CN105304778A - 提高GaN基LED抗静电性能的外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种GaN基LED外延结构及其制备方法，该LED外延结构从下向上依次包括：衬底，N型GaN层，MQW有源层，P型AlGaN层，P型GaN层。其中，N型GaN层包括依次排布的第一GaN层、高掺杂N型GaN层和第二GaN层，第一GaN层和第二GaN层分别由若干非掺杂层和掺杂层交替排列组成，且高掺杂N型GaN层掺杂浓度不小于所述掺杂层。本发明采用渐变的N型GaN层结构，能减少位错密度，有利电流扩展，提高材料的抗静电能力，同时对低电流密度的LED芯片有利于提高亮度；另一方面，此结构可以提高电子浓度，从而提高电子迁移率，降低发光电压，LED芯片电压比正常电压低3%-5%，提高了抗静电能力。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光器件技术领域，尤其涉及一种GaN基LED外延结构及其制备方法。
背景技术
发光二极管(LED)作为一种高效、环保和绿色新型固态照明光源，具有体积小、重量轻、寿命长、可靠性高及使用功耗低等优点，得以广泛应用，特别是在照明领域的应用所占比例越来越高，在技术上对大功率LED芯片发光效率的要求与日俱增。
要提高大功率LED芯片发光效率，需要提高其光电转换效率，主要通过提高内量子效率和外量子效率来实现。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器件的光取出效率成为技术发展的热点，通过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）。n型区是制造GaN（氮化镓）型LED器件必不可少的环节，N型GaN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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高GaN基LED抗静电性能的外延结构及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明一实施方式提供一种GaN基LED外延结构，所述LED外延结构从下向上依次包括：
衬底，N型GaN层，MQW有源层，P型AlGaN层，P型GaN层；
所述N型GaN层包括依次排布的第一GaN层、高掺杂N型GaN层和第二GaN层；
所述第一GaN层和第二GaN层分别由若干非掺杂层和掺杂层交替排列组成，且所述高掺杂N型GaN层掺杂浓度不小于所述掺杂层。
作为本实施方式的进一步改进，第一GaN层中，非掺杂层厚度逐渐递增，掺杂层厚度逐渐递减，第二GaN层中，非掺杂层厚度逐渐递减，掺杂层厚度逐渐递增。
作为本实施方式的进一步改进，第一GaN层中，掺杂层掺杂浓度保持不变，且每一对上下相邻的掺杂层与非掺杂层总厚度保持不变。
作为本实施方式的进一步改进，第二GaN层中，掺杂层掺杂浓度保持不变，且每一对上下相邻的掺杂层与非掺杂层总厚度保持不变。
作为本实施方式的进一步改进，第一GaN层中，掺杂层掺杂浓度为5E18-1.5E19cm-3，且所述每一对上下相邻的掺杂层与非掺杂层总厚度为10nm-50nm。
作为本实施方式的进一步改进，第二GaN层中，掺杂层掺杂浓度为5E18-1.5E19cm-3，且所述每一对上下相邻的掺杂层与非掺杂层总厚度为10nm-50nm。
作为本实施方式的进一步改进，高掺杂N型GaN层的掺杂浓度保持不变。
作为本实施方式的进一步改进，高掺杂N型GaN层的掺杂浓度为1.5E19-3E19cm-3，厚度为600nm-1200nm。
为了实现上述发明目的之一，本实施方式的一种GaN基LED外延结构的制备方法，包括：提供一衬底；
在衬底上生长N型GaN层；
在N型GaN层上生长MQW有源层；
在MQW有源层上生长P型AlGaN层；
在P型AlGaN层上生长P型GaN层；
其中，N型GaN层包括依次排布的第一GaN层、高掺杂N型GaN层和第二GaN层，且按以下步骤依次生长：
第一GaN层中交替生长非掺杂层和掺杂层，其中非掺杂层厚度逐渐递增，掺杂层厚度逐渐减，掺杂层掺杂浓度保持不变，每一对上下相邻的掺杂层与非掺杂层总厚度保持不变；
高掺杂N型GaN层，其掺杂浓度保持不变；
第二GaN层中交替生长非掺杂层和掺杂层，其中非掺杂层厚度逐渐递减，掺杂层厚度逐渐增，掺杂层掺杂浓度保持不变，每一对上下相邻的掺杂层与非掺杂层总厚度保持不变。
作为本实施方式的进一步改进，N型GaN层的生长温度的取值范围为900℃-1120℃，其生长压力为100Torr-300Torr。
与现有技术相比，本发明采用渐变的N型GaN层结构，能减少位错密度，有利电流扩展，提高材料的抗静电能力，同时对低电流密度的LED芯片有利于提高亮度；另一方面，此结构可以提高电子浓度，从而提高电子迁移率，降低发光电压，LED芯片电压比正常电压低3%-5%，提高了抗静电能力。
附图说明
图1是本发明一实施方式中GaN基LED外延结构的结构示意图；
图2是本发明一实施方式中GaN基LED外延结构的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
如图1所示，本发明提供的GaN基LED外延结构，该LED外延结构从下向上依次包括：衬底10，N型GaN层20，超晶格MQW（多量子阱）有源层30，P型AlGaN层40和P型GaN层50。
本发明一实施方式中，衬底10的材料为蓝宝石衬底，当然，在本发明的其他实施方式中，衬底10也可以为其他衬底材料，如Si、SiC等。
本发明一实施方式中，N型GaN层20自下而上包括三部分：
a.第一GaN层201，其由若干非掺杂层（uGaN）2011和掺杂层（nGaN）2012交替排列组成。每一对上下相邻的掺杂层2012与非掺杂层2011构成一组交替层2010。其中，非掺杂层2011厚度自下而上逐渐递增，掺杂层2012厚度自下而上逐渐递减。掺杂层2012的掺杂浓度保持不变，掺杂浓度范围为5E18-1.5E19cm-3。每一组交替层2010的总厚度保持不变，厚度范围为10nm-50nm。
b.HD-nGaN层203，即高掺杂N型GaN层，用于与芯片N型电极接触。HD-nGaN层203的N型掺杂浓度保持不变，掺杂浓度范围为1.5E19-3E19cm-3，该层厚度范围为600nm-1200nm。
c.第二GaN层205，其由若干非掺杂层2051和掺杂层2052交替排列组成。每一对上下相邻的掺杂层2052与非掺杂层2051构成一组交替层2050。其中，非掺杂层2051自下而上逐渐递减，掺杂层2052厚度自下而上逐渐递增。掺杂层2052的掺杂浓度保持不变，掺杂浓度范围为5E18-1.5E19cm-3。每一组交替层2050的总厚度保持不变，厚度范围为10nm-50nm。
N型GaN层内的掺杂均是指N型掺杂。
本发明优选实施方式中，非掺杂层2011、2051为非掺杂高温uGaN层。
此结构能减少位错密度，有利电流扩展，提高材料的抗静电能力，同时对低电流密度的LED芯片有利于提高亮度；另一方面，此结构可以提高电子浓度，从而提高电子迁移率，降低发光电压，LED芯片电压比正常电压低3%-5%，提高了抗静电能力。
本发明一实施方式中，P型GaN层40优选高温P型GaN。
在上述图1所示LED外延结构的基础上，本发明一实施方式中，LED外延结构还包括：生长于衬底10和N型GaN层20之间的成核层701。
其中，成核层701优选低温GaN成核层，并将TMGa作为Ga源。
在上述图1所示LED外延结构的基础上，本发明一实施方式中，LED外延结构还包括：生长于衬底10和GaN层20之间的氮化物缓冲层703。
氮化物缓冲层703可为GaN缓冲层或AlN缓冲层；本发明优选实施方式中，氮化物缓冲层703为厚度为0.5-1um间的高温GaN缓冲层；当然，在本发明的其他实施方式中，GaN缓冲层还可以包括高温条件下生长的高温GaN缓冲层和低温条件下生长的低温GaN缓冲层，在此不做详细赘述。
在上述图1所示LED外延结构的基础上，本发明一实施方式中，LED外延结构还包括：生长于P型GaN层50上的欧姆接触层60，本发明优选实施方式中，欧姆接触层60为P型GaN接触层，进一步的，欧姆接触层60为高压P型InGaN层，在此不做详细赘述。
结合图2所示，本发明一实施方式中，公开一种GaN基LED外延结构的制备方法，所述方法包括：
S1、提供一衬底，
S2、在所述衬底上生长N型GaN层，
S3、在所述N型GaN层上生长MQW有源层，
S4、在所述MQW有源层上生长P型AlGaN层，
S5、在所述P型AlGaN层上生长P型GaN层，
其中，所述N型GaN层包括依次排布的第一GaN层、高掺杂N型GaN层和非掺杂/掺杂交替的GaN层，且按以下步骤依次生长：
A．第一GaN层，其中非掺杂层厚度逐渐递增，掺杂层厚度逐渐减，掺杂层掺杂浓度保持不变，每一组交替层总厚度保持不变；
B．HD-nGaN层，其掺杂浓度保持不变；
C．第二GaN层，其中非掺杂层厚度逐渐递减，掺杂层厚度逐渐增，掺杂层掺杂浓度保持不变，每一组交替层总厚度保持不变。
在本发明一实施方式中，所述步骤S1后，所述方法还包括:S61、在所述N型GaN层上生长成核层；
S62、在所述成核层上生长氮化物缓冲层；
在本发明一实施方式中，所述步骤S5后，所述方法还包括:
S7、在所述P型GaN层上生长欧姆接触层。
需要说明的是，通过上述方法制备出的衬底、成核层、氮化物缓冲层、N型GaN层、MQW有源层、P型AlGaN层、P型GaN层、欧姆接触层的具体组分可以参考前述GaN基LED外延结构，在此不做详细赘述。
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
在本实施例中，LED外延结构的制备方法具体包括：
M1、提供一衬底；
所述衬底为蓝宝石衬底，在氢气气氛里进行退火，清洁蓝宝石衬底表面，温度控制在1050-1100℃之间，然后进行氮化处理1-3min。
M2、在所述衬底层上生长成核层；
将温度下降到500-550℃之间，在所述衬底层上生长15-25nm厚的低温GaN成核层，生长压力控制在500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在80-120之间，石墨盘转速稳定在600转/分钟，并将TMGa作为Ga源。
M3、在所述成核层上生长氮化物缓冲层；
进行原位退火处理，在所述成核层上生长厚度为0.5-1um间的高温GaN缓冲层。
M4、在所述氮化物缓冲层上生长N型GaN层，包括三部分：第一GaN层、高掺杂N型GaN层和第二GaN层；
按以下步骤依次生长：
A．第一GaN层，其中非掺杂层厚度逐渐递增，掺杂层厚度逐渐减。掺杂层掺杂浓度保持不变，掺杂浓度范围为5E18-1.5E19cm-3。每一组交替层厚度保持不变，为10nm-50nm。生长温度为900-1120℃，生长压力为100-300Torr；
B．HD-nGaN层，其掺杂浓度保持不变，掺杂浓度范围为1.5E19-3E19cm-3，该层厚度600nm-1200nm；生长温度为900-1120℃，生长压力为100-300Torr；
C．第二GaN层，其中非掺杂层厚度逐渐递减，掺杂层厚度逐渐增。掺杂层掺杂浓度保持不变，掺杂浓度范围为5E18-1.5E19cm-3。每一组交替层厚度保持不变，为10nm-50nm。生长温度为900-1120℃，生长压力为100-300Torr。
M5、在所述N型GaN层上生长MQW有源层；
在所述高温N型GaN层生长结束后，生长6-8个多量子阱有源层。
M6、在所述MQW有源层上生长P型AlGaN层；
M7、在所述P型AlGaN层上生长P型GaN层；
在所述P型AlGaN层上生长高温P型GaN。
M8、在所述P型GaN层上生长欧姆接触层；
在所述P型GaN层上生长高压P型GaN接触层。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GaN基LED外延结构，其特征在于，所述LED外延结构从下向上依次包括：
衬底，N型GaN层，MQW有源层，P型AlGaN层，P型GaN层；
所述N型GaN层包括依次排布的第一GaN层、高掺杂N型GaN层和第二GaN层；
所述第一GaN层和第二GaN层分别由若干非掺杂层和掺杂层交替排列组成，且所述高掺杂N型GaN层掺杂浓度不小于所述掺杂层。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述第一GaN层中，非掺杂层厚度逐渐递增，掺杂层厚度逐渐递减，所述第二GaN层中，非掺杂层厚度逐渐递减，掺杂层厚度逐渐递增。
3.根据权利要求2所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述第一GaN层中，掺杂层掺杂浓度保持不变，且每一对上下相邻的掺杂层与非掺杂层总厚度保持不变。
4.根据权利要求2所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述第二GaN层中，掺杂层掺杂浓度保持不变，且每一对上下相邻的掺杂层与非掺杂层总厚度保持不变。
5.根据权利要求2所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述第一GaN层中，掺杂层掺杂浓度为5E18-1.5E19cm-3，且所述每一对上下相邻的掺杂层与非掺杂层总厚度为10nm-50nm。
6.根据权利要求2所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述第二GaN层中，掺杂层掺杂浓度为5E18-1.5E19cm-3，且所述每一对上下相邻的掺杂层与非掺杂层总厚度为10nm-50nm。
7.根据权利要求2所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述高掺杂N型GaN层的掺杂浓度保持不变。
8.根据权利要求2所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述高掺杂N型GaN层的掺杂浓度为1.5E19-3E19cm-3，厚度为600nm-1200nm。
9.一种GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于，
提供一衬底；
在所述衬底上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长MQW有源层；
在所述MQW有源层上生长P型AlGaN层；
在所述P型AlGaN层上生长P型GaN层；
其中，所述N型GaN层包括依次排布的第一GaN层、高掺杂N型GaN层和第二GaN层，且按以下步骤依次生长：
第一GaN层中交替生长非掺杂层和掺杂层，其中非掺杂层厚度逐渐递增，掺杂层厚度逐渐减，掺杂层掺杂浓度保持不变，每一对上下相邻的掺杂层与非掺杂层总厚度保持不变；
高掺杂N型GaN层，其掺杂浓度保持不变；
第二GaN层中交替生长非掺杂层和掺杂层，其中非掺杂层厚度逐渐递减，掺杂层厚度逐渐增，掺杂层掺杂浓度保持不变，每一对上下相邻的掺杂层与非掺杂层总厚度保持不变。
10.根据权利要求9所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述N型GaN层的生长温度的取值范围为900℃-1120℃，其生长压力为100Torr-300Torr。
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