CN103165777B - 具有梯形结构的n型插入层的led外延片及其生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有梯形结构的N型插入层的LED外延片及其生长方法。所述外延片的结构自下而上依次为衬底、低温GaN缓冲层、GaN非掺杂层、第一N型GaN层、N型AlGaN插入层、第二N型GaN层、多量子阱层、低温P型GaN层、P型AlGaN层、高温P型GaN层和P型接触层；所述N型AlGaN插入层为梯形结构。具体为，在第一N型GaN层上生长由N型AlGaN层a、b和c组成的N型AlGaN插入层，所述N型AlGaN层a、b、c中Ga的摩尔组分含量保持不变，Al的摩尔组分含量依次为逐渐升高、保持不变、逐渐降低。本发明通过在N型GaN层中插入梯形结构的N型AlGaN层，一方面有效降低量子阱区域的位错密度，另一方面减少因N型AlGaN层的引入而对电子纵向迁移的影响，从而提高氮化镓基LED的发光效率。

Description

具有梯形结构的N型插入层的LED外延片及其生长方法

技术领域

本发明属于Ⅲ族氮化物材料制备技术领域，特别涉及一种具有梯形结构的N型插入层的LED外延片及其生长方法。

背景技术

发光二极管（LED，LightEmittingDiode）是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。以氮化镓为代表的Ⅲ族氮化物是直接带隙的宽禁带半导体材料，具有电子飘移饱和速度高，热导率好、强化学键、耐高温以及抗腐蚀等优良性能。其三元合金铟镓氮（InGaN）带隙从0.7eV氮化铟（InN）到3.4eV氮化镓（GaN）连续可调，发光波长覆盖了可见光和近紫外光的整个区域。以InGaN/GaN多量子阱为有源层的发光二极管具有高效、环保、节能、寿命长等显著特点，被认为是最有潜力进入普通照明领域的一种新型固态冷光源。

用于氮化镓基LED外延生长的商品化衬底主要有两种，即蓝宝石（Al₂O₃）衬底和碳化硅（SiC）衬底，因为SiC的价格昂贵，故全球80%的LED企业采用Al₂O₃衬底。然而Al₂O₃与GaN的晶格失配大并且热膨胀系数差异也较大，因此在外延生长过程中，往往引入了大量的晶格缺陷，如常见的线性位错、V型位错等。这些位错往往会沿着晶格通过多量子阱区域延伸到外延片的表面，形成穿透位错。实验证明大量V型位错的存在造成氮化镓基LED的漏电和抗静电等电性参数较差，限制了其进一步进入高端应用市场。研究发现，在N型GaN层中插入N型AlGaN层可以显著减少外延片中位错。此外，N型AlGaN层还具有增强电子在N型GaN层中横向运动的作用，从而有助于载流子注入效率的提高，因此这种外延结构已被广泛使用。

目前N型GaN层与N型AlGaN插入层之间Al组分是突变结构，即切换到生长N型AlGaN时，直接通入定量的Al组分且保持不变。虽然N型AlGaN层与N型GaN层异质界面上由大的极化差会诱导产生高浓度的二维电子气，促进电子的横向运动，但是二维电子气对载流子的纵向限制作用也增强，使得电子聚集于异质界面处，从而导致迁移至量子阱区域的电子数量减少，所以说二维电子气结构是一把双刃剑。因此，N型AlGaN插入层结构的设计对氮化镓基LED的内量子效率和发光效率有很重要的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种具有梯形结构的N型插入层的LED外延片及其生长方法。本发明通过在N型GaN层中插入梯形结构的N型AlGaN层，一方面有效降低量子阱区域的位错密度，另一方面减少因N型AlGaN层的引入而对电子纵向迁移的影响，从而提高氮化镓基LED的发光效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

1、一种具有梯形结构的N型插入层的LED外延片，其特征在于，所述外延片的结构自下而上依次为衬底、低温GaN缓冲层、GaN非掺杂层、第一N型GaN层、N型AlGaN插入层、第二N型GaN层、多量子阱层、低温P型GaN层、P型AlGaN层、高温P型GaN层和P型接触层；所述N型AlGaN插入层为梯形结构。

2、一种根据权利要求1所述的具有梯形结构的N型插入层的LED外延片的生长方法，其特征在于，在第一N型GaN层生长结束后，生长由N型AlGaN层a、b和c组成的N型AlGaN插入层，具体包括如下步骤：

A、在所述第一N型GaN层上生长Al的摩尔组分含量逐渐升高的N型AlGaN层a；

B、所述N型AlGaN层a生长结束后，保持Al的摩尔组分含量不变，生长N型AlGaN层b；

C、所述N型AlGaN层b生长结束后，生长Al的摩尔组分含量逐渐降低的N型AlGaN层c；

所述N型AlGaN层a、b和c中Ga的摩尔组分含量保持不变，Al的最高摩尔组分含量为5%～30%。

3、根据权利要求2所述的具有梯形结构的N型插入层的LED外延片的生长方法，其特征在于，所述N型AlGaN插入层的生长温度在900～1100℃，生长时间为5～15min，压力为50～500Torr，Ⅴ/Ⅲ比为10～1000。

4、根据权利要求2所述的具有梯形结构的N型插入层的LED外延片的生长方法，其特征在于，所述多量子阱层由In_xGa_1-xN(0<x<1)势阱层和GaN势垒层依次生长而成，所述In_xGa_1-xN势阱层的生长温度为720～820℃、压力为100～500Torr、Ⅴ/Ⅲ比为300～5000、厚度为2～5nm，所述GaN势垒层的生长温度为820～920℃、压力为100～500Torr、Ⅴ/Ⅲ比为300～5000、厚度为8～15nm。

5、根据权利要求2所述的具有梯形结构的N型插入层的LED外延片的生长方法，其特征在于，所述低温GaN缓冲层生长厚度为20～30nm，所述GaN非掺杂层生长厚度为0.5～2μm，所述第一N型GaN层生长厚度为1.2～4.2μm，所述第二N型GaN层6生长厚度为1.2～4.2μm，所述低温P型GaN层生长厚度为10～100nm，所述P型AlGaN层生长厚度为10～200nm，所述高温P型GaN层生长厚度为100～800nm，所述P型接触层生长厚度为5～20nm。

6、根据权利要求2所述的具有梯形结构的N型插入层的LED外延片的生长方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、GaN或碳化硅单晶。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：通过在N型GaN层中插入梯形结构的N型AlGaN层，一方面，N型AlGaN层可以降低量子阱区域的位错密度，提高晶体质量；另一方面，N型AlGaN插入层的梯形结构设计，在促进电子横向运动的同时，避免了对电子纵向迁移的限制，从而提高了载流子的注入效率，进而提高氮化镓基LED的发光效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的LED外延片的结构示意图；

图2为N型AlGaN插入层生长示意图；

其中，1为衬底、2为低温GaN缓冲层、3为GaN非掺杂层、4为第一N型GaN层、5为N型AlGaN插入层、6为第二N型GaN层、7为多量子阱层、8为低温P型GaN层、9为P型AlGaN层、10为高温P型GaN层、11为P型接触层。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示的LED外延片结构，从下向上的顺序依次包括：衬底1、低温GaN缓冲层2、GaN非掺杂层3、第一N型GaN层4、N型AlGaN插入层5、第二N型GaN层6、多量子阱层7、低温P型GaN层8、P型AlGaN层9、高温P型GaN层10、P型接触层11。

本实施例以高纯氢气（H2）或氮气（N2）作为载气，以三甲基镓（TMGa）、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）和氨气（NH3）分别作为Ga、Al、In和N源，用硅烷（SiH4）和二茂镁（CP2Mg）分别作为N、P型掺杂剂。

本实施例的具有梯形结构的N型插入层的氮化镓基LED外延结构的生长方法，包括以下具体步骤：

步骤一，将衬底1在1000-1200℃氢气气氛里进行高温清洁处理5-20min，然后进行氮化处理，衬底1是适合GaN基半导体外延材料生长的材料，如蓝宝石、GaN和碳化硅（SiC）单晶等；

步骤二，将温度下降到500～650℃之间，生长厚度为20～30nm的低温GaN缓冲层2，生长压力控制在300～760Torr之间，Ⅴ/Ⅲ（第五族元素和第三族元素的摩尔比）比为50～1000；

步骤三，所述低温GaN缓冲层2生长结束后，停止通入三甲基镓（TMGa），衬底温度升高至900～1200℃之间，对所述低温GaN缓冲层2进行原位热退火处理，退火时间在5～30min，退火之后，将温度调节至1000～1200℃之间，外延生长厚度为0.5～2μm的GaN非掺杂层3，生长压力在100～500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为100～3000；

步骤四，所述GaN非掺杂层3生长结束后，生长掺杂浓度稳定的第一N型GaN层4，厚度为1.2～4.2μm，生长温度在1000～1200℃之间，压力在100～600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为100～3000；

步骤五，所述第一N型GaN层4生长结束后，生长N型AlGaN插入层5，生长温度在900～1100℃之间，生长时间为5～15min，压力在50～500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为10～1000；所述N型AlGaN插入层5的生长如图2所示（图2中的虚线是为了便于对应比较N型AlGaN层a、b和c的Ga和Al组分的摩尔含量变化情况），分为三步：（1）先生长Al的摩尔组分含量逐渐升高的N型AlGaN层a；（2）N型AlGaN层a生长结束后，保持Al的摩尔组分含量不变，生长N型AlGaN层b；（3）N型AlGaN层b生长结束后，生长Al的摩尔组分含量逐渐降低的N型AlGaN层c。所述N型AlGaN插入层5厚度在10～200nm之间，生长过程中Ga的摩尔组分含量保持不变，Al的最高摩尔组分含量控制在5%～30%之间；

步骤六，所述N型AlGaN插入层5生长结束后，生长掺杂浓度稳定的第二N型GaN层6，厚度为1.2～4.2μm，生长温度在1000～1200℃之间，压力在100～600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为100～3000；

步骤七，所述第二N型GaN层6生长结束后，生长多量子阱层7，所述多量子阱层7包括3～15个依次交叠的量子阱结构，所述量子阱结构由In_xGa_1-xN(0<x<1)势阱层和GaN势垒层依次生长而成。所述In_xGa_1-xN势阱层的生长温度在720～820℃之间，压力在100～500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为300～5000，厚度在2～5nm之间；所述GaN势垒层的生长温度在820～920℃之间，压力在100～500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为300～5000，厚度在8～15nm之间；

步骤八，所述多量子阱层7生长结束后，生长厚度为10～100nm的低温P型GaN层8，生长温度在620～820℃之间，生长时间为5～35min，压力在100～500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为300-5000；

步骤九，所述低温P型GaN层8生长结束后，生长厚度为10～200nm的P型AlGaN层9，生长温度在900～1100℃之间，生长时间为5～15min，压力在50～500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为10～1000，P型AlGaN层8中Al的摩尔组分含量控制在5%～30%之间；

步骤十，所述P型AlGaN层9生长结束后，生长厚度为100～800nm的高温P型GaN层10，生长温度在850～950℃之间，生长时间为5～30min，压力在100～500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为300～5000；

步骤十一，所述高温P型GaN层10生长结束后，生长厚度在5～20nm之间的P型接触层11，生长温度在850～1050℃之间，生长时间为1～10min，压力在100～500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为1000～20000；

步骤十二，外延生长结束后，将反应室的温度降至650～800℃之间，采用纯氮气气氛进行退火处理2～15min，然后降至室温，即得如图1所示的LED外延片结构。

随后，经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等后续加工工艺制成单颗小尺寸芯片。

本实施例通过在N型GaN层中插入梯形结构的N型AlGaN层，一方面，N型AlGaN层可以降低量子阱区域的位错密度，提高晶体质量；另一方面，N型AlGaN插入层的梯形结构设计，在促进电子横向运动的同时，避免了对电子纵向迁移的限制，从而提高了载流子的注入效率，进而提高氮化镓基LED的发光效率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (1)

1.一种具有梯形结构的N型插入层的LED外延片的生长方法，其特征在于，所述外延片的结构自下而上依次为衬底、低温GaN缓冲层、GaN非掺杂层、第一N型GaN层、N型AlGaN插入层、第二N型GaN层、多量子阱层、低温P型GaN层、P型AlGaN层、高温P型GaN层和P型接触层；所述N型AlGaN插入层为梯形结构，在第一N型GaN层生长结束后，生长由N型AlGaN层a、b和c组成的N型AlGaN插入层，具体包括如下步骤：

A、在第一N型GaN层上生长Al的摩尔组分含量逐渐升高的N型AlGaN层a；

B、N型AlGaN层a生长结束后，保持Al的摩尔组分含量不变，生长N型AlGaN层b；

C、N型AlGaN层b生长结束后，生长Al的摩尔组分含量逐渐降低的N型AlGaN层c；

N型AlGaN层a、b和c中Ga的摩尔组分含量保持不变，Al的最高摩尔组分含量为5％～30％；

N型AlGaN插入层的生长温度在900～1100℃，生长时间为5～15min，压力为50～500Torr，Ⅴ/Ⅲ比为10～1000；

所述多量子阱层由In_xGa_1-xN，0<x<1，势阱层和GaN势垒层依次生长而成，所述In_xGa_1-xN势阱层的生长温度为720～820℃、压力为100～500Torr、Ⅴ/Ⅲ比为300～5000、厚度为2～5nm，所述GaN势垒层的生长温度为820～920℃、压力为100～500Torr、Ⅴ/Ⅲ比为300～5000、厚度为8～15nm；

所述低温GaN缓冲层生长厚度为20～30nm，所述GaN非掺杂层生长厚度为0.5～2μm，所述第一N型GaN层生长厚度为1.2～4.2μm，所述第二N型GaN层生长厚度为1.2～4.2μm，所述低温P型GaN层生长厚度为10～100nm，所述P型AlGaN层生长厚度为10～200nm，所述高温P型GaN层生长厚度为100～800nm，所述P型接触层生长厚度为5～20nm。