 步骤一. 提供一蓝宝石衬底1，在所述蓝宝石衬底1上依次生长缓冲层2、N型层3；

[0031] 步骤二. 在N型层3上生长有源区发光层4，具体过程为：在高比例60 100g/min氨~气源的氛围下，控制反应腔体的压力为100~300Torr范围，先生长一层InyGa1-yN量子阱阱层，在InyGa1-yN量子阱阱层上继续生长一层GaN垒层，如此交替生长5 10个循环；
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[0032] 根据饱和蒸气压公式lg p（Torr）= B—A/T（k），其中，A=3204，B=10.98，T为铟源水浴温度，p为饱和蒸气压，在生长InyGa1-yN量子阱阱层过程中，通过改变铟源水浴温度，可以改变反应室铟源的饱和蒸气压，且通过提升反应室的饱和蒸气压可以增加铟源掺入量，铟源水浴温度T为30℃～35℃，相应饱和蒸气压p的范围为：100.41 100.58Torr。~

[0033] 所述步骤二中，生长有源区发光层4过程中，Ⅴ/Ⅲ族元素掺入比例范围为2500～3500。

[0034] 步骤三. 在有源区发光层4上生长P型层5，完成外延层的生长。

[0035] 以上对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。