CN106299048A - 一种低位错密度和残余应力的led外延结构 - Google Patents

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Abstract

一种低位错密度和残余应力的LED外延结构，涉及半导体发光领域。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、有源层、电子阻挡层和P型GaN层。其结构特点是，所述u型GaN层从下至上依次包括u‑GaN三维生长层、u‑GaN二维块体生长层和u‑GaN二维掺杂超晶格生长层。所述u‑GaN二维掺杂超晶格生长层包括从下至上交替生长的变温变压掺杂GaN层和变温变压未掺杂GaN层，变温变压掺杂GaN层中的掺杂元素为Si。同现有技术相比，本发明通过结构的变化，有效降低位错密度和残余应力，提高器件的光电特性。

Description

一种低位错密度和残余应力的LED外延结构
技术领域
本发明涉及半导体发光领域，特别是能降低位错密度和残余应力的LED外延结构。
背景技术
LED是一种将电能直接转化成光能的固态半导体器件， GaN基蓝光LED能与荧光粉结合生成白光，在照明领域有很大潜力，且具有体积小、寿命长、响应速度快等特点。
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、有源层5、电子阻挡层6和P型GaN层7，如图1所示。而，这种传统结构的GaN材料与衬底间存在较大的晶格失配和热失配，异质外延得到的GaN薄膜具有较高的位错密度和残余应力，很大程度上影响了GaN基LED器件的光电特性。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种低位错密度和残余应力的LED外延结构。通过结构的变化，有效降低位错密度和残余应力，提高器件的光电特性。
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：
一种低位错密度和残余应力的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、有源层、电子阻挡层和P型GaN层。其结构特点是，所述u型GaN层从下至上依次包括u-GaN三维生长层、u-GaN二维块体生长层和u-GaN二维掺杂超晶格生长层。所述u-GaN二维掺杂超晶格生长层包括从下至上交替生长的变温变压掺杂GaN层和变温变压未掺杂GaN层，变温变压掺杂GaN层中的掺杂元素为Si。
在上述LED外延结构中，所述变温变压掺杂GaN层和变温变压未掺杂GaN层的生长周期为3-8个周期。
在上述LED外延结构中，所述变温变压掺杂GaN层的生长压力为200-600 mbar，生长温度为950 -1100 ℃；变温变压未掺杂GaN层的生长压力为600- 800 mbar，生长温度为900 - 1050 ℃。
上述LED外延结构中，所述u-GaN三维生长层、u-GaN二维块体生长层、变温变压掺杂GaN层和变温变压未掺杂GaN层的厚度均为0.8 - 1.5 um，变温变压掺杂GaN层（3-3A）掺杂元素Si的浓度随后续周期生长线性增大。
在上述LED外延结构中，所述u型GaN层的生长温度为900-1100 ℃，生长压力为200-800 mbar，在N2、H2或者N2和H2混合环境中生长。
本发明由于采用了上述结构，将现有技术中的u型GaN层从下至上分为u-GaN三维生长层、u-GaN二维块体生长层和u-GaN二维掺杂超晶格生长层。u-GaN二维块体生长层提供一个相对平整的表面，其上的u-GaN二维掺杂超晶格生长层有助于对穿透位错及应力进行破坏和释放。特别是，本发明中优选的变温变压掺杂超晶格子层能有效控制晶粒生长时的小岛尺寸，降低岛间合并所形成的边界密度，让部分位错湮灭，改善了晶体生长质量，减少漏电流的路径。另外，本发明中的掺杂超晶格采用了掺杂少量Si且掺杂浓度不同的方式，不仅有利于改善晶体质量，而且能适量补充发光层的电子注入。同现有技术相比，本发明可以降低导通电压Vf，且能够改善漏电流IR，同时提升抗静电能力ESD。
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LED外延结构示意图；
图3是本发明的u-GaN 层中掺杂超晶格厚度与Si浓度示意图；。
具体实施方式
参看图2，本发明低位错密度和残余应力的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、有源层5、电子阻挡层6和P型GaN层7。u型GaN层3从下至上依次包括u-GaN三维生长层3-1、u-GaN二维块体生长层3-2和u-GaN二维掺杂超晶格生长层3-3。u-GaN二维掺杂超晶格生长层3-3包括从下至上交替生长的变温变压掺杂GaN层3-3A和变温变压未掺杂GaN层3-3B，变温变压掺杂GaN层3-3A中的掺杂元素为Si。
实施例一：
本发明中u型GaN层3的生长温度为900℃，生长压力为200mbar，在N2、H2或者N2和H2的混合环境中生长。u-GaN三维生长层3-1和u-GaN二维块体生长层3-2两者生长厚度均为0.8 um。u-GaN二维掺杂超晶格生长层3-3中的变温变压掺杂GaN层3-3A和变温变压未掺杂GaN层3-3B交替生长周期为3个周期。生长变温变压掺杂GaN层3-3A的掺杂元素为Si，生长压力为200 mbar，生长温度为950 ℃；生长变温变压未掺杂GaN层3-3B的生长压力为600 mbar，生长温度为900 ℃。变温变压掺杂GaN层3-3A和变温变压未掺杂GaN层3-3B的生长厚度均为0.8 um，掺杂超晶格的子层Si浓度随后续周期生长线性增大，如图3所示。
实施例二：
本发明中u型GaN层3的生长温度为1050 ℃，生长压力为600 mbar，在N2、H2或者N2和H2的混合环境中生长。u-GaN三维生长层3-1的生长厚度为0.8 um，u-GaN二维块体生长层3-2的生长厚度为1.2 um。u-GaN二维掺杂超晶格生长层3-3中的变温变压掺杂GaN层3-3A和变温变压未掺杂GaN层3-3B交替生长周期为4个周期。生长变温变压掺杂GaN层3-3A的掺杂元素为Si，生长压力为300 mbar，生长温度为1080 ℃；生长变温变压掺杂GaN层3-3A的掺杂元素为Si，生长压力为600 mbar，生长温度为1000 ℃。变温变压掺杂GaN层3-3A和变温变压未掺杂GaN层3-3B的生长厚度均为0.8 um，掺杂超晶格的子层Si浓度随后续周期生长线性增大。
实施例三：
本发明中u型GaN层3的生长温度为1100℃，生长压力为800mbar，在N2、H2或者N2和H2的混合环境中生长。u-GaN三维生长层3-1和u-GaN二维块体生长层3-2两者生长厚度均为1.5um。u-GaN二维掺杂超晶格生长层3-3中的变温变压掺杂GaN层3-3A和变温变压未掺杂GaN层3-3B交替生长周期为8个周期。生长变温变压掺杂GaN层3-3A的掺杂元素为Si，生长压力为600mbar，生长温度为1100℃；生长变温变压未掺杂GaN层3-3B的生长压力为800mbar，生长温度为1050℃。变温变压掺杂GaN层3-3A和变温变压未掺杂GaN层3-3B的生长厚度均为1.5 um，掺杂超晶格的子层Si浓度随后续周期生长线性增大。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，并不限于本发明的其它实施方式，凡属本发明的技术路线原则之内，所做的任何显而易见的修改、替换或改进，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种低位错密度和残余应力的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）、有源层（5）、电子阻挡层（6）和P型GaN层（7）， 其特征在于：所述u型GaN层（3）从下至上依次包括u-GaN三维生长层（3-1）、u-GaN二维块体生长层（3-2）和u-GaN二维掺杂超晶格生长层（3-3），所述u-GaN二维掺杂超晶格生长层（3-3）包括从下至上交替生长的变温变压掺杂GaN层（3-3A）和变温变压未掺杂GaN层（3-3B），变温变压掺杂GaN层（3-3A）中的掺杂元素为Si。
2.根据权利要求1所述的低位错密度和残余应力的LED外延结构，其特征在于：所述变温变压掺杂GaN层（3-3A）和变温变压未掺杂GaN层（3-3B）的生长周期为3-8个周期。
3.根据权利要求1或2所述的低位错密度和残余应力的LED外延结构，其特征在于：所述变温变压掺杂GaN层（3-3A）的生长压力为200-600 mbar，生长温度为950 -1100 ℃；变温变压未掺杂GaN层（3-3B）的生长压力为600- 800 mbar，生长温度为900 - 1050 ℃。
4.根据权利要求3所述的低位错密度和残余应力的LED外延结构，其特征在于：所述u-GaN三维生长层（3-1）、u-GaN二维块体生长层（3-2）、变温变压掺杂GaN层（3-3A）和变温变压未掺杂GaN层（3-3B）的厚度均为0.8 - 1.5 um，变温变压掺杂GaN层（3-3A）中掺杂元素Si的浓度随后续周期生长线性增大。
5.根据权利要求4所述的低位错密度和残余应力的LED外延结构，其特征在于：所述u型GaN层（3）的生长温度为900-1100 ℃，生长压力为200-800 mbar，在N2、H2或者N2和H2混合环境中生长。
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