CN104638083A - GaN基LED外延结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种GaN基LED外延结构及其制作方法，外延结构包括：依次层叠的成核层、未掺杂GaN层、N型GaN层、超晶格结构、多量子阱结构、AlGaN层、低温P型AlInGaN层、P型电子阻挡层及P型GaN层，P型GaN层为由第一子P型GaN层及第二子P型GaN层交替组成的周期性结构，第一子P型GaN层与第二子P型GaN层具有不同的Mg掺杂浓度分布。将GaN基LED外延结构内的P型GaN层设计为由具有不同Mg掺杂浓度分布的第一子P型GaN层及第二子P型GaN层交替组成的周期性结构，通过调整P型GaN层的Mg掺杂方式可以改变Mg的激化能量，从而提高了Mg的活化率，降低了P型GaN层的电阻率，进而达到降低GaN基LED正向电压的目的。
Description
技术领域
本发明属于半导体发光领域，涉及一种GaN基LED外延结构及其制作方法。
背景技术
发光二极管(LED，Light Emitting Diode)由于具有寿命长、耗能低等优点，已被广泛应用于各个领域，尤其随着其照明性能指标日益大幅提高，LED在照明领域常用作发光装置。其中，以氮化镓(GaN)为代表的III-V族化合物半导体，尤其是GaN(氮化镓)基LED由于具有带隙宽、发光效率高、电子饱和漂移速度高、化学性质稳定等特点，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器等光电子器件领域有着巨大的应用潜力，引起了人们的广泛关注。
在相同电流密度驱动下，正向电压的高低成为衡量LED性能的一个重要参数。正向电压越低，芯片的功耗越小，越具有市场竞争力。而外延结构的好坏是直接影响芯片质量的决定因素。因而，通过降低GaN基LED外延结构的正向电压来降低芯片的正向电压是最直接也是最有效的途径。外延片的正向电压压降主要来源于n型GaN底层，量子阱有源区，p型GaN层，电子阻挡层等。某些因素的存在增大了固有的压降，例如极化电场-InGaN/GaN发光二极管由于势阱与势垒之间的晶格失配，导致他们之间存在极化电场。该极化电场的存在使得能带结构发生了较大的改变，导致势垒形状变成了很大的三角形。这些三角形势垒对载流子在有源区的流动有很大的阻碍作用，造成了正向电压的升高；另外，如P型GaN材料由于Mg的活化效率很低，往往很难达到高的空穴浓度，造成了P端的电阻率较大，寄生电阻高。
传统外延改善电压的方法多对外延材料及结构进行优化，如n型掺杂、p型掺杂及内部电流扩展等结构设计，这些方法所涉及的参数较多，调整也较为复杂和耗时较久，且不同机台间的调整方向没有很强的复制性，容易造成LED芯片其他性能受到影响。
因此需要一种实现简单，复制性强的方法来降低LED芯片电压的外延方法。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种GaN基LED外延结构及其制作方法，用于解决现有技术中由于某些因素的存在增大了固有的压降而导致的正向电压升高的问题，以及使用传统外延改善电压的方法存在的涉及参数较多，调整比较复杂耗时，且不同机台间的调整方向没有很强的复制性，容易造成LED芯片其他性能受到影响的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种GaN基LED外延结构，所述外延结构包括依次层叠的成核层、未掺杂GaN层、N型GaN层、超晶格结构、多量子阱结构、AlGaN层、低温P型AlInGaN层、P型电子阻挡层及P型GaN层；所述P型GaN层为由第一子P型GaN层及第二子P型GaN层交替组成的周期性结构，所述第一子P型GaN层及所述第二子P型GaN层的掺杂元素均为Mg；其中，在每个周期内，所述第一子P型GaN层与所述第二子P型GaN层具有不同的Mg掺杂浓度分布。
优选地，所述成核层的厚度为15nm～50nm；所述未掺杂GaN层及所述N型GaN层的总厚度为1.5μm～4.5μm；所述N型GaN层内的掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
优选地，所述超晶格结构由第一InGaN势阱与第一GaN势垒交替组成，一个所述第一InGaN势阱与一个所述第一GaN势垒构成一个周期对，在同一周期对内，所述第一GaN势垒位于所述第一InGaN势阱之上；所述超晶格结构包括3～30个所述周期对；所述超晶格结构中In组分的摩尔含量为1％～5％，所述第一InGaN势阱的厚度范围为1.0nm～4.0nm，所述第一GaN势垒的厚度范围为1.0nm～9.0nm。
优选地，所述多量子阱结构由第二InGaN势阱与第二GaN势垒交替组成，一个所述第二InGaN势阱与一个所述第二GaN势垒构成一个周期对，在同一周期对内，所述第二GaN势垒位于所述第二InGaN势阱之上，所述多量子阱结构包括5～18个所述周期对；所述多量子阱结构中In组分的摩尔含量为15％～20％，所述第二InGaN势阱的厚度范围为2.0nm～4.0nm，所述第二GaN势垒的厚度范围为3.0nm～15nm。
优选地，所述AlGaN层中Al组分的摩尔含量为2％～20％，所述AlGaN层的厚度范围为20nm～35nm。
优选地，所述P型电子阻挡层为P型AlGaN、P型AlInGaN或P型AlGaN/GaN超晶格结构；所述P型电子阻挡层的总厚度范围为30nm～80nm，所述P型电子阻挡层中Mg掺杂浓度范围为5e18cm-3～3.5e19cm-3。
优选地，一个所述第一子P型GaN层与一个所述第二子P型GaN层构成一个周期对；所述P型GaN层中包括1～20个所述周期对。
优选地，在每个周期内，所述第一子P型GaN层中Mg的掺杂浓度为第一掺杂浓度，所述第二子P型GaN层中Mg的掺杂浓度为第二掺杂浓度。
优选地，在每个周期内，所述第一子P型GaN层中Mg的掺杂浓度由第一掺杂浓度渐变至第二掺杂浓度，所述第二子P型GaN层中Mg的掺杂浓度由第二掺杂浓度渐变至第一掺杂浓度。
优选地，所述第一掺杂浓度为1e19cm-3～1e20cm-3，所述第二掺杂浓度为1e17cm-3～9e17cm-3。
本发明还提供一种GaN基LED外延结构的制作方法，包括以下步骤：
提供生长衬底，在所述生长衬底上由下至上依次生长成核层、未掺杂GaN层及N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长超晶格结构；
在所述超晶格结构上生长多量子阱结构；
在所述多量子阱结构上依次生长AlGaN层、低温P型AlInGaN层及P型电子阻挡层；
在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层；所述P型GaN层为由第一子P型GaN层及第二子P型GaN层交替组成的周期性结构，所述第一子P型GaN层及所述第二子P型GaN层的掺杂元素均为Mg；其中，在每个周期内，所述第一子P型GaN层与所述第二子P型GaN层具有不同的Mg掺杂浓度分布。
优选地，所述生长衬底为蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
优选地，所述成核层的生长温度为450℃～650℃，生长厚度为15nm～50nm；所述未掺杂GaN层及所述N型GaN层的生长温度为1000℃～1200℃；总生长厚度为1.5μm～4.5μm；所述N型GaN层内的掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
优选地，所述超晶格结构由第二InGaN势阱与第二GaN势垒交替组成，一个所述第一InGaN势阱与一个所述第一GaN势垒构成一个周期对，在同一周期对内，所述第一GaN势垒位于所述第一InGaN势阱之上；所述超晶格结构包括3～30个所述周期对；所述超晶格结构的生长温度为700℃～900℃；所述超晶格结构中In组分的摩尔含量为1％～5％，所述第一InGaN势阱的厚度范围为1.0nm～4.0nm，所述第一GaN势垒的厚度范围为1.0nm～9.0nm。
优选地，所述多量子阱结构由第二InGaN势阱与第二GaN势垒交替组成，一个所述第二InGaN势阱与一个所述第二GaN势垒构成一个周期对，在同一周期对内，所述第二GaN势垒位于所述第二InGaN势阱之上，所述多量子阱结构包括5～18个所述周期对；所述多量子阱结构的生长温度为700℃～900℃；所述多量子阱结构中In组分的摩尔含量为15％～20％，所述第二InGaN势阱的厚度范围为2.0nm～4.0nm，所述第二GaN势垒的厚度范围为3.0nm～15nm。
优选地，所述AlGaN层的生长温度为850℃～900℃；所述AlGaN层中Al组分的摩尔含量为2％～20％，所述AlGaN层的厚度范围为20nm～35nm。
优选地，所述低温P型AlInGaN层的生长温度为700℃～800℃；所述P型电子阻挡层的生长温度为900℃～950℃；所述P型电子阻挡层为P型AlGaN、P型AlInGaN或P型AlGaN/GaN超晶格结构；所述P型电子阻挡层的总厚度范围为30nm～80nm，所述P型电子阻挡层中Mg掺杂浓度范围为5e18cm-3～3.5e19cm-3。
优选地，所述P型GaN层的生长温度为950℃～1000℃，生长厚度为30nm～150nm。
优选地，一个所述第一子P型GaN层与一个所述第二子P型GaN层构成一个周期对；所述P型GaN层中包括1～20个所述周期对。
优选地，在每个周期内，所述第一子P型GaN层中Mg的掺杂浓度为第一掺杂浓度，所述第二子P型GaN层中Mg的掺杂浓度为第二掺杂浓度。
优选地，在每个周期内，所述第一子P型GaN层中Mg的掺杂浓度由第一掺杂浓度渐变至第二掺杂浓度，所述第二子P型GaN层中Mg的掺杂浓度由第二掺杂浓度渐变至第一掺杂浓度。
优选地，所述第一掺杂浓度为1e19cm-3～1e20cm-3，所述第二掺杂浓度为1e17cm-3～9e17cm-3。
如上所述，本发明的GaN基LED外延结构及其制作方法，具有以下有益效果：将GaN基LED外延结构内的P型GaN层设计为由具有不同Mg掺杂浓度分布的第一子P型GaN层及第二子P型GaN层交替组成的周期型结构，通过调整所述P型GaN层的Mg掺杂方式可以改变Mg的激化能量，从而提高了Mg的活化率，降低了所述P型GaN层的电阻率，进而达到降低GaN基LED正向电压的目的。
附图说明
图1显示为本发明实施例一中提供的GaN基LED外延结构的剖面结构示意图。
图2显示为本发明实施例一中提供的GaN基LED外延结构中超晶格结构的剖面结构示意图。
图3显示为本发明实施例一中提供的GaN基LED外延结构中多量子阱结构的剖面结构示意图。
图4显示为本发明实施例一中提供的GaN基LED外延结构中P型GaN层的剖面结构示意图。
图5显示为本发明实施例二中提供的GaN基LED外延结构的制作方法的流程图。
图6至图12显示为本发明实施例二中提供的GaN基LED外延结构的制作方法各步骤中的剖面结构示意图。
元件标号说明
1 生长衬底
2 成核层
31 未掺杂GaN层
32 N型GaN层
4 超晶格结构
41 第一InGaN势阱
42 第一GaN势垒
5 多量子阱结构
51 第二InGaN势阱
52 第二GaN势垒
6 AlGaN层
7 低温P型AlInGaN层
8 P型电子阻挡层
9 P型GaN层
91 第一子P型GaN层
92 第二子P型GaN层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图12。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
请参阅图1，本发明还提供一种GaN基LED外延结构，所述GaN基LED外延结构包括：依次层叠的成核层2、未掺杂GaN层31、N型GaN层32、超晶格结构4、多量子阱结构5、AlGaN层6、低温P型AlInGaN层7、P型电子阻挡层8及P型GaN层9。
具体的，所述外延结构形成于一生长衬底1上，且所述成核层2位于所述生长衬底1的表面。所述生长衬底1可以为蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
具体的，所述成核层2的厚度为15nm～50nm；所述未掺杂GaN层31及所述N型GaN层32的总厚度为1.5μm～4.5μm；所述N型GaN层32内的掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
具体的，如图2所示，所述超晶格结构4由第一InGaN势阱41与第一GaN势垒42交替组成，一个所述第一InGaN势阱41与一个所述第一GaN势垒42构成一个周期对，在同一周期对内，所述第一GaN势垒42位于所述第一InGaN势阱41之上；优选地，本实施例中，所述超晶格结构4包括3～30个所述周期对。
具体的，所述第一InGaN势阱41的厚度为1.0nm～4.0nm，所述第一GaN势垒42的厚度为1.0nm～9.0nm；所述超晶格结构4内In组分的摩尔含量为1％～5％。
具体的，如图3所示，所述多量子阱结构5的结构由第二InGaN势阱51与第二GaN势垒52交替组成，一个所述第二InGaN势阱51与一个所述第二GaN势垒52构成一个周期对，在同一周期对内，所述第二GaN势垒52位于所述第二InGaN势阱51之上；优选地，本实施例中，所述多量子阱结构5包括5～18个所述周期对。
具体的，所述第二InGaN势阱51的厚度为2.0nm～4.0nm，所述第二GaN势垒52的厚度为3nm～15nm；所述多量子阱结构5内In组分的摩尔含量为15％～20％。
具体的，所述AlGaN层6中Al的组分含量为2％～20％；所述AlGaN层6的厚度为20nm～35nm。
具体的，所述低温P型AlInGaN层7的生长温度为700℃～800℃。
具体的，所述P型电子阻挡层8可以为P型AlGaN、P型AlInGaN或P型AlGaN/GaN超晶格结构；所述P型电子阻挡层8的厚度为30nm～80nm；所述P型电子阻挡层8内的掺杂元素为Mg，Mg的掺杂浓度为5e18cm-3～3.5e19cm-3。
具体的，所述P型GaN层9的厚度为30nm～150nm。
具体的，如图4所示，所述P型GaN层9为由第一子P型GaN层91及第二子P型GaN层92交替组成的周期性结构，一个所述第一子P型GaN层91与一个所述第二子P型GaN层92构成一个周期对。优选地，本实施例中，所述P型GaN层9中包括1～20个所述周期对。
具体的，所述第一子P型GaN层91及所述第二子P型GaN层92的掺杂元素均为Mg；其中，在每个周期内，所述第一子P型GaN层91与所述第二子P型GaN层92具有不同的Mg掺杂浓度分布。
具体的，在每个周期内，Mg的掺杂浓度在第一浓度与第二浓度之间变化，其变化方式可以是突变，也可以是渐变。
在一种示例中，在每个周期内，Mg的掺杂浓度在第一浓度与第二浓度之间突变；具体的为：所述第一子P型GaN层91中Mg的掺杂浓度为第一掺杂浓度，所述第二子P型GaN层92中Mg的掺杂浓度为第二掺杂浓度。
在另一示例中，在每个周期内，Mg的掺杂浓度在第一浓度与第二浓度之间渐变；具体的为：所述第一子P型GaN层91中Mg的掺杂浓度由第一掺杂浓度渐变至第二掺杂浓度，所述第二子P型GaN层92中Mg的掺杂浓度由第二掺杂浓度渐变至第一掺杂浓度。
具体的，所述第一掺杂浓度与所述第二掺杂浓度不相等，所述第一掺杂浓度可以大于所述第二掺杂浓度，也可以小于所述第二掺杂浓度。优选地，所述第一掺杂浓度大于所述第二掺杂浓度；更为优选地，在本实施例中，所述第一掺杂浓度为1e19cm-3～1e20cm-3，所述第二掺杂浓度为1e17cm-3～9e17cm-3。
将GaN基LED外延结构内的P型GaN层9设计为由具有不同Mg掺杂浓度分布的第一子P型GaN层91及第二子P型GaN层92交替组成的周期型结构，通过调整所述P型GaN层9的Mg掺杂方式可以改变Mg的激化能量，从而提高了Mg的活化率，降低了所述P型GaN层9的电阻率，进而达到降低GaN基LED正向电压的目的。
实施例二
请结合图1至图4参阅图5至图12，本发明还提供一种GaN基LED外延结构的制作方法，包括以下步骤：
S1：提供生长衬底1，在所述生长衬底1上由下至上依次生长成核层2、未掺杂GaN层31及N型GaN层32；
S2：在所述N型GaN层32上生长超晶格结构4；
S3：在所述超晶格结构4上生长多量子阱结构5；
S4：在所述多量子阱结构5上依次生长AlGaN层6、低温P型AlInGaN层7及P型电子阻挡层8；
S5：在所述P型电子阻挡层8上生长P型GaN层9。
在步骤S1中，请参阅图5中的S1步骤及图6，提供生长衬底1，在所述生长衬底1上由下至上依次生长成核层2、未掺杂GaN层31及N型GaN层32。
具体的，所述生长衬底1可以为蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
具体的，所述成核层2的生长温度为450℃～650℃；所述成核层2的厚度为15nm～50nm；所述未掺杂GaN层31及所述N型GaN层32的生长温度为1000℃～1200℃；所述未掺杂GaN层31及所述N型GaN层32的总厚度为1.5μm～4.5μm；所述N型GaN层32内的掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
在步骤S2中，请参阅图5中的S2步骤及图2与图7，在所述N型GaN层32上生长超晶格结构4。
具体的，由图2所示，所述超晶格结构4由第一InGaN势阱41与第一GaN势垒42交替组成，一个所述第一InGaN势阱41与一个所述第一GaN势垒42构成一个周期对，在同一周期对内，所述第一GaN势垒42位于所述第一InGaN势阱41之上；优选地，本实施例中，所述超晶格结构4包括3～30个所述周期对。
具体的，所述超晶格结构4的生长温度为700℃～900℃；所述第一InGaN势阱41的厚度为1.0nm～4.0nm，所述第一GaN势垒42的厚度为1.0nm～9.0nm；所述超晶格结构4内In组分的摩尔含量为1％～5％。
在步骤S3中，请参阅图5中的S3步骤及图3与图8，在所述超晶格结构4上生长多量子阱结构5。
具体的，如图3所示，所述多量子阱结构5的结构为由第二InGaN势阱51与第二GaN势垒52交替组成，一个所述第二InGaN势阱51与一个所述第二GaN势垒52构成一个周期对，在同一周期对内，所述第二GaN势垒52位于所述第二InGaN势阱51之上；优选地，本实施例中，所述多量子阱结构5包括5～18个所述周期对。
具体的，所述多量子阱结构5的生长温度为700℃～900℃；所述第二InGaN势阱51的厚度为2.0nm～4.0nm，所述第二GaN势垒52的厚度为3nm～15nm；所述多量子阱结构5内In组分的摩尔含量为15％～20％。
在步骤S4中，请参阅图5中的S4步骤及图9至图11，在所述多量子阱结构5上依次生长AlGaN层6、低温P型AlInGaN层7及P型电子阻挡层8。
具体的，所述AlGaN层6中Al的组分含量为2％～20％；所述AlGaN层6的生长温度为850℃～900℃；所述AlGaN层6的厚度为20nm～35nm。
具体的，所述低温P型AlInGaN层7的生长温度为700℃～800℃。
具体的，所述P型电子阻挡层8可以为P型AlGaN、P型AlInGaN或P型AlGaN/GaN超晶格结构；所述P型电子阻挡层8的生长温度为900℃～950℃；所述P型电子阻挡层8的厚度为30nm～80nm；所述P型电子阻挡层8内的掺杂元素为Mg，Mg的掺杂浓度为5e18cm-3～3.5e19cm-3。
在步骤S5中，请参阅图5中的S5步骤及图4与图12，在所述P型电子阻挡层8上生长P型GaN层9。
具体的，所述P型GaN层9的厚度为30nm～150nm。
具体的，如图4所示，所述P型GaN层9为由第一子P型GaN层91及第二子P型GaN层92交替组成的周期性结构，一个所述第一子P型GaN层91与一个所述第二子P型GaN层92构成一个周期对。优选地，本实施例中，所述P型GaN层9中包括1～20个所述周期对。
具体的，所述第一子P型GaN层91及所述第二子P型GaN层92的掺杂元素均为Mg；其中，在每个周期内，所述第一子P型GaN层91与所述第二子P型GaN层92具有不同的Mg掺杂浓度分布。
具体的，在每个周期内，Mg的掺杂浓度在第一浓度与第二浓度之间变化，其变化方式可以是突变，也可以是渐变。
在一个示例中，在每个周期内，Mg的掺杂浓度在第一浓度与第二浓度之间突变；具体的为：所述第一子P型GaN层91中Mg的掺杂浓度为第一掺杂浓度，所述第二子P型GaN层92中Mg的掺杂浓度为第二掺杂浓度。
在另一个示例中，在每个周期内，Mg的掺杂浓度在第一浓度与第二浓度之间渐变；具体的为：所述第一子P型GaN层91中Mg的掺杂浓度由第一掺杂浓度渐变至第二掺杂浓度，所述第二子P型GaN层92中Mg的掺杂浓度由第二掺杂浓度渐变至第一掺杂浓度。
具体的，所述第一掺杂浓度与所述第二掺杂浓度不相等，所述第一掺杂浓度可以大于所述第二掺杂浓度，也可以小于所述第二掺杂浓度。优选地，所述第一掺杂浓度大于所述第二掺杂浓度；更为优选地，在本实施例中，所述第一掺杂浓度为1e19cm-3～1e20cm-3，所述第二掺杂浓度为1e17cm-3～9e17cm-3。
具体的，在所述P型电子阻挡层8上生长所述P型GaN层9的具体方法为：
在所述P型电子阻挡层8上外延生长GaN层，并同时在外延过程中通入Mg，以生长第一子P型GaN层91；
在所述第一子P型GaN层91上继续外延生长GaN，并同时在外延过程中继续通入Mg，以生长第二子P型GaN层92；
重复上述步骤，生长由所述第一子P型GaN层91及所述第二子P型GaN层92交替组成的P型GaN层9；
其中，在生长所述第一子P型GaN层91的步骤中Mg的通入流量与生长所述第二子P型GaN层92的步骤中Mg的通入流量不同，以使得在所述P型GaN层9的每个周期内，Mg的掺杂浓度在第一浓度与第二浓度之间变化，其变化方式可以是突变，也可以是渐变。
具体的，在一个示例中，在每个周期内，Mg的掺杂浓度在第一浓度与第二浓度之间突变；具体的方法为：在生长所述第一子P型GaN层91的步骤中Mg的通入流量保持为第一通入流量，使得生长的所述第一子P型GaN层91中Mg的掺杂浓度为第一掺杂浓度；在生长所述第二子P型GaN层92的步骤中Mg的通入流量保持为第二通入流量，使得生长的所述第二子P型GaN层92中Mg的掺杂浓度为第二掺杂浓度。
具体的，在另一个示例中，在每个周期内，Mg的掺杂浓度在第一浓度与第二浓度之间渐变；具体的方法为：在生长所述第一子P型GaN层91的步骤中Mg的通入流量由第一通入流量向第二通入流量渐变，使得生长的所述第一子P型GaN层91中Mg的掺杂浓度由第一掺杂浓度渐变至第二掺杂浓度，在生长所述第二子P型GaN层92的步骤中Mg的通入流量由第二通入流量向第一通入流量渐变，使得生长的所述第二子P型GaN层92中Mg的掺杂浓度由第二掺杂浓度渐变至第一掺杂浓度。
具体的，所述第一掺杂浓度与所述第二掺杂浓度不相等，所述第一掺杂浓度可以大于所述第二掺杂浓度，也可以小于所述第二掺杂浓度。优选地，所述第一掺杂浓度大于所述第二掺杂浓度；更为优选地，在本实施例中，所述第一掺杂浓度为1e19cm-3～1e20cm-3，所述第二掺杂浓度为1e17cm-3～9e17cm-3。
综上所述，本发明提供一种GaN基LED外延结构及其制作方法，将GaN基LED外延结构内的P型GaN层设计为由具有不同Mg掺杂浓度的第一子P型GaN层及第二子P型GaN层交替组成的周期型结构，通过调整所述P型GaN层的Mg掺杂方式可以改变Mg的激化能量，从而提高了Mg的活化率，降低了所述P型GaN层的电阻率，进而达到降低GaN基LED正向电压的目的。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (22)
1.一种GaN基LED外延结构，其特征在于，所述外延结构包括依次层叠的成核层、未掺杂GaN层、N型GaN层、超晶格结构、多量子阱结构、AlGaN层、低温P型AlInGaN层、P型电子阻挡层及P型GaN层；所述P型GaN层为由第一子P型GaN层及第二子P型GaN层交替组成的周期性结构，所述第一子P型GaN层及所述第二子P型GaN层的掺杂元素均为Mg；其中，在每个周期内，所述第一子P型GaN层与所述第二子P型GaN层具有不同的Mg掺杂浓度分布。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于：所述成核层的厚度为15nm～50nm；所述未掺杂GaN层及所述N型GaN层的总厚度为1.5μm～4.5μm；所述N型GaN层内的掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
3.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于：所述超晶格结构由第一InGaN势阱与第一GaN势垒交替组成，一个所述第一InGaN势阱与一个所述第一GaN势垒构成一个周期对，在同一周期对内，所述第一GaN势垒位于所述第一InGaN势阱之上；所述超晶格结构包括3～30个所述周期对；所述超晶格结构中In组分的摩尔含量为1％～5％，所述第一InGaN势阱的厚度范围为1.0nm～4.0nm，所述第一GaN势垒的厚度范围为1.0nm～9.0nm。
4.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于：所述多量子阱结构由第二InGaN势阱与第二GaN势垒交替组成，一个所述第二InGaN势阱与一个所述第二GaN势垒构成一个周期对，在同一周期对内，所述第二GaN势垒位于所述第二InGaN势阱之上，所述多量子阱结构包括5～18个所述周期对；所述多量子阱结构中In组分的摩尔含量为15％～20％，所述第二InGaN势阱的厚度范围为2.0nm～4.0nm，所述第二GaN势垒的厚度范围为3.0nm～15nm。
5.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于：所述AlGaN层中Al组分的摩尔含量为2％～20％，所述AlGaN层的厚度范围为20nm～35nm。
6.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于：所述P型电子阻挡层为P型AlGaN、P型AlInGaN或P型AlGaN/GaN超晶格结构；所述P型电子阻挡层的总厚度范围为30nm～80nm，所述P型电子阻挡层中的掺杂元素为Mg，Mg掺杂浓度范围为5e18cm-3～3.5e19cm-3。
7.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于：一个所述第一子P型GaN层与一个所述第二子P型GaN层构成一个周期对；所述P型GaN层中包括1～20个所述周期对。
8.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于：在每个周期内，所述第一子P型GaN层中Mg的掺杂浓度为第一掺杂浓度，所述第二子P型GaN层中Mg的掺杂浓度为第二掺杂浓度。
9.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于：在每个周期内，所述第一子P型GaN层中Mg的掺杂浓度由第一掺杂浓度渐变至第二掺杂浓度，所述第二子P型GaN层中Mg的掺杂浓度由第二掺杂浓度渐变至第一掺杂浓度。
10.根据权利要求8或9所述的GaN基LED外延结构，其特征在于：所述第一掺杂浓度为1e19cm-3～1e20cm-3，所述第二掺杂浓度为1e17cm-3～9e17cm-3。
11.一种GaN基LED外延结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：提供生长生长衬底，在所述生长生长衬底上由下至上依次生长成核层、未掺杂GaN层及N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长超晶格结构；
在所述超晶格结构上生长多量子阱结构；
在所述多量子阱结构上依次生长AlGaN层、低温P型AlInGaN层及P型电子阻挡层；
在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层；所述P型GaN层为由第一子P型GaN层及第二子P型GaN层交替组成的周期性结构，所述第一子P型GaN层及所述第二子P型GaN层的掺杂元素均为Mg；其中，在每个周期内，所述第一子P型GaN层与所述第二子P型GaN层具有不同的Mg掺杂浓度分布。
12.根据权利要求11所述的GaN基LED外延结构的制作方法，其特征在于：所述生长衬底为蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
13.根据权利要求11所述的GaN基LED外延结构的制作方法，其特征在于：所述成核层的生长温度为450℃～650℃，生长厚度为15nm～50nm；所述未掺杂GaN层及所述N型GaN层的生长温度为1000℃～1200℃；总生长厚度为1.5μm～4.5μm；所述N型GaN层内的掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
14.根据权利要求11所述的GaN基LED外延结构的制作方法，其特征在于：所述超晶格结构由第二InGaN势阱与第二GaN势垒交替组成，一个所述第一InGaN势阱与一个所述第一GaN势垒构成一个周期对，在同一周期对内，所述第一GaN势垒位于所述第一InGaN势阱之上；所述超晶格结构包括3～30个所述周期对；所述超晶格结构的生长温度为700℃～900℃；所述超晶格结构中In组分的摩尔含量为1％～5％，所述第一InGaN势阱的厚度范围为1.0nm～4.0nm，所述第一GaN势垒的厚度范围为1.0nm～9.0nm。
15.根据权利要求11所述的GaN基LED外延结构的制作方法，其特征在于：所述多量子阱结构由第二InGaN势阱与第二GaN势垒交替组成，一个所述第二InGaN势阱与一个所述第二GaN势垒构成一个周期对，在同一周期对内，所述第二GaN势垒位于所述第二InGaN势阱之上，所述多量子阱结构包括5～18个所述周期对；所述多量子阱结构的生长温度为700℃～900℃；所述多量子阱结构中In组分的摩尔含量为15％～20％，所述第二InGaN势阱的厚度范围为2.0nm～4.0nm，所述第二GaN势垒的厚度范围为3.0nm～15nm。
16.根据权利要求11所述的GaN基LED外延结构的制作方法，其特征在于：所述AlGaN层的生长温度为850℃～900℃；所述AlGaN层中Al组分的摩尔含量为2％～20％，所述AlGaN层的厚度范围为20nm～35nm。
17.根据权利要求11所述的GaN基LED外延结构的制作方法，其特征在于：所述低温P型AlInGaN层的生长温度为700℃～800℃；所述P型电子阻挡层的生长温度为900℃～950℃；所述P型电子阻挡层为P型AlGaN、P型AlInGaN或P型AlGaN/GaN超晶格结构；所述P型电子阻挡层的总厚度范围为30nm～80nm，所述P型电子阻挡层中Mg掺杂浓度范围为5e18cm-3～3.5e19cm-3。
18.根据权利要求11所述的GaN基LED外延结构的制作方法，其特征在于：所述P型GaN层的生长温度为950℃～1000℃，生长厚度为30nm～150nm。
19.根据权利要求11所述的GaN基LED外延结构的制作方法，其特征在于：一个所述第一子P型GaN层与一个所述第二子P型GaN层构成一个周期对；所述P型GaN层中包括1～20个所述周期对。
20.根据权利要求11所述的GaN基LED外延结构的制作方法，其特征在于：在每个周期内，所述第一子P型GaN层中Mg的掺杂浓度为第一掺杂浓度，所述第二子P型GaN层中Mg的掺杂浓度为第二掺杂浓度。
21.根据权利要求11所述的GaN基LED外延结构的制作方法，其特征在于：在每个周期内，所述第一子P型GaN层中Mg的掺杂浓度由第一掺杂浓度渐变至第二掺杂浓度，所述第二子P型GaN层中Mg的掺杂浓度由第二掺杂浓度渐变至第一掺杂浓度。
22.根据权利要求20或21所述的GaN基LED外延结构的制作方法，其特征在于：所述第一掺杂浓度为1e19cm-3～1e20cm-3，所述第二掺杂浓度为1e17cm-3～9e17cm-3。
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Granted publication date: 20181109 Termination date: 20220204 |