CN105514237A - 一种GaN基LED外延结构及其生产方法 - Google Patents

一种GaN基LED外延结构及其生产方法 Download PDF

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Abstract

一种GaN基LED外延结构及其生产方法，涉及半导体光电技术领域。其外延结构自下而上依次为：衬底、缓冲层、非故意掺杂GaN层、n型掺杂GaN层、低温n型掺杂AlGaN层、多量子阱有源层、电子阻挡层、p型掺杂GaN层。所述低温n型掺杂AlGaN层位于n型掺杂GaN层和多量子阱有源层之间，能有效的抑制大电流下的电子溢出，提高量子阱中的电子和空穴分布的均匀性，增加其中电子空穴的辐射复合率，从而提高光输出功率，降低Droop效应。

Description

一种GaN基LED外延结构及其生产方法
技术领域
本发明属于半导体光电技术领域，特别是指一种GaN基LED的外延结构及其生产方法。
背景技术
氮化镓（GaN）作为第三代直接能隙宽禁带半导体，在光电技术领域有着广阔的应用前景。以GaN基发光二极管（LED）为核心的半导体照明技术作为新兴的光源技术，具有亮度高、功耗低、寿命长、启动快、体积小、安全环保等突出优势，被称为新一代绿色环保型照明光源，使其有望取代传统的白炽灯和荧光灯，带来人类照明历史上的第二次革命。
尽管近年来GaN基LED技术发展很快，LED的外延结构和外延技术已经比较成熟，但是随着大功率LED芯片的兴起，GaN基LED在大电流注入下的发光效率会明显降低，这种现象称为Droop效应。GaN基LED的Droop效应起因十分复杂，学术界经过探索，比较倾向的原因是电子溢出。由于电子在量子阱中的分布不平衡，量子阱中局部区域因填充了势能越来越高的电子而溢出量子阱外，这种现象在大电流注入下表现的更明显，因此导致大电流注入下的发光效率明显降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种能有效的抑制大电流下的电子溢出，降低GaN基LED的Droop效应的外延结构。
本发明的外延结构自下而上依次包括：衬底、缓冲层、非故意掺杂GaN层、n型掺杂GaN层、低温n型掺杂AlGaN层、多量子阱有源层、电子阻挡层、p型掺杂GaN层。
本发明针对现有的技术问题提出了一种简便易行的方法，即通过在n型掺杂GaN层和多量子阱有源层之间生长一层低温n型掺杂的AlGaN层，用来抑制大电流下量子阱中的电子溢出，提高量子阱中的电子和空穴分布的均匀性，增加其中电子空穴的辐射复合率，从而提高LED的光输出功率，降低Droop效应。
本发明还提出以上外延结构的生产方法。
在衬底上生长缓冲层，在缓冲层上生长非故意掺杂GaN层，在非故意掺杂GaN层上生长n型掺杂GaN层，在n型掺杂GaN层上生长低温n型掺杂AlGaN层，在低温n型掺杂AlGaN层上生长多量子阱有源层，在多量子阱有源层上生长电子阻挡层，在电子阻挡层上生长p型掺杂GaN层。所述低温n型掺杂AlGaN层的生长温度比所述n型掺杂GaN层的生长温度低260℃～320℃。
本发明工艺简单，采用温度低于n型掺杂GaN层的生长温度260℃～320℃的方法在n型掺杂GaN层上生长形成低温n型掺杂AlGaN层，用来抑制大电流下量子阱中的电子溢出，提高量子阱中的电子和空穴分布的均匀性，增加其中电子空穴的辐射复合率，从而提高LED的光输出功率，降低Droop效应。采用低温生长的方式，能够更好的释放应力，利于后续多量子阱有源层的生长。
进一步地，所述低温n型掺杂AlGaN层的生长温度为820℃～880℃。
所述低温n型掺杂AlGaN层生长气氛为N2和H2的混合气氛；所述N2和H2的混合摩尔比为2～8∶1。在生长气氛中加入H2能提高外延层的结晶质量，减少后续做成芯片后的漏电问题。
所述低温n型掺杂AlGaN层的生长压力为80mbar～300mbar；所述低温n型掺杂AlGaN层的厚度为5nm～80nm。
所述低温n型掺杂AlGaN层的Al组分沿生长方向的变化方式，或始终保持不变，或线性增加，或线性减少，其Al组分为0.05～0.25。通过改变不同的Al组分以及渐变方式，能够改变该处能带的弯曲程度，达到控制电子注入多量子阱有源层的目的。同时，采用渐变的结构还能减少界面处的缺陷问题。
所述低温n型掺杂AlGaN层既可以采用单层结构的生长方式，也可以采用叠层结构的生长方式，该层总厚度为5nm～80nm。采用叠层结构的生长方式时，所述叠层结构为n型掺杂的AlGaN/GaN超晶格；所述n型掺杂AlGaN/GaN超晶格的对数为2～8对，每层AlGaN的厚度为5nm～20nm，每层GaN的厚度为5nm～20nm。采用叠层结构时，同样是通过改变该处的能带，以达到控制电子注入多量子阱有源层的目的。
附图说明
图1是本发明所述GaN基LED的外延结构。
图中，100：衬底；101：缓冲层；102：非故意掺杂GaN层；103：n型掺杂GaN层；104：低温n型掺杂AlGaN层；105：多量子阱有源层；106：电子阻挡层；107：p型掺杂GaN层。
具体实施方式
一、本发明实施过程采用MOCVD设备生长，生长中以氨气(NH3)作为N源；以三甲基镓(TMGa)或三乙基镓(TEGa)作为Ga源；以三甲基铟(TMIn)作为In源；以三甲基铝(TMAl)作为Al源；以硅烷(SiH4)作为n型掺杂源；以二茂镁(Cp2Mg)作为p型掺杂源；以氢气(H2)或氮气(N2)作为载气。
下面结合图1进一步说明本发明的生长步骤：
1、在衬底100上生长一层厚度在20nm～40nm之间的缓冲层101，生长所需的Ga源使用TMGa，生长气氛为H2气氛，生长温度为500℃～600℃，生长压力为600mbar～700mbar。
2、在缓冲层101上生长一层厚度为2000nm左右的非故意掺杂GaN层102，生长所需的Ga源使用TMGa，生长气氛为H2气氛，生长温度为1100℃～1150℃，生长压力为250mbar～650mbar。
3、在非故意掺杂GaN层102上生长一层厚度为2000nm左右的n型掺杂GaN层103，生长所需的Ga源使用TMGa，生长气氛为H2气氛，生长温度为1100℃～1150℃，生长压力为100mbar～200mbar，n型掺杂Si的掺杂浓度在5×1017cm-3～4×1019cm-3之间。
4、在n型掺杂GaN层103上生长一层总厚度在5nm～80nm之间的低温n型掺杂AlGaN层104，生长所需的Ga源使用TMGa，Al源使用TMAl，Al组分在0.05～0.25之间。生长气氛切换为N2和H2的混合气氛，N2/H2摩尔比在2～8∶1之间，生长温度为820℃～880℃，生长压力为80mbar～300mbar，n型掺杂Si的掺杂浓度在5×1018cm-3～4×1019cm-3之间。
按照低温n型掺杂AlGaN层104的Al组分及生长结构的不同，该层有多种不同的生长方式，现以不同的实施例予以说明。
实施例A：
低温n型掺杂AlGaN层104采用单层结构的生长方式，Al组分沿生长方向始终保持不变，其Al组分为0.05～0.25。
实施例B：
低温n型掺杂AlGaN层104采用单层结构的生长方式，Al组分沿生长方向线性增加，其Al组分沿生长方向从0.05线性增加到0.25。
实施例C：
低温n型掺杂AlGaN层104采用单层结构的生长方式，Al组分沿生长方向线性减少，其Al组分沿生长方向从0.25线性减少到0.05。
实施例D：
低温n型掺杂AlGaN层104采用叠层结构的生长方式，共生长2～8对n型掺杂的AlGaN/GaN超晶格结构。每层AlGaN的厚度为5nm～20nm，每层GaN的厚度为5nm～20nm。每层AlGaN的Al组分沿生长方向始终保持不变，其Al组分为0.05～0.25。
5、在低温n型掺杂AlGaN层104上生长多量子阱有源层105，共生长5～20对InGaN/GaN量子阱，阱的厚度为3nm左右，垒的厚度为8nm左右，生长所需的Ga源使用TEGa，In源使用TMIn。生长气氛切换为N2气氛，生长温度为760℃～860℃，生长压力为300mbar～400mbar。
6、在多量子阱有源层105上生长一层厚度在15nm～25nm之间的电子阻挡层106，电子阻挡层106使用p型掺杂AlGaN层，生长所需的Ga源使用TEGa，Al源使用TMAl，生长气氛为N2气氛，生长温度为820℃～860℃，生长压力为100mbar～200mbar。
7、在电子阻挡层106上生长一层厚度在50nm～100nm之间的p型掺杂GaN层107，生长所需的Ga源使用TMGa，生长气氛切换为H2气氛，生长温度为950℃～1050℃，生长压力为450mbar～650mbar，p型掺杂Mg的掺杂浓度在5×1019cm-3～5×1020cm-3之间。
二、制成的产品结构特点：
如图1所示，本发明自下而上依次包括：衬底100、缓冲层101、非故意掺杂GaN层102、n型掺杂GaN层103、低温n型掺杂AlGaN层104、多量子阱有源层105、电子阻挡层106和p型掺杂GaN层107。

Claims (10)

1.一种GaN基LED外延结构，自下而上包括：衬底、缓冲层、非故意掺杂GaN层、n型掺杂GaN层、多量子阱有源层、电子阻挡层、p型掺杂GaN层；其特征在于：在n型掺杂GaN层和多量子阱有源层之间设置低温n型掺杂AlGaN层。
2.根据权利要求1所述GaN基LED外延结构的生产方法，包括在衬底上生长缓冲层，在缓冲层上生长非故意掺杂GaN层，在非故意掺杂GaN层上生长n型掺杂GaN层，在多量子阱有源层上生长电子阻挡层，在电子阻挡层上生长p型掺杂GaN层；其特征在于：在所述n型掺杂GaN层上生长低温n型掺杂AlGaN层，所述多量子阱有源层生长在低温n型掺杂AlGaN层上；所述低温n型掺杂AlGaN层的生长温度比所述n型掺杂GaN层的生长温度低260℃～320℃。
3.根据权利要求2所述GaN基LED外延结构的生产方法，其特征在于：所述低温n型掺杂AlGaN层的生长温度为820℃～880℃。
4.根据权利要求2所述GaN基LED外延结构的生产方法，其特征在于：所述低温n型掺杂AlGaN层生长气氛为N2和H2的混合气氛；所述低温n型掺杂AlGaN层的生长压力为80mbar～300mbar；所述低温n型掺杂AlGaN层的厚度为5nm～80nm。
5.根据权利要求4所述GaN基LED外延结构的生产方法，其特征在于：所述N2和H2的混合摩尔比为2～8∶1。
6.根据权利要求2所述GaN基LED外延结构的生产方法，其特征在于：所述低温n型掺杂AlGaN层的Al组分沿生长方向始终保持不变，其Al组分为0.05～0.25。
7.根据权利要求2所述GaN基LED外延结构的生产方法，其特征在于，所述低温n型掺杂AlGaN层的Al组分沿生长方向线性增加，其Al组分沿生长方向从0.05线性增加到0.25。
8.根据权利要求2所述GaN基LED外延结构的生产方法，其特征在于，所述低温n型掺杂AlGaN层的Al组分沿生长方向线性减少，其Al组分沿生长方向从0.25线性减少到0.05。
9.根据权利要求2所述GaN基LED外延结构的生产方法，其特征在于，所述低温n型掺杂AlGaN层采用单层结构的生长方式，所述单层结构的厚度为5nm～80nm。
10.根据权利要求2所述GaN基LED外延结构的生产方法，其特征在于，所述低温n型掺杂AlGaN层采用叠层结构的生长方式，所述叠层结构为n型掺杂的AlGaN/GaN超晶格；所述n型掺杂AlGaN/GaN超晶格的对数为2～8对，每层AlGaN的厚度为5nm～20nm，每层GaN的厚度为5nm～20nm。
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