CN103325902A - 一种GaN基LED的外延结构及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种GaN基LED的外延结构及其生长方法。GaN基LED的外延结构包括：步骤一，在蓝宝石衬底上依次生长GaN成核层、非故意掺杂u-GaN层、N型掺杂GaN层；步骤二，在N型掺杂GaN层之上生长有源区MQW层，生长有源区MQW层时，生长量子阱时的反应室压力小于生长量子垒时的反应室压力，且生长量子阱前和生长完量子阱后各保持一设定时间的纯N2氛围，以及控制有源区MQW层中量子垒的生长厚度小于6nm；步骤三，在有源区MQW层之上再依次生长电子阻挡层、P型掺杂GaN层和接触层。本发明的GaN基LED的外延结构，生长成本低，用该GaN基LED的外延结构制成的GaN基LED的发光效率高。
Description
技术领域
本发明涉及光电领域，尤其涉及一种GaN基LED的外延结构及其生长方法。
背景技术
LED（Light Emitting Diode,发光二极管）具有体积小、坚固耐用、发光波段可控性强、光效高、低热损耗、光衰小、节能、环保等优点，受到了广泛应用。近年来，LED在显示屏、仪表背光源、交通信号显示、汽车尾灯及车内仪表显示和装饰、以及照明等领域得到广泛应用。但LED照明的普及，有待其亮度的进一步提升和生产成本的进一步降低。
目前传统的GaN基LED都是在蓝宝石（化学式为Al2O3，三氧化二铝）衬底上采用MOCVD（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀）方法异质外延生长得到。GaN和蓝宝石衬底间具有大的晶格适配和热失配，会在界面处产生较大的应力，通常在有源区MQW（Multi-Quantum Wells，多量子阱）生长时采用高温垒低温阱来释放应力和提高垒的晶体质量。这种生长方法在阱、垒间升降温以及生长垒时耗时长，成本较高，阱、垒温差与有源区晶体质量间矛盾突出。
通常GaN基LED的MQW中，QW（Quantum Wells，量子阱）的厚度为3nm（纳米）左右，量子垒厚为10nm～15nm，且通常量子垒为H2（氢气）、N2（氮气）混合氛围，温度比量子阱高80摄氏度（℃）至150℃生长，升降温耗时过长以及量子垒厚度过大，势必提高材料的生产成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种GaN基LED的外延结构及其生长方法，降低GaN基LED的生长成本，提高GaN基LED的发光效率。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种GaN基LED的外延结构的生长方法，包括：
步骤一，在蓝宝石衬底上依次生长GaN成核层、非故意掺杂u-GaN层、N型掺杂GaN层；
步骤二，在所述N型掺杂GaN层之上生长有源区MQW层，生长有源区MQW层时，生长量子阱时的反应室压力小于生长量子垒时的反应室压力，且生长量子阱前和生长完量子阱后各保持一设定时间的纯N2氛围，以及控制有源区MQW层中量子垒的生长厚度小于6nm；
步骤三，在有源区MQW层之上再依次生长电子阻挡层、P型掺杂GaN层和接触层。
进一步地，上述GaN基LED的外延结构的生长方法还可具有以下特点，所述步骤二中，所述有源区MQW层的量子垒的生长温度大于或等于量子阱的生长温度，且量子垒的生长温度与量子阱的生长温度之差小于80摄氏度。
进一步地，上述GaN基LED的外延结构的生长方法还可具有以下特点，所述步骤二中，所述有源区MQW层包括多个周期层，每个所述周期层的生长包括如下步骤：
进一步地，上述GaN基LED的外延结构的生长方法还可具有以下特点，所述GaN成核层的生长温度大于或等于550摄氏度且小于或等于680摄氏度。
进一步地，上述GaN基LED的外延结构的生长方法还可具有以下特点，所述非故意掺杂u-GaN层的生长温度为1100摄氏度以上。
进一步地，上述GaN基LED的外延结构的生长方法还可具有以下特点，所述N型掺杂GaN层的生长温度大于或等于1000摄氏度小于或等于1250摄氏度。
为解决上述技术问题，本发明还提出了一种GaN基LED的外延结构，该GaN基LED的外延结构使用上述的GaN基LED的外延结构的生长方法生长而成，该GaN基LED的外延结构由下往上依次包括蓝宝石衬底、GaN成核层、非故意掺杂u-GaN层、N型掺杂GaN层、有源区MQW层、电子阻挡层、P型掺杂GaN层，P型接触层，所述有源区MQW层中的量子垒的厚度小于6纳米。
进一步地，上述GaN基LED的外延结构还可具有以下特点，所述有源区MQW层中的量子垒的厚度大于2纳米，且小于6纳米。
进一步地，上述GaN基LED的外延结构还可具有以下特点，所述非故意掺杂u-GaN层的厚度大于1微米且小于5微米。
进一步地，上述GaN基LED的外延结构还可具有以下特点，所述N型掺杂GaN层为Si掺杂N型掺杂GaN层。
本发明的GaN基LED的外延结构，生长成本低，用本发明的GaN基LED的外延结构制成的GaN基LED的发光效率高。
附图说明
图1为本发明实施例中有源区MQW层的生长环境示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明实施例中，GaN基LED的外延结构的生长方法可以包括如下步骤：
步骤一，在蓝宝石衬底上依次生长GaN成核层、非故意掺杂u-GaN层、N型掺杂GaN层；
其中，GaN成核层的生长温度为550℃至680℃，厚度为20nm～70nm。
其中，非故意掺杂u-GaN层的生长温度为1100℃以上，厚度为1μm（微米）～5μm。
本文中，A～B这个范围表示在A和B范围之内，这个范围可以包括A和B这两个端值，也可以不包括A和B这两个端值。
其中，N型掺杂GaN层的生长温度为1000℃～1250℃。N型掺杂GaN层可以是Si掺杂N型掺杂GaN层，Si掺杂N型掺杂GaN层厚度可以为1μm～5μm。
步骤二，在N型掺杂GaN层之上生长有源区MQW层，生长有源区MQW层时，生长量子阱时的反应室压力小于生长QB（Quantum Barrier，量子垒）时的反应室压力，且生长量子阱前和生长完量子阱后各保持一设定时间的纯N2氛围，以及控制有源区MQW层中量子垒的生长厚度小于6nm；
具体地，有源区MQW层的生长步骤为：在MOCVD反应室压力保持P1下，在上述步骤一生长的N型掺杂GaN上，以纯H2做载气的环境中T1温度下生长GaN垒层（GaN垒层是量子垒的一部分，量子垒包括QB2、QB0、QB1）QB0，QB0的厚度为2nm至6nm；然后，切换为纯N2做载气，同时降温到T2（T2小于T1）、降压到P2（P2小于P1），生长0.5nm～2nm（0.5nm～2nm表示0.5nm至2nm，下同）厚的GaN垒层QB1；接着，再用纯N2做载气T2温度、P2压力条件下生长2nm～3nm的InxGa1-xN阱层QW，再在纯N2做载气T2温度、P2压力条件下生长0.5nm～2nm GaN层QB2，接着停止生长且切换为纯H2做载气，同时反应室压力升高到P1、温度升高到T1，再生长2～6nm的GaN垒层QB0，至此完成一个周期的MQW生长，再降温降压切换为纯N2做载气生长下一周期的0.5nm～2nm QB1、2～3nm左右的InxGa1-xN QW，根据需要生长完多个周期的MQW，如图1所示的反应室条件。
图1为本发明实施例中有源区MQW层的生长环境示意图。图1中101为反应室温度，106为反应室压力，107为三甲基铟，108为三乙基镓，109为H2，110为N2，102为上述QB0,103为上述QB1,104为上述QW，105为上述QB2。
本发明实施例中，QB0的厚度小于6nm。
本发明实施例中，量子垒的生长温度与量子阱的生长温度之差小于80℃（量子垒的生长温度等于或大于量子阱的生长温度）。
可见，本发明中，MQW的量子垒采用纯H2氛围和高反应室压力来提高量子垒的晶体质量，以此降低阱、垒间温差以及减薄垒的厚度。
其中，有源区MQW可以为InxGa1-xN阱层和GaN垒层交替生长得到的多量子阱层，其中0<x<1。
步骤三，在有源区MQW层之上再依次生长电子阻挡层、P型掺杂GaN层和接触层，至此外延生长结束。
其中，电子阻挡层可以为Mg掺杂P型AlyInzGa1-y-zN层，其中0<y<1，0<y+z<1。
其中，P型掺杂GaN层可以为Mg掺杂P型GaN层，掺杂浓度在1×1018cm-3～1×1020cm-3范围。
其中，接触层可以为Mg掺杂的P型InGaN层，也可以为Si掺杂的N型InGaN。
本发明的GaN基LED的外延结构的生长方法在生长MQW时，生长量子阱和量子垒时有压力差，且量子阱生长压力比量子垒生长压力低，这样，虽然量子阱的厚度同样为3nm左右，但量子垒的厚度减薄到6nm以下，这样既节省了MO（Metal-Organic，金属有机化合物）源的使用量，又节省了生长量子垒的时间，达到了降低成本的目的。同时，由于在纯H2气氛下GaN的晶体质量比纯N2气氛下好很多，能使应力得到很好的释放，由此提高了LED的发光效率。
本发明还提出了一种GaN基LED的外延结构，该GaN基LED的外延结构使用上述本发明的GaN基LED的外延结构的生长方法生长。
本发明实施例中，该GaN基LED的外延结构由下往上依次包括蓝宝石衬底、GaN成核层、非故意掺杂u-GaN层、N型掺杂GaN层、有源区MQW层、电子阻挡层、P型掺杂GaN层，P型接触层，其中，有源区MQW层中的量子垒厚度小于6nm，具体地，可以在2nm～6nm范围内。
其中，GaN成核层的生长温度为550℃至680℃，厚度为20nm～70nm。
其中，非故意掺杂u-GaN层的生长温度为1100℃以上，厚度为1μm（微米）～5μm。
其中，N型掺杂GaN层的生长温度为1000℃至1250℃。N型掺杂GaN层可以是Si掺杂N型掺杂GaN层，Si掺杂N型掺杂GaN层厚度可以为1μm～5μm。
其中，电子阻挡层可以为Mg掺杂P型AlyInzGa1-y-zN层，其中0<y<1，0<y+z<1。
其中，P型掺杂GaN层可以为Mg掺杂P型GaN层，掺杂浓度在1×1018cm-3～1×1020cm-3范围。
其中，接触层可以为Mg掺杂的P型InGaN层，也可以为Si掺杂的N型InGaN。
本发明的GaN基LED的外延结构，生长成本低，用本发明的GaN基LED的外延结构制成的GaN基LED的发光效率高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GaN基LED的外延结构的生长方法，其特征在于，包括：
步骤一，在蓝宝石衬底上依次生长GaN成核层、非故意掺杂u-GaN层、N型掺杂GaN层；
步骤二，在所述N型掺杂GaN层之上生长有源区MQW层，生长有源区MQW层时，生长量子阱时的反应室压力小于生长量子垒时的反应室压力，且生长量子阱前和生长完量子阱后各保持一设定时间的纯N2氛围，以及控制有源区MQW层中量子垒的生长厚度小于6nm；
步骤三，在有源区MQW层之上再依次生长电子阻挡层、P型掺杂GaN层和接触层。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED的外延结构的生长方法，其特征在于，所述步骤二中，所述有源区MQW层的量子垒的生长温度大于或等于量子阱的生长温度，且量子垒的生长温度与量子阱的生长温度之差小于80摄氏度。
3.根据权利要求1所述的GaN基LED的外延结构的生长方法，其特征在于，所述步骤二中，所述有源区MQW层包括多个周期层，每个所述周期层的生长包括如下步骤：
步骤a，在MOCVD反应室压力保持P1下，在所述N型掺杂GaN上，以纯氢气做载气的环境中、温度T1下生长GaN垒层QB0，QB0的厚度大于2纳米且小于6纳米；
步骤b，步骤a完成后，以纯氮气做载气，降温到T2，T2小于T1、降压到P2，P2小于P1，生长GaN垒层QB1；
步骤c，步骤b完成后，再以纯氮气做载气，在温度T2、压力P2条件下生长InxGa1-xN阱层QW；
步骤d，步骤c完成后，以纯氮气做载气，在温度T2、压力P2条件下生长GaN层QB2，本周期层的生长结束，进行下一个周期层的生长。
4.根据权利要求1所述的GaN基LED的外延结构的生长方法，其特征在于，所述GaN成核层的生长温度大于或等于550摄氏度且小于或等于680摄氏度。
5.根据权利要求1所述的GaN基LED的外延结构的生长方法，其特征在于，所述非故意掺杂u-GaN层的生长温度为1100摄氏度以上。
6.根据权利要求1所述的GaN基LED的外延结构的生长方法，其特征在于，所述N型掺杂GaN层的生长温度大于或等于1000摄氏度小于或等于1250摄氏度。
7.一种GaN基LED的外延结构，其特征在于，该GaN基LED的外延结构使用权利要求1所述的GaN基LED的外延结构的生长方法生长而成，该GaN基LED的外延结构由下往上依次包括蓝宝石衬底、GaN成核层、非故意掺杂u-GaN层、N型掺杂GaN层、有源区MQW层、电子阻挡层、P型掺杂GaN层，P型接触层，所述有源区MQW层中的量子垒的厚度小于6纳米。
8.根据权利要求7所述的GaN基LED的外延结构，其特征在于，所述有源区MQW层中的量子垒的厚度大于2纳米，且小于6纳米。
9.根据权利要求7所述的GaN基LED的外延结构，其特征在于，所述非故意掺杂u-GaN层的厚度大于1微米且小于5微米。
10.根据权利要求7所述的GaN基LED的外延结构，其特征在于，所述N型掺杂GaN层为Si掺杂N型掺杂GaN层。
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