CN105304776A - 一种N-GaN层蓝光LED外延结构 - Google Patents

一种N-GaN层蓝光LED外延结构 Download PDF

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俞登永
郑建钦
曾欣尧
童敬文
吴东海
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一种N-GaN层蓝光LED外延结构，涉及发光二极管外延技术领域。本发明从下至上依次包括蓝宝石衬底、AlN缓冲层、U型GaN层、N型GaN层、有源区、电子阻挡层和P型GaN层。其结构特点是，所述N型GaN层包括生长厚度较薄的薄N-GaN层和生长厚度较厚的厚N-GaN层。所述薄N-GaN层与厚N-GaN层交替生长，或者厚N-GaN层与薄N-GaN层交替生长。交替生长周期为3-50个周期，N型GaN层中掺杂Si元素。同现有技术相比，本发明不但能够降低开启电压，还能够提高抗静电能力，有效提高LED的亮度。

Description

一种N-GaN层蓝光LED外延结构
技术领域
本发明涉及发光二极管外延技术领域，特别是N-GaN层蓝光LED外延结构。
背景技术
目前，随着LED行业快速的发展,人们对亮度的需求越来越高，很多专家学者，不断的提出有助于提高亮度的新材料和新结构。其中，蓝光LED中N型GaN层是十分重要的一层。
现有技术中，蓝光LED外延结构包括蓝宝石衬底1、AlN缓冲层2、U型GaN层3、N型GaN层4、有源区5、电子阻挡层6和P型GaN层7，如图1所示。但是上述结构中的N型GaN层4存在以下缺点：首先，N型GaN层的电阻相对较高，使其电压相对较高，影响其整体的散热，减少其使用寿命；其次，由于电子的有效质量比较轻，大量的电子集聚，影响其电流扩展；最后，N型GaN层的晶体质量决定整个外延结构的好坏。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺点，本发明的目的是提供一种N-GaN层蓝光LED外延结构。它不但能够降低开启电压，还能够提高抗静电能力，有效提高LED的亮度。
为了达到上述发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现：
一种N-GaN层蓝光LED外延结构，它从下至上依次包括蓝宝石衬底、AlN缓冲层、U型GaN层、N型GaN层、有源区、电子阻挡层和P型GaN层。其结构特点是，所述N型GaN层包括生长厚度较薄的薄N-GaN层和生长厚度较厚的厚N-GaN层。所述薄N-GaN层与厚N-GaN层交替生长，或者厚N-GaN层与薄N-GaN层交替生长。交替生长周期为3-50个周期，N型GaN层中掺杂Si元素。
在上述蓝光LED外延结构中，所述N型GaN层中交替生长的薄N-GaN层和厚N-GaN层从下至上每层中的Si掺杂浓度按比例逐渐降低，且薄N-GaN层为高浓度层，厚N-GaN层为低浓度层。
在上述蓝光LED外延结构中，所述薄N-GaN层的厚度为10-1000埃，生长N型，掺杂的Si元素浓度为1x1017cm3~5x1020cm3。所述厚N-GaN层的厚度为20-2000埃，生长N型，掺杂的Si元素浓度为1x1017cm3~5x1020cm3。
在上述蓝光LED外延结构中，所述N型GaN层的生长温度为800-1500℃，生长压力为75-1000mbar，N型GaN层在氮气、氢气或者氢氮混合气环境中生长。
在上述蓝光LED外延结构中，所述N型GaN层采用N-InGaN、N-AlGaN或者N-AlGaInN中的任一种，所述薄N-GaN层与厚N-GaN层交替生长采用AlGaN/GaN、InGaN/GaN或者AlGaInN/GaN中的任一种。
本发明由于采用了上述结构，将N型GaN层分为两大部分。第一大部分薄N-GaN层为高浓度生长部分，主要是为了通过高浓度来降低开启电压，高浓度条件下要生长薄N-GaN层，是因为生长过厚会产生较多的缺陷，使后面的晶体质量变差，从而影响亮度。第二大部分厚N-GaN层为低浓度厚生长部分，是为了将高浓度产生的大缺陷将其覆盖住，以提高晶体质量。同现有技术相比，本发明通过此种生长结构，即可以提高掺杂浓度，又可以保证晶体质量。从而，在一定程度上降低LED的开启电压，改善电流扩展效果，使MQW区域形成一些有助于发光的缺陷，最终提高复合效率。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
附图说明
图1是现有技术中LED外延结构示意图；
图2是本发明一种LED外延结构示意图；
图3是本发明另一种LED外延结构示意图；
图4是本发明中N型GaN层厚度与浓度关系示意图。
具体实施方式
参看图2和图3，本发明N-GaN层蓝光LED外延结构从下至上依次包括蓝宝石衬底1、AlN缓冲层2、U型GaN层3、N型GaN层4、有源区5、电子阻挡层6和P型GaN层7。N型GaN层4包括生长厚度较薄的薄N-GaN层8和生长厚度较厚的厚N-GaN层9。薄N-GaN层8与厚N-GaN层9交替生长，或者厚N-GaN层9与薄N-GaN层8交替生长，交替生长周期为3-50个周期。N型GaN层4中掺杂Si元素。
N型GaN层4中交替生长的薄N-GaN层8和厚N-GaN层9从下至上每层中的Si掺杂浓度按比例逐渐降低，且薄N-GaN层8为高浓度层，厚N-GaN层9为低浓度层。薄N-GaN层8的厚度为10-1000埃，生长N型，掺杂的Si元素浓度为1x1017cm3~5x1020cm3。厚N-GaN层9的厚度为20-2000埃，生长N型，掺杂的Si元素浓度为1x1017cm3~5x1020cm3。N型GaN层4的生长温度为800-1500℃，生长压力为75-1000mbar，N型GaN层4在氮气、氢气或者氢氮混合气环境中生长。N型GaN层4采用N-InGaN、N-AlGaN或者N-AlGaInN中的任一种，所述薄N-GaN层(8)与厚N-GaN层（9）交替生长采用AlGaN/GaN、InGaN/GaN或者AlGaInN/GaN中的任一种。
参看图4，薄N-GaN层8和厚N-GaN层9交替生长，薄N-GaN层8和厚N-GaN层9的厚度不变，但薄N-GaN层8和厚N-GaN层9的Si掺杂浓度均按比例逐渐降低。
本发明中N型GaN层4的具体生长可以采用以下几种实施方式：
实施例一：
生长N型GaN层4，温度为800℃，生长压力为300mbar，在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长3个周期。首先第一周期，生长高浓度薄N-GaN层8的厚度为10nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为6x1017cm3；再生长低浓度厚N-GaN层9生长温度为800℃，生长压力为300mbar，生长厚度为600nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为5x1017cm3。其次第二周期，生长N-GaN生长温度为800℃，生长压力为300mbar.高浓度薄N-GaN层8的厚度为10nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为4x1017cm3。再生长低浓度厚N-GaN层9生长温度为800℃，生长压力为300mbar，生长厚度为600nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为3x1017cm3。最后第三周期，生长N-GaN生长温度为800℃，生长压力为300mbar.高浓度薄N-GaN层8的厚度为10nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为2x1017cm3。再生长低浓度厚N-GaN层9生长温度为800℃，生长压力为300mbar，生长厚度为600nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1x1017cm3。
实施例二：
生长N型GaN层4，温度为800℃，生长压力为300mbar，在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长3个周期。首先第一周期，生长高浓度薄N-GaN层8的厚度为5nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为6x1019cm3。再生长低浓度厚N-GaN层9生长温度为1200℃，生长压力为300mbar，生长厚度为55nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为5x1019cm3。其次第二周期，生长高浓度薄N-GaN层8的厚度为5nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为4x1019cm3。再生长低浓度厚N-GaN层9生长温度为1200℃，生长压力为300mbar，生长厚度为55nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为3x1019cm3。最后第三周期，生长高浓度薄N-GaN层8的厚度为5nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为2x1019cm3。再生长低浓度厚N-GaN层9生长温度为1200℃，生长压力为300mbar，生长厚度为55nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1x1019cm3。
实施例三：
生长N型GaN层4，温度为800℃，生长压力为300mbar，在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长3个周期。首先第一周期，生长高浓度薄N-GaN层8的厚度为100nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为6x1018cm3。再生长低浓度厚N-GaN层9生长温度为1000℃，生长压力为300mbar，生长厚度为500nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为5x1018cm3。其次第二周期，生长高浓度薄N-GaN层8的厚度为100nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为4x1018cm3。再生长低浓度厚N-GaN层9生长温度为1000℃，生长压力为300mbar，生长厚度为500nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为3x1018cm3。最后第三周期，生长高浓度薄N-GaN层8的厚度为100nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为2x1018cm3。再生长低浓度厚N-GaN层9生长温度为800℃，生长压力为300mbar，生长厚度为500nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1x1018cm3。
实施例四：
生长N型GaN层4，温度为800℃，生长压力为300mbar，在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长3个周期。首先第一周期，生长低浓度厚N-GaN层9生长温度为800℃，生长压力为300mbar，生长厚度为600nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为5x1017cm3。再生长高浓度薄N-GaN层8的厚度为10nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为6x1017cm3。其次第二周期，生长低浓度厚N-GaN层9生长温度为800℃，生长压力为300mbar，生长厚度为600nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为3x1017cm3。再生长高浓度薄N-GaN层8的厚度为10nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为4x1017cm3。最后第三周期，生长低浓度厚N-GaN层9生长温度为800℃，生长压力为300mbar，生长厚度为600nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1x1017cm3；再生长高浓度薄N-GaN层8的厚度为10nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为2x1017cm3。
实施例五：
生长N型GaN层4，温度为800℃，生长压力为300mbar，在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长3个周期。首先第一周期，生长低浓度厚N-GaN层9生长温度为1200℃，生长压力为300mbar，生长厚度为55nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为5x1019cm3。再生长高浓度薄N-GaN层8的厚度为5nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为6x1019cm3。其次第二周期，生长低浓度厚N-GaN层9生长温度为1200℃，生长压力为300mbar，生长厚度为55nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为3x1019cm3。再生长高浓度薄N-GaN层8的厚度为5nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为4x1019cm3。最后第三周期，生长低浓度厚N-GaN层9生长温度为1200℃，生长压力为300mbar，生长厚度为55nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1x1019cm3。再生长高浓度薄N-GaN层8的厚度为5nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为2x1019cm3。
实施例六：
生长N型GaN层4，温度为800℃，生长压力为300mbar，在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长3个周期。首先第一周期，生长低浓度厚N-GaN层9生长温度为1000℃，生长压力为300mbar，生长厚度为500nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为5x1018cm3。再生长高浓度薄N-GaN层8的厚度为100nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为6x1018cm3。其次第二周期，生长低浓度厚N-GaN层9生长温度为1000℃，生长压力为300mbar，生长厚度为500nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为3x1018cm3。再生长高浓度薄N-GaN层8的厚度为100nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为4x1018cm3。最后第三周期，生长低浓度厚N-GaN层9生长温度为800℃，生长压力为300mbar，生长厚度为500nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1x1018cm3。再生长高浓度薄N-GaN层8的厚度为100nm，生长N型，掺杂元素为Si，掺杂浓度为2x1018cm3。

Claims (5)

1.一种N-GaN层蓝光LED外延结构，它从下至上依次包括蓝宝石衬底（1）、AlN缓冲层（2）、U型GaN层（3）、N型GaN层（4）、有源区（5）、电子阻挡层（6）和P型GaN层（7），其特征在于：所述N型GaN层（4）包括生长厚度较薄的薄N-GaN层（8）和生长厚度较厚的厚N-GaN层（9），所述薄N-GaN层（8）与厚N-GaN层（9）交替生长，或者厚N-GaN层（9）与薄N-GaN层（8）交替生长，交替生长周期为3-50个周期，N型GaN层（4）中掺杂Si元素。
2.根据权利要求1所述N-GaN层蓝光LED外延结构，其特征在于：所述N型GaN层（4）中交替生长的薄N-GaN层（8）和厚N-GaN层（9）从下至上每层中的Si掺杂浓度按比例逐渐降低，且薄N-GaN层（8）为高浓度层，厚N-GaN层（9）为低浓度层。
3.根据权利要求1或2所述N-GaN层蓝光LED外延结构，其特征在于：所述薄N-GaN层(8)的厚度为10-1000埃，生长N型，掺杂的Si元素浓度为1x1017cm3~5x1020cm3；所述厚N-GaN层（9）的厚度为20-2000埃，生长N型，掺杂的Si元素浓度为1x1017cm3~5x1020cm3。
4.根据权利要求3所述N-GaN层蓝光LED外延结构，其特征在于：所述N型GaN层（4）的生长温度为800-1500℃，生长压力为75-1000mbar，N型GaN层（4）在氮气、氢气或者氢氮混合气环境中生长。
5.根据权利要求4所述N-GaN层蓝光LED外延结构，其特征在于：所述N型GaN层（4）采用N-InGaN、N-AlGaN或者N-AlGaInN中的任一种，所述薄N-GaN层(8)与厚N-GaN层（9）交替生长采用AlGaN/GaN、InGaN/GaN或者AlGaInN/GaN中的任一种。
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