CN104538517B - 一种具有n型超晶格结构的LED外延结构及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有n型超晶格结构的LED外延结构及其制备方法，包括衬底，衬底上由下至上依次设置有成核层、缓冲层、n型结构、多量子阱发光层和P型GaN层；所述n型结构由下至上依次为插入层和n型GaN层，或者是n型GaN层、插入层和n型GaN层，或者是n型GaN层和插入层，所述插入层为LD/nAlXInYGa1‑X‑YN/HD的n型超晶格结构，LD层为低掺杂nAlUGa1‑UN层，HD层为高掺杂nAlZGa1‑ZN层。各个生长层均为金属有机物化学气相沉积外延生长。本发明采用LD/nAlXInYGa1‑X‑YN/HD的n型超晶格结构，减少结构的位错密度，阻挡电子外溢，提高材料的抗静电能力。可以提高电子浓度，从而提高电子迁移率，降低发光电压，管芯电压比正常电压低5%‑8%，抗静电能力表现良好。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于提高静电击穿电压的具有n型超晶格结构的LED外延结构及其生长方法，属于光电子芯片结构技术领域。
背景技术
半导体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，在全色显示、背光源、信号灯、光电计算机互联、短距离通信等领域有着广泛的应用，逐渐成为目前电子电力学领域研究的热点。氮化镓材料具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高稳定性等一系列优点，因此在高亮度蓝色发光二极管中有着广泛的应用和巨大的市场前景。照明领域对LED提出越来越高的要求，如何提高GaN基LED的发光效率、亮度和降低生产成本是LED行业关注的焦点。提供可靠的结构来提高光功率，从而大幅度提高LED产品的档次是当前研发的主要目标。
提高光电转换效率主要依靠提高内量子效率和外量子效率，目前内量子效率的提高已经接近理论的极限状态，而提升LED组建的光取出效率成为重要的课题。要求设计新的芯片结构来改善出光效率，进而提升发光效率（或外量子效率），目前国内外采用的主要工艺途径有：倒装技术、生长DBR反射层结构以及表面粗化技术、侧壁腐蚀技术和衬底图形化技术。n型区是制造GaN LED器件必不可少的重要环节，nGaN 结构及其外延生长方法是提高GaN基LED 光取出效率和降低串联电阻的关键。
中国专利文献CN102418146A公开的《一种有效提高GaN基LED发光效率的外延生长方法》， 该方法是在传统的GaN基LED结构：衬底上的缓冲层、uGaN层、nGaN、n型电流扩展层、n型空间层、量子阱有源区、p型电子阻挡层、p型GaN、接触层的基础上，在n型电流扩散层和n型空间层之间加入一步表面处理的程序，将从衬底和GaN界面延伸至电流扩散层的缺陷以及应力进行破坏和释放，之后再通过生长条件的控制将材料的表面恢复平整， 然后再生长量子阱有源区。与传统的生长技术相比，这样生长的量子阱受缺陷和应力的影响较小，能有效的提高样品的发光强度。但是该方法仅适用于蓝绿光波段的GaN基LED的外延生长。
CN201749864U公开的《一种具有较高静电击穿电压的GaN基LED》，其结构自下至上依次包括SiC或Si衬底、AlN缓冲层、N型GaN层、MQW层和P型GaN层，N型GaN层中设有一层厚度为20nm-100nm的AlGaN插入层。该LED是通过改变衬底材料和LED的生长结构，在SiC、Si衬底上直接在生长N型GaN层时插入一层AlGaN，从根本上增强发光二极管芯片的抗击穿电压，由于nGaN层本身较厚，插入AlGaN层时只需要引入TMA1，生长非常容易实现，反向抗静电能力由普通结构的500V-1000V提高到了2000V-4000V，反向击穿电压由原来的15V提高到30V，亮度由50-80mcd提高到了80-100mcd。
但是上述技术中，对于n型结构的处理，较难保证晶体的生长质量，后期芯片工艺容易产生裂片现象。
发明内容
针对现有GaN基LED结构存在的缺陷，本发明提供一种能够提高静电击穿电压的具有n型超晶格结构的LED外延结构，该结构能够束缚空穴、阻挡电子，从而提升亮度并且P型超晶格的晶格失配小。同时提供一种该结构的生长方法。
本发明的具有n型超晶格结构的LED外延结构，包括衬底，衬底上由下至上依次设置有成核层、缓冲层、n型结构、多量子阱发光层和P型GaN层；所述n型结构由下至上依次为插入层和n型GaN层，或者是n型GaN层、插入层和n型GaN层，或者是n型GaN层和插入层，所述插入层为LD/nAlXInYGa1-X-YN/HD的n型超晶格结构，LD层为低掺杂nAlUGa1-UN层，HD层为高掺杂nAlZGa1-ZN层，其中0≤U≤0.85，0＜Z≤0.9，0≤X≤0.5，0≤Y＜0.5，X+Y≤1。
所述衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底、氮化镓衬底之一。
所述成核层是氮化镓层、氮化铝层或铝镓氮层之一。
所述缓冲层是非掺杂的氮化镓层。
所述LD层的厚度为5-20nm，其中Si掺杂浓度为1×1016/cm-3-4×1018/cm-3。
所述HD层厚度为10-35nm，其中Si掺杂浓度为1.5×1019/cm-3-5×1020/cm-3。
所述nAlXInYGa1-X-YN层厚度为10-60nm，其中Si掺杂浓度为5×1017/cm-3-5×1019/cm-3。
所述LD/nAlXInYGa1-X-YN/HD的n型超晶格的循环周期为3-30。
所述多量子阱发光层，由5-20个周期的InGaN势阱层和GaN势垒层交互叠加构成；单个周期的所述InGaN势阱层的厚度为2-3.5nm，单个周期的所述GaN势垒层的厚度为3-14nm。
所述P型GaN层为掺Mg的GaN，Mg掺杂浓度为5×1018/cm-3-5×1019/cm-3。
在LED结构中所谓的掺杂就是指掺Si或掺Mg，本发明中低掺、高掺是指掺Si的浓度的相对高低。典型地如低掺n-GaN层中Si浓度约为1016/cm-3、高掺n-GaN层中Si浓度约为1020/cm-3。
在LED结构中，n型区的掺杂浓度主要取决于Si的浓度，Si浓度高，则电子浓度高，从而提高电子迁移率，降低发光电压。同时，n型区生长的好坏决定着整个LED结构的稳定性，特别反向电压、抗静电能力和漏电等参数。本发明的LED外延结构采用低掺与高掺的组合，不仅可以提供较多的电子，也为之后多量子阱层的生长提供稳定的基础。
上述具有n型超晶格结构的LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
（1）将衬底放入金属有机物化学气相沉积（MOCVD）设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1000-1300℃，处理5-15分钟；
（2）在处理过的衬底上生长成核层（氮化镓、氮化铝或者铝镓氮），生长温度440-800℃，厚度15-60nm；
（3）在成核层上生长缓冲层（非掺杂氮化镓），生长温度为1000-1200℃，厚度为1-2.5μm；
（4）在缓冲层上生长n型结构，包括插入层和n型GaN层，或者n型GaN层、插入层和n型GaN层，或者n型GaN层和插入层；其中插入层LD/nAlXInYGa1-X-YN/HD的n型超晶格的结构按以下步骤依次生长：
①LD层为低掺杂nAlUGa1-UN层，生长温度为650-1300℃，生长压力为300-800torr，Si浓度为1×1016/cm-3-4×1018/cm-3，厚度为5-20nm, 0≤U≤0.85；
②nAlXInYGa1-X-YN层生长温度为700-1350℃，生长压力为150-500torr，0≤X≤0.5，0≤Y＜0.5，X+Y≤1，厚度为10-60nm，Si掺杂浓度为5×1017/cm-3-5×1019/cm-3；
③HD层为高掺杂nAlZGa1-ZN层，生长温度为650-1300℃，生长压力为300-800torr，Si浓度为1.5×1019/cm-3-5×1020/cm-3，厚度为10-35nm, 0＜Z≤0.9；
LD/nAlXInYGaN1-X-Y/HD的n型超晶格周期为3-30；
插入层LD/nAlXInYGa1-X-YN/HD各层中Al、In组分的含量通过有机铝源（如TMAl）、有机铟源（如TMIn）的流量分别予以控制，Mg浓度通过有机镁源（如二茂镁）控制。
（5）在上述n型结构上生长多量子阱发光层，由5-20个周期的InGaN势阱层和GaN势垒层交互叠加构成；单个周期的所述InGaN势阱层的厚度为2-3.5nm，单个周期的所述GaN势垒层的厚度为3-14nm；
（6）在上述多量子阱发光层上生长P型GaN层，生长温度为800-1200℃，Mg掺杂浓度为5×1018/cm-3-5×1019/cm-3。
各个生长层均为金属有机物化学气相沉积（MOCVD）外延生长层。
本发明采用LD/nAlXInYGa1-X-YN/HD的n型超晶格结构，低掺部分与底层结构匹配性较好，高掺部分提供大量的电子；低掺和高掺的结合，在大量提供电子的情况下，减少结构的位错密度，为多量子阱有源区的生长提供材料支持。同时，结合nAlXInYGa1-X-YN层的生长，阻挡电子外溢，提高材料的抗静电能力。
本发明成功地克服了现有技术一味采用高掺nGaN降低发光电压的方法，从结构设计方面进行了突破，借鉴多年的晶体生长经验，意外发现利用高掺nGaN和低掺nGaN，配合中间的nAlXInYGa1-X-YN层。该方法可以提高电子浓度，从而提高电子迁移率，降低发光电压；同时，n型区生长的好坏决定着整个LED结构的稳定性，特别反向电压、抗静电能力和漏电等参数。本发明的LED外延结构采用低掺与高掺的组合，不仅可以提供较多的电子，也优化了外延层晶体质量，为之后多量子阱层的生长提供稳定的基础。
使用本发明的方法生长，管芯电压比正常电压低5%-8%，抗静电能力表现良好。
附图说明
图1是本发明具有n型超晶格结构的LED外延结构的示意图。
图2是n型超晶格结构的单个循环周期示意图。
图中，1、衬底，2、成核层，3、缓冲层，4、n型结构， 41、LD层（nAl0.02Ga0.98N），42、nAl0.1In0.3Ga0.6N层，43、HD层（nAl0.02In0.3Ga0.68N），5、多量子阱发光层，6、P型GaN层。
具体实施方式
如图1，本发明的具有n型超晶格结构的LED外延结构，是在衬底1上由下至上依次生长有成核层2、缓冲层3、n型结构4、多量子阱发光层5和P型GaN层6。衬底1为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底、氮化镓衬底之一。成核层2是氮化镓层、氮化铝层或铝镓氮层之一。缓冲层3是非掺杂的氮化镓层。所述n型结构4由下至上依次为插入层和n型GaN层，或者是n型GaN层、插入层和n型GaN层，或者是n型GaN层和插入层。所述插入层为LD/nAlXInYGa1-X-YN/HD的n型超晶格结构，如图2，LD层41为低掺杂nAlUGa1-UN层，HD层43为高掺杂nAlZGa1-ZN层，其中0≤U≤0.85，0＜Z≤0.9，0≤X≤0.5，0≤Y＜0.5，X+Y≤1；LD层的厚度为5-20nm，其中Si掺杂浓度为1×1016/cm-3-4×1018/cm-3；HD层厚度为10-35nm，其中Si掺杂浓度为1.5×1019/cm-3-5×1020/cm-3；nAlXInYGa1-X-YN层42厚度为10-60nm，其中Si掺杂浓度为5×1017/cm-3-5×1019/cm-3。LD/nAlXInYGa1-X-YN/HD的n型超晶格的循环周期为3-30。多量子阱发光层5由5-20个周期的InGaN势阱层和GaN势垒层交互叠加构成；单个周期的所述InGaN势阱层的厚度为2-3.5nm，单个周期的所述GaN势垒层的厚度为3-14nm。P型GaN层6为掺Mg的GaN材料，其生长温度为800-1200℃，Mg掺杂浓度为5×1018/cm-3-5×1019/cm-3。
上述具有n型超晶格结构LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
（1）将衬底1放入金属有机物化学气相沉积（MOCVD）设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1000-1300℃，处理5-15分钟；
（2）在处理过的衬底1上生长成核层2（氮化镓、氮化铝或者铝镓氮），生长温度440-800℃，厚度15-60nm；
（3）在成核层2上生长缓冲层3（非掺杂氮化镓），生长温度为1000-1200℃，厚度为1-2.5μm；
（4）在缓冲层3上生长n型结构4，包括插入层和n型GaN层，或者n型GaN层、插入层和n型GaN层，或者n型GaN层和插入层；其中插入层LD/nAlXInYGa1-X-YN/HD的n型超晶格的结构按以下步骤依次生长：
①LD层为低掺杂nAlUGa1-UN层41，生长温度为650-1300℃，生长压力为300-800torr，Si浓度为1×1016/cm-3-4×1018/cm-3，厚度为5-20nm, 0≤U≤0.85；
②nAlXInYGa1-X-YN层42生长温度为700-1350℃，生长压力为150-500torr，0≤X≤0.5，0≤Y＜0.5，X+Y≤1，厚度为10-60nm，Si掺杂浓度为5×1017/cm-3-5×1019/cm-3；
③HD层为高掺杂nAlZGa1-ZN层43，生长温度为650-1300℃，生长压力为300-800torr，Si浓度为1.5×1019/cm-3-5×1020/cm-3，厚度为10-35nm, 0＜Z≤0.9；
LD/nAlXInYGaN1-X-Y/HD的n型超晶格周期为3-30；
插入层LD/nAlXInYGa1-X-YN/HD各层中Al、In组分的含量通过有机铝源（如TMAl）、有机铟源（如TMIn）的流量分别予以控制，Mg浓度通过有机镁源（如二茂镁）按本领域的常规操作即可。
（5）在上述n型结构4上生长多量子阱发光层5，由5-20个周期的InGaN势阱层和GaN势垒层交互叠加构成；单个周期的所述InGaN势阱层的厚度为2-3.5nm，单个周期的所述GaN势垒层的厚度为3-14nm；
（6）在上述多量子阱发光层5上生长P型GaN层6，生长温度为800-1200℃，Mg掺杂浓度为5×1018/cm-3-5×1019/cm-3。
以下给出具体实施例。
实施例1
以用金属有机物化学气相沉积法在碳化硅衬底上制备具有n型超晶格结构的LED结构为例，包括以下步骤：
（1）碳化硅衬底1放入金属有机物化学气相沉积炉（MOCVD）设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1250℃，处理15分钟。
（2）在碳化硅衬底1上生长氮化铝成核层2，生长温度为750℃，厚度45nm，生长压力为50mbar。
（3）在氮化铝成核层2上生长非掺杂氮化镓缓冲层3，生长温度为1100℃，生长厚度为2μm，生长速率为1.9μm/h。
在缓冲层3上生长n型结构4，厚度为3.2μm。
生长LD层（nAl0.02Ga0.98N）41，生长时间100s，反应室压力350torr，生长温度为1100℃，硅掺杂浓度为2×1018/cm-3。在LD层41上生长nAl0.1In0.3Ga0.6N层42，生长温度为1120℃，生长时间60s，硅掺杂浓度为8×1019/cm-3。在nAl0.1In0.3Ga0.6N层42上生长HD层（nAl0.02In0.3Ga0.68N）43，nAl0.02In0.3Ga0.68N层生长时间40s，生长温度和反应室压力与LD层41相同，硅掺杂浓度为4×1019/cm-3。
循环周期数为5。
（4）在n型结构4上生长多量子阱发光层5，其中，阱层为铟镓氮材料，垒层为氮化镓材料，生长温度为800℃，多量子阱生长周期为15。
（5）在多量子阱发光层5上生长P型GaN层6，生长温度为900℃，Mg掺杂浓度为5×1018/cm-3。
制得的具有n型超晶格结构LED外延片静电击穿电压比正常提升9%。
实施例2
以用金属有机物化学气相沉积法在蓝宝石衬底上制备具有n型超晶格结构的LED结构为例，包括以下步骤：
（1）蓝宝石衬底1放入金属有机物化学气相沉积炉（MOCVD）设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1000℃，处理20分钟。
（2）在蓝宝石衬底1上生长铝镓氮成核层2，生长温度为560℃，厚度120nm，生长压力为500torr。
（3）在铝镓氮成核层2上生长非掺杂氮化镓层（缓冲层）3，生长温度为1100℃，生长厚度为2μm，生长速率为2μm/h。
在非掺杂氮化镓缓冲层3上生长N型氮化镓层4。
生长LD层（nAl0.02Ga0.98N）41，生长时间100s，反应室压力750torr，生长温度为700℃，硅掺杂浓度为5×1016/cm-3。在LD层41上生长nAl0.1In0.3Ga0.6N层42，生长温度为820℃，生长时间120s，硅掺杂浓度为1×1019/cm-3。在nAl0.1In0.3Ga0.6N层42上生长HD层（nAl0.02In0.3Ga0.68N）43，nAl0.02In0.3Ga0.68N层生长时间40s，生长温度和反应室压力与LD层41相同，硅掺杂浓度为4×1019/cm-3。循环周期数为5。
(4) 在n型结构4上生长多量子阱发光层5，其中，阱层为铟镓氮材料，垒层为氮化镓材料，生长温度为750℃，多量子阱生长周期为15。
（5）在多量子阱发光层5上生长P型GaN层6，生长温度为1200℃，Mg掺杂浓度为2×1019/cm-3。
制得的具有n型超晶格结构LED外延片静电击穿电压比正常高出2%。
Claims (10)
1.一种具有n型超晶格结构的LED外延结构，包括衬底，衬底上由下至上依次设置有成核层、缓冲层、n型结构、多量子阱发光层和P型GaN层；其特征是，所述n型结构由下至上依次为插入层和n型GaN层，或者是n型GaN层、插入层和n型GaN层，或者是n型GaN层和插入层，所述插入层为LD/nAlXInYGa1-X-YN/HD的n型超晶格结构，LD层为低掺杂nAlUGa1-UN层，HD层为高掺杂nAlZGa1-ZN层，其中0≤U≤0.85，0＜Z≤0.9，0≤X≤0.5，0≤Y＜0.5，X+Y≤1。
2.根据权利要求1所述的具有n型超晶格结构的LED外延结构，其特征是，所述LD层的厚度为5-20nm。
3.根据权利要求1所述的具有n型超晶格结构的LED外延结构，其特征是，所述LD层中Si掺杂浓度为1×1016/cm-3-4×1018/cm-3。
4.根据权利要求1所述的具有n型超晶格结构的LED外延结构，其特征是，所述HD层厚度为10-35nm。
5.根据权利要求1所述的具有n型超晶格结构的LED外延结构，其特征是，所述HD层中Si掺杂浓度为1.5×1019/cm-3-5×1020/cm-3。
6.根据权利要求1所述的具有n型超晶格结构的LED外延结构，其特征是，所述nAlXInYGa1-X-YN层厚度为10-60nm。
7.根据权利要求1所述的具有n型超晶格结构的LED外延结构，其特征是，所述nAlXInYGa1-X-YN层中Si掺杂浓度为5×1017/cm-3-5×1019/cm-3。
8.根据权利要求1所述的具有n型超晶格结构的LED外延结构，其特征是，所述LD/nAlXInYGa1-X-YN/HD的n型超晶格的循环周期为3-30。
9.根据权利要求1所述的具有n型超晶格结构的LED外延结构，其特征是，所述多量子阱发光层，由5-20个周期的InGaN势阱层和GaN势垒层交互叠加构成；单个周期的所述InGaN势阱层的厚度为2-3.5nm，单个周期的所述GaN势垒层的厚度为3-14nm。
10.一种权利要求1所述具有n型超晶格结构的LED外延结构的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
（1）将衬底放入金属有机物化学气相沉积设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1000-1300℃，处理5-15分钟；
（2）在处理过的衬底上生长成核层，生长温度440-800℃，厚度15-60nm；
（3）在成核层上生长缓冲层，生长温度为1000-1200℃，厚度为1-2.5μm；
（4）在缓冲层上生长n型结构，包括插入层和n型GaN层，或者n型GaN层、插入层和n型GaN层，或者n型GaN层和插入层；其中插入层LD/nAlXInYGa1-X-YN/HD的n型超晶格的结构按以下步骤依次生长：
①LD层为低掺杂nAlUGa1-UN层，生长温度为650-1300℃，生长压力为300-800torr，Si浓度为1×1016/cm-3-4×1018/cm-3，厚度为5-20nm, 0≤U≤0.85；
②nAlXInYGa1-X-YN层生长温度为700-1350℃，生长压力为150-500torr，0≤X≤0.5，0≤Y＜0.5，X+Y≤1，厚度为10-60nm，Si掺杂浓度为5×1017/cm-3-5×1019/cm-3；
③HD层为高掺杂nAlZGa1-ZN层，生长温度为650-1300℃，生长压力为300-800torr，Si浓度为1.5×1019/cm-3-5×1020/cm-3，厚度为10-35nm, 0＜Z≤0.9；
LD/nAlXInYGaN1-X-Y/HD的n型超晶格周期为3-30；
（5）在上述n型结构上生长多量子阱发光层，由5-20个周期的InGaN势阱层和GaN势垒层交互叠加构成；单个周期的所述InGaN势阱层的厚度为2-3.5nm，单个周期的所述GaN势垒层的厚度为3-14nm；
（6）在上述多量子阱发光层上生长P型GaN层，生长温度为800-1200℃，Mg掺杂浓度为5×1018/cm-3-5×1019/cm-3。
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