CN101299449A - 一种GaN基LED外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有p型接触层的GaN基LED外延片及其制备方法。所述外延片的结构从下至上依次为衬底、低温缓冲层、n型层、量子阱、p型层、p型接触层，所述p型接触层为量子阱层结构。本发明在现有外延片的结构基础上增加了p型接触层的结构，p型接触层采用了量子阱结构，由于阱层与垒层价带的能量不同，可有效提高该层的空穴浓度；同时，空穴在与量子阱平面垂直方向上的运动受到限制，更有利于空穴在量子阱平面方向作二维运动，在外加电压下，有利于空穴在p型层中的扩展，使电流分布更均匀，提高了LED的性能。本发明提供了所述外延片的制备方法，简单易行，成本较低，制备条件精确，可实现工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子器件技术领域，特别是涉及一种具有p型接触层的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。GaN基LED的制备要经过LED外延片生长，LED芯片制备和LED封装三个主要环节。其中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。
现有的GaN基LED外延片的结构通常如附图5所示，一般包括衬底、低温缓冲层、n型层、量子阱、p型层。其中，衬底材料可采用蓝宝石、SiC、Si、GaN等。低温缓冲层可采用低温GaN层、低温AlN层等。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、InxGa1-xN/InyGa1-yN结构等。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。专利号为200410073931.0的中国专利公开了一种具有低温成长低电阻值P型接触层的氮化镓系发光二极管，涉及一种利用镁和铝共同掺杂且可低温成长氮化铟镓(In1-yGayN)低电阻值的p型接触层(Contecting layer)的氮化镓系发光二极管结构。如上所述，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。但是，由于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p型层厚度不超过0.5μm，这样更难以得到高空穴浓度的p型层。这导致GaN基LED的正向电压较高，也使得LED性能难以进一步提高。
发明内容
本发明的一个目的是克服现有技术的不足，提供一种通过增加p型接触层而提高性能的GaN基LED外延片。
本发明的另一个目的是提供所述外延片的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案来予以实现：
提供一种具有p型接触层的GaN基LED外延片，所述外延片的结构从下至上依次为衬底、n型层、量子阱、p型层、p型接触层；所述p型接触层为量子阱层结构。在衬底和n型层之间还可以设置低温缓冲层。
所述p型接触层的量子阱层优选InGaN/GaN量子阱层。
所述p型接触层的量子阱中，垒层掺入p型掺杂剂、阱层掺入或不掺入p型掺杂剂，掺入的受主杂质可根据目前常规技术选用，优选Mg。
所述p型接触层的量子阱的周期优选为1～20，阱层和垒层的厚度优选1nm～5nm。
本发明还提供了所述外延片的另一优选技术方案，即在所述p型接触层上还生长有一层p型InGaN层，以获得更好的发明效果。
所述p型InGaN层厚度优选为1nm～10nm。
本发明外延片n型层优选n型GaN:si层。
所述p型层包括包括p型InGaN:Mg层、p型GaN:Mg层或p型AlGaN:Mg层。
本发明同时提供所述具有p型接触层的GaN基LED外延片的制备方法，采用MOCVD设备制备所述外延片，包括以下步骤：
(1)在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)在1000℃的温度下，在衬底上生长n型层；
(4)将温度降至680℃～780℃，生长量子阱；
(5)将温度升至950℃～1000℃，生长p型层；
(6)将温度降至730℃～810℃，生长p型接触层即制备得到所述外延片。
对于所述p型接触层上还生长有一层p型InGaN层的外延片，在上述制备方法所述步骤(5)后可在温度810℃在所述p型接触层上生长一层p型InGaN层制备得到所述外延片。
本发明的有益效果是：
(1)本发明针对现有技术的不足，通过结构上突破性的设计提供了一种高性能的GaN基LED外延片：
现有的GaN基LED外延片的结构一般包括衬底、n型层、量子阱、p型层。其中，一般采用GaN为p型层主体，由于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。这导致GaN基LED的正向电压较高，也使得LED性能难以进一步提高。
本发明创造了一种具有p型接触层的GaN基LED外延片，其结构从下至上依次为衬底、n型层、量子阱、p型层、p型接触层，该外延片最后生长了一p型接触层，所述p型接触层为量子阱层结构，优选InGaN/GaN量子阱层。这样的发明设计，一方面，由于增加了p型接触层，而且p型接触层采用量子阱结构，空穴在与量子阱平面垂直方向上的运动受到限制，更有利于空穴在量子阱平面方向作二维运动，在外加电压下，有利于空穴在p型层中的扩展，使电流分布更均匀；另一方面，p型接触层采用了量子阱结构，由于阱层与垒层价带的能量不同，可有效提高该层的空穴浓度。因此，在p型层生长完后，生长p型InGaN/GaN量子阱接触层，可明显降低LED的正向电压，提高LED的性能。
所述p型接触层在量子阱生长完后，还可以生长p型InGaN层，由于InGaN的禁带宽度小于GaN，受主杂质在InGaN中的电离能要小于GaN，因此，最后生长的p型InGaN的空穴浓度较高；同时，由于InGaN的功函数与金属Au或Ni更为接近，因此，最后生长的p型InGaN也可改善LED的p型金属电极与LED外延片的接触。
(2)本发明提供所述外延片的制备方法简单易行，成本较低，制备条件精确，可实现工业化生产。
附图说明
图1为实施例1的GaN基LED外延片结构示意图。
图2为实施例2的GaN基LED外延片结构示意图。
图3为实施例3的GaN基LED外延片结构示意图。
图4为实施例4的GaN基LED外延片结构示意图。
图5为现有技术GaN基LED外延片结构示意图。
具体实施方式
实施例1
具有p型接触层的GaN基LED外延片的结构如附图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层、InGaN/GaN量子阱、p型AlGaN和p型GaN层、p型InGaN:Mg/GaN:Mg量子阱层。
其制备方法为：
(1)采用MOCVD设备，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低温缓冲层；
升温至1050℃，生长厚度为1.0μm的未掺杂GaN层；
(3)在1000℃的温度下生长厚度为2.0μm的n型GaN:Si层；
(4)在720℃生长InGaN/GaN量子阱，量子阱周期数为5；
(5)将温度升至1000℃生长p型AlGaN:Mg层，厚度为20nm；
降温至950℃生长p型GaN:Mg层，厚度为0.2μm；
(6)降温至750℃生长p型InGaN:Mg/GaN:Mg量子阱，量子阱中的InGaN层和GaN层均掺入Mg，量子阱周期数为5，阱层和垒层的厚度均为1nm；
这种外延片的结构特点是在p型GaN生长完后，生长了5周期的InGaN:Mg/GaN:Mg量子阱，阱层和垒层的厚度均为1nm。采用此结构，可增大接触层的空穴浓度，并且在p型InGaN:Mg/GaN:Mg量子阱中产生空穴沿量子阱平面的二维运动，可降低LED的正向电压和使电流扩展更均匀。
实施例2
具有p型接触层的GaN基LED外延片的结构如附图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层、InGaN/GaN量子阱、p型AlGaN层、p型GaN、p型InGaN:Mg/GaN:Mg量子阱层、p型InGaN:Mg。
其制备方法为：
(1)采用MOCVD设备，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；
升温至1050℃，生长厚度为1.0μm的未掺杂GaN层；
(3)在1000℃的温度下生长厚度为2.0μm的n型GaN:Si层；
(4)在750℃生长InGaN/GaN量子阱，量子阱周期数为8；
(5)将温度升至1000℃生长p型AlGaN:Mg层，厚度为20nm；
降温至950℃生长p型GaN:Mg层，厚度为0.5μm；
(6)降温至780℃生长p型InGaN:Mg/GaN:Mg量子阱，量子阱中的InGaN层和GaN层均掺入Mg，量子阱周期数为1，阱层和垒层的厚度均为5nm；
在温度780℃生长p型InGaN:Mg层，厚度为10nm。
这种外延片的结构特点是在p型GaN生长完后，生长了1周期的InGaN:Mg/GaN:Mg量子阱，阱层和垒层的厚度均为5nm，并且还生长了10nm的p型InGaN:Mg层。采用此结构，可增大接触层的空穴浓度，降低LED的正向电压。
实施例3
具有p型接触层的GaN基LED外延片的结构如附图3所示，从下至上依次为衬底、低温缓冲层、未掺杂GaN层、n型GaN层、InGaN/GaN量子阱、p型AlGaN层、p型GaN、p型InGaN:Mg/GaN:Mg量子阱层、p型InGaN:Mg。
其制备方法为：
(1)采用MOCVD设备，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；
升温至1050℃，生长厚度为1.0μm的未掺杂GaN层；
(3)在1000℃的温度下生长厚度为2.0μm的n型GaN:Si层；
(4)在680℃生长InGaN/GaN量子阱，量子阱周期数为5；
(5)将温度升至1000℃生长p型AlGaN:Mg层，厚度为10nm；
降温至950℃生长p型GaN:Mg层，厚度为0.3μm；
(6)降温至730℃生长p型InGaN:Mg/GaN:Mg量子阱，量子阱中的InGaN层和GaN层均掺入Mg，量子阱周期数为10，阱层和垒层的厚度均为2nm；
在温度730℃生长p型InGaN:Mg层，厚度为1nm。
这种外延片的结构特点是在p型GaN生长完后，生长了10周期的InGaN:Mg/GaN:Mg量子阱，阱层和垒层的厚度均为2nm，并且还生长了1nm的p型InGaN:Mg层。此结构中采用了较多周期的InGaN:Mg/GaN:Mg量子阱，在增大接触层的空穴浓度同时，可明显促进空穴沿InGaN:Mg/GaN:Mg量子阱平面的二维运动，使电流扩展更均匀，提高LED发光效率。
实施例4
具有p型接触层的GaN基LED外延片的结构如附图4所示，从下至上依次为衬底、低温缓冲层、未掺杂GaN层、n型GaN层、InGaN/GaN量子阱、p型AlGaN层、p型GaN、p型InGaN/GaN:Mg量子阱层、p型InGaN:Mg。
其制备方法为：
(1)采用MOCVD设备，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；
升温至1050℃，生长厚度为1.0μm的未掺杂GaN层；
(3)在1000℃的温度下生长厚度为2.0μm的n型GaN:Si层；
(4)在780℃生长InGaN/GaN量子阱，量子阱周期数为10；
(5)将温度升至1000℃生长p型AlGaN:Mg层，厚度为10nm；
降温至950℃生长p型GaN:Mg层，厚度为0.3μm；
(6)降温至810℃生长p型InGaN/GaN:Mg量子阱，量子阱中的GaN层掺入Mg，量子阱中的InGaN层不掺杂，量子阱周期数为10，阱层和垒层的厚度均为2nm；
在温度810℃生长p型InGaN:Mg层，厚度为5nm。
这种结构特点是该外延片在p型GaN生长完后，在较高温度下生长了10周期的InGaN/GaN:Mg量子阱，阱层和垒层的厚度均为2nm。在较高的温度下生长，且量子阱中的InGaN层不掺杂，也可提高10周期的InGaN/GaN:Mg量子阱的晶体质量。由于对量子阱中的GaN进行了Mg掺杂，也能获得较高的空穴浓度的InGaN/GaN:Mg量子阱。同时还生长了5nm的p型InGaN:Mg层，也能有效改善金属电极与p型层的接触。采用此结构，可获得较低电压的LED，并可改善LED的抗静电能力。
Claims (10)
1、一种具有p型接触层的GaN基LED外延片，其特征在于所述外延片的结构从下至上依次为衬底、n型层、量子阱、p型层、p型接触层；所述p型接触层为量子阱层结构。
2、根据权利要求1所述具有p型接触层的GaN基LED外延片，其特征在于所述p型接触层的量子阱层为InGaN/GaN量子阱层。
3、根据权利要求2所述具有p型接触层的GaN基LED外延片，其特征在于所述p型接触层的量子阱中，垒层掺入p型掺杂剂、阱层掺入或不掺入p型掺杂剂。
4、根据权利要求3所述具有p型接触层的GaN基LED外延片，其特征在于所述p型接触层掺入的受主杂质为Mg。
5、根据权利要求1、2、3或4所述具有p型接触层的GaN基LED外延片，其特征在于所述p型接触层的量子阱的周期数为1～20，阱层和垒层的厚度为1nm～5nm。
6、根据权利要求1所述具有p型接触层的GaN基LED外延片，其特征在于所述p型接触层上还生长有一层p型InGaN层。
7、根据权利要求6所述具有p型接触层的GaN基LED外延片，其特征在于所述p型InGaN层厚度为1nm～10nm。
8、根据权利要求1所述具有p型接触层的GaN基LED外延片，其特征在于所述n型层为n型GaN:si层。
9、根据权利要求1所述具有p型接触层的GaN基LED外延片，其特征在于p型层包括p型InGaN:Mg层、p型GaN:Mg层或p型AlGaN:Mg层。
10、一种权利要求1或6所述具有p型接触层的GaN基LED外延片的制备方法，采用MOCVD设备制备所述外延片，其特征在于包括以下步骤：
(1)在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)在1000℃的温度下，在衬底上生长n型层；
(4)将温度降至680℃～780℃，生长量子阱；
(5)将温度升至950℃～1000℃，生长p型层；
(6)将温度降至730℃～810℃，生长p型接触层即制备得到所述外延片或者在温度730℃～810℃在所述p型接触层上生长一层p型InGaN层制备得到所述外延片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20081105 |