CN105633235A - 一种n型GaN结构的GaN基LED外延结构及生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种n型GaN结构的GaN基LED外延结构及生长方法，包括自下而上依次设置的衬底层、缓冲层、n型结构、多量子阱发光层和P型结构；所述n型结构包括由下至上依次设置的低掺杂Si浓度渐变的n型GaN层、Si掺杂的n型AlGaN层、u型GaN层、高掺杂Si的n型GaN层。本发明采用高低掺杂组合中间插入一层nAlGaN的n型超晶格结构，成功地克服了现有技术一味采用高掺nGaN降低发光电压的方法，从结构设计方面进行了突破，借鉴多年的晶体生长经验，意外发现利用高掺nGaN和低掺nGaN，配合中间的nAlGaN层。该方法可以提高电子浓度，从而提高电子迁移率，降低发光电压；同时，n型区生长的好坏决定着整个LED结构的稳定性，特别反向电压、抗静电能力和漏电等参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种n型GaN结构的GaN基LED外延结构及生长方法，属于LED外延设计的技术领域。
背景技术
二十世纪九十年代初，以氮化物为代表的第三代宽带隙半导体材料获得了历史性突破，科研人员在氮化镓材料上成功地制备出蓝绿光和紫外光LED，使得LED照明成为可能。1971年，第一只氮化镓LED管芯面世，1994年，氮化镓HEMT出现了高电子迁移率的蓝光GaN基二极管，氮化镓半导体材料发展十分迅速。
半导体发光二极管具有体积小、坚固耐用、发光波段可控性强、光效高、低热损耗、光衰小、节能、环保等优点，在全色显示、背光源、信号灯、光电计算机互联、短距离通信等领域有着广泛的应用，逐渐成为目前电子电力学领域研究的热点。氮化镓材料具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高稳定性等一系列优点，因此在短波长发光器件、光探测器件以及大功率器件方面有着广泛的应用和巨大的市场前景。
通常，LED包含N型衬底、形成于该衬底上的N型外延区以及形成于N型外延区上的量子阱区、P型外延区。由于GaN在高温生长时氮的离解压很高，很难得到大尺寸的GaN体单晶材料，目前大部分GaN外延器件还只能在其他衬底上(如蓝宝石衬底)进行异质外延生长。
提高光电转换效率主要依靠提高内量子效率和外量子效率，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组建的光取出效率成为重要的课题。要求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)，目前国内外采用的主要工艺途径有：倒装技术、生长DBR反射层结构以及表面粗化技术、侧壁腐蚀技术和衬底图形化技术。n型区是制造GaNLED器件必不可少的重要环节，nGaN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。
中国专利文献CN102418146A公开的《一种有效提高GaN基LED发光效率的外延生长方法》，该方法是在传统的GaN基LED结构：衬底上的缓冲层、uGaN层、nGaN、n型电流扩展层、n型空间层、量子阱有源区、p型电子阻挡层、p型GaN、接触层的基础上，在n型电流扩散层和n型空间层之间加入一步表面处理的程序，将从衬底和GaN界面延伸至电流扩散层的缺陷以及应力进行破坏和释放，之后再通过生长条件的控制将材料的表面恢复平整，然后再生长量子阱有源区。与传统的生长技术相比，这样生长的量子阱受缺陷和应力的影响较小，能有效的提高样品的发光强度。但是该方法仅适用于蓝绿光波段的GaN基LED的外延生长。
CN201749864U公开的《一种具有较高静电击穿电压的GaN基LED》，其结构自下至上依次包括SiC或Si衬底、AlN缓冲层、N型GaN层、MQW层和P型GaN层，N型GaN层中设有一层厚度为20nm-100nm的AlGaN插入层。该LED是通过改变衬底材料和LED的生长结构，在SiC、Si衬底上直接在生长N型GaN层时插入一层AlGaN，从根本上增强发光二极管芯片的抗击穿电压，由于nGaN层本身较厚，插入AlGaN层时只需要引入TMA1，生长非常容易实现，反向抗静电能力由普通结构的500V-1000V提高到了2000V-4000V，反向击穿电压由原来的15V提高到30V，亮度由50-80mcd提高到了80-100mcd。
但是上述技术中，P型AlGaN层对电子阻挡不够、空穴横向扩展不均匀，造成发光效率低，且P型区超晶格晶格失配大，易造成外延片断裂。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种n型GaN结构的GaN基LED外延结构。
本发明还提供一种上述LED外延结构的生长方法。
本发明提供一种高发光效率、高静电击穿电压的GaN基LED的nGaN结构，该结构能够形成较高的能阶束缚空穴、阻挡电子回流，从而确保更多的电子进入MQW与空穴复合,增加MQW发光机会。
本发明的技术方案如下：
一种n型GaN结构的GaN基LED外延结构，包括自下而上依次设置的衬底层、缓冲层、n型结构、多量子阱发光层和P型结构；
所述n型结构包括由下至上依次设置的低掺杂Si浓度渐变的n型GaN层、Si掺杂的n型AlGaN层、u型GaN层、高掺杂Si的n型GaN层。
根据本发明优选的，所述低掺杂Si浓度渐变的n型GaN层的Si掺杂浓度为5E18-2E19/cm3；所述n型AlGaN的Si掺杂浓度为5E17-5E19/cm3；所述高掺杂Si的n型GaN层的Si掺杂浓度为1.5E19-5E20/cm3。
根据本发明优选的，所述低掺杂Si浓度渐变的n型GaN层的厚度为2-3μm；所述n型AlGaN层厚度为20-60nm；所述u型GaN层厚度为20-40nm；所述高掺杂Si的n型GaN层的厚度为5-20nm。
根据本发明优选的，所述衬底层为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底、氮化镓衬底之一。
根据本发明优选的，所述缓冲层包括成核层和非掺杂的氮化镓层；所述成核层是氮化镓层、氮化铝层或铝镓氮层之一。
根据本发明优选的，所述P型结构为掺Mg的GaN，Mg掺杂浓度为2E19-2E20/cm3。
本发明所述的n型GaN结构的GaN基LED外延结构，其中，n型结构提供的电子在量子井内与空穴复合激发出光,为LED的主要结构之一,n型GaN层会影响整个LED的亮度、IR、VF、ESD等电性,在整体结构里是非常重要的一环，n型区的掺杂浓度主要取决于Si的掺杂浓度，Si掺杂浓度高，则电子浓度高，从而提高电子迁移率，降低发光电压。同时，n型区生长的好坏决定着整个LED结构的稳定性，特别反向电压、抗静电能力和漏电等参数。但Si掺杂浓度过高则或影响漏电，所以本发明的LED外延结构采用低掺与高掺的组合且低掺部分采用变掺生长，不仅可以提供较多的电子，也为之后多量子阱层的生长提供稳定的基础。
一种上述LED外延结构的生长方法，包括以下步骤：
(1)对衬底层进行氮化处理；
(2)在氮化处理后的衬底层上生长缓冲层，即依次生长成核层和非掺杂的氮化镓层；
(3)在缓冲层上生长n型结构包括：
a.低掺杂Si浓度渐变的n型GaN层生长温度为650-1300℃，生长压力为300-800mbar，Si掺杂浓度为5E18-2E19/cm3，厚度为2-3μm；
b.n型AlGaN层的生长温度为700-1150℃，生长压力为150-500mbar，厚度为20-60nm，Si掺杂浓度为5E18-5E19/cm3；
c.u型GaN层的生长温度为650-1300℃，生长压力为300-800mbar，厚度为20-40nm；
d.高掺杂Si的n型GaN层，生长温度为650-1300℃，生长压力为300-800mbar，Si浓度为1.5E19-5E20cm3，厚度为10-35nm；
(4)在上述n型结构上生长多量子阱发光层；
(5)在上述多量子阱发光层上生长P型GaN结构。
根据本发明优选的，所述步骤(1)对衬底层进行氮化处理：将衬底层放入金属有机物化学气相沉积MOCVD设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1000-1350℃，压力200-300mbar，处理5-10分钟；升压至600-700mbar，温度为650-700℃，通入氨气，氮化处理2-3分钟。
根据本发明优选的，所述步骤(2)生长非掺杂GaN层的生长温度为1100℃，生长压力600mbar，生长厚度为2-3μm，生长速率2-2.5μm/h。
根据本发明优选的，在所述步骤(4)中生长多量子阱发光层，由5-20个周期的InGaN势阱层和GaN势垒层交互叠加构成；单个周期的所述InGaN势阱层的厚度为2-3.5nm，单个周期的所述GaN势垒层的厚度为3-14nm。
根据本发明优选的，在所述步骤(5)中，生长P型GaN结构的方法：生长温度为800-1100℃，Mg掺杂浓度为2E19-2E20/cm3。本发明各个生长层均为金属有机物化学气相沉积(MOCVD)外延生长层。
本发明的优势在于：
本发明采用的n型GaN结构，低掺n型GaN层与衬底层结构匹配性较好，高掺n型GaN层提供大量的电子；低掺n型GaN层和高掺n型GaN层的结合，在大量提供电子的情况下，减少结构的位错密度，n型AlGaN层提高能阶，增加阻抗，让电流有效扩散，因Al材料特性，有一定程度减少长晶位错及裂缝，让之后GaN更完整。同时，阻挡电子外溢，提高材料的抗静电能力。借鉴多年的晶体生长经验，利用高掺n型GaN层和低掺n型GaN层，配合中间的nAlGaN层。该方法可以提高电子浓度，从而提高电子迁移率，降低发光电压；同时，n型区生长的好坏决定着整个LED结构的稳定性，特别反向电压、抗静电能力和漏电等参数。本发明的LED外延结构采用低掺与高掺的组合且低掺部分采用变掺生长，不仅可以提供较多的电子，也优化了外延层晶体质量，为之后多量子阱层的生长提供稳定的基础。利用本发明的方法生长，管芯电压比正常电压低5％-8％，抗静电能力表现良好。
附图说明
图1是本发明LED外延结构的示意图；
图2是本发明中所述n型GaN层的结构示意图；
在图1-2中，1、衬底层，2、成核层，3、非掺杂的氮化镓层，4、n型结构，5、多量子阱发光层，6、P型结构。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
如图1-2所示。
实施例1、
一种n型GaN结构的GaN基LED外延结构，包括自下而上依次设置的衬底层1、缓冲层、n型结构4、多量子阱发光层5和P型结构6；
所述n型结构4包括由下至上依次设置的低掺杂Si浓度渐变的n型GaN层、Si掺杂的n型AlGaN层、u型GaN层、高掺杂Si的n型GaN层。
所述低掺杂Si浓度渐变的n型GaN层的Si掺杂浓度为5E18-2E19/cm3；所述n型AlGaN的Si掺杂浓度为5E17-5E19/cm3；所述高掺杂Si的n型GaN层的Si掺杂浓度为1.5E19-5E20/cm3。
所述低掺杂Si浓度渐变的n型GaN层的厚度为2-3μm；所述n型AlGaN层厚度为20-60nm；所述u型GaN层厚度为20-40nm；所述高掺杂Si的n型GaN层的厚度为5-20nm。
所述衬底层为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底、氮化镓衬底之一。
所述缓冲层包括成核层和非掺杂的氮化镓层；所述成核层是氮化镓层、氮化铝层或铝镓氮层之一。
所述P型结构为掺Mg的GaN，Mg掺杂浓度为2E19-2E20/cm3。
实施例2、
如实施例1所述LED外延结构的生长方法，包括以下步骤：
(1)对衬底层1进行氮化处理；此处所述衬底层1优选蓝宝石衬底，运用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备以金属有机物化学气相沉积法在蓝宝石衬底上生长，采用高纯H2或高纯N2或高纯H2和N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源反应室压力在200mbar；
(2)在氮化处理后的衬底层1上生长缓冲层，即依次生长成核层2和非掺杂的氮化镓层3；然后在蓝宝石衬底1上通入三家基镓生长成核层2，厚度20-40nm；
(3)在缓冲层上生长n型结构4包括：
a.低掺杂Si浓度渐变的n型GaN层生长温度为1100℃，生长压力为600mbar，Si掺杂浓度为5E18-2E19/cm3，厚度为2-3μm；
b.n型AlGaN层的生长温度为1000℃，生长压力为200mbar，厚度为20-60nm，Si掺杂浓度为5E18-5E19/cm3；
c.u型GaN层的生长温度为1100℃，生长压力为600mbar，厚度为20-40nm；
d.高掺杂Si的n型GaN层，生长温度为1100℃，生长压力为600mbar，Si浓度为1.5E19-5E20cm3，厚度为10-35nm；
(4)在上述n型结构上生长多量子阱发光层；
(5)在上述多量子阱发光层5上生长P型GaN结构。
所述步骤(1)对衬底层1进行氮化处理：将衬底层1放入金属有机物化学气相沉积MOCVD设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1000-1350℃，压力200-300mbar，处理5-10分钟；升压至600-700mbar，温度为650-700℃，通入氨气，氮化处理2-3分钟。
所述步骤(2)生长非掺杂GaN层的生长温度为1100℃，生长压力600mbar，生长厚度为2-3μm，生长速率2-2.5μm/h。
在所述步骤(4)中生长多量子阱发光层5，由5-20个周期的InGaN势阱层和GaN势垒层交互叠加构成；单个周期的所述InGaN势阱层的厚度为2-3.5nm，单个周期的所述GaN势垒层的厚度为3-14nm。
在所述步骤(5)中，生长P型GaN结构的方法：生长温度为800-1100℃，Mg掺杂浓度为2E19-2E20/cm3。本发明各个生长层均为金属有机物化学气相沉积(MOCVD)外延生长层。
Claims (10)
1.一种n型GaN结构的GaN基LED外延结构，包括自下而上依次设置的衬底层、缓冲层、n型结构、多量子阱发光层和P型结构；其特征在于：所述n型结构包括由下至上依次设置的低掺杂Si浓度渐变的n型GaN层、Si掺杂的n型AlGaN层、u型GaN层、高掺杂Si的n型GaN层。
2.根据权利要求1所述的一种n型GaN结构的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述低掺杂Si浓度渐变的n型GaN层的Si掺杂浓度为5E18-2E19/cm3；所述n型AlGaN的Si掺杂浓度为5E18-5E19/cm3；所述高掺杂Si的n型GaN层的Si掺杂浓度为1.5E19-5E20/cm3。
3.根据权利要求1所述的一种n型GaN结构的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述低掺杂Si浓度渐变的n型GaN层的厚度为2-3μm；所述n型AlGaN层厚度为20-60nm；所述u型GaN层厚度为20-40nm；所述高掺杂Si的n型GaN层的厚度为5-20nm。
4.根据权利要求1所述的一种n型GaN结构的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述衬底层为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底、氮化镓衬底之一。
5.根据权利要求1所述的一种n型GaN结构的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述缓冲层包括成核层和非掺杂的氮化镓层；所述成核层是氮化镓层、氮化铝层或铝镓氮层之一。
6.根据权利要求1所述的一种n型GaN结构的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述P型结构为掺Mg的GaN，Mg掺杂浓度为2E19-2E20/cm3。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述LED外延结构的生长方法，其特征在于，该生长方法包括以下步骤：
(1)对衬底层进行氮化处理；
(2)在氮化处理后的衬底层上生长缓冲层，即依次生长成核层和非掺杂的氮化镓层；
(3)在缓冲层上生长n型结构包括：
a.低掺杂Si浓度渐变的n型GaN层生长温度为650-1300℃，生长压力为300-800mbar，Si掺杂浓度为5E18-2E19/cm3，厚度为2-3μm；
b.n型AlGaN层的生长温度为700-1150℃，生长压力为150-500mbar，厚度为20-60nm，Si掺杂浓度为5E18-5E19/cm3；
c.u型GaN层的生长温度为650-1300℃，生长压力为300-800mbar，厚度为20-40nm；
d.高掺杂Si的n型GaN层，生长温度为650-1300℃，生长压力为300-800mbar，Si浓度为1.5E19-5E20cm3，厚度为10-35nm；
(4)在上述n型结构上生长多量子阱发光层；
(5)在上述多量子阱发光层上生长P型GaN结构。
8.根据权利要求7所述的LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述步骤(1)对衬底层进行氮化处理：将衬底层放入金属有机物化学气相沉积MOCVD设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1000-1350℃，压力200-300mbar，处理5-10分钟；升压至600-700mbar，温度为650-700℃，通入氨气，氮化处理2-3分钟；所述步骤(2)生长非掺杂GaN层的生长温度为1100℃，生长压力600mbar，生长厚度为2-3μm，生长速率2-2.5μm/h。
9.根据权利要求7所述的LED外延结构的生长方法，其特征在于，在所述步骤(4)中生长多量子阱发光层，由5-20个周期的InGaN势阱层和GaN势垒层交互叠加构成；单个周期的所述InGaN势阱层的厚度为2-3.5nm，单个周期的所述GaN势垒层的厚度为3-14nm。
10.根据权利要求7所述的LED外延结构的生长方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，生长P型GaN结构的方法：生长温度为800-1100℃，Mg掺杂浓度为2E19-2E20/cm3。
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