CN103346224A - 一种GaN基LED的PGaN结构及其外延生长方法 - Google Patents

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艾常涛
靳彩霞
董志江
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Abstract

本发明涉及一种GaN基LED的PGaN结构及其外延生长方法。其中，GaN基LED的PGaN结构为：所述GaN基LED的PGaN结构由下向上依次包括蓝宝石衬底层、GaN成核层、第一非故意掺杂u-GaN层、N型掺杂GaN层、有源区MQW层、量子阱保护层、P型AluInnGa1-u-nN层、第二非故意掺杂u-GaN层、P型GaN层、接触层，其中，所述第二非故意掺杂u-GaN层为在生长温度大于或等于1100摄氏度并且小于或等于1250摄氏度范围内生长出来的非故意掺杂u-GaN层。本发明的GaN基LED的PGaN结构，晶体质量好，发光效率高。

Description

一种GaN基LED的PGaN结构及其外延生长方法
技术领域
本发明涉及光电领域，尤其涉及一种GaN基LED的PGaN结构及其外延生长方法。
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，受到了广泛的应用。照明领域对LED提出越来越高的要求，提高亮度和降低生产成本是LED行业不变的追求。
PGaN结构及其外延生长方法一直是GaN（氮化镓）基LED研究的热点，是提高GaN基LED外量子效率的关键。
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PGaN结构及其外延生长方法，提高材料晶体质量，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PGaN结构，所述GaN基LED的PGaN结构由下向上依次包括蓝宝石衬底层、GaN成核层、第一非故意掺杂u-GaN层、N型掺杂GaN层、有源区MQW层、量子阱保护层、P型AluInnGa1-u-nN层、第二非故意掺杂u-GaN层、P型GaN层、接触层，其中，所述第二非故意掺杂u-GaN层为在生长温度大于或等于1100摄氏度并且小于或等于1250摄氏度范围内生长出来的非故意掺杂u-GaN层。
进一步地，上述GaN基LED的PGaN结构还可具有以下特点，所述第二非故意掺杂u-GaN层的厚度大于或等于10纳米并且小于或等于200纳米。
进一步地，上述GaN基LED的PGaN结构还可具有以下特点，所述第二非故意掺杂u-GaN层的厚度为30纳米。
进一步地，上述GaN基LED的PGaN结构还可具有以下特点，所述第一非故意掺杂u-GaN层的厚度为大于或等于0.5微米并且小于或等于5微米。
进一步地，上述GaN基LED的PGaN结构还可具有以下特点，所述P型AluInnGa1-u-nN层为Mg掺杂P型AluInnGa1-u-nN层。
为解决上述技术问题，本发明还提出了一种GaN基LED的PGaN结构的外延生长方法，用于权上述的GaN基LED的PGaN结构，包括：
步骤一，在蓝宝石衬底上依次生长GaN成核层、第一非故意掺杂u-GaN层、N型掺杂GaN层、有源区多量子阱层、量子阱保护层、P型AluInnGa1-u-nN层，所述第一非故意掺杂u-GaN层的生长温度大于1100摄氏度；
步骤二，在所述P型AluInnGa1-u-nN层之上生长第二非故意掺杂u-GaN层，所述第二非故意掺杂u-GaN层的生长温度大于或等于1100摄氏度并且小于或等于1250摄氏度；
步骤三，在所述第二非故意掺杂u-GaN层之上再依次生长P型GaN层和接触层。
进一步地，上述GaN基LED的PGaN结构的外延生长方法还可具有以下特点，所述步骤二中，所述第二非故意掺杂u-GaN层的生长温度为1130摄氏度。
进一步地，上述GaN基LED的PGaN结构的外延生长方法还可具有以下特点，所述步骤二中，所述第二非故意掺杂u-GaN层的生长厚度大于或等于10纳米并且小于或等于200纳米。
进一步地，上述GaN基LED的PGaN结构的外延生长方法还可具有以下特点，所述步骤二中，所述第二非故意掺杂u-GaN层的生长厚度为30纳米。
进一步地，上述GaN基LED的PGaN结构的外延生长方法还可具有以下特点，所述步骤一中，所述第一非故意掺杂u-GaN层的生长厚度为大于或等于0.5微米并且小于或等于5微米。
本发明的GaN基LED的PGaN结构，具有生长高温的第二非故意掺杂u-GaN层，晶体质量好，有扩展电流的作用，发光效率高。本发明的GaN基LED的PGaN结构的外延生长方法，能够提高材料晶体质量，并且提高GaN基LED的发光效率。
附图说明
图1为本发明实施例中GaN基LED的PGaN结构的示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、蓝宝石衬底层，2、GaN成核层，3、第一非故意掺杂u-GaN层，4、N型掺杂GaN层，5、有源区MQW层，6、量子阱保护层，7、Mg掺杂P型AluInnGa1-u-nN层，8、第二非故意掺杂u-GaN层，9、P型GaN层，10、接触层。
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PGaN结构的外延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、第一非故意掺杂u-GaN层、N型掺杂GaN层、有源区MQW（Multi-Quantum Wells，多量子阱）层；
其中，GaN成核层的生长温度可以在550摄氏度（℃）至680摄氏度范围内（即大于或等于550摄氏度并且小于或等于680摄氏度）。GaN成核层的厚度可以在20纳米（nm）至100纳米范围内。本文中，所有的“在A至B范围内”或“A至B”的表述均包含A和B两个端值。
其中，第一非故意掺杂u-GaN层的生长温度为1100摄氏度以上的高温。第一非故意掺杂u-GaN层的厚度范围为0.5微米（μm）至5微米。
其中，N型掺杂GaN层可以是Si（硅）掺杂N型GaN层。Si掺杂N型GaN层的生长温度可以在1000摄氏度至1250摄氏度范围内，厚度为0.5至5μm。
其中，有源区MQW层为可以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。
步骤二，在有源区MQW层之上生长量子阱保护层；
本发明实施例中，量子阱保护层的生长温度为850℃。量子阱保护层的生长温度不宜过高，以避免高温损害有源区。
步骤三，在量子阱保护层之上生长Mg（镁）掺杂P型AluInnGa1-u-nN（铝铟镓氮）层，其中，0≦u≦1，0≦n≦0.3，0≦u+n≦1，且保证AluInnGa1-u-nN导带底在InxGa1-xN阱层导带底之上；
其中，Mg掺杂P型AluInnGa1-u-nN中Mg的掺杂浓度为1×1017至1×1020cm-3（表示1×1017个每立方厘米至1×1020个每立方厘米）。
步骤四，在Mg掺杂P型AluInnGa1-u-nN层之上生长第二非故意掺杂u-GaN层，第二非故意掺杂u-GaN层的生长温度在1100摄氏度至1250摄氏度范围内；
在本发明的优选实施例中，第二非故意掺杂u-GaN层的厚度在10纳米至200纳米范围内。进一步地，在本发明的优选实施例中，第二非故意掺杂u-GaN层的生长温度为1130℃。第二非故意掺杂u-GaN层的生长厚度为30nm。
通常PGaN的生长温度为950℃～1100℃，步骤四中，将第二非故意掺杂u-GaN层的生长温度升高到1100℃以上，可以确保晶体质量。空穴迁移率比电子低很多，且掺杂浓度越大，迁移率越小。第二非故意掺杂u-GaN层的设置，可以加速来自PGaN的空穴，让其更快补充到电子与空穴复合留下的空位。此外，第二非故意掺杂u-GaN层因其电阻率较大，还可以起到电流扩展的作用。
第二非故意掺杂u-GaN层的生长厚度，需要既能加速空穴传输，又能让空穴遂穿过这个u-GaN层。本实施例中所选的第二非故意掺杂u-GaN层的生长厚度（10纳米至200纳米）能够满足这个条件。控制好第二非故意掺杂u-GaN的生长厚度和生长温度，可以明显提高GaN基LED的发光效率。
步骤五，在第二非故意掺杂u-GaN层之上生长P型GaN层；
P型GaN可以采用Mg掺杂PGaN，Mg掺杂PGaN中Mg的掺杂浓度范围可以为1×1017cm-3～5×1020cm-3。
步骤六，在P型GaN层之上生长接触层，至此，外延生长完成。
本发明实施例中，接触层可以为Mg掺杂InhGa1-hN层，0<h<1。Mg掺杂InhGa1-hN的掺杂浓度为5×1019cm-3以上。优选地，Mg掺杂InhGa1-hN的掺杂浓度为1×1020cm-3。
接触层还可以是Si掺杂InhGa1-hN层，0<h<1。Si掺杂InhGa1-hN的掺杂浓度为5×1018cm-3以上。
经过以上六个步骤后所得到的GaN基LED的PGaN结构的示意图如图1所示。
本发明的GaN基LED的PGaN结构的外延生长方法，能够提高材料晶体质量，并且提高GaN基LED的发光效率。
图1所示为使用本发明的GaN基LED的PGaN结构的外延生长方法生长得到的GaN基LED的PGaN结构。如图1所示，该GaN基LED的PGaN结构由下向上依次包括蓝宝石衬底层、GaN成核层、第一非故意掺杂u-GaN层、N型掺杂GaN层、有源区MQW层、量子阱保护层、P型AluInnGa1-u-nN层、第二非故意掺杂u-GaN层、P型GaN层、接触层。
其中，GaN成核层的厚度可以在20纳米（nm）至100纳米范围内。
其中，第一非故意掺杂u-GaN层的厚度范围为0.5微米（μm）至5微米。
其中，N型掺杂GaN层可以是Si掺杂N型GaN层。Si掺杂N型GaN层的厚度为0.5至5μm。
其中，P型AluInnGa1-u-nN层可以是Mg掺杂P型AluInnGa1-u-nN层。
其中，第二非故意掺杂u-GaN层的厚度在10纳米至200纳米范围内。进一步地，在本发明的优选实施例中，第二非故意掺杂u-GaN层的厚度为30nm。
本发明的GaN基LED的PGaN结构，具有生长高温的第二非故意掺杂u-GaN层，提高了PGaN的整体结晶质量，起到了电流扩展的作用，使得其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PGaN结构，其特征在于，所述GaN基LED的PGaN结构由下向上依次包括蓝宝石衬底层、GaN成核层、第一非故意掺杂u-GaN层、N型掺杂GaN层、有源区MQW层、量子阱保护层、P型AluInnGa1-u-nN层、第二非故意掺杂u-GaN层、P型GaN层、接触层，其中，所述第二非故意掺杂u-GaN层为在生长温度大于或等于1100摄氏度并且小于或等于1250摄氏度范围内生长出来的非故意掺杂u-GaN层。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED的PGaN结构，其特征在于，所述第二非故意掺杂u-GaN层的厚度大于或等于10纳米并且小于或等于200纳米。
3.根据权利要求2所述的GaN基LED的PGaN结构，其特征在于，所述第二非故意掺杂u-GaN层的厚度为30纳米。
4.根据权利要求1所述的GaN基LED的PGaN结构，其特征在于，所述第一非故意掺杂u-GaN层的厚度为大于或等于0.5微米并且小于或等于5微米。
5.根据权利要求1所述的GaN基LED的PGaN结构，其特征在于，所述P型AluInnGa1-u-nN层为Mg掺杂P型AluInnGa1-u-nN层。
6.一种GaN基LED的PGaN结构的外延生长方法，用于权利要求1所述的GaN基LED的PGaN结构，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、第一非故意掺杂u-GaN层、N型掺杂GaN层、有源区多量子阱层、量子阱保护层、P型AluInnGa1-u-nN层，所述第一非故意掺杂u-GaN层的生长温度大于1100摄氏度；
步骤二，在所述P型AluInnGa1-u-nN层之上生长第二非故意掺杂u-GaN层，所述第二非故意掺杂u-GaN层的生长温度大于或等于1100摄氏度并且小于或等于1250摄氏度；
步骤三，在所述第二非故意掺杂u-GaN层之上再依次生长P型GaN层和接触层。
7.根据权利要求6所述的GaN基LED的PGaN结构的外延生长方法，其特征在于，所述步骤二中，所述第二非故意掺杂u-GaN层的生长温度为1130摄氏度。
8.根据权利要求6所述的GaN基LED的PGaN结构的外延生长方法，其特征在于，所述步骤二中，所述第二非故意掺杂u-GaN层的生长厚度大于或等于10纳米并且小于或等于200纳米。
9.根据权利要求8所述的GaN基LED的PGaN结构的外延生长方法，其特征在于，所述步骤二中，所述第二非故意掺杂u-GaN层的生长厚度为30纳米。
10.根据权利要求6所述的GaN基LED的PGaN结构的外延生长方法，其特征在于，所述步骤一中，所述第一非故意掺杂u-GaN层的生长厚度为大于或等于0.5微米并且小于或等于5微米。
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