CN103258927A - 一种提高GaN基LED抗静电能力的外延结构及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种提高GaN基LED抗静电能力的外延结构及其生长方法，该外延结构从下向上的顺序依次为：衬底、低温GaN缓冲层、GaN非掺杂层、第一个N型GaN层、多量子阱结构MQW、多量子阱有源层、低温P型GaN层、P型AlGaN层、高温P型GaN层和P型接触层，在所述第一个N型GaN层与多量子阱结构MQW层之间依次插入N型ALxGa1-xN层和第二个N型GaN层，其中0.05<x<0.25。本发明通过插入ALxGa1-xN(0.05<x<0.25)层的方法，限制外延层中位错和缺陷密度，改善载流子的分布，可以有效的提高LED芯片的抗静电能力10%以上。
Description
技术领域
本发明属于Ⅲ-Ⅵ族氮化物材料制备技术领域，特别涉及一种能够提高GaN基LED抗静电能力的外延结构及其生长方法。
背景技术
发光二极管（LED，Light Emitting Diode）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，可以将电能直接转换为光能。当半导体PN结的两端加上正向电压后，注入PN结中的少数载流子和多数载流子发生复合，复合的能量以光的形式发射；并且随着能量的高低，可以形成各种颜色的光。
以GaN为代表的Ⅲ-Ⅵ族材料属于宽禁带半导体材料，在20世纪90年代之后得到迅猛发展。优异的耐腐蚀能力、高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率、高抗辐射能力，使得以GaN为代表的Ⅲ-Ⅵ族材料成为新兴半导体产业的基础器件和核心材料，被誉为IT产业的发动机。GaN基材料是现代发光二极管的基石，已经实现工业化生产、在背光源、照明、景观灯等方面都有应用；，具有高效、环保、节能、寿命长等显著特点，是一种新型固态冷光源。
目前在LED的外延制备过程中，工业生产均采用异质外延的生长方式。但异质外延会对LED带来不利影响，以蓝宝石衬底为例：蓝宝石和GaN材料之间存在很大的晶格失配和热失配，给GaN外延层引入大量位错和缺陷，缺陷密度高达120-1020cm-2，造成载流子泄漏和非辐射复合中心的增多，对LED芯片的抗静电能力极为不利。鉴于此，有必要提供一种新型的LED外延结构以克服上述缺点。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种提高GaN基LED抗静电能力的外延结构，通过在N层插入ALxGa1-xN(0.05<x<0.25)层，限制外延层中位错和缺陷密度，改善载流子的分布，可以有效的提高LED芯片的抗静电能力10%以上。
本发明还提供一种上述提高GaN基LED抗静电能力的外延结构的生长方法。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种提高GaN基LED抗静电能力的外延结构，该外延结构从下向上的顺序依次为：衬底、低温GaN缓冲层、GaN非掺杂层、第一个N型GaN层、多量子阱结构MQW、多量子阱有源层、低温P型GaN层、P型AlGaN层、高温P型GaN层和P型接触层，在所述第一个N型GaN层与多量子阱结构MQW层之间依次插入生长N型ALxGa1-xN层和第二个N型GaN层，其中0.05<x<0.25。
一种提高GaN基LED抗静电能力的外延结构的生长方法，在所述N型ALxGa1-xN层插入生长后，在生长第一个N型GaN层时，该第一个N型GaN层流量相对不插入N型ALxGa1-xN层的情况减少10%~20%；在插入生长所述N型ALxGa1-xN层后生长第二个N型GaN层时，该第二个N型GaN层流量与上述生长第一个N型GaN层流量相同。
所述N型ALxGa1-xN插入层的生长厚度保持在0-1μm之间。
本发明的优点在于，通过插入具有N型ALxGa1-xN(0.05<x<0.25)层的新结构，一方面，可以降低N层的整体厚度，另一方面可以有效的限制外延层内部，由于与衬底之间的晶格失配产生的位错和缺陷密度，改善载流子的分布；可以有效的降低GaN基LED在静电发生时坏死的可能性、提高产品的品质，延长器件寿命,有效的提高LED芯片的抗静电能力10%以上。
附图说明
图1是本发明所提供的LED外延结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示的本发明所提供的LED外延结构，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、第一个N型GaN层4、N型ALxGa1-xN(0.05<x<0.25)层5、第二个N型GaN层6、多量子阱结构MQW 7、多量
子阱有源层8、低温P型GaN层9、P型AlGaN层10、高温P型GaN层11和P型接触层12。
本发明的LED外延结构的具体生长方法如下：
步骤一：将衬底1在氢气气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度控制在1000-1200 ℃之间，然后对蓝宝石衬底表面进行氮化处理。所述衬底是适合GaN及其半导体外延材料生长的材料，如蓝宝石，GaN单晶，单晶硅、碳化硅单晶等；
步骤二：将温度下降到450-650 ℃之间，生长15-35nm厚的低温GaN缓冲层2，此生长过程时，生长压力控制在400-760 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在50-3000之间；
步骤三：GaN非掺杂层3:低温缓冲层2生长结束后，对其原位进行热退火处理，停止通入TMGa,将衬底温度升高至1000－1300℃之间生长厚度为0.8-4μm间的高温不掺杂GaN层，此生长过程中，生长压力在100－600 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300-3300之间；
步骤四：N型GaN层4：未掺杂的高温GaN层3生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的N型GaN层4，厚度在0.5~2.5 μm，生长温度在1000 ℃-1300 ℃之间，生长压力在50-500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300-3300之间；
步骤五：N型ALxGa1-xN(0.05<x<0.25)层5：Si掺杂的n型GaN层4生长结束后，生长一层AL掺杂浓度稳定的N型GaN层5，厚度在0-1.5μm，生长温度在1000 ℃-1300 ℃之间，生长压力在50-500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300-3300之间；
步骤六：N型GaN层6：N型ALxGa1-xN(0.05<x<0.25)层5生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的N型GaN层6，厚度在0.5~2.5 μm，生长温度在1000 ℃-1300 ℃之间，生长压力在50-500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300-3300之间；
步骤七：多量子阱结构MQW7：由5-15个周期的InxGa1-XN(0.01<x<0.4)/GaN 多量子阱组成。其中阱的厚度在2-6nm之间，生长温度在700-950 ℃之间，压力在100-600 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300-4000之间；
步骤八：多量子阱有源层8：多量子阱结构MQW7生长结束后，开始生长多量子阱有源层8发光层结构，多量子阱有源层8发光层由2-20个周期的
InyGa1-yN(x<y<1)/GaN 多量子阱组成。阱的厚度在2－6 nm之间，生长温度在700 -950 ℃之间，生长压力在200 -500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在400-5500之间；
步骤九：低温P型GaN层9：多量子阱有源层8生长结束后，生长厚度10-100nm之间的低温P型GaN层9，生长温度在500-900 ℃之间，生长时间在5-20分钟之间，压力在100 -500 Torr之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300-5000之间。在生长P型层的过程中，N2作为载气，二茂镁作为掺杂介质；
步骤十：P型AlGaN层10：低温P型层9生长结束后，将温度升至900℃-1200℃之间，生长压力在100-500 Torr之间，生长时间在5-15分钟之间，生长厚度10-100nm之间的p 型AlGaN电子阻挡层，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在100-2000之间，Al的组分控制在5%-35%之间，该层禁带宽度大，作为电子阻挡层使用；
步骤十一：高温P型GaN层11：p 型AlGaN电子阻挡层生长结束后，生长一层厚度0.1-0.9 nm之间的高温p 型GaN层，其生长温度在900-1200 ℃之间，生长压力在100-600 Torr之间，生长时间在5-20 min之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在300-5000之间；
步骤十二：P型接触层12：高温P型GaN层11生长结束后，生长一层厚度5-30 nm之间的p 型接触层，其生长温度在800-1100 ℃之间，压力在100-500 Torr之间，生长时间在1-10 min之间，Ⅴ /Ⅲ摩尔比在100-2000之间；
步骤十三：外延生长结束后，将反应室的温度降至650-800 ℃之间，采用纯氮气氛围中退火处理5 -15 min，然后降至室温，结束外延生长；
然后对生长的外延片进行清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制成单颗小尺寸芯片。
本实施例以高纯氢气或氮气作为载气，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。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种提高GaN基LED抗静电能力的外延结构，该外延结构从下向上的顺序依次为：衬底、低温GaN缓冲层、GaN非掺杂层、第一个N型GaN层、多量子阱结构MQW、多量子阱有源层、低温P型GaN层、P型AlGaN层、高温P型GaN层和P型接触层，其特征在于，在所述第一个N型GaN层与多量子阱结构MQW层之间依次插入N型ALxGa1-xN层和第二个N型GaN层，其中0.05<x<0.25。
2.一种如权利要求1所述的提高GaN基LED抗静电能力的外延结构的生长方法，其特征在于，在所述N型ALxGa1-xN层插入生长后，在生长第一个N型GaN层时，该第一个N型GaN层流量相对不插入N型ALxGa1-xN层的情况减少10%~20%；在插入生长所述N型ALxGa1-xN层后生长第二个N型GaN层时，该第二个N型GaN层流量与上述生长第一个N型GaN层流量相同。
3.根据权利要求2所述的提高GaN基LED抗静电能力的外延结构的生长方法，其特征在于，所述N型ALxGa1-xN插入层的生长厚度保持在0-1μm之间。
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