CN100440553C - GaN基LED外延片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体光电子器件领域，特别是GaN基LED外延片及其制备方法。该GaN基LED外延片的结构从下至上依次为衬底、n型层、量子阱、低温缓冲层及p型层，其特点是p型层为空穴浓度为2×10¹⁸～6×10¹⁸cm^-3的掺受主的GaP层。p型层空穴浓度增大，可降低p型层电阻，外加电压下能增加空穴的注入，并使电流扩整更均匀，大大提高LED性能，提高照明效率。

Description

GaN基LED外延片及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件领域，特别是GaN基LED外延片及其制备方法。

背景技术

GaN基高亮度发光二极管(LED)是目前全球光电子领域研究和产业的前沿和热点。LED外延片制备是LED的核心技术，它对LED的性能水平起主要作用。

GaN基LED制备要经过LED外延片生长，LED芯片制备和LED封装三个主要环节。GaN材料生长方法很多。有金属有机化学气相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)、卤化物气相外延(HVPE)等。其中，MOCVD是目前唯一能制备GaN基高亮度LED外延片并用于规模化生产的生长技术。现有的GaN基LED外延片均采用GaN为p型层主体，有时会在p型GaN生长前生长很薄的AlGaN层，以增大对载流子的束缚。目前GaN基LED和激光器(LD)均采用这种结构。对于GaN基LED，某种意义上说，在p型层取得突破是LED质量再上一个台阶的关键。p型GaN存在的问题主要表现在：

1、GaN禁带宽度高达3.4eV，受主杂质电离能高，获得高空穴浓度的p型层十分困难。p型GaN的空穴浓度一般不超过1×10¹⁸cm^-3，在此浓度下，空穴迁移率一般小于10cm²/V·s。而且，为了减小p型层电阻，LED外延片中p型层厚度不超过0.3μm，这样更难以得到高空穴浓度的p型层。GaN基LED外延片中的p型层空穴浓度在5×10¹⁷cm^-3左右，甚至更低。而外延片中

n型GaN层的自由电子浓度约5×10¹⁸cm^-3，迁移率一般高于100cm²/V·s。如何获得高空穴浓度p型层，从而增大量子阱中电子和空穴的复合，对于GaN基LED显得尤为重要，这也是GaN材料生长中十分重要和困难的问题，是提高GaN基LED性能的关键。

2、由于GaN基LED外延片的p型GaN层空穴浓度小，且p型层厚度要小于0.3μm，使得电流很难扩展。基于这点原因，一般把p型电极做成大面积的电流扩展层。由于GaN基LED外延片厚度一般小于4μm，绝大部分发光是从p型层透出。而p型电极不可避免对光有吸收作用，导致LED芯片外量子效率不高，大大降低了LED的流明效率。目前成熟的p型氧化Ni/Au电极从紫光到绿光波段的透射率在70％左右。采用ITO层作为电流扩展层的透射率较高，但导致LED电压要高一些，寿命也受到影响。

3、由于GaN基LED外延片中的p型GaN层厚度小。同时，为了使更多的光从p型层透出，p型氧化Ni/Au电极不可能做得很厚，一般在60

/60

左右。在外加电压下，电子和空穴的扩散效果还是不理想，大量空穴在金属焊盘之下穿过，大量电子和空穴在焊盘之下复合。而金属焊盘之下的发光很大部分不能透射出来，导致LED流明效率不高。同时，由于电流扩散不均匀，一些区域电流密度很大，影响LED寿命。

4、由于p型GaN的空穴浓度低，p型层和pn结交界面附近的电阻很大，在LED工作时会产生大量热量，导致LED结温升高，缩短LED的使用寿命。尽管GaN基LED的理论寿命可达到10万小时以上，但目前寿命在1～2万小时左右，甚至更短。获得高空穴浓度的p型层也是获得长寿命LED的关键一环。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有新型结构的GaN基LED外延片及其制备方法，该GaN基LED外延片以一高空穴浓度的GaP层替换p型GaN层，克服了p型GaN空穴浓度低和p型层薄等因素导致外加电压下空穴注入少，电流扩散不均匀，严重影响LED的发光效率和寿命的缺点。

本发明的有益效果是通过下述方案实现的：

该GaN基LED外延片的结构从下至上依次为衬底、n型层、量子阱、低温缓冲层及p型层，其特点是p型层为空穴浓度为2×10¹⁸～6×10¹⁸cm^-3的掺受主的GaP层。p型层空穴浓度增大，可降低p型层电阻，外加电压下能增加空穴的注入，并使电流扩整更均匀，大大提高LED性能。

上述p型GaP层的受主为Mg或Zn，厚度为0.2μm～10.0μm。

上述p型层与量子阱之间生长的缓冲层可以是GaP缓冲层，或者AlP缓冲层，或者是GaN/GaP复合缓冲层，或者是AlP/GaP复合缓冲层。缓冲层的作用是减小GaN与GaP之间晶格失配的影响，从而获得高质量GaP层。

上述n型层为n型GaN，或n型GaN和AlGaN，掺有施主Si。

该GaN基LED外延片的制备方法，是通过MOCVD技术实现的，包括下列步骤：

1)采用AlGaInN系材料生长专用MOCVD，升温至1000～1100℃烘烤衬底5～10分钟。

2)在1000℃～1100℃的温度下生长厚度为1.0μm～3.0μm的n型GaN层。

3)将温度降至600℃～800℃，生长量子阱结构，周期数为1～10。

4)将外延片取出，并放入AlGaInP系材料生长专用MOCVD生长室。

5)在氢气氛围下，在500℃～800℃的温度下处理生长了n型层和量子阱结构的衬底2～10分钟，然后在300℃～500℃生长一温缓冲层，缓冲层的厚度为20nm～50nm。

6)在500℃～700℃的温度下生长厚度为0.2μm～10.0μm的空穴浓度为2×10¹⁸cm^-3～6×10¹⁸cm^-3的p型GaP层。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、p型层空穴浓度增大，增大量子阱中电子和空穴的复合，大大提高流明效率。2、p型层空穴浓度增大，大大降低p型层电阻，可适当增加p型层厚度，使电流扩散均匀，且不需制作对光有吸收作用的大面积的电流扩展层，同时可减少金属焊盘下的发光。增大LED外量子效率，提高流明效率。3、由于电流扩散均匀性好，改善微区电流密度大的情况，延长LED寿命。4、减少LED芯片p型层和pn结交界面电阻，降低LED结温，延长LED寿命。5、采用p型GaP层，可用成熟的红光LED芯片中的p型欧姆接触电极的制备方法替代目前p型GaN欧姆电极的制备方法。同时，规避许多现有GaN基LED芯片制作专利。

附图说明

图1为实施例1、例3、例5的GaP为p型层的GaN基LED外延片结构示意图。

图2为实施例2和例6的GaP为p型层的GaN基LED外延片结构示意图。

图3为实施例4的GaP为p型层的GaN基LED外延片结构示意图。

图4为现有GaN基LED外延片结构示意图。

具体实施方式

现有GaN基LED外延片结构示意图见图4。其中，衬底材料可采用蓝宝石、SiC、Si、GaN等等。低温缓冲层可采用低温GaN层、低温AlN层等等。在采用GaN为衬底时可以不生长低温缓冲层和未掺杂GaN层。量子阱可采用单量子阱，也可采用多量子阱，量子阱结构有InGaN/GaN结构、InGaN/AlGaN结构、In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN结构等等。外延片结构中可以不生长n型AlGaN层或p型AlGaN层，或n型AlGaN层和p型AlGaN层均不生长。

实施例1

该新型的GaN基LED外延片的结构如图1所示，从下至上依次为衬底、低温缓冲层、未掺杂GaN层、n型GaN:Si层、n型AlGaN:Si层、量子阱、缓冲层、p型GaP:Mg层。

其制备方法为：

1)采用GaN专用MOCVD，升温至1000℃在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；

2)降温至480℃，在衬底上生长厚度为30nm的GaN低温度缓冲层；

3)升温至1050℃，生长厚度为2.0μm的未掺杂GaN层；

4)在1050℃的温度下生长厚度为2.0μm的n型GaN:Si层；

5)在1050℃的温度下生长厚度为0.1μm的n型Al_0.1Ga_0.9N:Si层；

6)将温度降至700℃生长In_xGa_yN/GaN多量子阱结构，InGaN阱层的厚度为3nm，GaN垒层的厚度为8nm；InGaN阱层的In组分为0.1～0.3；量子阱周期数为10；

7)将外延片取出，并放入AlGaInP系材料生长专用MOCVD生长室；

8)在氢气氛围下，以650℃的温度处理外延片5分钟，然后在500℃生长厚度20nm的GaP缓冲层；

9)升高反应室温度至600℃，在氢气氛围下，热处理缓冲层5分钟，使缓冲层重结晶；

10)在600℃的温度下生长厚度5.0μm的空穴浓度为6×10¹⁸cm^-3的GaP:Mg层。

这种结构能增大外加电压下空穴的注入，并使电流扩整更均匀，提高LED性能。本制备方法适合于制造蓝光LED外延片。采用这种新型结构，470nm蓝光LED的光功率由3毫瓦增加至5毫瓦以上。

实施例2

该新型的GaN基LED外延片的结构如图2所示，从下至上依次为衬底、低温缓冲层、未掺杂GaN层、n型GaN:Si层、量子阱、缓冲层、p型GaP:Mg层。

其制备方法为：

1)采用GaN专用MOCVD，升温至1050℃在氢气氛围下烘烤衬底8分钟；

2)降温至510℃，在衬底上生长厚度为25nm的GaN低温度缓冲层；

3)升温至1000℃，生长厚度为2.5μm的未掺杂GaN层；

4)在1000℃的温度下生长厚度为1.0μm的n型GaN:Si层；

5)将温度降至600℃，生长InGaN/GaN多量子阱结构，InGaN阱层的厚度为4nm，GaN垒层的厚度为6nm；InGaN阱层的In组分为0.25～0.5；量子阱周期数为5；

6)将外延片取出，并放入AlGaInP系材料生长专用MOCVD生长室；

7)在氢气氛围下，以500℃的温度处理外延片10钟，然后在400℃生长厚度35nm的GaP缓冲层；

8)升高反应室温度至650℃，在氢气氛围下，热处理缓冲层10分钟，使缓冲层重结晶；

9)在500℃的温度下生长厚度0.2μm的空穴浓度为4×10¹⁸cm^-3的GaP:Mg层。

这种结构能增大外加电压下空穴的注入，并减小LED的正向电压。本制备方法适合于制造绿光LED外延片。采用这种新型结构，520nm绿光LED的光功率由1.2毫瓦增加至1.8毫瓦以上。

实施例3

该新型的GaN基LED外延片的结构如图1所示，从下至上依次为衬底、低温缓冲层、未掺杂GaN层、n型GaN:Si层、n型AlGaN:Si层、量子阱、缓冲层、p型GaP:Zn层。

其制备方法为：

1)采用GaN专用MOCVD，升温至1100℃在氢气氛围下烘烤衬底5分钟；

2)降温至550℃，在衬底上生长厚度为20nm的GaN低温度缓冲层；

3)升温至1100℃，生长厚度为1.5μm的未掺杂GaN层；

4)在1100℃的温度下生长厚度为3.0μm的n型GaN:Si层；

5)在1100℃的温度下生长厚度为0.05μm的n型Al_0.2Ga_0.8N:Si层；

6)将温度降至800℃，生长InGaN/GaN多量子阱结构，InGaN阱层的厚度为3nm，GaN垒层的厚度为10nm；InGaN阱层的In组分为0.05～0.2；量子阱周期数为1；

7)将外延片取出，并放入AlGaInP系材料生长专用MOCVD生长室；

8)在氢气氛围下，以800℃的温度处理外延片2分钟，然后在300℃生长厚度50nm的GaP缓冲层；

9)升高反应室温度至700℃，在氢气氛围下，热处理缓冲层3分钟，使缓冲层重结晶；

10)在700℃的温度下生长厚度10.0μm的空穴浓度为2×10¹⁸cm^-3的GaP:Zn层。

本结构增加了p型GaP层的厚度，进一步改善电流扩整均匀性，提高了LED外延片质量。但这种结构的LED外延片制造成本增加。本结构适合于制造蓝光LED外延片。采用这种新型结构，450nm蓝光LED的光功率由3.0毫瓦增加至5.0毫瓦以上。

实施例4

该新型的GaN基LED外延片的结构如图3所示，从下至上依次为衬底、n型GaN:Si层、n型AlGaN:Si层、量子阱、缓冲层、p型GaP:Mg层。

其制备方法为：

1)采用GaN专用MOCVD，升温至1100℃在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；

2)在1100℃的温度下生长厚度为2.0μm的n型GaN:Si层；

3)在1100℃的温度下生长厚度为0.05μm的n型Al_0.05Ga_0.95N:Si层；

4)将温度降至720℃，生长InGaN/GaN多量子阱结构，InGaN阱层的厚度为3nm，GaN垒层的厚度为8nm，量子阱周期数为5；

5)将外延片取出，并放入AlGaInP系材料生长专用MOCVD生长室；

6)在氢气氛围下，以700℃的温度处理外延片5分钟，然后在500℃生长厚度50nm的AlP缓冲层；

7)升高反应室温度至650℃，在氢气氛围下，热处理缓冲层10分钟，使缓冲层重结晶；

8)在650℃的温度下生长厚度5.0μm的空穴浓度为6×10¹⁸cm^-3的GaP:Mg层。

本结构采用与GaN晶格常数匹配的衬底材料，在这种衬底上可不生长低温缓冲层和未掺杂GaN层，并调整了一些生长参数，进一步提高了LED外延片质量。本结构适合于制造蓝光和绿光LED外延片。采用这种新型结构，460nm蓝光LED的光功率由3.0毫瓦增加至5.5毫瓦以上，520nm绿光LED的光功率由1.2毫瓦增加至2.2毫瓦以上。

实施例5

该新型的GaN基LED外延片的结构如图1所示，从下至上依次为衬底、低温缓冲层、未掺杂GaN层、n型GaN:Si层、n型AlGaN:Si层、量子阱、缓冲层、p型GaP:Mg层。

其制备方法为：

1)采用GaN专用MOCVD，升温至1000℃在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；

2)降温至480℃，在衬底上生长厚度为30nm的GaN低温度缓冲层；

3)升温至1050℃，生长厚度为2.0μm的未掺杂GaN层；

4)在1050℃的温度下生长厚度为2.0μm的n型GaN:Si层；

5)在1050℃的温度下生长厚度为0.1μm的n型Al_0.1Ga_0.9N:Si层；

6)将温度降至700℃生长In_xGa_yN/GaN多量子阱结构，InGaN阱层的厚度为3nm，GaN垒层的厚度为8nm；InGaN阱层的In组分为0.1～0.3；量子阱周期数为10；

7)将温度降至480℃，生长GaN缓冲层，缓冲层厚度为20nm

8)延片取出，并放入AlGaInP系材料生长专用MOCVD生长室；

9)在氢气氛围下，以700℃的温度处理外延片5分钟，然后在350℃生长厚度20nm的GaP缓冲层；

10)升高反应室温度至600℃，在氢气氛围下，热处理缓冲层5分钟，使缓冲层重结晶；

11)在600℃的温度下生长厚度5.0μm的空穴浓度为6×10¹⁸cm^-3的GaP:Mg层。

这种结构采用了GaN/GaP复合缓冲层，进一步减小了GaN与GaP之间晶格失配的影响，从而获得高质量p型GaP层。能使GaP层的(111)面双晶衍射半高宽小于400弧秒。有利于延长LED寿命。

实施例6

该新型的GaN基LED外延片的结构如图2示，从下至上依次为衬底、低温缓冲层、未掺杂GaN层、n型GaN:Si层、量子阱、缓冲层、p型GaP:Mg层。

其制备方法为：

1)采用GaN专用MOCVD，升温至1000℃在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；

2)降温至480℃，在衬底上生长厚度为30nm的GaN低温度缓冲层；

3)升温至1050℃，生长厚度为2.0μm的未掺杂GaN层；

4)在1050℃的温度下生长厚度为2.0μm的n型GaN:Si层；

5)将温度降至700℃生长In_xGa_yN/GaN多量子阱结构，InGaN阱层的厚度为3nm，GaN垒层的厚度为8nm；InGaN阱层的In组分为0.1～0.3；量子阱周期数为10；

6)延片取出，并放入AlGaInP系材料生长专用MOCVD生长室；

7)在氢气氛围下，以700℃的温度处理外延片5分钟；

8)将温度降至450℃，生长AlP缓冲层，缓冲层厚度为20nm；

9)降温至300℃生长厚度20nm的GaP缓冲层；

10)升高反应室温度至650℃，在氢气氛围下，热处理缓冲层5分钟，使缓冲层重结晶；

11)在650℃的温度下生长厚度4.0μm的空穴浓度为6×10¹⁸cm^-3的GaP:Mg层。

这种结构采用了AlP/GaP复合缓冲层，进一步减小了GaN与GaP之间晶格失配的影响，从而获得高质量p型GaP层。能使GaP层的(111)面双晶衍射半高宽小于400弧秒。有利于延长LED寿命。

Claims (7)

1、一种GaN基LED外延片，其结构从下至上依次为衬底、n型层、量子阱、缓冲层及p型层，其特征在于所述p型层为空穴浓度为2×10¹⁸～6×10¹⁸cm^-3的掺受主的GaP层。

2、根据权利要求1所述的GaN基LED外延片，其特征在于所述p型GaP层的受主为Mg或Zn。

3、根据权利要求1或2所述的GaN基LED外延片，其特征在于所述p型GaP层的厚度为0.2μm～10.0μm。

4、根据权利要求1所述的GaN基LED外延片，其特征在于所述缓冲层是GaP缓冲层，或者是AlP缓冲层，或者是生长GaN/GaP复合缓冲层，或者是AlP/GaP复合缓冲层。

5、根据权利要求1所述的GaN基LED外延片，其特征在于所述n型层为n型GaN，或n型GaN和AlGaN。

6、根据权利要求5所述的GaN基LED外延片，其特征在于所述n型GaN，或n型GaN和AlGaN掺有施主Si。

7、一种如权利要求1所述的GaN基LED外延片的制备方法，是通过MOCVD技术实现的，其特征在于包括下列步骤：

1)采用AlGaInN系材料生长专用MOCVD，在衬底上依次生长n型层、量子阱结构；

2)将外延片取出，并放入AlGaInP系材料生长专用MOCVD生长室；

3)在500℃～800℃的温度处理步骤(1)中生长了n型层和量子阱结构的衬底2～10分钟，然后生长一缓冲层；

4)在500℃～700℃的温度下生长厚度为0.2μm～10.0μm的空穴浓度为2×10¹⁸cm^-3～6×10¹⁸cm^-3的p型GaP层。

Images