CN103400914A - 一种提高氮化镓基电流扩展的外延结构及其生长方法 - Google Patents

一种提高氮化镓基电流扩展的外延结构及其生长方法 Download PDF

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Abstract

一种提高氮化镓基电流扩展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、n型GaN层n1层、n型AlGaN层、n型GaN层n2层、n型GaN层LN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。其中n型GaN层LN层的生长步骤包括：先生长n型GaN层nGaN3-1层，接着生长n型AlGaN层，最后再生长n型GaN层nGaN3-2层。本发明外延结构及其生长方法，能够有效使得电流均匀扩展，提高外延层晶体质量，提高器件性能。

Description

一种提高氮化镓基电流扩展的外延结构及其生长方法
 
技术领域
本发明属于Ⅲ族氮化物材料制备技术领域，特别涉及一种提高电流扩展的氮化镓基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，可以直接将电转换为光。GaN基蓝光LED作为一个电注入发光器件，电流扩展分布对于整个器件的特性作用很重要，会影响到器件有源区发光的均匀性，可靠性，散热等特性。
要实现电流均匀扩展，应当使得电流经过不同的路径的阻值大小越接近越好。目前，对此主要的两种解决方法为：一是提高n型GaN层的电导率，以减少电流横向流动的电阻。Eliashevich等报道了n型掺杂浓度对电流扩展有显著影响。但是，随着n型掺杂浓度提高，晶体质量下降，载流子散射严重，电导率下降，所以不能通过提高n型掺杂浓度的办法解决电流拥挤问题。另外，一个解决方法是优化电极的几何形状，改变电流的通道路径，减小横向电阻。
 
发明内容
本发明针对上述技术问题，提供一种提高氮化镓基电流扩展的外延结构及其生长方法，该外延结构及其生长方法，能够有效使得电流均匀扩展，提高外延层晶体质量，提高器件性能。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
   一种提高氮化镓基电流扩展的外延结构，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、n型GaN层n1层、n型AlGaN层、n型GaN层n2层、n型GaN层LN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。
    所述n型GaN层LN层包括三层：n型GaN层nGaN3-1层、n型AlGaN层和n型GaN层nGaN3-2层。
     所述的n型GaN层LN层的生长步骤如下：
   （1）先生长n型GaN层nGaN3-1层，生长时间在0-8min，生长温度在1000-1200℃之间，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为100-2500；
   （2）接着生长n型AlGaN层，生长时间在1-10min，生长温度在990-1200℃之间，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为10-800；
   （3）最后再生长n型GaN层nGaN3-2层，生长时间在0-8min，生长温度在1000-1200℃之间，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为100-2500。
本发明的优点在于，本发明所提供的有效增强电流扩展的氮化镓基外延结构及其生长方法，通过在LN层插入n型AlGaN层，该工艺可以增强n型GaN横向电流分布，特别是在LED尺寸及电流密度加大后，可以改善横向电流扩展分布不均匀的问题，提高电流扩展效应。同时，改善了LED器件的漏电，提高Vz，提高了晶体质量，增强了器件的可靠性。
 
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，本发明所提供的提高氮化镓基电流扩展的外延结构，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、n型GaN层n1层4、n型AlGaN层5、n型GaN层n2层6、n型GaN层LN层7、多量子阱结构MQW 8、多量子阱有源层9、低温P型GaN层10、P型AlGaN层11、高温P型GaN层12、P型接触层13。
    本发明所提供的上述有效增强电流扩展的氮化镓基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；
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比为10-1200；
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150-2000；
步骤四，所述GaN非掺杂层3生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的n型GaN层n1层4，厚度为0.6-2.1μm，生长温度在1000-1200℃之间，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为100-2500；
步骤五，所述n型GaN层n1层4生长结束后，生长一层n型AlGaN层5，生长时间在1-10min，生长温度在990-1200℃之间，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为10-800；
步骤六，所述n型AlGaN层5生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的n型GaN层n2层6，厚度为0.6-2.1μm，生长温度在1000-1200℃之间，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为100-2500；
步骤七，所述n型GaN层n2层6生长结束后，生长n型GaN层LN层7，厚度为0.2-2μm，生长温度在1000-1200℃之间，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为100-2500；
本步骤中包含如下几个工艺：
   （1）先生长n型GaN层nGaN3-1层7a，生长时间在0-8min，生长温度在1000-1200℃之间，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为100-2500；
   （2）接着生长n型AlGaN层7b，生长时间在1-10min，生长温度在990-1200℃之间，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为10-800；
   （3）最后再生长n型GaN层nGaN3-2层7c，生长时间在0-8min，生长温度在1000-1200℃之间，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为100-2500；
步骤八，所述n型GaN层LN层7生长结束后，生长多量子阱结构MQW 8，所述多量子阱结构MQW 8由2-15个周期的InxGa1-xN/GaN (0<x<0.4)多量子阱组成，1个周期的InxGa1-xN/GaN量子阱厚度在2-5nm之间，生长温度为720-920℃，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为200-5000；
步骤九，所述多量子阱结构MQW 8生长结束后，生长多量子阱有源层9，所述多量子阱有源层9生长温度在720-820℃之间，压力在100-500 Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-5000之间，所述多量子阱有源层9由3-20个周期的InyGa1-yN(x<y<1)/GaN 多量子阱组成，所述多量子阱有源层9的厚度在2-5nm之间；所述多量子阱有源层9中In的摩尔组分含量是不变的，在10%-50%之间；垒层厚度不变，厚度在10-15nm之间，生长温度在820-920℃之间，压力在100-500 Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-5000之间。
步骤十，所述多量子阱有源层9生长结束后，生长厚度为10-100nm的低温P型GaN层10，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300-4800；
步骤十一，所述低温P型GaN层10生长结束后，生长厚度为10-50nm的P型AlGaN层11，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5-800，P型AlGaN层11中Al的摩尔组分含量控制在10%-30%之间；
步骤十二，所述P型AlGaN层11生长结束后，生长厚度为100-800nm的高温P型GaN层12，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；
步骤十三，所述高温P型GaN层12生长结束后，生长厚度在5-20nm之间的P型接触层13，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，氨气的流量为10至40升每分钟；
步骤十四，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，即得到本发明的LED外延结构。
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。

Claims (3)

1.一种提高氮化镓基电流扩展的外延结构，其特征在于，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、n型GaN层、n型GaN层n1层、n型AlGaN层、n型GaN层n2层、n型GaN层LN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。
2.根据权利要求1所述的提高氮化镓基电流扩展的外延结构，其特征在于，所述n型GaN层LN层包括三层：n型GaN层nGaN3-1层、n型AlGaN层和n型GaN层nGaN3-2层。
3.根据权利要求2所述的提高氮化镓基电流扩展的外延结构的生长方法，其特征在于，所述n型GaN层LN层的生长步骤如下：
   （1）先生长n型GaN层nGaN3-1层，生长时间在0-8min，生长温度在1000-1200℃之间，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为100-2500；
   （2）接着生长n型AlGaN层，生长时间在1-10min，生长温度在990-1200℃之间，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为10-800；
   （3）最后再生长n型GaN层nGaN3-2层，生长时间在0-8min，生长温度在1000-1200℃之间，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为100-2500。
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