CN103715322B - 一种新型GaN基LED结构及制备方法 - Google Patents

一种新型GaN基LED结构及制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103715322B
CN103715322B CN201310744819.4A CN201310744819A CN103715322B CN 103715322 B CN103715322 B CN 103715322B CN 201310744819 A CN201310744819 A CN 201310744819A CN 103715322 B CN103715322 B CN 103715322B
Authority
CN
China
Prior art keywords
gan
temperature
layer
gan layer
type gan
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201310744819.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103715322A (zh
Inventor
杨晓杰
李晓东
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SUZHOU MATRIX OPTICAL Co Ltd
Original Assignee
SUZHOU MATRIX OPTICAL Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SUZHOU MATRIX OPTICAL Co Ltd filed Critical SUZHOU MATRIX OPTICAL Co Ltd
Priority to CN201310744819.4A priority Critical patent/CN103715322B/zh
Publication of CN103715322A publication Critical patent/CN103715322A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103715322B publication Critical patent/CN103715322B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0075—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds comprising nitride compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system containing nitrogen
    • H01L33/325—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system containing nitrogen characterised by the doping materials

Abstract

本发明提供一种新型GaN基LED结构及制备方法，属于半导体光电子器件的制备领域。本发明区别现有技术的核心是：通过在p+-GaN层和n+-GaN层上高温生长掺杂Mg的p-型GaN外延层。其中n+-GaN层中的Si原子可以有效地抑制GaN外延层的点缺陷的形成和发光淬灭现象，p+-GaN层有助于提高空穴电流的注入效率并降低LED的工作电压。在p+-GaN层和n+-GaN层上高温生长GaN基LED，提高了p-型GaN的晶体质量及其中的空穴浓度与迁移率，从而改善了空穴电流的向量子阱有源区的注入效率和LED的发光效率。

Description

一种新型GaN基LED结构及制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型GaN基LED结构及制备方法，属于半导体光电子器件的制备领域。
背景技术
氮化镓(GaN)基发光二极管（LED）在全色显示和固态照明等诸多领域得到了广泛的应用，这都取决于掺杂Mg的p型GaN的生长得以了实现，高亮度蓝光和绿光LED的生产已经成为现实，并在商业应用上的地位显得越来越重要。LED的最初的基本结构就是一个同质的PN结，为了提高发光的效率，后来在PN结的中间加上了多层的量子阱结构，即multiple quantum well（MQW）。目前的LED结构生长都是先生长n型的GaN，接着生长中间的量子阱（MQW）结构，再生长p型的GaN层，即n型-GaN/MQW/p型-GaN结构LED，这就是商业上应用的蓝、绿光LED的基本结构。
如中国专利201080019516就是采用这种n型-GaN/MQW/p型-GaN。主要原因在于：1.n型GaN外延层的晶体质量通常要好于p型GaN外延层,所以在n型GaN层上能获得高质量的MQW有源区；2.n型-GaN中掺杂的Si施主(表示贡献电子的原子)很容易被激活，n型-GaN的电导率远高于p型-GaN的电导率，因此在n型-GaN/MQW/p型-GaN结构的LED中可以实现高电流扩展和低工作电压。在高掺杂Si的n+型GaN上生长粗糙的掺杂Mg的p型隧穿层，然后再依次生长p型GaN,Mg和Si共掺杂中间层，MQW有源区和n型GaN可以制作出工作电压在3.5伏的p型-GaN/MQW/n型-GaN结构LED，其中引入Mg和Si共掺杂中间层可以显著地提高MQW有源区的晶体质量和发光效率，引入高掺杂n型GaN和掺杂Mg的p型隧穿层是为了有效地降低工作电压。由于Mg在p型GaN外延层中的活化能很高，低温生长的掺杂Mg的p型GaN的晶体质量不够高，载流子浓度低，电阻率很高，所以需要新的器件结构和生长方法来提高LED的性能。
如中国专利201080019516所述，目前商业上应用的LED的基本的结构就是先n型GaN，中间生长多层量子阱结构（MQW），再生长p型GaN层。虽然GaN基LED已经得到了广泛的应用，但其性能仍有待进一步提高，比如说降低工作电压、提高发光效率和亮度以及产品可靠性等关键问题。在GaN外延层中掺杂Mg作为受主，即生长高质量的p型GaN层一直是整个LED结构中需要攻克的难题，主要体现在如何得到高的空穴浓度和迁移率。一方面，GaN外延层中Mg的活化需要较高的生长温度，然而高温生长p型GaN会严重影响中间多层量子阱（MQW）的质量，尤其是InGaN量子阱中In(铟)原子向GaN势垒层扩散会破坏多层量子阱的晶体质量和量子效应，从而影响了整个LED的发光效率；另一方面，如果p型GaN层中Mg的活化效率不高，会影响到整个LED的工作电压。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中GaN基LED发光效率不高、工作电压高的问题，从而提出一种新型的GaN基LED结构及制备方法。
为解决上述技术问题，本发明首先提出一种GaN基LED结构的制备方法，先高温生长p型GaN，接着生长中间多层量子阱结构（MQW），再生长n型GaN层，所述高温在1000摄氏度以上。
在高温生长p型GaN之前，先生长高掺杂Si的n+型GaN层和高掺杂Mg的p+-GaN。其中n+-GaN层中的Si原子可以有效地抑制GaN外延层的点缺陷的形成和发光淬灭现象，p+-GaN层有助于提高空穴电流的注入效率并降低LED的工作电压。
所述制备方法具体包括以下步骤：
S1:首先将图形化蓝宝石衬底在温度为1000℃至1200℃的氢气气氛下处理，去除表面的杂质微粒；
S2:在前面高温处理后将温度降低到500℃至600℃，低温生长厚度为20nm至30nm的GaN缓冲层；
S3:将温度升高到1010℃到1030℃，高温生长2000nm至2500nm不掺杂的GaN，即u型GaN；
S4:将温度升高到1020℃到1030℃，高温生长掺杂Si的GaN，即n型GaN，厚度为3000nm；
S5:温度继续保持在1020℃到1030℃，生长高掺杂Si的GaN，即n+型GaN层，厚度为20nm至40nm；
S6:温度继续保持在1020℃到1030℃，生长高掺杂Mg的GaN，即p+型GaN层，厚度为20至40nm；
S7：温度继续保持在1020℃到1030℃，生长掺杂Mg的GaN，即p型GaN层，厚度为1000nm至1500nm；
S8：将温度降至810℃到820℃，生长浅阱MQW层，即InxGa1-xN/GaN层，生长周期为2到4；
S9：将温度降低到740℃至760℃，生长MQW有源区的InyGa1-yN量子阱层，其中y大于S8中的x，然后将温度升高到830℃至850℃，生长MQW有源区的GaN势垒层，MQW的周期为9至15；
S10：将温度调整到750℃至810℃，生长低温掺杂Si的GaN层，即n型GaN层；
S11：将温度保持在750℃至810℃，生长掺杂Si的InGaN层，即欧姆接触层；
S12：整个GaN结构生长完后，将温度降低到710℃至730℃，在氮气气氛下进行退火处理。
本发明还相应提供一种GaN基LED结构，包括掺杂Mg的p型GaN层，和掺杂Si的n型GaN层，所述掺杂Mg的p型GaN层在掺杂Si的n型GaN层下方。
所述GaN基LED结构还包括高掺杂Mg的p+-GaN层，和高掺杂Si的n+型GaN层，所述高温掺杂Mg的p型GaN层在所述高掺杂Mg的p+-GaN层上方，所述高掺杂Mg的p+-GaN层在高掺杂Si的n+型GaN层上方。
具体的说，所述GaN基LED结构从下往上依次包括：图形化蓝宝石衬底，20-30nm不掺杂的GaN缓冲层，2000-2500nm不掺杂的GaN缓冲层，3000nm掺杂Si的n型GaN，20至40nm高掺杂Si的n+型GaN，20至40nm高掺杂Mg的p+型GaN，1000至1500nm掺杂Mg的p型GaN，2-4周期InxGa1-xN/GaN浅MQW，InyGa1-yN/GaN MQW有源区的量子阱层(其中y大于x)，GaN势垒层，掺杂Si的n型GaN层，和掺杂Si的InGaN欧姆接触层。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
1，由于在中高温生长p型GaN外延层可以显著提高其晶体质量及其中Mg的活化率以及空穴浓度和迁移率；
2，避免了在量子阱（MQW）有源区上高温生长p型GaN外延层对量子阱的破坏；
3，n+-GaN层中的Si原子可以有效地抑制GaN外延层的点缺陷的形成和发光淬灭现象，p+-GaN层有助于提高空穴电流的注入效率并降低LED的工作电压。在p+-GaN层和n+-GaN层上高温生长GaN基LED，提高了p-型GaN的晶体质量及其中的空穴浓度与迁移率，从而改善了空穴电流的向量子阱有源区的注入效率和LED的发光效率。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是现有技术中GaN型LED结构；
图2是本发明所述的新型GaN基LED结构示意图；
图3是本发明所述的新型GaN基LED制备方法流程图。
具体实施方式
根据本发明的一个实施例，图2是本发明所述的新型GaN基LED结构，从下往上依次包括：图形化蓝宝石衬底，20-30nm不掺杂的GaN缓冲层，2000-2500nm不掺杂的GaN缓冲层，3000nm掺杂Si的n型GaN，20至40nm高掺杂Si的n+型GaN，20至40nm高掺杂Mg的p+型GaN，1000至1500nm掺杂Mg的p型GaN，2-4周期InxGa1-xN/GaN浅MQW，InyGa1-yN/GaN MQW有源区的量子阱层(其中y大于x)，GaN势垒层，掺杂Si的n型GaN层，和掺杂Si的InGaN欧姆接触层。
根据本发明的一个实施例，图3为GaN基LED结构的具体生长流程，主要处理方案为先生长p型GaN，接着生长中间多层量子阱结构（MQW），再生长n型GaN层，具体的结构生长工艺见如下描述：
首先将图形化蓝宝石衬底（Patterned Sapphire Substrate，PSS）在温度为1000℃至1200℃的氢气气氛下处理，去除表面的杂质微粒；
在前面高温处理后将温度降低到500℃至600℃，低温生长20nm至30nm的缓冲层GaN；
将温度升高到1010℃到1030℃，高温生长2000nm至2500nm不掺杂的GaN，即u型GaN；
将温度升高到1020℃到1030℃，高温生长掺杂Si的GaN，即n型GaN，厚度为3000nm；
温度继续保持在1020℃到1030℃，生长高掺杂Si的GaN，即n+型GaN层，厚度为20nm至40nm；
温度继续保持在1020℃到1030℃，生长Mg高掺杂的GaN，即p+型GaN层，厚度为20nm至40nm；
温度继续保持在1020℃到1030℃，生长掺杂Mg的GaN，即p型GaN层，厚度为1000nm至1500nm；
将温度降至810℃到820℃，生长浅阱MQW层，即InxGa1-xN/GaN层，生长周期为2到4；
将温度降低到740℃至760℃，生长MQW有源区的InyGa1-yN量子阱层(其中y大于x)，然后将温度升高到830℃至850℃，生长MQW有源区的势垒层，生长周期为9至15；
将温度降低到750℃至810℃，生长低温的掺杂Si的GaN层，即n型GaN层；
将温度维持在750℃至810℃，生长高温的掺杂Si的InGaN层，即欧姆接触层；
整个GaN结构生长完后，将温度降低到710℃至730℃，在氮气气氛下进行退火处理。
本发明的技术方案中，高温生长p型GaN外延层可以显著提高其晶体质量及其中Mg的活化率以及空穴浓度和迁移率，避免了在量子阱（MQW）有源区上高温生长p型GaN外延层对量子阱的破坏，在n+-GaN层中的Si原子可以有效地抑制GaN外延层的点缺陷的形成和发光淬灭现象，p+-GaN层有助于提高空穴电流的注入效率并降低工作电流,因此在p+-GaN层和n+-GaN层生长GaN基LED，可以同时提高晶体质量和发光效率。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种GaN基LED结构的制备方法，其特征在于：先高温生长p型GaN，接着生长中间多层量子阱结构(MQW)，再生长n型GaN层，所述高温在1000℃以上；
在高温生长p型GaN之前，先生长高掺杂Si的n+型GaN层和高掺杂Mg的p+-GaN；
所述制备方法具体包括以下步骤：
S1:首先将图形化蓝宝石衬底在温度为1000℃至1200℃的氢气气氛下处理，去除表面的杂质微粒；
S2:在前面高温处理后将温度降低到500℃至600℃，低温生长厚度为20nm至30nm的GaN缓冲层；
S3:将温度升高到1010℃到1030℃，高温生长2000nm至2500nm不掺杂的GaN，即u型GaN；
S4:将温度升高到1020℃到1030℃，高温生长掺杂Si的GaN，即n型GaN，厚度为3000nm；
S5:温度继续保持在1020℃到1030℃，生长高掺杂Si的GaN，即n+型GaN层，厚度为20nm至40nm；
S6:温度继续保持在1020℃到1030℃，生长高掺杂Mg的GaN，即p+型GaN层，厚度为20至40nm；
S7：温度继续保持在1020℃到1030℃，生长掺杂Mg的GaN，即p型GaN层，厚度为1000nm至1500nm；
S8：将温度降至810℃到820℃，生长浅阱MQW层，即InxGa1-xN/GaN层，生长周期为2到4；
S9：将温度降低到740℃至760℃，生长MQW有源区的InyGa1-yN量子阱层，其中y大于S8中的x，然后将温度升高到830℃至850℃，生长MQW有源区的GaN势垒层，MQW的周期为9至15；
S10：将温度调整到750℃至810℃，生长低温掺杂Si的GaN层，即n型GaN层；
S11：将温度保持在750℃至810℃，生长掺杂Si的InGaN层，即欧姆接触层；
S12：整个GaN结构生长完后，将温度降低到710℃至730℃，在氮气气氛下进行退火处理。
2.一种GaN基LED结构，包括高温掺杂Mg的p型GaN层，和掺杂Si的n型GaN层，其特征在于，所述掺杂Si的n型GaN层在所述高温掺杂Mg的p型GaN层之上；
还包括高掺杂Mg的p+-GaN层和高掺杂Si的n+型GaN层，所述高温掺杂Mg的p型GaN层在所述高掺杂Mg的p+-GaN层之上，所述高掺杂Mg的p+-GaN层在高掺杂Si的n+型GaN层之上；
所述GaN基LED结构从下往上依次包括：图形化蓝宝石衬底，20-30nmu-GaN缓冲层，2000-2500nm u-GaN缓冲层，3000nm n型GaN，20至40nm高掺杂Si的n+型GaN，20至40nm高掺杂Mg的p+型GaN，1000至1500nm掺杂Mg的p型GaN，2-4周期InxGa1-xN/GaN浅MQW，9-15周期InyGa1-yN/GaN MQW有源区，其中y大于x，掺杂Si的n型GaN层和掺杂Si的InGaN欧姆接触层。
CN201310744819.4A 2013-12-30 2013-12-30 一种新型GaN基LED结构及制备方法 Active CN103715322B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310744819.4A CN103715322B (zh) 2013-12-30 2013-12-30 一种新型GaN基LED结构及制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310744819.4A CN103715322B (zh) 2013-12-30 2013-12-30 一种新型GaN基LED结构及制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103715322A CN103715322A (zh) 2014-04-09
CN103715322B true CN103715322B (zh) 2016-08-31

Family

ID=50408124

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310744819.4A Active CN103715322B (zh) 2013-12-30 2013-12-30 一种新型GaN基LED结构及制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103715322B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104810446B (zh) * 2015-03-03 2018-10-09 华灿光电股份有限公司 一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法
CN106449661B (zh) * 2016-11-17 2019-07-05 中山大学 一种GaN基LED与TFT异质单片集成的LED微显示像素单元结构
CN107863432B (zh) * 2017-11-24 2019-08-06 厦门乾照光电股份有限公司 一种提升led性能的led制备方法以及led芯片
CN110379895B (zh) * 2019-07-25 2022-04-22 湘能华磊光电股份有限公司 Led外延生长方法
CN110350056B (zh) * 2019-07-25 2022-04-22 湘能华磊光电股份有限公司 一种led外延层生长方法
CN111769180B (zh) * 2020-07-10 2021-04-13 湘能华磊光电股份有限公司 适用于小间距显示屏的led外延生长方法
CN111769181B (zh) * 2020-07-10 2021-04-13 湘能华磊光电股份有限公司 一种适用于小间距显示屏的led外延生长方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101689594A (zh) * 2007-07-09 2010-03-31 欧司朗光电半导体有限公司 发射辐射的半导体本体
CN102208503A (zh) * 2011-01-25 2011-10-05 中山大学佛山研究院 一种发光二极管外延结构及其制造方法
CN203733827U (zh) * 2013-12-30 2014-07-23 苏州矩阵光电有限公司 一种新型GaN基LED结构

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6720570B2 (en) * 2002-04-17 2004-04-13 Tekcore Co., Ltd. Gallium nitride-based semiconductor light emitting device
US7170097B2 (en) * 2003-02-14 2007-01-30 Cree, Inc. Inverted light emitting diode on conductive substrate

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101689594A (zh) * 2007-07-09 2010-03-31 欧司朗光电半导体有限公司 发射辐射的半导体本体
CN102208503A (zh) * 2011-01-25 2011-10-05 中山大学佛山研究院 一种发光二极管外延结构及其制造方法
CN203733827U (zh) * 2013-12-30 2014-07-23 苏州矩阵光电有限公司 一种新型GaN基LED结构

Also Published As

Publication number Publication date
CN103715322A (zh) 2014-04-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103715322B (zh) 一种新型GaN基LED结构及制备方法
CN104393124B (zh) 一种发光二极管外延片结构的制备方法
CN102157657B (zh) 一种GaN基发光二极管以及制作方法
CN106816501B (zh) 一种氮化镓基发光二极管的外延片及其制作方法
CN105633235B (zh) 一种n型GaN结构的GaN基LED外延结构及生长方法
CN102969416A (zh) 一种氮化物led外延片及其生长方法
CN106159048B (zh) 一种发光二极管外延片及其生长方法
CN106299052B (zh) 一种用于LED的GaN外延结构以及制备方法
CN103531680A (zh) 一种led外延结构及其制备方法
CN102005513A (zh) 具有低温p型GaN层的氮化镓系发光二极管
CN104641475B (zh) 一种发光装置
CN106876529B (zh) 一种氮化镓基发光二极管的外延片及其制备方法
CN102214740A (zh) 一种提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法
CN105206726A (zh) 一种led结构及其生长方法
CN102364706A (zh) 一种发光二极管的外延生产方法
CN103730555B (zh) 氮化物半导体发光器件
CN102044598A (zh) 一种GaN基发光二极管外延片及其生长方法
CN104022203B (zh) 一种GaN基发光二极管结构及其制备方法
CN106129196A (zh) 一种用于倒装led芯片的外延片及其制备方法
CN103594579B (zh) 一种氮化物发光二极管的外延结构
CN106876530B (zh) 一种氮化镓基发光二极管的外延片及其制作方法
CN104319317B (zh) 一种可有效提高p‑GaN空穴注入层质量的外延生产方法
CN205092260U (zh) GaN基LED外延结构
CN203850331U (zh) 一种氮化镓基发光二极管外延片
CN104465916A (zh) 氮化镓发光二极管外延片

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant