CN105161591B - 一种可降低电压的GaN基外延结构及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
一种可降低电压的GaN基外延结构及其制备方法；该结构自下而上依次设置有衬底、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源区和P型GaN层，P型GaN层由低温高掺杂的GaN层、不掺杂GaN层和高温正常掺杂的AlGaN/GaN超晶格层三部分由下至上依次分布而成；其生长方法，包括以下步骤：（1）衬底表面处理；（2）在衬底上生长N型GaN层；（3）周期性生长InGaN/GaN多量子阱有源区层；（4）生长低温高掺杂P型GaN层；（5）生长不掺杂的GaN层；（6）生长高温正常掺杂的AlGaN/GaN超晶格层。本发明将P型GaN层设计成V形掺杂，改善了空穴迁移率，提高了空穴对发光层的注入，降低了驱动电压，提升了器件抗静电能力，延长了LED芯片及器件使用寿命，提高了发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种能够降低外延片电压的GaN基外延结构及其生长方法，属于LED外延结构技术领域。
背景技术
以GaN为基础的发光二极管(LED)作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，具有低电压、低功耗、体积小、重量轻、寿命长、高可靠性等优点，正在迅速被广泛地应用于交通信号灯、手机背光源、户外全彩显示屏、城市景观照明、汽车内外灯、隧道灯等领域。因此LED的各方面性能提升都被业界重点关注，作为核心半导体器件的GaN基蓝光LED能与荧光粉结合制造白光，在照明方面有很大的吸引力。
在GaN基LED外延层制备方面，P型空穴注入层的特性是影响LED电性的一个重要因素，目前国内MOCVD生长LED外延层中涉及到P型GaN层的生长，通常采用Mg做掺杂剂，Mg在GaN内的电离率非常低，行业公认的数据是：Mg的电离率仅有Mg掺杂浓度的1％，提高Mg电离率的方法一般是加重Mg掺杂浓度。现有的P型GaN制备技术已较大幅度提高了Mg的掺杂浓度，但是存在随着Mg的掺杂浓度加重时，空穴的迁移率降低，阻值增加。而且Mg掺杂过高会析出导致P型GaN晶体质量变差，也会导致部分Mg扩散到量子阱中形成缺陷。在大电流密度驱动下，P型电子阻挡层不能有效阻挡部分电子隧穿有源区进入P区形成载流子泄露。这些不利因素最终导致了LED芯片工作电压高、器件的能耗随之增加、发光效率低等现象。
中国专利文献CN104009136A公开的《提高发光效率的LED外延层生长方法及LED外延层》，P型空穴注入层包括第一双层单元和第二双层单元：第一双层单元包括第一AlGaN层和第一GaN层，单层厚度是2-5nm；1个周期中两者厚度比是1:1-3:1，周期为5-10；第二双层单元包括第二AlGaN层和第二GaN层，单层厚度是2-5nm；1个周期中两者厚度比是1:1-3:1，周期为5-10。本发明P型空穴注入层由低温生长的P型AlGaN/GaN超晶格层和高温生长的P型AlGaN/GaN超晶格层组成，有效降低大电流密度下LED芯片的Droop效应，提高载流子的注入效率，提高器件的发光效率
上述方法中P型空穴注入层是由低温生长的P型AlGaN/GaN超晶格层和高温生长的P型AlGaN/GaN超晶格层两部分组成，虽然对提高器件发光效率效果较明显，但是对降低驱动电压效果不大。
发明内容
针对现有外延片生长工艺制备出来的晶片电压高、发光效率低的不足，本发明提供一种能显著降低外延片电压、提升外延片抗静电能力、提高外延晶体质量以及增强器件的发光效率的可降低电压的GaN基外延结构，同时提供一种该结构的生长方法。
本发明的可降低电压的GaN基外延结构，采用如下技术方案：
该结构中，自下而上依次设置有衬底、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源区和P型GaN层，P型GaN层由低温高掺杂的GaN层、不掺杂GaN层和高温正常掺杂的AlGaN/GaN超晶格层三部分由下至上依次分布而成，其中低温高掺杂GaN层中Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20atom/cm3，高温正常掺杂的AlGaN/GaN超晶格层中Mg的掺杂浓度为1E+18-1E+19atom/cm3，Al的掺杂浓度为1E+17-1E+18atom/cm3。
所述衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底，衬底厚度为200μm-1000μm。
所述N型GaN层的厚度为3μm-4μm。
所述InGaN/GaN多量子阱有源区的厚度为0.15μm-0.2μm。
所述InGaN/GaN多量子阱有源区中InGaN/GaN的周期数为12-18，In的掺杂浓度为1E+19-3E+20atom/cm3。
所述P型GaN层的总厚度为0.15μm-0.22μm。
所述高温正常掺杂的AlGaN/GaN超晶格层的周期为5-10，总厚度为50-70nm，AlGaN或GaN的单层厚度是4-6nm，单个周期中AlGaN和GaN层的厚度比是1:1-3:1。
上述GaN基外延结构中，将P型GaN层中的掺杂浓度设计成高掺杂→不掺杂→正常掺杂的V形的掺杂结构，即根据掺杂含量由高到低再到高的V型，不但降低了外延片P-N结的电压，而且还能提高外延晶体的质量和抗静电能力，其电压比常规LED结构电压能降低0.15-0.25V左右，抗静电能力比常规LED结构增加了10％-25％，亮度比常规LED结构提升5％-15％。
上述可降低电压的GaN基外延结构的生长方法，包括以下步骤：
(1)将衬底放进金属有机物化学气相沉积设备的反应腔内，反应腔的压力为80-180mbar，温度为1100-1300℃，使用氢气作为载气进行衬底表面处理，该过程持续时间为10-15分钟；
(2)将反应腔压力增加至300-800mbar，在衬底上生长厚度为3μm-4μm的N型GaN层。
(3)将温度降至700-800℃，通入1200-1500sccm的TMIn源和25-40sccm的TMGa源，周期性生长InGaN/GaN多量子阱有源区层，厚度为0.15μm-0.2μm，InGaN/GaN的周期数为12-18，In的掺杂浓度为1E+19-3E+20atom/cm3；
(4)在温度600-700℃，压力300-800mbar的反应室内，通入55000-65000sccm的NH3、25-50sccm的TMGa源和2000-3000sccm的Cp2(二茂镁)Mg源，形成低温高掺杂P型GaN层，厚度为60-90nm，其中Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20atom/cm3；
(5)升高温度至700-900℃，压力维持不变，通入30000-40000sccm的NH3和20-30sccm TMGa源，时间持续50-100秒，形成不掺杂的GaN层，厚度为40-60nm；
(6)再升高温度到900-1050℃，通入30000-60000sccm的NH3、30-50sccm的TMGa、1500-2000sccm的Cp2Mg和150-200sccm的TMAl，生长高温正常掺杂的AlGaN/GaN超晶格层；其中Mg的掺杂浓度为1E+18-1E+19atom/cm3，Al的掺杂浓度是1E+17-1E+18atom/cm3，AlGaN或GaN的单层厚度是4-6nm，单个周期中AlGaN和GaN层的厚度比是1:1-3:1，周期为5-10，总厚度为50-70nm。
本发明将P型GaN层设计成由低温高掺杂GaN层、不掺杂GaN层、高温正常掺杂AlGaN/GaN超晶格层三部分形成的V形掺杂，不但可以改善空穴迁移率，提高空穴对发光层的注入，还可以降低驱动电压，提升器件抗静电能力，延长LED芯片以及器件的使用寿命，提高发光效率。
附图说明
图1是本发明的GaN基外延结构的示意图。
图2是本发明GaN基外延结构与常规GaN基外延结构的I-V曲线对比图。
图3是本发明GaN基外延结构与常规GaN基外延结构的亮度对比图。
其中：1、衬底；2、N型GaN层；3、InGaN/GaN多量子阱有源区；4、P型GaN层；5、低温高掺杂GaN层；6、不掺杂GaN层；7、高温正常掺杂AlGaN/GaN超晶格层；8、本发明GaN基外延结构I-V曲线；9、常规GaN基外延结构I-V曲线。
具体实施方式
如图1所示，本发明的可降低外延片电压的GaN基外延结构，自下而上依次设置有衬底1、N型GaN层2、InGaN/GaN多量子阱有源区3和P型GaN层4。衬底1为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底，衬底1的厚度为200μm-1000μm。N型GaN层的厚度为3μm-4μm。InGaN/GaN多量子阱有源区的厚度为0.15μm-0.2μm。
P型GaN层4由低温高掺杂GaN层5、不掺杂GaN层6和高温正常掺杂AlGaN/GaN超晶格层7共同组成，总厚度为0.15μm-0.22μm，其中低温高掺杂GaN层中Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20atom/cm3，高温正常掺杂的AlGaN/GaN超晶格层中Mg的掺杂浓度为1E+18-1E+19atom/cm3，Al的掺杂浓度为1E+17-1E+18atom/cm3。高温正常掺杂的AlGaN/GaN超晶格层的周期为5-10，总厚度为50-70nm，AlGaN或GaN的单层厚度是4-6nm，单个周期中AlGaN和GaN层的厚度比是1:1-3:1。
上述可降低外延片电压的GaN基外延结构的生长方法，包括以下步骤：
(1)采用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)，将衬底1放进金属有机物化学气相沉积设备的反应腔内，反应腔的压力为80-180mbar，温度为1100-1300℃，使用氢气作为载气进行衬底1表面处理，该过程持续时间为10-15分钟。
(2)将反应腔压力增加至300-800mbar，在衬底1上生长厚度为3μm-4μm的N型GaN层2。
(3)将温度降至700-800℃，通入1200-1500sccm的TMIn源和25-40sccm的TMGa源，周期性生长InGaN/GaN多量子阱有源区层3，InGaN/GaN的周期数为12-18，InGaN/GaN多量子阱有源区层3的厚度为0.15μm-0.2μm，In的掺杂浓度为1E+19-3E+20atom/cm3。
(4)将温度降至600-700℃，反应腔压力维持在300-800mbar，通入55000-65000sccm的NH3、25-50sccm的TMGa源和2000-3000sccm的Cp2Mg源，时间持续1-2min，形成低温高掺杂的GaN层5，该层厚度为60-90nm；其中Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20atom/cm3。
(5)升高温度至700-900℃，反应腔压力维持不变，通入30000-40000sccm的NH3和20-30sccmTMGa源，时间持续50-100s，形成不掺杂的GaN层6，该层厚度为40-60nm。
(6)再升高温度到900-1050℃，通入30000-60000sccm的NH3、30-50sccm的TMGa、1500-2000sccm的Cp2Mg、150-200sccm的TMAl，生长高温正常掺杂的P型AlGaN/GaN超晶格层7，其中Mg的掺杂浓度1E+18-1E+19atom/cm3，Al的掺杂浓度1E+19-2E+20atom/cm3；AlGaN或GaN的单层厚度是4-6nm，1个周期中AlGaN和GaN层的厚度比是1:1-3:1，周期为5-10，该层厚度为50-70nm。
定义本发明的GaN基外延结构为样品1，常规GaN基外延结构为样品2，对这两种样品进行光电参数测量，其中图2给出了本发明GaN基外延结构I-V曲线8和常规GaN基外延结构I-V曲线9。图3是两种样品光功率对比。将本发明GaN基外延结构I-V曲线8和常规GaN基外延结构I-V曲线9对比，可以明显看出，本发明GaN基外延结构驱动电压比常规GaN基外延结构驱动电压降低0.17V。将两组光功率数据对比，样品1的光效比样品2高出8％左右。
Claims (8)
1.一种可降低电压的GaN基外延结构，自下而上依次设置有衬底、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源区和P型GaN层，其特征是，P型GaN层由低温高掺杂的GaN层、不掺杂GaN层和高温正常掺杂的AlGaN/GaN超晶格层三部分由下至上依次分布而成，其中低温高掺杂GaN层中Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20 atom/cm3，高温正常掺杂的AlGaN/GaN超晶格层中Mg的掺杂浓度为1E+18-1E+19 atom/cm3，Al的掺杂浓度为1E+17-1E+18 atom/cm3。
2.根据权利要求1所述可降低电压的GaN基外延结构，其特征是，所述衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底，衬底厚度为200μm-1000μm。
3.根据权利要求1所述可降低电压的GaN基外延结构，其特征是，所述N型GaN层的厚度为3μm-4μm。
4.根据权利要求1所述可降低电压的GaN基外延结构，其特征是，所述InGaN/GaN多量子阱有源区的厚度为0.15μm-0.2μm。
5.根据权利要求1所述可降低电压的GaN基外延结构，其特征是，所述InGaN/GaN多量子阱有源区中InGaN/GaN的周期数为12-18，In的掺杂浓度为1E+19-3E+20 atom/cm3。
6.根据权利要求1所述可降低电压的GaN基外延结构，其特征是，所述P型GaN层的总厚度为0.15μm-0.22μm。
7.根据权利要求1所述可降低电压的GaN基外延结构，其特征是，所述高温正常掺杂的AlGaN/GaN超晶格层的周期为5-10，总厚度为50-70nm，AlGaN或GaN的单层厚度是4-6nm，单个周期中AlGaN和GaN层的厚度比是1:1-3:1。
8.一种权利要求1所述可降低电压的GaN基外延结构的生长方法，其特征是，包括以下步骤：
（1）将衬底放进金属有机物化学气相沉积设备的反应腔内，反应腔的压力为80-180mbar，温度为1100-1300℃，使用氢气作为载气进行衬底表面处理，衬底表面处理的过程持续时间为10-15分钟；
（2）将反应腔压力增加至300-800mbar，在衬底上生长厚度为3μm-4μm的N型GaN层；
（3）将温度降至700-800℃，通入1200-1500sccm的TMIn源和25-40sccm的TMGa源，周期性生长InGaN/GaN多量子阱有源区层，厚度为0.15μm-0.2μm，InGaN/GaN的周期数为12-18，In的掺杂浓度为1E+19-3E+20 atom/cm3；
（4）在温度600-700℃，压力300-800mbar的反应室内，通入55000-65000sccm的NH3、25-50sccm的TMGa源和2000-3000sccm的Cp2Mg源，形成低温高掺杂P型GaN层，厚度为60-90nm，其中Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20 atom/cm3；
（5）升高温度至700-900℃，压力维持不变，通入30000-40000sccm的NH3和20-30sccmTMGa源，时间持续50-100秒，形成不掺杂的GaN层，厚度为40-60nm；
（6）再升高温度到900-1050℃，通入30000-60000sccm的NH3、30-50sccm的TMGa、1500-2000sccm的Cp2Mg和150-200sccm的TMAl，生长高温正常掺杂的AlGaN/GaN超晶格层；其中Mg的掺杂浓度为1E+18-1E+19 atom/cm3，Al的掺杂浓度是1E+17-1E+18 atom/cm3， AlGaN或GaN的单层厚度是4-6nm，单个周期中AlGaN和GaN层的厚度比是1:1-3:1，周期为5-10，总厚度为50-70nm。
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