CN104409590B - Led外延结构及其生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LED外延结构，包括：蓝宝石衬底；低温缓冲层，位于所述蓝宝石衬底之上；高温GaN层，位于低温缓冲层之上；高温N型GaN层，位于高温GaN层之上；过渡层，位于高温N型GaN层之上，其中过渡层为Si3N4/GaN超晶格层和不掺杂的GaN层交替排列的过渡层，该过渡层的厚度为30‑120nm；发光层，位于过渡层之上，发光层包括交替排列的掺杂In的InxGa(1‑x)N层和不掺杂的GaN层；P型AlGaN层，位于发光层之上；以及，高温P型GaN层，位于P型AlGaN层之上。本发明还公开了一种LED外延结构的生长方法。本发明提供的LED外延结构减少了高温N型GaN层和发光层之间的应力。

Description

LED外延结构及其生长方法
技术领域
本申请涉及LED外延结构制造技术，更具体地，涉及一种在N层和发光层之间插入一层Si3N4/GaN超晶格的LED外延结构及其生长方法。
背景技术
目前国内MOCVD外延生长技术涵盖LED行业技术的70％左右，如何生长更好的外延片日益受到重视，外延技术中比较关键的就是如何提高量子阱的复合效率，宏观上来说就是如何提高发光层的出光效率；
LED是一个PN节，主要是分为N型GaN，发光层，P型GaN，发光层一般是InGaN/GaN对组成的超晶格，InGaN材料和GaN材料存在着很大的晶格失配度，导致发光层和N型GaN之间存在着很大的应力，应力的存在会使得发光层内部的载流子复合效率偏低，从而LED器件的发光效率受到影响。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种LED外延结构及其生长方法以解决上述问题，在N层和发光层之间插入一层Si3N4/GaN超晶格，释放高温N型GaN层和发光层之间的应力，增加器件发光效率。
本申请公开了一种LED外延结构，包括：
蓝宝石衬底；
低温缓冲层，位于所述蓝宝石衬底之上；
高温GaN层，位于所述低温缓冲层之上；
高温N型GaN层，位于所述高温GaN层之上；
过渡层，位于所述高温N型GaN层之上，其中所述过渡层为Si3N4/GaN超晶格层和不掺杂的GaN层交替排列的过渡层，该过渡层的厚度为30-120nm；
发光层，位于所述过渡层之上，所述发光层包括交替排列的掺杂In的InxGa(1-x)N层和不掺杂的GaN层；
P型AlGaN层，位于所述发光层之上；以及，
高温P型GaN层，位于所述P型AlGaN层之上。
优选地，所述过渡层中Si3N4/GaN超晶格层和不掺杂GaN层的周期为10-20层。
优选地，所述过渡层中的Si3N4/GaN超晶格层的厚度为1-2nm、不掺杂GaN层的厚度为2-4nm。
优选地，所述过渡层的生长条件为：生长温度为750-850℃，生长压力为300-400mbar。
优选地，所述Si3N4/GaN超晶格层为通入SiH4和NH3生长的Si3N4/GaN超晶格层，所述不掺杂GaN层为通入TMGa和NH3生长的不掺杂GaN层。
本发明还提供一种LED外延结构生长方法，包括以下步骤：
准备并处理蓝宝石衬底：在1000-1200℃，反应腔压力维持在75-150mbar的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底5-10分钟；
在所述蓝宝石衬底上生长低温缓冲层：降温至550-650℃下，生长低温缓冲层厚度为20-50nm，反应腔压力维持在400-600mbar；
在所述低温缓冲层上生长高温GaN层，升高温度到1000-1200℃下，反应腔压力维持在150-300mbar，持续生长2-4μm的不掺杂的高温GaN层；
在所述高温GaN层上持续生长掺杂Si的高温N型GaN层，温度维持在1000-1200℃下，Si掺杂浓度5×1018-1×1019，总厚度控制在2-4μm；
在所述高温N型GaN层上生长过渡层，该过渡层的厚度为30-120nm，该过渡层为Si3N4/GaN超晶格层和不掺杂的GaN层交替排列的过渡层；
在所述过渡层上生长发光层，反应腔压力维持在300-400mbar，低温700-750℃生长掺杂In的3-4nm的InxGa(1-x)N层，其中x＝0.15-0.25，In掺杂浓度1×1020-3×1020，高温800-850℃生长10-15nmGaN层，InxGa(1-x)N/GaN周期数为10-15；
在所述发光层上生长P型AlGaN层，升高温度到900-1000℃，反应腔压力维持在200-400mbar，持续生长20-50nm的所述P型AlGaN层，Al掺杂浓度1×1020-3×1020，Mg掺杂浓度5×1018-1×1019；
在所述P型AlGaN层上生长高温P型GaN层，升高温度到930-950℃，反应腔压力维持在200-600mbar，持续生长100-300nm的掺镁的高温P型GaN层，Mg掺杂浓度1×1019-1×1020；
降温至700-800℃，保温20-30min，冷却。
优选地，所述过渡层中生长Si3N4/GaN超晶格层和不掺杂GaN层的周期为10-20层。
优选地，所述过渡层中的Si3N4/GaN超晶格层的生长厚度为1-2nm、不掺杂GaN层的生长厚度为2-4nm。
优选地，所述过渡层的生长条件为：生长温度为750-850℃，生长压力为300-400mbar。
优选地，所述Si3N4/GaN超晶格层为通入SiH4和NH3生长的Si3N4/GaN超晶格层，所述不掺杂GaN层为通入TMGa和NH3生长的不掺杂GaN层。
本申请提供的LED外延结构，相比现有技术相比，达到如下效果：
1)通过在高温N型GaN层和发光层之间插入过渡层Si3N4/GaN超晶格，进一步减少N型层位错继续向发光层延伸，Si3N4/GaN生长方法可以适当的诱导位错在Si3N4/GaN内终结形成位错环，使得原本的位错不再继续延伸。
2)Si3N4/GaN生长温度低于高温N型GaN层生长温度达200-300℃，低温Si3N4/GaN表面相对N型高温GaN层表面相对粗糙，为InGaN/GaN发光层生长提供一个良好的生长表面，减少了高温N型GaN层和发光层之间的应力。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明的LED外延结构示意图；
图2为本发明实施例的LED外延结构生长方法流程图；
图3为本发明实施例的对比试验结果亮度对比图。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
实施例一：
如图1所示，本实施例提供一种LED外延结构，自下而上依次的包括：
蓝宝石衬底101，本实施例中蓝宝石衬底为C-Plane蓝宝石基板。但需注意的是，本发明并不限定所提供蓝宝石衬底的类型与参数，例如厚度、直径、晶向、翘曲度等，具体参数依据具体设计要求而定。
低温缓冲层102，位于所述蓝宝石衬底101之上；
高温GaN层103，位于所述低温缓冲层102之上；
高温N型GaN层104，位于所述高温GaN层103之上；
过渡层105，位于所述高温N型GaN层104之上，其中所述过渡层105为Si3N4/GaN超晶格层和不掺杂的GaN层交替排列的过渡层，该过渡层105的厚度为30-120nm；
发光层106，位于所述过渡层105之上，本发明中的发光层106为有源层MQW，所述发光层包括交替排列的掺杂In的InxGa(1-x)N层和不掺杂的GaN层；
P型AlGaN层107，位于所述发光层106之上；以及，
高温P型GaN层108，位于所述P型AlGaN层107之上。
其中，过渡层105中Si3N4/GaN超晶格层和不掺杂GaN层的周期为10-20层。过渡层105中的Si3N4/GaN超晶格层的厚度为1-2nm、不掺杂GaN层的厚度为2-4nm。该过渡层105的生长条件为：生长温度为750-850℃，生长压力为300-400mbar。
本实施例中Si3N4/GaN超晶格层为同时通入SiH4和NH3生长的Si3N4/GaN超晶格层，不掺杂GaN层为同时通入TMGa和NH3生长的不掺杂GaN层。
本实施例还提供一种LED外延结构生长方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤301：在1000-1200℃，反应腔压力维持在75-150mbar的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底5-10分钟；
步骤302：在蓝宝石衬底上生长厚度为20-50nm的低温缓冲层，降温至550-650℃下，反应腔压力维持在400-600mbar；
步骤303：在所述低温缓冲层上生长高温GaN层，升高温度到1000-1200℃下，反应腔压力维持在150-300mbar，持续生长2-4μm的不掺杂的高温GaN层；
步骤304：在所述高温GaN层上持续生长掺杂Si的高温N型GaN层，温度维持在1000-1200℃下，Si掺杂浓度5×1018-1×1019，总厚度控制在2-4μm；
步骤305：在所述高温N型GaN层上生长厚度30-120nm的过渡层，该过渡层为Si3N4/GaN超晶格层和不掺杂的GaN层交替排列的过渡层；
步骤306：在所述过渡层上生长发光层，本发明中的发光层为有源层MQW，反应腔压力维持在300-400mbar，低温700-750℃生长掺杂In的3-4nm的InxGa(1-x)N层，其中x＝0.15-0.25，In掺杂浓度1×1020-3×1020，高温800-850℃生长10-15nmGaN层。InxGa(1-x)N/GaN周期数为10-15；
步骤307：在所述发光层上生长P型AlGaN层，升高温度到900-1000℃，反应腔压力维持在200-400mbar，持续生长20-50nm的所述P型AlGaN层，Al掺杂浓度1×1020-3×1020，Mg掺杂浓度5×1018-1×1019；
步骤308：在所述P型AlGaN层上生长高温P型GaN层，升高温度到930-950℃，反应腔压力维持在200-600mbar，持续生长100-300nm的掺镁的高温P型GaN层，Mg掺杂浓度1×1019-1×1020；
步骤309：降温至700-800℃，保温20-30min，冷却。
其中步骤305中，过渡层中生长Si3N4/GaN超晶格层和不掺杂GaN层的周期为10-20层，Si3N4/GaN超晶格层的生长厚度为1-2nm、不掺杂GaN层的生长厚度为2-4nm。过渡层的生长条件为：生长温度为750-850℃，生长压力为300-400mbar。所述Si3N4/GaN超晶格层为通入SiH4和NH3生长的Si3N4/GaN超晶格层，所述不掺杂GaN层为通入TMGa和NH3生长的不掺杂GaN层。
实施例二
本实施例中按照以下步骤生长LED外延结构：
1)在1100℃，反应腔压力维持在100mbar的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底8分钟；
2)降温至600℃下，反应腔压力维持在500mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为35nm的低温缓冲层GaN；
3)升高温度到1100℃下，反应腔压力维持在250mbar，持续生长3μm的不掺杂GaN层；
4)温度1100℃，压力300mbar，通入250sccm TMGa、60000sccmNH3和30sccmSiH4，生长时间2000s，持续生长掺杂Si的N型GaN层，Si掺杂浓度7×1018，总厚度控制在3μm；
5)降低温度到800℃下，反应腔压力维持在300-400mbar，生长过渡层Si3N4/GaN超晶格：(1)同时通入10sccm的SiH4和60000sccm的NH3生长30s，生长2nm厚的Si3N4超晶格层，(2)同时通入40sccm的TMGa和60000sccm的NH3生长60s，生长3nm的GaN材料，(1)(2)为周期交替生长，周期数为15，总厚度75nm，具体的生长条件请参考表1中的步骤5；
6、生长发光层，本实施例中为周期性生长有缘层MQW，反应腔压力维持在300mbar，低温750℃生长掺杂In的3nm InxGa(1-x)N(x＝0.15-0.25)层，In掺杂浓度2×1020，高温850℃生长15nmGaN层。InxGa(1-x)N/GaN周期数为15；
表1 Si3N4/GaN超晶格生长参数的举例
7、再升高温度到1000℃，反应腔压力维持在300mbar，持续生长40nm的P型AlGaN层，Al掺杂浓度2×1020，Mg掺杂浓度8×1019；
8、再升高温度到940℃，反应腔压力维持在400mbar，持续生长200nm的掺镁的P型GaN层，Mg掺杂浓度1×1020；
9、最后降温至800℃，保温20-30min，接着炉内冷却；
对比试验：
对比试验1为根据现有技术的LED外延结构的生长方法制备150颗样品1，对比试验2为根据本发明实施例二提供的LED外延结构生长方法制备150颗样品2。样品2在样品1的基础上增加了过渡层Si3N4/GaN超晶格，生长参数见上表1，生长其它外延层的生长条件完全一样，生长完后取出在相同的条件下测试外延片的发光波长和表面粗糙度见表2。
对比试验1：
1)在1100℃，反应腔压力维持在100mbar的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底8分钟；
2)降温至600℃下，反应腔压力维持在500mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为35nm的低温缓冲层GaN；
3)升高温度到1100℃下，反应腔压力维持在250mbar，持续生长3μm的不掺杂GaN；
4)温度1100℃，压力300mbar，通入250sccm TMGa、60000sccmNH3和30sccmSiH4，生长时间2000s，持续生长掺杂Si的N型GaN层，Si掺杂浓度7×1018，总厚度控制在3μm；
5)生长发光层，本实施例中为周期性生长有缘层MQW，反应腔压力维持在300mbar，低温750℃生长120s掺杂In的3nm InxGa(1-x)N(x＝0.15-0.25)层，In掺杂浓度2×1020，高温850℃生长450s的15nmGaN层。InxGa(1-x)N/GaN周期数为15；
6)再升高温度到1000℃，反应腔压力维持在300mbar，持续生长40nm的P型AlGaN层，Al掺杂浓度2×1020，Mg掺杂浓度8×1019；
7)再升高温度到940℃，反应腔压力维持在400mbar，持续生长200nm的掺镁的P型GaN层，Mg掺杂浓度1×1020；
8)最后降温至800℃，保温20-30min，接着炉内冷却。
对比试验2：按照实施例二的步骤生长LED外延结构。
按照对比试验1和对比试验2得到样品1和样品2后，在相同的条件下将各样品研磨切割成762μm×762μm(或者30mil×30mil)的芯片颗粒，然后样品1和样品2在相同位置各自挑选150颗晶粒，在相同的封装工艺下，封装成白光LED。然后采用积分球在驱动电流350mA条件下测试样品1和样品2的光电性能见图3和表2。
表2 样品1和样品2外延测试数据
将积分球获得的数据进行分析对比，参考图3和表2数据得出：(1)样品2较样品1光输出高出约4％-5％，主要是因为Si3N4/GaN超晶格释放了发光层的应力增加了电子和空穴的复合效率，增加了光输出；(2)样品2较样品1的ESD(抗静电能力)增加5％左右，主要是Si3N4/GaN超晶格阻挡了一部分位错向表面延伸，提高了发光层和P型覆盖层的晶体质量，提高器件的抗静电能力；其它电性参数保持不变。
本申请提供的LED外延结构，与现有技术相比，达到了如下效果：
1)通过在高温N型GaN层和发光层之间插入过渡层Si3N4/GaN超晶格，进一步减少N型层位错继续向发光层延伸，Si3N4/GaN生长方法可以适当的诱导位错在Si3N4/GaN内终结形成位错环，使得原本的位错不再继续延伸。
2)Si3N4/GaN生长温度低于高温N型GaN层生长温度达200-300℃，低温Si3N4/GaN表面相对N型高温GaN层表面相对粗糙，为InGaN/GaN发光层生长提供一个良好的生长表面，减少了高温N型GaN层和发光层之间的应力。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者系统中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种LED外延结构，其特征在于，包括：
蓝宝石衬底；
低温缓冲层，位于所述蓝宝石衬底之上；
不掺杂的高温GaN层，位于所述低温缓冲层之上；
掺杂Si的高温N型GaN层，位于所述高温GaN层之上，生长温度为1100℃；
过渡层，位于所述高温N型GaN层之上，生长温度为800℃，生长压力为300mbar至400mbar，其中所述过渡层为Si3N4层和不掺杂的GaN层交替排列的Si3N4/GaN超晶格层，且Si3N4/GaN超晶格层的生长周期为15，该过渡层的厚度为75nm，所述过渡层中的Si3N4层的厚度为2nm、不掺杂GaN层的厚度为3nm；
发光层，位于所述过渡层之上，所述发光层包括交替排列的掺杂In的InxGa(1-x)N层和不掺杂的GaN层，其中，反应腔压力为300mbar，750℃生长掺杂In的InxGa(1-x)N层，厚度为3nm，In掺杂浓度为2×1020，在850℃生长GaN层，厚度为15nm，周期数为15，其中，x＝0.15-0.25；
P型AlGaN层，位于所述发光层之上；以及，
高温P型GaN层，位于所述P型AlGaN层之上。
2.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述Si3N4层为同时通入SiH4和NH3生长的Si3N4层，所述不掺杂GaN层为同时通入TMGa和NH3生长的不掺杂GaN层。
3.一种LED外延结构生长方法，其特征在于，包括以下步骤：
准备并处理蓝宝石衬底：在1000-1200℃，反应腔压力维持在75-150mbar的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底5-10分钟；
在所述蓝宝石衬底上生长低温缓冲层：降温至550-650℃下，生长低温缓冲层厚度为20-50nm，反应腔压力维持在400-600mbar；
在所述低温缓冲层上生长高温GaN层，升高温度到1000-1200℃下，反应腔压力维持在150-300mbar，持续生长2-4μm的不掺杂的高温GaN层；
在所述高温GaN层上持续生长掺杂Si的高温N型GaN层，温度维持在1100℃下，Si掺杂浓度5×1018-1×1019，总厚度控制在2-4μm；
在所述高温N型GaN层上生长过渡层，生长温度为800℃，生长压力为300mbar至400mbar，该过渡层的厚度为75nm，该过渡层为Si3N4和不掺杂的GaN层交替排列的Si3N4/GaN超晶格层，且Si3N4/GaN超晶格层的生长周期为15，所述过渡层中的Si3N4层的厚度为2nm、不掺杂GaN层的厚度为3nm；
在所述过渡层上生长发光层，反应腔压力维持在300mbar，低温750℃生长掺杂In的3nm的InxGa(1-x)N层，其中x＝0.15-0.25，In掺杂浓度2×1020，高温850℃生长15nmGaN层，InxGa(1-x)N/GaN周期数为15；
在所述发光层上生长P型AlGaN层，升高温度到900-1000℃，反应腔压力维持在200-400mbar，持续生长20-50nm的所述P型AlGaN层，Al掺杂浓度1×1020-3×1020，Mg掺杂浓度5×1018-1×1019；
在所述P型AlGaN层上生长高温P型GaN层，升高温度到930-950℃，反应腔压力维持在200-600mbar，持续生长100-300nm的掺镁的高温P型GaN层，Mg掺杂浓度1×1019-1×1020；
降温至700-800℃，保温20-30min，冷却。
4.如权利要求3所述的LED外延结构生长方法，其特征在于，所述Si3N4层为同时通入SiH4和NH3生长的Si3N4层，所述不掺杂GaN层为同时通入TMGa和NH3生长的不掺杂GaN层。
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