CN105070807B - 一种增加GaN基反向电压的外延结构及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的第一目的在于提供一种增加GaN基反向电压的外延结构，由下至上依次包括蓝宝石衬底、低温缓冲层、第一非掺杂u型GaN层、第二非掺杂u型GaN层、u型AlGaN/GaN超晶格过渡层、第一高掺杂Si的n型GaN层、n型AlGaN电子阻挡层、第二高掺杂Si的n型GaN层、低温n型GaN层、浅量子阱层、量子阱层、有源层、GaN垒层、第一P型AlGaN/InGaN电子阻挡层等。本发明的外延结构具有整体结构精简、在增加反向电压的同时降低驱动电压等特点。本发明的第二目的在于提供一种增加GaN基反向电压的外延结构的生长方法，具有生长工艺流程简单、缩短机台的生长时间等特性，适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及半导体LED制造技术领域，特别地，涉及一种增加GaN基反向电压的外延结构及其生长方法。
背景技术
GaN基InGaN/GaN多量子阱发光二极管(尤其是大功率发光二极管)已广泛应用于大屏幕彩色显示、交通信号、通用照明、景观照明等。大功率LED作为结型的二极管，其反向电压偏低是普遍存在的现象。而提升反向电压，一般地主要有以下两种途径：(1)降低n型掺杂的浓度，提升阻值；(2)降低量子阱的Si掺杂浓度。而以上两种途径均会导致LED的驱动电压增加。特别是第二种途径，会大大影响载流子的浓度，从而影响量子阱的发光效率。
公布号为CN103824912A的专利文献中，公布了一种改善GaN基LED反向漏电的外延生长方法，其结构包括：在高温u-GaN层4/5厚度处插入一层50-200nm非掺u-AlGaN外延层，在高温n-GaN层1/3厚度处插入一层4-8个周期的n-AlGaN/GaN超晶格层，在低掺杂n-GaN层后生长一层2-6nm低掺n-AlGaN层；抑制V型缺陷漏电的外延结构：在MQW最后一个垒后生长一层10-50nm非掺AlGaN层，在低温p-GaN和高温p-GaN层中间插入一层50-200nm低掺p-AlGaN层。此方法的显著缺点是：u-AlGaN外延层生长厚度较厚且是在u型GaN之间，改善位错密度与晶格失配的效果不佳，容易在底部形成吸光层，温度较高压力较大对Al组分的掺杂效率及晶体的结晶有极大的影响，后续需要生长结晶质量较好的低掺或不掺的u-GaN层进行弥补覆盖。
发明内容
本发明第一目的在于提供一种增加GaN基反向电压的外延结构，技术方案如下：
一种增加GaN基反向电压的外延结构，由下至上依次包括蓝宝石衬底、低温缓冲层、第一非掺杂u型GaN层、第二非掺杂u型GaN层、u型AlGaN/GaN超晶格过渡层、第一高掺杂Si的n型GaN层、n型AlGaN电子阻挡层、第二高掺杂Si的n型GaN层、低温n型GaN层、浅量子阱层、量子阱层、有源层、GaN垒层、第一P型AlGaN/InGaN电子阻挡层、第二P型AlGaN/InGaN电子阻挡层、p型GaN层以及p型接触层；
所述u型AlGaN/GaN超晶格过渡层的厚度为30-100nm，其包含生长周期为4-20个的AlGaN/GaN超晶格，所述超晶格中AlGaN与GaN的厚度比为1:1-1:3；
所述第一高掺杂Si的n型GaN层的厚度为2.5-3.5um，其中Si的掺杂浓度为1.5-2.5E+19。
以上技术方案中优选的，所述第二高掺杂Si的n型GaN层的厚度为150-300nm，其中Si的掺杂浓度为1.0-2.0E+19；所述浅量子阱层的厚度为100-300nm，其中Si的掺杂浓度为2-4E+18；所述量子阱层的厚度为30-60nm，其包括生长周期为3-8个的单层；所述有源层的厚度为100-150nm，其包括生长周期为7-11个的有源单层，所述有源单层中阱层与垒层的厚度比例为1:2-1:5。
以上技术方案中优选的，所述低温缓冲层的厚度为20-35nm；所述第二非掺杂u型GaN层的厚度为2-3um；所述n型AlGaN电子阻挡层的厚度为100-200nm；所述低温n型GaN层的厚度为80-180nm；所述低温GaN垒层的厚度为30-80nm；所述第一P型AlGaN/InGaN电子阻挡层的厚度为30-50nm；所述第二P型AlGaN/InGaN电子阻挡层的厚度为50-100nm；所述p型GaN层的厚度为80-150nm；所述p型接触层的厚度为5-10nm。
应用本发明的外延结构，具有以下技术效果：(1)整体结构精简；(2)在长完第二非掺杂u型GaN层时，极大地改变Ⅴ/Ⅲ比例插入周期性的高Al组分超晶格结构(u型AlGaN/GaN超晶格过渡层)，提升晶体质量，降低位错与缺陷(在进行异质外延生长时，防止或减少失配位错的方法是：a、厚度不超过临界厚度，那么外延层时完整，不会产生失配位错；b、通过组分突变来减少失配位错。组分突变法可以降低外延层的位错密度，具体是：在外延生长时，不是一次生长出厚的外延层(如u型和n型GaN)，而是在两者之间生长几个不同厚度的薄外延层，利用两层间的交界面，使部分位错拐弯，降低外延层的位错密度)，阻止缺陷与位错的形成，有效地抑制缺陷或位错的增加与扩大，减少漏电通道；(3)u型AlGaN/GaN超晶格过渡层的厚度的选择能达到最佳程度地降低位错。(4)通过删除原第三掺杂Si层次，增加第一高掺杂Si的n型GaN层的厚度作补偿，达到因插入周期性AlGaN/lGaN过渡层带来的LED芯片驱动电压升高的问题，在增加反向电压的同时降低驱动电压(与现有技术相比较，反向电压提升5-15伏)；(5)其他各层厚度的选择，既能保证LED芯片的性能又使得生产方便。
本发明的第二目的在于提供一种增加GaN基反向电压的外延结构的生长方法，包括以下步骤：
步骤一：将蓝宝石衬底进行预处理；
步骤二：在蓝宝石衬底上依次向上生长低温缓冲层、第一非掺杂u型GaN层以及第二非掺杂u型GaN层；
步骤三：将压力调至80mbar-150mbar、温度调至850℃-950℃，生长u型AlGaN/GaN超晶格过渡层，其包含生长周期为4-20个的AlGaN/GaN超晶格，所述超晶格中AlGaN与GaN的厚度比为1:1-1:3；
步骤四：将压力调至150-250mbar、温度调至1000℃-1050℃，在所述u型AlGaN/GaN超晶格过渡层上生长厚度为2.5-3.5um的第一高掺杂Si的n型GaN层，其中Si的掺杂浓度为1.5-2.5E+19；
步骤五：在所述第一高掺杂Si的n型GaN层上依次向上生长n型AlGaN电子阻挡层、第二高掺杂Si的GaN层、低温n型GaN层、浅量子阱层、量子阱层、有源层、GaN垒层、第一P型AlGaN/InGaN电子阻挡层、第二P型AlGaN/InGaN电子阻挡层、p型GaN层以及p型接触层。
以上技术方案中优选的，所述蓝宝石衬底的预处理具体为：将蓝宝石衬底在温度为1050℃-1150℃、压力为100mbar-300mbar的条件下通入氢气进行表面清洁，其中通入氨气20s-50s；生长所述低温缓冲层的温度为500℃-550℃、压力为500mbar-700mbar，并将其在温度为1050℃-1100℃条件下进行退火处理；生长所述第一非掺杂u型GaN层时的温度为950℃-1050℃；生长所述第二非掺杂u型GaN层的温度为1050℃-1100℃、压力为300mbar-400mbar；生长所述低温n型GaN层的温度为750℃-850℃；生长所述GaN垒层的温度为750℃-800℃；生长所述第一P型AlGaN/InGaN电子阻挡层的温度为800℃-900℃；生长所述第二P型AlGaN/InGaN电子阻挡层的温度为850℃-950℃；生长所述P型GaN层的温度为950℃-1000℃；生长所述P型接触层的温度为900℃-950℃。
以上技术方案中优选的，所述低温缓冲层的厚度为20-35nm；所述第二非掺杂u型GaN层的厚度为2-3um；所述n型AlGaN电子阻挡层的厚度为100-200nm；所述第二高掺杂Si的n型GaN层的厚度为150-300nm，其中Si的掺杂浓度为1.0-2.0E+19；所述低温n型GaN层的厚度为80-180nm；所述浅量子阱层的厚度为100-300nm，其中Si的掺杂浓度为2-4E+18；所述量子阱层的厚度为30-60nm，其包括生长周期为3-8个的单层；所述有源层的厚度为100-150nm，包括生长周期为7-11个的有源单层，所述有源单层中阱层与垒层的厚度比为1:2-1:5；所述GaN垒层的厚度为30-80nm；所述第一P型AlGaN/InGaN电子阻挡层的厚度为30-50nm；所述第二P型AlGaN/InGaN电子阻挡层的厚度为50-100nm；所述p型GaN层的厚度为80-150nm；所述p型接触层的厚度为5-10nm。
使用本发明的生长方法，具有生长工艺流程简单、工艺参数便于控制、机台复制性强、缩短机台生长时间等特点，适合工业化生产。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是现有技术中外延结构的结构示意图；
图2是本发明优选实施例1的增加GaN基反向电压的外延结构的结构示意图；
图3是本发明优选实施例1的外延结构与现有技术的外延结构两者的反向电压示意图；
其中，1、蓝宝石衬底，2、低温缓冲层，3、第一非掺杂u型GaN层，4、第二非掺杂u型GaN层，5、u型AlGaN/GaN超晶格过渡层，6、第一高掺杂Si的n型GaN层，7、n型AlGaN电子阻挡层，8、第二高掺杂Si的n型GaN层，9、低温n型GaN层，10、浅量子阱层，11、量子阱层，12、有源层，13、GaN垒层，14、第一P型AlGaN/InGaN电子阻挡层，15、第二P型AlGaN/InGaN电子阻挡层，16、p型GaN层，17、p型接触层，18、P电极，19、N电极。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1：
一种增加GaN基反向电压的外延结构，详见图2，由下至上依次包括蓝宝石衬底1、低温缓冲层2、第一非掺杂u型GaN层3、第二非掺杂u型GaN层4、u型AlGaN/GaN超晶格过渡层5、第一高掺杂Si的n型GaN层6、n型AlGaN电子阻挡层7、第二高掺杂Si的n型GaN层8、低温n型GaN层9、浅量子阱层10、量子阱层11、有源层12、GaN垒层13、第一P型AlGaN/InGaN电子阻挡层14、第二P型AlGaN/InGaN电子阻挡层15、p型GaN层16以及p型接触层17，p型接触层17上设有P电极18，第一高掺杂Si的n型GaN层上设有N电极19，整体结构精简。
所述u型AlGaN/GaN超晶格过渡层5的厚度为30-100nm，其包含生长周期为4-20个的AlGaN/GaN超晶格，所述超晶格中AlGaN与GaN的厚度比为1:1-1:3。在长完第二非掺杂u型GaN层时，极大地改变Ⅴ/Ⅲ比例插入周期性的超晶格结构(u型AlGaN/GaN超晶格过渡层)，提升晶体质量，降低位错与缺陷，阻止缺陷与位错的形成，有效地抑制缺陷或位错的增加与扩大，减少漏电通道。
所述第一高掺杂Si的n型GaN层6的厚度为2.5-3.5um，其中Si的掺杂浓度为1.5-2.5E+19。与现有技术相比较(现有技术中外延结构的示意图详见图1，图1中：第五层和第六层与本发明实施例不同，其他层与本发明实施例1相同，其中：第五层的标号为5’，代表掺杂Si的n型GaN层(其材质和生长方法同第一高掺杂Si的n型GaN层)，和第六层的标号为6’，代表了与本发明实施例1厚度不同的第一高掺杂Si的n型GaN层)，通过删除原掺杂Si的n型GaN层次，与现有技术中的第一高掺杂Si的n型GaN层相比较，增加本发明中第一高掺杂Si的n型GaN层的厚度作补偿，达到因插入周期性AlGaN/lGaN过渡层带来的LED芯片驱动电压升高的问题，在增加反向电压的同时降低驱动电压。
所述低温缓冲层2的厚度为20-35nm；所述第二非掺杂u型GaN层4的厚度为2-3um；所述第二高掺杂Si的GaN层8的厚度为150-300nm，其中Si的掺杂浓度为1.0-2.0E+19；所述浅量子阱层10的厚度为100-300nm，其中Si的掺杂浓度为2-4E+18；所述量子阱层11的厚度为30-60nm，其包括生长周期为3-8个的单层；所述有源层12的厚度为100-150nm，包括生长周期为7-11个的有源单层，所述有源单层中阱层与垒层的厚度比为1:2-1:5；所述n型AlGaN电子阻挡层7的厚度为100-200nm；所述低温n型GaN层9的厚度为80-180nm；所述GaN垒层13的厚度为30-80nm；所述第一P型AlGaN/InGaN电子阻挡层14的厚度为30-50nm；所述第二P型AlGaN/InGaN电子阻挡层15的厚度为50-100nm；所述p型GaN层16的厚度为80-150nm；所述p型接触层17的厚度为5-10nm。各层的厚度的选择，既能保证LED芯片的性能，又能在增加反向电压的同时降低驱动电压。
上述增加GaN基反向电压的外延结构的生长方法，包括以下步骤：
步骤一：将蓝宝石衬底1进行预处理，具体是：将蓝宝石衬底在温度为1050℃-1150℃、压力为100mbar-300mbar的条件下通入氢气进行表面清洁，其中通入氨气20s-50s；
步骤二：在蓝宝石衬底1上依次向上生长低温缓冲层2、第一非掺杂u型GaN层3以及第二非掺杂u型GaN层4，其中：生长所述低温缓冲层2时的温度为500℃-550℃、压力为500mbar-700mbar，并将其在温度为1050℃-1100℃条件下进行退火处理；生长所述第一非掺杂u型GaN层3时的温度为950℃-1050℃；生长所述第二非掺杂u型GaN层4的温度为1050℃-1100℃、压力为300mbar-400mbar；
步骤三：将压力调至80mbar-150mbar、温度调至850℃-950℃，生长u型AlGaN/GaN超晶格过渡层5，其厚度为30-100nm，其包含生长周期为4-20个的AlGaN/GaN超晶格，所述超晶格中AlGaN与GaN的厚度比为1:1-1:3；
步骤四：将压力调至150-250mbar、温度调至1000℃-1050℃，在所述u型AlGaN/GaN超晶格过渡层5上生长厚度为2.5-3.5um的第一高掺杂Si的n型GaN层(6)，其中Si的掺杂浓度为1.5-2.5E+19；
步骤五：在所述第一高掺杂Si的n型GaN层6上依次向上生长n型AlGaN电子阻挡层7、第二高掺杂Si的n型GaN层8、低温n型GaN层9、浅量子阱层10、量子阱层11、有源层12、GaN垒层13、第一P型AlGaN/InGaN电子阻挡层14、第二P型AlGaN/InGaN电子阻挡层15、p型GaN层16以及p型接触层17，其中：生长所述低温n型GaN层9的温度为750℃-850℃；生长所述GaN垒层13的温度为750℃-800℃；生长所述第一P型AlGaN/InGaN电子阻挡层14的温度为800℃-900℃；生长所述第二P型AlGaN/InGaN电子阻挡层15的温度为850℃-950℃；生长所述P型GaN层16的温度为950℃-1000℃；生长所述P型接触层17的温度为900℃-950℃。
本发明的外延结构具有以下效果：(1)整体结构精简；(2)在长完第二非掺杂u型GaN层时，极大地改变Ⅴ/Ⅲ比例插入周期性的超晶格结构(u型AlGaN/GaN超晶格过渡层)，提升晶体质量，降低位错与缺陷，阻止缺陷与位错的形成，有效地抑制缺陷或位错的增加与扩大，减少漏电通道；(3)通过删除原第三掺杂Si层次，增加第一高掺杂Si的n型GaN层的厚度作补偿，达到因插入周期性AlGaN/lGaN过渡层带来的LED芯片驱动电压升高的问题，在增加反向电压的同时降低驱动电压(与现有技术相比较，反向电压提升5-15伏)；(4)第一高掺杂Si的n型GaN厚度的选择，既能保证LED芯片的性能，又能在增加反向电压的同时降低驱动电压。
本发明的生长方法具有生长工艺流程简单、工艺参数便于控制、机台复制性强、以及缩短了机台的生长时间等有益效果，适合工业化生产。
本发明的外延结构的性能与现有技术的性能比较详见表1，两者的反向电压幅度详见图3，从表1以及图3可以看出，采用本发明生长的外延片用标准芯片工艺制成25mil*25mil，主波长451nm蓝光芯片，在350mA下的亮度由212.0mw左右提升至215.5mw，反向电流为-10uA时，反向电压VRD从33伏提升至41伏，此外抗静电能力从89.7％提高到93.5％。
表1现有技术GaN基LED外延结构与本发明GaN基LED外延结构性能参数对比表
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种增加GaN基反向电压的外延结构，其特征在于：由下至上依次包括蓝宝石衬底(1)、低温缓冲层(2)、第一非掺杂u型GaN层(3)、第二非掺杂u型GaN层(4)、u型AlGaN/GaN超晶格过渡层(5)、第一高掺杂Si的n型GaN层(6)、n型AlGaN电子阻挡层(7)、第二高掺杂Si的n型GaN层(8)、低温n型GaN层(9)、浅量子阱层(10)、量子阱层(11)、有源层(12)、GaN垒层(13)、第一P型AlGaN/InGaN电子阻挡层(14)、第二P型AlGaN/InGaN电子阻挡层(15)、p型GaN层(16)以及p型接触层(17)；
所述u型AlGaN/GaN超晶格过渡层(5)的厚度为30-100nm，其包含生长周期为4-20个的AlGaN/GaN超晶格，所述超晶格中AlGaN与GaN的厚度比为1:1-1:3；
所述第一高掺杂Si的n型GaN层(6)的厚度为2.5-3.5um，其中Si的掺杂浓度为1.5～2.5E+19。
2.根据权利要求1所述的增加GaN基反向电压的外延结构，其特征在于：所述第二高掺杂Si的n型GaN层(8)的厚度为150-300nm，其中Si的掺杂浓度为1.0～2.0E+19；所述浅量子阱层(10)的厚度为100-300nm，其中Si的掺杂浓度为2～4E+18；所述量子阱层(11)的厚度为30-60nm，其包括生长周期为3-8个的单层；所述有源层(12)的厚度为100-150nm，其包括生长周期为7-11个的有源单层，所述有源单层中阱层与垒层的厚度比为1:2～1:5。
3.根据权利要求1-2任意一项所述的增加GaN基反向电压的外延结构，其特征在于：所述低温缓冲层(2)的厚度为20-35nm；所述第二非掺杂u型GaN层(4)的厚度为2-3um；所述n型AlGaN电子阻挡层(7)的厚度为100-200nm；所述低温n型GaN层(9)的厚度为80-180nm；所述GaN垒层(13)的厚度为30-80nm；所述第一P型AlGaN/InGaN电子阻挡层(14)的厚度为30-50nm；所述第二P型AlGaN/InGaN电子阻挡层(15)的厚度为50-100nm；所述p型GaN层(16)的厚度为80-150nm；所述p型接触层(17)的厚度为5-10nm。
4.一种生长如权利要求1所述的增加GaN基反向电压的外延结构的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将蓝宝石衬底(1)进行预处理；
步骤二：在蓝宝石衬底(1)上依次向上生长低温缓冲层(2)、第一非掺杂u型GaN层(3)以及第二非掺杂u型GaN层(4)；
步骤三：将压力调至80mbar-150mbar、温度调至850℃-950℃，生长u型AlGaN/GaN超晶格过渡层(5)，其厚度为30-100nm，其包含生长周期为4-20个的AlGaN/GaN超晶格，所述超晶格中AlGaN与GaN的厚度比为1:1-1:3
步骤四：将压力调至150-250mbar、温度调至1000℃-1050℃，在所述u型AlGaN/GaN超晶格过渡层(5)上生长厚度为2.5-3.5um的第一高掺杂Si的n型GaN层(6)，其中Si的掺杂浓度为1.5～2.5E+19；
步骤五：在所述第一高掺杂Si的n型GaN层(6)上依次向上生长n型AlGaN电子阻挡层(7)、第二高掺杂Si的n型GaN层(8)、低温n型GaN层(9)、浅量子阱层(10)、量子阱层(11)、有源层(12)、GaN垒层(13)、第一P型AlGaN/InGaN电子阻挡层(14)、第二P型AlGaN/InGaN电子阻挡层(15)、p型GaN层(16)以及p型接触层(17)。
5.根据权利要求4所述的生长增加GaN基反向电压的外延结构的方法，其特征在于：所述蓝宝石衬底(1)的预处理具体为：将蓝宝石衬底(1)在温度为1050℃-1150℃、压力为100mbar-300mbar的条件下通入氢气进行表面清洁，表面清洁的同时通入氨气20s-50s；生长所述低温缓冲层(2)的温度为500℃-550℃、压力为500mbar-700mbar，并将所述低温缓冲层(2)在温度为1050℃-1100℃条件下进行退火处理；生长所述第一非掺杂u型GaN层(3)时的温度为950℃-1050℃；生长所述第二非掺杂u型GaN层(4)的温度为1050℃-1100℃、压力为300mbar-400mbar；生长所述低温n型GaN层(9)的温度为750℃-850℃；生长所述GaN垒层(13)的温度为750℃-800℃；生长所述第一P型AlGaN/InGaN电子阻挡层(14)的温度为800℃-900℃；生长所述第二P型AlGaN/InGaN电子阻挡层(15)的温度为850℃-950℃；生长所述P型GaN层(16)的温度为950℃-1000℃；生长所述P型接触层(17)的温度为900℃-950℃。
6.根据权利要求5所述的生长增加GaN基反向电压的外延结构的方法，其特征在于：所述低温缓冲层(2)的厚度为20-35nm；所述第二非掺杂u型GaN层(4)的厚度为2-3um；所述n型AlGaN电子阻挡层(7)的厚度为100-200nm；所述第二高掺杂Si的n型GaN层(8)的厚度为150-300nm，其中Si的掺杂浓度为1.0～2.0E+19；所述低温n型GaN层(9)的厚度为80-180nm；所述浅量子阱层(10)的厚度为100-300nm，其中Si的掺杂浓度为2～4E+18；所述量子阱层(11)的厚度为30-60nm，其包括生长周期为3-8个的单层；所述有源层(12)的厚度为100-150nm，包括生长周期为7-11个的有源单层，所述有源单层中阱层与垒层的厚度比为1:2～1:5；所述GaN垒层(13)的厚度为30-80nm；所述第一P型AlGaN/InGaN电子阻挡层(14)的厚度为30-50nm；所述第二P型AlGaN/InGaN电子阻挡层(15)的厚度为50-100nm；所述p型GaN层(16)的厚度为80-150nm；所述p型接触层(17)的厚度为5-10nm。
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